3320 橋式起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3320 橋式起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),橋式起重機(jī),主體,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 橋式起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第 1 章 緒言1.1 起重機(jī)的概述工程起重機(jī)是各種工程建設(shè)廣泛使用的重要起重設(shè)備，它對減輕勞動強(qiáng)度，節(jié)省人力，降低建設(shè)成本，提高施工質(zhì)量，加快建設(shè)速度，實(shí)現(xiàn)工程施工機(jī)械化起著十分重要的作用。起重機(jī)作業(yè)是使物品沿空間的三個方向運(yùn)動。其中作上下移動的起升機(jī)構(gòu)是不可缺少的。平面運(yùn)動可以用兩種不同的運(yùn)動組合來實(shí)現(xiàn)。按照這種組合方式不同，起重機(jī)可分為兩大類型：橋式起重機(jī)和回轉(zhuǎn)類型起重機(jī)。橋式類型起重機(jī)就依靠起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的組合使所搬運(yùn)的物品在長方形平面內(nèi)運(yùn)動。驅(qū)動起重機(jī)運(yùn)動的是起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動、安放這些機(jī)構(gòu)并承受載荷，起重機(jī)必須有足夠的強(qiáng)度和剛度的金屬結(jié)構(gòu)，有驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的動力控制系統(tǒng)；以及，為保證起重機(jī)安全并可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的安全和信號指示裝置。起重機(jī)的特點(diǎn)是：短周期的循環(huán)作業(yè)。一個工作循環(huán)包括：取物，起升并運(yùn)行靠卸貨點(diǎn)，下降，卸料，然后空車返回原地。一個工作循環(huán)的時間一般只要幾十秒種到幾分鐘，最長的也不會超過一、二十分鐘。這一特點(diǎn)對它的動力裝置的選擇及電氣設(shè)備容量的計(jì)算有較大的影響。經(jīng)常起動、制動引起傳動機(jī)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈沖擊和振動，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的動載荷，由于這種載荷是非常平穩(wěn)的，這使得強(qiáng)度和疲勞計(jì)算變得較為復(fù)雜。此外，對于裝卸散裝物料的起重機(jī)，生產(chǎn)效率是一個很重要的性能指標(biāo)， 它不僅取決于各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度，而且也依賴裝卸物料的輔助時間的大小。因此對于速度、加速度值，運(yùn)動的重疊程度，取物及卸貨的自動化程度的選擇等都應(yīng)仔細(xì)考慮。雙梁橋式起重機(jī)尤其適合室內(nèi)重物的起升和搬運(yùn)，所以廣泛被工廠所采用。橋架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)好與壞對起重機(jī)的性價比（性能與價格的比）提高有很重要的意義。長期以來，機(jī)械設(shè)計(jì)工作者沿用類比的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)過程可概括為“設(shè)計(jì)分析再設(shè)計(jì)”的過程。即首先根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)及要求進(jìn)行調(diào)查研究和收集有關(guān)資料，參照相同或類似任務(wù)現(xiàn)有的、已經(jīng)完成的較為成熟的設(shè)計(jì)方案。憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)輔以必要的分析計(jì)算。確定一個合適的設(shè)計(jì)方案，并通過估算初步確定有關(guān)參數(shù)，然后對初定方案進(jìn)行必要的分析及校核計(jì)算；如果某些設(shè)計(jì)要求得不到滿足。則可進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的修改。設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整，并再次的進(jìn)行分析計(jì)算。如此多次反復(fù)，直到獲得滿意的設(shè)計(jì)方案為止。此方法不僅需要花費(fèi)較多的時間，增加設(shè)計(jì)周期，而且只限于在少數(shù)方案中進(jìn)行分析比較。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以線性規(guī)劃與非線性規(guī)劃為主要內(nèi)容的新的數(shù)學(xué)規(guī)劃應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)問題。