课程设计说明书
论文题目：45t-26m门式起重机设计
—金属结构设计
系部：机械工程
专业：起重运输机械设计与制造
班级：起机121
学生姓名：石立腾
学号：120125127
指导教师：安林超
目录
第一部分 (1)
第一章设计初始参数 (1)
1.1基本参数： (1)
1.2选用相关设计许用参数： (2)
第二章初选支腿结构形式 (3)
2.1 门架结构型式、尺寸及计算截面 (3)
第三章载荷计算 (4)
3.1垂直作用载荷 (4)
3.1.1. 自重载荷 (4)
3.1.2.移动载荷 (5)
3.2 水平作用载荷 (5)
3.2.1水平惯性力F (5)
3.2.2启动或制动时货物的摆动力T (5)
3.2.3.均布风力 (6)
3.2.4小车集中惯性力 (6)
3.2.5.小车集中风力 (6)
3.2.6.偏斜侧向力 (6)
第四章金属结构的总体设计 (7)
4.1 主梁设计 (7)
4.1.1 主梁基本尺寸设计 (7)
4.1.2主梁截面形式 (7)
4.1.3主梁内力计算 (8)
4.2主梁应力校核计算 (13)
4.3疲劳强度设计计算 (16)
4.3.1悬臂根部主腹板下角点疲劳计算 (17)
4.3.2悬臂根部腹板上角点（拉应力）疲劳强度计算 (18)
4.3.3主梁腹板局部稳定性计算 (18)
4.4主梁腹板局部稳定校核 (18)
4.5主梁整体稳定性 (20)
第五章支腿的设计计算 (21)
5.1支腿的设计 (21)
5.1.1 支腿基本尺寸设计 (21)
5.1.2 支腿等效截面形式 (21)
第六章龙门架刚度设计计算 (23)
6.1主梁垂直静刚度计算 (23)
6.2主梁水平静刚度计算 (24)
6.3门架纵向静刚度计算 (25)
第七章支承架设计计算 (26)
7.1支承架强度设计计算 (26)
7.1.1垂直载荷作用下，马鞍横梁跨中截面内力计算 (26)
7.2水平载荷作用下，马鞍横梁跨中截面内力计算 (29)
7.3 支承架各截面内力及应力计算 (32)
第八章支承架刚度设计计算 (37)
8.1垂直移动载荷作用下，支承架的小车轨顶处位移 (37)
8.2水平载荷作用下，支承架的小车轨顶处位移 (39)
第九章支腿整体稳定性计算 (46)
9.1性腿侧支腿整体稳定性计算 (46)
第十章连接螺栓强度计算 (48)
10.1马鞍立柱下截面螺栓强度 (48)
10.1.1刚性支腿侧计算 (48)
10.2支腿下截面螺栓强度计算 (49)
10.2.1刚性腿侧计算 (50)
第十一章整机性能验算 (52)
11.1倾翻稳定性计算 (52)
11.1.1稳定力矩： (52)
11.1.2倾翻力矩： (52)
11.1.3各工况倾翻稳定性计算 (52)
11.2 轮压计算 (53)
11.2.1一个车轮的正常工作最大轮压： (53)
11.2.2一个车轮正常工作最小静轮压： (53)
第二部分起升机构的设计 (55)
第一章小车起升机构设计初始参数 (55)
1.1门式起重机的主要技术参数 (55)
1.2主起升机构的选用设计参数 (55)
第二章钢丝绳.卷筒.滑轮组的选型设计 (57)
2.1钢丝绳的计算： (57)
2.1.1 钢丝绳所受最大静拉力； (57)
2.1.2 钢丝绳的选择： (58)
2.2滑轮、卷筒的计算 (58)
2.2.1 滑轮、卷筒最小直径的确定 (58)
2.2.2 卷筒长度和厚度的计算 (59)
2.2.3 卷筒转速 (60)
2.2.4强度的计算 (60)
第三章电机的选型及校核计算 (62)
3.1根据静功率初选电机 (62)
3.1.1 起升机构静功率计算 (62)
3.1.2初选电动机功率 (62)
3.2电动机过载能力效验 (62)
3.3电机发热验算 (63)
第四章减速器的选型及校核计算 (64)
4.1减速器的选择 (64)
4.1.1 减速器传动比 (64)
4.1.2 标准减速器的选用 (64)
4.1.3 验算减速器被动轴端最大径向力 (64)
4.1.4 减速器输出轴承受短暂最大扭矩校核 (65)
第五章制动器.联轴器的选型及校核计算 (66)
5.1制动器的选择 (66)
5.2 联轴器的选择 (66)
5.3 起动和制动时间验算 (67)
第三部分运行机构设计 (69)
第一章小车运行机构的计算 (69)
1.1轮压的计算 (69)
1.2电动机的选择 (70)
1.2.1运行阻力的计算： (70)
1.3电机初选 (71)
1.4 减速器的选择 (71)
1.5联轴器的选择： (72)
1.6空载.满载起动打滑的验算 (73)
1.7制动器的选用： (75)
1.8车轮计算 (75)
1.8.1车轮的计算轮压 (75)
1.8.2车轮踏面应力接触疲劳计算 (76)
1.8.3 车轮轴的计算 (77)
1.9强度计算 (78)
第二章大车运行机构设计计算 (80)
2.1 设计相关参数： (80)
2.2 运行机构型式 (80)
