橋式單梁起重機金屬結構及行走機構設計

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The main task of this graduation design is the design of mono beam overhead bridge crane metal structure and its running mechanism, metal structure mainly includes the main beam, end beam of metal structure design, small frame. The walking mechanism design is the main vehicle and the running mechanism. By calculating and checking the main beam, end beam, small frame strength design of a simple structure, light weight, safe and reliable mono beam overhead bridge crane. Keywords:main beam,metal structure,walk mechanism 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 5 1.1 起重機的發(fā)展概況 5 1.2 起重機發(fā)展趨勢 5 第2章 結構方案設計 6 2.1箱型主梁結構形式 6 2.2端梁結構型式 7 2.3小車架結構型式 7 第3章 起升機構的設計計算 9 3.1起升機構設計 9 3.1.1 起升機構計算 9 3.1.2 選擇鋼絲繩 9 3.1.3確定卷筒尺寸 9 3.1.4選減速器 11 3.1.5 選電動機 11 3.1.6 選擇聯(lián)軸器 12 第4章 起重機小車架的設計計算 13 4.1小車架結構設計 13 4.1.1小車總體結構設計 13 4.1.2小車架金屬結構設計 13 4.1.3小車架車輪與軌道選擇 14 4.2小車架傳動方案的設計與計算 14 4.2.1小車架傳動方案選擇 14 4.2.2電動機的選型 16 4.2.3聯(lián)軸器的選用 18 第5章 主梁和端梁的設計與計算 19 5.1主梁的結構設計 19 5.1.1主梁結構 19 5.1.2主梁的尺寸以及截面結構 19 5.2主梁計算與校核 21 5.2.1主梁垂直最大彎矩 21 5.2.2主梁的水平最大彎矩 23 5.2.3主梁的強度驗算 24 5.2.4主梁的垂直剛度驗算 25 5.2.5主梁的水平剛度驗算 26 5.2.6主梁局部穩(wěn)定性計算 26 5.3端梁的結構計算 28 5.3.1端梁結構 28 5.3.2端梁的尺寸以及截面結構 29 5.4端梁的計算 30 5.4.1計算載荷的確定 30 5.4.2端梁的垂直最大彎矩 30 5.4.3端梁水平最大彎矩 30 5.4.4端梁的強度驗算 31 5.5小車反滾輪軌道和懸臂支撐座計算 32 5.6主端梁的連接方式 35 第6章 大車運行機構 37 6.1大車運行機構的組成和特性 37 6.2驅動方案的選擇 37 6.3選擇車輪與軌道，并驗算其強度 39 6.3選擇減速電機 40 6.4選擇聯(lián)軸器 41 6.5 緩沖器的選擇 41 第7章 主要部件的校核 43 7.1焊縫的連接計算 43 7.1.1端梁車輪支承處的翼緣焊縫 43 7.1.2 主梁和端梁的連接焊縫 43 7.1.3 主梁蓋板焊縫的剪切應力 44 7.2主要焊縫的校核驗算 44 7.2.1端梁端部上翼緣焊縫 44 7.2.2端梁端部下翼緣焊縫 44 7.2.3主梁與端梁的連接焊縫 45 7.2.4主梁上蓋板焊縫 45 結 論 46 參考文獻 47 致 謝 - 48 - IV 第1章 緒論 1.1 起重機的發(fā)展概況 近些年來，工程起重機行業(yè)發(fā)展快速，起重機械正處于市場高速發(fā)展期，具有較大的市場發(fā)展?jié)摿?。作為落實十二五?guī)劃各項工作目標的關鍵一年，2014年，國家經濟發(fā)展處于重要戰(zhàn)略機遇期，城鎮(zhèn)化、新型工業(yè)化、國際化建設都已進入關鍵階段，工程起重機企業(yè)開始理性分析市場，整裝待發(fā)，通過積極的技術創(chuàng)新，尋找最佳發(fā)展路徑。