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橋式起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第1章 緒言
1.1 起重機(jī)的概述
工程起重機(jī)是各種工程建設(shè)廣泛使用的重要起重設(shè)備，它對(duì)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人力，降低建設(shè)成本，提高施工質(zhì)量，加快建設(shè)速度，實(shí)現(xiàn)工程施工機(jī)械化起著十分重要的作用。起重機(jī)作業(yè)是使物品沿空間的三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。其中作上下移動(dòng)的起升機(jī)構(gòu)是不可缺少的。平面運(yùn)動(dòng)可以用兩種不同的運(yùn)動(dòng)組合來實(shí)現(xiàn)。按照這種組合方式不同，起重機(jī)可分為兩大類型：橋式起重機(jī)和回轉(zhuǎn)類型起重機(jī)。
橋式類型起重機(jī)就依靠起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的組合使所搬運(yùn)的物品在長方形平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)起重機(jī)運(yùn)動(dòng)的是起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng)、安放這些機(jī)構(gòu)并承受載荷，起重機(jī)必須有足夠的強(qiáng)度和剛度的金屬結(jié)構(gòu)，有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的動(dòng)力控制系統(tǒng)；以及，為保證起重機(jī)安全并可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的安全和信號(hào)指示裝置。
起重機(jī)的特點(diǎn)是：短周期的循環(huán)作業(yè)。一個(gè)工作循環(huán)包括：取物，起升并運(yùn)行靠卸貨點(diǎn)，下降，卸料，然后空車返回原地。一個(gè)工作循環(huán)的時(shí)間一般只要幾十秒種到幾分鐘，最長的也不會(huì)超過一、二十分鐘。這一特點(diǎn)對(duì)它的動(dòng)力裝置的選擇及電氣設(shè)備容量的計(jì)算有較大的影響。經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)引起傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷，由于這種載荷是非常平穩(wěn)的，這使得強(qiáng)度和疲勞計(jì)算變得較為復(fù)雜。此外，對(duì)于裝卸散裝物料的起重機(jī)，生產(chǎn)效率是一個(gè)很重要的性能指標(biāo)， 它不僅取決于各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，而且也依賴裝卸物料的輔助時(shí)間的大小。因此對(duì)于速度、加速度值，運(yùn)動(dòng)的重疊程度，取物及卸貨的自動(dòng)化程度的選擇等都應(yīng)仔細(xì)考慮。
雙梁橋式起重機(jī)尤其適合室內(nèi)重物的起升和搬運(yùn)，所以廣泛被工廠所采用。橋架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)好與壞對(duì)起重機(jī)的性價(jià)比（性能與價(jià)格的比）提高有很重要的意義。長期以來，機(jī)械設(shè)計(jì)工作者沿用類比的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)過程可概括為“設(shè)計(jì)—分析—再設(shè)計(jì)”的過程。即首先根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)及要求進(jìn)行調(diào)查研究和收集有關(guān)資料，參照相同或類似任務(wù)現(xiàn)有的、已經(jīng)完成的較為成熟的設(shè)計(jì)方案。憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)輔以必要的分析計(jì)算。確定一個(gè)合適的設(shè)計(jì)方案，并通過估算初步確定有關(guān)參數(shù)，然后對(duì)初定方案進(jìn)行必要的分析及校核計(jì)算；如果某些設(shè)計(jì)要求得不到滿足。則可進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的修改。設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整，并再次的進(jìn)行分析計(jì)算。如此多次反復(fù)，直到獲得滿意的設(shè)計(jì)方案為止。此方法不僅需要花費(fèi)較多的時(shí)間，增加設(shè)計(jì)周期，而且只限于在少數(shù)方案中進(jìn)行分析比較。
隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以線性規(guī)劃與非線性規(guī)劃為主要內(nèi)容的新的數(shù)學(xué)規(guī)劃應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)問題。雙梁橋式起重機(jī)橋架設(shè)計(jì)應(yīng)用該優(yōu)化方法，將迅速得到一對(duì)相對(duì)很合理的截面參數(shù)。這不僅降低了設(shè)計(jì)者的工作強(qiáng)度，而且與提高了設(shè)計(jì)方案的可行性。使得起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，對(duì)減輕起重機(jī)自重，提高起重性能，節(jié)約鋼材，提高起重機(jī)的可靠性都有重要意義。
2.2 起重機(jī)發(fā)展趨勢
對(duì)工程起重機(jī)，特別是大功率的工程起重機(jī)的需要量日以增加。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝在工程起重機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用。所有這些因素都有里地促進(jìn)了工程起重機(jī)的發(fā)展。根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有工程起重機(jī)產(chǎn)品和技術(shù)資料的分析，近年來工程起重機(jī)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）廣泛采用液壓技術(shù)
液壓傳動(dòng)具有體積小、重量輕、機(jī)構(gòu)緊湊、能無級(jí)調(diào)速、操縱簡便、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和工作安全的優(yōu)點(diǎn)。
（2）通用型起重機(jī)以中小型為主，專用起重機(jī)向大型大功率發(fā)展
為了提高建設(shè)工程的裝卸和安裝作業(yè)的機(jī)械化程度，工程起重機(jī)的發(fā)展，仍然是以輕便靈活的中小型起重機(jī)為主。
（3）重視“三化”，逐步過渡采用國際標(biāo)準(zhǔn)
三化是指：標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化
（4）發(fā)展一機(jī)多用產(chǎn)品
為了充分發(fā)揮工程起重機(jī)的作用，擴(kuò)大其使用范圍，有的國家在設(shè)計(jì)起重機(jī)是重視了 產(chǎn)品的多用性。
（5）采用新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝
為了減輕起重機(jī)的自重，提高起重機(jī)的性能，保證起重機(jī)可靠地工作，現(xiàn)在都多采用新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝。
第2章 起重機(jī)總體方案設(shè)計(jì)
2.1 起重機(jī)參數(shù)確定
（1）室內(nèi)工作
（2）額定起重量：Q = 10 噸
（3）起升高度：H = 12 米
（4）起升速度：v升= 8 米/分
（5）小車運(yùn)行速度：v小= 40米/分
（6）大車運(yùn)行速度：v大= 90米/分
選跨度L = 16.5米，機(jī)構(gòu)工作類別 — 中級(jí)（JC = 25%）
2.2 起重機(jī)總體方案
對(duì)于起重量為10噸的橋式起重機(jī)，可以設(shè)計(jì)成電動(dòng)單梁葫蘆式，即橋式起重機(jī)采用單主梁結(jié)構(gòu)，在主梁的下端焊接有工字鋼來作為電動(dòng)葫蘆的運(yùn)行軌道，起吊貨物直接通過電動(dòng)葫蘆完成；還可以采用雙梁小車式方案，即采用雙主梁結(jié)構(gòu)，小車運(yùn)行于安裝在主梁上的軌道上，起吊貨物由小車起升機(jī)構(gòu)來完成。
對(duì)這兩種方案都是可行的，同時(shí)也是現(xiàn)在比較通用的兩個(gè)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過認(rèn)真比較，決定采用雙梁小車式。首先，雖然現(xiàn)在起重量為10噸的電動(dòng)葫蘆已經(jīng)大量生產(chǎn)，但還沒有實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，設(shè)計(jì)資料相對(duì)殘缺和稀少；而運(yùn)行小車式橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)資料相對(duì)多一點(diǎn)，有利于進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。其次，這次設(shè)計(jì)的起重機(jī)選用跨度為16.5米，如果采用單梁電動(dòng)葫蘆式，勢必使主梁結(jié)構(gòu)龐大，由于主梁大都采用箱形焊接結(jié)構(gòu)，尺寸增大就會(huì)增加焊接難度，且增大焊接變形。再次，采用雙梁小車式，設(shè)計(jì)制造安裝方便，設(shè)備維護(hù)和維修簡單。
