造船用门式起重机主梁设计说明书.docx

机械结构实践课程设计说明书

姓 名 宛敏超
学 号 1310321
学 院 机械与能源工程
专 业 机械电子工程

前 言

本次机械结构实践课程中，我的任务是造船用设计门式起重机的主梁结构。由于起重机总体尺寸以及总体重量相当之大，而且它需要承受大的载荷作用，因此需要在满足其强度、刚度等条件的前提下，尽量减小其重量，以节约成本。
本设计说明书中主要包括设计依据的数据，主梁的金属材料选取，主梁截面以及尺寸的选取，主梁载荷计算，主梁内力计算，主梁强度、刚度、稳定性验算，加劲肋的设置，主梁翼缘板与腹板的连接等内容。
由于在大型起重机的设计上缺乏经验，设计说明书中可能存在不妥之处，恳请读者批评指正。

目 录
前言
一、给定数据 1
二、主梁设计计算 1
1. 金属材料选择 2
2. 主梁几何尺寸和几何特性 2
3. 主梁载荷计算 5
4. 主梁内力计算 10
5. 主梁强度、刚度、稳定性验算 16
6. 主梁翼缘板和腹板的连接 25
参 考 文 献 28

机械结构实践课程设计
一、给定数据
起重量：300t；
起升高度：50m；
跨度：100m；
悬臂长度：30m；
支腿轴距：20m；
额定起升速度：4.5m/min；
运行速度：大车=36m/min，小车=33m/min；
工作级别：。
造船用门式起重机各结构的质量：
主梁： =450t；刚性支腿：=200t；柔性支腿：=200t；下横梁：=100t；小车：=150t；吊具：=7t；司机室：=3t；行走机构：=150t；电气集中质量：=20t。
二、主梁设计计算
造船用门式起重机金属结构可以做成箱型实腹结构，也可以做成桁架结构。虽然桁架式结构质量较轻，但是它存在制造工作量大、维修保养不便等缺点，箱型金属结构的门式起重机得到了广泛应用。本设计中采用箱型实腹金属结构,做成单梁结构。
1.金属材料选择
由于造船用门式起重机的载重量大、跨度大，为了减轻结自
重，同时提高结构的承载能力，选择高强度结构一般选用Q345或高强度船用钢板DH32。Q345因环境温度不同，分为B、C、D、E等级别，其屈服强度因板厚而异，但是其中等厚度板常存在夹渣、夹层等缺陷。因此此设计中选用高强度船用钢板DH32（GB712-88）（中国船级社标注为ZCD32），这种材料的屈服强度为315N/mm2,抗拉强度为460590 N/mm2，其对应的焊条牌号为：①手工焊E5015；②埋弧自动焊H10Mn2G（焊丝）+HT331（焊剂）。
2.主梁几何尺寸和几何特性
主梁采用组合梁的形式，此设计中选择箱形截面，它由腹板和翼缘板组成，其截面如图1所示。
① 主梁几何尺寸