去年全年，我國起重機械行業(yè)增長態(tài)勢可觀。 　　然而當前我國經濟形勢較為嚴峻，各個行業(yè)景氣度一直處于偏冷的狀態(tài)，受國內房地產宏觀調控和貨幣緊縮政策影響，市場需求較為低迷。我國工程起重機行業(yè)正經歷著不平凡的發(fā)展階段，整個行業(yè)在實現(xiàn)高速增長的同時，也承受著著國際國內激烈競爭的考驗和金融危機的挑戰(zhàn)。 1.2 起重機發(fā)展趨勢 中國現(xiàn)起重機行業(yè)以中聯(lián)和三一兩大工程機械行業(yè)巨頭為主，產品種類繁多，而且主要以履帶式起重機和輪胎式起重機為主。橋式起重機分為單梁和雙梁兩種形式?，F(xiàn)在國內的單梁橋式起重機主要以電動葫蘆形式的為主。目前我國各行業(yè)的發(fā)展都較以前緩慢，但隨著金融危機的影響慢慢消退，中國中小型公司發(fā)展迅猛。因此，隨著廠房的增加，對單梁和雙梁起重機的需求都在增加。因此無疑是給起重機行業(yè)又帶來了春天，但是中國本身龐大的工程機械公司，加劇了行業(yè)間的競爭。所以，怎樣能在激烈的競爭中脫穎而出，對單梁橋式起重機的設計就提出了更高的要求。智能化，小型化，輕量化將是將來起重機的發(fā)展方向。這樣對起重機的金屬結構和起升機構、行走機構都有了新的要求和標準，在盡量降低成本的情況下，還須滿足客戶的要求。 第2章 結構方案設計 2.1箱型主梁結構形式 常見的雙主梁截面形式如圖2-1所示 圖2.1 通用橋式起重機半橋架截面型式 1）中軌箱型梁橋架（圖2.1-a）是將小車軌道安裝在主梁上翼緣板寬度中心線上，梁內設置大、小橫向隔板，與上翼緣板頂緊以支撐軌道[6]。 2）預應力箱型梁橋架（圖2.1b）是在主梁受拉翼緣板附近（一般在外側）加設高強度預拉鋼索或鋼筋，以提高梁的承載能力。 3)半偏軌箱型梁橋架（圖2.1c）是目前國內外采用的新結構型式，其小車軌道設置在主梁寬度中心線至腹板之間的上翼緣板上，以減小輪壓對梁產生的偏心扭矩并減小上翼緣板的局部彎曲和腹板的局部壓應力，從而改善梁的受力。 4）偏軌箱型梁橋架（圖2.1d）是把小車軌道置于主腹板頂上，梁內可省去小隔板，上翼緣板寬度延至主腹板外側，并設有三角形加勁肋板。 5）四桁架橋架（圖2.1e）是由四片桁架組成半橋架，其結構輕，剛度大。 6）三角形截面橋架(圖2.1f)是有三片桁架組成半橋架，半橋架必須與端梁連接牢固，否則扭轉剛度差會使受力惡化。 橋式單梁橋架與橋式雙梁橋架基本相同，只是以單根寬箱型梁代替兩根窄箱型梁，端梁仍為兩段。起重小車騎跨子啊單梁上運行。 根據運行小車的位置，分為對稱軌道單梁橋架（圖2.2a、d）和非對稱軌道單梁橋架。對稱軌道單梁橋架多用于大起重量的起重機，后者又分為垂直反滾輪式（圖2.2c、f）、水平反滾輪式單梁橋架（圖2.2b）和傾斜滾輪單梁橋架（圖2.2e）。 圖2.2橋式單梁橋架截面型式 由于本次設計采用的是小車架結構型式的單梁起重機，所以采用偏軌箱型梁橋架，在根據小車架的設計，來確定軌道的安裝位置。 2.2端梁結構型式 橋架端梁多采用鋼板焊接箱型結構，并在水平面內與主梁剛性連接。主梁主要分為拼接式端梁和整體式端梁，由于起重量是5t所以采用整體式端梁。 2.3小車架結構型式 小車架的結構型式主要分為兩種，1）二支點單主梁小車，2）三支點單主梁小車。如圖2.3所示 (a)二支點單主梁小車（b）三支點單主梁小車 1-減速器 2-安全鉤 3-水平輪 4-垂直反滾輪 5-水平反滾輪 圖2.3單主梁小車運行機構簡圖 根據設計要求和參數(shù)考慮，本次小車架的結構型式采用二支點單主梁小車型式。 第3章 起升機構的設計計算 3.1起升機構設計 3.1.1 起升機構計算 如圖3.1按照結構緊湊的原則，起升機構的驅動采用的驅動方案如下，電動機帶動齒輪聯(lián)軸器轉動，聯(lián)軸器與減速器連接后帶動減速器的運動最后帶動卷筒的滾動實現(xiàn)起升運動。 1-電動機 2-減速器 3-卷筒 4-聯(lián)軸器 圖3.1驅動方案 3.1.2 選擇鋼絲繩 若滑輪組采用滾動軸承，當，參考文獻[1]中表2-1得滑輪組效率鋼絲繩所受最大拉力： 參考文獻[1]中表2-3得中級工作類型時，安全系數(shù)K=5.5.鋼絲繩選用6X31（1+6+12+12）GB1102-74型號的鋼絲繩。 