單梁箱形橋式起重機主梁設計

1、黑龍江科技大學 焊接結構學課程設計說明書前 言起重機箱形梁式橋架結構是國內(nèi)外橋式起重機中應用最普遍的一種橋架結構型式。隨著科技的飛躍發(fā)展，起重機箱形梁式橋架結構對減輕勞動強度、節(jié)省人力、降低建設成本、提高勞動生產(chǎn)力、加快建設速度、實現(xiàn)工程機械化、生產(chǎn)自動化起著十分重要的作用，是非常重要的工具和設備。它是箱形橋架在高架軌道上運行的一種橋架型起重機，又稱天車。橋式起重機的橋架沿鋪設在兩側高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設在橋架上的軌道橫向運行，構成一矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設備的阻礙。所以橋式起重機在室內(nèi)外工礦企業(yè)、鋼鐵化工、鐵路交通、港口碼頭以及物流周轉等

2、部門和場所均得到廣泛的運用，是使用范圍最廣、數(shù)量最多的一種起重機械。橋式起重機可分為普通橋式起重機、簡易梁橋式起重機和冶金專用橋式起重機三種。普通橋式起重機一般由起重小車、橋架運行機構、橋架金屬結構組成。橋架的金屬結構由主梁和端梁組成，分為單主梁橋架和雙梁橋架兩類。單主梁橋架由單根主梁和位于主梁兩邊的端梁組成，雙梁橋架由兩根主梁和端梁組成。主梁與端梁剛性連接，端梁兩端裝有車輪，用以支承橋架在高架上運行。主梁上焊有軌道，供起重小車運行。橋架主梁的結構類型較多，比較典型的有箱形結構、四桁架結構和空腹桁架結構。本次設計是對箱形單主梁式橋架結構起重機的主梁設計。橋式起重機的主梁主要由上、下蓋板和兩側的

3、垂直腹板及內(nèi)部肋板組成，是起重機的主要受力部件。小車鋼軌布置在上翼緣板的兩端，它的結構簡單，制造方便，適于成批生產(chǎn)，但自重較大。各項設計參數(shù)都正確參考了相關國家標準及設計規(guī)范，這樣讓設計有章可循，并考慮到結構方面的要求，合理地進行設計。設計基本思路：本設計綜合考慮實際因素，結合給定的工藝參數(shù)，按照相關國家標準GB/T 3811-20081及設計規(guī)范進行設計。主梁各項參數(shù)計算、選材、強度核算以及焊縫的設計及強度核算也都正確參考了國家標準或焊接手冊，這樣讓設計有章可循，并考慮到結構方面的要求，合理地進行設計。目 錄第1章 設計箱形梁的結構形式與尺寸11.1 給定條件11.2 箱形梁的構造和主要尺寸

4、的確定11.2.1 箱形梁的構造11.2.2 箱形梁的主要尺寸確定21.3 主梁預制上拱度計算4第2章 梁的校核52.1 梁的靜載強度校核52.1.1 許用應力52.1.2 強度校核62.2 主梁跨端截面的最大剪切應力max的計算82.3 主梁的靜剛度計算8第3章 焊腳尺寸的設計及校核103.1 主梁的角焊縫103.2 主梁與端梁的角焊縫10第4章 裝焊工藝114.1 基本要求114.1.1 對焊工的要求114.1.2 對設備的要求114.1.3 對材料的要求114.1.4 坡口和焊縫形式的選擇114.1.5 對環(huán)境的要求114.2 焊前準備124.2.1 焊接方法124.2.2 備料及下料1

5、24.3 焊接工序144.3.1 定位焊縫144.3.2 裝焊順序144.4檢驗16附錄118附錄219附錄320總結21參考文獻22III第1章 設計箱形梁的結構形式與尺寸1.1 給定條件根據(jù)任務設計說明書所列表1-1如下：吊車形勢吊鉤橋式起重機使用溫度室溫材料載荷類型額定載荷估計重量起升高度小車運行速度Q235或16Mn類10t小車不大于4t12m40m/min工作類型跨距橋架主梁形式大車不大于21.8t起升速度大車運行速度A5（中級）22.5m箱形梁8m/min90m/min表1-1 箱形梁設計給定條件1.2 箱形梁的構造和主要尺寸的確定圖1-1 箱形主梁的構造簡圖1.2.1 箱形梁的構

