400t梁场门式起重机设计要点.docx

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400t梁场门式起重机设计要点

毕业设计

类型：

□毕业设计说明书□毕业论文

题目：

400t梁场门式起重机设计

指导教师：

学生姓名：

专业：

船舶工程技术

班级：

学号：

时间：

2013

年

5

月

400t梁场门式起重机设计

摘要

本设计以梁场门式起重机结构设计为设计目标，内容包括主梁、支腿、上下横梁等结构的设计。

重点为部分结构的载荷计算及载荷组合。

其设计很好的体现了结构力学、材料力学在金属结构件和起重机运输中的重要运用。

我国的铁路工业进入了快速发展的轨道，梁场门式起重机因其在露天作业环境中有其它类型起重机无法替代的优势，因此对其进行研究、创新，使其结构更合理，使用更方便，具有重要的战略和现实意义。

关键词：

门式起重机、金属结构、载荷计算

0

ABSTRACT

ThedesignBeamfieldgantrycranedesigngoalsfordesign,includingthemainbeam,legs,upperandlowerbeamsandotherstructures.Focusonpartofthestructureoftheloadandloadcombinations.Goodindicationofthedesignofstructuralmechanics,mechanicsofmaterialsinthemetalstructureandtheimportanceoftransportusedcranes.China’srailwaysindustryhasenteredarapiddevelopmenttrack,Beamfieldgantrycraneinitsoperatingenvironmentintheopenairthereareothertypesofcranescannotbereplacedadvantage,soitsresearch,innovation,itsstructureismorereasonable,Moreconvenient,hasimportantstrategicandpracticalsignificance.

Keyword:

Gantrycranes，metalstructure，loadcalculation

1.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。

在设计过程中，结合起重机的实际工作条件，注意了以下几方面的要求：

整台起重机与工作场所的配合，以及小车与门架的配合要恰当。

小车与门架的相互配合，主要在于：

小车轨距（车轮中心线间的水平距离）和门架上的小车轨距应相同，其次，在于小车的缓冲器与门架上的挡铁位置要配合好，小车的撞尺和门架上的行程限位装置要配合好。

小车的平面布置愈紧凑小车愈能跑到靠近门架的两端，起重机工作范围也就愈大。

小车的高度小，相应的可使起重机的高度减小，从而减少了起重机的自重，节约了材料。

小车上机构的布置及同一机构中各零件间的配合要求适当。

起升机构和小车平面的布置要合理，二者之间的距离不应太小，否则维修不便，或造成小车架难以设计。

但也不应太大，否则小车就不紧凑。

小车车轮的轮压分布要求均匀。

如能满足这个要求，则可以获得最小的车轮，轮轴及轴承箱的尺寸，并且使起重机门架主梁上受到均匀的载荷。

一般最大轮压不应该超过平均轮压得20%。

小车架上的机构与小车架配合要适当。

为使小车上的起升、运行机构与小车架配合得好，要求二者之间的配合尺寸相符；连接零件选择适当和安装方便。

在设计原则上，要以机构为主，尽量用小车架去配合机构；同时机构的布置也要尽量使钢结构的设计制造和运行机构的要求设计，但在不影响机构的工作的条件下，机构的布置也应配合小车架的设计，使其构造简单，合理和便于制造。

尽量选用标准零部件，以提高设计与制造的工作效率，降低生产成本。

本起重机是在高速铁路工程的混凝土梁制作场（简称“梁场”）使用；梁场制作的混凝土箱梁，质量为800t，通常用两台跨铁路线的400t门式起重机联合吊装；这台起重机也可用来组装架桥机。

