20吨起重机单梁设计说明书1.设计规范及参考文献中华人民共和国国务院令（373）号《特种设备安全监察条例》GB3811—2008 《起重机设计规范》GB6067—2009 《起重机械安全规程》GB5905-86 《起重机试验规范和程序》GB/T14405—93 《通用桥式起重机》GB50256—96 《电气装置安装施工及验收规范》JB4315-1997 《起重机电控设备》GB10183—88 《桥式和门式起重机制造和轨道安装公差》JB/T1306-2008 《电动单梁起重机》GB164—88 《起重机缓冲器》GB5905—86 《低压电器基本标准》GB50278-98 《起重设备安装工程及验收规范》GB5905—86 《控制电器设备的操作件标准运动方向》ZBK26008—89 《YZR系列起重机及冶金用绕线转子三相异步电动机技术条件》2.设计指标2.1设计工作条件⑴气温：最高气温40℃；最低气温-20℃⑵湿度：最大相对湿度90%(3)地震：地震基本烈度为6度2.2设计寿命⑴起重机寿命30年⑵电气控制系统15年⑶油漆寿命10年2.3设计要求2.3.1 安全系数2.3.1.1钢丝绳安全系数n≥52.3.1.2结构强度安全系数载荷组合Ⅰ n≥1.5载荷组合Ⅱ n≥1.332.3.1.3抗倾覆安全系数n≥1.52.3.1.4 机构传动零件安全系数 n≥1.5 2.3.2钢材的许用应力值（N/mm2）表1［σs］-钢材的屈服点；[σ]-钢材的基本许用应力；[τ]-钢材的剪切许用应力；[σc]-端面承压许用应力；2.3.3螺栓连接的许用应力值（N/mm2）10.9级高强度螺栓抗剪[τ]=3502.3.4焊缝的许用应力值（N/mm2）对接焊缝: [σw] = [σ] (压缩焊缝)[σw] = [σ] (拉伸1、2级焊缝)[σw] = 0.8[σ] (拉伸3级焊缝)[τw]= [σ]/21/2(剪切焊缝)角焊缝: (拉、压、剪焊缝)[τw]= 160（Q235钢）200（Q345钢）2.3.5起重机工作级别：利用等级 U5工作级别 A4机构工作级别为 M53.设计载荷3.1竖直载荷3.1.1起升载荷额定起升载荷：20t3.1.2桥式起重机自重载荷主梁：10.81t端梁：0.88t小车（包括电动葫芦）：1.12t电气装置及附件（电控箱、电缆、大车导电挂架等）：0.15t总计：12.96t3.1.3 起升载荷基本值：20t3.1.4 冲击系数3.1.4.1起升、制动冲击系数ϕ1起升速度：νh=0.058m/s起动平均加速度а=0.029m/s2 （起升、制动时间t=2s）制动冲击系数ϕ1ϕ1=1+a/g式中:g—重力加速度，取g=9.81 m/s2ϕ1=1+a/g=1+0.029/9.81=1.0033.1.4.2起升载荷动载系数ϕ2根据《起重机设计手册》当起升速度V h<0.2 m/s时ϕ2=1.13.1.4.3运行冲击系数起重机大车重载走行速度为0.333m/s，起重小车重载的走行速度为0.333m/s，轨道平顺程度良好，因此在运行中载荷的最大竖向冲击力将发生在轨道接缝处，则运行冲击系数:ϕ3=1.10+0.058νh1/2式中:h—轨缝高差，h=0.002mϕ3=1.10+0.058⨯1.57⨯0.0021/2=1.1041以上计算的三个冲击系数不会同时发生，因此我们在检算结构和机构的强度和稳定性时取起升载荷的冲击系数ϕ=1.1。

3.2水平载荷3.2.1运行惯性力起重机或小车在水平面内进行纵向或横向运动起（制）动时，起重机或小车自身质量和总起升质量的水平惯性力，按该质量与运行加速度乘积的φ5倍计算，此时取φ5=1.5，用来考虑起重机驱动力突变时结构的动力效应。

