MGE45-9.42门式起重机设计—金属结构设计.doc

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1、 毕业设计说明书论文题目：MGE45-9.42门式起重机设计金属结构设计系 部： 机械工程系 专 业：起重运输机械设计与制造班 级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 目 录摘要-4绪论-5第一章 设计初始参数-6 1.1 基本参数-6 1.2 选用设计参数-7第二章 门机钢结构部分设计计算-8 2.1 结构型式、尺寸及计算截面-8 2.1.1门机正面型式及尺寸-92.1.2主梁箱型截面的尺寸计算-102.1.3支腿截面的设计与计算-11 2.2 载荷及其组合-12 2.2.1 垂直作用载荷-13 2.2.2 水平作用载荷-14 2.3 龙门架强度设计计算-15 2.3.1 主梁内力计算-16

2、 2.3.2 主梁应力校核计算-20 2.3.3 疲劳强度设计计算-22 2.3.4 主梁腹板局部稳定校核-24 2.3.5 主梁整体稳定性-26 2.4 龙门架刚度设计计算-26 2.4.1 主梁垂直静刚度计算-27 2.4.2 主梁水平静刚度计算-28 2.4.3 门架纵向静刚度计算-29 2.5 支承架强度设计计算-30 2.5.1 垂直载荷作用下，马鞍横梁跨中截面内力计算-30 2.5.2 水平载荷作用下，马鞍横梁跨中截面内力计算-34 2.5.3 支承架各截面内力及应力-38 2.6 支承架刚度设计计算-42 2.6.1 垂直载荷作用下，支承架的小车轨顶处位移-42 2.6.2 水平

3、载荷作用下，支承架的小车轨顶处位移-46 2.7 支腿整体稳定性计算-52 2.8 连接螺栓强度计算-54 2.8.1马鞍立柱下截面或上端梁截面的螺栓强度-54 2.8.2 支腿下截面螺栓强度计算-55第三章 大车运行机构设计计算-57 3.1 设计相关参数及运行机构形式-57 3.1.1设计相关参数-57 3.1.2运行机构型式-58 3.2 运行支撑装置计算-59 3.2.1 轮压计算-59 3.2.2 车轮踏面疲劳强度校核-60 3.2.3 车轮踏面静强度校核-60 3.3 运行阻力计算-60 3.3.1 摩擦阻力计算-61 3.3.2 风阻力计算-61 3.3.3 总静阻力计算-62

4、3.4 驱动机构计算-62 3.4.1 初选电动机-63 3.4.2 选联轴器-63 3.4.3 选减速器-63 3.4.4 机验算-64 3.5 安全装置计算-65 3.5.1 选制动器-65 3.5.2 防风抗滑验算-66 3.5.3 选缓冲器-66第四章 整机性能验算-68 4.1 倾翻稳定性计算-68 4.1.1 稳定力矩-68 4.1.2 倾翻力矩-68 4.1.3 各工况倾翻稳定性计算-69 4.2 轮压计算-69 4.2.1 最大静轮压-69 4.2.2 最小静轮压-70第五章 设计总结-71致谢-72参考文献-73摘 要起重机的金属结构是整台起重机的组成重要部分。本设计主要就是

5、对于门式起重机的金属结构的设计计算。设计说明书共分为五章。第一章主要介绍了设计需要用到一些基本参数以及钢材的设计需用值。第二章重点介绍了起重机金属结构中主梁、支腿等主要零件截面的设计计算、强度、稳定性的校核、板材截面尺寸厚度的选择、龙门架内力、结构强度、刚度的计算和校核。另外也介绍了支腿及马鞍梁与主梁连接螺栓强度的计算。第三章介绍了大车运行机构形式和设计计算以及电动机、制动器联轴器等部件的计算与选择。第四章对整机的性能进行校核验算。第五章主要总结了本次设计过程中遇到的难题、设计的成败和设计完成后的体验与不足。关键词：起重机 主梁 支腿 马鞍梁AbstractCrane metal struct

