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1、太原科技大學課程設計說明書計算項目設計計算內容計算結果太原科技大學課程設計說明書題 目：中軌 25t/28.5m,雙粱橋式起重機金屬結構設計設 計 人： 王 堯 學 號： 200712031218 指導教師： 楊瑞剛 王文浩 學 院： 機械電子工程學院 專 業(yè)： 起重運輸機械 班 級： 機自071212班 2011年 3 月 12 日1) 大車軸距 2) 主梁尺寸3) 主、端梁界面1） 截面尺寸1) 固定載荷2) 小車輪壓3)動力效應系數(shù)4) 慣性載荷5)偏斜運行側向力 6)扭轉載荷7)端梁總輪壓計算簡圖1) 垂直載荷2)水平載荷2) 強度3) 主梁疲勞強度1)載荷與內力2)強度3)端梁疲勞強

2、度4)穩(wěn)定性5）端梁拼接 1)橋架的垂直剛度2)橋架的水平剛度3)垂直動剛度4)水平動剛度第一章 橋式起重機金屬結構設計參數(shù)表1-1 設計參數(shù)起重機類型雙梁橋式起重機工作級別A4軌道放置中軌起重量(t)25t小車質量(t)8.8t跨度S (m)28.5m起升高度H (m)12m起升速度(m/min)13m/min小車速度(m/min)44m/min大車速度(m/min)85m/min小車輪距 b (m)2.5m吊鉤最小下放距離(m) 2m鋼絲繩倍率 n8第二章 總體設計1.橋架尺寸的確定 大車軸距的大小直接影響大車運行狀況，常?。?（）S=（）28500 mm=40715700 mm根據(jù)小車軌

3、距和中軌箱型梁寬度以及大車運行機構的設置，取=5000 mm。2.主梁尺寸 (1) 主梁在跨度中部的高度h。 由式(7-24)1估算： 當小跨度時取較大值，大跨度時取較小值。 求得的梁高通常作為腹板高度，為下料方便，腹板高度一般取尾數(shù)為0的值。 取腹板高度 (2) 腹板和翼緣板厚度。 腹板厚度通常按起重量量決定： 主、端梁翼緣板厚度 ，通常上、下翼緣板厚度相等。查表7-11知：翼緣板厚度 =12 mm查表7-2知：端梁頭部下翼緣板厚=16 mm上翼緣板與中部下翼緣板板厚=12 mm 端梁腹板厚度 =8 mm (3) 兩腹板內壁的間距b。 驗算： 且 同時，根據(jù)焊接施工條件的需要， 即： b取值

4、合理。(4) 上、下翼緣板的寬度。 (5) 端梁高度。主梁總高度 =+2=1824 mm端梁高度應略大于車輪直徑。(6) 主梁端部變截面長。 主梁端部變截面長取 d= 4350 mm。 3.主、端梁采用焊接連接，端梁為拼接長，橋架結構與主、端梁界面見圖1及圖2。圖1 雙梁橋架結構 圖2 主梁與主梁支承截面的尺寸簡圖 4.端梁截面尺寸的確定。 (1) 起重機的總質量3（包括主梁、端梁、小車、大車運行機構、司機室和電氣設備等），可由下式估算： 查表3-8-12知： 而，工作級別估算大車輪壓 故：選車輪組的尺寸，軌道型號。車輪組最大許用輪壓為15t。若車輪材料用ZQ50MnMo，車輪軸用45，HB=

5、228255時，最大許用輪壓提高20%。(2) 查表3-8-10得：車輪組尺寸，。 (3) 對較大起重量得起重機，為增大端梁水平剛度和便于主、端梁連接，通常比大50100 mm左右，但給制造帶來不便。 (4) 端梁中部上、下翼緣板寬度。 5.端梁與端梁支承截面處的的尺寸簡圖(見圖3)圖3 端梁與端梁支承截面處的尺寸簡圖第三章 主、端梁截面幾何性質1.主梁截面主梁截面積： 慣性矩：2.端梁截面 端梁截面積：第四章 載荷1.自重載荷主梁自重均布載荷： 小車軌道重量(P43)： 查附表201得：軌道理論質量44.75 N/m。欄桿等重量： 主梁均布載荷：2.小車輪壓起升載荷為： 小車自重： 假定輪壓

