3320 桥式起重机主体结构设计
3320 桥式起重机主体结构设计,桥式起重机,主体,结构设计
华 东 交 通 大 学毕 业 设 计(论 文)题 目: 桥式起重机主体结构设计 Design of main body structure of bridge-type hoist crane学 院: 机电工程学院 专 业: 机械设计与制造 班 级: 01 机设(1)班 学生姓名: 陈向城 学 号: 20010310010807 指导教师: 范士娟 完成日期: 2005-6-13 毕业设计(论文)诚信声明本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文)是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。就我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果,也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。如在文中涉及抄袭或剽窃行为,本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。本人签名 导师签名 2005 年 6 月 13 日华东交通大学毕业设计(论文)任务书姓 名 陈向城 学 号 20010310010807 毕业届别 2005 专 业 机械设计毕业设计(论文)题目 桥式起重机主体结构设计指导教师 范士娟 学 历 硕 士 职 称 讲 师具体要求:一、设计参数1起重量:Q=10t,工作级别为 A5(中级 JC=25%) ;2跨度 L=16.5m,大车轮距 B=4.5m,小车轮距 b=1.6m;3大车运行机构重 Gy=2200kg,小车自重 Gx=4800kg;4小车运行速度 u=40m/min,大车运行速度 v=90m/min;二、任务要求1进行桥架结构设计与计算;2编制详细的设计计算说明书;3绘制主梁结构图、端梁结构图、桥式起重机总图。进度安排:4.164.20 做好各项准备,查阅相关的文献及书籍4.215.15 完成所有的设计计算5.165.30 画出设计要求的图纸:主梁结构图、端梁结构图、桥式起重机总图;6.16.10 打出计算说明书及毕业总结(含英文摘要)6.116.18 为毕业论文答辩作准备6.206.22 毕业答辩指导教师签字:年 月 日教研室意见:教研室主任签字:年 月 日题目发出日期 设计(论文)起止时间附注:华东交通大学学生开题报告书课题名称 桥式起重机主体结构设计课题来源 课题类型 AY 导 师 范士娟学生姓名 陈向城 学 号 20010310010807 专 业 机械设计开题报告内容:起重机是在建筑工地、工厂等场所广泛使用的一种机械装置,它的广泛应用是现代化生产特点的标志,它将人们从繁重是体力劳动中解放出来,提高生产率。这次设计是桥式起重机的主体结构部分,主要包括桥式起重机的主梁和端梁的设计计算。通常把桥式起重机的主梁与端梁等部件组成的结构称为桥架,本次设计采用正轨箱形梁桥架,正轨箱形梁桥架由两根主梁和端梁构成。主梁外侧分别设有走台。主梁与端梁通过连接板焊接在一起形成刚性结构。为了运输方便在端梁中间设有接头,通过连接板和角钢使用螺栓连接。这种结构运输方便、安装容易。小车轨道通过焊接在主梁上的压板固定于盖板中央,故称正轨箱形梁。桥式起重机是广泛应用于工业厂房里的一种起重运输装置。设计一个结构合理、使用方便、工作可靠的桥式起重机在实际生产中具有积极的现实意义。方法及预期目的:方法:(1)确定起重机的总体方案,主梁采用正轨箱形结构; (2)确定起重机的各个参数,初定跨度 L=16.5m;(3)计算桥架主梁结构,初步确定主梁的各个尺寸;(4)在确定主梁的初定尺寸后,对所选参数进行验算,然后合理调整尺寸;(5)对桥架结构进行校核,使之符合基本设计要求;(6)用 AUTOCAD 绘制主梁、端梁以及总体结构图;(7)编辑论文预期目的:主体结构设计符合基本要求,功能实现合理、结构简单使用、工作可靠。指导教师签名: 日期:课题类型:(1)A工程设计;B技术开发;C软件工程;D理论研究;(2)X真实课题;Y模拟课题;Z虚拟课题 (1) 、 (2)均要填,如 AY、BX 等。华东交通大学毕业设计(论文)评阅书(1)姓 名 陈向城 学 号 20010310010807 专 业 机械设计与制造毕业设计(论文)题目 桥式起重机主体结构设计指导教师评语:指导教师签字:年 月 日评阅人评语:评阅人签字:年 月 日得分得分等级华东交通大学毕业设计(论文)评阅书(2)姓 名 陈向城 学 号 20010310010807 专 业 机械设计与制造毕业设计(论文)题目 桥式起重机主体结构设计答辩小组评语:等级组长签字:年 月 日答辩委员会综合评语: 等级答辩委员会主任签字:年 月 日(学院公章)注:答辩小组根据评阅人的评阅签署意见、初步评定成绩,交答辩委员会审定,盖学院公章。“等级”用优、良、中、及、不及五级制(可按学院制定的毕业设计(论文) 成绩评定办法评定最后成绩) 。华东交通大学毕业设计(论文)答辩记录姓 名 陈向城 学 号 20010310010807 毕业届别 2005 专 业 机械设计题目 桥式起重机主体结构设计 答辩时间答辩组成员(签字):答辩记录:记录人(签字):年 月 日答辩小组组长(签字):年 月 日附注:桥式起重机主体结构设计摘要起重机的用途是将物品从空间的某一个地点搬运到另一个地点。为了完成这个作业,起重机一般具有使物品沿空间的三个方向运动的机构。桥式类型的起重机是依靠起重机运行机构和小车运行机构的组合运动使所搬运的物品在长方形平面内作运动。起重机是现代生产不可缺少的组成部分,借助起重机可以实现主要工艺流程和辅助作业的机械化,在流水线和自动线生产车间中,起重机大大提高了生产效率。本文主要完成了桥式起重机主体结构部分的设计及主梁和端梁的校核计算。采用正轨箱形梁桥架,正轨箱形梁桥架由两根主梁和端梁构成。主梁外侧分别设有走台,并与端梁通过连接板焊接在一起形成刚性结构。为了运输方便在端梁中间设有接头,通过连接板和角钢使用螺栓连接,这种结构运输方便、安装容易。小车轨道固定于主梁的压板上,压板焊接在盖板的中央。本文正确选择了起重机桥架钢结构构造形式和构件截面,以保证其在使用过程中的强度、刚度和稳定性。设计时,同时还注意了起重机的结构制造工艺性、省料、安装以及维修方便等问题。关键词:桥式起重机;主体结构;桥架Design of main body structure of bridge-type hoist crane AbstractThe usage of hoist crane is to transport goods from some place to another one. In order to accomplish this job, there is mechanism in the hoist crane which makes the goods move along the space in three directions. The bridge type hoist crane carries the goods to move in the rectangular plane depending upon the combination of the hoist crane movement mechanism and the car movement.The hoist crane plays an important role in the modern age. It is possible to realize the mechanization of main technical process and assistance work with the help of the hoist crane. The hoist crane can improve the production efficiency greatly in the assembly line and production workshop.This paper mainly completes the design of main-body structure and checking up calculation of the bridge-type hoist crane. Box-girder bridge type is adopted which is made up of two main beams and end girders. The main beams have walking platform on outside plates and welded with end girders to form rigid structure. For transportation convenience, joints are adopted in the middle of the end girders, and connected together with junction panels, angle-steels and bolts, which brings about transportation convenience and easy fixing. The car rails are fixuped on up-plates of the main beams which are welded in the middle of the up-plates.The hoist