L型门式起重机设计[教学试题].doc

学校代码：10904 学 士 学 位 论 文L型门式起重机设计姓 名：尤林学 号：201115120261指导教师：张姗学 院：机电工程学院专 业：机械设计制造及其自动化完成日期：2015年4月20日 学 士 学 位 论 文L型门式起重机设计姓 名：尤林学 号：201115120261指导教师：张姗学 院：机电工程学院专 业：机械设计制造及其自动化完成日期：2015年4月20日教学#类别摘 要 本设计采用许用应力法以及计算机辅助设计方法对门式起重机桥架金属结构进行设计。设计过程先用估计的门式起重机各结构尺寸数据对起重机的强度、疲劳强度、稳定性、刚度进行粗略的校核计算，待以上因素都达到材料的许用要求后，画出桥架结构图。然后计算出主梁和端梁的自重载荷，再用此载荷进行桥架强度和刚度的精确校核计算。若未通过，再重复上述步骤，直到通过。由于门架的初校是在草稿中列出，在设计说明书中不予记录，仅记载桥架的精校过程。设计中参考了各种资料, 运用各种途径, 努力利用各种条件来完成此次设计. 本设计通过反复斟酌各种设计方案, 认真讨论, 不断反复校核, 力求设计合理;通过采取计算机辅助设计方法以及参考前人的先进经验, 力求有所创新;通过计算机辅助设计方法, 绘图和设计计算都充分发挥计算机的强大辅助功能, 力求设计高效。关键词: L型门式起重机; 校核; 许用应力教学#类别AbstractThis design uses a design 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, 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 records 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 experience 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 computers powerful auxiliary function, and strive to design efficient.Key Words: L type gantry crane; check; allowable stress教学#类别目 录第1章 总体方案设计1.1 基本参数和已知条件21.2 材料选择及许用应力2第2章 门架的设计计算2.1 门架主要尺寸确定32.1.1 主梁几何尺寸和特性32.1.2 主梁几何特性32.1.3支腿总体尺寸3第3章：载荷计算3.1门架的计算载荷：8第4章：内力计算4.1主梁的内力计算124.1.1垂直面内的内力124.1.2水平载荷引起的主梁内力164.2支腿的内力计算184.2.1 门架平面内的支腿内力计算184.2.2 支腿平面内的支腿内力计算22第5章 强度计算5.1 主梁的强度验算275.1.1弯曲应力验算275.1.2 主梁剪应力的验算275.1.3主梁扭转剪应力的验算285.2 支腿的强度验算29第6章 门架的刚度计算6.1主梁的刚度计算316.2支腿静刚度计算316.3主梁动刚度计算39第7章 门架的稳定性计算7.1 主梁的稳定性387.2 支腿的稳定性417.3 支腿上下法兰盘上的螺栓计算42第8章 主梁的拱度和翘度第9章 整机抗倾覆稳定性校核9.1非工作状态下空载制动459.2工作状态下空制动459.2.1工作状态下大车满载制动469.3 工作状态下小车满载制动46参考文献47致谢48目录字号改教学#类别引 言L型门式起重机是桥式起重机的一种变形，它的金属结构像门形框架，承载主梁下安装两个L型支腿，可以直接在地面轨道上行走，主梁两端可以有外伸悬臂梁。