6、造箱形梁的結構尺寸示意圖如圖1-1所示。1.2.2 箱形梁的主要尺寸確定1、筋板及腹板的相關設計（1）主梁端部長度C的確定C=15110L=15110×22500=(945002250)mm（2）主梁蓋板厚度1與腹板厚度的確定（給出推薦值如表1-2）起重量Q（tf）5，810（12.5）15（16）2030（32）50腹板厚666，8蓋板厚18，1010， 1212，141622表1-2 箱形主梁腹板和蓋板厚度的推薦值（mm）注：表中所列板厚較大者用于跨度較大者據(jù)表1-2選出跨度為22.5m的蓋板厚1=10mm，腹板厚=6mm。（3）主梁中部高度H和蓋板間距h的確定當17<L&

7、lt;23時 H=L18=2250018=1250mmh=H-21=1250-2×10=1230mm（4）主梁端部高度H0的確定起升重量為10t，屬于起升重量較重，H0=0.40.6H=0.6×1250=750mm（5）腹板間距b的確定bH3=12503=417mmbL50=2250050=450mmb>350mm根據(jù)起重機設計原則，b應該選擇較小值，即b=450mm。（6）上下蓋板的寬度B的確定B=b+2+10手工焊B=b+2+20自動焊本次設計采用的是手工MAG焊,B=b+2+10=450+2×10+10=490mm2、主梁筋板的設置（1）橫向大筋板間距

8、a的設置當h=12506=205mm>100mm時，橫向筋板之間的距離不應大于2h或3m跨中處的a=1.52h=1.52×1230=(18452460)mma2h=2×1230=2460mma3000mm1845mma2460mm且a2200mm1845mm<a<2200mm主梁端頭處的ah=1230mm（2）橫向小筋板高度及間距的設置1）橫向小筋板高度h1的設置h10.3h=0.3×1230=369mm2）橫向小筋板間距a1的設置a1(4050)=(4050)×6=(240300)mm（3）縱向筋條設置當Q235 160mm<h

9、=205mm<240mm16Mn 145mm<h=205mm<220mm 時，需要設置縱向筋條。當橫向小筋板與縱向筋條都存在時，可適當減小筋板高度，則h1=0.20.25h=0.20.25×1230=(246307.6)mm所以為了安全，選擇整數(shù)h1=300mm。（4）筋板間距的設置根據(jù)以上C，主梁處的a、a1，端梁處的a、a1以及考慮到筋板在主梁及 主梁端部的均布情況綜合得出：C=2225mm，主梁a=1953mm、a1=244mm主梁端部a=1112.5mm、a1=222.5mm（5）橫向筋板厚度3的確定（據(jù)非標準機械設計手冊2中式5-44和5-45得如下公式）

10、blh30+40=123030+40=81mm 取bl=81mm3bl15=8115=5.4mm 據(jù)起重機計設計手冊3中表1-8-34選取3=5.5mm。（6）縱向角鋼的確定（據(jù)非標準機械設計手冊2中式5-42的如下公式）434=34×6=4.5mm據(jù)起重機計設計手冊3中表1-8-41選取4=5mm同時據(jù)厚度可以選出相應的6號等邊角鋼，其標準為60×60×5-GB/T 706-2008Q235-A-GB/T 700-20061.3 主梁預制上拱度計算規(guī)定梁跨度中央的最大上拱度fs=L1000=225001000=22.5mm。第2章 梁的校核2.1 梁的靜載強度校

11、核2.1.1 許用應力材料的許用應力是材料的極限應力j除以安全系數(shù)n，即=jn對于類載荷情況下的強度計算安全系數(shù)見表2-1。Q235和16Mn的機械性能分別見表2-2和表2-3。類載荷組合情況時鋼材的許用應力見表2-4。n（運送一般貨物/運送液態(tài)金屬）n（括號內(nèi)為大高度起重機）Q23516Mn1.5/1.71.55/1.751.2(1.3)1.25(1.35)表2-1 金屬結構構件材料的安全系數(shù)n表2-2 Q235的機械性能材料名稱組別棒鋼直徑或厚度型鋼和異型鋼厚度鋼板厚度s(MPa)s(MPa)Q2351組2組3組40mm41100mm101250mm15mm1620mm>20mm42

