V某雙梁箱形門式起重機的金屬結(jié)構(gòu)設計案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u8087某雙梁箱形門式起重機的金屬結(jié)構(gòu)設計案例分析 1137121設計初始參數(shù) 283902支腿的初步總體形式確定 310743金屬結(jié)構(gòu)的總體設計 395853.1主梁設計 4284433.1.1主梁的截面尺寸與高度設計計算 466823.1.2主梁自重 642473.2支腿 6226284載荷的計算 625884.1自重載荷 6309224.1.1主梁自重 69424.1.2剛性支腿 6304394.1.3下橫梁 7223974.1.4上橫梁 7258934.1.5附加自重 8213424.2起升載荷 848194.3水平慣性力 917974.4偏斜側(cè)向力 9245574.5風載荷 1033784.5.1平行小車軌道方向的風載荷 1151444.5.2垂直小車軌道方向的風載荷 12284675內(nèi)力計算 12314025.1門架平面的計算內(nèi)力 12320935.2端部 14214235.3跨中位置 1431815.4對圖示的受力分析 15272045.5下橫梁 15181716承載能力校核 17252966.1強度驗算 17315786.1.1主梁靜強度 17101936.1.2主梁的疲勞強度 18208896.1.3支腿強度 19210926.1.4下橫梁靜強度 19293246.2剛度計算 2050366.2.1主梁跨中垂直靜剛度 20122806.2.2主梁有效懸臂處境撓度 2037736.2.3主梁在門架平面的縱向水平位移 20326107金屬結(jié)構(gòu)的連接形式 21201677.1主梁的拼接 21256147.1.1拼接接頭的設計 2190937.2主梁與支腿的法蘭連接 2226047.2.1連接螺栓的強度驗算 22159387.2.2支腿與下橫梁螺栓連接 2392948整體抗傾覆穩(wěn)定性校核 24317328.1抗傾覆穩(wěn)定性校核條件 24260018.2門機抗傾覆穩(wěn)定性計算 251設計初始參數(shù)門式起重機的橋梁部分是由箱形主梁和兩根上橫梁組成的梁橋，其可以通過在橋梁上行駛的起重小車吊起并水平運輸各種貨物和物料。箱形雙梁結(jié)構(gòu)具有加工零件少、加工成本低、工藝性好、通用性強等優(yōu)點。此外，該機構(gòu)的安裝和檢修也非常方便。其主要組成部分包括小車（小車包括主、副升降機構(gòu)和小車運行機構(gòu)等)、橋梁(主梁)、大車行駛與運行機構(gòu)和所需的電氣設備、駕駛室、月臺扶手和梯子平臺等組件。雙梁箱形門式起重機其中的橋架部分一個由箱形主梁和兩根橫向端梁構(gòu)成的雙梁橋架，根據(jù)經(jīng)驗與起升載荷、需要的使用壽命等可初步確定本次設計的雙梁箱形門式起重機整機工作級別為A6。在材料和組件方面，參照文獻確定適合的材料參數(shù)，參考較為相近的文獻或論文以選取較為適合的組件參數(shù)[7]。