3.1.3確定卷筒尺寸 卷筒直徑： （3.1） 式中 e-筒繩直徑比 d-鋼絲繩直徑 參考文獻[1]中表3-3-2得e=18，又因為d=9.3，故D=158mm 故選用繩槽螺距 根據卷筒所選直徑以及鋼絲繩直徑和起重量以及最大提升高度參考文獻[1]中表3-3-6得卷筒選用圖號為143-2。 筒壁的應力計算： 對于HT15-33鑄鐵材料，抗壓強度極限 抗拉強度極限為 故許用壓應力： 故強度足夠。由于卷筒的長度,尚應計算由彎曲矩長生的拉應力（彎矩圖示于圖）： 圖3.2卷筒彎矩圖 卷筒的最大彎矩發(fā)生在鋼絲繩位于卷筒中央時： 卷筒斷面系數(shù)： （3.2） 式中 D——卷筒外徑，取值; ——卷筒內徑。由此; 可得： 合成應力： 式中許用應力： 3.1.4選減速器 根據卷筒的選擇參考文獻[1]表3-3-6得減速器選用大傳動比ZQ型減速器，ZQ400型號。傳動比選 3.1.5 選電動機 根據設計要求起升速度為，滑輪組倍率取，則卷筒的圓周速度為 則卷筒的轉速：，取 計算靜功率 因此選擇電動機型號為,額定功率 3.1.6 選擇聯(lián)軸器 高速軸的計算力矩： （3.3） 式中 效系數(shù)查表2—7 ——安全系數(shù)查表2—21 --相應于機構值的電動機額定力矩換算到高速軸上的力矩 根據以上計算選擇聯(lián)軸器型號為CL4，其最大允許扭矩--。 第4章 起重機小車架的設計計算 4.1小車架結構設計 4.1.1小車總體結構設計 前面第二章已經選用小車架為二支點結構型式的小車架。 4.1.2小車架金屬結構設計 小車架作為起重機的運行機構，并且是起升機構的安裝部件，所以金屬結構比較復雜，并且整個的受力情況也涉及到不靜定受力分析。根據主梁和軌道以及車輪組的選型，對小車架的整個金屬結構的設計以及受力分析提出了很高的要求。小車架的傳動方案的選擇，都對小車架的結構有不同的影響。因為小車架的輪距以及傳動方式開始時都沒有確定，所以對小車架金屬機構的設計陷入了困難中，之后翻閱資料，查起重機設計手冊，在根據起升機構和傳動方式以及輪距和小車輪組的結構，確定了最后的小車架的金屬結構如圖4.1所示 1-導向輪安裝座 2-小車輪 3-減速電機 4-起升機構布局 圖4.1小車架鋼結構 小車架主要由箱型梁和加強筋焊接而成，箱型梁是小車架的主要的承載件，加強筋的分布主要是加強局部的承載能力。 4.1.3小車架車輪與軌道選擇 車輪的最大輪壓：小車自重估計取為.假定輪壓均勻分布： 載荷率，參考文獻 [2]中選擇車輪：當運行速度,載荷率，工作類型為中級時，車輪直徑,軌道選擇型號為. 4.2小車架傳動方案的設計與計算 4.2.1小車架傳動方案選擇 經過搜集和查閱各種資料，雙梁起重機小車的傳動方式有如下2種 方式1 （a）減速器位于小車架中心線 （b）減速器偏向一側 圖4.2雙梁小車運行機構簡圖 方式2 1-帶制動器電機 2-減速器 3-彈性支撐 4-傳動軸 5-車輪 圖4.3三合一運行機構 圖4.2和圖4.3都是適用于雙梁起重機的小車運行方案，因為雙梁起重機的小車架是雙軌的，所以采用這幾種方案都是可行和合理的。但是我的設計是單梁橋式起重機，所以傳動方案與圖4.2和4.3的方案就有所差別。考慮到小車架的結構和空間以及自重的原因，參考圖4.3傳動方案，所以我的設計采用了三合一電機，并且電機安裝在小車架的箱型梁上，以此減小小車架的空間和自重。本設計采用的方案如圖4.4所示： 1-車輪 2-聯(lián)軸器 3-減速電機 4-小車架 圖4.4小車驅動方式 如圖4.4所示，采用三合一電機即減小了所需要的空間也減小了小車自重。如圖4.4，減速電機3輸出動力經過聯(lián)軸器傳遞到車輪組，主動輪帶動從動輪，從而驅使小車作橫向移動。 4.2.2電動機的選型 運行阻力 （4.1） 式中 ——起重機（小車）運行靜阻力（公斤）； ——起重機（小車）運行摩擦阻力（公斤）； ——起重機（小車）在有坡度軌道上運行時須克服由起重機重量分力引起的阻力（公斤）。 1、 運行摩擦阻力 起重機（小車）滿載運行時的最大摩擦阻力 (4.2) 式中 ——起升載荷重量（公斤）； ——起重機（小車）自重（公斤）； ——滾動摩擦系數(shù)（厘米），見[2]表9-2； ——軸承內徑； ——軸承摩擦系數(shù)，見[2]表9-3； ——附加摩擦阻力系數(shù)； ——車輪直徑（厘米）； ——摩擦阻力系數(shù) 對于單主梁的垂直反滾輪式小車，滿載運行時的最大摩擦阻力 （4.3） 式中 ——垂直反滾輪的輪壓（公斤） ——由載荷和小車自重引起的對垂直軌道中心線的力矩（公斤?