crane bridge types and the structural cross sections are chosen correct to ensure their intensity, the rigidity and the stability in the use process. Meanwhile, the structure manufacture technology capability, materials saving, fixing and convenience of maintenance and so on are paid attention to.Key word: Bridge-type hoist crane; main body structure; bridge目 录第 1 章 绪言11.1 起重机的概述11.2 起重机发展趋势1第 2 章 起重机总体方案设计32.1 起重机参数确定32.2 起重机总体方案32.3 桥架主体结构方案3第 3 章 起重机主体结构设计53.1 起重机钢结构载荷情况53.2 桥架金属结构计算53.2.1 主梁计算载荷53.2.2 主梁截面尺寸的选择7第 4 章 主体结构各承载部分的计算与校核94.1 主梁主要截面计算94.2 主梁支承附近截面计算104.3 端梁计算16总结20参考文献21附录 A:英文原文22附录 B:英文译文25谢辞28华东交通大学毕业设计(论文)任务书姓名 陈向城 学号 20010310010807 毕业届别 2005 专业 机械设计及 制造毕业设计(论文)题目 桥式起重机主体结构设计指导教师 范士娟 学 历 硕士 职 称 讲师具体要求:一、设计参数1起重量:Q=10t, 工作级别为 A5(中级 JC=25%) ;2跨度 L=16.5m,大车轮距 B=4.5m,小车轮距 b=1.6m;3大车运行机构重 Gy=2200kg,小车自重 Gx=4800kg;4小车运行速度 u=40m/min,大车运行速度 v=90m/min;二、任务要求1进行桥架结构设计与计算;2编制详细的设计计算说明书;3绘制主梁结构图、端梁结构图、桥式起重机总图。三、进度安排:4.164.20 做好各项准备,查阅相关的文献及书籍4.215.15 完成所有的设计计算5.165.30 画出设计要求的图纸:主梁结构图、端梁结构图、桥式起重机总图;6.16.10 打出计算说明书及毕业总结(含英文摘要)6.116.18 为毕业论文答辩作准备6.186.21 毕业答辩指导教师签字:2005 年 月 日教研室意见:教研室主任签字:2005 年 月 日题目发出日期 设计(论文)起止时间附注:华东交通大学学生开题报告书课题名称 桥式起重机主体结构设计课题来源 模拟课题 课题类型 AY 导 师 范士娟学生姓名 陈向城 学 号 20010310010807 专 业 机械设计及制造开题报告内容:起重机是在建筑工地、工厂等场所广泛使用的一种机械装置,它的广泛应用是现代化生产特点的标志,它将人们从繁重是体力劳动中解放出来,提高生产率。这次设计是桥式起重机的主体结构部分,主要包括桥式起重机的主梁和端梁的设计计算。通常把桥式起重机的主梁与端梁等部件组成的结构称为桥架,本次设计采用正轨箱形梁桥架,正轨箱形梁桥架由两根主梁和端梁构成。主梁外侧分别设有走台。主梁与端梁通过连接板焊接在一起形成刚性结构。为了运输方便在端梁中间设有接头,通过连接板和角钢使用螺栓连接。这种结构运输方便、安装容易。小车轨道通过焊接在主梁上的压板固定于盖板中央,故称正轨箱形梁。桥式起重机是广泛应用于工业厂房里的一种起重运输装置。设计一个结构合理、使用方便、工作可靠的桥式起重机在实际生产中具有积极的现实意义。方法及预期目的:方法:(1)确定起重机的总体方案,主梁采用正轨箱形结构; (2)确定起重机的各个参数,初定跨度 L=16.5m;(3)计算桥架主梁结构,初步确定主梁的各个尺寸;(4)在确定主梁的初定尺寸后,对所选参数进行验算,然后合理调整尺寸;(5)对桥架结构进行校核,使之符合基本设计要求;(6)用 AUTOCAD 绘制主梁、端梁以及总体结构图;(7)编辑论文预期目的:主体结构设计符合基本要求,功能实现合理、结构简单使用、工作可靠。课题类型:(1)A工程设计;B技术开发;C软件工程;D理论研究;(2)X真实课题;Y模拟课题;Z虚拟课题(1) 、 (2)均要填,如 AY、BX 等。桥式起重机主体结构设计摘要起重机的用途是将物品从空间的某一个地点搬运到另一个地点。为了完成这个作业,起重机一般具有使物品沿空间的三个方向运动的机构。桥式类型的起重机是依靠起重机运行机构和小车运行机构的组合运动使所搬运的物品在长方形平面内作运动。起重机是现代生产不可缺少的组成部分,借助起重机可以实现主要工艺流程和辅助作业的机械化,在流水线和自动线生产车间中,起重机大大提高了生产效率。本文主要完成了桥式起重机主体结构部分的设计及主梁和端梁的校核计算。采用正轨箱形梁桥架,正轨箱形梁桥架由两根主梁和端梁构成。主梁外侧分别设有走台,并与端梁通过连接板焊接在一起形成刚性结构。为了运输方便在端梁中间设有接头,通过连接板和角钢使用螺栓连接,这种结构运输方便、安装容易。小车轨道固定于主梁的压板上,压板焊接在盖板的中央。本文正确选择了起重机桥架钢结构构造形式和构件截面,以保证其在使用过程中的强度、刚度和稳定性。设计时,同时还注意了起重机的结构制造工艺性、省料、安装以及维修方便等问题。关键词:桥式起重机;主体结构;桥架Design of main body structure of bridge-type hoist crane AbstractThe usage of hoist crane is to transport goods from some place to another one. In order to accomplish this job, there is mechanism in the hoist crane which makes the goods move along the space in three directions. The bridge type hoist crane carries the goods to move in the rectangular plane depending upon the combination of the hoist crane movement mechanism and the car movement.The hoist crane plays an important role in the modern age. It is possible to realize the mechanization of main technical process and assistance work with the help of the hoist crane. The hoist crane can improve the production efficiency greatly in the assembly line and production workshop.This paper mainly completes the design of main-body structure and checking up calculation of the bridge-type hoist crane. Box-girder bridge type is adopted which is made up of two main beams and end girders. The main beams have walking platform on outside plates and welded with end girders to form rigid structure. For transportation convenience, joints are adopted in the middle of the end girders, and connected together with junction panels, angle-steels and bolts, which brings about transportation convenience and easy fixing. The car rails are fixuped on up-plates of the main beams which are welded in the middle of the up-plates.The hoist crane bridge types and the structural cross sections are chosen correct to ensure their intensity, the rigidity and the stability in the use process. Meanwhile, the structure manufacture technology capability, materials saving, fixing and convenience of maintenance and so on are paid attention to.Key word: Bridge-type hoist crane; main body structure; bridge 桥式起重机主体结构设计第 1 章 绪言1.1 起重机的概述工程起重机是各种工程建设广泛使用的重要起重设备,它对减轻劳动强度,节省人力,降低建设成本,提高施工质量,加快建设速度,实现工程施工机械化起着十分重要的作用。