12、0mm2140mm4160mm240230220380400410430440470表2-3 16Mn的機械性能鋼號鋼材厚度或直徑（mm）抗拉強度b(MPa)抗拉強度b(MPa)延伸率（%）16Mn<16（1組）1725（2組）2636（3組）375055100的方圓鋼520500480480480350330310290280210190190190190表2-4 類載荷組合情況時鋼材的許用應力應力種類符號許用應力（MPa）Q23516Mn第1組第2,3組第1組第2組第3組拉，壓，彎剪切1609514085230140220130205120本次設計的是類載荷組合的設計，所以可以根據(jù)表

13、2-1選出Q235的n=1.5，16Mn的n=1.55。根據(jù)表2-2和表2-3選出Q235的s=240MPa，b=380MPa。16Mn的s=350MPa，b=520MPa。Q235：sb=240380=0.63<0.7，16Mn：sb=350520=0.67<0.7所以，Q235和16Mn的許用應力可以從表2-4中選用，即Q235：=160Mpa，16Mn：=230MPaQ235：=95Mpa， 16Mn：=140MPa2.1.2 強度校核圖2-1 箱形梁式橋架結構的重量曲線主梁自重的確定給定如圖2-1的曲線圖。據(jù)圖2-1可知，起重量為10t，跨距為22.5米的梁的重量Gq2=7

14、.3t，小車重量G=4t。1、主梁自重引起的均布載荷qq=Gq2+GL=（7.3+4）×10322500×9.8=4.92N/mm2、梁的自重在L2處引起的最大彎矩為：M自重max=qL28=4.92×2250028=3.11×108Nmm3、額定載荷P在L2處引起的最大彎矩為：MPmax=PL2=9.8×10×103×225002=22.05×108Nmm4、危險截面最大彎矩Mmax為：Mmax=M自重max+MPmax=3.11+22.05×108=2.56×109Nmm5、主梁跨中截面對水

15、平重心軸x-x的抗彎截面模量Wx=Jxymax（mm3） 主梁跨中截面對水平重心軸x-x的慣性矩Jx=bh312（mm4） 主梁跨中截面的一半ymax=h2Wx=bh26=450×123026=1.13×108mm36、危險截面處的最大正應力的計算：=MmaxWx=2.56×1091.13×108=22.56MPa<Q235：=160MPa16Mn：=230MPa所以Q235和16Mn鋼都可以用來制造箱形梁。2.2 主梁跨端截面的最大剪切應力max的計算1、各參數(shù)及其含義Qzz梁自重引起的剪力（N），QKD最大載荷移至跨端時引起的剪（N），Qmax

16、主梁跨端最大剪力（N），I端主梁端部支承截面對水平重心軸x-x的慣性矩（mm4），S主梁端部支承截面半面積對水平重心軸x-x的靜矩（mm3）。2、各參數(shù)的計算Qmax=Qzz+QKD=qL2+P=4.92×22.5×1032+9.8×10×103=1.5335×105NS=B1H0+12+H024=490×10×750+102+7502×64=1.95×107mm3I端=B136+2B1（H0+12）2+H036=490×1036+2×490×10×（750+102

17、）2+6×75036=1.84×109mm4 max=SQmax2I=1.5335×105×1.95×1072×1.84×109×6=135.43MPa<=140MPa Q235>=95MPa 16Mn所以應該選擇16Mn鋼進行箱形梁的制造。2.3 主梁的靜剛度計算1、撓度許用值的確定f=170011000L=170011000×22500=32.1422.5mm選取嚴格的撓度許用值f=22.5mm。2、撓度計算主梁中部截面對水平重心軸x-x的慣性矩I中（mm4）E為彈性模量，對于鋼可取E=2

18、.0×105（N/mm2）I中=B136+2B1h+122+h36=490×1036+2×490×10×（1230+102）2+6×123036=5.63×109mm4 自重引起的最大撓度fqmax= -5qL4384EI中= -5×3.18×225004384×2×105×5.63×109= - 9.42mm額定載荷引起的最大撓度fQmax= -PL348EI中= -10×103×9.8×22500348×2×10