鋼材彈性模量：2.06×鋼材剪切模量：7.496×泊松比：0.3鋼材比重：7850鋼材線膨脹系數(shù)：1.2×重力加速度：9.8車輪與軌道之間粘著系數(shù)：0.14鋼絲的平均彈性模量：1.0×小車輪數(shù)：4支腿結(jié)構(gòu)形式:兩剛性支腿下橫梁結(jié)構(gòu)形式：拆線式有臺車上橫梁結(jié)構(gòu)形式：梯形截面大車集電總重：608kg檢修平臺總重：4000kg走臺欄桿總重：4000kg梯子平臺：1304kg司機操縱室總重：2046kg2支腿的初步總體形式確定箱形門式起重機不同于其他起重機或橋式起重機的最大特點在于其支腿，本節(jié)內(nèi)容主要只為了初步確定支腿的形式，從而降低設計難度并較為順利的進行金屬結(jié)構(gòu)和其余部分的設計。門式起重機根據(jù)其支腿的配置可分為單腿、雙腿、高低支腿三種支腿結(jié)構(gòu)。半門式起重機為單支腿結(jié)構(gòu)，在無支腿一側(cè)的大型車輛運行機構(gòu)常被鋪設在倉庫或工廠等起重機專用軌道或者特設高架軌道上用以運行。高低支腿結(jié)構(gòu)的起重機的設計用以滿足地形要求。本設計配置可以確定為雙支腿配置情況。門式起重機根據(jù)其支腿的性質(zhì)可分為剛性支腿和柔性支腿兩種?？臻g剛性支腿具有較良好的空間剛度，不僅能承受支腿平面內(nèi)的水平載荷，還能承受門架平面內(nèi)的水平載荷;然則，柔性支腿卻因其在支腿平面具有較差剛性只能承載支腿平面內(nèi)的水平載荷。為了防止由溫度變化引起的卡軌現(xiàn)象，大跨度的門式起重機則采用了一個剛度支腿和一個柔性支腿結(jié)構(gòu)。另一方面，由手冊可得，如果跨度小于22m，則可以采用雙剛性支腿結(jié)構(gòu)。根據(jù)支腿類型門式起重機可分為L形、O形、U形、C形等箱形支腿，還有有小車通道和無小車通道的實腹閉式支腿和箱形閉式支腿等。單主梁門式起重機一般采用L形和C形支腿，而雙梁門式起重機常采用O形和U形支腿。通過查閱《起重機設計手冊》支腿決定初步采用u型支腿結(jié)構(gòu)，初步確定為雙梁偏軌箱形門式起重機u型支腿結(jié)構(gòu)[7][9]。3金屬結(jié)構(gòu)的總體設計門式起重機的金屬結(jié)構(gòu)是支撐起整個起重機結(jié)構(gòu)的主體，所選取的主梁端梁支腿金屬結(jié)構(gòu)要有足夠的強度和硬度，在進行設計之后要進行有效的強度和剛度校核。箱形門式起重機金屬結(jié)構(gòu)主要是由上部主梁、上橫梁、馬鞍結(jié)構(gòu)（或無馬鞍結(jié)構(gòu)）、支腿、下橫梁以及走臺欄桿、司機室等其余必需組件組成。[7]然而根據(jù)門架的結(jié)構(gòu)特點，又可以分為有無懸臂梁結(jié)構(gòu)及懸臂數(shù)目，其金屬結(jié)構(gòu)分為無懸臂式、雙懸臂式和單懸臂式等[7]。本設計設計目標為箱形門式起重機中的雙梁u型支腿型結(jié)構(gòu)門式起重機。由主梁、兩根剛性支腿、兩根上橫梁與兩根下橫梁構(gòu)成[10]。總體設計中包括主梁、支腿以及兩根橫向端梁的總體設計。根據(jù)以往的設計經(jīng)驗和給出的設計參數(shù)進行總體設計。根據(jù)起重量來選用主梁尺寸，再進行主梁截面幾何性質(zhì)的計算。由于跨度為22m，選用兩剛性支腿，并且選取支腿尺寸。通過上下橫梁與主梁的連接，確定上下橫梁的尺寸。