【完整版】龙门式起重机总体设计及机架金属结构设计_毕业论文设计

中文题目：龙门式起重机总体设计及金属结构设计

外文题目：Dragon Gate Cranes design and metal structure design 毕业设计（论文）共页（其中：外文文献及译文02页）图纸共2张

摘要：

起重运输机金属结构主要构件所用的材料有普通碳素钢，优质碳素结构钢，普通低合金钢，合金结构钢。金属结构的支座常用铸钢。金属结构的联分为焊接和螺栓联接两大类。

关键词：起重机，金属结构，承载能力，疲劳强度，强度。

Summary

Since the reform and opening up, with the rapid development of the national economy, the growing market demand for cranes. In recent years, the crane industry around for 15% growth rate, rapid development, the ownership of components crane industry of state-owned professional crane plant, collective, joint ventures, investment and private development rapid.

Promote research to improve productivity and product quality, reduce costs and expand the scope of application of the various field cranes and crane technology development directions. Current and emerging process, the capacity to adapt to the working environment, supports a strong ability to function, to resist fatigue strength to resist bending performance and the performance of refined performance, colleges, and economic crane design new methods.

Although Chinese crane industry in the past 10 years the metal materials with ordinary carbon steel, quality carbon structural steel, low alloy steel ordinary, alloy structural steel. Common cast steel base metal structure. Metal welding and bolts into the structure of the links in two broad categories.

key wordS:Cranes, metal structure, carrying capacity, fatigue strength, intensity

目录

2龙门式起重机设计的总体设计方案 (5)

2.1龙门起重机总体设计所需的基本参数 (5)

2.2起重机的选型 (6)

2.2.1起重机基本型式的选择 (6)

2.2.2起重机主要性能指标的选择 (6)

3起重机金属结构设计 (7)

3.1金属结构概述 (7)

3.2箱形结构门架强度计算 (8)

3.2.1金属结构的基本参数选择与设计计算 (10)

3.2.2 主减速器的润滑 (16)

3.3驱动桥-差速器 (18)

3.3.1对称式圆锥行星齿轮差速器的基本参数选择与设计计算 (19)

3.4驱动桥-半轴 (25)

3.4.1全浮式半轴的设计计算与校核 (25)

3.5驱动桥-桥壳 (28)

3.5.1 钢板冲夺焊接整体式桥壳的受力分析及强度计算 (29)

4总结 (32)

致谢 (33)

参考文献 (34)

附录A (35)

附录B (37)

概述

龙门起重机的种类很多，按龙门起重机龙门架的七部结构型式可以分为单梁龙门起重机、双梁龙门起重机和单梁龙门起重机和单主梁龙门起重机等等各种类型起重机。按照上部结构，主梁的结构又可分为单箱形主梁和双箱形主梁等等各种类型。

由于本人设计的起重机结构为龙门式箱形结构，支腿型式为“ ”型。就不考虑其他类型起重机的结构，箱形梁式结构起重机结构是国内外起重机中应用最普遍的一种梁架结构型式。因为箱形梁式具有设计简单、制造工艺性好等优点，而这些有利条件对于尺寸规格多、生产批量较大的箱式起重机标准化系列产品来说，显得更加重要。由于小车轨道整正中铺设的箱形梁式结构至今仍然是我国成批生产的、最常用的、典型的一种结构。我主要设计的内容是龙门起重机的总体设计和金属结构设计。总体设计中有起重机的选型、设计参数、质量、等。金属结构包括：梁、直架、力、强度、刚度、稳定性的校核和计算。

起重机总体设计方案

起重机选择类型为：箱形梁式龙门起重机，箱形梁式结构起重机主要由两根主梁和两根端梁组成。主梁是由上、下盖板和两块垂直腹板组成封闭的箱形截面的实体板梁结构。小车运行的轨道可以铺设在主梁上盖板的正中间，也可以设在靠里侧的垂直腹板的上方或介于上述两者之间的位置。因此，梁架中两根主梁的间距主要取决于起重小车的轨距，主要与起升机构的布置有关，梁架的两端梁间的距离取决于梁架的跨度大小。

