打印版霍智敏焊接结构课程设计起重机.docx

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打印版霍智敏焊接结构课程设计起重机

主梁结构设计与计算

1桥式起重机桥架介绍与要求

1.1桥式起重机桥架介绍

主梁跨度18.5m，是由上、下盖板和两块垂直的腹板组成封闭箱形截面实体板连接，主梁横截面腹板的厚度为6mm，主梁上的走台的宽度取决于端梁的长度和达成运行机构的平面尺寸，主梁跨度中部高度取H=L/17，主梁和端梁采用搭接形式，主梁和端梁连接处的高取H0=0.4-0.6H，腹板的稳定性有横向加劲板和纵向加劲条或者角钢来维持，纵向加劲条的焊接采用连续点焊，主梁翼缘板和腹板的焊接采用贴角焊缝，主梁通常会产生下挠变形，但加工和装配时采用预制上拱。

1.2桥架结构设计要求

在设计桥式起重机的结构时必须满足以下要求：

1）桥架的强度和刚度要足够。

要保证桥架的强度，就必须使计算准确和主、端梁的截面尺寸选择恰当：

要保证桥架的整体刚性，就不仅要求主、端梁的刚度必须大些外，而且要求主、端梁之间的连接十分牢章牢固。

2）桥架和大车运行机构配合好。

要求支撑传动机构的走台要和运行机构配合好，并且使使走台支撑处具有足够的刚度，这样才能保证运行机构的正常运转。

3）桥架和小车配合好。

就要求桥架上的小车轨距、终点限位开关、小车级冲器挡板等相应地与小车的车轮中心面间距、开关撞尺、缓冲器等的位置尺寸配合好。

4）桥架自重要尽可能减轻，因为桥架是起重机最沉重的一部分，桥架重量的减轻具有很大的经济意义。

但是，也不能偏面地追求重量轻而影响使用可靠性和整机的工作性能。

5）在作为系列产品进行设计时，还应尽量做到减少桥架结构各部分组装件的规格数量。

以求最大限度的通用性，便于组织成批生产。

6）在满足使用可靠、制造容易以及维护操作方便的前提下，设计时还应尽量注意造型美观。

2大车的设计

2.1设计步骤

大车运行机构的设计通常和桥架的设计一起考虑，两者的设计工作要交叉进行，一般的设计步骤：

1.确定桥架结构的形式和大车运行机构的传方式

2.布置桥架的结构尺寸

3.安排大车运行机构的具体位置和尺寸

4.综合考虑二者的关系和完成部分的设计

2.2对大车运行机构设计的基本要求是：

1.机构要紧凑，重量要轻

2.和桥架配合要合适，这样桥架设计容易，机构好布置

3.尽量减轻主梁的扭转载荷，不影响桥架刚度

4.维修检修方便，机构布置合理

图1大车运行机构示意图

3小车的设计

3.1小车运行机构简介

运行机构采用全部为闭式齿轮传动，小车的四个车轮固定在小车架的四周，车轮采用带有角形轴承箱的成组部件，电动机装在小车架的台面上，由于电动机轴和车轮轴不在同一个平面上，所以运行机构采用立式三级圆柱齿轮减速器，在减速器的输入轴与电动机轴之间以及减速器的两个输出轴端与车轮轴之间均采用带浮动轴的半齿联轴器的连接方式。

3.2小车设计要求

在设计过程中，结合起重机小车的实际工作条件，注意了以下几方面的要求：

（1）整台起重机与厂方建筑物的配合，以及小车与桥架的配合要恰当。

小车与桥架的相互配合，主要在于：

小车轨距（车轮中心线间的水平距离）和桥架上的小车轨距应相同，其次，在于小车的缓冲器与桥架上的挡铁位置要配合好。

小车的撞尺和桥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桥架的两端，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，从而降低了厂房建筑物的高度。

（2）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。

（3）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，并且使起重机桥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的20%。