门式起重机具有场地利用率高，作业范围大，适应面广，通用性强等特点门式起。L型门式起重机的制造安装方便，受力情况好，自身质量较小，但是，调运货物通过支腿处的空间相对小一些。本次毕业设计的题目是32吨的单梁门式起重机结构设计，本次设计是为了配合专业课的教学工作而进行的，是对起重机金属结构的设计一次良好的实践和学习的机会，也是对起重机完整认识的一个学习过程。通过此次毕业设计，要求我们毕业生对起重机的金属结构的设计、焊接、制造工艺流程、技术要求等有一定的了解和掌握。本设计书编写时引用了教材机械装备金属结构设计（第一版，徐格宁主编，机械工业出版社，2008）的有关内容。第1章 总体方案设计1.1 基本参数和已知条件起重量：32/5t跨 度：30m起升高度：11/12m工作级别：A5起升速度：7.4/19.8m/min大车运行速度：45.9m/min小车运行速度：39m/min小车自重：11.87t臂长（右悬臂长度）：10006mm大车轮距：8500mm小车轮距：3500mm吊钩左极限：5000/6950mm（主/副）吊钩右极限：5000/3050mm（主/副）1.2 材料选择及许用应力根据总体结构采用箱形梁，主要采用板材及型材。主梁、端梁均采用Q235钢，二者的联接采用螺栓连接。材料许用应力及性质： 取= (1-1) 取= (1-2) 取= (1-3)第2章 门架的设计计算2.1 门架主要尺寸确定门架的主要构件有主梁、支腿和下横梁，皆采用箱形结构。主梁截面如图所示，其几何尺寸如下：16001850224015402010图2-1 主梁的截面尺寸2.1.1 主梁几何尺寸和特性高度H=(1/151/25)S=(1/151/25)30=1200mm2000mm取腹板高度H=2270mm ,宽度=(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 主梁几何特性 截面积：A= 93320 形心：732.0 mm 880.5mm 惯性矩： 2.1.3支腿总体尺寸支腿几何图形如图2-2所示，参考同类型起重机，采用“L”型支腿，确定总体几何尺寸如下：图2-2 支腿的计算简图；m；m；m；m；H5 = 13800m；l1=1.60m；l = 7m；B = 8.53m;计算门架内力时，取计算高度： 计算支腿平面内力时，取支腿界面尺寸及几何特性支腿截面尺寸如图2-3所示，其几何特性为： 15121400131281416（a） A-A截面(b) B-B截面图2-3 支腿界面尺寸截面：； ； ； 截面：； ； ； 折算惯性矩：； 下横梁截面尺寸如图所示，其截面几何特性为：75012555501010121275y(c) CC图编号？截面 图2-4 支腿界面尺寸截面：； ； ； 系数： (2-1)式中 主梁绕轴惯性矩；支腿折算惯性矩；第3章载荷计算3.1门架的计算载荷： (3-1)有悬臂通用门式起重机支腿总质量约为mt=(0.70.9)mGmG为有悬臂的主梁总质量66.34t=(0.70.9) mG+mG=34.91t39.02t取36t主梁的单位长度质量：q=(360009.8)/50012=7.5N/mm3.2小车轮压：单主梁小车有两个垂直车轮轮压 (3-2)计算轮压： 由第二章，动力系数可按下式计算：取，则2= 486511.69N=243255.845N3.3小车制动引起的惯性力小车制动时的惯性力受限于小车车轮与轨道的粘着力，即 (3-3)式中 粘着系数， 主动车轮轮压带入数据得32866.995N。3.4大车制动时的惯性力大车制动时的惯性力也受限于车轮与轨道的粘着力主梁自重引起的惯性力 (3-4) ？