雙梁橋式起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及大車運(yùn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要采用電力驅(qū)動(dòng)，通過聯(lián)軸器和減速器再把動(dòng)力傳遞到工作機(jī)構(gòu)，對(duì)于這種傳遞系統(tǒng)，由于電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器及減速器均以標(biāo)準(zhǔn)化，因而可以選用標(biāo)準(zhǔn)件而簡化設(shè)計(jì)。
2.3 橋架主體結(jié)構(gòu)方案
（1）主梁采用正軌箱形結(jié)構(gòu)（如圖1 a）
a — 正軌箱形梁；b — 偏軌箱形梁；c — 半偏軌箱形梁
圖1 正軌箱形結(jié)構(gòu)圖
（2）橋架為焊接結(jié)構(gòu)（如圖2）
圖2 箱形梁焊接圖
第3章 起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)載荷情況
作用在起重機(jī)上的外載荷有：起升載荷、自重載荷、動(dòng)載荷和風(fēng)載荷等。
（1）起升載荷
起升載荷就是由起升機(jī)構(gòu)吊起的貨物和取物裝置以及其它隨同升降的裝置重量之總合。對(duì)起升高度很大的鋼絲繩起升機(jī)構(gòu)，起升載荷應(yīng)包括掛著的鋼絲繩重量。
（2）自重載荷
起重機(jī)本身重量包括機(jī)械部分、金屬結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)備等的重量。如果起重機(jī)上裝有運(yùn)輸機(jī)，則應(yīng)考慮運(yùn)輸機(jī)及其上的貨物的重量。自重在設(shè)計(jì)前一般是未知的，可參考同類型參數(shù)接近的起重機(jī)的自重做初步選定。有些手冊上列有各類起重機(jī)依照起重量或載重力矩而定的自重表可供參考。自重的分配根據(jù)結(jié)構(gòu)情況而定。機(jī)械及電氣設(shè)備一般可看作是集中載荷，箱形結(jié)構(gòu)和連續(xù)運(yùn)輸機(jī)上的貨物可看作是連續(xù)分布的。
（3）動(dòng)載荷
動(dòng)載荷是由運(yùn)動(dòng)速度改變而引起的質(zhì)量力，即慣性力。在啟動(dòng)與制動(dòng)期間，剛體做平移運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的質(zhì)量產(chǎn)生加速或減速慣性力。
（4）風(fēng)載荷
由于本設(shè)計(jì)是屬于室內(nèi)工作，故不存在風(fēng)載荷。
3.2 橋架金屬結(jié)構(gòu)計(jì)算
所計(jì)算是起重機(jī)橋架由兩根用鋼板焊接是箱形主梁組成，主梁固定在裝有大車輪的端梁上。此外，裝有大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的輔助橫梁和縱梁也固定在橋架上。橋架上設(shè)有欄桿和走臺(tái)在端梁頭部裝有緩沖器。
橋架跨度L = 16.5米
初定起重機(jī)輪距B = 4.5米
初定小車軌距K小車=2米
初定小車輪距b= 1.6米
橋架為正軌箱形焊接結(jié)構(gòu)。
橋架材料選用Q215鋼（GB700-88）
3.2.1 主梁計(jì)算載荷
假定小車車輪輪壓相等，則起重機(jī)在額定載荷下每一個(gè)車輪到軌道上的移動(dòng)載荷為：
P = K + = 1.2 + = 4200公斤
式中 K動(dòng)— 動(dòng)力系數(shù)，考慮貨物提升或下降時(shí)的慣性力，K動(dòng)= 1.1 ；1.2 ；1.3 — 相應(yīng)于輕級(jí)、中級(jí)和重級(jí)工作類型，本設(shè)計(jì)采用中級(jí)工作類型。
假定大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的重量均勻地作用在一根梁上，則雙梁橋架半邊的重量和運(yùn)行機(jī)構(gòu)自重所產(chǎn)生的均布載荷為：
q = 公斤/米
式中 — 半邊焊接箱形雙梁橋架自重（不包括端梁）， 近似為 = 5000 公斤（如圖3） ；
— 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)重量，近似為 = 2200公斤；
— 考慮起重機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)的系數(shù)；
當(dāng)v時(shí)， = 1.0；
當(dāng)1.5米/秒 v 時(shí)， = 1.1；
當(dāng)3米/秒 v 時(shí)， = 1.2。
圖3 雙梁橋架焊接箱形重量曲線圖
司機(jī)室和電氣設(shè)備重量產(chǎn)生的集中載荷為：
p= G= 1.12000 = 2200公斤
式中 G司— 司機(jī)室和電氣設(shè)備的重量，G司= 2000公斤
集中驅(qū)動(dòng)的大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)裝在與主梁相連的懸臂橫梁上，其扭矩為：
M = e= 2200 0.75 = 1650 公斤米
式中 e— 為大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)重心至主梁截面中心的水平距離。