（4）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。

（5）尽量选用标准等部件，以提高设计与制造的工作效率，降低生产成本。

1-电动机2-制动器3-立式减速器4-车轮5-半齿轮联轴器6-浮动轴7-全齿轮联轴器

图2小车运行机构示意图

4端梁的设计：

端梁部分在起重机中有着重要的作用，它是承载平移运部分运输的关键部件。

端梁部分是有仇车轮组合端梁架组成，端梁部分主要有上盖板，腹板和下盖板组成端梁由两段通过连接板和角钢用高强螺栓连接而成。

在端梁的内部设有加强筋，以保证端梁架受载后的稳定性。

梁端的主要尺寸是依据主梁的跨度，大车的轮距和小车的轨距来确定的；大车的运行采用分别传动的方案。

在装配起重机的时候，先将梁端的一段与其中的一根主梁连接在一起，然后再将梁端的两段接连起来。

5总体结构示意图

通用桥式起重机是指用吊钩或抓斗（有的也有用电磁盘）吊取货物的一般用途的桥式起重机，它桥架（大车）和起重小车两大部分组成，桥架横跨于厂房或露天货物上空，沿吊车梁上的起重机轨道纵向运行。

通用桥式起重机有大车运行机构（装在桥架上），起升机构和小车运行机构（装在小车上）等三种工作性机构。

桥架由主梁和端梁及小车运行轨道组成，工作时小车在两根主梁上铺设的轨道上滑行。

根据载重量不同，起重机分为正规箱型梁和偏轨箱形梁两种形式。

图3总体结构示意图

图4箱形梁结构示意图

原始数据

设计基本参数

起重量（吨）

跨度（米）

小车轮距（米）

5

18.5

2

5桥架截面尺寸初步确定

5.1尺寸计算

参数

计算步骤

初步确定

主梁高

度h

h:

h=（1/14～1/18）L（m）

h=18500（1/14~1/18）=1014mm

h=δ1+δ2+ho=1014mm

1014mm

腹板间

距bo

bo:

bo=（1/50～1/60）L（m）

bo=（1/50～1/60）18500=370mm

工艺要求主梁高度和腹板间距关系h/bo≤3L/bo≤50

370mm

盖板宽度b

自动焊b=bo+2（20+δo）=370+52=432mm

422mm

腹板厚度δo

为考虑锈蚀和控制波浪度，当Q=5～63tf时，δo≥6mm这里取6mm

6mm

盖板厚度δ1

受压盖板厚度δ1：

b1/δ1≤60

受拉盖板厚度δ2：

δo≤δ2≤δ1

这里取上盖板厚度6mm，下盖板厚度8mm

8mm

端梁的高度和宽度

端梁的高度h端=（0.4～0.6）h=530mm

端梁的宽度b端=（0.5～0.8）h=318mm

530mm

318mm

主梁端部过渡距离C

C=（1/5～1/10）L=2380mm

腹板高度ho=h-δ1-δ2=1000mm

2380mm

1000mm

腹板加筋板

（选取橘色区）

腹板高度h0与腹板厚度δo之比h0/δo

腹板受压区

同时有直接作用的集中轮压（如一般简支的工字形主梁，偏轨箱形梁）

腹板受压区没有直接作用的集中轮压（如正轨箱形梁截面的主梁等）

腹板受拉区直接作用有集中轮压（如悬臂梁）

h0/δo≤70（60）①

可不设筋板或仅按构造需要设筋板

可不设保证局部稳定性的筋板，但需加短筋板或承轨梁以承受钢轨

设横向筋杆

70（60）

沿梁全长设置横向筋板a≤2h，a≤2.2m

采用如图4的横向筋板

a≤2h，h2=0.3h

160（135）

沿梁全长设置横向筋板，并同时在受压区设一道或两道纵向筋杆

采用如图5纵横筋板

240（200）

应配置横向筋板机两道纵向筋杆

h0/δo>320（270）

按高腹板梁的局部稳定性处理，配置多根纵向及横向筋

主梁截面参数设计表

桥架参数

单位（毫米）

主梁高度

1014

腹板间距

370

腹板厚度

6

盖板宽度

422

上盖板厚度

6

下盖板厚度

8

端梁高度

530

端梁宽度

318

主梁端部过度距离

2380

腹板高度

1000

6主梁的校核

1.1载荷的计算

表3桥式起重机桥架结构的计算载荷组合

载荷情况

载荷种类

主梁

Ⅰ

Ⅱ

大车不动,小车在规定位置起升或下降载荷.