6、ure is the important part of the composition of the crane。This design is mainly for door crane metal structure design calculation. The design specification is divided into five chapters.The first chapter mainly introduces the design needs to be used some basic parameters and the design of the steel

7、need values.The second chapter focuses on introducing the crane girder in metal structure, main parts such as a leg of the section design calculation, strength, stability of checking, plate section size of choice, the thickness of the frame which is fabricated according to structure strength and sti

8、ffness, internal force calculation and check.In addition also introduced a leg and MaAnLiang connecting bolts and girders strength calculation。The third chapter presents the during operation form and the design and calculation, and institutions, brake motor shaft coupling, etc. Parts of the calculat

9、ion and choice.The fourth chapter of the performance of the whole machine test for checking.Chapter 5 main summarizes the design problems encountered in the process of design, the success or failure of the design and after completion of the experience and the insufficiency.Key Words：Crane girders Ma

10、AnLiang a leg 绪论起重机械是用来升降物品或人员的，有的还能使这些物品或人员在其工作范围内作水平或空间移动的机械。取物装置悬挂在可沿门架运行的起重小车或运行式葫芦上的起重机，称为“门架型起重机”。门式起重机一般有大车运行机构的门架、装有起升机构和小车运行机构的起重小车、电气设备、司机室等几大部分组成。外形像一个屹立在工作场所的大门。起升机构用来垂直升降物品，起重小车用来带着载荷作横向移动，以达到在跨度内和规定高度内组成的三维空间里做搬运和装卸货物用。门式起重机是使用最广泛、拥有量最大的一种轨道运行式起重机，其额定起重量从几吨到几百吨。最基本的形式是通用吊钩门式起重机，其他形式的门式

11、起重机都是在通用吊钩门式起重机的基础上派生发展出来的。其中金属结构是整台起重机的机械骨架，承受和转递起重运输机所负担的载重及自身的重量。本起重机的金属结构主要由主梁、端梁、马鞍梁、支腿等组成。刚性支腿通过高强度螺栓与主梁连接，柔性支腿与主梁通过柔性铰连接。主梁是箱形结构是由上、下盖板和两块垂直腹板组成的封闭的箱型截面的实体板梁结构。小车的运行轨道铺设在靠里的垂直腹板的上方，两根主梁的间距主要取决于起重小车的轨距。支腿是变截面的箱形结构，这种结构既保证了工作的可靠同时也减轻了自重。端梁和马鞍梁的截面形式也是箱形结构，本起重机由于工作级别较高增加马鞍梁能增加起重机工作时的整体稳定性和平稳性，使用时

12、更加安全、稳定。第一章 设计初始参数1.1基本参数：起重量 =45.000 (t)跨 度 S=9.420 (m)左悬臂长 =8.400(m)左有效悬臂长 =4.000 (m)右悬臂总长 =1.025 (m)起升高度 =9.000 (m) 结构形式及尺寸如图11所示图11结构形式及尺寸结构工作级别为 E5主起升工作级别为 E7小车运行工作级别为 E5大车运行工作级别为 E5主起升速度 VZQ=重载9.000 (m/min) /轻载18 (m/min)小车运行速度 VXY=1.2512.500 (m/min)大车运行速度 VDY=2.3523.500 (m/min)工作最大风压 q1=250(N/

13、m2)非工作风压 q2=600(N/m2)1.2设计许用值：钢结构材料Q235 许用正应力I156Mpa II175Mpa 许用剪应力124Mpa 龙门架许用刚度： 主梁垂直许用静刚度： 跨 中 xS/80011.78mm； 悬 臂 lZS1/36011.11mm； 主梁水平许用静刚度： 跨 中 yS/20004.71mm； 悬 臂 lZS1/7005.71mm； 龙门架纵向静刚度： 主梁沿小车轨道方向XGH/80012.9mm； 许 用 动 刚 度 2.0Hz； 连接螺栓材料 8.8级螺栓 许 用 正 应 力ls210.0Mpa； 疲劳强度及板屈曲强度依2008计算许用值选取。 第二章 门机

