双梁桥式起重机结构设计.doc

课程设计题目： 起重量63/20T 跨度25.5m
双梁桥式起重机结构设计

太原科技大学机电工程学院设计说明书
摘 要
本设计采用许用应力法以及计算机辅助设计方法对桥式起重机桥架金属结构进行设计。设计过程先用估计的桥式起重机各结构尺寸数据对起重机的强度、疲劳强度、稳定性、刚度进行粗略的校核计算，待以上因素都达到材料的许用要求后，画出桥架结构图。然后计算出主梁和端梁的自重载荷，再用此载荷进行桥架强度和刚度的精确校核计算。若未通过，再重复上述步骤，直到通过。由于桥架的初校是在草稿中列出，在设计说明书中不予记录，仅记载桥架的精校过程。设计中参考了各种资料, 运用各种途径, 努力利用各种条件来完成此次设计. 本设计通过反复斟酌各种设计方案, 认真讨论, 不断反复校核, 力求设计合理;通过采取计算机辅助设计方法以及参考前人的先进经验, 力求有所创新;通过计算机辅助设计方法, 绘图和设计计算都充分发挥计算机的强大辅助功能, 力求设计高效。

关键词: 双梁桥式起重机; 校核; 许用应力

目 录

第一章 桥式起重机金属结构设计参数 .... 1
第二章 .总体设计 2
1. 大车轴距 2
2. 主梁尺寸 2
3. 端梁尺寸 3
4. 主、端梁的连接 3
第三章 主、端梁截面积几何性质 3
第四章、载荷 4
1. 固定载荷 4
2. 小车轮压 4
3. 动力效应系数 5
4. 惯性载荷 5
5. 偏斜运行侧向力 5
6. 扭转载荷 7
第五章 主梁计算 7
1. 内力 7
2. 强度 12
3. 主梁疲劳强度 14
4. 主梁稳定性 17
第六章、 端梁计算 21
1. 载荷与内力 21
2. 水平载荷 23
3. 疲劳强度 27
4. 稳定性 30
5. 端梁拼接 31
第七章 、主梁和端梁的连接 36
第八章 、刚度计算 37
1. 桥架的垂直静刚度 37
2. 桥架的水平惯性位移 38
3. 垂直动刚度 38
4. 水平动刚度 39
第九章、桥架拱度 40
总结 41
参考文献 42

计算项目
设计计算内容
设计结果

1.大车轴距

2.主梁尺寸

3.端梁尺寸

4.主，端梁的连接

1.固定载荷

2.小车轮压

3.动力效应系数

4. 惯性载荷

5.偏斜运行侧向力

6.扭转载荷

1.内力
（1）垂直载荷

（2）水平载荷

2.强度

3. 主梁疲劳强度

4.主梁稳定性

1.载荷和内力

2.水平载荷

2.

3.疲劳强度

4.稳定性

5.端梁拼接

3.腹板拼接

（4）端梁拼接强度

第一章 桥式起重机金属结构设计参数
表1-1 设计参数
起重机类型
双梁桥式起重机
起重量（主/副:T）
63/20
小车重量(T)
19
跨度（m）
25.5
起升高度(m)
18
起升速度
(主/副：m/min)
15/25
小车运行速度
（m/min）
50
大车运行速度
（m/min）
90
小车轮距（m）
2.8
小车轨距(m)
4
吊钩最小下放距离
（m）
2
大车运行机构质量
（kg）

1500
结构工作级别
E
司机室质量(T)
3
左侧极限（m）
2
右侧极限（m）
1.6
司机室距左侧距离
（m）
1.2

第二章 总体设计
1.桥架尺寸的确定
=（）L=（）22.5=4.25~6.375 m
根据小车轨距和中轨箱型梁宽度以及大车运行机构的设置，取=6 m端梁全长B=7m

2.主梁尺寸
高度h=（）L=1500~1821mm
取腹板高度 =1800 mm
腹板厚度 =12 mm
翼缘板厚度 =10 mm
主梁总高度 =+2=1824 mm
主梁宽度 b=(0.4~0.5)=729.6~912 mm
腹板外侧间距取 b=800 mm>=425 mm 且>=608 mm
上下翼缘板相同，为10 mm880 mm
主梁端部变截面长取 d=L/8~L/4=3147.5~6375 mm，取d=3150mm