大车平稳制动,小车在跨中,满载下降制动.

桥架自重

Gq=5tf（查自重曲线图得）

KⅡGq=1.1X5

小车自重

Gx=0.35X5

KⅡGx=1.1X0.35X5

起升载荷

ψⅠQx=ψⅠX5

ψⅡQq=1.15X5

大车起制动时的惯性力

qdg=βq=0.014

Fdg=βPx∑=0.2

注:

KⅡ--冲击系数,取KⅡ=1.1;ψⅡ--动力系数,取ψⅡ=1.15

Px∑--一根主梁上小车轮压的代数和kgf

q—桥架一根主梁的每米长度的自重kgf/m（q=Gq/2L=0.14）

β—系数,当大车总轮数的1/2为驱动轮时,取β=0.1;当总轮数的1/4为驱动轮时,取β=0.05

1.2垂直方向（按静定简支梁计算）

（1）由活动载荷引起的弯矩和剪力

当活动载荷P1=P2时,其合力位置在b1j/2处,合力

R=P1+P2=（KⅡGx+ψⅡQq）/2=（1.1X0.35X5+1.15X5）/2=3.9tf

求A点的支反力,对B点取矩

∑F=0

∑MB=0

VA=（L-x-blj/2）R/L=（3.9-0.21x）

距支点A距离为x的截面上的由活动载荷产生的剪力和弯矩分别为:

1当0

Q活max=VA=（L-x-blj/2）R/L=（3.9-0.21x）=1.95tf

M活max=VA.x=（L-x-blj/2）xR/L=x（3.9-0.21x）=18.1tfm

2当L-b1

VA=P（L-x）/L=（4-0.22x）

Q活max=VA=P（L-x）/L=（4-0.22x）=0.02tf

M活max=VA.x=P（L-x）x/L=x（4-0.22x）=0.362tfm

（2）由固定载荷引起的弯矩及剪力

1均布载荷

距支点A距离为x的截面上的由固定均布载荷产生的剪力和弯矩分别为:

（x取10）

VA=qL.（L/2）/L=1.4t

Q均=VA-qx=（1.4-0.15x）=-0.1tf

M均max=M均=VA.x-qx（x/2）

=VA.x-qx2/2=（1.4x-0.07x2）=7tfm

q=KⅡGq/2L=1.1x5/（2x18.5）=0.15kgf/m

2集中载荷

起重量Q

tf

载荷tf

作用位置m

G1

G2

G3

L1

L2

L3

50～10

15～20

30～50

75～100

0.45

0.5

0.8

0.87

1.05

1.1

1.1

1.1

0.15

0.2

0.6

1.2

1.5

1.5

1.5

1.5

2.8

2.8

2.8

2.8

4.5

5.0

5.9

5.9

确定支反力（Q=5，取Q=15-20tf）

VA=〔G1（L-L1）+G1L1+G2（L-L2）+G3（L-L3）〕KⅡ/L

=[0.5（19-1.5）+0.5x1.5+1.1（19-2.8）+0.2x（19-5.0）]