相比之下，箱型梁结构比衍架结构耐用度高、抗弯能力强、稳定性好、经济实用。是市场上最为实用的一种类型起重机，深受客户欢迎的理想的起重机。

1起重机的总体设计主要内容包括以下方面：

1.1门式起重机总体设计方案确定。

1．1．1起重机的设计参数是指：起重量Q(t)、跨度L(m)起升高度H(m)起升速度

V(mmin)、和工作级别等。

q

已知数据和计算

起重量：50t

起升高度：4.2m 跨度：5m 起升速度：7.5 工作级别：5M 级； 机构接电持续率：25%

1.2．龙们起重机的总体方案和基本参数确定

各构件质量数据如下：

起重机总质量：kg G L 49612=；主梁：kg G q 18612=；支腿：kg G t 3853=（一根）；下横梁：kg G 2346=τ（一根）；轨道：kg G g 2950=走台栏杆：zt G =2067kg ；电气均布质量：

kg G dq 450=；吊具：kg G 3220=。

吊钩的选择：吊钩装置是起重机最重要的一个承载部件。它要求强度足够，工作安全可靠，转动灵活，不会发生突然破坏和钢丝绳脱槽等现象。

吊钩装置有长型和短型两种。长型吊钩装置的构造特点：吊钩装在横轴上，滑轮装在单独的心轴上。而短型吊钩装置的构造特点：吊钩横轴与滑轮心轴合而为一。长型吊钩装置的吊钩较短；而短型吊钩的装置的吊钩较长。我的设计选择长吊钩。

滑轮组数选择：滑轮组是由定滑轮组和动滑轮组组成。由于动滑轮组与吊钩装在一起，称为吊钩组，所以我选择定滑轮组。定滑轮组的滑轮数依滑轮组倍率不同而不同，安装在起重小车架上。双梁箱形结构形式起重机提升50t 的滑轮组为双联滑轮组。

吊钩组上起重机应用最广泛的取物装置，它由吊钩、吊钩螺母、横梁、动滑轮组、推力轴承和拉板等组成。

起重机常用的轨道有三种：1）起重机钢轨道；2）铁路轨道；3）方钢轨道。本次设计我选用起重机钢轨道（即正轨）。详细步骤如下：

1．3．1主起升机构的设计：

根据结构紧凑原则采用如图 所示的起升机构传动简图：

图 主起升机构传动简图

1——电动机；2——联轴器；3——传动轴；4——制动轮联轴器；5——制动器；6——减速器；7——卷筒；8——滑轮组；9——吊钩组

选择钢丝绳：采用双联滑轮组，取主起升机构滑轮组倍率3=h i

如图 a 、b 所示，主起升机构承载绳索分支数6322=?==h i Z 采用图号为

1607.362-T 的50t 吊钩组代用。吊钩组质量kg G 3220=，两滑轮间距mm t 3580=。滑

轮组采用滚动轴承，当3=h i 时，滑轮组效率985.0=η。钢丝绳承受最大拉力：

N i G Q S h h v 27065985

.0328

.9)32216000(2max =???+=+=

η 选用钢丝绳标记如下：

888918167019186.1786-+?GB ZS FC W NAT 确定滑轮尺寸：

滑轮的许用最小直径：mm e d D 432)125(18)1(=-=-≥ 式中，系数25=e 。选用标准滑轮mm D 450=。选用平衡滑轮mm D D p 2806.0==。 选择电动机： 静功率计算：

kW v G Q N n j 5.2485

.06010008

.78.9)32216000(601000)(=????+=?+=

η

式中 η——机构的总效率，取η=0.85。 电动机计算功率：

.6.195.248.0kW N K N j d e =?=≥式中，,8.0=d K 选则电动机的型号如下：

YZAR255M-8，s S 工作制，JC =40%，6=CZ 次，kw N e 22%)40(=，

min

7151r

n =，223.3kgm GD =。电动机轴端尺寸mm d 65=，mm l 140=

电动机的验算： 电动机的过载能力 kW v G Q m H N o M n 4.2185

.01000608.98.7)32216000(4.211.2100060)(=????+??=??+?≥

ηλ 式中 H ——系数。1.2=H ；

M λ——电动机转矩允许过载倍率，4.2=M λ。 m ——机构中电动机个数。 []e n N N <，过载演算通过 1．3门架的结构选择型式：

采用板梁结构。由于板梁结构制造方便，采用这种型式的门式起重机占多数。门架可制成双腿(全门架)，门架主梁与支腿的选择是刚性连接的。门架采用双梁。门架结构是板梁式箱形结构。双梁箱形结构门架的支腿制成“∏”型。