N在本设计中，大车车轮总数为8，主动车轮数为2货物自动和小车自重引起的惯性力 若取作用在处： (3-5)=40679N支腿自重引起的惯性力支腿自重： (3-6)主梁自重引起惯性力化成均布载荷 (3-7)3.5风载荷1）作用于货物的风载荷当Q=32t时 A=18 (3-8)=1.7525018=78575N2）作用在小车上的风载荷 (3-9)可知=3000N式中小车的迎风面积，由小车防雨罩的尺寸确定， 3）作用在主梁上的风载荷 (3-10)式中主梁长度方向的迎风面积：将主梁上的风载荷化为均布载荷4）作用在之腿上的风力式中化为均布载荷第4章 内力计算4.1主梁的内力计算4.1.1垂直面内的内力计算主梁的内力时，将门架当做平面静定结构分析(1) 主梁均布自重引起的内力：支反力 (4-1)剪力 (4-2) 弯矩跨中=由主梁自重引起的内力由下图所示图4-1 主梁内力载荷图移动载荷引起的主梁内力取小车轮压：分别计算小车位于跨中和悬臂端时的主梁内力：小车位于跨中图4-2主梁内力 最大弯矩作用位置求得支反力剪力：小车位于悬臂端图4-3 支反力剪力弯矩小车制动惯性力引起的主梁内力当小车制动时，惯性力顺主梁方向引起的主梁内力。图4-4支反力剪力弯矩支座处跨中4.1.2水平载荷引起的主梁内力当大车制动时，由惯性力和风载荷引起的主梁内力。在主梁水平面内，大车制动时产生的惯性力顺大车轨道方向，其中由主梁自重引起的和由满载小车自重引起的的计算值已于前述，顺大车轨道方向的风载荷为，（其值也列在前面）。他们引起的主梁内力见下图图4-5 主梁内力图 小车在跨中弯矩 小车在悬臂端弯矩=现分别将主梁垂直面和水平面内的弯矩列表如下表头？： 4-1主梁弯矩表：主梁面内弯矩（NM）产生弯矩的外力小车的位置主梁均布质量q移动载荷p小车在跨中小车在悬臂产生弯矩的外力小车的位置小车制动时产生惯性力外力合成小车在跨中小车在悬臂主梁水平面内弯矩（NM）产生弯矩的外力小车的位置 等小车在跨中小车在悬臂4.2支腿的内力计算因为跨度只有30m，没有超过35m，所以采用支腿均为刚性。4.2.1 门架平面内的支腿内力计算(1) 由主梁均布自重产生的内力图4-6 主梁均布自重产生的内力图有悬臂时的侧推力为： (4-3)为了安全起见，现将有悬臂门架当作无悬臂门架计算，即弯矩：(2) 由移动载荷产生的内力（由小车轮压产生的主梁内力），分为小车在跨中和小车在悬臂端进行。：小车在跨中图4-7 支腿由移动载荷产生的内力图当，时，侧推力为：弯矩：B：小车在悬臂端，主钩在左极限位置，侧推力为：=弯矩： 图4-8支腿由移动载荷引起的内力图（在跨中）图4-9支腿由移动载荷引起的内力图（在悬臂端）(3) 作用在支腿上的风载荷产生的支腿内力图4-10 支腿内力图侧推力：弯矩：(4) 由顺小车轨道方向的小车制动惯性力和风载荷产生的支腿内力图4-11支腿由小车惯性力引起的内力图侧推力：弯矩：小车在跨中的支腿合成弯矩:小车在悬臂端的支腿合成弯矩：4.2.2 支腿平面内的支腿内力计算计算支腿平面内的内力时，可按小车运行到只退位置时计算，此时垂直载荷: (4-4)式中各符号的意义见前述1 有垂直载荷引起的支腿内力 在垂直载荷作用下引起的支腿内力得支反力： (4-5) (4-6)弯矩 图4-12 支腿的内力计算图2.由水平载荷引起的支腿内力在水平载荷和作用下引起的支腿内力由；作用在支腿顶部的水平载荷: (4-7)-作用在支腿中部分的水平载荷： (4-8)支反力 (4-9)3.支腿承受从主梁传递扭矩作用引起的支腿内力已知 (4-10)支反力： 1. 支腿自重引起的支腿内力 已知一根支腿自重化为均布载荷：弯矩支反力： (4-11)弯矩：5.