=1.74tf

VB=（2G1-G2-G3）KⅡ-VA

=（2x0.5-1.1-0.2）x1.1-1.74

=-2.04tf

a.当0〈x〈L1=1.5m

Q集Ⅰ=VA=1.74tf

M集Ⅰ=VA.x=1.74x1.5=2.61tfm

b.当L1〈x〈L2=2.8m

Q集Ⅱ=VA-KⅡG1=1.74-1.1x0.5=1.19tf

M集Ⅱ=VA.x-KⅡG1（x-L1）=4.157tfm

c.当L2〈x〈L3=5.0m

Q集Ⅲ=VA-KⅡ（G1+G2）1.744-1.1x1.6=-0.01

M集Ⅲ=VA.x-KⅡ〔G1（x-L1）+G2（x-L2）〕

=-4.113tfm

d.当L3〈x〈（L-L1）

Q集Ⅳ=VB-KⅡG1

=-2.04-1.1x0.5

=-2.59tf

M集Ⅳ=VB.X’-KⅡG1（X’-L1）

=-45.325tfm

e.当（L-L1）〈x〈L

Q集Ⅴ=VB=-2.04tf

M集Ⅴ=VB.X’=-38.76tfm

3垂直方向上的总弯矩和总剪力

M⊥max=（M活+M均+M集）max（先确定最大弯矩点）

=1.95+（-0.1）+4.1=5.95x10^5N*cm

Q⊥max=（Q活+Q均+Q集）max（先确定最大剪力点）

=18.1+2.85+1.74=22.69x10^5

1.3水平方向上的弯矩和剪力

当大车的总轮数的1/2为驱动轮时，水平方向上的弯矩和剪力，可粗略地取垂直方向上的计算值的1/10。

M∥max=M⊥max/10=5.59x10^4

Q∥max=Q⊥max/10=2.7x10^5

2.1主梁最大弯矩截面的正应力

σmax=M⊥max/Wz+M∥max/Wy≤〔σ〕（A3钢〔σ〕=1600kgf/cm2）

Wz=（h。

δ/3+bδ1）xh。

=（100x0.6/3+42.2x0.8）x100=3603cm^2

Wy=（bδ1/3+hδ）b=（42.2x0.8/3+100x0.6）x42.2=2432cm^2

∴σmax=488kgf/cm2≤1600kgf/cm2（满足要求）

2.2主梁最大剪力截面的剪应力

τmax=Qmax.S/Jzδ≤〔τ〕（A3钢〔τ〕=950kgf/cm2）

其中S—中性轴以上截面对中性轴的面积矩（静矩）

S=42.2/8x（101.4^2-100^2）+0.6x100^2/4=2148cm^3

∴τmax=2.79x10^6/（2x0.6x240400）x（42.2x1900/8-42.2x100^2/8）

=408kgf/cm2≤950kgf/cm2（满足要求）

合力

∴σ=768kgf/cm2≤1600kgf/cm2（满足要求）

2.3主梁的刚度验算（不计动力系数）

垂直挠度f1

式中

小车行至跨中时，车轮距端点的距离

〔f〕=L/（700～1000）

f1=0.007<[f]=L/（700~1000）=0.02~0.03（满足要求）

2.4挠度设计

起重机装焊完工后,主梁跨中应有f‘=L/1000的上拱度,上拱曲线按y=4f‘（L-x）x/L2分布。

考虑桥架自重及组装焊接的变形，常取的腹板下料的上拱度为：

Q=5～63tf时，f0‘=L/250～L/450；Q=80～100tf时，f0‘=L/500～L/550。

∴f0‘=L/250～L/450=18.5/（250～450）

2.5焊缝尺寸的设计

盖板与腹板连接角焊缝通常不开坡口，平角焊缝，焊角K一般不大于腹板厚度，通过验算最大切应力，确定焊角K值。

式中S—主梁端部上盖板对Z轴的静矩

a—角焊缝计算厚度a=0.7K，

气体保护焊和自动埋弧焊a=（0.8～1）K

Jz=240400cm4

Qmax=2.789x10^5N*cm

S=b/8x（h^2-ho^2）+δo（h^2-ho^2）=8673cm3解得K≤6mm（满足要求）

工艺设计