米）； ——垂直軌道至反滾輪軌道中心線之間距離； ——垂直反滾輪的直徑； ——垂直反滾輪的軸承內徑。 因為 帶入式4.4得到 。 由于本次設計的起重機是在廠房里工作的，所以不涉及風載荷。則 （4.4） 式中 ——坡度阻力系數(shù)，見[2]表9-5，取，則 （二）選電動機 1、滿載運行時電動機的靜功率 （4.5） 式中 ——起重機（小車）滿載運行時的靜阻力； ——起重機（小車）的運行速度（米/分）； ——機構傳動效率； 大車如果選用臥式齒輪減速器時取0.95， 小車如果選用立式齒輪減速器時取0.90； ——電動機個數(shù) 小車運行速度選取為35m/min,則電動機的 參考文獻[3]表16-7選取減速電機機座號為YCJ132，電機100L1F3-4，功率為2.2kw，輸出扭矩為222nm，輸出轉速為89r/min.。 4.2.3聯(lián)軸器的選用 機構高速軸上全齒聯(lián)軸器的計算扭矩： 式中 —等效系數(shù)，由表2-7查到； 安全系數(shù)，由[11]表2-21查得； ——相應于機構值的電動機額定力矩折算到高速軸上的力矩。 參考文獻[2]圖33-1查電動機兩端伸出軸為圓柱形, ；參考文獻[2]表21-15查減速器高速軸端為圓柱形，。故從[2]表17-5中選一個齒輪聯(lián)接器：聯(lián)軸器，其最大允許扭矩 ;飛輪矩重量。 第5章 主梁和端梁的設計與計算 5.1主梁的結構設計 5.1.1主梁結構 1-小車軌道 2-主梁上翼緣板 3-角鋼 4-隔板 5-下翼緣板 圖5.1主梁的結構型式 主梁主要是由一定數(shù)量的薄板通過較高的焊接工藝將一塊快薄板焊接起來的箱型梁，這種主梁是由翼板與腹板焊接而成的，在結構上比桁架式的梁穩(wěn)定性更高，還能夠減少更多的材料。主梁的翼緣板和腹板的焊接主要是幾塊相錯開來焊接，不能在同一個位置既焊接翼緣板又焊接腹板，錯開能夠增加主梁的抗彎剛度。 在各種載荷作用下，梁的彎矩沿著梁長總是變化的。簡支梁跨中彎矩最大，沿著梁向支撐方向逐漸減小。變截面梁常用改變梁的高度或改變翼緣截面的方法來實現(xiàn)。如圖5.1所示，改變梁高是將梁做成中間為等截面的而向兩端逐漸減小的折線形，梁端的高度根據支撐處的連接決定。所以本設計采用變截面的箱型梁。 5.1.2主梁的尺寸以及截面結構 （一）主梁的尺寸 主梁跨度 大車輪距取 暫取 主梁中間高度 暫取 主梁兩端高度 則 端部變截長度 取 主端梁翼緣板厚度，通常上下翼緣板厚度相等，起重量大時，上翼緣板承受壓應力大，板厚較大，這是根據強度決定；腹板厚度依起重量而定： 腹板取 根據計算尺寸參考文獻[2]表26-14，根據起重量和跨度以及計算所得尺寸選取截面尺寸為 =的截面尺寸。 （二）截面結構 起重機的主梁截面是箱型梁，在工作時受到的載荷由起重量和起重機構的重量所決定，因為是在室內的起重機，所以不受風載荷的影響。但為了使其工作時能夠承受高強載荷，提高薄板的臨界應力，因此在腹板和翼緣板之間設置加勁板與角鋼來增強整機在橫向和縱向抗彎強度。如圖5.2 1- 角鋼 2-軌道 3-上翼緣板 4-加強筋 5-隔板 6-腹板 7-下翼緣板 圖5.2主梁截面結構 因此該起重機主梁和端梁總體結構形式為翼緣板、腹板作為其基本骨架，角鋼與加勁板在其內部起加強抗彎和支撐作用，各部分通過焊接形式拼接而成。在梁中點附近不同距離處通過改變梁截面的尺寸來增強不同點的抗彎和傾覆強度。 5.2主梁計算與校核 5.2.1主梁垂直最大彎矩 （1） 參考文獻[5]圖7-11曲線得半個橋架（不包括端梁）的自重 = 40000 N 則主梁由于橋架自重引起的均布載荷 = = = 24.24 由于大車運行機構采用分別驅動，主梁所受的全部均布載荷就是橋架自重引起的均布載荷 參考文獻[5]表7-3 得由于大車運行機構采用分別驅動時一套機構重量 ，重心作用位置 主梁的總計算均布載荷 q = =1.1×24.24 = 26.67 = 1.1 ----沖擊系數(shù) 作用在一根主梁上的小車的兩個輪壓值可根據 [5] 表7-4 選取 = 21000 N = 18000 N = 2150 mm 考慮動力系數(shù)的影響（由 [5] 圖2-2曲線查得 = 1.15 ）小車車輪的計算輪壓為 = = 1.15×21000 = 24150 N = =1.15×18000 = 20700 N 則主梁垂直受載荷圖如圖5.2 圖5.3 主梁垂直受載荷圖 根據主梁垂直載荷圖分別算出主梁左右兩端的約束力為： 其剪力圖為 圖5.4主梁剪力圖 其彎矩圖為 圖5.5 主梁彎矩圖 由 [5] 公式 （7-14）計算主梁垂直最大彎矩 = （5.1） 因為本設計不設有操作室，故操作室的重量 = 0 N其重心距支點的距離為 = 0 cm 計算 = =26.14× 5.2.2主梁的水平最大彎矩 由 [5] 公式7-18 計算主梁最大水平彎矩 = 0.8 （5.2） 式中 g----重力加速度，g = 9.81 ---大車起動、制動加速度平均值 s 則 ----不計沖擊系數(shù)和動載系數(shù)時主梁垂直最大彎矩，由下式計算得 = = = 23.12× 因此得主梁水平最大彎矩為 =（3.45～5.76）× 取 5.2.3主梁的強度驗算 主梁中間截面的最大彎曲應力， 根據 [5] 公式7-19 得 （5.3） 式中 ----主梁中間截面對水平重心軸線x-x 的抗彎截面模數(shù)近似值 =12366.67 ---- 主梁中間截面對垂直重心軸線 y-y 的抗彎截面模數(shù)近似值 = = 8425 因此可得 由 [5] 表2-19查得Q235 鋼的許用應力 = 故 主梁支承截面的最大剪應力根據 [5] 公式7-20 計算 （5.4） 式中 ----主梁支承截面所受的最大剪力，由 [5] 公式7-15 計算 = ----主梁支承截面對水平重心軸線x-x的慣性矩，其近似值 ---- 主梁支承截面半面積矩對水平重心軸線x-x 的靜矩 因此可知 查得鋼的許用應力為 所以 ，由上面的計算可知強度足夠。 5.2.4主梁的垂直剛度驗算 主梁在滿載小車輪壓作用下，在跨中所產生的最大垂直撓度按照 [ 5] 公式7-23 計算 （5.5） 式中 因此得 允許的撓度值由 [5] 公式7-22 計算得 因此 5.2.5主梁的水平剛度驗算 主梁在大車運行機構起動、制動慣性載荷作用下，產生的水平最大撓度可按 [5] 公式7-25 計算（略去第三項，簡化為簡支梁） （5.6） 式中 ----作用在主梁上的集中慣性載荷 -----作用在主梁上的均布慣性載荷 由此可得 水平撓度許用值 所以 起重機工作無特殊性要求時，可以不必進行主梁的動剛度驗算。 5.2.6主梁局部穩(wěn)定性計算 由薄鋼板制成的工字梁和箱型梁，在載荷作用下梁的腹板和翼緣板受有正應力和切應力作用，有的還受有局部壓應力作用。這些應力除產生強度問題外，還會讓板發(fā)生波浪式翹曲，使板喪失穩(wěn)定。 如果要提高薄板的臨界應力，可以增加板厚或者使用加強筋。多數(shù)情況下是采用增加加強筋[6]。 （一）梁的翼緣板極限寬厚比和加強筋的設置 箱型梁在兩腹板間的受壓翼緣板?。? （5.7） 式中 ——兩腹板間距： ——腹板板厚： ——鋼材的屈服點： 則 所以箱型梁梁腹板間的翼緣寬厚比不符合要求，這時應在受壓翼緣板內側等間距設置一條或多條縱向加強筋，被加強筋分隔開的翼緣區(qū)格寬厚比仍需滿足上述要求，為翼緣板被加強筋分隔的區(qū)個數(shù)。 則，當設置一條角鋼加強筋時即時， 符合加強筋設置的要求。如圖5.3 圖5.6 受壓翼緣板的加強方法 （二）梁腹板的極限寬厚比和加強筋的設置 1）當 （5.8） 不需設置任何加強筋，不需要驗算腹板穩(wěn)定性。 式中 ——腹板寬度：即 ——腹板厚度：即。下同 2）當 需設置橫向加強筋，其間距不得小于，且不大于。為制造方便和安全，橫向加強筋常取等間距布置，其間距取，且不大于2m。 當 需設置橫向加強筋，且取間距為。如圖5.4 圖5.7 腹板的加強方法 加勁板采用橫向加勁板，且用剛性加勁板時，查參考文獻[6]，加勁板的歐拉應力，按如下公式計算: （5.9） 式中 ——板的厚度，?。? ——板寬，??； ——鋼材的彈性模量，； ——泊松比，鋼材。 也就是加勁板的臨界應力，因此，局部穩(wěn)定性滿足。 5.3端梁的結構計算 5.3.1端梁結構 橋架端梁多采用鋼板焊接箱型結構，并在水平面內與主梁剛性連接。主梁主要分為拼接式端梁和整體式端梁，由于起重量是5t所以采用整體式端梁。如圖5.5 1-端梁上翼緣板 2-隔板 3-端梁下翼緣板 4-車輪組 圖5.8端梁結構 考慮到本次設計的起重量以及端梁的尺寸大小，所以端梁部分只加隔板增強局部的受載荷情況。 