下横梁自重引起的下横梁内力在计算支腿平面内的门架内力时，可同时求出支腿上的弯矩和下横梁中的弯矩及除此之外，下横梁自重在下载和产生的弯矩：下横梁自重，化为均布载荷支反力：弯矩在支腿与下横梁连接处得下横梁C-C截面处的弯矩； (4-12)支腿平面内支腿和下横梁承受的弯矩（）：4-2支腿承受弯矩表：表的表头？、构件 外力支腿104124477484767184130182.40下横5652472200015356439670.4=24000下横16064926425351827769854.4=16934.4第五章 强度计算5.1 主梁的强度验算5.1.1弯曲应力验算由上表可知，主梁在垂直面和水平面内的合成弯矩：小车在跨中时，跨中弯矩最大。小车在悬臂端时，支承处弯矩最大。现分别验算主梁跨中和支腿D处的弯曲应力。由课本P299增大1015由金属结构第七章P224以及起重机设计手册P525得跨中弯曲应力： (5-1) (5-2) 5.1.2 主梁剪应力的验算根据上述计算，小车在悬臂端时，主梁支承处剪力最大。主梁支承处垂直面内的剪应力由下式计算： (5-3)小车在跨中：小车在悬臂端剪应力主梁在水平面内受水平惯性力和风力引起的剪应力一般较小，可忽略不计5.1.3主梁扭转剪应力的验算对于偏轨箱形主梁受扭的影响，其主梁截面除承受自由弯曲应力之外，还承受约束弯曲应力（以增大15的自由弯曲应力计入）和剪应力。此外，主梁截面还承受纯扭转剪应力，现验算如下：主梁截面弯心的位置如下图所示。80022551549图5-1 主梁截面弯心位置图 (5-4)小车各部分重量如下：小车上机械部分重量吊重及吊钩组重量小车架及防雨罩重量(1) 外扭矩 (5-5)(2) 主腹板上的剪应力 (5-6)(3) 副腹板上的剪应力 (5-7)5.2 支腿的强度验算支腿平面内支腿下部弯矩合成：支腿和下横梁强度验算1）支腿强度验算由上述门架的内力计算可知，在门架平面内，支腿上部弯矩较大，向下逐渐小。而在支腿平面内，支腿下部弯矩较大，向上逐渐变小。所以单主梁门式起重机支腿在两个方向的宽度尺寸可变化成为截面形状，如图8-15所示对于支腿上部截面A-A，当小车位于跨中时，可按门架平面的合成弯矩：和支腿平面内支腿承受主梁传递的扭矩验算弯曲应力： (5-8)对于支腿下部截面BB,可只按支腿平面、支腿下部承受的合成弯矩和轴力N合成验算支腿强度已知轴向力 N= (5-9)弯曲应力 (5-10)2）下横梁强度按C-C截面的合成弯矩验算： 第六章 门架的刚度计算6.1主梁的刚度计算计算门架刚度时，应分别对主梁和支腿进行刚度计算。在进行主梁刚度计算时，应以门架平面作为计算平面。在进行支腿刚度计算时，以支腿平面作为计算平面。主梁刚度按超静定门架计算 当小车在跨中时， 小车在悬臂端时，6.2支腿静刚度计算对于支腿，只需进行支腿平面内的刚度计算即可 （a）支腿水平静刚度图 （b）支腿水平静刚度图 （c）支腿垂直动刚度图 （d）支腿垂直动刚度图 （e）支腿扭转刚度图 （f每个分图土的图标）支腿扭转刚度图图6-1支腿静刚度计算 水平刚度(图a,b) 在水平载荷作用下，支腿顶部的水平位移如下计算： （6-1）其中，单位水平载荷引起的支腿内力为：在水平载荷作用下引起的内力由前所述知 垂直动刚度计算(图c,d) 在垂直载荷作用下，支腿顶部的垂直位移如下计算：公式编号 （6-2）单位垂直载荷引起的支腿内力为：由前述计算： 扭转刚度计算(图e,f) 支腿受主梁传递的扭矩而引起扭转变形，其扭转刚度由下验算： 单位扭转刚度计算 单位扭转刚度计算按下式计算：6.3主梁动刚度计算主梁的动刚度，可以验算主梁满载自振频率来控制： (6-3) 当小车在跨中时， (6-4)式中 在此 (6-5)式中 在此 于是 小车在悬臂端时：式中式中 (6-6)皆大于2HZ，满足要求。