图2-1 双梁桥架结构

高度1/2=912mm，取=1000mm
考虑大车轮安装，端梁内宽=380mm
总宽=460mm，各板厚==8mm
主、端梁采用焊接连接，端梁为拼接式，桥架结构与主、端梁界面示于图2-1及图3-1

图3-1 主梁与端梁截面

第三章 主、端梁截面几何性质（图3-1）
a) 主梁 A=(88012+180010)2
=0.0571m2
=7901812=1.43 m2
形心 x=440mm y=912mm
惯性矩
=
=2.4631010 mm4
==
=6.64109 mm4
b)端梁 A=
=0.023 mm2
惯性矩
=
=2.276109 mm4
==
=6.899108 mm4
第四章 载荷
主梁自重载荷
=kρAg9.81
=
=5276.6 N
小车轨道重量（P43）
=44.6539.81
=438.04 N/m
栏杆等重量
=g=1009.81
=981 N/m
主梁的均布载荷
=++
=6695.66 N/m
根据主、副起升机构和运行机构的设计布置
起升载荷为
=g
=
=618030 N
小车自重
==186390 N
额定起升载荷产生的和
P01=
=211699.8 N
P02=
=190510.2N
小车轮压
=+=402210 N
空载轮压
=49050N
=44145 N
1=1.1
2(HC2)=1.1+0.34
=1.185
=1.+0.058
1.19
h=1 mm,接头高度差
大小车都是4个车轮，其中主动轮各占一半，按车轮打滑条件确定大小车运行的惯性力
一根主梁上的小车惯性力为
==28154.7N
大车运行起制动惯性力（一根主梁上）为
==28154.7 N
= =468.7 N/m
主梁跨端设备惯性力影响力小，忽略
一根主梁的重量为
=
=6695.66(25.5-0.4)
=168061 N
一根端梁单位长度的重量
=
=1.1
=1948.3 N
一根端梁的重量为
=B
=1948.3×7
=13638 N
一组大车运行机构的重量（两组对称配置）为
=g=1500/29.81=7357.5N
司机室及设备的重量（按合力计）为
= ms×g=3000×9.81=29430N
(1)满载小车在主梁跨中央
左侧端梁总静轮压按图4-1计算

图4-1 端梁总轮压计算

=
=（618030+186390）+168061+28045+7357.5+13638
=619311.5N
由=25.5/6=4.25查得=0.106
侧向力
=
=619311.50.106
=32823.5N

(2) 满载小车在主梁左端极限位置
左侧端梁总静轮压=
=958429.7N
侧向力
= =50796.8N
估算大车轮压
P=21.25 t
选取大车车轮直径为800 mm,轨道为QU70.

中轨梁扭转载荷较小，且方向相反，可忽略。故在此不用计算。
第五章 主梁计算
计算大车传动侧的主梁。在固定载荷与移动载荷作用下，主梁按简支梁计算，如图所示5-1

图5-1 主梁计算模型
固定载荷作用下主梁跨中的弯矩
=（）
=1.19()
=677404 N
跨端剪切力
[]
=1.19[6695.6625.5+7357.5+29430（1-）]
=143718.9 N
移动载荷作用下主梁的内力
1）满载小车在跨中，跨中E点弯矩为
=
轮压合力与左轮的距离为
==1.326m
则 =2742184.6 Nm
跨中E点剪切力
（1-）
=
=226870.6 N
跨中内扭矩为
=0
2)满载小车在跨端极限位置（z=）.小车左轮距梁端距离为
=-=2-1.3=0.7 mm
跨端剪切力
=（）
=1.19（25.5-1.326-0.7）
=440602.3N
跨端内扭矩为
=0
主梁跨中总弯距为
=+
=677404+2742184.6
=3419588.6 N.m
主梁跨端总剪切力
==+
=584321.2 N
1）水平惯性力载荷
在水平载荷及作用下，桥架按刚架计算。
K=4m
b=K=2m
a=(-K)= (6-2)=1m
水平刚架计算模型示表图5-2