起重机大车横向走行紧急制动时惯性力：(制动时间取t=6s)空载时：F=1.5 ×12960× 20/60/6=1080 N重载时：F=1.5 ×（ 12960+20000）× 20/60/6=2747 N小车纵向走行紧急制动时惯性力：(制动时间取t=4s)空载时：F=1.5 × 1120×20/60/4=140 N重载时：F=1.5 ×（1120+20000）×20/60/4=2640N4.总体设计桥架尺寸的确定4.1大车轴距B0=(1/7～1/5)L=(1/7～1/5) ×22.5=3.214～4.5m取B0=3.5m，端梁全长 4m4.2主梁尺寸由于起重量和跨度都偏大，宜选用箱型截面主梁主梁跨中部分截面的理论高度为H1=h=(1/14～1/17)L=(1/14～1/17)×22.5=1.607～1.323m 主梁两腹板外侧间距为：B≥h/3=0.44～0.55m主梁翼缘板宽度取B1=700mm考虑箱形梁内部焊接的要求，两腹板外侧间距取b=660mm按主梁整体稳定条件，H1≤3b，实取H1=h=1500mm取腹板高度 h0=950mm翼缘板厚度δ0=16mm腹板厚度δ1=δ2=8mm主梁工字钢下翼缘补强板取16×130 mm4.3端梁尺寸高度H2=（0.4～0.6）h=600～900mm，取H2=470mm考虑大车轮安装取总宽B1=220mm,跨中翼缘板厚度δ1=16mm 腹板厚度δ=6mm大车轮距 W=3500mm端梁总长 L=4000mm4.4主、端梁连接采用突缘法兰螺栓连接5.主、端梁截面几何性质热轧工字钢45b特性：截面面积：A=111.446cm2=1.114×104 mm2惯性矩:I x=33800cm4=3.38×108mm4I y=894cm4=8.94×106mm4截面抗弯系数W x=1500cm3=1.5×106mm3W y=118cm3=1.18×105mm35.1截面几何性质5.1.1主梁截面面积A=16×700+2×8×966+2×6×420+11140+16×130=44916mm2=0.044916m2形心位置x=350mmY=（16×700×1508+2×8×966×1033+2×6×420×408+111400×241+16×130×8）/145176=426mm惯性矩I x=9.81×109mm4I y=I1=7.82×108mm4截面抗弯系数W x=6.49×106mm3W y=4.87×106mm35.1.2端梁截面面积（跨中）A=6×464×2+6×208+16×230+10×450=14432mm2=0.01314 m2形心位置x=(6×464×13+6×464×227+6×208×114+16×230×115+10×450×235)/14432=158mmY=(6×464×232+6×464×232+6×208×13+16×230×472+10×450×245)/14432=284mm惯性矩。

I x=4.47×108mm4I y=I2=1.48×108mm4截面抗弯系数W x=2.83×106mm3W y=5.21×105mm36.主梁、端梁钢结构强度、刚度、整体稳定性计算6.1 计算原则根据这种结构形式的起重机的特点，可以不考虑水平惯性力对主梁造成的应力，及其水平平面内载荷对主梁的扭转作用也可以忽略不计。

主梁强度计算按第Ⅱ类载荷进行组合。

对活动载荷，由于小车轮距较小，可近似按一集中载荷计算。

验算主梁跨中断面弯曲正应力和跨端断面剪应力。

主梁跨中断面弯曲正应力包括梁的整体弯曲应力和由小车轮压在工字钢下翼缘引起的局部弯曲应力两部分，合成后进行强度校核。

梁的整体弯曲在垂直平面内按简支梁计算，在水平面内按刚接的框架计算。

计算的依据为《起重机设计规范》、《起重机设计手册》及《钢结构设计手册》6.2 载荷计算6.2.1主梁单位长度自重载荷：q=KρAg=1.05×7850×0.044916×9.8=3628N/m式中：K-自重的动载系数，K=1.05；ρ-钢材比重，ρ=7850kg/m3；6.2.2葫芦小车集中载荷（轮距较小，按合力计）：∑P=(1120+20000)×9.8=206976N6.2.3大车制动引起的主梁水平惯性载荷q gd=1.5×10810×20/60/22.5=212N/m6.2.4大车制动主梁所受小车水平惯性载荷q gx=1.5×(1120+20000) ×20/60=10560N6.3主梁钢结构强度、刚度计算及稳定性计算6.3.1主梁钢结构强度计算主梁下翼缘在小车轮压作用下，将产生局部弯曲变形和局部弯曲应力，通常在翼缘根部、轮压作用点和自由边都有较大应力，后两处更严重。