1．4门架的主要尺寸的确定：

门架主要构件有主梁、支腿和下横梁，皆采用箱形结构。主梁截面如图 所示，其几何尺寸如下：

箱行主梁的截面以矩形截面。门式起重机的主梁高度L H )20

1

~151(=：当采用两条刚性

支腿时，取L H )251~151(=，H B )31~21(=，采用单箱型时，取H B )1~3

2

(=。主梁几何特性：

面积 28.374cm F =；静面矩 cm S x 10150=；36860cm S y =；惯性矩 41328762cm I x =；

4559431cm I y = 截面模数 317035cm W x =；310884cm W yl =；39457cm W yr =。

对于支腿，腿高h 由所要求的门架净空尺寸确定。刚性支腿的上部连接按箱形结构宽度

H b ≥(主梁高度)确定；柔性支腿的上、下部和刚性支腿的下部连接按门架下横梁宽度及具体结果确定。

考虑到起重机沿大车轨道方向稳定性的要求，门式起重机的轮距o L K )6

1

~41(=，o L 为

主梁全长。

1．4．1门式起重机的载荷及其组合：

载荷：

作用在门式起重机上的载荷有：起重载荷、门架自重、电气设备及司机室等自重；、及风力等。

1．4．2箱形结构的门架自重：

箱形截面桥架自重 对于75t 以下的普通门式起重机，桥架(主梁)自重按下式估算： 带悬臂 q G o o H QL 5.0==0.5=??1332361283.32 无悬臂 o o q H QL G 7.0==0.721.3158133236=?? 式中 Q ——额定起重量(t )； o L ——桥架(主梁)全长(m )； o H ——起升高度(m )。

门架的计算载荷：cm

N q q f 13.5013.5011=?==?

支腿自重：双梁门架的支腿单位长度自重常取为主梁单位长度自重的0.2～0.4倍单主梁门

架的支腿单位长度自重取为主梁的0.7～0.9倍。

1．4．3惯性力(惯性载荷)

机构起、制动时产生的惯性力和冲击振动引起的惯性载荷的确定。

对于主动轮仅布置在一侧的门式起重机，设1轮为主动轮，2轮为从动轮，则大车制动惯性力dg P 为：

z

d xc z

d q xc dg

Q dg q dg dg gt v G Q gt v G P

P P P )(++

=

++===?++??315023

.21)2634(315023.2178.35231.85

式中 q

dg P ——大车制动时，由桥架自重引起的水平惯性力；

p G 、xc G 、d v 和z t 等符号 1．4．4大车运行偏斜侧向力

当门式起重机的运行速度与桥式起重机的运行速度相近时，可按下式计算侧向力： max 1.0V S = 式中 m ax V ——大车的最大轮压。

当门式起重机的运行速度较低时，侧向力按照之腿由于运行阻力不同时求出 L B W W S B A 2)(-=

=6.10233151

2)

9.215.37(=??-

表示主梁由于侧向力引起的弯矩。其中： L W W B S M B A L 2-=

?==30.127302

106

153129325=?-=? 式中 A W 和B W ——两支腿处的运行阻力，且A W >B W ； A T 和B T ——两支腿运行牵引力，且B A T T =。 1．4．5进行最大拉力验算： kN y m y M T i i x A 32)