6、均布，查表4-2得：小車軌距 K=2400 mm。滿載小車輪壓：空載小車輪壓：3.動力效應系數(shù)=1.1(HC2)=1.1+0.34Vq =1.1+0.3413/60 =1.174=1.1+0.058 =1.1+0.05844/601 =1.143通常安裝公差要求,接頭高度差。4.慣性載荷大小車都是4個車輪，其中主動輪各占一半，按車輪打滑條件確定大小車運行的慣性力。一根主梁上的小車慣性力為：大車運行起、制動慣性力（一根主梁上）為：主梁跨端設備慣性力影響力小，忽略。5.偏斜運行側向力 小車左輪至跨度極限位置。一根主梁的重量力為：一根端梁單位長度的重量為：考慮大車車輪直徑以及其他相關零件，取。一根端

7、梁的重量為：一組大車運行機構的重量（分別驅動兩組對稱配置）為：查表7-32得：，重心作用位置。司機室及設備的重量為：重心作用位置到主梁一端的距離大約取2.8m 。(1)滿載小車在主梁跨中央一側端梁總靜輪壓為：由=28.5/5=5.7及圖3-9用插值法求得：=0.1425。側向力為：(2)滿載小車在主梁左端極限位置側向力為： 6.扭轉載荷中軌梁扭轉載荷較小，且方向相反，可忽略。故在此不用計算。7.端梁總輪壓計算簡圖見圖4圖4 端梁總輪壓計算第五章 主梁計算1.內力垂直載荷計算大車傳動側的主梁。在固定載荷與移動載荷作用下，主梁按簡支梁計算，如圖5所示。圖5 主梁計算模型固定載荷作用下主梁跨中的彎矩

8、=（）=1.143() =686058.44 跨端剪切力 =1.1435523.0128.5+8000+19620（1-） N =119323.84 N移動載荷作用下主梁的內力輪壓合力與左輪的距離為：(1)滿載小車在跨中.跨中E點彎矩為：跨中E點剪切力： （1-） = N =90592.78 N跨中內扭矩為：=0(2)滿載小車在跨端極限位置（z=）.端梁剪切力:=（） =1.143（28.5-1.25-1.2）N =173206.75 N主梁跨中總彎距為：=+ =686058.44+977508.58 =1663567.02 主梁跨端總剪切力(支承力)為：=+ =119323.84+17320

9、6.75 N =292530.59 N水平載荷1）水平慣性力載荷在水平載荷及作用下，橋架按剛架計算。,。水平剛架計算模型示表圖6。圖6 水平剛架計算模型小車在跨端。剛架的計算系數(shù)為：跨中水平彎矩為：= = =跨中水平剪切力為：=5921.04 N跨中軸力為：= = N =41992.00 N小車在跨端。跨端水平剪切力為：= = N =16445.69 N2)偏斜側向力。在偏斜側向力作用下，橋架也按水平剛架分析（如圖7）圖7 側向力作用下剛架的分析這時，計算系數(shù)為：小車在跨中。側向力為：= =25498.03 N 超前力為： = N =4473.34 N端梁中點的軸力為：=2236.67 N端梁

10、中點的水平剪切力為：= =25498.03（-）N =2338.65 N主梁跨中的水平彎距為：= =25498.031.3+2338.651.2-2236.67 =4081.27主梁軸力為： =25498.03-2338.65 N =23159.38 N主梁跨中總的水平彎矩為：= =64876.53+4081.27 =68957.8 小車在跨端。側向力為：=35279.58 N超前力為：= = N =6189.4 N端梁中點的軸力為：=3094.7 N端梁中點的水平剪切力為：=（） =35279.58（-）N =3235.80 N主梁跨端的水平彎矩為：=a+b =35279.581.3+323

