1摘要進入 21 世紀以來，我國的鐵路、造船工業(yè)進入了快速發(fā)展的軌道，門式起重機因其在露天作業(yè)環(huán)境中有其它類型起重機無法替代的優(yōu)勢，因此對其進行研究、創(chuàng)新，使其結構更合理，使用更方便，具有重要的戰(zhàn)略和現(xiàn)實意義。本設計以雙梁 A 型門式起重機結構設計為設計目標，內容包括主梁、支腿、馬鞍、上下橫梁等結構的設計。首先采用許用應力法及計算機輔助設計方法和第四強度理論對主梁結構進行載荷計算，然后對其強度、穩(wěn)定性、剛度進行校核，最后進行螺栓連接的計算。如不符合，重復所做步驟。其設計很好的體現(xiàn)了結構力學、材料力學在金屬結構件和起重機運輸中的重要運用。關鍵詞：門式起重機；金屬結構；載荷計算；雙梁 .1AbstractIn the 21st century, China's railways, shipbuilding industry has entered a rapid development track, gantry crane in its operating environment in the open air there are other types of cranes can not be replaced advantage, so its research, innovation, its structure is more reasonable , More convenient, has important strategic and practical significance.The design-A double beam gantry crane design goals for the design, including the main beam, legs, saddle, upper and lower beams and other structures. Focus on part of the structure of the load and load combinations, the final calculation of the bolt connection. Good indication of the design of structural mechanics, mechanics of materials in the metal structure and the importance of transport used cranes.Key words：Gantrycranes; metalstructure; loadcalculation; doublebeam .2目錄第一章 前言 .11.1 結構簡介 11.2 發(fā)展現(xiàn)狀 11.3 研究 目的和意義 2第二章 總體設計 .42.1 總體設計 42.1.1 材料選擇 42.1.2 總體結構設計 42.1.3 設計參數(shù) .52.2 部件截面形狀的確定 62.3 截面慣性矩驗算 .11第三章 主梁計算 123.1 載荷及內力計算 .123.1.1 載荷計算 .123.1.2 內力計算 173.2 主梁的強度 .243.2.1 主梁彎曲應力驗算 243.2.2 主梁支撐處的剪力 .283.2.3 主梁疲勞強度 .293.3 主梁的穩(wěn)定性 .303.4 主梁剛度設計計算 .353.4.1 主梁跨中一簡支剛架靜剛度計算 .353.4.2 小車懸臂一簡支剛架靜剛度計算 .363.4.3 主梁水平靜剛度計算 .363.4.4 懸臂的水平靜剛度 .373.4.5 主梁動剛度 37第四章 支腿平面內剛架的設計 404.1 鋼架的三次超靜定結構 .404.2 馬鞍橫梁跨中截面內力計算 .424.2.1 剛性腿側計算 .424.2.2 結構彎矩計算 .433第五章 支承架設計及計算 455.1 支撐架剛度計算 .455.2 支撐架的小車軌頂處位移 .515.3 整體穩(wěn)定性計算 .58第六章 螺栓連接強度計算 606.1 馬鞍的連接強度計算 .606.2 支腿與橫梁的連接計算 .616.3 主梁在跨中的連接計算 .626.4 主梁蓋板的螺栓連接 .62結論 .64致謝 .65參考文獻 .66附錄：外文資料與中文翻譯 .671第一章 前言1.1 結構簡介門式起重機是橋式起重機的一種變形。