255t-25.5m桥式起重机桁架梁主桁架结构及工艺设计.doc

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1、河南科技大学本科毕业设计（论文）25/5t-25.5m桥式起重机桁架梁主桁架结构及工艺设计摘 要起重机械是一种循环、间歇动作、短程的搬运物料的机械。桥式起重机主梁的桁架结构具有自重轻、材料少、造价低等优点，但其本身也有结构复杂、焊接工作量大、易变形等缺点，所以还需要通过合理的分析和设计来解决这些问题。此次在全面考虑了桁架梁所承受的各类载荷后，对主桁架进行了如下设计：首先通过绘制和分析各杆件的影响线得到各类杆件所承受的最大内力；然后由许用应力法确定各类杆件的截面尺寸、型钢种类及型钢号，同时主桁架还必需满足强度、刚度、稳定性的要求，保证在工作中不能超过规定的挠度值，不能产生失稳及塑性变形；最后，对

2、主桁架进行工艺分析，主要包括对材料焊接性、结构工艺性、技术要求和现有生产条件。此次桁架梁设计外形采用折线形桁架，所有型钢均采用等边角钢。斜杆和上、下弦杆为双角钢体系，竖杆为单角钢体系。主桁架需预制上拱度，以避免由于梁身自重和载重引起下挠，保证小车运行平稳等。另外，弦杆需要用多段型钢拼接而成。装配时，各杆件的重心线需要与几何图形线一致。焊接方法采用气体保护焊，配合使用直径为1.6mm的H08Mn2SiA焊丝。关键词：主桁架，影响线，许用应力法，加拱，CO2气体保护焊Main Trusss Structure and Process Designof 25/5t-25.5m Trussed Cra

3、neABSTRACTCrane is a cycle , intermittent operation , short-range transport of materials machinery.Bridge crane is with a light weight, less material , and low cost advantages, but also has its own complex structure, welding workload, deformation and other shortcomings, so it needs rational analysis

4、 and design to solve these problems .After full consideration of the various types of loads in the truss beard , the main truss was designed as follows : First, getting the maximum exposure of internal forces of various types of rods by drawing and analyzing the influence line of each rod; then usin

5、g the admissible stress method to determine the cross-sectional dimensions of the various types of rods , steel type and steel numbers, while the main truss must also meet the requirements of strength, stiffness , stability , and ensured that the work can not exceed the specified deflection , could

6、not produce instability and plastic deformation ; Finally, conducting the main trusss process analysis, mainly including welding materials , structural processes , technical requirements and existing production conditions.The design shape of truss employed broken line, and all equilateral angle stee

7、l were used . Diagonals and upper & lower chords adopted double angle system , montants single angle . the main truss needed to preset camber to avoid the downwarping caused by its own body weight and load deflection , to ensure the smooth operation of the car and so on. In addition, upper & lower c

8、hord needed to be welded with multi-rod. When assembled, the center of gravity of the rod member needs to be consistent with the geometry of the line . Methods GMAW welding was employed, matching with a diameter of 1.6mm of H08Mn2SiA wire.KEY WORDS: main truss, admissible stress, influence line,arch

9、 design, CO2 arc weldingII目 录前 言1第1章 主桁架参数计算及确定21.1 主桁架主要设计尺寸的确定21.2 主桁架基本载荷的确定41.3 主桁架许用值的确定5第2章 桁架各杆件内力分析计算72.1 各杆件内力影响线的绘制及内力计算72.2 各杆件内力表的绘制17第3章 桁架各杆件的截面设计及面积计算193.1 设计说明193.2 受压杆件的设计193.3 偏心受压杆件-上弦杆的设计223.4 中心受拉杆件-下弦杆的设计24第4章 桁架节点的设计264.1 节点焊缝的设计及计算264.2 节点板和垫板的设计计算27第5章 桁架整体刚度校核及加拱设计335.1 整体刚

10、度校核335.2 加拱设计34第6章 桁架梁主桁架工艺分析376.1 材料焊接性分析376.2 结构工艺性分析386.3 技术条件分析396.4 现有生产技术条件分析41结 论44参考文献45致 谢46III符号说明Q起重量( t ) Gx小车重量(t)L跨度( m ) P1车轮1的轮压(t) i单位力作用于跨中时各杆件内力 qL梁自重的均布载荷(t/m)P2车轮2的轮压(t) V运行速度(m/min) b小车轮距(mm) l计计算长度(mm)d节间距(m) A 截面面积(mm2)n节数 C两端下弦杆倾斜段长度(m) R竖直方向移动集中载荷 h梁高(m) qL固定载荷引起的水平 M节点轮压引起