桥式起重机的制造任务为龙门吊，跨距18.5mm，起吊质量为5。

由A3钢板焊接而成。

焊条电弧焊通常采用E5015碱性焊条；气体保护焊焊丝采用ER50—6。

（图7）具体制造工艺流程

1材料复检与处理

对主梁制造所用材料查看标签同时取试样在实验室中进行强度与刚度的复检验。

再次确定是否符合要求。

钢结构零件进行组装焊接前，应进行型材预处理，清除氧化皮、锈和其它表面污物。

板板材还要用平板矫正机矫平，通常规定板厚大于6mm的，用1m平尺测量，波浪度应小于3mm。

2焊接性分析

母材可焊性分析

为了估计钢焊接性的好坏，通常采用碳当量（CE）的概念，即把单个合金元素对热影响区硬化倾向的作用折算成碳的作用，再与钢中碳的质量分数加在一起。

碳当量公很多，对于碳钢和低合金结构钢，国际焊接学会（IIW）推荐碳

当量计算公式为：

CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15式中各元素的符号代表该元素在钢中的质量分数。

一般认为当CE<0.4%时，钢材的淬硬倾向不大，焊接性优良。

根据公式计算得出碳当量为0.20；由此可以得出Q235的焊接性优良。

3主要的技术要求

主梁上拱度：

当受载后，可抵消按主梁刚度条件产生的下挠变形，避免承载小车爬坡。

主梁旁变：

在制造桥架时，走台侧焊后有投深残余应力，当运输及使用过程中残余应力释放后，导致两主梁向内旁弯；而且主梁在水平惯性载荷作用下。

按刚度条件允许有一定侧向弯曲，两者叠加会造成大弯曲变形。

上面板水平度小于b/250，腹板垂直度小于h0/200，b为盖板室度，h0为梁高。

端梁端梁是桥式起重机桥架组成部分之一，一般采用箱型结构，并在水平面内与主梁刚性连接，端梁按受载情况可分下述两类：

（1）端梁受有主梁的最大支承压力，即端梁上作用有垂直载荷。

（2）端梁没有垂直载荷，端梁只起联系主梁的作用。

5.3.1桥架结构的设计要求

在设计桥式起重机的结构时必须满足以下要求：

1）桥架的强度和刚度要足够。

要保证桥架的强度，就必须使计算准确和主、端梁的截面尺寸选择恰当：

要保证桥架的整体刚性，就不仅要求主、端梁的刚度必须大些外，而且要求主、端梁之间的连接十分牢靠牢固。

2）桥架和大车运行机构配合好。

要求支撑传动机构的走台要和运行机构配合好，并且使走台支撑处具有足够的刚度，这样才能保证运行机构的正常运转。

3）桥架和小车配合好。

就要求桥架上的小车轨距、终点限位开关、小车缓冲器挡板等相应地与小车的车轮中心面间距、开关撞尺、缓冲器等的位置尺寸配合好。

4）桥架自重要尽可能减轻，因为桥架是起重机最沉重的一部分，桥架重量的减轻具有很大的经济意义。

但是，也不能偏面地追求重量轻而影响使用可靠性和整机的工作性能。

5）在作为系列产品进行设计时，还应尽量做到减少桥架结构各部分组装件的规格数量，以求最大限度的通用性，便于组织成批生产。

6）在满足使用可靠、制造容易以及维护操作方便的前提下，设计时还应尽量注意造型美观

5.3.2端梁的设计要求：

端梁部分在起重机中有着重要的作用，它是承载平移运输的关键部件。

端梁部分是由车轮组合端梁架组成，端梁部分主要有上盖板，腹板和下盖板组成；端梁是由两段通过连接板和角钢用高强螺栓连接而成。

在端梁的内部设有加强筋，以保证端梁架受载后的稳定性。

端梁的主要尺寸是依据主梁的跨度，大车的轮距和小车的轨距来确定的：

大车的运行采用分别传动的方案。

在装配起重机的时候，先将端梁的一段与其中的一根主梁连接在一起，然后再将端梁的两段连接起来。

4备料

4.1盖板（

=6mm

=8mm）

（1）对已选定的Q235材料上盖板下料加长量按加长量2L/1000=2×18500/1000=37mm，下盖板下料加长量按加长量1L/1000=1×18500/1000=18.5mm，板宽允许偏差小于2mm，在对接长度方向上放400mm的工艺余量。