19、5×5.63×109= - 20.65mm垂直最大撓度f=fqmax+fQmax+fs=- 9.42 - 20.65+22.5= - 7.57mmf=7.57mm<f=22.5mm所以選用16Mn鋼的靜剛度校核合格。22第3章 焊腳尺寸的設計及校核3.1 主梁的角焊縫據(jù)焊接工藝簡明手冊4表7-6知，當7mm<=10mm<18mm時，焊腳尺寸選K=4mm。hf=0.7K=0.7×4=2.8mmS1=B1H0+12=490×10×750+102=1862000mm3焊縫剪切應力=QmaxS12hfI端=1.5335×10

20、5×18620002×2.8×1.84×109=27.71MPa據(jù)焊接結構學5中表4-12和表4-13知，16Mn鋼的焊縫剪切應力許用值=166.5MPa。所以<，即選用4mm焊腳高度合適。據(jù)起重機計設計手冊3表2-2-2選出筋板的焊腳尺寸K=6mm。3.2 主梁與端梁的角焊縫據(jù)起重機計設計手冊3，主梁與端梁以角焊縫焊接，有公式h=Rmax0.7Klfh。式中h為角焊縫切應力、Rmax為主梁最大支反力、lf為焊縫長度之和、h為焊縫剪切強度許用應力。據(jù)起重機計設計手冊3中表2-2-2選K=6mm，據(jù)表2-2-3可以得出hh=母材2=2302=162.

21、63MPalf=2B+2h+41+2B-b-2-4×5=2×490+2×1230+4×10+2490-450-2×10-20=3540mmRmax=12P+G+Gq2=1210×103+4×103+7.3×103×9.8=1.05×105Nh=Rmax0.7Klf=1.05×1050.7×6×3540=7.06MPa<h所以所選焊縫形式及焊腳尺寸強度校核合格。第4章 裝焊工藝4.1 基本要求4.1.1 對焊工的要求受力構件應由持證焊工施焊。從事制造、安裝、修理

22、起重機的受力構件的焊工必須進行考試，對考試合格者發(fā)給焊工合格證(已取得鍋爐、壓力容器焊工合格證的可不再另行考試)，凡考試不合格者不得從事起重機受力構件的焊接（起重機的主要受力構件指：主梁、端梁、支腿、塔架、臂架等）。4.1.2 對設備的要求要根據(jù)焊接方法正確選擇焊接設備。據(jù)MAG焊選擇NBC-630（直流）型焊機。4.1.3 對材料的要求1、根據(jù)使用條件確定母材種類、厚度。根據(jù)市售鋼板尺寸確定拼板時共有多少條拼接焊縫。2、確定焊接材料的種類和規(guī)格焊接材料應選用性能高于或等于相應母材標準規(guī)定值的下限或滿足圖樣規(guī)定的技術要求。還保證力學性能，且需控制抗拉強度上限。選用熔化極氣保護焊，則應確定保護氣

23、體種類和氣體流量，焊絲牌號和直徑。4.1.4 坡口和焊縫形式的選擇拼板采用對接焊縫，根據(jù)板厚、焊接方法和加工能力，坡口形式選擇I型坡口。箱形梁的角接頭通常采用角焊縫。根據(jù)焊縫的受力情況、部位、焊接方法及裝焊順序，角焊縫選擇單面連續(xù)角焊縫以及雙面連續(xù)角焊縫。4.1.5 對環(huán)境的要求 橋式箱形梁一般制造時都在室內(nèi)，所以對環(huán)境要求較小。只有濕度和溫度要求。一般要求濕度小于90%，溫度大于-10。4.2 焊前準備4.2.1 焊接方法主梁的上下蓋板及腹板的對接采用MAG焊，腹板的下料采用微機控制，筋板用剪板機進行下料。為了保證主梁的幾何尺寸，在蓋板、筋板、腹板定位焊完成后，按照工藝確定的電流、電壓、焊接

