20、5t-22.5m桥式起重机桁架梁主桁架结构及工艺设计.docx

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1、 20/5t-22.5m桥式起重机桁架梁主桁架结构及工艺设计摘 要桥式起重机是生产车间、仓库等用来对物料进行起重、运输、卸装和安装作业的机械装置，实现了生产过程的机械化和自动化，提高了生产效率。桁架结构具有自重轻、材料少、造价低、安装方便等优点，广泛地应用于桥式起重机的主梁，但其本身也有结构复杂、焊接工作量大、易变形等缺点，因此，本次设计还需分析和编制合理的制造工艺。本次设计采用的方法是许用应力法，即构件的计算应力不得超过许用应力值。主桁架必需满足强度、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。具体内容如下：完成桁架梁主桁架结构设计计算，这一步包括了基本尺寸

2、的确定，再通过绘制桁架各杆件的影响线，求出其受力的大小和性质，确定各杆件截面尺寸，并进行刚度校核和加拱设计等。为了能够更稳定地承受载荷，本次设计选用具有竖杆的三角形腹杆体系的折线型桁架。所有型钢均采用等边角钢，弦杆选用双角钢，竖杆和斜杆选用单角钢，并且上下弦杆需加垫板。由于主桁架跨度较大，为保证起重机稳定的工作，还需要加拱。另外，弦杆需要用多段型钢拼接而成。焊接方法选用CO2气体保护焊，采用H08Mn2SiA合金钢焊丝。关键词：主桁架，许用应力，影响线，工艺设计，CO2气体保护焊Main Trusss Structure and Process Designof 20t-22.5m Truss

3、ed CraneABSTRACT Bridge crane is a mechanical device usually used in production workshop、warehouse for lifting and transporting loads, or make-up and installation work, and it make the production process of mechanization and automation, improve the production efficiency. Truss structure has the adva

4、ntages of light, low cost, transporting and fixing are very convenient, and it is widely used in the main trusss structure of bridge crane. However, because of truss structure has the disadvantages of complex structure、more welding working、deformation easily, so we must analysis and compiled manufac

5、turing process reasonable in this design.The design method is allowable stress method, in other words, the calculation of stress the structural parts should be not beyond the application of allowable values. The main trusss structure meet the strength, stiffness and stability requirement, and ensure

6、 it cant exceed the allowable deflection value in the work, and it should also avoid instability and the deformation of plasticity. The main elements of this design are as follows： complete the main trusss structure design by counting, include of determine the basic size, and through drawing influen

7、ce line of each bars, calculate its size and character, determine its section, and check its stiffness and add arch design.In order to bear loads more stable, the hard dine truss of triangle abdominal rod system with vertical rod are chosen in this design. All payments are used equilateral angles, a

8、nd the chord choose double angles, vertical rods and sway rods choose single angle, and the chord need pads. Because of the span of the main truss is great, add arch is needed to guarantee the crane working stability. Besides, the chord need to use several steel joining together. As for the welding

9、methods, Carbon-Dioxide Arc Welding is chosen because of its higher production efficiency, and the welding wire adopted is H08Mn2SiA. KEY WORDS: main truss, admissible stress, influence line, process design, CO2 arc welding 目 录符号说明1前 言2第一章 主桁架参数计算及确定31.1 主桁架主要设计尺寸的确定31.2 主桁架基本载荷的确定51.3 主桁架许用值的确定6第二章

10、 桁架各杆件内力分析计算82.1 各杆件内力影响线的绘制及内力计算82.2 各杆件内力表的绘制18第三章 桁架各杆件的截面设计及面积计算213.1 设计说明213.2 受压杆件的设计213.3 中心受拉杆件-下弦杆的设计26第四章 桁架节点的设计284.1节点焊缝的设计284.2 节点板和垫板的设计计算29第五章 桁架整体刚度校校核及加拱设计355.1 整体刚度校核355.2 加拱设计36第六章 桁架梁主桁架工艺分析406.1 材料焊接性分析406.2结构工艺性分析406.3技术条件分析416.4现有生产技术条件分析43结 论45参考文献46致 谢47IV符号说明Q起重量(t) Gx小车重量(