在港口主要用于室外的貨場、料場貨、散貨的裝卸作業(yè)。它的金屬結構像門形框架，承載主梁下安裝兩條支腳，可以直接在地面的軌道上行走，主梁兩端可以具有外伸懸臂梁。門式起重機具有場地利用率高、作業(yè)范圍大、適應面廣、通用性強等特點，在港口貨場得到廣泛使用。本次設計的起重機因支腿形狀類似字母 A 又稱 A 型門式起重機，該裝置主要是由雙主梁、兩剛支腿、兩柔支腿以及馬鞍、上下橫梁等結構組成。雙梁 A 型門式起重機一般做成箱型結構，而且常做成雙懸臂的橋架。有時也可做成桁架結構，但是桁架結構存在著制造勞動量大，維修保養(yǎng)不方便等缺點，所以一般設計成箱梁門式起重機。1.2 發(fā)展現(xiàn)狀目前，國內專業(yè)生產大型起重機的廠家很多。其中以中聯(lián)重科、三一重工、撫挖等公司產品系列較全，市場占有率較高。中聯(lián)重科在 2007年 12 月宣布實行品牌統(tǒng)一戰(zhàn)略后?，F(xiàn)已成功開發(fā)了 50t~600t 履帶式起重機產品系列。作為中國起重機行業(yè)的領跑者，徐州重型機械有限公司現(xiàn)在已經形成了以汽車起重機為主導，履帶式起重機和全路面起重機為側翼強勢推進的龐大型譜群。國內最具歷史的履帶式起重機生產企業(yè)撫挖現(xiàn)已擁有 35t~350t 的履帶式起重機產品系列。QUY350 是撫挖 2007 年推出的國產首臺 350t 履帶式起重機，填補了國內 350t 履帶式起重機的產品型譜空白。國外專業(yè)生產大型起重機廠家很多。其中利勃海爾、特雷克斯-德馬格、馬尼托瓦克與神鋼等公司產品系列較全， 市場占有率較高。利勃海爾公司的產品技術先進、工作可靠，其生產的 LR 系列履帶起重2機最大起重量已達 1200t。其桁架臂履帶式起重機系列在 2007 年又喜添新品 LR1600/2，使其產品型譜更加完善。未來的一段時間內，起重機的發(fā)展趨勢包括以下幾個方面：（1）大噸位的自拆裝系統(tǒng)。 （2）便利模塊化和組合化。 （3）混合型起重機1.3 研究目的和意義通過對雙梁 A 型門式起重機的研究和創(chuàng)新設計，能夠讓我很好的掌握結構力學、材料力學在金屬結構件和起重機運輸中的運用。作為畢業(yè)設計的一大課題，在融合貫通機械專業(yè)的同時，更能很好的使自己所學專業(yè)知識全面化、系統(tǒng)化。本次設計的結構較復雜，特別是支腿、馬鞍部分，設計難度較大，計算量也較多。不光是對專業(yè)知識的考察，更體現(xiàn)在自己對待生活和學習的態(tài)度上。通過這一環(huán)節(jié)的訓練，更能很好的提高了以下方面的能力：1、綜合運用所學知識和技能，獨立分析和解決設計問題的能力；2、熟練運用基本技能，包括繪圖、計算機應用、翻譯、查閱文獻等等的能力；實驗研究的能力；撰寫科技論文和技術報告，正確運用國家標準和技術語言闡述理論和技術問題的能力：3、收集加工各種信息的能力，獲取知識的能力；5、多角度的培養(yǎng)我們綜合運用和擴大所學知識面的能力，以提高理論聯(lián)系實際的能力。6、通過依據數(shù)據、準確的制圖，培養(yǎng)了我們收集、整理、分析及運用資料的能力 。7、另外它不僅僅局限在機械基礎知識上更涉及了有關材料學、力學等多學科知識，使我們對交叉學科有了一定的涉足，拓寬了我們的知識3面，更激發(fā)了進行本專業(yè)工作、學習的激情與興趣。本設計為 32t 雙梁 A 型門式起重機結構設計，根據給出的設計參數(shù)，設計出符合要求滿足使用性能的起重機結構，并對設計出來的結構進行校核計算。所用到的研究方法主要有經驗總結法、比較研究法、文獻資料法等。