起重机作业是使物品沿空间的三个方向运动。其中作上下移动的起升机构是不可缺少的。平面运动可以用两种不同的运动组合来实现。按照这种组合方式不同,起重机可分为两大类型:桥式起重机和回转类型起重机。桥式类型起重机就依靠起重机运行机构和小车运行机构的组合使所搬运的物品在长方形平面内运动。驱动起重机运动的是起升机构、运行机构、回转机构和变幅机构。为了实现这些运动、安放这些机构并承受载荷,起重机必须有足够的强度和刚度的金属结构,有驱动机构运动并实现运动控制的动力控制系统;以及,为保证起重机安全并可靠运转的安全和信号指示装置。起重机的特点是:短周期的循环作业。一个工作循环包括:取物,起升并运行靠卸货点,下降,卸料,然后空车返回原地。一个工作循环的时间一般只要几十秒种到几分钟,最长的也不会超过一、二十分钟。这一特点对它的动力装置的选择及电气设备容量的计算有较大的影响。经常起动、制动引起传动机构和金属结构的强烈冲击和振动,导致产生较大的动载荷,由于这种载荷是非常平稳的,这使得强度和疲劳计算变得较为复杂。此外,对于装卸散装物料的起重机,生产效率是一个很重要的性能指标, 它不仅取决于各机构的运动速度,而且也依赖装卸物料的辅助时间的大小。因此对于速度、加速度值,运动的重叠程度,取物及卸货的自动化程度的选择等都应仔细考虑。双梁桥式起重机尤其适合室内重物的起升和搬运,所以广泛被工厂所采用。桥架结构的设计好与坏对起重机的性价比(性能与价格的比)提高有很重要的意义。长期以来,机械设计工作者沿用类比的设计方法。这种设计过程可概括为“设计分析再设计”的过程。即首先根据设计任务及要求进行调查研究和收集有关资料,参照相同或类似任务现有的、已经完成的较为成熟的设计方案。凭借设计者的经验辅以必要的分析计算。确定一个合适的设计方案,并通过估算初步确定有关参数,然后对初定方案进行必要的分析及校核计算;如果某些设计要求得不到满足。则可进行设计方案的修改。设计参数的调整,并再次的进行分析计算。如此多次反复,直到获得满意的设计方案为止。此方法不仅需要花费较多的时间,增加设计周期,而且只限于在少数方案中进行分析比较。随着电子计算机技术的发展和应用,以线性规划与非线性规划为主要内容的新的数学规划应用于工程设计问题。双梁桥式起重机桥架设计应用该优化方法,将迅速得到一对相对很合理的截面参数。这不仅降低了设计者的工作强度,而且与提高了设计方案的可行性。使得起重机金属结构的合理设计,对减轻起重机自重,提高起重性能,节约钢材,提高起重机的可靠性都有重要意义。2.2 起重机发展趋势对工程起重机,特别是大功率的工程起重机的需要量日以增加。随着现代科学技术的发展,各种新技术、新材料、新结构、新工艺在工程起重机上得到广泛的应用。所有这些因素都有里地促进了工程起重机的发展。根据国内外现有工程起重机产品和技术资料的分析,近年来工程起重机的发展趋势主要体现在以下几个方面:(1)广泛采用液压技术液压传动具有体积小、重量轻、机构紧凑、能无级调速、操纵简便、运转平稳和工作安全的优点。(2)通用型起重机以中小型为主,专用起重机向大型大功率发展为了提高建设工程的装卸和安装作业的机械化程度,工程起重机的发展,仍然是以轻便灵活的中小型起重机为主。(3)重视“三化” ,逐步过渡采用国际标准三化是指:标准化、系列化、通用化(4)发展一机多用产品为了充分发挥工程起重机的作用,扩大其使用范围,有的国家在设计起重机是重视了 产品的多用性。(5)采用新技术、新材料、新结构、新工艺为了减轻起重机的自重,提高起重机的性能,保证起重机可靠地工作,现在都多采用新技术、新材料、新结构和新工艺。第 2 章 起重机总体方案设计2.1 起重机参数确定(1)室内工作(2)额定起重量:Q = 10 吨(3)起升高度:H = 12 米(4)起升速度:v 升 = 8 米/分 (5)小车运行速度:v 小 = 40 米/分(6)大车运行速度:v 大 = 90 米/分选跨度 L = 16.5 米,机构工作类别 中级(JC = 25%)2.2 起重机总体方案对于起重量为 10 吨的桥式起重机,可以设计成电动单梁葫芦式,即桥式起重机采用单主梁结构,在主梁的下端焊接有工字钢来作为电动葫芦的运行轨道,起吊货物直接通过电动葫芦完成;还可以采用双梁小车式方案,即采用双主梁结构,小车运行于安装在主梁上的轨道上,起吊货物由小车起升机构来完成。对这两种方案都是可行的,同时也是现在比较通用的两个设计方案,经过认真比较,决定采用双梁小车式。首先,虽然现在起重量为 10 吨的电动葫芦已经大量生产,但还没有实行标准化和系列化,设计资料相对残缺和稀少;而运行小车式桥式起重机设计资料相对多一点,有利于进一步的设计和优化。其次,这次设计的起重机选用跨度为 16.5 米,如果采用单梁电动葫芦式,势必使主梁结构庞大,由于主梁大都采用箱形焊接结构,尺寸增大就会增加焊接难度,且增大焊接变形。再次,采用双梁小车式,设计制造安装方便,设备维护和维修简单。双梁桥式起重机传动系统的设计,主要包括起升机构传动系统的设计、小车运行机构设计及大车运行驱动机构设计。主要采用电力驱动,通过联轴器和减速器再把动力传递到工作机构,对于这种传递系统,由于电动机、联轴器及减速器均以标准化,因而可以选用标准件而简化设计。2.3 桥架主体结构方案(1)主梁采用正轨箱形结构(如图 1 a) a 正轨箱形梁;b 偏轨箱形梁;c 半偏轨箱形梁图 1 正轨箱形结构图(2)桥架为焊接结构(如图 2)图 2 箱形梁焊接图第 3 章 起重机主体结构设计3.1 起重机钢结构载荷情况作用在起重机上的外载荷有:起升载荷、自重载荷、动载荷和风载荷等。(1)起升载荷起升载荷就是由起升机构吊起的货物和取物装置以及其它随同升降的装置重量之总合。对起升高度很大的钢丝绳起升机构,起升载荷应包括挂着的钢丝绳重量。(2)自重载荷起重机本身重量包括机械部分、金属结构及电气设备等的重量。如果起重机上装有运输机,则应考虑运输机及其上的货物的重量。自重在设计前一般是未知的,可参考同类型参数接近的起重机的自重做初步选定。有些手册上列有各类起重机依照起重量或载重力矩而定的自重表可供参考。自重的分配根据结构情况而定。机械及电气设备一般可看作是集中载荷,箱形结构和连续运输机上的货物可看作是连续分布的。(3)动载荷动载荷是由运动速度改变而引起的质量力,即惯性力。在启动与制动期间,刚体做平移运动时,它的质量产生加速或减速惯性力。(4)风载荷由于本设计是属于室内工作,故不存在风载荷。3.2 桥架金属结构计算所计算是起重机桥架由两根用钢板焊接是箱形主梁组成,主梁固定在装有大车轮的端梁上。此外,装有大车运行机构的辅助横梁和纵梁也固定在桥架上。桥架上设有栏杆和走台在端梁头部装有缓冲器。桥架跨度 L = 16.5 米初定起重机轮距 B = 4.5 米初定小车轨距 K 小车 =2 米初定小车轮距 b= 1.6 米桥架为正轨箱形焊接结构。桥架材料选用 Q215 钢(GB700-88)3.2.1 主梁计算载荷假定小车车轮轮压相等,则起重机在额定载荷下每一个车轮到轨道上的移动载荷为:P = K + = 1.2 + = 4200 公斤1动 4Q小 车G4108式中 K 动 动力系数,考虑货物提升或下降时的惯性力,K 动 = 1.1 ;1.2 ;1.3 相应于轻级、中级和重级工作类型,本设计采用中级工作类型。假定大车运行机构的重量均匀地作用在一根梁上,则双梁桥架半边的重量和运行机构自重所产生的均布载荷为:q = 公斤/米梁 4801.5.6205.0cKLG机桥式中 半边焊接箱形双梁桥架自重(不包括端梁) , 近似为 = 5000 公斤桥G5.0 桥G5.(如图 3) ; 大车运行机构重量,近似为 = 2200 公斤;机 机G 考虑起重机运行时振动的系数;cK当 v 时, = 1.0;起 秒米 /1cK当 1.5 米/秒 v 时, = 1.1;起 秒米 /1c当 3 米/秒 v 时, = 1.2。起 秒米 /5.1cK图 3 双梁桥架焊接箱形重量曲线图司机室和电气设备重量产生的集中载荷为:p = G = 1.1 2000 = 2200 公斤2cK司 式中 G 司 司机室和电气设备的重量,G 司 = 2000 公斤 集中驱动的大车运行机构装在与主梁相连的悬臂横梁上,其扭矩为:M = e = 2200 0.75 = 1650 公斤 米1机G式中 e 为大车运行机构重心至主梁截面中心的水平距离。M根据计算经验,当起动和制动时起重机的加速度为 0.25 米/秒 和 0.5 米/秒 ,而当22猛烈起动或制动时,假定加速度增加一倍,即 0.5 米/秒 和 1.0 米/秒 。根据车轮和轨2道的粘着条件,最大加速度为:0.98 米/秒48.920max总驱ng2因此,猛烈制动时 = 0.98 米/秒 。桥架猛烈制动时在水平面内引起的横向均布ax制 2惯性载荷为: maxmax5.0制机桥制惯 gLGLq公斤/米498.168925猛烈制动时,由司机室重量在水平面内引起的横向集中惯性载荷为:200 公斤.0max1制司惯 gGp猛烈制动时,小车自重和吊重在水平面内引起的横向集中惯性载荷为:740 公斤98.21482ax制小 车惯 Q根据计算经验,起动和制动时,小车的加、减速度为 0.1 米/秒 和 0.25 米/秒 ,当22猛烈起动和制动时,小车的加速度可为 0.2 米/秒 和 0.5 米/秒 。根据车轮和轨道的粘着条件加速度值可达 0.98 米/秒 。因此,小车猛烈制动时 a 制 max= 0.5 米/秒 。