24、順序、焊接方向、焊縫的分布進行二人、四人對稱焊接，確保結構受熱均勻，變形在控制范圍內(nèi)，然后在平臺上進行橋架起吊翻轉焊接。在結構件的生產(chǎn)過程中，根據(jù)生產(chǎn)過程的檢測結果，采取變換支撐點，變換焊接順序，采用定位工裝 ，配合火焰矯正等方法來控制和修復結構的變形，保證起重機的上拱度，同一截面高低差，垂直度等幾何參數(shù)達到國家標準要求。1、主梁下料采用自動火焰切割方法。a、蓋板下料 將上、下蓋板校正后在對接長度方向上放400mm的工藝余量。b、腹板下料 腹板矯平后首先在長度方向上拼接，然后左右兩側腹板對稱氣割，以防主梁兩側腹板尺寸不同，引起主梁的扭曲變形。為使主梁有規(guī)定的上拱度，腹板下料時，需放22.5mm

25、的拱度，并且在離中心處不得有接頭，為避免焊縫集中，上下蓋板與腹板的接頭應錯開，距離不小于200mm，腹板下料后長度誤差為10mm。2、坡口制備 所有對接焊縫均采用坡口，間隙為2mm。角焊縫也不開破口。上蓋板與腹板的角接采用雙面焊，下蓋板月腹板的焊接采用單面焊。4.2.2 備料及下料1、氣割零件的邊緣和氣割焊接坡口面應清除掛渣飛濺，對重要的焊接接頭（如上蓋板對接焊縫），其坡口面必須用砂輪打磨光亮。2、應對焊件坡口兩側10mm范圍內(nèi)進行油、銹、漆、垢、毛刺等清除干凈，且不得有裂紋、夾層等缺陷。3、蓋板（=10mm）（1）對已選定的16Mn材料進行校平、噴丸等預處理。（2）上蓋板重846.62Kg，

26、下蓋板重850.56Kg。（3）切割：選用寶鋼鋼板規(guī)格可自定，定制長寬為8500×490mm，使用數(shù)控氧乙炔火焰切割加工成兩塊7010×490mm和一塊8020×490mm的三塊板，對邊緣進行精打磨，每邊打磨量不超過2mm。（4）選用MAG焊對板材進行拼接（對接前采用夾具固定，且采用壓具以防止波浪變形，兩端使用引弧，收弧板），并對焊縫表面進行清理，使形成平角焊縫。（5）預置拱度：fs=22.5mm。腹板拱度要求焊切割傷、下拱度曲線，應同時同向切割。腹板拱度要求焊切割傷、下拱度曲線，應同時同向切割。上蓋板下料的長度方向的加工余量為：2.5L1000=2.5×

27、;22500100057mm下蓋板下料的長度方向的加工余量為：1.5L1000=1.5×22500100034mm4、腹板（=6mm）（1）對已選定的16Mn進行校平到噴丸預處理。（2）腹板單重1224.8Kg，總重2449.6Kg。（3）切割：選用寶鋼鋼板規(guī)格可自定，定制長寬為8500×1230mm，使用數(shù)控氧乙炔切割腹板，上下弦為預置上拱，號板切成長×寬為8300×1230mm的板和兩塊號板切成長×寬為6900×1230mm的板。號板的一端切成直角梯形，（上底+下底）×高為（750+1230）×2225mm的板

28、。然后對材料進行精整打磨。（4）開坡口：=6mm，據(jù)簡明焊工手冊6知板厚小于10mm無需開坡口。即“I”型接頭。（5）與蓋板一樣采用MAG焊進行拼接。（6）下料拱度：在腹板兩側到中心的位置需要有漸升式的拱度，拱度最大處為22.5mm。5、大小筋板（=5.5mm）（1）主梁大筋板單重23.7Kg，總重237Kg；縱向筋條單重9.2Kg，總重165.6Kg。主梁端部大筋板單重19.14Kg，總重38.28Kg；縱向筋條單重5.24Kg，總重41.92Kg。小筋板單重5.83Kg，總重460.57Kg。（2）大筋板切割成1220×450mm的板12塊，小筋板切割成300×450m

29、m的板79塊。注意下料時將寬度方向兩角切出8×8mm的等腰三角形，為使蓋板能與腹板焊接成型。6、縱向筋條采用標準件60×60×5-GB/T 706-2008Q235-A-GB/T 700-2006利用帶鋸進行大批量切割方法下料。 7、橋式起重機各部件所用鋼材需要做防銹處理。8、主梁上、下蓋板和腹板下料時，要保證使焊縫在組成箱形梁后不再同一截面，而且相互錯開；主梁跨度中心左右2000mm內(nèi)不允許有拼接焊縫。9、上、下蓋板用刨邊機下料。4.3 焊接工序采用隨裝隨焊的焊接工藝。本次焊接過程中全程采用MAG焊，據(jù)起重機計設計手冊（第二版上卷）3中表1-8-24選用氣體80

30、%Ar+20%CO2，據(jù)焊接手冊6表7-12焊絲采用ER55-1型焊絲。4.3.1 定位焊縫 焊接定位焊縫時必須注意以下幾點： 1、定位焊焊縫應與最終焊縫有相同的質量要求，焊接材料不能隨意選擇，必須與以后正式焊接時相同； 2、定位焊縫余高不宜過高，必須保證熔合良好，與母材平緩過渡，防止正式焊接時出現(xiàn)未焊透缺陷；3、為防止未焊透等缺陷，定位焊時焊接電流應比正式焊接時大10一15，定位焊縫不能焊在焊縫交叉處或焊接方向發(fā)生急劇變化的地方，通常至少離開這些位置50mm以上，定位焊縫應填滿弧坑；4、若定位焊縫出現(xiàn)缺陷，必須鏟除缺陷，重新進行定位焊；定位焊縫要有足夠的強度且不能開裂，為防止焊接過程中開裂，

31、應盡量避免強制裝配，必要時可增加定位焊縫的長度，并減小定位焊縫的間距。4.3.2 裝焊順序裝配焊接順序如圖4-1所示。圖4-1 裝配焊接順序1、上蓋板置于支撐平臺上，并加壓板固定。在地上鋪好已拼接好的上蓋板，在兩端加凸臺，使其中間向下彎曲，彎曲程度等于預置的上拱度，即中點處向下?lián)?2.5mm。蓋板對接MAG焊焊接工藝如表4-1或附錄1。表4-1 蓋板對接焊工藝電流（A）電壓（V）焊速（m/min）焊絲直徑（mm）氣體流量（L/min）電流種類和極性45032421.625負極性2、在上蓋板加裝大筋板和小筋板并對其進行定位及焊接。3、加裝腹板，定位焊其與蓋板、筋板。焊接時需兩側同時對稱焊接其與蓋

32、板的焊縫。蓋板、腹板與筋板的角接MAG焊工藝如表4-2或附錄2。表4-2 蓋板、腹板與筋板角接工藝電流（A）電壓（V）焊速（m/min）焊絲直徑（mm）氣體流量（L/min）電流種類和極性45032421.625負極性4、加裝筋條并對腹板和筋條進行定位焊，然后進行大小筋板、筋條與腹板的焊接。5、加裝下蓋板，并兩側同時進行對稱焊接。蓋板與腹板的角接MAG焊工藝如表4-3或附錄3。表4-3 蓋板、腹板與筋板角接工藝電流（A）電壓（V）焊速（m/min）焊絲直徑（mm）氣體流量（L/min）電流種類和極性450324201.625負極性6、測量撓度：在上蓋板平面上的兩端固定一根細鋼絲繩，使其滑移到不

33、同的位置，在這個過程中鋼絲繩保持水平，檢驗大梁的上拱度。4.4檢驗1、對焊縫進行探傷檢測首先清除焊縫表面污垢、油脂、氧化皮、焊接藥皮、焊渣和飛濺等。對于上蓋板的對接焊縫，用干粉法磁粉檢測，探傷標準符合GB/T 2695-2011，對于單面或雙面角焊縫進行超聲波檢測，探傷標準符合JB1152規(guī)定的級。上蓋板下料后，毛刺和凹凸不平應鏟除，毛刺高度不應大于0.5mm，劃痕不得大于1mm。采用氣割下料，氣割后氣割面與軌制面直偏差不應超過2mm，氣割表面不平度不應超過11.4mm。對接后要對余高進行機械加工，從而減小應力集中。對于下蓋板，采用機械壓彎方法進行折彎。2、上拱度的檢驗在上蓋板平面的兩端固定一根細鋼絲繩，使其水平，將其滑移到不同位置在此過程中保持水平，檢驗大梁的上拱度。3、 撓度的檢驗在垂直腹板的兩端一米高的地方，固定一根懸線，檢查大