14、结构部分设计计算2.1结构型式及截面尺寸设计、计算 2.1.1门机支承架型式及尺寸, 如图21所示图21 门机支承架型式及尺寸2.1.2主梁箱型截面的尺寸的计算起重机箱型梁的合理高度一般取为：本机梁高取1450mm.初选腹板厚度按腹板局部稳定性条件决定板厚：初取=8mm箱型梁翼缘板的宽度按整体稳定和水平刚度要求确定，取为bS/60，即b（8400+9420+1025）60=314mm根据本起重机工作级别较高以及方便施焊等其他因素考虑，取b=890mm箱型梁翼缘板的总宽度为：B=b+2+40=946mm，取为B=950mm，箱型梁受压翼缘板的厚度按局部稳定条件决定：10.8mm，取=10mm。主

15、梁截面形式如图2-2所示 图2-2 主梁截面形式2.1.3支腿等效截面的设计与计算- 9 -初次计算时，对轴心受压柱和偏心受压柱的长细比可以假定轴向力N，据估算本机轴向力N=33t，故可取=80则：式中N计算的轴向力 柱的计算长度，= 受压柱的稳定系数，查表取0.437根据表6-15中组合梁截面尺寸的近似比值关系，则有 ： 式中h、b、 分别为柱截面的高、宽和平均管径、依界面而定的比例系数，由表6-15查取、截面的回转半径，初计算时取=为使截面尺寸合理，对于偏心受压柱则先确定截面高度h，再按选定的尺寸和截面积求出另一尺寸，所以只需根据算出h即可。即 =586.75mm，为便于计算取为600mm

16、，箱型截面翼缘板宽厚比应满足即11.6mm，取=10mm支腿等效截面如图2-3所示：图2-3 支腿等效截面2.2载荷及组合 当门机左侧悬臂小于右侧悬臂时，为计算方便均将左右悬臂值对换，以左侧为准对主梁进行各种计算。2.2.1垂直作用载荷 1. 自重载荷 计算出梁的质量有公式和公式可得梁自重： 若轨道每米质量为，轨道安装质量系数为r，栏杆、小车导电架质量和之半为0.03(t/m)，则轨道安装等质量和为：=(r+0.03)=(0.0431.200+0.03)=1.538 (t)=15.378 (KN)主梁总重量M为M= +=8.642+1.538=10.18(t)运行冲击系数对于轨道接头状况一般，

17、起重机通过接头时会发生垂直冲击效应，此时运行冲击系数由式确定所以=1.1+0.0580.3921=1.2由于本机工作级别较高所以所以起升动载系数=1.15+0.510.151.2 构件质量或质量集度与重力加速度(=10.0m/s.s)之积，便为作用门机结构上的集中重力或重力集度。于是，主梁重力集度为：其余构件质量(t)、质量集度(t/m)计算方法相同，详见表11，表中重力考虑了冲击系数 表1-1 单位：t主梁质量马鞍梁质量支腿质量下横梁质量上端梁质量司机房及电气房质量悬臂支腿质量打车运行机构质量10.182.59243.2772.3630.9542.008.982.移动载荷 移动载荷由起重量、

18、小车质量及起升、下降、运行的冲击引起的，如假设小车的轮压均匀分布，则作用在一根主梁上两小车轮压力和为： P1=(+)/2=(45.0001.200+20.7401.100)/2=38.407 (t)=384.070 (KN) 2.2.2水平作用载荷 水平作用载荷主要是自重载荷和移动载荷的质量，在大车制动时产生的惯性力及风载荷引起的。它可分为均布力和集中力作用在结构上。水平惯性力FG物体自重G重力加速度大车制动/启动时产生的平均加速度T=810s，本题取8s上端梁惯性水平力，主梁惯性水平力和小车及载荷惯性水平力计算制动或启动时货物的摆动力T3.均布风力 结构件风力也属于均布力，通常多考虑沿大车轨