3.1主梁設計主梁結(jié)構(gòu)采用箱形雙主梁結(jié)構(gòu)形式，其箱形橋架結(jié)構(gòu)見簡圖圖2.3.1主梁結(jié)構(gòu)形式主要設計參數(shù)如下：起重量：主鉤Q主=100t，副鉤Q副=22t跨度：22m起升高度：12.5m工作級別：A63.1.1主梁的截面尺寸與高度設計計算取H主梁兩腹板外側(cè)間距：取b取翼緣板厚：δ1=24mm考慮到橋架和其設備的布置情況，取主梁上蓋板有軌一側(cè)外伸：s1=50mm,無軌一側(cè)外伸尺寸大概為有軌一側(cè)外伸長度加上（50~120）mm：s截面尺寸如圖所示：圖2.3.2主梁的截面尺寸在自重作用下，懸臂的合理長度約為l=0.35L在移動載荷p作用下，懸臂的合理長度約為l=0.25L綜上所述，懸臂長度可取為l=（0.25~0.35）L懸臂有效長度：7.5m綜上所述，理論上懸臂長度可以取l=9m主梁全長：LA=2500×10+18形心計算：yy2x1x2慣性矩計算： I=abIxIy3.1.2主梁自重mG∴3.2支腿支腿各部分尺寸如圖示：由于跨度小于30m，所選用兩個剛性支腿。在支腿平面內(nèi)：支腿上端寬度?。篵1=1~1.2b1取b1=2800mm，取支腿高度為10800mm，梯形部分高度為3100mm。4載荷的計算4.1自重載荷4.1.1主梁自重主梁：G=4.63×104.1.2剛性支腿AA∴A=G上端面形心：由于對稱性：y1慣性矩：IxIy下端面形心：由于對稱性：x1慣性矩：IxIy4.1.3下橫梁A=600×12+1200×10L暫定折算為9m。G下截面形心：由于對稱性可得：x1慣性矩：Ix4.1.4上橫梁A=556×18+800×10L=8.320m，G上4.1.5附加自重由經(jīng)驗和翻閱大量文獻可確定：1大車集電：390kg2司機室：2046kg3梯子平臺：1304kg4主梁上集電電氣：1260kg5檢修平臺：608kg6走行臺車：10476kg7走臺欄桿：4200kg4.2起升載荷查閱《起重機設計手冊》，起升載荷是指吊運物品質(zhì)量的重力。起升質(zhì)量包括允許或規(guī)定起升的最大物品、取物裝置自帶質(zhì)量（滑輪組、吊鉤、吊梁等）、以及懸掛撓性件和其他隨同升降的設備質(zhì)量[7]。在計算過程中，起升高度小于50m時，起升鋼絲繩的質(zhì)量在起升載荷中可以忽略掉[7]，所以以下為起升載荷動載系數(shù)的計算與表述過程。由參考文獻可得：門式起重機的起升載荷常以小車輪壓的形式作用于主梁或主桁架上。[10]物品突然離地起升或下降制動時，對承載結(jié)構(gòu)和傳動機構(gòu)將產(chǎn)生附加的動載作用。因為起升速度vq=0.045ms且起升狀態(tài)級別由經(jīng)驗與參考文獻確定為當vq?2?2minvq?4vyh:軌道接頭處兩軌面高度差。小車自重此處暫不知，故由經(jīng)驗確定：輪距為2500mm，輪壓分別為360KN與335KN。4.3水平慣性力通常為了減少慣性力的大小，將起動與制動時間的大小控制在5秒到8秒范圍之內(nèi)，而慣性力可以按照主動輪與軌道之間的黏著力計算[7]。 PH=μ在式中：μ：車輪與軌道間滑動摩擦系數(shù)的平均值，μ=1PxPQPGxn：小車車輪總數(shù)，n0滿載時：PH空載時：PH4.4偏斜側(cè)向力門式起重機的運行機構(gòu)帶動整機在各種地面上的軌道上面傾斜度運行時，車輪的邊緣在和軌道的接觸面接觸就會產(chǎn)生水平的側(cè)向力。偏斜側(cè)向力的方向與起重機的運行方向垂直，而通常此偏斜側(cè)向力的作用點在兩側(cè)支腿架中一側(cè)支腿架的底部。特殊情況在于當門式起重機底部帶有柔性支腿時，那么這個力就一定會作用于剛性支腿的下面[7]。因本設計為雙剛性支腿設計，所以暫不討論帶有柔性支腿的情況。