梁场的布置情况与作业方式不同，起重机的跨度和起升高度也不同。

为适应不同的要求，结构形式也有差异。

这类起重机主梁大都采用箱型双梁，支腿采用A型结构，与主梁为刚性连接。

为改善支腿的受力情况，支腿与主梁的连接也可采用一侧为刚性，一侧为柔性的结构。

柔性支腿与主梁的连接，通常有三种形式：

①假想铰；②球铰；③圆柱铰。

老式设计用的事球铰，可用推力向心球面滚子轴承来实现。

这样，整个门架为一个静定系统，消除由于吊重所产生的侧向（水平）推力；大车歪斜运行时静定门架系统的受力状态也比较明确。

随着近代大型结构分析计算软件的普遍应用柔性支腿与桥架的连接，一般都采用假想铰，也就是把一侧的支腿设计成柔性结构。

梁场的使用年限都比较短，轨道基础比较浅，所以起重机的轮压控制在35t以内。

对梁场使用的门式起重机的金属结构，由于工作级别低，使用年限短，可不进行疲劳强度计算。

本起重机的跨度大，为了减少小车自重，采用牵引式小车。

这种小车的运行用绳索牵引，绳索驱动机构装在起重机的端梁上。

起升机构装在支腿的横梁上，起升绳索通过端梁的导向滑轮，绕过小车的起升滑轮组，从滑轮组出来的钢丝绳固定在另一侧的端梁上。

这样，当起升机构停止、运行机构运动时，起升滑轮组的绳索在运动，但吊钩只作水平运动（无升降运动）；运行机构停止、起升机构运动时，吊钩只作铅垂运动。

当两个机构同时开动时，吊钩作倾斜运动。

根据客户的要求，起重机的原始参数如下：

额定起重量：

Cp=400000kg

跨度：

L=38m

起升高度：

H=29m

额定起升速度：

νy=0.55m/min

大车运行速度：

νh=10m/min

小车运行速度：

νx=5m/min

起重机整机的工作级别：

A3（U1，Q4）

金属结构的工作级别：

E3（B2，S4）

起升机构工作级别：

M4

大车运行机构工作级别：

M3

小车运行机构工作级别：

M3

2.金属结构设计计算

2.1基本设计参数

额定起重量：

400t

跨度：

38m

工作级别：

E3

2.2载荷

（1）移动载荷移动载荷包括额定起重量、吊具质量和小车质量等的重力：

（400+10+44）×104N＝454×104N

小车平均静轮压：

P静＝454×104／8N=56.75×104N

起升载荷动载系数φ2：

起升机构采用变频电机，查表1取起升状态为HC1对应的φ2=φ2min=1.05。

表2-1系数β2及φ2min的推荐值

起升等级

β2

φ2min

起升等级

β2

φ2min

HC4

0.68

1.20

HC2

0.34

1.10

HC3

0.51

1.15

HC1

0.17

1.05

运行冲击系数φ4：

根据运行速度和轨头错位差可计算出：

φ4＝1.1＋0.058νyh0.5＝1.1＋0.058×0.0083×10.5≈1.1

小车动轮压：

P动=φ4P静=1.1×56.75×104＝62.425×104N

（2）单根主梁上由移动载荷产生的最大弯矩

1）载荷位于最不利位置（如图2-1）的支座反力

Ra=[4×62.425×﹙0.5×38－0.665﹚／38]×104N=120.48×104N

图2-1主梁载荷最不利位置

2）载荷位于最不利位置的截面最大弯矩：

Mx1max=（120.48×18.335－69.3×1）×104N·m=2139.7×104N·m

（3）主梁及附属物重力主梁及附属物包括单根主梁、轨道、走台等的重力：

（61.117+0.5×6.865+0.5×5.227）×104N＝67.163×104N

（4）主梁及附属物自重在跨中截面的弯矩：

Mx2＝1/8×67.163×1.1×38×104N·m＝351×104N·m

（5）大车运行机构起动、制动产生的水平惯性载荷和稳定力矩表2

大车运行机构制动时产生的水平惯性载荷：

PH＝φ5ma＝1.5ma

根据大车运行最高速度ν＝10m/min，查表得a＝0.064m/s2，那么水平惯性力矩与垂直力之比为：

1.5a/g＝1.5×0.064/9.81＝0.00978≈0.01。

大车运行机构的水平惯性载荷对主梁跨中截面的水平弯矩为：