当负载2小车猛烈制动时,在水平面内的纵向集中惯性载荷为:378 公斤5.08.9214max3制小 车惯 gQGp3.2.2 主梁截面尺寸的选择桥架中部箱形主梁的高度:H =( )L = ( ) 1650020162016=1030 825 毫米取 H = 900 毫米支承处的梁高为:H =(0.6 0.7)H =(0.6 0.7) = 540 630 毫米1 90取 H = 600 毫米1变截面倾斜长度:L =(0.1 0.2)L =(0.1 0.2) = 1650 3300 毫米c 1650取 L = 2000 毫米c上、下翼缘板宽度:B =(0.5 0.33)H =(0.5 0.33) = 450 297 毫米90此外,翼缘宽度应满足条件:B 毫米35160L取 B = 350 毫米初算时取腹板厚度 毫米,而上、下翼缘板厚度 毫米(图 4)61 82a 跨中;b 支承附近图 4 桥架主梁横截面第 4 章 主体结构各承载部分的计算与校核4.1 主梁主要截面计算上、下翼缘的截面积: F = 2 厘米1568.032腹板的截面积 F = 2 厘米1.4截面总面积: F = F + F = 56 + 106 = 162 厘米12 2对 x x 轴的截面惯性矩:翼缘:I 231 4.08.52.0x= 111400 厘米 4腹板:I = 厘米x26801.034截面总惯性矩:I I I = 111400 + 68080Xx12= 180480 厘米 4对 x x 轴的截面模数:W = 厘米x01581ZI3对 y y 轴的截面惯性矩翼缘:I = 厘米y171238.04腹板:I 232 3.056.481.y= 26483 厘米截面总惯性矩:I I I = 5717 + 26483y1y2= 32200 厘米 4对 y y 轴的截面模数:W = 厘米y 1840352BIy 34.2 主梁支承附近截面的计算上、下翼缘的截面积: F = 56 厘米12腹板的面积 : F = 2 厘米706.4582截面总面积: F = F + F = 56 + 70 = 162 厘米12对 x x 轴的截面惯性矩:翼缘:I 231 4.098.52.0x= 49068 厘米 4腹板:I = 厘米x2198.56034截面总惯性矩:I I I = 49068 + 19918X1x2= 68986 厘米 4对 x x 轴的截面模数:W = 厘米x2306891HI 3对 y y 轴的截面惯性矩:翼缘:I = 厘米y1571238.04腹板:I 232 3.06.481.5y= 17496 厘米截面总惯性矩:I I I = 5717 + 17496y1y2= 23213 厘米 4对 y y 轴的截面模数:W = 厘米y 132652BIy 3按额定载荷时桥架和小车同时猛烈制动的最不利载荷情况计算主梁。此外,也考虑由大车运行机构和司机室重量对梁引起的载荷。对主梁 0 0 轴(如图 5)的扭矩图 5 扭矩计算图M 35740160215.64213 hpMlpLeq惯惯惯扭= 33490 公斤 厘米当改变力 和 的方向时,对主梁 0 0 轴的扭矩为:惯 2惯 16025.1645374311 lpLeqhp惯惯惯扭= -490 公斤 厘米取最大值( = 33490 公斤 厘米)作为扭矩计算值。求由固定载荷和移动载荷在扭M垂直和水平内产生的主梁最大弯矩。当跨度中心至载荷 p 的距离与跨度中心至合力 R 的1 距离相等时,即主梁跨中至载荷 p 之间的距离为 时,两个移动载荷在左边车轮下面的14b梁截面内产生最大弯矩。在垂直面内主梁的支承反力:由固定载荷的作用(如图 6a)图 6 主梁计算图a 和 b 分别为由固定载荷和移动载荷在垂直面内的作用;c 和 b 分别为有固定载荷和移动载荷的惯性力在水平面内的作用;e 由于扭矩的作用。 公 斤梁 58605.162.480.202 LqlpRkB 公 斤梁 4.22 lKA由活动载荷的作用(如图 6b) 公 斤3965.164.24021 LbpRB公 斤4035.16.24021 LbpRA= 2.25 米 , b = 1.6 米Kl弯矩值:= 3996 = 31369 公斤 米1BM42b4.21RL22 4bLqlbpK梁= 5860 46.15 246.152805.61.0= 18892 公斤 米由垂直载荷在截面 1 1 引起的最大弯矩:公斤 米502613982 M在水平面内主梁的支承反力 (图 6c、d):公斤5365.16.4.021 LqpRKB惯惯水公斤90.221 lKA惯惯水公斤35.1647045.022 LbpRB惯“水公斤8.2.2 A惯”水弯矩值:= 352 = 2763 公斤 米“水BRM24bL46.125水2 21 4bLqlbpK惯惯= 536 46.25 246.152.6125.0= 1732 公斤 米华东交通大学毕业设计1第 1 章 绪言1.1 起重机的概述工程起重机是各种工程建设广泛使用的重要起重设备,它对减轻劳动强度,节省人力,降低建设成本,提高施工质量,加快建设速度,实现工程施工机械化起着十分重要的作用。起重机作业是使物品沿空间的三个方向运动。其中作上下移动的起升机构是不可缺少的。平面运动可以用两种不同的运动组合来实现。按照这种组合方式不同,起重机可分为两大类型:桥式起重机和回转类型起重机。桥式类型起重机就依靠起重机运行机构和小车运行机构的组合使所搬运的物品在长方形平面内运动。驱动起重机运动的是起升机构、运行机构、回转机构和变幅机构。为了实现这些运动、安放这些机构并承受载荷,起重机必须有足够的强度和刚度的金属结构,有驱动机构运动并实现运动控制的动力控制系统;以及,为保证起重机安全并可靠运转的安全和信号指示装置。起重机的特点是:短周期的循环作业。一个工作循环包括:取物,起升并运行靠卸货点,下降,卸料,然后空车返回原地。一个工作循环的时间一般只要几十秒种到几分钟,最长的也不会超过一、二十分钟。这一特点对它的动力装置的选择及电气设备容量的计算有较大的影响。经常起动、制动引起传动机构和金属结构的强烈冲击和振动,导致产生较大的动载荷,由于这种载荷是非常平稳的,这使得强度和疲劳计算变得较为复杂。此外,对于装卸散装物料的起重机,生产效率是一个很重要的性能指标, 它不仅取决于各机构的运动速度,而且也依赖装卸物料的辅助时间的大小。因此对于速度、加速度值,运动的重叠程度,取物及卸货的自动化程度的选择等都应仔细考虑。双梁桥式起重机尤其适合室内重物的起升和搬运,所以广泛被工厂所采用。桥架结构的设计好与坏对起重机的性价比(性能与价格的比)提高有很重要的意义。长期以来,机械设计工作者沿用类比的设计方法。这种设计过程可概括为“设计分析再设计”的过程。即首先根据设计任务及要求进行调查研究和收集有关资料,参照相同或类似任务现有的、已经完成的较为成熟的设计方案。凭借设计者的经验辅以必要的分析计算。确定一个合适的设计方案,并通过估算初步确定有关参数,然后对初定方案进行必要的分析及校核计算;如果某些设计要求得不到满足。则可进行设计方案的修改。设计参数的调整,并再次的进行分析计算。如此多次反复,直到获得满意的设计方案为止。此方法不仅需要花费较多的时间,增加设计周期,而且只限于在少数方案中进行分析比较。随着电子计算机技术的发展和应用,以线性规划与非线性规划为主要内容的新的数学规划应用于工程设计问题。双梁桥式起重机桥架设计应用该优化方法,将迅速得到一对相对很合理的截面参数。这不仅降低了设计者的工作强度,而且与提高了设计方案的可行性。使得起重机金属结构的合理设计,对减轻起重机自重,提高起重性能,节约钢材,提高起重机的可靠性都有重要意义。2.2 起重机发展趋势对工程起重机,特别是大功率的工程起重机的需要量日以增加。随着现代科学技术的发展,各种新技术、新材料、新结构、新工艺在工程起重机上得到广泛的应用。所有陈向城:桥式起重机主体结构设计2这些因素都有里地促进了工程起重机的发展。根据国内外现有工程起重机产品和技术资料的分析,近年来工程起重机的发展趋势主要体现在以下几个方面:(1)广泛采用液压技术液压传动具有体积小、重量轻、机构紧凑、能无级调速、操纵简便、运转平稳和工作安全的优点。(2)通用型起重机以中小型为主,专用起重机向大型大功率发展为了提高建设工程的装卸和安装作业的机械化程度,工程起重机的发展,仍然是以轻便灵活的中小型起重机为主。(3)重视“三化” ,逐步过渡采用国际标准三化是指:标准化、系列化、通用化(4)发展一机多用产品为了充分发挥工程起重机的作用,扩大其使用范围,有的国家在设计起重机是重视了 产品的多用性。(5)采用新技术、新材料、新结构、新工艺为了减轻起重机的自重,提高起重机的性能,保证起重机可靠地工作,现在都多采用新技术、新材料、新结构和新工艺。华东交通大学毕业设计3第 2 章 起重机总体方案设计2.1 起重机参数确定(1)室内工作(2)额定起重量:Q = 10 吨(3)起升高度:H = 12 米(4)起升速度:v 升 = 8 米/分 (5)小车运行速度:v 小 = 40 米/分(6)大车运行速度:v 大 = 90 米/分选跨度 L = 16.5 米,机构工作类别 中级(JC = 25%)2.2 起重机总体方案对于起重量为 10 吨的桥式起重机,可以设计成电动单梁葫芦式,即桥式起重机采用单主梁结构,在主梁的下端焊接有工字钢来作为电动葫芦的运行轨道,起吊货物直接通过电动葫芦完成;还可以采用双梁小车式方案,即采用双主梁结构,小车运行于安装在主梁上的轨道上,起吊货物由小车起升机构来完成。对这两种方案都是可行的,同时也是现在比较通用的两个设计方案,经过认真比较,决定采用双梁小车式。首先,虽然现在起重量为 10 吨的电动葫芦已经大量生产,但还没有实行标准化和系列化,设计资料相对残缺和稀少;而运行小车式桥式起重机设计资料相对多一点,有利于进一步的设计和优化。其次,这次设计的起重机选用跨度为 16.5 米,如果采用单梁电动葫芦式,势必使主梁结构庞大,由于主梁大都采用箱形焊接结构,尺寸增大就会增加焊接难度,且增大焊接变形。