11、t)L跨度(m) P1车轮1的轮压(t) Ni单位力作用于跨中时各 qL梁自重的均布载荷(t/m)杆件内力 P2车轮2的轮压(t)V运行速度(m/min) r惯性半径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 U内力差(t)C主梁两端下弦杆倾斜段长度(m) W抗弯截面系数qL辅辅助桁架引起的水平 h梁高(m) 惯性均布载荷（t/m） R竖直方向移动集中载荷Nq惯水平方向的惯性均布 M节点轮压引起的节点弯矩(tm) 载荷引起的内力(t) lW焊缝长度(mm) h1主梁端部高度(m) 杆件的长细比斜杆与弦杆间的夹角 节点板厚(mm)qL上上水平桁架自重(t

12、/m) K角焊缝焊缝尺寸qL下下水平桁架自重(t/m) w角焊缝抗剪设计强度(N/mm2)G操操纵室重量(t) R竖直方向移动集中载荷(t)G驱驱动件重量(t) Ui下弦杆Q传传动机构自重(t/m) Oi上弦杆 p惯水平惯性集中载荷(t) Vi竖杆q惯水平惯性均布载荷(t) f挠度中心压杆稳定性系数 d起重机起升动力系数c起重机运行冲击系数 NP移动集中载荷引起的内力(t)M 节中轮压引起的节中弯矩(tm) Nq固定均布载荷引起的内力(t) NP惯水平方向惯性集中载荷 引起的内力(t) 前 言桥式起重机是生产车间、仓库等用来对物料进行起重、运输、卸装和安装作业的机械装置，是现代工业生产和起重运

13、输中实现生产过程机械化、自动化得重要工具和设备，广泛的运用在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所。桁架结构是平面结构中受力最合理的形式之一，一般是由上弦杆、下弦杆和腹杆组成的具有三角形单元的平面或空间结构1。因此，桁架结构具有自重轻、材料少、承载能力好等优点，但其本身也有结构复杂、焊接工作量大、易变形等缺点。桁架梁主桁架的设计总共可分为六大部分：（一）根据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、均布载荷和移动载荷等。（二）画出各杆件的影响线，对内力进行计算和分析，确定出各杆件内力的大小和性质，求出最大内力。（三）确定各杆件的截面面积，选择

14、各杆件所用型钢尺寸。（四）计算各杆件在节点处的焊缝尺寸，确定节点板的形状和尺寸，当杆件为双角钢时，还要考虑垫板的使用情况。（五）校核桁架整体刚度，进行加拱设计。（六）对所设计桁架梁进行系统的工艺分析，根据焊接性、结构工艺性、技术条件和现有生产技术条件等方面的分析结果，确定合理焊接的工艺，完成工艺卡片的制作。本次桁架梁的设计主要依据了在长期的生产过程中积累下来的经验公式，由于桁架梁在生产中的广泛应用，经验公式已经达到了较高的准确度。在计算过程正确的条件下，可以保证其计算结果是符合稳定性，强度，刚度等条件的。而在设计要求较高的情况下，通常都采用计算机软件对设计及工艺进行数值模拟，优化设计方案，并对

15、设计结果进行评估，以达到较高的精度。由于本次设计仅作为一次实践过程，时间仓促，在精确度和经济性等方面还存在很多的不足之处。针对这一问题，在今后的实际设计中，要严格遵循设计规范，做到既达到设计要求，又经济合理。 第一章 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的原始数据如表1-1所示。表1-1 原始数据起重量Q(t)20/5跨 度L(m)22.5工作级别A5运行速度V (m/min)90主桁架自重qL（t/m）Q(L-5)/100L驱动方式集中驱动轮数n4小车重量GX(t)6轮距b (mm)2000t1 (mm)900t2 (mm)1100桁架用材Q235

16、 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)20/50.080.085 1.0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2设计选用折线形桁架，此类桁架优点为自重轻，外形美观。选用具有竖杆的三角形腹杆体系，可以承受较大的起重量。1、主桁架高度 h=（112115）L，取h=112L=1875mm2、节间距离d d=1875mm3、节间数n n=Ld =225001875=124、斜杆与弦杆的

17、夹角 =arctanhd5、下弦杆长度C C=2d=21875=3750mm6、跨中部位的最大拱度 f跨中=L700=22500700=32.14mm7、跨中部位的加拱值 f中=1.2L1000=1.2225001000=27mm主桁架简易示意图如图1-1所示。图1-1 主梁示意图1.2 主桁架基本载荷的确定 一、 垂直方向的载荷1、固定均布载荷qL=Q(L5)100L=20(22.55)10022.5=0.156t/mqL上=qL下=13qL=0.052t/mG传=0.082t/mG驱= GqL =122.5=0.044t/mG操= GcL =1.3522.5=0.06t/mqL=c(qL+