My1＝[1/4×﹙454×1.1﹚/2×38＋1/8×67.163×1.1×38]×0.01×104N·m

＝27.23×104N·m

大车制动引起的水平惯性载荷见表2-2

表2-2大车制动引起的水平惯性载荷

名称

重力/kN

高度/m

水平惯性载荷/kN·m

稳定力矩/kN·m

货物

4000

34

1530.00

货物吊具

138.3

34

47.02

953.99

小车

440

35

154.00

3033.80

电架、轨道、走台

111

33

36.63

766.01

主梁

1220

31.5

384.30

8424.71

上横梁

162

28.5

46.17

1120.15

加高节

246.3

22.6

55.66

1707.40

变截面节

102

16.06

16.38

709.09

分岔节

92

12.5

11.50

640.55

斜支腿

260

7.2

18.72

1814.38

下横梁

442

2.5

11.05

3090.69

大车

500

0.9

4.50

3498.65

合计

8213.6

2315.90

25759.40

（6）风载荷风载荷对主梁截面产生的弯矩：

My2＝[1/4×﹙0.92＋0.49﹚×38＋1/8×5.28×38]×104N·m＝38.5×104N·m

风力引起的水平力矩如表2-3所示

表2-3风力引起的水平力矩

名称

C

Kh

A/m2

C×A×250×H/﹙104N·m﹚

C×Kh×A×1000×H/﹙104N·m﹚

货物吊具

1.6

1.23

23

31.28

153.90

小车

1.3

1.39

15

16.58

92.16

电架、轨道、走台

1.6

1.39

5

6.60

36.70

主梁

1.6

1.39

132

167.64

932.08

上横梁

1.3

1.23

11.25

10.49

51.63

加高节

1.3

1.23

38.4

26.46

130.17

变截面节

1.3

1.23

15

0.00

0.00

分岔节

1.3

1.23

7.8

3.63

17.84

斜支腿

1.3

1

24

6.55

26.21

下横梁

1.3

1

35

2.84

11.38

大车

1.3

1

14

0.41

1.64

合计

272.07

1452.05

2.3抗倾覆稳定性

400t门式起重机属于工作场地固定，且无悬臂，因此只需校核“作业状态动态稳定性”和“非工作最大风载稳定性”两种工况。

（1）作业状态动态稳定性

M倾＝﹙231.6＋272.07﹚×104N·m＝503.7×104N·m

M稳＝2575.9×104N·m

k＝2575.9/503.7＝4.5安全。

﹙2﹚非工作风载荷稳定性

M倾＝﹙231.6﹣153＋1452.05﹚×104N·m＝1530.65×104N·m

M稳＝2575.9×104N·m

k＝2575.9/1530.65＝1.68安全。

2.4金属结构的截面几何特性

（1）主梁跨中截面几何特性（图2-2）

图2-2主梁跨中截面

y1＝1581.85mm

Ix＝3.16×1011mm4Iy＝4.95×1010mm4

Wxs＝1.998×108mm3Wxx＝1.84×108mm3Wy＝0.82×108mm3

腹板上边缘处的静面矩：

Ss＝（1600×28×1553.85﹚mm3＝69.6×106mm3

腹板下边缘处的静面矩：

Sx＝（1560×28×1690.15）mm3＝73.8×106mm3

中性层处的静面矩：

S＝（1560×28×1690.152×12）mm3＝1.09×108mm3

2.5主梁强度计算

（1）主梁跨中附近下翼缘板下边缘角处：

σ＝[（2.383×1010＋3.1934×109）／1.84×108＋（2.953×108＋3.85×108﹚／0.82×108]N／mm2＝155.2N／mm2