再次,采用双梁小车式,设计制造安装方便,设备维护和维修简单。双梁桥式起重机传动系统的设计,主要包括起升机构传动系统的设计、小车运行机构设计及大车运行驱动机构设计。主要采用电力驱动,通过联轴器和减速器再把动力传递到工作机构,对于这种传递系统,由于电动机、联轴器及减速器均以标准化,因而可以选用标准件而简化设计。2.3 桥架主体结构方案(1)主梁采用正轨箱形结构(如图 1 a)陈向城:桥式起重机主体结构设计4a 正轨箱形梁;b 偏轨箱形梁;c 半偏轨箱形梁图 1 正轨箱形结构图(2)桥架为焊接结构(如图 2)图 2 箱形梁焊接图华东交通大学毕业设计5第 3 章 起重机主体结构设计3.1 起重机钢结构载荷情况作用在起重机上的外载荷有:起升载荷、自重载荷、动载荷和风载荷等。(1)起升载荷起升载荷就是由起升机构吊起的货物和取物装置以及其它随同升降的装置重量之总合。对起升高度很大的钢丝绳起升机构,起升载荷应包括挂着的钢丝绳重量。(2)自重载荷起重机本身重量包括机械部分、金属结构及电气设备等的重量。如果起重机上装有运输机,则应考虑运输机及其上的货物的重量。自重在设计前一般是未知的,可参考同类型参数接近的起重机的自重做初步选定。有些手册上列有各类起重机依照起重量或载重力矩而定的自重表可供参考。自重的分配根据结构情况而定。机械及电气设备一般可看作是集中载荷,箱形结构和连续运输机上的货物可看作是连续分布的。(3)动载荷动载荷是由运动速度改变而引起的质量力,即惯性力。在启动与制动期间,刚体做平移运动时,它的质量产生加速或减速惯性力。(4)风载荷由于本设计是属于室内工作,故不存在风载荷。3.2 桥架金属结构计算所计算是起重机桥架由两根用钢板焊接是箱形主梁组成,主梁固定在装有大车轮的端梁上。此外,装有大车运行机构的辅助横梁和纵梁也固定在桥架上。桥架上设有栏杆和走台在端梁头部装有缓冲器。桥架跨度 L = 16.5 米初定起重机轮距 B = 4.5 米初定小车轨距 K 小车 =2 米初定小车轮距 b= 1.6 米桥架为正轨箱形焊接结构。桥架材料选用 Q215 钢(GB700-88)3.2.1 主梁计算载荷假定小车车轮轮压相等,则起重机在额定载荷下每一个车轮到轨道上的移动载荷为:P = K + = 1.2 + = 4200 公斤1动 4Q小 车G4108式中 K 动 动力系数,考虑货物提升或下降时的惯性力,K 动 = 1.1 ;1.2 ;1.3 相应于轻级、中级和重级工作类型,本设计采用中级工作类型。假定大车运行机构的重量均匀地作用在一根梁上,则双梁桥架半边的重量和运行机构自重所产生的均布载荷为:陈向城:桥式起重机主体结构设计6q = 公斤/米梁 4801.5.6205.0cKLG机桥式中 半边焊接箱形双梁桥架自重(不包括端梁) , 近似为 = 5000 公斤桥G5.0 桥G5.(如图 3) ; 大车运行机构重量,近似为 = 2200 公斤;机 机G 考虑起重机运行时振动的系数;cK当 v 时, = 1.0;起 秒米 /1cK当 1.5 米/秒 v 时, = 1.1;起 秒米 /1c当 3 米/秒 v 时, = 1.2。起 秒米5.c图 3 双梁桥架焊接箱形重量曲线图司机室和电气设备重量产生的集中载荷为:p = G = 1.1 2000 = 2200 公斤2cK司 华东交通大学毕业设计7式中 G 司 司机室和电气设备的重量,G 司 = 2000 公斤 集中驱动的大车运行机构装在与主梁相连的悬臂横梁上,其扭矩为:M = e = 2200 0.75 = 1650 公斤 米1机 式中 e 为大车运行机构重心至主梁截面中心的水平距离。M根据计算经验,当起动和制动时起重机的加速度为 0.25 米/秒 和 0.5 米/秒 ,而当22猛烈起动或制动时,假定加速度增加一倍,即 0.5 米/秒 和 1.0 米/秒 。根据车轮和轨2道的粘着条件,最大加速度为:0.98 米/秒48.920max总驱ng2因此,猛烈制动时 = 0.98 米/秒 。桥架猛烈制动时在水平面内引起的横向均布ax制 2惯性载荷为: maxmax5.0制机桥制惯 gLGLq公斤/米498.168925猛烈制动时,由司机室重量在水平面内引起的横向集中惯性载荷为:200 公斤.0max1制司惯 gGp猛烈制动时,小车自重和吊重在水平面内引起的横向集中惯性载荷为:740 公斤98.21482ax制小 车惯 Q根据计算经验,起动和制动时,小车的加、减速度为 0.1 米/秒 和 0.25 米/秒 ,当22猛烈起动和制动时,小车的加速度可为 0.2 米/秒 和 0.5 米/秒 。根据车轮和轨道的粘着条件加速度值可达 0.98 米/秒 。因此,小车猛烈制动时 a 制 max= 0.5 米/秒 。当负载2小车猛烈制动时,在水平面内的纵向集中惯性载荷为:378 公斤5.08.9214max3制小 车惯 gQGp3.2.2 主梁截面尺寸的选择桥架中部箱形主梁的高度:H =( )L = ( ) 1650020162016=1030 825 毫米取 H = 900 毫米支承处的梁高为:H =(0.6 0.7)H =(0.6 0.7) = 540 630 毫米1 90陈向城:桥式起重机主体结构设计8取 H = 600 毫米1变截面倾斜长度:L =(0.1 0.2)L =(0.1 0.2) = 1650 3300 毫米c 1650取 L = 2000 毫米c上、下翼缘板宽度:B =(0.5 0.33)H =(0.5 0.33) = 450 297 毫米90此外,翼缘宽度应满足条件:B 毫米35160L取 B = 350 毫米初算时取腹板厚度 毫米,而上、下翼缘板厚度 毫米(图 4)61 82a 跨中;b 支承附近图 4 桥架主梁横截面华东交通大学毕业设计9第 4 章 主体结构各承载部分的计算与校核4.1 主梁主要截面计算上、下翼缘的截面积: F = 2 厘米1568.032腹板的截面积 F = 2 厘米1.4截面总面积: F = F + F = 56 + 106 = 162 厘米12 2对 x x 轴的截面惯性矩:翼缘:I 231 4.08.52.0x= 111400 厘米 4腹板:I = 厘米x26801.034截面总惯性矩:I I I = 111400 + 68080Xx12= 180480 厘米 4对 x x 轴的截面模数:W = 厘米x01581ZI3对 y y 轴的截面惯性矩翼缘:I = 厘米y171238.04腹板:I 232 3.056.481.y陈向城:桥式起重机主体结构设计10= 26483 厘米 4截面总惯性矩:I I I = 5717 + 26483y1y2= 32200 厘米 4对 y y 轴的截面模数:W = 厘米y 18035BIy 34.2 主梁支承附近截面的计算上、下翼缘的截面积: F = 56 厘米12腹板的面积 : F = 2 厘米706.4582截面总面积: F = F + F = 56 + 70 = 162 厘米12对 x x 轴的截面惯性矩:翼缘:I 231 4.098.52.0x= 49068 厘米 4腹板:I = 厘米x2198.56034截面总惯性矩:I I I = 49068 + 19918X1x2= 68986 厘米 4对 x x 轴的截面模数:W = 厘米x2306891HI 3对 y y 轴的截面惯性矩:翼缘:I = 厘米y1571238.04腹板:I 232 3.06.481.5y华东交通大学毕业设计11= 17496 厘米 4截面总惯性矩:I I I = 5717 + 17496y1y2= 23213 厘米 4对 y y 轴的截面模数:W = 厘米y 13265BIy 3按额定载荷时桥架和小车同时猛烈制动的最不利载荷情况计算主梁。此外,也考虑由大车运行机构和司机室重量对梁引起的载荷。对主梁 0 0 轴(如图 5)的扭矩图 5 扭矩计算图M 35740160215.64213 hpMlpLeq惯惯惯扭= 33490 公斤 厘米当改变力 和 的方向时,对主梁 0 0 轴的扭矩为:惯 2惯 16025.1645374311 lpLeqhp惯惯惯扭= -490 公斤 厘米取最大值( = 33490 公斤 厘米)作为扭矩计算值。求由固定载荷和移动载荷在扭M陈向城:桥式起重机主体结构设计12垂直和水平内产生的主梁最大弯矩。当跨度中心至载荷 p 的距离与跨度中心至合力 R 的1 距离相等时,即主梁跨中至载荷 p 之间的距离为 时,两个移动载荷在左边车轮下面的14b梁截面内产生最大弯矩。在垂直面内主梁的支承反力:由固定载荷的作用(如图 6a)图 6 主梁计算图a 和 b 分别为由固定载荷和移动载荷在垂直面内的作用;c 和 b 分别为有固定载荷和移动载荷的惯性力在水平面内的作用;e 由于扭矩的作用。 公 斤梁 58605.162.480.202 LqlpRkB华东交通大学毕业设计13公 斤梁 42605.16.4802022 LqlpRKA由活动载荷的作用(如图 6b) 公 斤3965.16.24021 bpB 公 斤40.1 LRA= 2.25 米 , b = 1.6 米Kl弯矩值:= 3996 = 31369 公斤 米1BM42b46.1251RL22 4bLqlbpK梁= 5860 46.15 246.152805.61.0= 18892 公斤 米由垂直载荷在截面 1 1 引起的最大弯矩:公斤 米502613982 M在水平面内主梁的支承反力 (图 6c、d):公斤5365.16.4.021 LqpRKB惯惯水公斤90.221 lKA惯惯水公斤35.1647045.022 LbpRB惯“水公斤8.2.2 A惯”水弯矩值:= 352 = 2763 公斤 米“水BRM24bL46.125陈向城:桥式起重机主体结构设计14水BRM24bL21 442bLqlbLpK惯惯= 536 6.5126.152.65.0= 1732 公斤 米由水平载荷的作用,截面 1 1 的最大弯矩:公斤 米495276322 M由垂直载荷的作用,截面 1 1 的弯曲正应力(载荷组合 A):公斤/厘米 21405xW取安全系数为 n = 1.5,则1253 1.5 = 1880 公斤/厘米 2 A =3418 公斤/厘米 2,故符合强度设计要求。