许用应力：〔б〕=176.7 MPa〔τ〕=102.0 MPa动力效应系数Φ1=1.1Φ2=1.0+0.7v q=1.0+0.7×3.5/60=1.041Φ4=1.1+0.058 v d h1/2=1.1+0.058×20/60=1.119采用最大的Φ4=1.126.3.1.1垂直载荷及应力6.3.1.1.1主梁跨中垂直弯矩:M XW =Φ4（qL2/8+∑P L/4）=1.12×(3628×225002/8×1000+206976×22500／4)=1.381×109Nmm6.3.1.1.2主梁跨中剪切力:F=1/2Φ4∑P =1/2×1.12×206976=1.159×105N6.3.1.1.3主梁支承力（小车在跨端）为:F X=Φ4〔1/2qL+∑P (L-c1）L〕=1.12×〔1/2×3436×22.5+206976 ×(22.5-1.293）×22.5〕=2.618×105N6.3.1.1.4主梁跨中弯曲正应力为：б0= M XW Y/I X=1.381×109×426/9.81×109=59.8 MPa6.3.1.1.5主梁跨端切应力为：τ0=1.5 F X /A=1.5×2.618×105N /950×8=34.4 MPa6.3.1.1.6葫芦小车最大轮压P=K/nΦ4×206976=1.45/4×1.12×206976=84032N式中：K-轮压不均匀系数，取K=1.45；n-葫芦小车车轮数，n=4；6.3.1.1.7主梁工字钢下翼缘在轮压作用下的局部弯曲应力按下列公式计算为：翼缘根部：横向应力：бgx=-K g x P/t2=-0.86×84032/342=-62.5 MPa纵向应力：бgz=-K g z P/t2=-0.33×84032/342=-24.0 MPa轮压作用点：横向应力：бpx=K p x P/t2=1.2×84032/342=87.2 MPa纵向应力：бpz=K p z P/t2=0.5×84032/342=36.3 MPa翼缘外边缘：纵向应力：бbz=K b z P/t2=0.95×84032/342=69.1 MPa式中：P-主梁工字钢下翼缘一边的最大轮压，P=84032N；t-主梁工字钢斜坡翼缘的平均厚度与补强板厚度和，t=34mm；c-轮压P作用线与腹板一侧的水平距离，c=35mm；b-主梁工字钢下翼缘宽度，b=152mm；d-主梁工字钢下部单腹板厚度，d=13.5mm；K g x、K g z、K p x、K p z、K b z-与比值ζ=c/〔0.5(b-d)〕有关的计算系数，K g x=0.86，K g z=0.33，K p x=1.2，K p z=0.5，K b z=0.95；6.3.1.1.8主梁工字钢下翼缘在垂直载荷作用下，同时产生整体弯曲应力和局部弯曲应力，其复合（折算）应力为：轮压作用点：б=〔（б0+бpx）2+бgz2-（б0+бpx）бgz〕1/2=〔（59.8+87.2）2+36.3 2-（59.8+87.2）×36.3〕1/2=56.8 MPa翼缘外边缘：б=б0+бbz=59.8+69.1=128.9 MPa6.3.1.2水平载荷及应力大车运行起、制动产生的水平惯性力按大车主动车轮打滑条件确定6.3.1.2.1主梁均布惯性力为：PⅡ=q/2×7=3628/14=259N/m6.3.1.2.2小车载荷集中惯性力为：PⅢ=∑P/2×7=206976/14=14784N6.3.1.2.3小车位于跨中时，桥架内力按水平刚架模型计算，计算系数为：r1=1+2ab/［3(a+b)L］I1/I2=1+2×1.75×1.75/［3×(1.75+1.75) ×22.5］×7.82×108/8.12×107=1.2146.3.1.2.4主梁跨中水平弯矩为：M W= PⅢL/4（1-1/2 r1）+ PⅡL2/8(1-2/3 r1)=1478×22.5×(1-1/2×1.214)+259×22.52/8×(1-2/3×1.214)=26548 