而對主梁應考慮小車兩種工況來計算：一種是位于跨中，另一種是位于懸臂端，對兩種工況分別計算出支腿下橫梁的靜輪壓之和： PRc=隨后按下式計算側(cè)向力：P在該式子中：Psi：計算的側(cè)向力，Psc：小車位于跨中時；PRi:最不利的靜輪壓之和，PRcλ:側(cè)向力系數(shù)，λ=0.16小車在跨中時：P式中：GPMz小車質(zhì)量+吊具質(zhì)量小車在懸臂端時：P∴4.5風載荷由于在戶外工作的起重機承受風載荷作用，按照起重機在風力作用下是否能正常工作，把風載荷Pw分為工作狀態(tài)風載荷Pwi和非工作狀態(tài)風載荷Pwo風載荷由風壓和受風物體的迎風尺寸所決定，風壓是風載荷基本量，而風壓的計算可以通過風速和空氣密度得到[10]。查閱文獻，起重機或者起重機吊運的貨物所受到的風載荷可以統(tǒng)一按下式計算： Pw=CPw:起重機或物品的風載荷C:風力系數(shù)，由參考文獻可得C=1.95Kh:風壓高度變化系數(shù)，在工作狀態(tài)下取β1:風振系數(shù),對于常用起重機取PiA：起重機或物品垂直于風向的迎風面積，取決于結(jié)構(gòu)的類型和類型尺寸，因要考慮校核載荷組合情況，一般門式起重機按最不利的迎風方位（即垂直于最大面積）來計算其最大風載荷[10]。由參考文獻與經(jīng)驗可得：工作狀態(tài)參數(shù)：K非工作狀態(tài)參數(shù)：α=0.3，4.5.1平行小車軌道方向的風載荷4.5.1.1主梁與上橫梁迎風面積：A=（8226×1530+1530×1000×2）PPPwiPwo5.5.1.2支腿迎風面積：APP4.5.1.3下橫梁迎風面積：APP4.5.2垂直小車軌道方向的風載荷4.5.2.1主梁A‘P4.5.2.2上橫梁A‘P4.5.2.3支腿A1P4.5.2.4下橫梁A2P5內(nèi)力計算5.1門架平面的計算內(nèi)力圖2.5.1門架平面內(nèi)力計算簡圖G上和q作用時支反力為Gd，Gj所以可得下式： FA'' Gd×10.050+解得：FFBF以上式中：q=1GGGG∴F跨中彎矩：M=?剪力：N=支腿內(nèi)側(cè)主梁：M=N=?q支腿外側(cè)（主梁）;M=1N=5.2端部受力見下圖示：圖2.5.2門架端部局部受力簡圖輪壓：PA-A截面：MN=2P=247508.8N。B-B截面: FA+ 2P×7.5=FB得：FFMN=5.3跨中位置圖2.5.3跨中位置的受力簡圖 FA+ 2P×11=FB得：FM=F5.4對圖示的受力分析圖2.5.4承受外力載荷時的內(nèi)力簡圖R=M求支反力：F∴F∴M5.5下橫梁下橫梁受力如下圖示：圖2.5.5下橫梁受力簡圖F=220000N,qPPGM=qV支腿與下橫梁連接處：M=下橫梁中截面彎矩：MM圖2.5.6下橫梁彎矩計算草圖qPVM6承載能力校核6.1強度驗算6.1.1主梁靜強度主梁的跨中截面：最大彎矩：MMσ=1.15×小車在懸臂端時：支腿內(nèi)側(cè)：MM支腿外側(cè)：MM按支腿內(nèi)側(cè)主梁截面為危險截面：σ=1.15×2125314.2所以合格，強度滿足。Q=2883.2+18507.1+84378=105768.3NA=11.23所以：τ=故強度滿足。6.1.2主梁的疲勞強度主梁的危險截面為跨中部分最近的大隔板截面，危險點在于大隔板下端焊縫的起點。只考慮基本載荷組合，即只考慮垂直載荷影響[10]。τmaxστ由小車（空載）位于懸臂極限位置：σ則：γ=由參考文獻，取σσ式中：στσ因有：σ故疲勞強度滿足。