19、道方向的风力作用。若单位风压为0.025t/m.m，箱型结构风振系数C=1.5，迎风面积为时，主梁所受风力为：=0.0251.5（）=0.0251.51.450（9.420+8.4+1.025）=1.025(t)=10.25(KN) 若主梁均布风力集度为，则： =/(）=1.025/(9.420+8.4+1.025) =0.054 (t/m)=0.544 (KN/m) 小车的风载荷计算 注：风力、风力集度及迎风面积的含义在这里均为沿大车轨道方向。4.小车集中惯性力 当大车制动时，起重量及小车质量产生集中惯性力，它通过车轮作用于二根主梁上，若摩擦系数为0.14，大车驱动轮数n驱=2，全部车轮数n

20、全=8，其比值为0.3，则作用于一根主梁的集中惯性力为： =0.035(+)/2=0.035(45.000+20.740)/2=1.150 (t)=11.504 (KN)5.小车集中风力 当风沿着门机轨道方向吹时,工作状态风力为： 水平合力为： =+ =11.504+6.804=18.308 (KN)6.偏斜侧向力 就这种结构而言，因侧向力计算值不准确，引起应力不大，故本计算中忽略此因素作用。由于主梁和支承架均以载荷组合作用时，受力严重，故以此工况校核强度和稳定性。组合的工况为：大车运行和满载下降同时制动的工况，此时侧向横推力减弱了，可忽略不计。2.3龙门架强度设计计算2.3.1主梁内力计算

21、1.主梁截面积S计算S=1.070.014+0.890.01+1.45(0.006+0.008)+60.050.075=0.06668（）中性轴XX计算X=0.950.010.005+（0.006+0.008）0.7341.462+1.070.0141.469+0.0750.051.474+20.0750.051.474=0.798（m）截面对中性轴xx的惯性矩计算=（0.006+0.008）+（0.006+0.008）1.450.014+0.950.01+0.0750.05+0.0750.05+40.050.075=0.022358（）上=中性轴YY计算Y=1.450.0080.142+1.

22、450.0060.808+0.950.0750.475+1.070.0140.535+20.0750.050.1875+20.0750.050.578=0.543(m)截面对中性轴YY的惯性矩计算=0.014+0.0141.07+0.010.95+20.0750.05+20.0750.05=0.009054（）=0.016672.垂直载荷作用产生内力 主梁在垂直载荷作用下，取计算简图为简支刚架，作用有均布载荷及集中轮压，主梁的跨中截面及主梁的悬臂根部为危险计算截面。 小车位于跨中时，计算简图如图24图24 计算简图 =4.000(m) =8.400(m) =0.500(m) =1.025(m)

23、 S=9.420(m) =38.407(t) =0.594(t/m) 支腿反力计算= =32.988（t）计算主梁跨中弯矩为：计算主梁跨中剪力为： 小车作用在悬臂端极限位置时，计算简图如图25图25 计算简图计算主梁悬臂弯矩为计算主梁悬臂剪力为 3.水平载荷作用产生内力 主梁和上端梁组成水平框架，承受水平惯性力、风力和小车及吊重引起的惯性力。其中水平惯性力和风力为均布作用载荷，小车及吊重引起的惯性力为移动的集中载荷作用。水平框架超静定内力计算：小车位于跨中或位于悬臂端时，计算简图如图26，27所示图26 计算简图 图27计算简图当移动载荷位于跨中主梁惯性力和主梁风载荷之和计算主梁悬臂根部A点支