考虑约束弯曲应力：

φ0＝0.805×m／K×（nK3＋7）／[（nK3＋3）（10nK3＋14）]0.5

＝0.805×0.172／2.7×（0.43×2.73＋7﹚／[﹙0.43×2.73＋3]（10×0.43×2.7＋14）]＝0.064

σφ＝0.064×155.2N／mm2＝7.14N／mm2

此处的组合应力：

σ＝﹙155.2＋7.14﹚N／mm2＝162.34N／mm2﹤[σ]＝325／1.33N／mm2＝244N／mm2

强度验算通过。

﹙2﹚主梁跨中附近下翼缘板与腹板下边缘焊缝处：

σ＝162.34×1690.15／1718.15N／mm2＝160N／mm2

τ′＝1673315×73.8×106／﹙3.16×1011×24﹚＝16.3N／mm2

τ″＝4×69.3×104×600／﹙2×3272×1212×12﹚＝17.5N／mm2

此处的组合应力：

σ＝[162.342＋3×﹙13.92＋9.4﹚2]0.5＝167.3N／mm2﹤216.7N／mm2，强度通过验算。

﹙3﹚主梁跨中附近腹板上边缘与上翼缘板焊缝处：

σ＝﹙2.383×1010＋2.193×109﹚／﹙1.998×108﹚＋﹙2.953×108＋3.85×108／﹙0.82×108﹚＝144.2N／mm2

τ′＝1673315×73.8×106／（3.16×1011×24）＝16.3N／mm2

τ″＝4×69.3×104×600／﹙2×3272×1212×12﹚＝17.5N／mm2

小车车轮产生的局部压应力：

σm＝p／[δ﹙α＋2h﹚]＝69.3×104／[12﹙50＋2×195﹚]＝131.25N／mm2

此处的组合应力：

σ＝﹛[144.2×﹙1＋0.046﹚]2＋131.252﹣131.25×144.2×﹙1＋0.046﹚＋3×﹙16.3＋17.5﹚2﹜0.5N／mm2

＝154N／mm2﹤216.7N／mm2

强度验算通过。

2.6主梁静刚度

利用ANSYS建模分析，求得挠度为：

f＝50.5mm＝L／752﹤[f]＝L／700mm，满足静刚度要求。

2.7主梁整体稳定性验算

由于H／B＝3300／1200＝2.75﹤3，可以不计算侧向屈曲稳定性。

2.8主梁局部稳定性验算

﹙1﹚横隔板设置

IZ1＝﹙1／12×12×1803＋180×12×962﹚mm4＝25738560mm4

3h0δh3＝﹙3×3300×123﹚mm4＝17107200mm4

满足IZ1≧3h0δh3。

﹙2﹚腹板受压区横肋间隔（按起重机设计手册计算）

根据σm／τ＝131.25／21.5＝6.1，查表2-4得：

k1＝330k2＝240；

表2-4参数k1，k2

σm／τ

k1

k2

σm／τ

k1

k2

≦0.2

712

700

1.1

649

618

0.3

709

697

1.2

640

606

0.4

706

691

1.3

630

693

0.5

700

685

1.4

618

580

0.6

694

676

1.5

606

566

0.7

685

666

1.6

596

554

0.8

676

654

1.7

587

542

0.9

667

642

1.8

578

530

1.0

658

630

1.9

569

520

2.0

560

511

3.8

462

378

2.2

541

493

4.0

453

368

2.4

529

475

4.2

444

359

2.6

517

457

4.4

435

350

2.8

505

439

4.6

426

341

3.0

494

426

4.8

417

332

3.2

487

414

5.0

408

323

3.4

480

402

3.6

471

390

根据σm／σ＝131.25／144.2＝0.91，查表2-5得：

k3＝430k4＝999。

表2-5参数k3，k4

σm／σ1

k3

k4

σm／σ1

k3

k4

≦0.05

21

2362

0.85

417

1044

0.10

42

2292

0.90

429

1001

0.15

64