11、5.801.2 =49746.41 主梁跨端的水平剪切力為：=- =6189.4-3094.7 N =3094.7 N主梁跨端總的水平剪切力為：= =16445.69+3094.7 N =19540.39 N小車在跨端時，主梁跨中水平彎矩與慣性載荷的水平彎矩組合值較小，不需計算.2.強度需要計算主梁跨中截面（如圖2所示）危險點、的強度。(1)翼緣板上邊緣與軌道接觸點的應力主腹板邊至軌頂距離為：=140+12 mm=152 mm集中載荷對腹板邊緣產生的局部壓應力為： = MPa= 44.61 MPa垂直彎矩產生的應力為：= = MPa =61.80 MPa水平彎矩產生的應力為：=0慣性載荷與側應

12、力對主梁產生的軸向力較小且作用方向相反，應力很小，故不計算。 假定剪力由腹板承受，彎矩由翼緣板和腹板共同承受且按慣性矩分配。點的折算應力為：=+=61.80 MPa= = MPa =55.25 MPa=175 MPa(2)點的折算應力為：= = MPa =67.13 MPa =175 MPa(3)點的折算應力為： 主梁上翼緣板的靜矩：主腹板下邊的切應力為： (4)主梁跨度的切應力主梁跨端截面變小，以便于主端梁連接，取腹板高度等于=910 mm?？缍酥恍栌嬎闱袘?。1)腹板承受垂直剪力，故腹板中點切應力為：2)翼緣板承受水平剪力主梁翼緣焊縫厚度取=6 mm，采用自動焊接，不需計算。3. 主梁疲勞

13、強度橋架工作級別為A7,應按載荷組合計算主梁跨中的最大彎矩截面（E）的疲勞強度。由于水平慣性載荷產生的應力很小，為了計算簡明而忽略慣性力。求截面E的最大彎矩和最小彎矩，滿載小車位于跨中(輪壓在E點上)，則=1663567.02 N.m空載小車位于右側跨端時（如圖8）。圖8 主梁跨中（E）最小彎矩的計算左端支反力為：= = =14252.04 N= =686058.44+1.14314252.040.5（28.5-1.25） =908010.80(1)驗算腹板受拉翼緣板焊縫的疲勞強度(見圖9)。= = =60.99 MPa= = =33.29 MPa圖9 主梁截面疲勞強度驗算點應力循環(huán)特性=0.

14、54580根據(jù)工作級別E4，應力集中等級及材料Q235，查得，=370 MPa。焊縫拉伸疲勞需用應力為：= = =282.37 MPa=60.99 MPa (2)驗算橫隔板下端焊縫與主腹板連接處。= = =58.28 MPa= = =31.81 MPa=0.54580顯然，相同工況下的應力循環(huán)特性是一致的。根據(jù)E4及Q235，橫隔板采用雙面連續(xù)貼角焊縫連接，板底與受拉翼緣間隙為50 mm，應力集中等級為K3，查得=103.7 MPa。拉伸疲勞許用應力為：= = =218.07 MPa=58.28 MPa50，不滿足要求。故需在受壓翼緣板內側軌道正下方設置一條縱向加勁肋，不再計算。腹板 =300

15、故需設置橫隔板及兩條縱向加勁肋，主副腹板相同，其設置如圖10。圖10 主梁加勁肋設置及穩(wěn)定性計算橫隔板間距a=1800 mm，縱向加勁肋位置：=（0.15-0.2）=270-360 mm取=350 mm=（0.3-0.4）=540-720mm取=700 mm(1)驗算跨中腹板上區(qū)格的穩(wěn)定性。區(qū)格兩邊正應力為： =61.80 MPa=61.80+5.08 MPa=66.88 MPa= = =42.85 MPa=0.641 （屬不均勻壓板）區(qū)格的歐拉應力為：= （b=300 mm）=54.72 MPa區(qū)格分別受、和作用時的臨界壓應力為=嵌固系數(shù)為=1.2，=5.1431,屈服系數(shù) =4.825 則