Nm 6.3.1.2.5主梁跨中水平剪切力为：P F=1/2 PⅢ=14784/2=7392Nτ6.3.1.2.6小车在跨端左侧极限位置L1=1.293m处，跨端水平剪切力为：P C=1/2 PⅡL+ PⅢ（1- L1/L）=245×22.5/2+14784×(1-1.293/22.5)=16690N6.3.1.2.7小车在跨端左侧极限位置L1=1.293m处，跨端水平剪应力为：τC=1.5 P C/A=1.5×16690/(700×16)=2.2 MPa6.3.1.2.8考虑主梁应力组合，将小车置于跨中，这时一侧端梁总静轮压为：P m1=( qL+∑P)/2+ q1B=(3436×22.5+206976)/2+1061×4=146224N6.3.1.2.9端梁单位长度自重载荷：q1=KρAg=1.05×7850×0.01314×9.8=1061N/m式中：K-自重的动载系数，K=1.05；ρ-钢材比重，ρ=7850kg/m3；A-端梁截面面积，A=0.01314m2；6.3.1.2.10由L/B=22.5/3.5=6.43,查得λ=0.16起重机偏斜运行侧向力为：P F1=1/2 P m1λ=1/2×146224×0.16=7311N6.3.1.2.11跨中水平弯矩为：M W1=1/2 P F1B0=1/2×7311×3.5=12794Nm6.3.1.2.12跨中水平弯矩之和为：M= M W+ M W1=26548+12794=39342 Nm6.3.1.2.12主梁工字钢下翼缘在水平载荷作用下，下翼缘轮压作用处的应力为：бM=M（c+d/2）/I y=39342×1000×(35+13.5/2)/ 9.81×109= 0.2 MPa下翼缘外边缘的应力为：бb=M152/2/I y=39342×1000×152/2/ 7.82×108=3.8MPa6.3.1.3主梁跨中的合成应力主梁工字钢下翼缘在车轮轮压作用处和外边缘产生最大组合应力轮压作用处:б=〔(б0+бM+бpz)2+бpx2-(б0+бM+бpz)бpx〕1/2=〔(59.8+0.2+36.3)2+87.22-(59.8+0.2+36.3) ×87.2〕1/2=92.1 MPa＜〔б〕=176.7 MPa翼缘外边缘：б=б0+бb +бbz=59.8+3.8+69.1=132.7 MPa＜〔б〕=176.7 MPa工字钢翼缘外边缘应力较大，须在工字钢下表面纵向加一道补强板，宽度130mm,厚度16mm.6.3.1.4主梁跨端的剪切应力τ=τ0+τC =34.4 +2.2=36.6MPa＜〔τ〕=102.0 MPa6.3.2主梁钢结构刚度计算6.3.2.1主梁垂直静刚度满载小车位于主梁跨中产生的静挠度为：:y L=∑P L3/48EI x=206976×225003/48×2.1×105×9.81×109=23.84mm＜L/700=32.14nm mm 式中：∑P-葫芦小车集中载荷,∑P=206976N；L-起重机跨度，L=22500mm；E-钢材弹性模量，碳钢E=2.1×105N/mm2；I x-主梁惯性矩，I x=9.81×109mm4；6.3.2.2主梁水平静刚度满载小车位于跨中时，由大车运行起、制动对主梁跨中产生的惯性位移：X g= PⅢL3/(48EI Y)+5 PⅡL4/(384EI Y)=14784×225003/(48×2.1×105×7.82×108)+5×245/1000×225004/(384×2.1×105×7.82×108)=21.36+4.98=26.34mm＞〔X g〕=L/2000=11.25mm主梁跨中产生的水平惯性位移过大6.3.3主梁整体稳定性计算箱形梁的宽度宜大于L/60=22500/60=375mm（主梁实际宽度660mm）,主梁的高宽比h/b≤3（1516/660=2.29）时，主梁的整体稳定性不需验算。