24521502552(2245

4485022

222max =?+?+???=?∑=

1．4．6计算受拉单栓承载力

[]kN

P N t 5.1221757.07.0=?==

故 []t A N T < 验算通过。

1．4．7载荷组合

由于各种载荷不可能同时作用在门架结构上，因此要根据门式起重机的使用情况来确定这些载荷的组合。

1．5 门式起重机的计算载荷组合通常考虑以下几种情况：

1．5．1对于主梁，考虑小车位于跨中或悬臂端，小车满载下降制动，同时大车平稳制

。

动，风力平行大车轨道方向。称为计算情况II

a

1．5．2对于支腿，分别考虑门架平面和支腿平面内的两种载荷组合：

1．5．3支腿几何尺寸和几何特性：支腿总体尺寸采用∏型支腿，确定总体几何尺寸如下：

①在门架的平面内，大车不动，小车位于跨端或悬端，小车满载下降制动，同时小车运

。

行机构制动，风力沿小车轨道方向，称为计算情况II

b

表门式起重机的计算载荷组合

注：表中q G ——桥架(主梁)自重；m G ——门架(包括主梁和支腿等)自重，m F P I I ——在门架平面内，沿小车轨道方向

的风力；t

F P I I ——在支腿平面内，沿大车轨道方向的风力。其余符号同前述。

② 在支腿平面内，小车位于跨度端或悬臂端，小车满载下降制动，同时大车平稳制动，风力平行大车轨道。称为计算情况c II 。

1．5．4对于主梁和支腿，还应考虑非工作状态下的载荷组合，这时大车和小车皆不动，空载。仅作用有非工作状态的最大风载荷，称为技术情况d II 。

对于每种计算情况，由于其载荷组合出现的可能性不同，所以在设计计算时，对金属结构的许用应力值也各不相同。

2．起重机金属结构设计：

此处省略 NNNNNNNNNNNN 字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩

2．1．4支腿危险载面的强度校核验算：

对于单主梁箱形结构门架的支腿应分别选取几个载面进行强度计算： 强度验算式为：

[]σσ≤++=F

N W M W M t

x t y m max

max max

式中 m

M m a x

——门架平面，支腿验算载面的最大弯矩；

t

M m a x ——支腿平面，支腿验算载面的最大弯矩； t N m a x

——支腿平面，支腿验算载面的轴向力； x W 、y W ——验算载面对x 轴和y 轴的载面模数； F ——验算载面的面积。

根据静强度和疲劳强度条件计算截面需要的面积： []2max

4.1108345

.1802000000

mm N

A j ==

∏

∏≥

σ

[]

2Im 4.2073235

.721500000

mm N A rt ax

j ==

≥

σ

由计算结构知，杆件应根据疲劳强度条件确定截面积。杆件需要的最小截面积为20732.552mm 。

2．1．5下横梁的截面尺寸及几何特性强度验算：

将各种载荷作用在门架上引起的下横梁的弯矩叠加，然后按下式验算其强度，即弯曲应力：

[]σσ≤∑=

x W M =[]185322

318

≤∑ 式中 M ∑——作用在下横梁载面的总弯矩； x W ——验算载面对x 轴的载面模数。 主梁支腿抗弯刚度比：系数： L h I I K ?=12=7.24316

28

120324=? 式中 2I ——主梁绕x 轴惯性矩；

1I =42565398cm I x =——支腿折算惯性矩；

——安全系数，其值与强度安全系数一致，按载荷组合分别取1.5、1.33、和1.15；

[][]cr cr τσ\1 和[]mcr σ——分别为正应力、剪应力和局部压应力作用下的许用屈曲临界应

力。

当板受压应力，剪应力和局部压应力同时作用的等效复合应力按式（ ）计算时，板的屈曲安全系数可以取得小一些，一般可以减小百分之十。

2．14加肋板的稳定性校核计算：

在工程设计中，为了满足公式（ ），有时不得不增加板厚，这常常要增加钢材用量。而在板的受压部位加上几根加劲条或加强肋则可以提高板的抗屈曲能力，而且相比之下要经济些。刚性的加强肋（加劲条）能起到支承作用，将板分割为若干区格，改变了板在计算稳定性时的宽度b 和a 的值。而且，区格板的屈服系数与

a b

a

=有关，屈曲临界应力与宽（b ）平方成反比。但要注意的是刚性加强肋要有足够的弯曲刚度，要能起到支承板的作用。加强肋的刚度以 E I s ? 的乘积表示。 s I 是加强肋绕被加强板板厚中心线的面积惯性矩。加强肋的弯曲刚度和该板的弯曲刚度比称为加强肋的刚度比，常以 γ 表示，即

()

()

b

s b s b s I E EI D

EI

322

3112112δμμδγ-=

-=

==21.3721032.131

6.1122=???

式中 b,δ 为板的宽度和厚度。对于刚性加强肋而言，有最小刚度比 min γ ，亦即当刚性加强肋使区格板的屈曲临界应力小于（最多是等于）这块加肋整板的屈曲临界应力时，此加强肋的刚度比即为最小刚度比。这时，板的屈曲只能限于区格板内，也就是说区格板的屈曲将先于整板。当加强板刚度不够时，加肋板仍以整板屈曲模态失稳。此时的加强肋称为柔性加强肋。带柔性肋板的屈曲系数可按公式计算。

在求得刚性肋的最小刚度后，即可计算刚性肋的面积惯性矩。所有刚性肋的面积惯性矩（s I ）必须大于此值。

当桥式类型起重机主梁腹板被纵向肋分格为上，下两区格，并受有y 方向的局部压力m σ时，

则上区格板（图 ）的局压屈曲系数 按表 '

=m m k k 8.0 计算 ，而下区格板则按1≤a 或

31≤≤a 。此时上区格板的验算公式应为改写的式（ ）

，即 n

I

mcr m σσ≤

下区格板的局部验算公式则为：

0.4n

mcr m ∏≤σσ

式中， I mcr σ和∏

mcr σ分别为上区格板和下区格板的屈曲临界应力。

对于普通桥式起重机，由于梁的受压翼缘板属于均匀受压情况，只要合理选取板宽B 和厚度 的比值（表 ），则勿需用纵向加劲条加固梁的受压翼缘。根据满足局部稳定性条件，图3-11列出了受压翼缘尺寸比例关系。对于偏轨宽翼缘桥式类型起重机，其主梁截面较宽，而翼缘板厚 相对较薄（b-------两腹板间距；1δ -------------------上翼缘板厚度），因此受压翼缘板必须根据局部稳定性布置纵向加劲条。