16、=1.24.82554.72 =316.83 MPa0.75=176.25 MPa需修正，則=（） = =207.11 MPa上翼緣板局部壓應力 =44.61 MPa集中載荷的分布長度：c=2+50 =2152+50 mm =354 mm=5.1433，按a=3b計算，=3=0.337區(qū)格屬雙邊局部壓縮板，板的屈曲系數(shù)為：= = =2.198= =1.22.19854.72 MPa =144.33 MPa0.75 不需修正。區(qū)格平均切應力為：= = =4.194 MPa由=5.1431，板的屈曲系數(shù)為=5.491= =1.25.49154.72 MPa =360.58 MPa=624.52 M

17、Pa需修正，則= = =220.58 MPa=127.51 MPa區(qū)格上邊緣的復合應力為： = =59.43 MPa 通常梁的腹板同時受有彎曲壓應力，切應力和局部壓應力的作用，應驗算腹板區(qū)格在復合應力作用下的局部穩(wěn)定性。其臨界復合應力按式(7-79)計算：= =93.90 MPa許用應力：= (見表4-11，查得：n=1.48) = =63.45 MPa即 區(qū)格的尺寸結構與相似，而且應力較小，故不再驗算。(2)加勁肋的確定。 橫隔板厚度，板中開孔尺寸為600 mm1500 mm。翼緣板縱向加勁肋選用角鋼75756，A=879.7 mm2, ，。 縱向加勁肋對翼緣板厚度中線的慣性矩為：= =84

18、5500+879.7（75+0.512-20.7）mm4 =898545.91 mm4 為簡化計算，采用近似公式(7-89)： 腹板采用相同的縱向加勁肋選用75756?？v向加勁肋對腹板厚度中線的慣性矩為：= =845500+879.7（75+0.56-20.7）mm4 =895906.81 mm4 = 第六章 端梁的計算 端梁截面已經初步確定，現(xiàn)進行具體計算。 端梁計算工況取滿載小車位于主梁跨端，大、小車同時運行起、制動及橋架偏斜。1.載荷與內力垂直載荷端梁的尺寸計算如下：=5m, =5.5m，a=1.3m, b=1.2m, K=2b=2.4 m, =0.25m, =0.18m。主梁最大支承力

19、=292530.59 N。因作用點的變動引起的附加力矩為零=0。端梁自重載荷為= 2034.38 N/m。端梁在垂直載荷作用下按簡支梁計算如圖11。圖11 垂直載荷下端梁的計算端梁支反力為：=+ =292530.59+ N =298925.15 N截面1-1彎矩：=- = =387483.64 剪力 =0截面2-2彎矩：=a- =298925.151.3-0.5 =385809.43 剪力：=- = =295320.94 N截面3-3彎矩：=0剪力： =- =- =298343.83 N截面4-4（沿著豎直定位板表面）彎矩：- = =53779.63 剪力： =- = =297925.27 N

20、水平載荷端梁的水平載荷有、等，亦按簡支梁計算，如圖所示12。圖12 水平載荷下端梁的計算截面1-1。因作用點外移引起的附加水平力矩為：=0。彎矩：=a =11842.071.3 =15394.69 剛架水平支反力：= = =10595.97 N=3235.80 N.剪切力：+=10595.97+3235.80 N =13831.77 N軸力：=19540.39 N截面 2-2。在、水平力作用下，端梁的水平支反力為：=+ =10595.97+35279.58+11842.07 N =57717.62 N水平剪切力：=57717.62 N彎矩為：=a =57717.62 1.3 =75032.91

21、 截面3-3。水平剪切力： =57717.62 N其他內力小，不計算。2.強度截面1-1的應力計算需待端梁拼接設計合格后方可進行（按凈截面）。截面 2-2的截面角點：= = =88.82 MPa =175 MPa腹板邊緣：= = =84.61 MPa =175 MPa翼緣板對中軸的靜矩為：= =14.01 MPa折算應力為：= =88.02 MPa=175 MPa截面3-3及4-4。端梁支承處兩個截面很近，只計算受力稍大的截面4-4。端梁支承處為安裝大車輪角軸承箱座而切成缺口并焊上兩塊彎板（16 mm185 mm）。端部腹板兩邊都采用雙面貼角焊縫，取=8 mm,支承處高度400 mm，彎板兩個