图5-2 水平刚架计算模型
①小车在跨中，刚架的计算系数为
=1+
=1+
=1.168
跨中水平弯矩
=
=
=119003.3 N.m
跨中水平剪切力为
=14077.35 N
跨中轴力为
=
=
=-12791 N
②小车在跨端,跨端水平剪切力为
=
=
=31922.4 N
2)偏斜侧向力。在偏斜侧向力作用下，桥架也按水平刚架分析（如图5-3）

图5-3 侧向力作用下刚架的分析
这时，计算系数为
=1+
=
=1.503
①小车在跨中,侧向力
=
=32823.5N
超前力为

=7723.2 N
端梁中点的轴力为
=3861.6 N
端梁中点的水平剪切力为
=
=32823.5（-）
=10952.2 N
主梁跨中的水平弯距为
=
=5492.5 Nm
主梁轴力为

=32823.5-10952.2
=21871.3 N
主梁跨中总的水平弯矩为
=
=119003.3+5492.5
=124495.8 N.m
小车在跨端。侧向力为
=50796.8 N
超前力为
=
=11952 N
端梁中点的轴力为
==5976 N
端梁中点的水平剪切力为
=（）
=50796.8（-）
=16949.4 N
主梁跨端的水平弯矩为
=a+b
=50796.81+16949.42
=84695.5 N.m
主梁跨端的水平剪切力为
=-
=
=5976 N
主梁跨端总的水平剪切力为
=
=37898.4 N
小车在跨端时，主梁跨中水平弯矩与惯性载荷的水平弯矩组合值较小，不需计算

需要计算主梁跨中截面危险点①、②、③的强度
(1)主腹板上边缘①的应力
主腹板边至轨顶距离为
==140+12=152 mm
主腹板边的局部压应力为

==71.16MPa
垂直弯矩产生的应力为
=
=126 MPa
水平弯矩产生的应力为
=
=8.25 MPa
惯性载荷与侧应力对主梁产生的轴向力较小且作用方向相反，应力很小，故不计算
主梁上翼缘板的静矩为
=
=9567360 mm4
主腹板上边的切应力为
=
=4.4 MPa
点①的折算应力为
=+
=134.25MPa
1=
=
=116.6MPa<=175MPa
(2)点②的折算应力为
2=
=134.25MP<=175MPa
(3)点③的应力为
3=1.15[]
=153.5 MPa<=175MPa
(4)主梁跨端的切应力
主梁跨端截面变小，以便于主端梁连接，取腹板高度等于=1000 mm。跨端只需计算切应力
1)主腹板。承受垂直剪力及扭矩，故主腹板中点切应力为
=
主梁跨端封闭截面面积为
=（b-8）(+)
=790×1012=799480 mm2
代入上式
=
=43.8MPa<=100MPa
副腹板中两切应力反向，可不计算
2)翼缘板。承受水平剪切力
=37898.4 N及扭矩=0 N.m
=
=2.69 MPa<=100 MPa
主梁翼缘焊缝厚度取=8 mm，采用自动焊接，不需计算
桥架工作级别为A6,应按载荷组合Ⅰ计算主梁跨中的最大弯矩截面（E）的疲劳强度
由于水平惯性载荷产生的应力很小，为了计算简明而忽略惯性力
求截面E的最大弯矩和最小弯矩，满载小车位于跨中(轮压在E点上)则
==3419588.6 N.m
空载小车位于右侧跨端时（如图5-4）

图5-4 主梁跨中（E）最小弯矩的计算
左端支反力为
=
=
=5934 N
=
=762756 Nm
(1)验算主腹板受拉翼缘板焊缝④的疲劳强度
=
=
=124.9MPa
=
=
=27.87MPa