18、12 qL上+12 qL下+12 G传+ G驱G操) =1.2(0.1560.0260.0260.0410.0440.06) =0.4236t/m2、移动集中载荷R= Gx2d Q2=31.210=15tP1=Rt2b=1511002000=8.25tP2=RP1=158.25=6.75t二、水平方向的载荷1、水平方向均布载荷q惯=110（qLqL上qL下G传qL辅G驱G操） =110（0.1560.0520.0520.0820.0780.0440.06） =0.0524t/mqL辅=12 qL=0.078t/m2、水平方向集中载荷p惯=110QGX2=1.3t许用值=2351.33=176.

19、69Mp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1-2所示表1-5 桁架梁的载荷 方向 性质 类型 垂直 均布 qL=0.4236t/m 集中 R=15t P1=8.25t P2=6.75t 水平 均布q惯=0.0524t/m 集中p惯=1.3t1.3 主桁架许用值的确定一、杆件的应力许用值3桁架材料为Q235钢，屈服强度s=235N/mm=235Mpa。由于载荷组合为类，故可取安全系数 n=1.33，=s/n=235/1.33=17.67kg/mm 二、杆件的许用长细比 4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12015

20、0斜杆150200三、主梁的许用挠度f跨中=L700 =22500700=32.14mm四、上弦杆局部弯矩M节中=P1d6 = 8.251.8759.810006 =25265.6NmM节点=P1d12 =8.251.8759.8100012 =12630Nm第二章 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、上弦杆内力影响线绘制及内力计算（1）、O2 作截面1-1，力矩点为U1与U2的交点P=1在截面1-1的右侧时，取截面1-1左侧为研究对象，O2h=-RA

21、2d,得O2=2dhRAP=1在截面1-1的左侧时，取截面1-1右侧为研究对象，O2h=-RB10d，得O2=-10dhRB O2 与O3的影响线相同图2-2 上弦杆O2和O3内力影响线y3=10d2dhL=1.667y4=(10d-b)2dhL=1.489y惯=(10d-t1)2dhL=1.587W=W= yL/2=1.66722.5/2=18.75（2）、O4 作截面2-2，力矩点为U2与U3的交点P=1在截面3-3的右侧时，取截面3-3左侧为研究对象，O4h=RA4d，得O4=4dhRAP=1在截面3-3的左侧时，取截面3-3右侧为研究对象，O4h=RB8d，得O4=8dhRB O4 与

22、 O5 的影响线相同图2-3 上弦杆O4和O5内力影响线y3=8d2dhL =2.667y4=8d-b2dhL =2.311y惯=(8d-t1)2dhL =2.507W=W= yL/2=2.66722.5/2=30（3）、O6 作截面5-5，力矩点为U3与U4的交点P=1在截面5-5的右侧时，取截面5-5左侧为研究对象，O6h=RA6d,得O6=6dhRAP=1在截面3-3的左侧时，取截面3-3右侧为研究对象，O6h=RB6d，得O6=6dhRB 图2-4 上弦杆O6内力影响线y3=6d2dhL =3.000y4=(6d-b)2dhL =2.467y惯=(6d-t1)2dhL =2.760W=

23、W= yL/2=3.00022.5/2=33.752、下弦杆内力影响线绘制及内力计算（1）、U1 作截面1-1，力矩点为O1与O2的交点图2-5 下弦杆U1内力影响线计算简图P=1在截面1-1的右侧时，取截面1-1左侧为研究对象，U1h=RAd,得U1=d hRAP=1在截面1-1的左侧时，取截面1-1右侧为研究对象，U1h=RB11d，得U1=11d hRB 根据hh1+h2=2d(h-h1)2+(2d)2计算，可得h=1.288m图2-6 下弦杆U1内力影响线y1=11ddhL=0.909y2=(11d-b)dhL=0.821W=+W= y1L/2=0.90922.5/2=10.25（2）