式中 A = 3418 公斤/厘米 Q215 钢的许用应力(查起重机设计手册 )由水平载荷的作用,截面 1 1 的弯曲正应力:公斤/厘米 22480952yWM由垂直载荷和水平载荷(载荷组合 B)的作用,截面 1 1 的最大弯曲正应力:公斤/厘米 29715321MAX取安全系数为 n = 1.5,则1497 1.5 = 2246 公斤/厘米 2 3418 公斤/厘米 2,故符合强度设计要求。B主梁支承附近的截面按剪力和扭矩共同作用下产生的剪应力进行计算。当满载小车位于支承 B 的边缘位置时,支承截面将出现最大剪力。合力 R 至支承 B的距离 = 1.5 米。1l当载荷作用时:在垂直面内 LqlplRKB 2221max 梁= 5.1625.16480.0.5640华东交通大学毕业设计15= 12615 公斤在水平内 LLqlplpRKB 221max 惯惯惯水 = 5.165.16420.56740 2= 1131 公斤近支承处主梁截面的一半面积对 x x 轴的静矩为:厘米340.02.96.8035xS 3支承截面(x x 轴附近)处的剪应力:公斤/厘米 = 2050 公斤/厘米5.269141 bIQx 2A2式中 Q 剪力(公斤) ,Q = maxBRb = 2 两块腹板的厚度厘 米.0公斤/厘米 载荷组合 A 的许用剪应力96AA2在扭矩作用下支承截面处的剪应力(扭矩由两根主梁承受):公斤/厘米5.76018234922 FMW扭扭扭 2式中 F 腹板和翼缘板中心线所围成的矩形面积,F = 31.6 厘米 。187.92陈向城:桥式起重机主体结构设计16图 7 主梁内加劲板布置图载荷组合 B 时在支承截面处的最大剪应力:公斤/厘米 = 2050 公斤/厘米5.21.05212B2式中 = 0.6 = 2050 公斤/厘米 。BB由于小车自重和额定载荷对主梁产生下扰度的作用,故主梁需要预供(如图 8)图 8 主梁上拱示意图华东交通大学毕业设计17由小车自重和额定载荷产生的主梁扰度:厘米36.28.1041.2486505485.0 33 fEILGQfx小 车所以预拱度符合设计要求。式中 允许扰度f= 厘米f36.27015L在主梁内用加强横板(加劲板)来保证主梁腹板的稳定性,其布置见(如图 7)4.3 端梁计算以桥架自重和位于支承 B 附近(如图 9)的带额定载荷的小车重量所产生的载荷作用下来计算端梁,端梁上的载荷为:图 9 端梁计算图陈向城:桥式起重机主体结构设计18由负荷最大的主梁所产生的载荷 公 斤梁 1265max1BRp由负荷较小的主梁所产生的载荷(不考虑司机室和大车运行机构的重量)Lqlp221梁梁 = 5.16.387402= 10829 公斤式中 = 公斤;梁q 387.5.165.0ckLG导桥 导电架重量, = 800 公斤。导 导在水平内端梁承受由于小车猛烈制动时引起的载荷公斤378惯p在垂直和水平面内端梁的支承反力为: 公 斤 梁梁1325.425.16.08912BaRC式中 B = 4.5 米;K = 2 米;a = 1.25 米。小 车= 14120 公斤DR= = 440 公斤cd截面 A A 的弯矩:公斤1765021401 aRMD梁 厘 米公斤2“梁 厘 米端梁通常采用箱形截面(图) 。端梁的高度取与主梁支承处的高度相等(H毫米) 。上、下翼缘的宽度 毫米。该截面的惯性601H端 3065.0端端B矩为 厘米 , 厘米 , 厘米 , 厘米 ,97xI41598yI42xW17y3华东交通大学毕业设计19厘米1932xS3在垂直和水平面内由于弯矩在截面 A A 处引起的正应力为:公斤/厘米854206171xWM梁2公斤/厘米2y梁 2在截面 A A 上总的正应力为:公斤/厘米906528421C 2截面 A A(在 x x 轴附近)的剪应力:公斤/厘米376.0261791 bISRxD 2截面 A A 的强度条件: 21C公/03679022取安全系数 n = 1.5 ,则1110 1.5 = 1665 2 公/418所以截面 A A 的强度条件符合设计要求。陈向城:桥式起重机主体结构设计20总结对桥式起重机的主体结构部分进行设计计算并对其校核计算。计算结果表明,所设计的桥式起重机主体结构符合基本设计要求,本设计在桥架结构设计上采用了目前广泛流行的箱形结构,而且采用正轨箱形结构,这种结构可减轻整机重量和焊接变形。端梁采用可拆角型轴承箱式,这种结构运输方便、安装容易,其功能实现合理,结构简单实用。华东交通大学毕业设计21参 考 文 献1 张 质 文 起 重 机 设 计 手 册 M 中 国 铁 道 出 版 社 , 1998 2 倪 庆 兴 , 王 焕 勇 起 重 机 械 M 机 械 工 业 出 版 社 , 19833 单 辉 祖 材 料 力 学 M 高 等 教 育 出 版 社 , 19994 东 北 大 学 机 械 零 件 设 计 手 册 编 委 会 机 械 零 件 设 计 手 册 M 冶 金 工 业出 版 社 , 19915 伊 万 琴 柯 起 重 运 输 机 械 计 算 M 中 国 铁 道 出 版 社 , 19826 倪 庆 兴 , 王 殿 臣 起 重 输 送 机 械 图 册 M 机 械 工 业 出 版 社 , 19927 洪 家 娣 , 许 玢 机 械 设 计 指 导 M 江 西 高 校 出 版 社 , 20018 纪 名 刚 机 械 设 计 M 高 等 教 育 出 版 社 , 20029 付 荣 柏 起 重 机 钢 结 构 制 造 工 艺 M 中 国 铁 道 出 版 社 , 199611申 永 胜 机 械 原 理 教 程 M 清 华 大 学 出 版 社 , 199312 陈统坚 机械工程英语M机械工业出版社, 1996陈向城:桥式起重机主体结构设计22附录 A:英文原文Archive of Applied Mechanics Springer-Verlag 2000Applicability of the Hertz contact theoryto rail-wheel contact problemsW. Yan, F. D. FischerSummary Rail-wheel contact problems have been analyzed by applying three-dimensional nite element models. Based on these models, the applicability of the Hertz contact theory (HCT) to rail-wheel contact problems is verified in the present paper. Beside a standard rail, also a crane rail and a switching component are considered in the verification. In the case of a contact between the standard rail UIC60 and the standard wheel UICORE, different transverse contact positions are analyzed. Numerically calculated distributions of the contact pressure for different types of rails with respect to different initial contact positions agree with the results from the HCT only if either the contact zone does not spread into a region of changed surface curvature or if plastification does not occur. Finally, the convective part of the dissipation power due to friction is calculated, which cannot be provided directly by the HCT.Key words: Hertz contact theory;rail-wheel contact;elastic-plastic material1IntroductionSince Heinrich Hertz published his contact theory in 1882, 1, it has been extensively applied in many engineering elds which deal with contact problems. The application of the Hertz contact theory (HCT) in rail-wheel contact problems can be found also in the recent literature. For example, the HCT is applied in 2, 3 to investigate