图5-5 主梁截面疲劳强度验算点

应力循环特性
===0.223〉0
根据工作级别A6，应力集中等级及材料Q235，查得MP，=370 MPa
焊缝拉伸疲劳需用应力为
=
=
=212.2MPa
=124.9MPa< （合格）
(2)验算横隔板下端焊缝与主腹板连接处⑤
=
=
=118.29MPa
=
=
=26.385 MPa
==0.223〉0
显然，相同工况下的应力循环特性是一致的
根据A6及Q235，横隔板采用双面连续贴角焊缝连接，板底与
受拉翼缘间隙为50 mm，应力集中等级为K3，查得=71MPa
拉伸疲劳需用应力为
=
=
=135.96MPa
=118.29 MPa< （合格）
由于切应力很小，忽略不计
(1)整体稳定性
主梁高宽比
==2.283 （稳定）
(2)局部稳定性
翼缘板==65<80，不需设置纵向加劲肋，不再计算
翼缘板最大外伸部分==3.33（稳定）
腹板 ==180
故需设置横隔板及一条纵向加劲肋，其设置如图5-6
腹板间距a=1600 mm，纵向加劲肋位置
=（0.15-0.2）=360-450 mm取=400 mm
1）验算跨中主腹板上区格Ⅰ的稳定性。
区格两边正应力为
=
=134.25 MPa

图5-6 主梁加劲肋设置及稳定性计算
=
=
=78.25 MPa
==0.583 （属不均匀压板）
区格的欧拉应力为
==116.25MPa
（b==400 mm）
区格分别受、和作用时的临界压应力为
=
嵌固系数为=1.2，===4.51,
屈服系数 ==4.99 则
=1.24.99116.25
=696MPa>0.75=176.25MPa
需修正，则
=（）
=
=220 MPa
腹板边局部压应力=71.16MPa
压力分布长
c=2+50
=[2154+50]
=38 mm
==4.5>3，按a=3b计算，
=3
==0.298
区格属双边局部压缩板，板的屈曲系数为
=
=
=5.41
=
=1.22.41116.25
=336.2MPa0.75
需修正
==204 MPa
区格平均切应力为
=
=+0
=6.3 MPa
由==4.51，板的屈曲系数为
===5.53
=
=1.25.53116.25
=771.4 MPa
=
=1336 MPa0.75
需修正，则
=
=227.2MPa
==131.18 MPa
区格上边缘的复合应力为

=
=116.7MPa
==4.52，区格的临界复合应力为
=
=
=155.7 MPa
=
=
=117 MPa
<
区格Ⅱ的尺寸与Ⅰ相同，而应力较小，故不需再算。
3）加劲肋的确定。
横隔板厚度=6 mm，板中开孔尺寸为540 mm1560 mm
翼缘板纵向加劲肋选用角钢70708，A=1066.7 mm2,
=481700 mm4
纵向加劲肋对翼缘板厚度中线（1—1）的惯性矩为
==
=6.3106 mm4
[] =
=
=5.74106 mm4
>[] (合格)
第六章 端梁的计算
端梁截面已初步选定，现进行具体计算。
端梁计算工况取满载小车位于主梁跨端，大、小车同时运行起、制动及桥架偏斜
（1）垂直载荷
端梁按修改的钢架尺寸计算，=6m, a=1m, b=2 m, K’=2b=4 m, B=7.0 m, =0.5 m, =0.2 m, 主梁轴线与主腹板中线距离=0 m
主梁最大支承力=584321.2 N
因作用点的变动引起的附加力矩为零=0
端梁自重载荷为= 1948.3 N/m
端梁在垂直载荷作用下按简支梁计算如图6-1
端梁支反力为
=+
=584321.2+
=592435.8 N

图6-1 垂直载荷下端梁的计算
截面1-1弯矩
=--
=
=594464.3 N.m

剪力 =0
截面2-2
弯矩
=a-
=592435.81-0.5
=589827.5 N.m
剪力
=-
=
=588958 N.m
截面3-3
弯矩 =0
剪力
=-
=592435.8-
=591276.6 N.m
截面4-4（沿着竖直定位板表面）
-
=
=115878 N.m
剪力 -
=
=590812.8N
端梁的水平载荷有、、、等，亦按简支梁计算，如图所示6-2
截面1-1
因作用点外移引起的附加水平力矩为
=
=24939.050
=0 N.m
弯矩
=a
=28154.71
=28154.7 N.m
钢架水平支反力
=
=
=29306N
==16949.4N