当60（50）()1001201

≤<

δb

时（括号内数字用于低合金钢），应设置一条纵向加劲条，

纵向加劲条的惯性矩：

13112.0γδb I z ≥ 4cm

式中 1γ-------------系数，按表3-11选用。

表3-10 受压翼缘板的宽厚比

当)150(150)100(1201≤<δb 时，应设置两条纵向加劲条，纵向加劲条的惯性矩：

423112.0cm b I z γδ≥ 式中 2γ——系数； b ——两腹板间距。

图 受局部压力的区格板 图 受压翼缘的尺寸比例

2．15受扭构件的校核计算 1）自由扭转和约束扭转的概念

起重机金属结构中的梁为非圆截面直杆，而且是开口薄壁（工字形截面等）后闭口薄壁（箱形截面）结构。

非圆截面直杆受扭时，其横截面不再保持平面而产生翘曲现象。如果所有的截面都自由翘曲，则在截面上不会产生正应力，这称为自由扭转，这时，杆件所有截面的翘曲量相同。因此，在横截面内只产生与外扭转相平衡的剪力。这种情况只有当等截面直杆的两端作用大小相等而方向相反的力偶，且无任何约束时才会产生。

图 a 为工字形截面杆件两自由端受两个力偶作用而产生自由扭转，图 a 为变形后的情况，平行于杆轴的纵向直线（例如翼缘）仍保持直线，截面ABCD 已有翘曲不再成平面，由于各截面均能自由翘曲，且翘曲量相同，故纵向纤维长度不改变，截面上就不会产生正应力。

表 系数 1γ 值

注：b a =α，式中a ——箱形梁横向加劲板间距；b ——两腹板间距。

2.01

≤=δβb A z

，一般可先取1.0=β试算，式中z A ——一条纵向加劲条的面积2cm .

表 系数2γ 值

注：集中α和β的意义同前表。

图3-12 杆件的自由扭转

如果杆件受扭时截面不能自由翘曲，也即由于支座的阻碍或其它原因的限制，这称为约束扭转。

当杆件产生约束扭转时，由于各截面的凹凸不相同，因此杆件的纵向纤维将产生拉伸活压缩变形，杆件单位长度的扭角也沿杆长变化。由于纵向纤维的轴向应变，就使得截面上不仅存在着扭转剪应力，还存在发向应力，又因为各纵向纤维的法向应力不一定相同，就导致杆件产生弯曲（图 ） ，所以约束扭转也常称为弯曲扭转。

另一方面由于杆件弯曲必将产生弯曲剪应力，这一系列情况，就使得杆件的约束扭转问题比自由扭转问题复杂得多。

如图 中的工字梁右端刚性固定，左端自由，并作用着扭转，于是也将产生约束扭转。工字梁的翼缘不保持直线而产生弯曲，而且这种弯曲是在其自身平面内作相反方向的弯曲。因此在翼缘上产生了正应力ωσ（如图 a ），同时由于弯曲变形，又产生了附加剪应力 ωτ（如图 b ），这种附加剪应力 ωτ只能平衡一部门外扭转，剩下的外扭转将由纯扭转剪应力 k τ（图 c ）来达到平衡。由此可知，开口薄壁截面受扭转时，截面上将产生三种应力，即约束扭转正应力 ωσ，约束扭转剪应力 ωτ和纯扭转剪应力 k τ 。由 ωτ 合成内扭矩记为 ωM ，称为约束扭转力矩；由 k τ 合成的内扭矩记为 h M ，称为自由扭转力矩。根据静力平衡条件得：

图 杆件的约束扭转 图 约束扭转的截面应力

0=?

dF F

ωσ

n h M M M =+ω 328+120=448

2．16开口薄板构件的扭转校核计算：

1）自由扭转

开口截面薄壁构件自由扭转时，在截面上产生的最大剪应力力按下式计算（图 ）： m ax m ax δτk k I M =

=15.3912715

302

=* 式中 h M ——纯扭矩()cm N ?； m ax δ-------计算截面中最大壁厚；

1k I -------截面的扭转惯性矩，由矩形窄条组成的截面（T 字形，工字形。槽形）， 其扭转惯性矩 1k I ，按下式计算： 1b 、1σ -------------矩形窄条相应的宽度和厚度（cm ） 1k ----------修正系数，对于各种截面的 值列出如下： 轧制 L 形截面 =1k 1.00 轧制 T 形截面 =1k 1.20 轧制 I 形截面 =1k 1.20

开口截面剪应力沿截面上的分布如图 所示。