5.3.2端梁的尺寸以及截面結構 （一）端梁的尺寸 由式（5.1）知大車的輪距 參考文獻[2]表19-4選用車輪組規(guī)格為，則根據車輪組的安裝要求選用端梁寬，端梁長，根據主梁變截面要求端梁高 （二）端梁截面 端梁截面型式同樣是采用上下翼緣板和腹板經過焊接所形成的型式，在端梁中間部分增加隔板增強局部的受載荷能力。參考同類產品，得端梁的上下翼緣板和腹板板厚。則端梁的截面如圖5.6. 圖5.9端梁截面結構 5.4端梁的計算 5.4.1計算載荷的確定 設主梁對端梁的作用力為，則端梁的最大支反力由 [5] 公式7-30 計算。 （5.10） 式中 K---- 大車輪距 ---- 小車輪距 ---- 傳動側車輪軸線至主梁中心線的距離 取 因此得 5.4.2端梁的垂直最大彎矩 端梁在主梁支反力作用下產生的垂直最大彎矩由 [5] 公式 7-29計算 式中 ---- 導電側車輪軸線至主梁中心線的距離，取 5.4.3端梁水平最大彎矩 端梁因車輪在側向載荷作用下而產生的最大水平彎矩由 [5] 公式7-31 計算 （5.12） 式中 S----車輪側向載荷，由[5] 公式2-6 計算 ---- 側壓系數(shù)，由 [5] 圖2-3 查得 P---- 車輪輪壓，由端梁的支反力 因此 端梁因小車在起動、制動慣性載荷作用下而產生的最大水平彎矩由[5] 公式7-32計算 （5.13） 式中 ---- 小車慣性載荷，由[5] 公式7-8 計算 因此 比較和的大小，應選擇其中較大者（）進行強度計算 5.4.4端梁的強度驗算 端梁中間截面對水平重心線x-x 的截面模數(shù) 端梁中間截面對水平重心線x-x 的慣性矩 端梁中間截面對水平重心線y-y的截面模數(shù) 端梁中間截面對水平重心線x-x 的半面積矩 端梁中間截面的最大彎曲應力由[5] 公式7-34 計算 端梁中間截面的剪應力 端梁支承截面對水平重心線x-x的慣性矩、截面模數(shù)及面積矩計算如下：首先計算水平重心線的位置 水平重心線距上蓋板中線的距離 = 8.9 cm 水平重心線距腹板中線的距離 水平重心線距下蓋板中線的距離 端梁支承截面對水平重心線xx的慣性矩 端梁支承截面對水平重心線x-x的最小截面模數(shù) 端梁支承截面水平重心線x-x下部半面積矩 端梁支承截面附近的彎矩 式中d 為圖（5）中的H 尺寸 端梁支承截面的彎曲應力由 [5] 公式7-36 計算 端梁支承截面的剪應力由[5]公式7-37計算 端梁支承截面的合成應力由[5]公式7-38 計算 端梁材料的許用應力 強度驗算結果，所有計算應力都在材料的允許范圍內，故端梁強度滿足要求。 5.5小車反滾輪軌道和懸臂支撐座計算 對垂直反滾輪式小車，主梁一側設置懸臂支座來支撐反滾輪的軌道，支座設置在主梁的橫隔板處梁內有短隔板相對應，支座間距即為隔板間距a。反滾輪軌道采用工字鋼制成。 圖5.10 主梁截面尺寸 當反滾輪位于軌道支撐中間位置時，軌道中間截面的彎矩為 （5.14） 式中 ——反滾輪計算輪壓 ——軌道支撐間距 （5.15） ——由載荷和小車自重引起的對垂直軌道中心線的力矩（公斤?米）； ——垂直軌道至反滾輪軌道中心線之間距離； 由圖知 軌道中間截面的彎曲強度為 （5.16） 式中 ——軌道的截面模量 ——軌道的許用應力 當工字鋼型號為14時， 因為，所以，軌道許用應力符合。 懸臂支座承受很大的彎矩和剪力及變載荷，驗算支座根部截面。 支座正應力為 （5.17） 式中 ——有效翼緣板和支座的截面模量； ——垂直反滾輪軌道與副腹板的距離； ——焊縫疲勞的許用正應力。 參考文獻[2]表25-3知，所以，支座設計符合要求。 支座焊縫強度為 （5.18） 式中 ——焊縫的計算高度 ——角焊縫的有效長度 ——焊縫的許用疲勞應力 取，， 則，，支座的焊縫符合要求。 跨中的支座根部的翼緣板處的這算應力為 （5.19） 式中 ——分別為主梁和懸臂支座在連接處的翼緣板中算得的正應力。 ， 所以，小車反滾輪軌道和懸臂支座的設計符合強度要求。 5.6主端梁的連接方式 主梁與端梁的連接方式有兩種：一種為主梁與端梁焊接，橋架安裝接頭設置子啊端梁上，所以端梁要做成兩段（或三段），現(xiàn)場進行拼接；另一種主梁與端梁的連接方式，采用螺栓連接。