2219

0.95

441

965

0.20

107

2076

1.00

450

931

0.25

152

1933

1.10

450

900

0.30

189

1808

1.20

450

870

0.35

219

1710

1.30

450

840

0.40

248

1613

1.40

450

810

0.45

267

1540

1.50

450

780

0.50

289

1467

1.60

450

750

0.55

310

1394

1.70

450

720

0.60

331

1324

1.80

450

690

0.65

3522

1254

1.90

450

660

0.70

371

1199

2.00

450

630

0.75

387

1147

0.80

402

1096

在简支梁端部区域：

α≦k1h0／﹙h0τ10.5／δh－k2﹚＝330×3300／﹙3300×21.50.5／12－250﹚

＝1062mm

在跨中附近区段：

α≦k3h0／﹙h0σ10.5／δh－k4﹚＝430×3300／﹙3300×144.20.5／12－999﹚

＝616mm

在受压区横肋间隔取500mm，验算通过。

﹙3﹚腹板纵肋腹板纵向肋采用L100×10，A＝1926mm2，Z0＝28.4mm，

Ix＝1795100mm4，对腹板中性层惯性矩：

Iz＝Ix＋A﹙100－Z0＋δ／2﹚2＝[1795100＋1926×﹙100－28.4＋6﹚2]

＝13393009mm4

当3000／3300﹥0.85时，满足：

Iz≧﹙2.5－0.45α／h0﹚α2／h0×δh3＝[﹙2.5－0.45×0.909﹚×2727×123]

＝9853091.7mm4

验算通过。

﹙4﹚受压翼缘板纵肋采用角钢L100×10

b0／δ＝1200／28＝42.85﹥40﹙235／345﹚0.5＝33，需要加一道纵向肋。

纵肋IZ3≧[﹙0.64＋0.09×700／1200﹚×7002／1200×283]＝6207385mm4满足要求，验算通过。

2.9主梁拼接设计

﹙1﹚拼接位置﹙中间段长度18m﹚主梁拼接处载荷最不利位置如图2-3所示。

图2-3主梁拼接处载荷最不利位置

（2）拼接处的载荷移动载荷引起左端支反力：

RA＝4×62.425×﹙38－11.33﹚／38×104N＝194.6×104N

移动载荷引起拼接处最大弯矩：

M1＝﹙194.6×10－69.3×1﹚×104N·m＝1876.7×104N·m

主梁、轨道、走台自重引起的均布载荷：

q＝1.1×67.163／38×104N／m＝1.9444×104N／m

它对拼接处形成的弯矩：

M2＝﹙0.5×1.944×38×10－0.5×1.944×102﹚×104N·m

＝272.16×104N·m

∑M＝M1＋M2＝﹙1876.7＋272.16﹚×104N·m＝2148.86104N·m

Q＝RA－P动＋q﹙19－10﹚＝﹙194.6－69.3＋1.944×9﹚×104N

＝142.8×104N

﹙3﹚翼缘拼接处的螺栓连接计算：

总的毛截面惯性矩：

Ix＝2.68×1011mm4

腹板毛截面惯性矩：

If＝6.83×1010mm4

翼缘承受弯矩：

My＝﹙Ix－If﹚／Ix×M＝﹙26.8－6.83﹚／26.8×2148.86×104N·m＝1601.2×104N·m

拼接处翼缘受力：

N＝My／3.3＝485.2×104N

翼缘拼接采用10.9S级M30的螺栓，其承载能力为：

孔壁承压：

[Ncy]＝d×∑t×[σc]＝30×28×303N＝25.5×104N

螺栓抗剪：

[Nvy]＝n×π×302／4×[τ]＝2×π×302／4×250N＝35.5×104N

则翼缘拼接所需螺栓数为：

n＝482.8／25.5＝19实际拼接采用30个，符合设计要求

﹙4﹚腹板拼接处的螺栓连接计算腹板拼接采用10.9S级M20的螺栓，其承载能力为：

孔壁承压：

[Ncy]＝d×∑t×[σc]＝20×20×303N＝12.12×104N

螺栓抗剪：

[Nvy]＝n×π×202／4×[τ]＝2×π×202／4×250N＝15.7×104N