图1 主梁截面

造船用门式起重机的主梁高度由静、动刚度条件来确定。通
常，梁高取为

将带入上式，得，取

对于腹板，按经验公式决定板厚：

将数据带入上式，可得

式（2）算出的板厚偏大，设计中取

箱形梁翼缘板的宽度（两腹板间距）按照整体稳定和水平刚度要求确定，取为，带入数据得，取，则翼缘板的总宽度为：，带入数据，得

受压翼缘板的厚度按照局部稳定条件确定：

代入数据，得，取。
因此，翼缘板间距

代入数据，得。
② 主梁几何特性
截面面积：

静矩：

惯性矩：

抗弯截面系数：

3.主梁载荷计算
① 主梁单位长度重量

所以，主梁单位长度重量为

式中，——起升冲击系数，，取。
所以，。
② 移动载荷(小车轮压)
单主梁小车有两个垂直车轮轮压，即

考虑到动力效应以轮压的形式作用在主梁上，小车轮压可按
下式计算：

式中，——起升动载系数，；
——额定起升速度，单位为。
查表3-1，选择起重机起升状态级别为，相应的，，
，则，代入式中，得

所以，小车轮压

③ 大车制动产生的惯性力
A． 主梁自重引起的惯性力

式中，——车轮沿轨道的静摩擦系数，一般取；
——图中所示的尺寸。
将数据带入上式，得

化为均布载荷，有

B. 货物和小车自重引起的惯性力
假设此力作用在支腿的处，那么其大小为

C. 支腿自重引起的惯性力
同样假设支腿自重产生的惯性力作用在支腿的处，则其值为

④ 小车制动时由于货重和小车自重引起的惯性力

式中，——小车主动轮静轮压之和，在此设计中，有
。
将各数据带入式中，得

⑤ 风载荷
假设设计的造船用门式起重机工作在沿海地区。
A． 作用在起重机吊运物品上的工作状态最大风载荷

式中，——起重机工作状态最大风压，查表3-9，得；
——吊运物品的最大迎风面积，查表3-10确定，。
将数据带入上式，得

B．作用在主梁上的风载荷（沿轨道运行方向）

式中，——风力系数，由表3-11确定，；
——主梁沿轨道运行方向的迎风面积，。
将数据带入上式，得

将作用在主梁上的风载荷化为均布载荷，有

C．作用在主梁端部的风载荷

式中，——风力系数，由表3-11确定，；
——主梁沿轨道运行方向的迎风面积，。
将数据带入上式，得

D．作用在支腿上的风载荷

式中，——风力系数，由表3-11确定，；
——主梁沿轨道运行方向的迎风面积，
。
代入上式，得

化为均布载荷，得

E．作用在小车上的风载荷

⑥ 碰撞载荷
由于起重机水平运行速度，因此小车对缓冲
器产生的缓冲碰撞力即碰撞载荷不需要考虑。
4. 主梁内力计算
计算主梁的内力时，将门架当作平面静定结构进行分析。
A．在门架平面的垂直面内
① 主梁均布自重引起的内力
主梁自重引起的内力的计算简图和内力图如图所示。
支反力

剪力

弯矩

② 移动载荷引起的主梁内力
移动载荷取为小车轮压，即，分别计
算小车位于跨中和悬臂端时的主梁内力。
a． 小车位于跨中时：
弯矩

最大弯矩作用位置

支反力

剪力

b．小车位于悬臂端时
支反力

剪力

弯矩

③ 小车制动惯性力引起的主梁内力
支反力

弯矩

B． 在水平面内
在主梁水平面内，由于大车制动时产生的惯性力沿大车轨道方
向。
a．当小车位于跨中时：
弯矩

b． 当小车位于悬臂端时：

综上，主梁在门架平面垂直平面内的弯矩有：
小车在跨中时：

小车在悬臂时：

主梁在门架平面水平面内的弯矩有：
小车在跨中时：

小车在悬臂端时：

5.主梁强度、刚度、稳定性验算
① 主梁危险截面的强度验算
A． 正应力验算
综上可知，主梁在垂直面和水平面内的合成弯矩：小车在跨中时，支承D处的弯矩最大；小车在悬臂端时，同样是支承D处的弯矩最大。垂直弯矩和水平弯矩同时作用在主梁上，并考虑约束弯曲和约束扭转的影响，主梁截面上的正应力按下式叠加：

式中，——主梁支承截面的最大垂直弯矩和水平弯矩；
——主梁对轴的抗弯截面系数；
——高强度船用钢板DH32的许用应力，。
查表4-11，取，得。
代入数据，得
小车在跨中时，支承D处的正应力为

小车在悬臂端时

因此，主梁的强度满足要求。
B. 剪切应力验算
综合前述内力部分计算，可知主梁在支承处所受的剪切应力最大，其计算公式为：

式中，——主梁截面对中性轴轴的静矩；
——主梁截面对轴的惯性矩；
——主梁的主、副腹板的厚度；
——主梁的许用剪切应力。
对于脆性材料，一般有，在此主梁设计中取。
当小车位于跨中时，有

将数据带入式中，得

当小车位于悬臂端时，有

将数据带入式中，得

所以，主梁的强度满足要求。
需要说明的一点是，主梁在水平面内受水平惯性力和风力引起的剪切力一般较小，可忽略不计。
② 主梁刚度验算
主梁的静态刚度用挠度来表征，对起重机主梁一般按简支梁
进行计算，只考虑移动集中载荷对跨中产生的静挠度，其近似公式为：

式中，——移动集中载荷，；
——主梁的抗弯刚度，为材料的弹性模量，为主梁的惯性矩；
——主梁的跨度；
——主梁的许用静挠度，查表4-17可得，对于门式起重机，
假设其定位精度要求为中等，控制系统为简单，则有。
将数据代入式中，得

因此，主梁的刚度满足要求。
③ 稳定性验算
箱形主梁有较强的抗弯和抗扭刚度，因此可不必对主梁进行整
体稳定性的验算，那么只需要对箱形主梁的腹板和受压翼缘板进行局部稳定性校核。
A. 主梁的翼缘板稳定性验算
因为箱形梁在两腹板之间的受压翼缘板宽厚比满足：