雙梁橋式起重機(jī)橋架設(shè)計(jì)應(yīng)用該優(yōu)化方法，將迅速得到一對相對很合理的截面參數(shù)。這不僅降低了設(shè)計(jì)者的工作強(qiáng)度，而且與提高了設(shè)計(jì)方案的可行性。使得起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，對減輕起重機(jī)自重，提高起重性能，節(jié)約鋼材，提高起重機(jī)的可靠性都有重要意義。2.2 起重機(jī)發(fā)展趨勢對工程起重機(jī)，特別是大功率的工程起重機(jī)的需要量日以增加。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝在工程起重機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用。所有這些因素都有里地促進(jìn)了工程起重機(jī)的發(fā)展。根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有工程起重機(jī)產(chǎn)品和技術(shù)資料的分析，近年來工程起重機(jī)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）廣泛采用液壓技術(shù)液壓傳動具有體積小、重量輕、機(jī)構(gòu)緊湊、能無級調(diào)速、操縱簡便、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和工作安全的優(yōu)點(diǎn)。（2）通用型起重機(jī)以中小型為主，專用起重機(jī)向大型大功率發(fā)展為了提高建設(shè)工程的裝卸和安裝作業(yè)的機(jī)械化程度，工程起重機(jī)的發(fā)展，仍然是以輕便靈活的中小型起重機(jī)為主。（3）重視“三化” ，逐步過渡采用國際標(biāo)準(zhǔn)三化是指：標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化（4）發(fā)展一機(jī)多用產(chǎn)品為了充分發(fā)揮工程起重機(jī)的作用，擴(kuò)大其使用范圍，有的國家在設(shè)計(jì)起重機(jī)是重視了 產(chǎn)品的多用性。（5）采用新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝為了減輕起重機(jī)的自重，提高起重機(jī)的性能，保證起重機(jī)可靠地工作，現(xiàn)在都多采用新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝。第 2 章 起重機(jī)總體方案設(shè)計(jì)2.1 起重機(jī)參數(shù)確定（1）室內(nèi)工作（2）額定起重量：Q = 10 噸（3）起升高度：H = 12 米（4）起升速度：v 升 = 8 米/分 （5）小車運(yùn)行速度：v 小 = 40 米/分（6）大車運(yùn)行速度：v 大 = 90 米/分選跨度 L = 16.5 米，機(jī)構(gòu)工作類別 中級（JC = 25%）2.2 起重機(jī)總體方案對于起重量為 10 噸的橋式起重機(jī)，可以設(shè)計(jì)成電動單梁葫蘆式，即橋式起重機(jī)采用單主梁結(jié)構(gòu)，在主梁的下端焊接有工字鋼來作為電動葫蘆的運(yùn)行軌道，起吊貨物直接通過電動葫蘆完成；還可以采用雙梁小車式方案，即采用雙主梁結(jié)構(gòu)，小車運(yùn)行于安裝在主梁上的軌道上，起吊貨物由小車起升機(jī)構(gòu)來完成。對這兩種方案都是可行的，同時也是現(xiàn)在比較通用的兩個設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過認(rèn)真比較，決定采用雙梁小車式。首先，雖然現(xiàn)在起重量為 10 噸的電動葫蘆已經(jīng)大量生產(chǎn)，但還沒有實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，設(shè)計(jì)資料相對殘缺和稀少；而運(yùn)行小車式橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)資料相對多一點(diǎn)，有利于進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。其次，這次設(shè)計(jì)的起重機(jī)選用跨度為 16.5 米，如果采用單梁電動葫蘆式，勢必使主梁結(jié)構(gòu)龐大，由于主梁大都采用箱形焊接結(jié)構(gòu)，尺寸增大就會增加焊接難度，且增大焊接變形。再次，采用雙梁小車式，設(shè)計(jì)制造安裝方便，設(shè)備維護(hù)和維修簡單。雙梁橋式起重機(jī)傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括起升機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及大車運(yùn)行驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要采用電力驅(qū)動，通過聯(lián)軸器和減速器再把動力傳遞到工作機(jī)構(gòu)，對于這種傳遞系統(tǒng)，由于電動機(jī)、聯(lián)軸器及減速器均以標(biāo)準(zhǔn)化，因而可以選用標(biāo)準(zhǔn)件而簡化設(shè)計(jì)。