24、、U2 作截面2-2，力矩点为O3与O4的交点P=1在截面2-2的右侧时，取截面2-2左侧为研究对象，U2h=RA3d,得U2=3d hRAP=1在截面2-2的左侧时，取截面2-2右侧为研究对象，U2h=RB8d，得U2=8d hRB 图2-7 下弦杆U2内力影响线y1=3d9dhL=2.25y2=(9d-b)3dhL=1.983W=+W= y1L/2=2.2522.5/2=25.31（3）、U3 作截面4-4，力矩点为O5与O6的交点P=1在截面4-4的右侧时，取截面4-4左侧为研究对象，U3h=RA5d,得U3=5d hRAP=1在截面4-4的左侧时，取截面4-4右侧为研究对象，U3h=R

25、B7d，得U3=7d hRB 图2-8 下弦杆U3内力影响线y1=5d7dhL=2.917y2=(7d-b)5dhL=2.472W=+W= y1L/2=2.91722.5/2=32.813、斜杆内力影响线绘制及内力计算（1）、D1 作截面0-0，r1=1.625m图2-9 斜杆D1和D2内力影响线计算简图 P=1在截面0-0的右侧时，取截面0-0左侧为研究对象，D1r1=RAa,得D1=ar1RA图2-10 斜杆D1内力影响线y3=11da r1L=1.4103y4=(11d-b)a r1L=1.274W=W=y3L/2=1.410322.5/2=15.86（2）、D2 作截面1-1，r2=3

26、.10m P=1在截面1-1的右侧时，取截面1-1左侧为研究对象，D2r2=RAa,得D2=a r2RAP=1在截面1-1的左侧时，取截面1-1右侧为研究对象，D2r2=RB（La）,得D2=La r2RA图2-11 斜杆D2内力影响线y1=10dar2L=0.672y2=(10d-b)ar2L=0.600y3=(L+a)dr2L=0.672y4=L+a(d-b)r2L=0.600+W= y1L/2=0.67219.6875/2=6.615W= y3L/2=0.6722.8125/2=0.945W=+W=6.615（3）、D3 作截面2-2，采用切力法 P=1在截面2-2的右侧时，取截面2-2

27、左侧为研究对象，D3sin=RA,得D3=1 sinRAP=1在截面2-2的左侧时，取截面2-2右侧为研究对象，D3sin=RB,得D3=1 sinRB图2-13 斜杆D3内力影响线y1=2dsinL=0.2357y2= 2d-bsinL=0.110y3=9dsinL=1.0605y4=9d-bsinL=0.935+W= y1L/2=0.23574.091/2=0.482W= y3L/2=0.67218.409/2=9.761W=-W=9.761（4）、D4 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，D4sin=RA,得D4=1 sinRAP=1在截面3

28、-3的左侧时，取截面3-3右侧为研究对象，D4sin=RB,得D4=1 sinRB图2-14 斜杆D4内力影响线y1=8dsinL=0.943y2= 8d-bsinL=0.817y3=-3dsinL=0.3535y4=3d-bsinL=0.229+W= y1L/2=0.94316.875/2=7.716W= y3L/2=0.35355.625/2=1.085W=+W=7.716（5）、D5 作截面4-4，采用切力法 P=1在截面4-4的右侧时，取截面4-4左侧为研究对象，D5sin=RA,得D5=1 sinRAP=1在截面4-4的左侧时，取截面4-4右侧为研究对象，D5sin=RB,得D5=1

29、 sinRB图2-15 斜杆D5内力影响线y1=4dsinL=0.4713y2= 4d-bsinL=0.346y3=7dsinL=0.8248y4=7d-bsinL=0.699+W= y1L/2=0.47138.181/2=1.928W= y3L/2=0.824814.319/2=5.905W=-W=5.905（6）、D6 作截面5-5，采用切力法 P=1在截面5-5的右侧时，取截面5-5左侧为研究对象，D6sin=RA,得D6=1 sinRAP=1在截面5-5的左侧时，取截面5-5右侧为研究对象，D6sin=RB,得D6=1 sinRB图2-16 斜杆D6内力影响线y1=6dsinL=0.