11、的节点弯矩(tm) 惯性均布载荷（t / m) M 节中轮压引起的节中弯矩(tm)p惯水平惯性集中载荷(t) Nq惯水平方向的惯性均布 q惯水平惯性均布载荷(t) 载荷引起的内力(t) d起重机起升动力系数 NP惯水平方向惯性集中载荷 NP移动集中载荷引起的内力(t) 引起的内力(t)Nq固定均布载荷引起的内力(t) c起重机运行冲击系数h1主梁端部高度(m) 杆件的长细比 斜杆与弦杆间的夹角 板厚(mm)qL上上水平桁架自重(t/m) K角焊缝焊缝尺寸qL下下水平桁架自重(t/m) w角焊缝抗剪强度(N/mm2)G操操纵室重量引起的集中载荷(t) R竖直方向移动集中载荷(t)G驱驱动件重量引

12、起的集中载荷(t) Ui下弦杆q操操纵室重量折合的均布载荷（t/m） Oi上弦杆 q驱驱动件重量折合的均布载荷（t/m） Vi竖杆W抗弯截面系数 f挠度lW焊缝长度(mm) r惯性半径 IV前 言起重机械是工矿企业、车站码头、备企事业实现运输机械化、自动化，提高劳动生产率的重要工具和设备。随着生产规模日益扩大、特别是现代化、专业化生产的要求各种专门用途的起重机相继产生，它在许多重要的部门中不仅是生产过程中的辅助机械，也对国民经济建设起着积极的促进作用。桁架结构具有自重轻、材料少、造价低、安装方便等优点，应用十分广泛。同时，它也具有制造复杂、成本高、焊接工作量大且易损害的缺点，因此需要更加合理的

13、分析和设计来解决这些问题。一般情况下，桁架梁的设计可分为六大部分：（一）由给出的原始参数计算并确定设计中的几何参数，如桁架梁的高度、节数、载荷分布等。（二）绘制各杆件影响线，确定出各杆件的最大内力，并确保接下来的设计中不会因应力过大而损坏桁架梁。（三）由许用应力法确定所用型钢类型，并得出各杆件的截面面积。（四）计算各杆件在节点处的焊缝尺寸，并确定节点板的形状和尺寸；当杆件为双角钢时，还需考虑垫板的使用情况。（五）对主桁架进行整体刚度校核与加拱设计。（六）对所设计桁架梁进行系统的工艺性分析，从其材料焊接性、结构工艺性、技术条件和现有生产技术条件等方面确定合理焊接的方法、焊接参数和工艺过程等。本次

14、桁架梁的设计主要依据的是一些图纸以及在长期的生产过程中积累下来的经验公式，由此选择各种型钢进行设计与分析。在计算方法合理、正确的条件下，可以保证其理论值是符合稳定性，强度，刚度等条件的。但因为此次所设计的成果不进行实际生产与使用，所以其精确度要求并不高，经济性要求也存在缺欠之处。如果要求设计出成品并生产使用，其设计过程中，除了需要达到所需的所有理论条件外，还要对其经济性以及实际使用价值进行考虑，需做到成本低，效率高，实用性强。第1章 主桁架参数计算及确定1.1 主桁架主要设计尺寸的确定一、原始参数设计所需主要参数1的原始数据如表1-1所示。表1-1 原始参数起重量Q（t）25/5跨度L（m）2

15、5.5工作级别A5大车运行速度V (m/min)90驱动方式集中驱动小车轮数n4主桁架梁自重qL（t/m）Q(L-5)/100L小车重量Gx(t)8小车轮距(mm)b2200t11000t21200桁架用材Q235表1-2 大车运行机构重量（集中驱动）起重量Q（t）均布载荷qy（t/m）集中载荷Gq(t)25/50.091.2表1-3 冲击系数K值运行速度（m/s）2.0冲击系数（K）1.01.11.21.3 表1-4 动力系数值工作级别A4(轻级)A5（中级）A5（重级）1.11.21.3二、 主要几何参数的确定由于折线形桁架梁具有刚度大、自重轻、外形美观等优点，故本次设计采用此类桁架，并选

16、用具有竖杆的三角形腹杆体系6，这样桁架可以承受较大的起重量。主要几何参数如下：1. 主桁架高度h h=（1/121/15）L=2.2151.7m， 取h=1.8m2. 主桁架梁自重qL qL=0.20t/m3. 节间距离d d = h=1800mm4. 节间数 n n=L/d=14.17,取n=125. 斜杆与弦杆的夹角 =arc tan(h/d)=456. 下弦杆长度C C=2d+d端部/2=21800+504/2=3852mm7. 端部高度h1 h1=（0.10.4）h=0.180.72m, 取h1=0.7m8. 主桁架示意图 主桁架简易示意图如图1-1所示。图1-1 主梁示意图1.2 主