第七章 门架的稳定性计算7.1 主梁的稳定性1）主梁的整体稳定性：主梁为封闭截面，当主梁高宽比h/b<3时，主梁的整体稳定性不必计算，一般均能满足要求。由于h/b=1716/1014=1.69<3, 故主梁的整体稳定性不必验算。2）主梁的局部稳定性：翼缘板的最大外伸部分： （稳定）翼缘板的极限宽厚比为： ，故需设置一条纵向加劲肋主腹板的极限宽厚比为： ，副腹板的极限宽厚比为： ，故需设置横隔板及两条纵向加劲肋，主、副腹板相同。如图：纵向加劲肋的位置构型梁的横隔板下端与受拉翼缘板间距为60mm,隔板间距a=1900mm,横隔板的厚度=10mm,板中开孔尺寸为840mm1340mm,翼缘板的纵向加劲肋选用角钢 90566mm，主、副腹板采用相同的纵向加劲肋 90566mm，对区隔进行稳定性验算：板的欧拉应力： (7-1)式中：板的厚度，=8mm;B区隔宽， b=400mm;E钢材的弹性模量， E=;泊松比，=0.3；板边弹性嵌固系数 1.26， 取.2 区隔 简支板的屈曲系数 (压缩应力) (7-2) 板边两端应力比 <1(属于不均匀压缩板) =0.523107.2MP=56.07MP =4 简支板的屈曲系数 (剪切应力) （局部压应力） 板的临界压缩应力： =1.25.17674.41=462.175MP板的临界剪切应力： =1.25.5974.41=499.14MP板的局部压 应力： =1.20.817574.41=73MP又 0.75=0.75235=176.25MP ，均大于0.75，需修正修正值： (7-3) 区隔长宽比采用以下公式求临界和应力：= (7-4)局部压应力=0平均剪应力 等效临界复合应力为=332.84MP区隔的局部稳定性验算如下：当小车位于跨端时，需验算悬臂根部受压区隔的局部稳定性：此处弯曲压应力为：顶部最大拉应力为： 腹板中央两边缘应力之比为： ， ， =0.8175； =1.24.0874.41=364.3MP>0.75 需修正修正值：= (7-5) 等效临界复合应力为：=274.9MP 该区隔的局部稳定性验算如下：区隔的尺寸与相同，而应力较小，故不需计算。主腹板外侧设置短加劲肋，与上翼缘板顶紧以支承小车轨道，间距=400mm。7.2 支腿的稳定性1）支腿的整体稳定性：由金属结构表6-6查得稳定系数=0.748支腿的整体稳定性： (7-6)=6.2MP<整体稳定性通过2）支腿的局部稳定性：取截面面积大的C-C截面进行计算：翼缘板的极限宽厚比为： ，腹板的极限宽厚比为： ，故需设置横隔板及两条纵向加劲肋取支腿大隔板间距a=0.928m7.3 支腿上下法兰盘上的螺栓计算（1）对于上法兰盘：支腿轴向力： =357351.75N架方向的弯矩： =5738949.46 N.m支撑架方向的弯矩： =375733.06 N.m 距x轴最远处的一个螺栓拉力：=1.3=9287.4N 距y轴最远处的一个螺栓拉力：=18875.6N则该螺栓所受合力为：=21036.73N对于高强度螺栓：=46.52MP 合格（2）对于下法兰盘：支腿轴向力： =527351.75N架方向的弯矩： =5738949.46 N.m支撑架方向的弯矩： =285556.32N.m 当单独作用时，距x轴最远处的一个螺栓拉力：=1.3=20178.3N 当单独作用时，距y轴最远处的一个螺栓拉力为：=17622.7N则该螺栓所受合力为：=26790.36N对于高强度螺栓：=59.25MP 合格第八章 主梁的拱度和翘度为使小车正常运行，门式起重机的主梁也需要在跨间设置拱度，在悬臂设置翘度。