借鑒前人對起重機結構設計的成熟經驗，結合目前雙梁 A 型門式起重機所存在的缺點和不足，進行起重機的創(chuàng)新性結構設計。通過翻閱相關文獻書籍對涉及到的雙主梁、兩剛支腿、兩柔支腿以及馬鞍、上下橫梁等結構進行計算，特別是載荷計算及載荷組合，螺栓的連接計算。比 較 研 究 法 可 以 理 解 為 是 根 據 一 定 的 標 準 ， 對 兩 個 或 兩 個 以 上 有 聯(lián) 系的 事 物 進 行 考 察 ， 尋 找 其 異 同 ， 探 求 普 遍 規(guī) 律 與 特 殊 規(guī) 律 的 方 法 。具 體 要 求 如 下 ：a、設計中要注意的問題是結構較復雜，特別是支腿、馬鞍部分，設計難度較大，計算量較多。 b、通過本次設計，熟練掌握結構力學、材料力學在金屬結構件和起重機運輸中的運用。c、完成校院要求的工作量和畢業(yè)設計論文的撰寫。4第二章 總體設計2.1 總體設計2.1.1 材料選擇在選擇起重機材料時一般應考慮以下幾個方面：1.經濟性：性能與材料價格成正比;2.設計要求：對于有重量限制的，可以選用強度等級好一些的材料;3.作業(yè)環(huán)境要求：對于有低溫操作要求的產品，必須考慮材料的低溫沖擊性能，也就是 A/B/C/D/E 等;4.制造能力：如果對于高強度板的焊接能力達不到，就不能選用。參閱大連起重機廠編的《起重機設計手冊》 ，起重機金屬結構主要受力構件應采用平爐或轉爐的碳素鋼和普通合金鋼，但端梁一般采用Q235B 的鋼材或者型材。2.1.2 總體結構設計依據原始資料及查閱《起重機課程設計手冊》現(xiàn)列出門架的結構簡圖及其主要尺寸如圖 2-1，2-2 和表 1-1 .圖 2-1 門架結構簡圖5圖 2-2 門架結構簡圖具體尺寸如表 1-1：表 1-1A1 5.2m A2 4.2mA3 11.16m A4 1mA5 8m A6 1.4mL1 10m B2 1.89mB3 11.32m2.1.3 設計參數(shù)①總體參數(shù)起重量：Q=32t 跨度：S=26m工作級別 A6 起升高度：11m起升速度： 工作風壓;q=250Pamin/3.9?起V②大車參數(shù)大車運行速度：V=37.8m/min 大車輪距（基距）：B=8.5m懸臂全長： 有效懸臂長度：L21 mS61?6整機總重： (估)馬鞍自重：106.8t?AGtGm36.?操縱室重： 電器集中質量：kgc5kgdq750梯子等重： 單支腿自重：ct24tt.③小車參數(shù)小車自重： 小車軌：P38tGxc3.1?小車輪距：b=2.7m 小車軌距：K=2.5m小車軌面到小車最高點的高度：1.6m2.2 部件截面形狀的確定雙 梁 門 式 起 重 機 承 載 能 力 強 ， 跨 度 大 、 整 體 穩(wěn) 定 性 好 ， 品 種 多 ，但 自 身 質 量 與 相 同 起 重 量 的 單 主 梁 門 式 起 重 機 相 比 要 大 些 ， 造 價 也 較高 。 根 據 主 梁 結 構 不 同 ， 又 可 分 為 箱 形 梁 和 桁 架 兩 種 形 式 。 但 考 慮到 制造勞動量大，維修保養(yǎng)不方便等缺點，目 前 一 般 多 采 用 箱 形 結 構 。1.主 梁 截 面1） 如 圖 2-3 所 示 主 梁 截 面 的 形 狀 及 尺 寸 。由已知條件和經驗值可知主梁截面的主要結構尺寸及重要參數(shù)如下 ：高度： 取腹板高度：0Hm?120hm?翼緣板厚度; 取主腹板厚度： ，1??8?副腹板厚度： 627圖 2-3 主梁截面圖2）主梁尺寸計算主梁高度如下： mhH12012001 ?????主梁寬度： mm)6~48()5.~4(?b主腹板外側間距： mL30~60603?側且 ，取 b=614mm,上下翼緣板各不相同，分別120473bm??為 及 .取懸臂部分的橫斷面完全等同于中間主梁的橫斷面，675?6選擇偏軌箱型形式，采用偏軌省去了中軌支撐軌道而設置橫向加勁板，從而也省去了大量的焊縫，減少制造過程變形為了能在主腹板上設置軌道和壓板須使上翼緣板的懸伸寬度加大因而增加了保證懸臂部分局部穩(wěn)定性而設置的三角肋。