如圖5.8所示 圖5.11 主端梁的連接型式 綜合考慮后，本次設計的端梁與主梁的連接方式采用焊接的連接方式，如圖5.9所示 1-主梁上翼緣板 2-端梁上翼緣板 3-端梁腹板 4-端梁下翼緣板 5-主梁下翼緣板6-主梁腹板 7加強筋 圖5.12主梁與端梁連接方式 如圖，主梁端梁采用焊接方式，主梁的上下翼緣板和端梁的上下翼緣板通過開坡口的角焊縫連接，主端梁的腹板通過7-加強筋連接，根據腹板的寬，設立四塊加強筋，使主梁和端梁的水平彎矩以及垂直剪力得到很好的傳遞。 第6章 大車運行機構 6.1大車運行機構的組成和特性 運行機構主要用作水平運移物品以及調整起重機的工作位置。通用橋式起重機和龍門式起重機運行機構的用途往往屬于前者，而門座式起重機和裝卸橋的運行機構往往是屬于后者。 一般的運行機構由電動機、傳動裝置、制動器和車輪組組成。參考文獻[2]表9-1選取運行速度為 6.2驅動方案的選擇 （一）分別驅動 由一個電動機通過傳動軸帶動兩邊車輪。分別驅動方式對橋架水平剛性要求不高，但對走臺剛性要求較高，因為其上要布置傳動部件。低速軸驅動工作可靠，但自重較大。高速軸驅動傳動軸雖輕，但對安裝要求高。中速軸驅動機構復雜，分組性差。如圖6.1所示 1-低速軸集中驅動 2-高速軸集中驅動 3-中速軸集中驅動 圖6.1集中驅動布置圖 （二）分別驅動 由兩套獨立的無機械聯(lián)系的運行機構組成，省去了中間傳動軸，自重輕、部件的分組性好，安裝和維修方便。與集中驅動相比，分別驅動起重機運行較穩(wěn)定。如圖6.2 圖6.2分別驅動布置圖 結合搜索的資料以及對端梁的設計，并且主梁的跨度達到16.5米，所以采用分別驅動的方式，作為大車的驅動方式。并且在設計過程中，查閱到資料可以使用三合一減速電機，這樣不但減小了安裝空間，并且還可以省去電機與減速器之間連接的聯(lián)軸器，而且電機是自帶制動器的，所以采用三合一減速電機作為大車運行的動力。如圖6.3 1-車輪組 2-聯(lián)軸器 3-減速電機 4-端梁 5-安裝支撐座 圖6.3大車運行結構傳動方式 如圖6.3所示，減速電機通過從端梁腹板引出的5-安裝支撐座安裝在端梁上，使減速電機輸出軸的中心線和車輪組的中心線重合，通過2-聯(lián)軸器傳遞動力到車輪組。 6.3選擇車輪與軌道，并驗算其強度 圖6.4 重量分布 按照圖6.4的重量分布，計算大車車輪的最大輪壓和最小輪壓 滿載時最大輪壓 空載時最小輪壓 車輪踏面疲勞強度計算載荷 車輪材料：采用ZG50MnMo(調質) 由[5]附表18選取車輪直徑 ，由[1] 查得軌道型號P38(鐵路軌道)或QU70(起重機專用軌道) 按車輪直徑與軌道為點接觸或線接觸兩種情況來驗算車輪的接觸強度 點接觸局部擠壓強度驗算 （6.1） 式中 ---- 許用點接觸應力常數(shù) （），由[1]表5-2取 R---- 曲率半徑，由車輪和軌道兩者的曲率半徑中取較大者，取QU70的軌道曲率半徑R= 400mm m---- 由軌頂和車輪的曲率半徑之比（）所確定的系數(shù),由[1] 表5-5查得 m= 0.46 ---- 轉速系數(shù)，由[1]表5-3查得，車輪轉速時， ---- 工作系數(shù)，由[1]表5-4查得級別時， 故 故驗算通過 線接觸局部擠壓強度驗算 （6.2） 式中 ----許用線接觸應力常數(shù)（）由[1]表5-2查得 ---- 車輪與軌道的有效接觸長度，P38軌道的，而QU70軌道的，按后者計算 ---- 車輪直徑（mm） ---- 同上 則 故驗算通過 6.3選擇減速電機 初選大車運行速度，參考文獻[2]表圖3-1得起重機自重 根據式（4.3）且 代入式（4.3）得 根據式（4.6）算的電機靜功率 參考文獻[3]知選用機座號為YCJ132，電機型號為90SF2-4，的減速電機，功率為1.1kw，輸出轉速為，輸出扭矩為141。則大車的實際運行速度 6.4選擇聯(lián)軸器 1> 機構高速軸上的計算扭矩 式中----聯(lián)軸器的等效力矩 ----等效系數(shù)，見[5]表2-7取 參考文獻[3]附表31查得減速電動機，軸端為圓柱形，參考文獻[2]附表19-4查得車輪組軸端為圓形，故參考文獻[2]表17-5得選用聯(lián)軸器型號為CL3，，，重量G = 20kg 。 6.5 緩沖器的選擇 緩沖器主要用于吸收運行中的碰撞的動能，以減少對運行機構的沖擊。其類型主要有：橡膠緩沖器，彈簧緩沖器和液壓緩沖器。 （一）碰撞瞬時小車（或起重機）的動能 （6.3） 式中 ——帶載小車（或起重機）的重量（kg） 載荷撓性懸掛時： 載荷剛性懸掛時： ——小車（或起重機）自重（kg） ——起升載荷重量（kg） ——碰撞時的速度（米/分） 對通用橋式類型起重機，可取 對高速運行的裝卸橋小車或全部是驅動輪的起重機，可?。