主梁跨中央上拱度为悬臂端的拱度取为，其它部分按二次抛物线变化考虑制造误差和可能引起的变化，允许将拱度和翘度值增大40%.第九章 整机抗倾覆稳定性校核起重机抗倾覆稳定性是指起重机在自重和外载荷作用下抵抗翻倒的能力，保证起重机具有足够的抗倾覆稳定性是起重机设计中最基本的条件之一。9.1非工作状态下空载制动 假设所有部件（主梁、支腿、下横梁）的均布载荷方向均在主梁竖直中心线的平面内的大车车轮的水平轴线OO上。 则主梁上风力及支腿上风力对OO线产生弯矩为： (9-1) =93350.49.8+183609.8 =1094761.92 N.m 主梁、支腿和下横梁对OO线产生的力矩为： (9-2) =210000+ =4922725.188 N.m 验算通过9.2工作状态下空制动此时主梁上风力、惯性力和支腿上风力、惯性力产生对OO线的转矩： (9-3) =（29172+20391.68）9.8+2（5737.5+15232）9.8 =691225.164 N.m 此时抗倾覆稳定性通过9.2.1工作状态下，大车满载制动主梁上风力、惯性力，支腿上风力、惯性力，吊重风力、惯性力对OO线的转矩为： =691225.164+（4183.2+3400）8 =751890.764 N.m工作状态下主梁、支腿、下横梁、吊重产生的对OO线的扭矩为： (9-4) =4922725.188+126175 =5395881.438 故工作状态下，满载制动抗倾覆稳定性通过 9.3 工作状态下，小车满载制动： 此时小车对AA线产生的力矩为： (9-5) =126175+ =533821.85 主梁、支腿及下横梁对AA线产生的力矩为： (9-6) = =5997725.188 故工作状态下，小车满载制动抗倾覆稳定性通过参考文献1 孙桓、陈作模、葛文杰（西北工业大学机械原理及机械零件教研室）.机械原理.第七版.北京：高等教育出版社，2006.6-7参照这个改2 徐格宁.起重输送机金属结构设计.北京：机械工业出版社，2003.9-103 西南交通大学等.起重机设计手册.北京：机械工业出版社，2001.124 起重机设计手册编写组.起重机设计手册.北京：机械工业出版社，1985.13-145 大连理工大学工程画教研室.机械制图（第四版）.北京：高等教育出版社，2005.16-196 杨长揆、傅东明.起重机械（第二版）.北京：机械工业出版社，1985.20-217 陈道南、盛汉中.起重机课程设计（第二版）.北京：冶金工业出版社，1991.228 濮良贵、纪名刚、陈国定、吴立言（西北工业大学机械原理及机械零件教研室）机械设计（第八版）.北京：高等教育出版社，2007.239 刘鸿文.材料力学（第四版）.北京：高等教育出版社，2006.2410 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学（第六版）.北京：高等教育出版社，2006.2611 李廉锟.结构力学（第四版）.北京：高等教育出版社，2006.2812 徐格宁.机械装备金属结构设计.太原：太原科技大学教材，2008.3113 刘瑞新、曾令宜、华顺刚.AutoCAD2004中文版应用教程.北京：电子工业出版社，2005.32-3314 中华人民共和国国家标准GBT 3811-2008起重机设计规范.中国国家标准化管理委员会，2008.3515 倪庆兴、王殿臣.起重运输机械图册.上海交通大学，1991.3616 胡宗武、顾迪民.北京科学技术出版社，1989.3717 起重机课程设计.资料部分.北京钢铁学院出版社，1981.39-4018 倪庆兴等.起重输送机械图册.机械工业出版社，1992.41-4219 徐启贺、刘