3）截面慣性矩驗算面積： ? ?22106547381206308Am??????822614074980.749Amm???型心坐標： 61328.3Xc???735104Yc慣性矩:94.826Ixmy??2.馬鞍截面 如圖 2-4 馬鞍截 面 的 形 狀 及 尺 寸圖 2-4 馬鞍的截面形狀面積： 22(3842608)163840.164Amm?????質量： HgFmaq N7.93慣性矩： 342.10IX???4.5IY?3.支腿截面 如圖 2-5、2-6 所示支腿截 面 的 形 狀 及 尺 寸支腿上端的截面在門架平面內的慣性矩：911323.60.160.20.22IX? ???????? ?? ? 40.1m?支腿下端的截面在門架平面內的慣性矩：， 34.91Imx? 48.5yIm??圖 2-5 支腿上端的截面形狀圖 2-6 支腿下端的截面形狀4. 端梁截面 如圖 2-7 所示端梁截 面 的 形 狀 及 尺 寸10由于端梁一般是偏于安全的,參閱《起重機課程設計》選取截面截面如圖 2-7圖 2-7 端梁截面形狀5.下橫梁截面 如圖 2-8 所示下橫梁截 面 的 形 狀 及 尺 寸 圖 2-8 下橫梁的截面形狀下橫梁面積: 22(28068)40.4Amm?????型心坐標： ， XCY慣性矩： ， 34.91Ix?4.15yI?112.3 截面慣性矩驗算因主梁為關鍵性部件，在起重機使用過程中承載主要載荷，現(xiàn)對主梁的慣性矩進行初步驗算小車集中載荷： 1323109.841079210673mQptGxNjPN?????????????主滿載小車位于主梁跨中產生的垂直靜撓度為： ??mLYEIpYX5.28048131 ???2m31026a91026 2NPEI???? ??取 查 取 ，材 料 力 學 》 教 程 表材 料 的 彈 性 模 量 ， 由 《主 梁 的 抗 彎 剛 度 冊度 ） ， 見 起 重 機 設 計 手主 梁 的 許 用 靜 位 移 （ 撓1.17 mm?????13485.48)(1 YEpLIX ?904當滿載小車位于懸臂端極限位置產生的垂直撓度為： ??mlEIlLPYX 4.735063)(222???2.32?????1.60)26()(1)( 3322lpIX 10?4m主梁截面許用慣性矩: 滿足要求??4907.I?12第三章 主梁計算3.1 載荷及內力計算3.1.1 載荷計算（1）固定載荷主梁自重載荷： m2843.910' NLmgFq???小車軌道重量： 3.69/1/g欄桿及導電架質量： 09.80/FmgNmL???主梁的均布載荷： (28431)/'4205/FqgN???（2）移動載荷首先假定小車的重量中心與起升載荷的重量中心均集中在小車的中心。起升載荷： ()(3201)9.83270PmgNQ??????小車自重載荷： .4Gx滿載小車靜輪壓有前面已知： 108792Pj空載小車靜輪壓： .1473029''41mgGxNj??????217438pN??13(3)動力效應系數(shù)起升沖擊系數(shù)： 1.??起升動載系數(shù)： 43.1876.0212min ?????qV?運行沖擊系數(shù)： .0585.584hy?(4)慣性載荷按車輪打滑條件確定大小車運行的慣性力一根主梁上的小車慣性力： 1087921532PNxg????大車運行起制動慣性力（一根主梁上）為：均布慣性力主梁： 405/41/271FqmH?小車集中慣性力： 3872PN???(5)風載荷作用于貨物的風載荷： NAqCkFihW 125601.1 ????非工作狀態(tài)風載荷： i .47867.3 ??作用于主梁上的風載荷:小車： 11.71250hiPCkqAN???主梁: NKn 3645)125.6(2 ?????(6)扭轉載荷偏軌箱型梁由 和 的偏心作用而產生移動扭矩如圖 3-1 所示。