22、垂直面上都焊有車輪組定位墊板（20 mm90 mm410 mm）,彎板參與端梁承載工作，支承處截面（3-3及4-4）如圖所示13。圖13 端梁支承處截面形心：= =210.14 mm慣性矩為:中軸以上截面靜矩：上翼緣板靜矩：下翼緣板靜矩： 截面4-4。腹板中軸處的切應力為：即：=100 MPa因靜矩，可只計算靠彎板的腹板邊的折算應力，該處正應力為： = = =19.88 MPa切應力為：折算應力為：= = =76.47 MPa =175 MPa （合格）假設端梁支承水平剪切力只由上翼緣板承受，不計入腹板。上翼緣板切應力為：即：端梁支承處的翼緣焊縫截面計算厚度（20.78 mm=11.2 mm）

23、比腹板厚度（6 mm）大，故焊縫不需驗算，截面4-4的水平彎矩小，忽略不計。3.端梁疲勞強度端梁疲勞強度計算只考慮垂直載荷的作用。(1) 彎板翼緣焊縫驗算截面4-4的彎板翼緣焊縫。滿載小車在梁跨端時，端梁截面4-4的最大彎矩和剪切力為：=53779.63 =297925.27N空載小車位于跨中不移動時端梁的支反力為： = =104774.84 N這時端梁截面4-4相應的彎矩和剪切力為：= = =18671.39 彎板翼緣焊縫的應力為： = = =30.45 MPa=10.62 MPa根據(jù)E4和Q235及彎板用雙面貼角焊縫連接，查的 =62.2 MPa，=370 MPa。= = =0.34710

24、焊縫拉伸疲勞需用應力為：= = =132.73 MPa=0.3488 0按查的=193.5 MPa，取拉伸式：= = =305.85 MPa=216.27 MPa =0.042 0可見，在相同的循環(huán)工況下，應力循環(huán)特性是一致的。根據(jù)E4和Q235及帶孔板的應力集中等級，查得=127.5 MPa。翼緣板拉伸疲勞許用應力為：= = =232.18 MPa即：若考慮垂直載荷與水平載荷同時作用，則計算應力要大些。腹板受力較小，不再計算。4.穩(wěn)定性整體穩(wěn)定性 =3 （穩(wěn)定）局部穩(wěn)定性翼緣板 =29.17 60 （穩(wěn)定）腹板 =110.75故只需對著主梁腹板位置設置四塊橫隔板，隔板厚度=8 mm，隔板間距

25、。5.端梁拼接端梁在中央截面1-1采用拼接板精制螺栓連接，翼緣用雙面拼接板8 mm400 mm410 mm及8 mm340 mm410 mm腹板用單面拼接板8 mm400 mm840 mm,精制螺栓選用M20 mm,拼接構造及螺栓布置如圖所示14。圖14 端梁拼接構造(1)內力及分配滿載小車在跨端時，求得截面1-1的內力為：=387483.64 N.m，剪力 =0=15394.69 N.m，=13831.77 N=19540.39 N端梁的截面慣性矩為：=2.911109 mm4=5.721108 mm4腹板對x和y軸的總慣性矩為：翼緣對x和y軸的總慣性矩為：彎板分配: ： 腹板 = =123

26、433.04 翼緣 = =264090.53 ： 腹板 = =12224.80 翼緣 = =3708.07 水平剪切力分配，剪力由上、下翼緣板平均承受。一塊翼緣板所受的剪切力為：= =6915.885 N軸力分配，軸力按截面積分配。一塊翼緣板受軸力：= = =4003.11 N一塊腹板受軸力：= = =5767.08 N(2)翼緣板拼接計算由產生的翼緣軸力為：= =294755.60 N一塊翼緣板總的軸力為：=+ =4003.11+294755.60 N=298758.71 N拼接縫一邊翼緣板上有8個螺栓，一個螺栓受力（剪切力）為：= =37344.8 N由上、下翼緣板平均承受。一塊翼緣板的水