17、桁架基本载荷的确定11一、 固定均布载荷1. 垂直方向的载荷(1)主桁架自重：qL=0.20t/m(2)上下水平桁架自重：qL上=qL下=qL=0.07t/m(3)大车运行机构重量均布载荷 ：qy=0.090.1t/m，取0.09t/m(4)驱动件重量：G驱= 2t(5)操纵室重量：G操= 1t(6)驱动件重量折算成的均布载荷：q驱=G驱/L=225.5=0.08t/m(7)操纵室重量折算成的均布载荷：q操=G操/L=125.5=0.04t/m (8)冲击系数K=1.2 总均布载荷：qL=k(qL+ qy+qL+q驱+q操) =1.2(0.20.0450.070.0780.04) =0.52t

18、/m2. 水平方向的载荷 q惯 = =0.057t/m二、 移动集中载荷 1. 垂直方向的载荷 (1) 小车自重：Gx=8t (2) 起重量：Q=25.5t (3) 起升动力系数：d=1.2 总移动集中载荷：R= =(8+1.225.5)2=19t(4) 将R分解到两个小车轮上,则得小车轮压P1、P2：P1= =191.22.2=10.364tP2=RP1=1910.364=8.636t2. 水平方向的载荷p惯=.=1/10(8+25.5)/2=3.3t三、桁架梁的载荷组合情况由计算得到桁架梁的载荷情况如表1-5所示。表1-5 桁架梁的载荷方向垂直水平性质均布集中均布集中类型qL=0.52t/

19、mR=10t P1=10.364t P2=8.636tq惯=0.057t/mp惯=3.3t1.3主桁架基本载荷的确定一、杆件的应力许用值4桁架材料为Q235钢，屈服强度s=235N/mm=235Mpa。根据工作级别为A5，可知载荷组合为类，故可取安全系数 n=1.33，=s/n=235/1.33=176.69N/mm=18.029kg/mm 。二、杆件的许用长细比 5各杆件许用长细比如表1-6所示。表1-6 各杆件极限长细比杆件名称值压杆拉杆弦杆120150竖杆120150斜杆150200三、主梁的许用挠度f=36.4mm四、上弦杆局部弯矩M节中=10.364x1.8/6=3.109tmM节点

20、= =1.555tm第2章 桁架各杆件内力分析计算2.1 各杆件内力影响线的绘制及内力计算2一、主梁的内力计算简图 主梁的内力计算简图如图2-1所示。图2-1 内力计算简图二、杆件的内力影响线绘制及内力计算51. 求支座反力如图2-1，由， 得 由， 得图2-2 支座反力示意图2.上弦杆内力影响线绘制及内力计算（1）O2 作截面2-2，力矩点为U1与U2的交点E P=1在截面2-2的右侧时，取截面2-2左侧为研究对象， O2h=-RA2d,得O2=-RA P=1在截面2-2的左侧时，取截面2-2右侧为研究对象， O2h=-RB10d，得O2=-RB 上弦杆O2和O3内力影响线如图2-3所示。图

21、2-3 上弦杆O2和O3内力影响线y3=1.718y4=1.545y惯=1.639W= =21.905（2）O4 作截面4-4，力矩点为U2与U3的交点F上弦杆O4杆和O5杆的内力影响线如图2-4所示。图2-4 上弦杆O4和O5内力影响线y3=2.871y4=2.525y惯=2.714W=36.605（3）O6 作截面6-6，力矩点为U3与U4的交点G上弦杆O6的内力影响线如图2-5所示。 图2-5 上弦杆O6内力影响线y3=3.459y4=2.941y惯=3.224W= =44.1022. 下弦杆内力影响线绘制及内力计算（1）U1 作截面2-2，力矩点为O1与O2的交点H。下弦杆倾斜段作用力

22、简图如图2-6所示。图2-6 下弦杆U1内力影响线计算简图 P=1在截面2-2的右侧时，取截面2-2左侧为研究对象， U1h=RAd,得U1=RA P=1在截面2-2的左侧时，取截面2-2右侧为研究对象， U1h=RB11d，得U1=11RB 根据h=sin-arctan(h-h1)/2dd/cos计算，可得h=1.2m下弦杆U1内力影响线如图2-7所示。图2-7 下弦杆U1内力影响线y1=1.394y2=1.265+W= =17.774（2）U2 作截面3-3，力矩点为O3与O4的交点I下弦杆U2内力影响线如图2-8所示。图2-8 下弦杆U2内力影响线y1=2.365y2=2.106+W=