偏軌p?H箱型梁彎心 A 在梁截面的形心軸上（不考慮翼緣外伸部分）彎心至主腹板中心的距離為：14686212()(14)2018eb m??????????軌高： 34hmg1' (2034)72H???移動扭矩： 8.26534TPeNmp?:'187.h（7）慣性載荷下橫梁產生的慣性力，下橫梁面的截面，由大車輪直徑 D=900m 選定下橫梁截面尺寸，下橫梁面積: 22(28068)40.4Amm?????形心坐標： XCY?圖 3-1 下橫梁截面形狀及尺寸下橫梁面積: 22(28068)40.4Amm?????形心坐標： XCYC15慣性矩： 342.9160Imx???48.150yIm???則下橫梁產生的自重載荷為： .7.29./FkAgNXhL?73.8/下橫梁產生的慣性力為： NLFPXhH 14.592106???馬鞍的截面（在門架平面內）產生的慣性力： 面積： 2(3842608)6384.6Amm????質量： 1.75.19./15/Fkgqma??慣性矩： 34.IX?4.510IY???慣性力： ??152.631820FLqaPNHm????支腿上截面產生的慣性力：慣性矩： 1323.60.16.20.122IX? ??????? ?? ?4.m?支腿下截面產生的慣性力：慣性矩： 342.9160Ix??48.5yI??取支腿從下截面開始的 0.7H 處作為計算截面如圖 3-2 所示。平均面積： 16020821.Am???平均實體面積： 160????????????????1622360.36m?圖 3-2 下支腿 0.7H 處截面形狀及尺寸慣性矩： IX?3440.72.10m??1Iy339?支腿自重載荷為： .2785.69.8/3102/2FkAgNmq????(8)偏斜側向力一根主梁的重量： LPqG104)(43' ??一組大車運行機構的重量： 29.876mgNj??司機室及設備的重量（按合力計）： 0.190PNGs?一根端梁的重量： 2843.5718PFLdq???滿載小車在主梁跨中時，左側下橫梁總靜輪壓 PR1如下 1711 2()2(1)237047631025(4.5)193.8109()479dPpPPpRQGztmaXhLdGLx sN??????????由 ，查得.620?BL.75??側向力： 14029.13524PNSR??滿載小車在主梁與支腿相接處 ??NLdPPSX GdLXhmaZtGQR7.6319826310 48.1973542102742 2?????????? ??????????????側向力： 897540.17603PNSR????3.1.2 內力計算（1）垂直平面內的應力計算主梁內力時，將門架當作平面靜定結構分析,由主梁自重均布載荷引起的力有：支反力： NLFVqBA 5.8620)1426(405)12( ??????剪力： NQRCLD .37)4qR 605????18跨中彎矩： mNlLFMqL 13876502.)426(05)4(242 ???????跨端彎矩： .2lCD?:圖 3-3 內力模型圖考慮移動載荷引起的主梁內力，取小車輪壓 分別1087921?jjp計算小車位于跨中和懸臂端時的主梁內力。191）小車位于跨中，受力如圖 3-4 所示。圖 3-4 小車受力圖跨中的剪力為：119843????????)265.1(2743815.)21(LKPFP? mN跨中的內扭矩： ????.34804TTnH????:mN367最大彎矩作用位置：24.75????????)2617438(5.098221LpPkXjjjj mN20求得支反力為: NLKXPLVjjA 5.1246).8(21079210879)(21 ????????pPAjjB 35.4)(21 ???剪力為： ， NVQD5.41VQBC922）小車位于懸臂端，如圖 3-5 所示。圖 3-5 小車受力圖支持反力 VA計算如下： NLklPLljj 25.71626)5.( 108792610879)(''21???? ?????21NLklPlVjjB 5.397246.108792610879''21 ???????