2.3 橋架主體結(jié)構(gòu)方案（1）主梁采用正軌箱形結(jié)構(gòu)（如圖 1 a） a 正軌箱形梁；b 偏軌箱形梁；c 半偏軌箱形梁圖 1 正軌箱形結(jié)構(gòu)圖（2）橋架為焊接結(jié)構(gòu)（如圖 2）圖 2 箱形梁焊接圖第 3 章 起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)載荷情況作用在起重機(jī)上的外載荷有：起升載荷、自重載荷、動載荷和風(fēng)載荷等。（1）起升載荷起升載荷就是由起升機(jī)構(gòu)吊起的貨物和取物裝置以及其它隨同升降的裝置重量之總合。對起升高度很大的鋼絲繩起升機(jī)構(gòu)，起升載荷應(yīng)包括掛著的鋼絲繩重量。（2）自重載荷起重機(jī)本身重量包括機(jī)械部分、金屬結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)備等的重量。如果起重機(jī)上裝有運(yùn)輸機(jī)，則應(yīng)考慮運(yùn)輸機(jī)及其上的貨物的重量。自重在設(shè)計(jì)前一般是未知的，可參考同類型參數(shù)接近的起重機(jī)的自重做初步選定。有些手冊上列有各類起重機(jī)依照起重量或載重力矩而定的自重表可供參考。自重的分配根據(jù)結(jié)構(gòu)情況而定。機(jī)械及電氣設(shè)備一般可看作是集中載荷，箱形結(jié)構(gòu)和連續(xù)運(yùn)輸機(jī)上的貨物可看作是連續(xù)分布的。（3）動載荷動載荷是由運(yùn)動速度改變而引起的質(zhì)量力，即慣性力。在啟動與制動期間，剛體做平移運(yùn)動時，它的質(zhì)量產(chǎn)生加速或減速慣性力。（4）風(fēng)載荷由于本設(shè)計(jì)是屬于室內(nèi)工作，故不存在風(fēng)載荷。3.2 橋架金屬結(jié)構(gòu)計(jì)算所計(jì)算是起重機(jī)橋架由兩根用鋼板焊接是箱形主梁組成，主梁固定在裝有大車輪的端梁上。此外，裝有大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的輔助橫梁和縱梁也固定在橋架上。橋架上設(shè)有欄桿和走臺在端梁頭部裝有緩沖器。橋架跨度 L = 16.5 米初定起重機(jī)輪距 B = 4.5 米初定小車軌距 K 小車 =2 米初定小車輪距 b= 1.6 米橋架為正軌箱形焊接結(jié)構(gòu)。橋架材料選用 Q215 鋼（GB700-88）3.2.1 主梁計(jì)算載荷假定小車車輪輪壓相等，則起重機(jī)在額定載荷下每一個車輪到軌道上的移動載荷為：P = K + = 1.2 + = 4200 公斤1動 4Q小 車G4108式中 K 動 動力系數(shù)，考慮貨物提升或下降時的慣性力，K 動 = 1.1 ；1.2 ；1.3 相應(yīng)于輕級、中級和重級工作類型，本設(shè)計(jì)采用中級工作類型。假定大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的重量均勻地作用在一根梁上，則雙梁橋架半邊的重量和運(yùn)行機(jī)構(gòu)自重所產(chǎn)生的均布載荷為：q = 公斤/米梁 4801.5.6205.0cKLG機(jī)橋式中 半邊焊接箱形雙梁橋架自重（不包括端梁） ， 近似為 = 5000 公斤橋G5.0 橋G5.（如圖 3） ； 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)重量，近似為 = 2200 公斤；機(jī) 機(jī)G 考慮起重機(jī)運(yùn)行時振動的系數(shù)；cK當(dāng) v 時， = 1.0；起 秒米 /1cK當(dāng) 1.5 米/秒 v 時， = 1.1；起 秒米 /1c當(dāng) 3 米/秒 v 時， = 1.2。起 秒米 /5.1cK圖 3 雙梁橋架焊接箱形重量曲線圖司機(jī)室和電氣設(shè)備重量產(chǎn)生的集中載荷為：p = G = 1.1 2000 = 2200 公斤2cK司 式中 G 司 司機(jī)室和電氣設(shè)備的重量，G 司 = 2000 公斤 集中驅(qū)動的大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)裝在與主梁相連的懸臂橫梁上，其扭矩為：M = e = 2200 0.75 = 1650 公斤 米1機(jī)G式中 e 為大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)重心至主梁截面中心的水平距離。M根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)起動和制動時起重機(jī)的加速度為 0.25 米/秒 和 0.5 米/秒 ，而當(dāng)22猛烈起動或制動時，假定加速度增加一倍，即 0.5 米/秒 和 1.0 米/秒 。根據(jù)車輪和軌2道的粘著條件，最大加速度為：0.98 米/秒48.920max總驅(qū)ng2因此，猛烈制動時 = 0.98 米/秒 。橋架猛烈制動時在水平面內(nèi)引起的橫向均布ax制 2慣性載荷為： maxmax5.0制機(jī)橋制慣 gLGLq公斤/米498.168925猛烈制動時，由司機(jī)室重量在水平面內(nèi)引起的橫向集中慣性載荷為：200 公斤.0max1制司慣 gGp猛烈制動時，小車自重和吊重在水平面內(nèi)引起的橫向集中慣性載荷為：740 公斤98.21482ax制小 車慣 Q根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，起動和制動時，小車的加、減速度為 0.1 米/秒 和 0.25 米/秒 ，當(dāng)22猛烈起動和制動時，小車的加速度可為 0.2 米/秒 和 0.5 米/秒 。