所以不需要验算翼缘板的局部稳定性，也不需要设置加劲肋。
B. 主梁的腹板稳定性验算
箱形梁的腹板宽厚比满足：

因此，需要同时设置横向加劲肋（垂直于板长方向或压应力方向）和纵向加劲肋（平行于板长方向或压应力方向）。
a. 横向加劲肋设置
横向加劲肋采用刚性加劲肋的形式，为制造方便和安全，横向加
劲肋通常取等间距布置，其间距适宜选取为，设计中选取。
b. 纵向加劲肋设置
纵向加劲肋可以采用刚性和柔性加劲肋的形式，此设计中同样采
用刚性加劲肋的形式。设置7条纵向加劲肋，其中第一条设置在距腹板受压边处，即处，
设计中取，第二条设置在距腹板受压边处，设计中取,其它5条纵向加劲肋距离腹板受压边的距离分别为，
，，，。此时只需要验算最上区格的稳定性。
为了验算区格的稳定性，首先，需要计算板在此区格中的临界应力，它与板的应力状态、区格尺寸和板边的嵌固程度有关。
在最上区格中，板受到压缩应力、切应力作用，相应的板的临界应力分别为：

式中，——临界压缩应力，单位为；
——临界切应力，单位为；
——板边弹性嵌固系数。对受压翼缘扭转有约束的工字梁和箱形梁腹板，可取；切应力作用时，对腹板可取；
——四边简支板的屈曲系数，取决于板的边长比和板边载荷情况，对于用刚性加劲肋分隔的局部区格板来说，可参考表7-8，查表可知，，其中是时的屈曲系数，由表可求得，是时的屈曲系数，由表可求得，上式中，所以可求得；查表可知，其中，所以；
——简支板的欧拉应力，单位为，计算公式为：

可求得。
将数据带入式中，可以求得

板在作用下，其临界复合应力按照下式计算：

将数据带入上式，求得。
因为，所以，板的局部稳定性许用应力为：

式中，——安全系数，取强度安全系数，查表4-11可知
。
将数据带入上式，可得

腹板区格的局部稳定性按照下式验算：

因为，因此腹板的稳定性满足要求。
c. 加劲肋的构造尺寸和焊接要求
腹板的横向和纵向加劲肋可以在腹板两侧成对配置，也可以在一
侧配置，设计中采用一侧配置的方式，如图所示。

图2 腹板横向加劲肋截面尺寸

当腹板采用一侧配置方式时，其截面尺寸按照下列公式确定：
外伸宽度

厚度

将数据代入上述两个式子，求得，取；求得，取。
当腹板同时采用采用矩形截面的横向加劲肋和纵向加劲肋时，其横向加劲肋在满足上面两个式子的基础上，它的截面惯性矩还需满足下式的要求：

代入数据，可得
，即惯性矩满足要求。
箱形梁的纵向加劲肋设置在梁的腹板内侧，其截面尺寸取成与横
向加劲肋相同，通过验算易知其截面惯性矩满足要求，其截面如图所示。

图3 腹板纵向加劲肋截面尺寸

设计中使用的是箱形梁，因此可以将横向加劲肋扩展成横隔板同时加强两腹板，隔板尺寸与梁内净空尺寸相符合，由于隔板刚度较大，因此无需计算。
同时考虑到梁的尺寸大，为减轻重量，将隔板中部开孔，但孔的周边板宽不得大于，取此值为，如图所示。
加劲肋宜用连续焊缝焊接在腹板上，由于设计中加劲肋的连接焊缝较长，使用断续焊缝，焊缝厚度为。

图4 横隔板尺寸设置形式

横隔板与上翼缘板顶紧焊接，轨道支承面下的传力焊缝长度不小于轨道支承宽度的1.4倍，设计中取为1.5m，而且需要双面施焊。其它部位采用双面交错或单面断续焊缝，考虑抗疲劳的因素，通常箱形梁的横隔板下端与下翼缘板不焊接，而留有不小于的间隙，设计中取为。
6. 主梁翼缘板和腹板的连接
在设计中，主梁翼缘板和腹板的连接采用焊接形式，每个翼缘板和腹板间有一条焊缝，使用埋弧焊方法，采用自动焊接角焊缝，焊丝为H10Mn2G，焊剂为HT331，如图所示。

图5 主梁焊缝布置
箱形梁腹板边缘（焊缝处）的切应力为：

式中，——梁计算截面的横向剪切力；
——翼缘毛截面对梁中性轴的静矩；
——梁计算截面的毛截面惯性矩；
——腹板厚度。
单位长度上的纵向剪切力为：，计算焊缝时采用最大的单位长度纵向剪切力：，其中是梁的最大剪切力。焊缝厚度采用按单位长度上的承载力不小于最大纵向剪切力来进行确定，即

式中，——焊缝剪切许用应力，查表5-1，得，代入数据，有。
从而得到焊缝厚度：

将数据代入上式，得,取。
由于角焊缝厚度，翼缘焊缝与腹板具有相同的强度，因此无需验算焊缝的强度，其强度满足要求。焊缝长度设置为
。翼缘焊缝沿梁长方向等厚度，其表面为平面状。

参 考 文 献
[1] 徐格宁. 机械装备金属结构设计 [M]. 2版. 北京：机械工业出版社，2009.
[2] 陈道男，盛汉中. 起重机课程设计 [M]. 北京：冶金工业出版社，1993.

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