图6-2 水平载荷下端梁的计算
剪切力
+=29306+16949.4
=46255.4N
轴力
==37898.4N
截面 2-2
在、、、水平力作用下，端梁的水平支反力为
=++
=108257.5N
水平剪切力
==108257.5N
弯矩为
=a
=108257.5N.m
截面3-3
水平剪切力 ==108257.5N
其他内力小，不计算

截面1-1的应力计算需待端梁拼接设计合格后方可进行（按净截面计）
截面 2-2
截面角点
=
=
=146 MPa <=175 MPa
腹板边缘
=
=（）
=139.3<=175 MPa
翼缘板对中轴的静矩为
=8460496=1825280 mm3
= ==24.3 MPa
折算应力为
==
=145.5 MPa<=175 MP
截面3-3及4-4
端梁支承处两个截面很近，只计算受力稍大的4-4
端梁支承处为安装大车轮角轴承箱座而切成缺口并焊上两块弯板（14 mm130 mm）,端部腹板两边都采用双面贴角焊缝，取=8 mm,支承处高度400 mm，弯板两个垂直面上都焊有车轮组定位垫板（16 mm90 mm460 mm）,弯板参与端梁承载工作，支承处截面（3-3及4-4）如图所示6-3

图6-3 端梁支承处截面
形心
=
=
=194.9 mm
=205.1mm
惯性矩为
=3.84108 mm4
中轴以上截面静矩 S=981965 mm3
上翼缘板静矩 =702512 mm3
下翼缘板静矩 =721084 mm3
截面4-4
腹板中轴处的切应力为
=
=93.4MPa
<=100 MPa
因静矩〉，可只计算靠弯板的腹板边的折算应力，该处正应力为
=
=
=57.6 MPa
切应力为
=
=
=69.3 MPa
折算应力为
=
=133.13 MPa <=175 MP （合格）
假设端梁支承水平剪切力只由上翼缘板承受，不计入腹板
上翼缘板切应力为
===44.1 MPa<
端梁支承处的翼缘焊缝截面计算厚度（20.78 mm=11.2 mm）比腹板厚度（8 mm）大，故焊缝不需验算，截面4-4的水平弯矩小，忽略不计

端梁疲劳强度计算只考虑垂直载荷的作用
（1）弯板翼缘焊缝
验算截面4-4的弯板翼缘焊缝
满载小车在梁跨端时，端梁截面4-4的最大弯矩的剪切力为
==115878 N. m
==590812.8 N
空载小车位于跨中不移动时端梁的支反力为

=
=137447 N
这时端梁截面4-4相应的弯矩和剪切力为
=
=137447
=27012 N. m
==136083 N
弯板翼缘焊缝的应力为
==57.6 MPa
==13.4 MPa
=
=
=49.5MPa
==11.4MPa
根据A6和Q235及弯板用双面贴角焊缝连接，查的
=43MPa，=370 MPa
= = =0.2326〉0
焊缝拉伸疲劳需用应力为
=
=
=86.78MPa
==0.2303 〉0
按查的=133 MPa，取拉伸式
=
=
=232.9 MPa
===164.71 MPa

==0.53 <1.1

（2）端梁中央拼接截面
根据端梁拼接设计，连接螺栓的布置形式已经确定，可只计算受力大的翼缘板拼接截面1-1的内力为
==594464.3 N. m
空载小车位于跨中不移动，主梁跨端的支承力为
=
=
=130628 N
=0
这时的端梁支反力为
=137447 N
端梁拼接截面1-1的弯矩为
=
=139151.7N.m
翼缘板的平均应力（按毛截面计算）为
=
=
=106.7 MPa
翼缘板传递的内力为
=
=106.78460=392656 N
端梁拼接处翼缘板面上布置有4- mm的螺栓孔，翼缘板净截面积为
=（460-421）8
=3008 mm2
应力
==130.5MPa