30、707y2= 6d-bsinL=0.581y3=-5dsinL=0.589y4=5d-bsinL=0.464+W= y1L/2=0.94312.273/2=4.339W= y3L/2=0.353510.227/2=3.013W=+W=4.3394、竖杆内力影响线绘制及内力计算（1）、竖杆V1的影响线图2-17 竖杆V1内力影响线y3=1W=W=dy3=1.875（2）、竖杆V2的影响线图2-18 竖杆V2内力影响线y3=1W=W=dy3=1.875（3）、竖杆V3的影响线图2-19 竖杆V3内力影响线y3=1W=W=dy3=1.8752.2 各杆件内力表的绘制一、相关计算公式及数据1 、计算公

31、式 Np= P1y1P2y2 Nq=qLW Np惯=P惯y惯 Nq惯=q惯y惯 N=NpNqNp惯Nq惯(2) 、数据qL=0.4236t/m P1=8.25t P2=6.75t P惯=1.3t q惯=0.0524t/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。 47标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+WWWNpNqNp惯Nq惯N上弦杆O21.6671.4891.587-18.75-18.75-23.80-7.94-2.063-0

32、.98-34.78O42.6672.3112.057-30.00-30.00-37.60-12.71-3.26-1.57-55.14O63.0002.4672.76-33.75-33.75-41.40-14.30-3.588-1.77-61.06下弦杆U10.9090.82110.2510.2513.044.3417.38U22.2501.98325.3125.3131.9510.7242.67U32.9172.47232.8132.8140.7513.9054.65斜杆D11.4101.274-15.86-15.86-19.60-6.72-26.32D20.6720.6000.6720.60

33、06.615-0.9456.6159.5902.8012.39D30.2360.1101.0610.9350.482-9.761-9.761-15.06-4.13-19.19D40.9430.8170.3540.2297.715-1.0857.71513.293.2716.56D50.4710.3460.8250.6991.928-5.905-5.905-11.52-2.50-14.02D60.7070.5810.5890.4644.399-3.0134.3999.751.8411.59竖 杆V1.000-1.875-1.875-8.25-0.79- 9.04第三章 桁架各杆件的截面设计及面积

34、计算3.1 设计说明1、上弦杆为等截面，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6。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=NmaxA (3-1) max=cNq +cNpNp惯Nq惯AdM节中W2 (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；C起重机运行冲击系数；

35、为运动冲击系数；Nq惯为水平方向的惯性均布载荷引起的内力；NP惯为水平方向惯性集中载荷引起的内力；M节中为轮压引起的节中弯矩；W为抗弯截面系数；为许用应力；A为截面面积。其中式（3-2）在计算时可先按max=cNq +cNpNp惯Nq惯A 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：=l计r (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 =NmaxA (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

36、设计计算 1、斜杆的设计 D1的内力最大Nmax=26.32t=257936N根据max=NmaxA试取=0.7，得ANmax=2579360.7176.69=2085.3mm2取A实1=2126.1mm2，选用等边角钢110107，查得回转半径为r=33.9mm，l计=0.752+1.8752=2.02m=l计r=202033.9 =59.57根据查焊接手册8，可得实1= 0.842max=NmaxA实1=2579360.8422126.1=144.08Mp，满足强度要求而-max100%=18%5%，经济性不满足要求所以不选则该型号的钢取A实2=1926.1mm2，选用等边角钢10010，

37、查得回转半径为r=30.5mm=l计r=202030.5=66根据查焊接手册，可得实2= 0.774max=NmaxA实2=2579360.7741926.1=173.03Mp，满足强度要求而-max100%=2%5%，经济性满足要求所以选用则该型号的钢2、竖杆截面的设计竖杆的内力均相等，Nmax=9.04t=88592N根据max=NmaxA试取=0.7，得ANmax=885920.7176.69=716.28mm2取A实1=791.2mm2，选用等边角钢805，查得回转半径为r=24.8mm，l计=1875mm=l计r=187524.8=75.60根据查焊接手册，可得实1=0.717max

38、=NmaxA实1=885920.717791.2=156.17Mp，强度满足要求而-max100%=11.62%5%，经济性不满足要求所以不选则该型号的钢取A实2=741.2mm2，选用等边角钢755，查得回转半径为r=23.3mm，=l计r=187523.3=80.47根据查焊接手册，可得实2= 0.683max=NmaxA实2=885920.683741.2=175.00Mp，强度满足要求而-max100%=0.96%5%，经济性也满足要求所以选用则该型号的钢3、上弦杆截面设计稳定性max=NmaxAdM节中W2节中 max=cNq +cNpNp惯Nq惯AdM节中W2，其中 cNq +dNpNp惯Nq惯 =1.2（41.4014.3）3.5881.77 =707560N 节点 max=NmaxAdM节点W1， 其中Nmax =61.06t=598388Nc为起升系数，取1.2d为运行冲击系数，取1.2试取=0.7，得ANmax=7075600.7176.69=5720.43mm2选用两个等边角钢，2