27、平彎矩為：=1854.04拼接縫一邊翼緣板上螺栓的布置尺寸為：= =3，可按窄式連接計算。=150 mm , =4(502+1502)=100000 mm2翼緣板角點螺栓的最大內應力為：= = =2781.05 N角點螺栓順梁軸的內力和為：=+ =2781.05+37344.8 N =40125.85 N水平剪切力由接縫一邊翼緣上的螺栓平均承受。一個螺栓的受力為：=5015.73 N角點螺栓的合成內力為：= = =40438.12 N選精制螺栓M20，孔徑，拼板厚8mm。一個螺栓的許用承載力為：剪切： = = =96981 N承壓： = =2181.8 =52920 N 即：3，屬窄式連接。,

28、 腹板角點螺栓的最大內力為：= = =14026.48 N腹板角點螺栓順梁軸的內力和為=+ =2494.66+14026.48 N =16521.14 N單剪螺栓的許用承載力：=10.8 =48490.6 N即：1.05=50915 N （仍屬合格）(4)端梁拼接凈截面1-1的強度因拼接處螺栓孔減少了截面慣性矩，需用凈截面驗算強度。同一截面中各板的螺栓孔對x和y軸的慣性矩為：=端梁拼接處凈截面慣性矩為：=- =2.911109-5.772108 mm4 =2.334109 mm4=- =5.721108-2.568107 mm4 =5.464108 mm4全部板材的螺栓孔截面積為：=21816

29、+21128 mm2=4704 mm2拼接處凈截面積為：=A- =24016-4704 mm2 =19312 mm2端梁拼接處強度為：= = =82.33 MPa （足夠）主、端梁的連接焊縫足夠承受連接的水平彎矩和剪切力，故不再計算。第八章 剛度計算1.橋架的垂直剛度滿載小車位于主梁跨中產生的靜撓度為：= = =15.63 mm =35.625 mm2.橋架的水平慣性位移= = =2.412 mm =14.25 mm3.垂直動剛度起重機垂直動剛度以滿載小車位于橋架跨中的垂直自振頻率來表征，計算如下：主梁質量： =15820.24 kg全橋架中點換算質量為：=0.5（2）+=15820.24+8

30、800 kg=24620.24 kg起升質量：=25000 kg起升載荷： =g=245250 N起升鋼絲繩滑輪組的最大下放長度為：=12+2-2=12 m橋架跨中靜位移為：= = =11.56 mm起升鋼絲繩滑輪組的靜伸長為：=10.49 mm式中：鋼絲繩型號為 。 結構質量影響系數(shù)為：= = =0.02759橋式起重機的垂直自振頻率為：= = =3.312 Hz Hz （合格）4.水平動剛度起重機水平動剛度以物品高度懸掛，滿載小車位于橋架跨中的水平自振頻率來表征。半橋架中點的換算質量為：=0.5 = =24810.12 kg半主梁跨中在單位水平力作用下產生的水平位移為：= = =0.000

31、13393 mm/ N橋式起重機的水平自振頻率為：= = =2.761 Hz Hz （合格）第九章 橋架拱度橋架跨度中央的標準拱度值為：=28.5 mm 為抵消自重等載荷產生的撓度，設置上拱度。考慮制造因素，實取=1.4=39.9 mm?？缍戎醒雰蛇叞磼佄锞€曲線設置拱度，如圖所示16。圖16 橋架的拱度距跨中為=的點=37.41 mm距跨中為= 的點=29.93 mm距跨中為= 的點=17.46 mm至此，橋架結構設計全部合格。參考文獻1 徐格寧主編.機械裝備金屬結構設計.北京:機械工業(yè)出版社，2009.32 陳道南，盛漢中等.起重機課程設計.北京:冶金工業(yè)出版社，1993.103 張質文，包起帆等.起重機設計手冊.北京:中國鐵道出版社，19974 太原科技大學.起重機械(內部使用).2010=5000 mm =6 mm=12 mm=16 mm=12 mm=8 mm取b=900 mm取=950 mm取=1824 mm取=910 mmd= 4350 mm.G= 34.62 t大車車輪直徑：取整：B3=250 mmB2= 350 mm取整：B4= 410 mmA =44400 mm2=2.4551