23、=30.154（3）U3 作截面5-5，力矩点为O5与O6的交点J下弦杆U3的内力影响线如图2-9所示。图2-9 下弦杆U3内力影响线y1=3.235y2=2.804+W=40.4383. 斜杆内力影响线绘制及内力计算（1）D1 作截面1-1，r1=1.201m，不平行弦杆之间的斜杆作用力和几何关系如图2-10所示。图2-10 斜杆D1和D2内力影响线计算简图由 ， 得a=2.036mP=1在截面1-1的右侧时，取截面1-1左侧为研究对象， D1r1=RAa,得D1=a/r1RA斜杆D1的内力影响线如图2-11所示。图2-11 斜杆D1内力影响线y3=1.353y4=1.235W=17.251

24、（2）D2 作截面2-2，r2=2.712m斜杆D2的内力影响线如图2-12所示。图2-12 斜杆D2内力影响线y1=0.717y2=0.645y3=0.580+W= y1(Ld）=0.71722.895/2=8.208W= y3(d)=0.5802.605/2=0.755（3）D3 作截面3-3，采用切力法 P=1在截面3-3的右侧时，取截面3-3左侧为研究对象， D3sin=RA,得D3=1/sinRA P=1在截面3-3的左侧时，取截面3-3右侧为研究对象， D3sin=RB,得D3=1/sinRB斜杆D3的内力影响线如图2-13所示。图2-13斜杆D3内力影响线= =0.078=0.2

25、00y3=1.115y4=(L3db)/L=0.993+W= y2(2d+)=0.23.874/2=0.388W= y3(L2d)=1.11521.626/2=12.053（4）D4 作截面4-4，采用切力法斜杆D4的内力影响线如图2-14所示。图2-14 斜杆D4内力影响线y1=1.015y2= =0.893y3=0.177y4=0.299+W= y1(L-3d-)=1.015112=0.993W= y4(3d+)=0.354.52=0.868（5）D5 作截面5-5，采用切力法斜杆D5的内力影响线如图2-15所示。图2-15 斜杆D5内力影响线y1= =0.196y2=0.399y3=0.

26、915y4=0.793+W= y2（4d+）=0.3997.7472=1.545W= y3(L-4d-)=0.91517.7532=8.122（6）D6 作截面6-6，采用切力法斜杆D6的内力影响线如图2-16所示。图2-16 斜杆D6内力影响线y1=0.815y2=0.693y3=0.377y4=0.499+W= y1(6d+)=4.856W= y4(6d)=2.4164. 竖杆内力影响线绘制及内力计算 竖杆的内力影响线如图2-17所示。图2-17 竖杆V3内力影响线y3=1W=2dy3=1.81=1.82.2 各杆件内力表的绘制一、相关计算公式及数据1. 计算公式 Np= P1y1P2y2

27、 Nq=qLwNp惯=P惯y惯 Nq惯=q惯w N=NpNqNp惯Nq惯 2. 数据 qL=0.52t/m P1=10.364t P2=8.636t P惯=3.3t q惯=0.057t/m二、 各杆件内力表绘制各杆件内力表绘制如表2-1所示。且在表中，y1，y2表示杆件受拉时所受应力影响线的纵坐标；y3，y4表示杆件受压时所受应力影响线的纵坐标。 45河南科技大学毕业设计（论文)表2-1 内力表杆件名称杆件号影响线纵坐标影响线面积杆件内力y1y2y3y4y惯+WWNpNqNp惯Nq惯N上弦杆O2-1.718-1.545-1.63921.905-31.148-11.391-5.409-1.249

28、-49.116O4-2.871-2.525-2.74136.605-51.561-19.035-9.045-2.086-81.727O6-3.459-2.941-3.22444.102-61.248-22.933-10.639-2.514-97.334下弦杆U11.3941.26511.55025.372 6.00631.378U22.3651.10630.15434.06215.68049.742U33.2352.80440.43557.74321.02678.769斜杆 D1-1.361-1.23517.353-24.771-9.024-33.795D20.7310.656-0.7328.

29、2080.75513.2414.26817.509D30.0780.200-1.115-0.9330.38812.053-19.613-6.268-25.881D41.0150.893-0.177-0.2999.9930.82018.2315.19623.427D50.3770.399-0.915-0.7931.5458.122-16.331-4.223-20.554D60.8150.693-0.377-0.4994.8562.41614.4312.52516.956竖 杆V1.001.8-10.364-0.936- 11.3第3章 桁架各杆件的截面设计及面积计算3.1 设计说明1. 上弦杆为

30、等截面，O6受力最大，取O6为研究对象；2. 下弦杆为等截面，U3受力最大，取U3为研究对象；3. 竖杆为等截面，其受力情况相同，取其中任一个为研究对象；4. 斜杆为等截面，D1 受力最大，取其为研究对象；5. 上下水平弦杆宜采用双角钢2。3.2 受压杆件的设计设计时需要使用稳定性公式、刚度公式和强度公式三类。一、稳定性公式设计所需的稳定性公式如下： max= (3-1) max= (3-2)式中，max为类载荷作用下，杆件受的最大应力；Nmax为杆件的最大内力；为中心受压杆件的稳定性系数；d为运动冲击系数；M节中为轮压引起的节中弯矩；W2为抗弯截面系数；为许用应力；A为截面面积。其中式（3-

31、2）在计算时可先按max= 计算，得到结果后在代入式（3-2）验证。二、刚度计算公式设计所需的刚度计算公式如下： = (3-3)式中，为杆件长细比；L计为计算长度；为许用长细比；r为杆件截面的回转半径。三、 强度公式 设计所需的强度计算公式如下： max = (3-4)式中，Nmax为所有垂直方向和水平方向固定载荷及运动载荷在杆件上引起的内力；A为截面面积。四、各杆件的设计计算 1. 斜杆的设计 已知：D1的内力最大 Nmax=33.795t=33795kg，根据max=（1）试取1=0.7，得 A1=33795/(0.718.029)=2678mm2取 29087型等边角钢 A实1=1394

32、.4mm27，查得回转半径r=27.6mm，l计=1.931m=1931/27.6=70.0根据查焊接手册8，可得实1= 0.751max=33795/(0.75121394.4)=16.136kg/mm满足稳定性要求。而100%=10.5%5%，经济性有所缺欠，还需在使用其它型号角钢。（2）取29077型等边角钢 A实2=1230.1mm2，查得回转半径r=27.8mm=1931/27.8=69.46根据查焊接手册，可得实2= 0.757max=33795/(0.75721230.1)=18.146kg/mm，不满足稳定性要求。综上，2908型角钢虽经济性要求有所缺欠，但已是最优的选择，所以

33、选用则该型号的钢，此时既满足刚度要求，也满足稳定性要求。2. 竖杆截面的设计已知：竖杆的内力均相等，Nmax=11.30t=11300kg，根据max=（1）试取1=0.6，得 A1=11300/(0.618.029)=1044.6mm2取A实1=1066.7mm2，选用等边角钢708，查得回转半径为r=21mm，l计=1800mm=1800/21=85.7根据查焊接手册，可得实1=0.648max=11300/(0.6481044.6)=16.694kg/mm，稳定性满足要求。而100%=7.4%5%，经济性不满足要求，所以不选则该型号的钢。（2）取A实2=942.4mm2，选用等边角钢70

34、7，查得回转半径为r=21.4mm，=1800/21.4=84.1根据查焊接手册，可得实2= 0.671max=11300/(0.671942.1)=17.870kg/mm，而100%=0.9%（3）选用两个等边角钢，即220018mm，查表得，总面积A=6930.1mm2，回转半径r=61.5mm取A实2=2A=13860.2mm2，y1 =12.38cm， y2=5.62cm，Ix=Iy=2620.64cm4=1800/61.5=29.26根据查焊接手册，可得实2=0.939W1=2620.64/12.38=211683mm3节点 max= =97334/(0.93913860.2)+1.

35、21555000/211683 =16.294kg/mm节中 max= =97334/(0.93913860.2)+1.23109000/466306 =15.480kg/mm满足稳定性要求，而100%=9.6% 虽然经济性要求有所缺欠，但已是最优选择，所以选择220018型角钢。3.4 中心受拉杆件-下弦杆的设计已知：下弦杆U3的内力最大，Nmax=78.769t=78769kg，根据max=，得 A=78769/18.029=4369mm2采用双等边角钢210012，每个截面积为A=2280mm2图3-2 下弦杆截面形状查表取A实=4560mm2，选用等边角钢11010，查得回转半径r=30.3mml计=2d=3200mm=320030.3=105.6， =150max=787964560=17.280kg/mm，强度满足条件。而100%=4.2%5%，满足经济性条件，且满足稳定性要求，所以选用则该型号的钢。综合以上结果，将主桁架各杆件所选型钢列表如3-1所示。表3-1 杆件型钢表杆件名称面积/mm2钢号max/kg/mmNmax/kg 上弦杆13860.222001829.316.297-973349.6%下弦杆4560210012105.617.280787694.2%竖杆942.470784.117.870-113000.9%斜杆2386.4290884