the growth of shell-type defects in the head of a railroad rail. Hertzian contact pressure is applied in a fatigue life model 华东交通大学毕业设计23to describe the damage of wheels in 4. An approx- imation of the HCT is used in the three-dimensional (3D) rail-fatigue model PHOENIX to describe the fatigue initiation in rail subsurface, 5, etc. The program CONTACT of the Delft group, 6, 7 can be considered as one of the most prominent programs in Europe for calculating the contact area and the corresponding deformation and stress state. However, CONTACT is based on the theory of an elastic halfspace.Besides the HCT, a point load iteration method has recently been used to obtain the contact pressure in order to investigate the state of residual stress in a rail head, 8. With the development of computational tools, numerical calculations have recently been extended to every corner of scientic research. For instance, a self-developed nite element (FE) code is applied in 9 to analyze rail-rolling contact fatigue cracks.The HCT leads to an elliptical contact area and a semi-ellipsoid contact pressure distribution in the contact region. Due to its effciency and simplicity, this theory has been extensivelyapplied since its publication. However, as mentioned in 10, there are two limiting conditions for the applications of the HCT:the contact between elastic bodies should be frictionless,the significant dimensions of the contact area should be much smaller than the dimensions and the radii of curvature of the bodies in contact.The first condition is approximately satisfied for rolling contact. Usually, the friction between the rail and the wheel can be considered separately, because its in influence on the stress state introduced by the normal compressive load can be neglected.The second condition is often violated, e.g. in the case of a switching component or for some special contact positions, such as gauge corner contact due to the transverse movement of the wheel axle. In this case, the contact zone may spread into regions of changed surface curvature. Moreover, plastic deformation can happen both in the wheel and in the rail, especially in cases with high axle loads.In the last few years, a large number of 3D FE investigations were performed by our group applying ABAQUS, 11, for real rail/wheel/sleeper/bedding configurations. Based on this extensive study, the numerical results from the 3D FE calculations were compared to the HCT. Some interesting results concerning the application of the HCT to rail-wheel contact problems have been obtained, and will be presented in this paper.2Hertz contact theoryIf two elastic nonconforming bodies contact together then, according to the HCT, 10, the contact area is elliptical in shape with a major semi-axis a and a minor semi-axis b. The distribution of the contact pressure in this elliptical area represents a semi-ellipsoid, which can be expressed as,201byxPbyx,陈向城:桥式起重机主体结构设计24Here, the origin of the coordinate system is located at the contact center, which is the initial contact point; p0 is the largest contact pressure, which appears at the contact center; the x-axis extends along the major axis, and the y-axis along the minor axis. The values of p0, a and b depend both on the external normal compressive force F perpendicular to the initial tangent plane and on the geometry of the contacting bodies near the contact region. Hertz assumed that the profiles of the contacting bodies near the contact region can be described by quadratic surfaces. Thus, the geometrical conditions are completely defined by the principal radii of curvature and their relative orientation at the initial contact point. Finally, p0, a and b are determined by applying the following combinations of the principal radii of curvature:212121213 si RR2121214 cos R215 RRHere, R1 and R”1 are the minimum and maximum values, respectively, of the radius of curvature of the first body at the initial contact point, and R2 and R”2 are the corresponding values for body 2; the curvature radius is taken to be positive if the center of curvature lies within the body. Parameter