6.1.3支腿強度（1）：支腿上端面：σ=（2）：支腿下端面：σ==可忽略掉剪應力較小的支腿部分。6.1.4下橫梁靜強度下橫梁跨中彎矩：Mσ=∴σ<支腿與下橫梁連接處：Mσ=∴σ<可以忽略較小的剪力和扭矩（軸線與支腿中心線較近）。6.2剛度計算6.2.1主梁跨中垂直靜剛度Y=YY<Y6.2.2主梁有效懸臂處境撓度Y=Y∴Y<Y6.2.3主梁在門架平面的縱向水平位移?=?∴?<?支腿底端位于0.72H處的慣性矩：I=870×K=門架水平慣性位移：?式中：P?主梁跨中的滿載垂直自振頻率：f7金屬結(jié)構(gòu)的連接形式7.1主梁的拼接7.1.1拼接接頭的設計主梁的安裝拼接通常是用螺栓來連接。螺栓連接的要求是在板的兩側(cè)都設置拼接板，一般采用精制或半精制的螺栓來連接，有時候也會采用一些高強度的螺栓來連接。由于拼接是對稱的，所以在大多數(shù)計算內(nèi)容中，只計算一邊的連接即可[11]。另外，翼緣板所需要的計算螺栓數(shù)目的方式是按照它傳遞的內(nèi)力來計算的。翼緣板在拼接處傳遞的內(nèi)力： My=在該式子中：Myx:兩塊翼緣板所受的對x軸的總彎矩，MxIxIyxh=3220mm,梁的全高度，δ0翼緣板拼接中拼接縫單邊所需要的螺栓數(shù)得： n=Ny取其螺栓數(shù)需要30個。式中：Pl一塊板所要承受的彎矩： Mf1式中：腹板的慣性矩：I腹板所受剪力： Ff1式中：δ1主梁常采用窄式拼接hb在接縫一側(cè)占最外一排的螺栓所受的總內(nèi)力： FM=式中：y1：腹板拼接中最靠近外排螺栓的間距，設接縫其中一側(cè)中每一排螺栓的數(shù)目為n1 P1=由于接縫一側(cè)的剪切力是平均分攤到全部螺栓上的，則每個螺栓的內(nèi)力為： PF=式中：m：拼接縫一側(cè)的螺栓總數(shù)。在腹板的拼接中，同時受彎矩和剪力作用時，此時應該分別計算螺栓的每個受力點受力再將其組合。角點上的螺栓的最大合力為：P7.2主梁與支腿的法蘭連接7.2.1連接螺栓的強度驗算在門式起重機中支腿和主梁連接時，構(gòu)造連接時常常采用粗制螺栓和一些精制螺栓相互配合，相互構(gòu)造連接，精制螺栓承剪（有時用擋板承剪則不再使用精致螺栓）及受拉，普通螺栓只受拉力[11]。無論是在有水平扭矩的情況下或者是無水平扭矩的情況下，都是由精制螺栓承受剪切力F。而螺栓最大內(nèi)力如何計算也是與承剪栓接相類似。但是在這種情況下受拉力的對象是所有的螺栓。假設此時法蘭板的強度剛度符合要求且足夠強。在彎矩作用下，法蘭板繞右邊列螺栓線（x軸）旋轉(zhuǎn)，使左邊列螺栓受最大拉力。距x軸最遠的一個螺栓的拉力為： Pl=2M=153203.8NmN=259300.93Ne=425×Pσ=50.3MPa<式中：M，N：連接所受的彎矩和壓力e：壓力受力點到x軸的距離y1yii=1n7.2.1.2各螺栓預緊力不均勻系數(shù)精制螺栓桿此時既受到拉力，也受到剪力，所以應計算并驗證折算應力： σ2+3式中：σ：螺桿的拉應力τ：螺桿的切應力7.2.2支腿與下橫梁螺栓連接7.2.2.1法蘭螺栓連接設計簡圖下圖為剛性支腿法蘭盤連接：圖2.7.1法蘭螺栓連接設計簡圖7.2.2.2連接螺栓的強度驗算支腿與下橫梁螺栓的連接方式與主梁-支腿螺栓連接類似，所以計算方法與各個符號的含義是相同的。距x軸最遠的一個螺栓的拉力為： Pl=2M=10045600.63NmN=228503.92+79626.87=308130.79Ne