==
==0.23 >0
可见，在相同的循环工况下，应力循环特性是一致的。根据A6和Q235及带孔板的应力集中等级，查得=122 MPa
翼缘板拉伸疲劳需用应力为
=
=217.1 MPa
<
若考虑垂直载荷与水平载荷同时作用，则计算应力要大些
腹板应力较小，不再计算

整体稳定性
=<3 （稳定）
局部稳定
翼缘板 ==47.5 < 60 （稳定）
腹板 ==123
故只需对着主梁腹板位置设置四块横隔板，=6 mm

端梁在中央截面1-1采用拼接板精制螺栓连接，翼缘用双面拼接板8 mm440 mm460 mm及8 mm370 mm460 mm腹板用单面拼接板8 mm460 mm960 mm,精制螺栓选用M20 mm,拼接构造及螺栓布置如图所示6-4

图6-4 端梁拼接构造
（1）内力及分配
满载小车在跨端时，求得截面1-1的内力为
=594464.3 N.m，剪力 =0
=28154.7 N.m，=46255.4 N
=37898.4 N
端梁的截面惯性矩为
1=2.763109 mm4
1=6.899108 mm4
腹板对x和y轴的总惯性矩为
=9.53108 mm4
=5.9254108 mm4
翼缘对x和y轴的总惯性矩为
=1.81109 mm4
=0.9736108 mm4
弯板分配
： 腹板
=
=205039.6 N.m
翼缘 =
=389424.7 N.m
： 腹板 =
=24181.4 N.m
翼缘 =
=3973.3 N.m
水平剪切力分配
剪力有上下翼缘板平均承受，一块翼缘板所受的剪切力为
= =23127.7 N
轴力分配
轴力按截面积分配
一块翼缘板受轴力
==6036.45 N
一块腹板受轴力
==12912.75 N
=7872 mm2
=3680 mm2
A=23104 mm2
（2）翼缘拼接
由产生的翼缘轴力为
=
==392565.2 N
一块翼缘板总的轴力为
=+=398601.7 N

拼接缝一边翼缘板上有8个螺栓，一个螺栓受力（剪切力）为
=
==49825.2 N
由上下翼缘板平均承受，一块翼缘板的水平弯矩为
==1986.65 N.m
拼接缝一边翼缘板上螺栓的布置尺寸为= =3，可按窄式连接计算=150 mm , =4(502+1502)=100000 mm2
翼缘板角点螺栓的最大内应力为
=
=
=2980 N
角点螺栓顺梁轴的内力和为
=+
=2980+49825.2
=52805.2 N
水平剪切力由接缝一边翼缘上的螺栓平均承受，一个螺栓的受力为
===2980 N
角点螺栓的合成内力为
=
=
=52884.2 N
选精制螺栓M20 mm，孔21mm, =8mm
一个螺栓的许用承载力为
剪切[]=
=
=96981 N
承压 =
=2181.8
=52920 N
<1.05=55566 N （仍属合格）
由对腹板产生的轴力为
=
=
=62323 N
一块腹板总轴力为
=+=75235.75 N
焊缝一边腹板螺栓平均受力，一个螺栓受力为
=
==4702 N
腹板垂直弯矩由两腹板承受，一块腹板的弯矩为
==102519.8 N.m
拼接缝一边腹板上螺栓的布置尺寸为==8.4 >3，属窄式连接 =840 mm,
=1102+3302+5502+7002=2016000 mm2
腹板角点螺栓的最大内力为
=
=42716.6 N
腹板角点螺栓顺梁轴的内力和为
=+
=4702+42716.6
=47418.6 N
单剪螺栓的许用承载力
=10.8175
=48490.6 N
<1.05=50915 N （仍属合格）

净截面1-1的
因拼接处螺栓孔减少了截面惯性矩，需用净截面验算强度
同一截面中各板的螺栓孔对x和y轴的惯性矩为
=
=218[8（500-4）2+4（602+1802+3002+4202）]
=5.3386108 mm4
=
=1.07805108 mm4
端梁拼接处净截面惯性矩为
=-
=2.763109-5.339