is the angle between the principal normal sections with the minimum curvature radius in the first body and the second body. Tabular data from numerical computations for the values of p0, a and b computed from 3, 4and 5 can be found in 12. The orientation angle of the major axis of the contact ellipse relative to the principal normal section with minimum curvature radius of the first body can be determined by421 s2sRRThe maximum contact pressure p0 and external normal compressive force F are related by a 1/3-power law, p0 F1/33VerificationIn our verification, three kinds of rails and their corresponding wheels are considered. The first one is a crane rail Cr135. The geometrical conditions for the application of the HCT are well satisfied in this case. Thus, this configuration is also a good example to check our numerical calculations.The second one is the central component of a railway switch, named “frog”. The wheel moves from a wing rail to a frog during a switching-over process. This switching is 华东交通大学毕业设计25accompanied by a sudden change in the inclination of the wheel-center path and, therefore, by the transfer of a momentum to the frog. The minor principal curvature radius at the contact point of the frog is relatively small. We will check whether the HCT can be applied in this case.Finally, a standard rail UIC60 is considered. The curvature radii of the cross-sectional profile are 300 mm, 80 mm and 13 mm. The initial contact position varies in practice due to the transverse shift of the wheel axle. Four typical transverse contact positions are considered both by the HCT and by 3D FE calculations.Furthermore, results are presented for elastic-plastic material behavior which, of course,leads to a significant deviation from the HCT.附录 B:英文译文Archive of Applied Mechanics Springer-Verlag 2000赫兹触点理论在铁轨和车轮接触问题上的应用W. Yan, F. D. Fischer摘要 运用三维的 nite 元素模型分析铁轨和车轮接触问题。基于这些模型,这篇文章是检验赫兹触点理论(HCT)在铁轨车轮接触问题上的应用。在一条标准的轨道旁边,一条起重机轨道和一个交换的组成部分也在检验中被考虑。在标准轨道 UIC60 和标准轮子UICORE 之间的一种接触情况下,分析不同横向的接触位置。为了不同类型的轨道关于不同的初始接触位置而在数目上计算分配接触压力仅当接触地区不传播到变化的表面曲率的一个地区中,任一个或者仅当软化作用不发生时,HCT 符合结果。最后,计算由于摩擦的对流部分的消散力,这不能被 HCT 直接提供。关键词:赫兹触点理论;铁轨车轮接触;有弹性塑料1介绍自从海因里希赫兹在 1882 年出版他的触点理论,它已经被广泛地在处理接触问题的很多工程领域方面使用。赫兹触点理论(HCT)在铁轨车轮接触问题的应用也能发现在新近的著作内。例如,HCT 被应用来研究铁路轨道头的壳式缺陷生长。赫兹接触压力在描述车轮的损害方面 疲劳寿命模式内使用。HCT 近似用于三维(3D) 轨道疲劳模式来描述在轨道表面下的菲尼克斯(P HOENIX)疲劳开始,等等。这个计划与荷兰德尔夫特陶器组有联系,可以认为是适合计算接触面积和相应的变形和压力状态的欧洲的最卓越的程序之一。不过,接触基于一个有弹性的半空间理论。除 HCT 以外,为了研究在一轨道头内的残余应力状态最近用一点负荷迭代法来获得接触压力。随着计算工具的发展,数值计算最近已经被延伸到科学研究的每个角落。例陈向城:桥式起重机主体结构设计26如,一种自我发展的 nite 元素(FE)代码被使用来分析滚动轨道的接触疲劳裂纹。HCT 在接触部位导致一个椭圆的接触面积和半椭圆体接触压力分布。正是由于它的效率和简单,这个理论从它的出版起已经被广泛地使用了。不过,象提及的那样,HCT 的应用有两种限制条件: 在有弹性的机构之间的接触应该是无摩擦力, 接触面积的相当多的尺寸应该比在接触过程中的尺寸和身体的曲率半径小得多。第一种状态是用于近似地满足滚动接触。通常,在铁轨和车轮之间的磨擦可以被分别考虑,因为它在对这压力状态的影响在那些正常压缩负荷引入之前可以被忽视。第 2 种状态经常被亵渎,例如在一个接通的组成部分情况下或者对一些特别的接触位置,例如计量器角落接触由于车轮轴的横向运动。这样的话,接触区域可以传播到变化的表面曲率的地区。而且,塑性变形既能在这个车轮内又可在铁轨里发生,特别是在高轴负载情况下。近几年,许多 3D FE 研究由我们组(使用 ABAQUS)进行,对于真正的铁轨、车轮、枕木、基床构造来说。基于这项广泛的研究,来自 3D FE 计算的数值结果被比作 HCT。一些有趣结果关于 HCT 应用在车轮接触问题上已经获得,并且将在这篇文章中介绍。2赫兹触点理论如果两个有弹性的非一致体接触到一起,那么,根据 HCT,接触面积在外形上是椭圆的用一个主半轴 a 和副半轴 b 来表示。椭圆区域的接触压力的描述用半椭圆体的较小半轴 b,可以被表示为,201byaxPbyax,这里,坐标系统的原点位于接触中心,这是最初接触点;p 0 是最大接触压力,p 0 位于接触中心;x 轴沿着长轴延伸,y 轴沿着短轴延伸。p 0 值,a 和 b 依靠两个与最初相切平面和接触面附近的接触部位的几何外部法线垂直压缩力 F。赫兹假定接触面附近的接触部位的侧面外形可以用二次方程来描述。因此,几何条件完全由曲率半径和他们的最初接触点的相对方位来定义。最后,p 0,a 和 b 使用下列主要曲率半径的组合确定: 212121213 sin RR2121214 cos R215 RR这里,R 1 和 R”1 分别是最小和最大值,最初接触点时的第一部位的曲率半径,并且 R2和 R”2 是第 2 部位的相应值;如果曲率中心位于体内,曲率半径是确定的。参数 是第 1个部位和第 2 个部位的最小曲率半径的主正截面之间的夹角。从对 p0 值的数值计算列表华东交通大学毕业设计27数据,a 和 b 从 3, 4 那里计算, 5 能被发现在12里.主正截面与第一部位的最小曲率半径一起的接触椭圆的主轴的定向角 可以确定由421 cos2cosRR最大的接触压力 p 和外部标准压缩力 F 由一条 1/3 幂次方,p F 联系。0 0313检验在我们的检验中,三个种类的轨道和他们的相应的轮子被考虑。第一个是一条 Cr135起重机轨道。在这种情况下应用 HCT 的几何条件是感到很满意的,这样,这种结构也是检查我们的数字计算的一个好例子。第二个是一条铁路开关的中心组成部分,名为“frog” 。轮子从一条机翼轨道到在交换期间的一只 frog 的行动超过过程。这个交换同时伴着轮子中心路径的突然倾斜;因此,通过转移动量 frog。在 Frog 的接触点上的次要的曲率半径是比较小的。我们将检查在这种情况下,HCT 是否能被应用。最后,考虑到标准的轨道 UIC60。具有代表性的侧面的曲率半径是 300 毫米,80 毫米和 13 毫米,实际上由于车轮轴的横向移动初期接触位置会改变。四个典型的横向接触位置都被考虑用 HCT 和 3D FE 计算。进而,结果为了弹性塑料的材料行为被提出,当然,用 HCT 导致一种有意义的偏差。陈向城:桥式起重机主体结构设计28谢辞毕业设计是学生综合运用
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