24、反力 主梁跨度中间弯矩计算 移动载荷位于跨中，主梁跨中截面角点应力跨中截面翼缘角点最大弯曲正应力为（计入约束扭转8%）移动载荷处于有效悬臂处由于偏轨箱形梁的约束扭转应力只占普通弯曲应力的8%以下为简化计算，应将应力数值乘8%，其悬臂根部A点主梁截面翼缘板角点最大弯曲应力为：上述最大弯矩正应力计算结果，最大弯曲正应力在小车位于有效悬臂处，悬臂根部截面主腹板受压翼缘板的右下角点其（压应力）。因此计算折算应力时，仅计算悬臂根部主腹板右下角点的切应力和弯曲正应力的组合。2.3.2主梁应力校核计算 危险截面内危险应力点为1、2、3、4、5点，如图27所示，危险端面内3点承受剪应力最大，由于3点最大剪应力

25、与其许用剪应力相比很小，可不进行验算。5 点为中轨或半偏轨箱形梁上盖板局部弯曲应力验算点。 图28 一般箱型梁上下盖板厚度不等，造成截面的中性轴上移，1,4点应力略大于2点应力；1点应力略小于4点，由于1点2点亦为疲劳强度、板稳定的验算点，当1点满足要求而有余量时，4点也应该满足，因此，静强度设计只验算1点2点强度足以满足设计要求。1.跨中截面1点应力为： 垂直正应力：=/X1.15 垂直剪应力： = /(+)1.1 =0.1356/(1.450(0.008+0.006)1.1 =7.34(MPa) 扭转剪应力： =MZ1/(-0.06+(+)/2.0)/( +/2+/2)/2/(+)/2.0

26、=0.091/(0.950-0.06+(0.008+0.006)/2.0)/(1.450+0.014/2+0.010/2)/2/(0.008+0.006)/2 =4.953 (MPa) 剪应力和： =+=7.34+4.953=12.293 (MPa) 水平正应力： 合应力为： 同理跨中截面2点应力为： 垂直正应力：=(/2.0-)/( /2.0+)=18.218 水平正应力：=(-0.06)/2.0-)/( -0.06)/2.0+)=1.653 合应力为：=56.32(MPa)跨中截面1点、2点计算应力、小于许用值160.000，满足要求。2.悬臂根部截面1点应力为： 垂直正应力：=/x1.1

27、5 =178.255/0.0223580.7981.15 =73.17 (MPa) 垂直剪应力： =/(+)1.1 =0.434/(1.450(0.008+0.006)1.1 =23.516 (MPa) 扭转剪应力：=/(-0.06+(+)/2.0)/(+/2.0+/2)/2.0/(+)/2.0)=0.182/(0.950-0.06+(0.008+0.006)/2.0)/(1.450+0.014/2.0+0.010/2.0)/2.0/(0.008+0.006)/2.0) =9.906 (MPa) 合剪应力为： =+=23.516+9.906=33.422 (MPa)水平正应力为：合应力为： 同

28、理悬臂根部截面2点应力为： 悬臂根部截面截面1点、2点计算应力小于许用值160.000，满足要求。2.3.3疲劳强度设计计算结构的疲劳强度取决于其工作级别、结构件材料种类、接头连接型式、结构件的最大应力以及应力循环特性等。对工作级别是、级的结构件，应验算疲劳强度。验算的截面为跨中和悬臂的根部，验算的点如图29所示：图29对于使用较繁重的起重机金属结构必须进行疲劳强度计算其疲劳强度应满足 计及实际起重量变动影响的等效静载荷系数。对重级工作类型的起重机，在焊接的板结构金属结构计算时，取值=0.85上面门架内应力计算中，最大应力再悬臂根部截面主腹板翼缘板下角点，为此用代替Q，即为在等效载荷作用下产生的最高应力。1.悬臂根部主腹板下角点疲劳计算 绝对值最大的应力为压应力时，其疲劳强度的许用压应力计算 式中