根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)起重機(jī)的加速度為0.25米/秒和0.5米/秒，而當(dāng)猛烈起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，假定加速度增加一倍，即0.5米/秒和1.0米/秒。根據(jù)車輪和軌道的粘著條件，最大加速度為：
0.98米/秒
因此，猛烈制動(dòng)時(shí)= 0.98米/秒。橋架猛烈制動(dòng)時(shí)在水平面內(nèi)引起的橫向均布慣性載荷為：
公斤/米
猛烈制動(dòng)時(shí)，由司機(jī)室重量在水平面內(nèi)引起的橫向集中慣性載荷為：
200公斤
猛烈制動(dòng)時(shí)，小車自重和吊重在水平面內(nèi)引起的橫向集中慣性載荷為：
740公斤
根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，小車的加、減速度為0.1米/秒和0.25米/秒，當(dāng)猛烈起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，小車的加速度可為0.2米/秒和0.5米/秒。根據(jù)車輪和軌道的粘著條件加速度值可達(dá)0.98米/秒。因此，小車猛烈制動(dòng)時(shí)a制max= 0.5米/秒。當(dāng)負(fù)載小車猛烈制動(dòng)時(shí)，在水平面內(nèi)的縱向集中慣性載荷為：
378公斤
3.2.2 主梁截面尺寸的選擇
橋架中部箱形主梁的高度：
H =（）L =（）16500
=1030 ~ 825毫米
取H = 900 毫米
支承處的梁高為：
H=（0.6 ~ 0.7）H =（0.6 ~ 0.7） = 540 ~ 630毫米
取H = 600 毫米
變截面傾斜長度：
L=（0.1 ~ 0.2）L =（0.1 ~ 0.2） = 1650 ~ 3300毫米
取L= 2000毫米
上、下翼緣板寬度：
B =（0.5 ~ 0.33）H =（0.5 ~ 0.33） = 450 ~ 297毫米
此外，翼緣寬度應(yīng)滿足條件：
B 毫米
取B = 350毫米
初算時(shí)取腹板厚度毫米，而上、下翼緣板厚度毫米（圖4）
a — 跨中；b — 支承附近
圖4 橋架主梁橫截面
第4章 主體結(jié)構(gòu)各承載部分的計(jì)算與校核
4.1 主梁主要截面計(jì)算
上、下翼緣的截面積： F = 2厘米
腹板的截面積 F = 2厘米
截面總面積： F = F + F = 56 + 106 = 162厘米
對(duì)x — x軸的截面慣性矩：
翼緣：
I
= 111400厘米
腹板：
I= 厘米
截面總慣性矩：
I II= 111400 + 68080
= 180480厘米
對(duì)x — x軸的截面模數(shù)：
W = 厘米
對(duì)y — y軸的截面慣性矩
翼緣：
I= 厘米
腹板：
I
= 26483厘米
截面總慣性矩：
I II= 5717 + 26483
= 32200厘米
對(duì)y — y軸的截面模數(shù)：
W = 厘米
4.2 主梁支承附近截面的計(jì)算
上、下翼緣的截面積： F = 56厘米
腹板的面積 ： F = 2 厘米
截面總面積： F = F+ F = 56 + 70 = 162厘米
對(duì)x — x軸的截面慣性矩：
翼緣：
I
= 49068厘米
腹板：
I= 厘米
截面總慣性矩：
I II= 49068 + 19918
= 68986厘米
對(duì)x — x軸的截面模數(shù)：
W = 厘米
對(duì)y — y軸的截面慣性矩：
翼緣：
I= 厘米
腹板：
I
= 17496厘米
截面總慣性矩：
I II= 5717 + 17496
= 23213厘米
對(duì)y — y軸的截面模數(shù)：
W = 厘米
按額定載荷時(shí)橋架和小車同時(shí)猛烈制動(dòng)的最不利載荷情況計(jì)算主梁。此外，也考慮由大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和司機(jī)室重量對(duì)梁引起的載荷。
對(duì)主梁0 — 0軸（如圖5）的扭矩
圖5 扭矩計(jì)算圖
M
= 33490公斤厘米
當(dāng)改變力和的方向時(shí)，對(duì)主梁0 — 0軸的扭矩為：
= -490公斤厘米
取最大值（= 33490公斤厘米）作為扭矩計(jì)算值。求由固定載荷和移動(dòng)載荷在垂直和水平內(nèi)產(chǎn)生的主梁最大彎矩。當(dāng)跨度中心至載荷p的距離與跨度中心至合力R的距離相等時(shí)，即主梁跨中至載荷p之間的距離為時(shí)，兩個(gè)移動(dòng)載荷在左邊車輪下面的梁截面內(nèi)產(chǎn)生最大彎矩。
在垂直面內(nèi)主梁的支承反力：
由固定載荷的作用（如圖6a）
圖6 主梁計(jì)算圖
a和b — 分別為由固定載荷和移動(dòng)載荷在垂直面內(nèi)的作用；
c和b — 分別為有固定載荷和移動(dòng)載荷的慣性力在水平面內(nèi)的作用；
e — 由于扭矩的作用。
由活動(dòng)載荷的作用（如圖6b）
= 2.25米 ， b = 1.6米
彎矩值：
= 3996 = 31369公斤米
= 5860
= 18892公斤米
由垂直載荷在截面1— 1引起的最大彎矩：
公斤米
在水平面內(nèi)主梁的支承反力 （圖6c、d）：
公斤
公斤
公斤
公斤
彎矩值：
= 352 = 2763公斤米
= 536
= 1732公斤米