用自动火焰切割。

（2）切割：

选用市场上规格为22mm×1400mm的材料，切成两均等份，对边缘进行精整切割，对于盖板，剪切后出现波浪变形大于3mm/m；水平弯曲，在6m长内弯曲量大于3mm,应采用平板矫正机矫正。

（3）开坡口：

板厚为6mm时，采用单Y型坡口，允许用火焰气割，但坡口面应将熔渣等清除干净。

（4）采用CO2焊对板材进行拼接至＞22mm（对接前先将各板材点固焊住，或采用夹具固定均可；且可采用压具以防止波浪变形，两端使用引弧，收弧板）。

（5）预置拱度：

fs=L/1000=18500/1000=18.5mm以上fs为理论值，实际下料时，fs′=（2~3）fs，fs′=（38~57）mm

fs

x

L/2

L

图8拱度示意图

4.2腹板（δ=6mm）

（1）对已选定的Q235腹板下料的加长量按1.5L/1000=1.5×18500/1000=27.75mm，目的是使主梁有规定的上拱度，在腹板下料时有相应的上拱度，且上拱度应大于主梁的上拱度。

（在离中心200mm处不得有接头，为避免焊缝集中，上、下盖板与腹板的接头应错开，距离不小于200mm。

腹板下料后长度误差为10mm。

）用火焰切割。

（2）切割：

选用市场上规格为6mm×1800mm的钢板，切去多余的部分，然后对材料进行精整（气割）。

用1m平尺复查板材的波浪变形，大于3mm应重新用平板矫正机矫正。

腹板下料腹板矫平后，首先在长度方向拼接，然后左右两侧腹板对称气割．以防主梁两侧腹板尺寸不同．引起主梁的扭曲变形。

（3）下料拱度：

fs=（1/1000~3/1000）L=（19~57）mm

4.3大小隔板（δ=6mm）

注意下料时合理组合尺寸，尽量减少板材的消耗。

长短肋板下料主梁的长短肋板的宽度尺寸只能小不能大（1mm左右）。

长度尺寸可允许有一定的误差（±2mm以内）。

肋板的4个角度应为90。

，尤其是肋板与上盖板联接处的2个角更应严格保持直角，以使装配后主梁的腹板与上盖板垂直，同时主梁在长度方向上不会发生扭曲变形。

按设计尺寸对板材进行数控切割。

接头形式示意图

5装配

顺序如下图所示：

图9装配顺序图

即：

（1）上盖板置于支撑平台上，并加压板固定。

在地上铺好已拼接好的上盖板，在两端加凸台，使其中间向下弯曲，弯曲程度等于预置的上拱度，即中点处向下挠L/1000。

（2）装配焊接大隔板和小隔板

（3）装腹板

（4）角钢固定

（5）腹板与隔板的焊接

（6）装配下盖板及盖板与腹板的焊接

（7）测量挠度

（8）焊接变形检验校正

6焊接

6.1焊接工艺要点

要保证箱形主梁的焊接质量及合理的上拱度，并有效控制其焊接变形。

（1）、施焊前，先检查坡口及组对质量，如发现尺寸超差．应及时处理后再施焊。

（2）、焊前必须清除坡口及焊缝两侧各20mm范围内的油、污、水、锈及其他杂质。

（3）、焊接顺序：

先焊上、下盖板及腹板的对接焊缝．再焊两腹板与下盖板的2条纵缝；焊接过程中，应尽量采用对称地进行焊接，以防止主梁发生扭曲变形。

（4）、选用合理的焊接工艺参数：

焊接方法采用CO2气体保护焊和埋弧焊，焊条直径为1.2mm，焊接电流为160～200A，电弧电压为22～25V。

埋弧焊，焊接电流为500～600A，电弧电压为25～40V。

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