剪力： NVQBRDLC5.34D 7.1.576.394?彎矩： ??NklplPMjj 5.123648)5.6(6089)(''21 ?????NLVB 5.145.39742 ???滿載小車處于主梁的左端時，如圖 3-6 所示。圖 3-6 滿載小車受力圖 跨端剪力為： NLKPFPC 3.27586.2174385.4 ????????跨端內扭矩： (0)1T mnH??:= mN.328當小車制動時，慣性力順主梁方向引起的主梁內力，如圖 3-7 所示支反力： NLhPVgXBA 8.657021???22剪力： NVQBADC8.6570??13HPAXg圖 3-7 主梁受力示意圖 跨中彎矩： 1153.6832MPhNmLXg???:支座處彎矩： .172D（2）水平面內的應力在主梁水平面內，如圖 3-8 所示當大車制動時由于慣性力和風載荷引起的主梁內力（其中由主梁自重引起的慣性力 和小車自重引起的FH已計算過）：PH23圖 3-8 主梁內力簡圖是將風載荷 均布在主梁上2q2p（順大車軌道方向的風載荷）NmlL1.428619????小車在跨中： 2()(5).52MFqlDH????14583N?: mNPplLqHWHL 23679)1085.67430(4162)4156(2 )22 ??????? ?????????????小車在懸臂端： ???214LMFqlpPDHH?? N5.173426)085374()4561(2 ???????212LqlPLw???????75.93426)0874537(64)156(2 ????????????現(xiàn)分別將主梁在水平面和垂直面產生的彎矩列表如表 3-1，3-2。24表 3-1 主梁在水平面內的彎矩（N/m）小車的位置 DML2M小車在跨中 -14853 236792小車在懸臂 -173734.5 9534.75表 3-2 主梁在垂直平面內的彎矩（N/m）產生彎矩的外力主梁均布質量 q 下 移動載荷 P 下小車的位置 DML2DML2小車在跨中 -73648 1387650 0 981162小車在懸臂 1235648 -516418.5 -706674 -353337產生彎矩的外力小車在制動下 外力合成下小車的位置 DL2DL2小車在跨中 173326 86663 99768 1191386小心在懸臂 173326 86663 -606996 -1431133.2 主梁的強度3.2.1 主梁彎曲應力驗算由表 3-1，3-2 可知，在水平和垂直平面內，小車位于跨中和懸臂支撐處時產生的彎矩最大，現(xiàn)分別驗算跨中和懸臂支撐兩個位置處主梁的彎曲應力。由公式求得跨中彎曲應力：251221. .SSMMyxLLzWIIxyx?????????????????33938654108547.10.2( )0.726????14. 3sMPMPaan??????懸臂支撐處彎曲應力 ：C3360954107928101.21.58.7.6SDCWxy???? ?????? ???????? ?????65.7.MPPaa??主腹板上邊緣點至軌頂距離為： 0hyg???134m?主腹板邊的局部壓應力為： 41.5807946.(24)20Pj MPmahy??????????????在水平面內，主梁還受偏斜運行時的水平側向載荷作用，由側向力對雙梁產生的水平彎矩如下： 0FSBDW?水平剛架計算模型為如圖 3-8 所示。26圖 3-8 水平剛架計算模型圖'2(50278)3051Kkxm????'31b????'9297022aB??小車在跨中，剛架的計算系數(shù)為： 1.106.3158312' ??????LIkrs小車在跨中，偏斜側向力為: 24PNS超前力為： LBPSW8.1965011 ???下橫梁中點的軸力為： 76212NPNd?下橫梁中點的水平剪切力為： 112.97352410'205aFP NdSkrs??????????????????主梁跨中的水平彎矩為: