L型門式起重機設計

1、學校代碼：10904學 士 學 位 論 文L型門式起重機設計姓 名：尤林學 號：201115120261指導教師：張姍學 院：機電工程學院專 業(yè)：機械設計制造及其自動化完成日期：2015年4月20日學 士 學 位 論 文L型門式起重機設計姓 名：尤林學 號：201115120261指導教師：張姍學 院：機電工程學院專 業(yè)：機械設計制造及其自動化完成日期：2015年4月20日摘 要本設計采用許用應力法以及計算機輔助設計方法對門式起重機橋架金屬結構進行設計。設計過程先用估計的門式起重機各結構尺寸數(shù)據對起重機的強度、疲勞強度、穩(wěn)定性、剛度進行粗略的校核計算，待以上因素都達到材料的許用要求后，畫出橋架

2、結構圖。然后計算出主梁和端梁的自重載荷，再用此載荷進行橋架強度和剛度的精確校核計算。若未通過，再重復上述步驟，直到通過。由于門架的初校是在草稿中列出，在設計說明書中不予記錄，僅記載橋架的精校過程。設計中參考了各種資料, 運用各種途徑, 努力利用各種條件來完成此次設計. 本設計通過反復斟酌各種設計方案, 認真討論, 不斷反復校核, 力求設計合理;通過采取計算機輔助設計方法以及參考前人的先進經驗, 力求有所創(chuàng)新;通過計算機輔助設計方法, 繪圖和設計計算都充分發(fā)揮計算機的強大輔助功能, 力求設計高效。關鍵詞: L型門式起重機; 校核; 許用應力AbstractThis design uses a d

3、esign by stress method and computer aided design method of gantry crane metal structure. Design process to use estimates of gantry crane structure size data of crane strength, fatigue strength, stability and stiffness of rough calculation, these factors have to be reached Materials Xu requirements,

4、draw bridge structure. Then calculate the main beam and side beam weight load, and then load the bridge this exact strength and stiffness calculation. If not passed, repeat the above steps, until the. The door frame is first listed in the draft, no record in the design manual, sizing process only re

5、cords the bridge. Design reference all kinds of information, using various means, to use a variety of conditions to complete the design. This design by repeatedly considering various design options, serious discussion, repeatedly check, and strive to design reasonable; by taking the advanced experie

6、nce of the computer aided design method and with reference to the former, and strive to innovate; through computer aided design method, design calculation and drawing can give full play to the computer's powerful auxiliary function, and strive to design efficient.Key Words: L type gantry crane;

7、check; allowable stress目   錄 第1章 總體方案設計1.1 基本參數(shù)和已知條件21.2 材料選擇及許用應力2第2章 門架的設計計算2.1 門架主要尺寸確定32.1.1 主梁幾何尺寸和特性32.1.2 主梁幾何特性3支腿總體尺寸3第3章：載荷計算3.1門架的計算載荷：8第4章：內力計算4.1主梁的內力計算12垂直面內的內力12水平載荷引起的主梁內力164.2支腿的內力計算184.2.1 門架平面內的支腿內力計算184.2.2 支腿平面內的支腿內力計算22第5章 強度計算5.1 主梁的強度驗算27彎曲應力驗算275.1.2 主梁剪應力的驗算2

8、7主梁扭轉剪應力的驗算285.2 支腿的強度驗算29第6章 門架的剛度計算6.1主梁的剛度計算316.2支腿靜剛度計算316.3主梁動剛度計算39第7章 門架的穩(wěn)定性計算7.1 主梁的穩(wěn)定性387.2 支腿的穩(wěn)定性417.3 支腿上下法蘭盤上的螺栓計算42第8章 主梁的拱度和翹度第9章 整機抗傾覆穩(wěn)定性校核9.1非工作狀態(tài)下空載制動459.2工作狀態(tài)下空制動45工作狀態(tài)下大車滿載制動469.3 工作狀態(tài)下小車滿載制動46參考文獻47致謝48目錄字號改引 言L型門式起重機是橋式起重機的一種變形，它的金屬結構像門形框架，承載主梁下安裝兩個L型支腿，可以直接在地面軌道上行走，主梁兩端可以有外伸懸臂梁

9、。門式起重機具有場地利用率高，作業(yè)范圍大，適應面廣，通用性強等特點門式起。L型門式起重機的制造安裝方便，受力情況好，自身質量較小，但是，調運貨物通過支腿處的空間相對小一些。本次畢業(yè)設計的題目是32噸的單梁門式起重機結構設計，本次設計是為了配合專業(yè)課的教學工作而進行的，是對起重機金屬結構的設計一次良好的實踐和學習的機會，也是對起重機完整認識的一個學習過程。通過此次畢業(yè)設計，要求我們畢業(yè)生對起重機的金屬結構的設計、焊接、制造工藝流程、技術要求等有一定的了解和掌握。本設計書編寫時引用了教材機械裝備金屬結構設計（第一版，徐格寧主編，機械工業(yè)出版社，2008）的有關內容。第1章 總體方案設計1.1 基本

10、參數(shù)和已知條件起重量：32/5t跨 度：30m起升高度：11/12m工作級別：A5起升速度：7.4/19.8m/min大車運行速度：45.9m/min小車運行速度：39m/min小車自重：11.87t臂長（右懸臂長度）：10006mm大車輪距：8500mm小車輪距：3500mm吊鉤左極限：5000/6950mm（主/副）吊鉤右極限：5000/3050mm（主/副）1.2 材料選擇及許用應力根據總體結構采用箱形梁，主要采用板材及型材。主梁、端梁均采用Q235鋼，二者的聯(lián)接采用螺栓連接。材料許用應力及性質： 取= (1-1) 取= (1-2) 取= (1-3)第2章 門架的設計計算2.1 門架主要

11、尺寸確定門架的主要構件有主梁、支腿和下橫梁，皆采用箱形結構。主梁截面如圖所示，其幾何尺寸如下：16001850224015402010圖2-1 主梁的截面尺寸2.1.1 主梁幾何尺寸和特性高度H=(1/151/25)S=(1/151/25)30=1200mm2000mm取腹板高度H=2270mm ,寬度=(0.60.8)2270mm=13621816mm取Bs=1850mm，Bx=1600mm,腹板厚度 其他板厚 其余尺寸 h = 2240mm b = 1540mm2.1.2 主梁幾何特性 截面積：A= 93320 形心：732.0 mm 880.5mm 慣性矩： 2.1.3支腿總體尺寸支腿幾

12、何圖形如圖2-2所示，參考同類型起重機，采用“L”型支腿，確定總體幾何尺寸如下：圖2-2 支腿的計算簡圖；m；m；m；m；H5 = 13800m；l1=1.60m；l = 7m；B = 8.53m;計算門架內力時，取計算高度：計算支腿平面內力時，取支腿界面尺寸及幾何特性支腿截面尺寸如圖2-3所示，其幾何特性為： 15121400131281416（a） A-A截面(b) B-B截面圖2-3 支腿界面尺寸截面：； ； ； 截面：； ； ； 折算慣性矩：； 下橫梁截面尺寸如圖所示，其截面幾何特性為：75012555501010121275y(c) CC圖編號？截面 圖2-4 支腿界面尺寸截面：；

13、； ； 系數(shù)： (2-1)式中 主梁繞軸慣性矩；支腿折算慣性矩；第3章載荷計算3.1門架的計算載荷： (3-1)有懸臂通用門式起重機支腿總質量約為mt=(0.70.9)mGmG為有懸臂的主梁總質量66.34t=(0.70.9) mG+mG=34.91t39.02t取36t主梁的單位長度質量：q=(360009.8)/50012=7.5N/mm3.2小車輪壓：單主梁小車有兩個垂直車輪輪壓 (3-2)計算輪壓： 由第二章，動力系數(shù)可按下式計算：取，則2= 486511.69N=243255.845N3.3小車制動引起的慣性力小車制動時的慣性力受限于小車車輪與軌道的粘著力，即 (3-3)式中 粘著系

14、數(shù)， 主動車輪輪壓帶入數(shù)據得32866.995N。3.4大車制動時的慣性力大車制動時的慣性力也受限于車輪與軌道的粘著力主梁自重引起的慣性力 (3-4) ？N在本設計中，大車車輪總數(shù)為8，主動車輪數(shù)為2貨物自動和小車自重引起的慣性力 若取作用在處： (3-5)=40679N支腿自重引起的慣性力支腿自重： (3-6)主梁自重引起慣性力化成均布載荷 (3-7)3.5風載荷1）作用于貨物的風載荷當Q=32t時 A=18 (3-8)=1.7525018=78575N2）作用在小車上的風載荷 (3-9)可知=3000N式中小車的迎風面積，由小車防雨罩的尺寸確定， 3）作用在主梁上的風載荷 (3-10)式中

15、主梁長度方向的迎風面積：將主梁上的風載荷化為均布載荷4）作用在之腿上的風力式中化為均布載荷第4章 內力計算4.1主梁的內力計算4.1.1垂直面內的內力計算主梁的內力時，將門架當做平面靜定結構分析(1) 主梁均布自重引起的內力：支反力 (4-1)剪力 (4-2)彎矩跨中=由主梁自重引起的內力由下圖所示圖4-1 主梁內力載荷圖移動載荷引起的主梁內力取小車輪壓：分別計算小車位于跨中和懸臂端時的主梁內力：小車位于跨中圖4-2主梁內力最大彎矩作用位置求得支反力剪力：小車位于懸臂端圖4-3 支反力剪力彎矩小車制動慣性力引起的主梁內力當小車制動時，慣性力順主梁方向引起的主梁內力。圖4-4支反力剪力彎矩支座處

16、跨中4.1.2水平載荷引起的主梁內力當大車制動時，由慣性力和風載荷引起的主梁內力。在主梁水平面內，大車制動時產生的慣性力順大車軌道方向，其中由主梁自重引起的和由滿載小車自重引起的的計算值已于前述，順大車軌道方向的風載荷為，（其值也列在前面）。他們引起的主梁內力見下圖圖4-5 主梁內力圖 小車在跨中彎矩 小車在懸臂端彎矩=現(xiàn)分別將主梁垂直面和水平面內的彎矩列表如下表頭？： 4-1主梁彎矩表：主梁面內彎矩（NM）產生彎矩的外力小車的位置主梁均布質量q移動載荷p小車在跨中小車在懸臂產生彎矩的外力小車的位置小車制動時產生慣性力外力合成小車在跨中小車在懸臂主梁水平面內彎矩（NM）產生彎矩的外力小車的位置

17、 等小車在跨中小車在懸臂4.2支腿的內力計算因為跨度只有30m，沒有超過35m，所以采用支腿均為剛性。4.2.1 門架平面內的支腿內力計算(1) 由主梁均布自重產生的內力圖4-6 主梁均布自重產生的內力圖有懸臂時的側推力為： (4-3)為了安全起見，現(xiàn)將有懸臂門架當作無懸臂門架計算，即彎矩：(2) 由移動載荷產生的內力（由小車輪壓產生的主梁內力），分為小車在跨中和小車在懸臂端進行。：小車在跨中圖4-7 支腿由移動載荷產生的內力圖當，時，側推力為：彎矩：B：小車在懸臂端，主鉤在左極限位置，側推力為：=彎矩： 圖4-8支腿由移動載荷引起的內力圖（在跨中）圖4-9支腿由移動載荷引起的內力圖（在懸臂端

18、）(3) 作用在支腿上的風載荷產生的支腿內力圖4-10 支腿內力圖側推力：彎矩：(4) 由順小車軌道方向的小車制動慣性力和風載荷產生的支腿內力圖4-11支腿由小車慣性力引起的內力圖側推力：彎矩：小車在跨中的支腿合成彎矩:小車在懸臂端的支腿合成彎矩：4.2.2 支腿平面內的支腿內力計算計算支腿平面內的內力時，可按小車運行到只退位置時計算，此時垂直載荷: (4-4)式中各符號的意義見前述1 有垂直載荷引起的支腿內力 在垂直載荷作用下引起的支腿內力得支反力： (4-5) (4-6)彎矩 圖4-12 支腿的內力計算圖2.由水平載荷引起的支腿內力在水平載荷和作用下引起的支腿內力由；作用在支腿頂部的水平載

19、荷: (4-7)-作用在支腿中部分的水平載荷： (4-8)支反力 (4-9)3.支腿承受從主梁傳遞扭矩作用引起的支腿內力已知 (4-10)支反力： 1. 支腿自重引起的支腿內力 已知一根支腿自重化為均布載荷：彎矩支反力： (4-11)彎矩：5.下橫梁自重引起的下橫梁內力在計算支腿平面內的門架內力時，可同時求出支腿上的彎矩和下橫梁中的彎矩及除此之外，下橫梁自重在下載和產生的彎矩：下橫梁自重，化為均布載荷支反力：彎矩在支腿與下橫梁連接處得下橫梁C-C截面處的彎矩； (4-12)支腿平面內支腿和下橫梁承受的彎矩（）：4-2支腿承受彎矩表：表的表頭？、構件 外力支腿104124477484767184

20、130182.40下橫5652472200015356439670.4=24000下橫16064926425351827769854.4=16934.4第五章 強度計算5.1 主梁的強度驗算5.1.1彎曲應力驗算由上表可知，主梁在垂直面和水平面內的合成彎矩：小車在跨中時，跨中彎矩最大。小車在懸臂端時，支承處彎矩最大。現(xiàn)分別驗算主梁跨中和支腿D處的彎曲應力。由課本P299增大1015由金屬結構第七章P224以及起重機設計手冊P525得跨中彎曲應力： (5-1) (5-2)5.1.2 主梁剪應力的驗算根據上述計算，小車在懸臂端時，主梁支承處剪力最大。主梁支承處垂直面內的剪應力由下式計算： (5-3

21、)小車在跨中：小車在懸臂端剪應力主梁在水平面內受水平慣性力和風力引起的剪應力一般較小，可忽略不計5.1.3主梁扭轉剪應力的驗算對于偏軌箱形主梁受扭的影響，其主梁截面除承受自由彎曲應力之外，還承受約束彎曲應力（以增大15的自由彎曲應力計入）和剪應力。此外，主梁截面還承受純扭轉剪應力，現(xiàn)驗算如下：主梁截面彎心的位置如下圖所示。80022551549圖5-1 主梁截面彎心位置圖 (5-4)小車各部分重量如下：小車上機械部分重量吊重及吊鉤組重量小車架及防雨罩重量(1) 外扭矩 (5-5)(2) 主腹板上的剪應力 (5-6)(3) 副腹板上的剪應力 (5-7)5.2 支腿的強度驗算支腿平面內支腿下部彎矩

22、合成：支腿和下橫梁強度驗算1）支腿強度驗算由上述門架的內力計算可知，在門架平面內，支腿上部彎矩較大，向下逐漸小。而在支腿平面內，支腿下部彎矩較大，向上逐漸變小。所以單主梁門式起重機支腿在兩個方向的寬度尺寸可變化成為截面形狀，如圖8-15所示對于支腿上部截面A-A，當小車位于跨中時，可按門架平面的合成彎矩：和支腿平面內支腿承受主梁傳遞的扭矩驗算彎曲應力： (5-8)對于支腿下部截面BB,可只按支腿平面、支腿下部承受的合成彎矩和軸力N合成驗算支腿強度已知軸向力 N= (5-9)彎曲應力 (5-10)2）下橫梁強度按C-C截面的合成彎矩驗算：第六章 門架的剛度計算6.1主梁的剛度計算計算門架剛度時，

23、應分別對主梁和支腿進行剛度計算。在進行主梁剛度計算時，應以門架平面作為計算平面。在進行支腿剛度計算時，以支腿平面作為計算平面。主梁剛度按超靜定門架計算 當小車在跨中時， 小車在懸臂端時，6.2支腿靜剛度計算對于支腿，只需進行支腿平面內的剛度計算即可 （a）支腿水平靜剛度圖 （b）支腿水平靜剛度圖 （c）支腿垂直動剛度圖 （d）支腿垂直動剛度圖 （e）支腿扭轉剛度圖 （f每個分圖土的圖標）支腿扭轉剛度圖圖6-1支腿靜剛度計算 水平剛度(圖a,b) 在水平載荷作用下，支腿頂部的水平位移如下計算： （6-1）其中，單位水平載荷引起的支腿內力為：在水平載荷作用下引起的內力由前所述知 垂直動剛度計算(圖

24、c,d) 在垂直載荷作用下，支腿頂部的垂直位移如下計算：公式編號 （6-2）單位垂直載荷引起的支腿內力為：由前述計算： 扭轉剛度計算(圖e,f) 支腿受主梁傳遞的扭矩而引起扭轉變形，其扭轉剛度由下驗算： 單位扭轉剛度計算 單位扭轉剛度計算按下式計算：6.3主梁動剛度計算主梁的動剛度，可以驗算主梁滿載自振頻率來控制： (6-3) 當小車在跨中時， (6-4)式中 在此 (6-5)式中 在此 于是 小車在懸臂端時：式中式中 (6-6)皆大于2HZ，滿足要求。第七章 門架的穩(wěn)定性計算7.1 主梁的穩(wěn)定性1）主梁的整體穩(wěn)定性：主梁為封閉截面，當主梁高寬比h/b<3時，主梁的整體穩(wěn)定性不必計算，一

25、般均能滿足要求。由于h/b=1716/1014=1.69<3, 故主梁的整體穩(wěn)定性不必驗算。2）主梁的局部穩(wěn)定性：翼緣板的最大外伸部分： （穩(wěn)定）翼緣板的極限寬厚比為： ，故需設置一條縱向加勁肋主腹板的極限寬厚比為： ，副腹板的極限寬厚比為： ，故需設置橫隔板及兩條縱向加勁肋，主、副腹板相同。如圖：縱向加勁肋的位置構型梁的橫隔板下端與受拉翼緣板間距為60mm,隔板間距a=1900mm,橫隔板的厚度=10mm,板中開孔尺寸為840mm×1340mm,翼緣板的縱向加勁肋選用角鋼 90×56×6mm，主、副腹板采用相同的縱向加勁肋 90×56×

26、6mm，對區(qū)隔進行穩(wěn)定性驗算：板的歐拉應力： (7-1)式中：板的厚度，=8mm;B區(qū)隔寬， b=400mm;E鋼材的彈性模量， E=;泊松比，=0.3；板邊彈性嵌固系數(shù) 1.26， 取.2 區(qū)隔 簡支板的屈曲系數(shù) (壓縮應力) (7-2) 板邊兩端應力比 <1(屬于不均勻壓縮板) =0.523×107.2MP=56.07MP =4 簡支板的屈曲系數(shù) (剪切應力) （局部壓應力） 板的臨界壓縮應力： =1.2×5.176×74.41=462.175MP板的臨界剪切應力： =1.2×5.59×74.41=499.14MP板的局部壓 應力：

27、=1.2×0.8175×74.41=73MP又 0.75=0.75×235=176.25MP ，均大于0.75，需修正修正值： (7-3) 區(qū)隔長寬比采用以下公式求臨界和應力：= (7-4)局部壓應力=0平均剪應力 等效臨界復合應力為=332.84MP區(qū)隔的局部穩(wěn)定性驗算如下：當小車位于跨端時，需驗算懸臂根部受壓區(qū)隔的局部穩(wěn)定性：此處彎曲壓應力為：頂部最大拉應力為： 腹板中央兩邊緣應力之比為： ， ， =0.8175； =1.2×4.08×74.41=364.3MP>0.75 需修正修正值：= (7-5) 等效臨界復合應力為：=274.9

28、MP 該區(qū)隔的局部穩(wěn)定性驗算如下：區(qū)隔的尺寸與相同，而應力較小，故不需計算。主腹板外側設置短加勁肋，與上翼緣板頂緊以支承小車軌道，間距=400mm。7.2 支腿的穩(wěn)定性1）支腿的整體穩(wěn)定性：由金屬結構表6-6查得穩(wěn)定系數(shù)=0.748支腿的整體穩(wěn)定性： (7-6)=6.2MP<整體穩(wěn)定性通過2）支腿的局部穩(wěn)定性：取截面面積大的C-C截面進行計算：翼緣板的極限寬厚比為： ，腹板的極限寬厚比為： ，故需設置橫隔板及兩條縱向加勁肋取支腿大隔板間距a=0.928m7.3 支腿上下法蘭盤上的螺栓計算（1）對于上法蘭盤：支腿軸向力： =357351.75N架方向的彎矩： =5738949.46 N.m

29、支撐架方向的彎矩： =375733.06 N.m 距x軸最遠處的一個螺栓拉力：=×1.3=9287.4N 距y軸最遠處的一個螺栓拉力：=18875.6N則該螺栓所受合力為：=21036.73N對于高強度螺栓：=46.52MP 合格（2）對于下法蘭盤：支腿軸向力： =527351.75N架方向的彎矩： =5738949.46 N.m支撐架方向的彎矩： 當單獨作用時，距x軸最遠處的一個螺栓拉力：=×1.3=20178.3N 當單獨作用時，距y軸最遠處的一個螺栓拉力為：=17622.7N則該螺栓所受合力為：=26790.36N對于高強度螺栓：=59.25MP 合格第八章 主梁的拱

30、度和翹度為使小車正常運行，門式起重機的主梁也需要在跨間設置拱度，在懸臂設置翹度。主梁跨中央上拱度為懸臂端的拱度取為，其它部分按二次拋物線變化考慮制造誤差和可能引起的變化，允許將拱度和翹度值增大40%.第九章 整機抗傾覆穩(wěn)定性校核起重機抗傾覆穩(wěn)定性是指起重機在自重和外載荷作用下抵抗翻倒的能力，保證起重機具有足夠的抗傾覆穩(wěn)定性是起重機設計中最基本的條件之一。9.1非工作狀態(tài)下空載制動 假設所有部件（主梁、支腿、下橫梁）的均布載荷方向均在主梁豎直中心線的平面內的大車車輪的水平軸線OO上。 則主梁上風力及支腿上風力對OO線產生彎矩為： (9-1) =93350.4×9.8+18360

31、5;9.8 =1094761.92 N.m 主梁、支腿和下橫梁對OO線產生的力矩為： (9-2) =210000+ =4922725.188 N.m 驗算通過9.2工作狀態(tài)下空制動此時主梁上風力、慣性力和支腿上風力、慣性力產生對OO線的轉矩： (9-3) =（29172+20391.68）×9.8+2（5737.5+15232）×9.8 =691225.164 N.m 此時抗傾覆穩(wěn)定性通過9.2.1工作狀態(tài)下，大車滿載制動主梁上風力、慣性力，支腿上風力、慣性力，吊重風力、慣性力對OO線的轉矩為： =691225.164+（4183.2+3400）×8 =75189

32、0.764 N.m工作狀態(tài)下主梁、支腿、下橫梁、吊重產生的對OO線的扭矩為： (9-4) =4922725.188+126175× =5395881.438 故工作狀態(tài)下，滿載制動抗傾覆穩(wěn)定性通過 9.3 工作狀態(tài)下，小車滿載制動： 此時小車對AA線產生的力矩為： (9-5) =126175+ =533821.85 主梁、支腿及下橫梁對AA線產生的力矩為： (9-6) = =5997725.188 故工作狀態(tài)下，小車滿載制動抗傾覆穩(wěn)定性通過參考文獻1 孫桓、陳作模、葛文杰（西北工業(yè)大學機械原理及機械零件教研室）.機械原理.第七版.北京：高等教育出版社，2006.6-7參照這個改2 徐格寧.起重輸送機金屬結構設計.北京：機械工業(yè)出版社，2003.9-103 西南交通大學等.起重機設計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2001.124 起重機設計手冊編寫組.起重機設計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1985.13-145