根據(jù)車輪和軌道的粘著條件加速度值可達(dá) 0.98 米/秒 。因此，小車猛烈制動時 a 制 max= 0.5 米/秒 。當(dāng)負(fù)載2小車猛烈制動時，在水平面內(nèi)的縱向集中慣性載荷為：378 公斤5.08.9214max3制小 車慣 gQGp3.2.2 主梁截面尺寸的選擇橋架中部箱形主梁的高度：H =（ ）L = （ ） 1650020162016=1030 825 毫米取 H = 900 毫米支承處的梁高為：H =（0.6 0.7）H =（0.6 0.7） = 540 630 毫米1 90取 H = 600 毫米1變截面傾斜長度：L =（0.1 0.2）L =（0.1 0.2） = 1650 3300 毫米c 1650取 L = 2000 毫米c上、下翼緣板寬度：B =（0.5 0.33）H =（0.5 0.33） = 450 297 毫米90此外，翼緣寬度應(yīng)滿足條件：B 毫米35160L取 B = 350 毫米初算時取腹板厚度 毫米，而上、下翼緣板厚度 毫米（圖 4）61 82a 跨中；b 支承附近圖 4 橋架主梁橫截面第 4 章 主體結(jié)構(gòu)各承載部分的計(jì)算與校核4.1 主梁主要截面計(jì)算上、下翼緣的截面積： F = 2 厘米1568.032腹板的截面積 F = 2 厘米1.4截面總面積： F = F + F = 56 + 106 = 162 厘米12 2對 x x 軸的截面慣性矩：翼緣：I 231 4.08.52.0x= 111400 厘米 4腹板：I = 厘米x26801.034截面總慣性矩：I I I = 111400 + 68080Xx12= 180480 厘米 4對 x x 軸的截面模數(shù)：W = 厘米x01581ZI3對 y y 軸的截面慣性矩翼緣：I = 厘米y171238.04腹板：I 232 3.056.481.y= 26483 厘米截面總慣性矩：I I I = 5717 + 26483y1y2= 32200 厘米 4對 y y 軸的截面模數(shù)：W = 厘米y 1840352BIy 34.2 主梁支承附近截面的計(jì)算上、下翼緣的截面積： F = 56 厘米12腹板的面積 ： F = 2 厘米706.4582截面總面積： F = F + F = 56 + 70 = 162 厘米12對 x x 軸的截面慣性矩：翼緣：I 231 4.098.52.0x= 49068 厘米 4腹板：I = 厘米x2198.56034截面總慣性矩：I I I = 49068 + 19918X1x2= 68986 厘米 4對 x x 軸的截面模數(shù)：W = 厘米x2306891HI 3對 y y 軸的截面慣性矩：翼緣：I = 厘米y1571238.04腹板：I 232 3.06.481.5y= 17496 厘米截面總慣性矩：I I I = 5717 + 17496y1y2= 23213 厘米 4對 y y 軸的截面模數(shù)：W = 厘米y 132652BIy 3按額定載荷時橋架和小車同時猛烈制動的最不利載荷情況計(jì)算主梁。此外，也考慮由大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和司機(jī)室重量對梁引起的載荷。對主梁 0 0 軸（如圖 5）的扭矩圖 5 扭矩計(jì)算圖M 35740160215.64213 hpMlpLeq慣慣慣扭= 33490 公斤 厘米當(dāng)改變力 和 的方向時，對主梁 0 0 軸的扭矩為：慣 2慣 16025.1645374311 lpLeqhp慣慣慣扭= -490 公斤 厘米取最大值（ = 33490 公斤 厘米）作為扭矩計(jì)算值。求由固定載荷和移動載荷在扭M垂直和水平內(nèi)產(chǎn)生的主梁最大彎矩。當(dāng)跨度中心至載荷 p 的距離與跨度中心至合力 R 的1 距離相等時，即主梁跨中至載荷 p 之間的距離為 時，兩個移動載荷在左邊車輪下面的14b梁截面內(nèi)產(chǎn)生最大彎矩。在垂直面內(nèi)主梁的支承反力：由固定載荷的作用（如圖 6a）圖 6 主梁計(jì)算圖a 和 b 分別為由固定載荷和移動載荷在垂直面內(nèi)的作用；c 和 b 分別為有固定載荷和移動載荷的慣性力在水平面內(nèi)的作用；e 由于扭矩的作用。 公 斤梁 58605.162.480.202 LqlpRkB 公 斤梁 4.22 lKA由活動載荷的作用（如圖 6b） 公 斤3965.164.24021 LbpRB公 斤4035.16.24021 LbpRA= 2.25 米 ， b = 1.6 米Kl彎矩值：= 3996 = 31369 公斤 米1BM42b4.21RL22 4bLqlbpK梁= 5860 46.15 246.152805.61.0= 18892 公斤 米由垂直載荷在截面 1 1 引起的最大彎矩：公斤 米502613982 M在水平面內(nèi)主梁的支承反力 （圖 6c、d）：公斤5365.16.4.021 LqpRKB慣慣水公斤90.221 lKA慣慣水公斤35.1647045.022 LbpRB慣“水公斤8.2.2 A慣”水彎矩值：= 352 = 2763 公斤 米“水BRM24bL46.125水2 21 4bLqlbpK慣慣= 536 46.25 246.152.6125.0= 1732 公斤 米