ā~定運行速度） ——重力加速度， 則當剛性懸掛時 （二）緩沖行程內由運行阻力和制動力消耗的功 （6.4） 式中 ——運行阻力，其最小值為 ——制動器的制動力矩換算到車輪踏面上的力，亦可按最大制動減速度計算 （6.5） S——緩沖行程（米） （三） 緩沖容量 一個緩沖器要吸收的能量即緩沖器應具有的緩沖容量為 （6.6） 式中 ——緩沖器個數(shù)。 則根據上面公示計算 參考文獻[4]表8.1-124選取橡膠緩沖器型號為，緩沖容量， 緩沖力,重量。 第7章 主要部件的校核 7.1焊縫的連接計算 參考文獻閱[2]表25-3根據第Ⅱ載荷情況時，當采用角焊縫焊接方法時，并且結構鋼材為Q235時，采用自動焊、半自動焊和用T42X型焊條的手工焊時的許用應力 箱形橋架結構的主梁和端梁都是由鋼板構件焊接的組合箱形梁，除構件的拼接用對接焊縫外，構件之間連接焊縫大多數(shù)是貼角焊縫。下面分別列出一些重要焊縫的強度計算公式，以便設計時加以校核。 7.1.1端梁車輪支承處的翼緣焊縫 上蓋板與腹板連接的翼緣焊縫的剪切應力： （7.1） 下蓋板與腹板連接的翼緣焊縫的剪切應力為： （7.2） 式中 —端梁車輪支承截面對水平重心軸線x-x的慣性矩； —上蓋板面積對截面水平重心軸線x-x的靜矩，； —下蓋板面積對截面水平重心軸線x-x的靜矩，； —分別為上下翼緣焊縫的數(shù)目； —焊縫的厚度； []—焊縫的許用應力。 7.1.2 主梁和端梁的連接焊縫 主梁和端梁較常用的連接方式圖7.2所示，這時主梁與端梁腹板接連焊縫的剪切應力應滿足： （7.3） 式中 —主梁在垂直載荷作用下的最大支反力； —連接焊縫的數(shù)目 h0—連接處計算高度，h0=0.95h，h為腹板高度。 7.1.3 主梁蓋板焊縫的剪切應力 主梁在支承處所受剪力所達到最大值（即等于主梁的最大支反力）時，由于施工工藝條件的限制，上下蓋板與腹板都是用單面貼面焊縫進行焊接，因此連接焊縫的剪切應力應滿足： （7.4） 式中 Ix0—主梁在端梁支承處截面對水平重心軸線x-x慣性矩； S —主梁上蓋板面積對截面水平重心軸線x-x的靜矩； —焊縫的焊肉高度，取 。 7.2主要焊縫的校核驗算 7.2.1端梁端部上翼緣焊縫 端梁支撐截面上蓋板對水平重心線的截面積矩： 端梁上蓋板翼緣焊縫的剪應力，由公式7.1得： 式中 ——上蓋板翼緣焊縫數(shù)； ——焊肉高度，取。 7.2.2端梁端部下翼緣焊縫 端梁支撐截面下蓋板對水平重心線的截面積矩： 端梁下蓋板翼緣焊縫的剪應力，由公式7.2計算得： 式中 ——下蓋板翼緣焊縫數(shù)； 7.2.3主梁與端梁的連接焊縫 主梁與端梁腹板的連接焊縫的剪應力由公式7.3計算得： 式中 ——連接焊縫的計算高度； ——腹板高度。 7.2.4主梁上蓋板焊縫 主梁在支撐處最大剪應力作用下，上蓋板焊縫的剪應力由公式7.4計算得： 式中 ——主梁在支撐處對水平重心線的慣性矩； ——主梁上蓋板對截面水平中心線的面積矩： 因此，計算得 焊縫的許用應力由（1）第三章查得，因此各焊縫的計算應力滿足要求。 結 論 這次任務是單梁橋式起重機金屬結構及運行機構的設計，需要用到一系列大學所學的專業(yè)知識，如材料力學、機械設計、互換性以及CAD繪圖軟件等。本次設計的小車行走機構，采用的是垂直反滾輪式小車架，與現(xiàn)在市場上的電動葫蘆作為小車和起升機構有所不同。小車架主要是由鋼板焊接而成，所以整個小車架的鋼板結構非常的多。正式如此，使我對鋼結構有了進一步的了解。小車和大車運行機構的動力裝置都是采用的三合一減速電機，選用減速電機是為了更好的節(jié)省橋架的重量以及空間，采用三合一電機，可以節(jié)省掉安裝減速器和制動器以及聯(lián)軸器的空間，這樣使得整個橋架更加的緊湊。大車運行機構采用分別驅動，能夠使整個橋架運行時更加的平穩(wěn)，同時也減少了對主梁產生的載荷。 本次設計還有較多的不足，比如小車運行機構中起升機構的安裝和減速電機的安裝，以及整個小車架鋼結構的設計都不夠理想，小車架主梁與端梁沒有進行有限元分析。限于水平有限，有些設計仍需最優(yōu)化設計。 46 參考文獻 [1] 張質文等主編,起重機設計手冊.北京:中國鐵道出版社，1998. 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