2.3大车轮压的计算 (81)
2.4车轮踏面疲劳强度校核： (81)
2.5 车轮踏面静强度校核： (82)
2.6运行阻力计算 (82)
2.7风阻力计算： (83)
2.8总静阻力计算： (83)
2.9电机的选型及计算 (84)
2.10 选联轴器： (84)
2.11 减速器的选型及计算 (85)
2.12 电机的发热及过载校核 (85)
2.12.1 电动机发热验算： (85)
2.12.2起动时间验算： (85)
2.12.3 电动机过载验算： (86)
2.13 空载、满载起动打滑验算 (86)
2.14 制动器的选型及校核计算 (87)
总结: (89)
参考资料 (90)
第一部分
第一章设计初始参数
1.1基本参数：
起重量
P=45.000 (t)
Q
跨度S=26 (m)
左悬臂长
L=8(m)
1
左有效悬臂长
L=5. 5(m)
11
右悬臂长
L=8 (m)
2
起升高度
H=9 (m)
结构形式及尺寸如图1—1所示。
图1—1结构形式及尺寸
整机工作级别为A7
主起升工作级别为E7
小车运行工作级别为E5
大车运行工作级别为E5
主起升速度V ZQ=重载1.2~12(m/min) /轻载1.8~18 (m/min) 小车运行速度V XY=3~30 (m/min)
大车运行速度V DY=4~40(m/min)
1.2选用相关设计许用参数：
钢结构材料Q235-B
许用正应力[]156
σ=
I MPa
[]175MPa
σ∏=
许用剪应力[]124MPa
τ=
龙门架许用刚度：
主梁垂直许用静刚度：
跨中[]x
Y＝S/800＝32.5mm；
悬臂[]1Y=1
ZS/360＝15.28mm；
主梁水平许用静刚度：
跨中[]y
Y＝S/2000＝13mm；
悬臂[]1Y=1
ZS/700＝7.86mm；
龙门架纵向静刚度：
主梁沿小车轨道方向[]XG
Y＝H/800＝11.25mm；
许用动刚度[]f＝2.0Hz；
连接螺栓材料8.8级螺栓
许用正应力[]s
σ＝210.0Mpa；
疲劳强度及板屈曲强度依GB3811-2008计算许用值选取。
第二章 初选支腿结构形式
2.1 门架结构型式、尺寸及计算截面
门架结构型式及尺寸及计算截面如图2-1所示
图2-1
123112=932049829144107619200780A mm A mm A mm L mm B mm B mm =====
第三章 载荷计算
3.1垂直作用载荷
3.1.1. 自重载荷
计算出梁的质量有公式S h h W m G ρβδ????????? ??-+=312和公式213W h h δβ?
?=- ???可得单根
主梁自重：
()()
312312 1.7(0.0082)7.8510268 6.6 1.3316.76G m h S t δρβ?
?=- ?
?
??
?=??????++?- ??
?≈
若轨道每米质量为g M ，轨道安装质量系数为r ，栏杆、小车导电架质量和为0.03(t/m)，则轨道安装等质量和z M 为：
z M =(g M ×r+0.03)=(0.043×1.200+0.03)=1.538 (t)=15.378 (KN)
单根主梁总重量M 为
M= G m +z M =16.76+1.538=18.28(t)
运行冲击系数4φ对于轨道接头状况一般，起重机通过接头时会发生垂直冲击效应，此时运行冲击系数4φ由式h v y 058.01.14+=φ确定
所以h v y 058.01.14+=φ=1.1+0.058?0.67?1=1.139 由于本机工作级别较高所以2min 21.1390.51?β取，取 所以起升动载系数q v 2min 22βφφ+==1.139 +0.51×0.3≈1.3
构件质量或质量集度与重力加速度(=10.0m/s.s)之积，便为作用门机结构上的集中重力或重力集度。于是，主梁重力集度1q 为：
()
141216.7610
1.3 5.37268 6.6
M g KN q m L L S ???=
?=?=++++ 其余构件质量(t)、质量集度(t/m)计算方法相同，详见表1－1，表中重力考虑了冲击系数4φ
3.1.2.移动载荷
移动载荷由起重量、小车质量及起升、下降、运行的冲击引起的，如假设小车的轮压均匀分布，则作用在一根主梁上两小车轮压力和为： P1=(Q P ×1?+0
P ×2?)/2 =(45×1.05+20.74×1.3)/2=37.11 (t)=371.1 (KN)
3.2 水平作用载荷
水平作用载荷主要是自重载荷和移动载荷的质量，在大车制动时产生的惯性力及风载荷引起的。它可分为均布力和集中力作用在结构上。
3.2.1水平惯性力F
平a g
ma G
F =
= G ——物体自重 g ——重力加速度
平a ——大车制动/启动时产生的平均加速度
()
20.667m a 0.083t 8
V s =
==大
平 t=8～10s ，本题取8s 上端梁惯性水平力F 横计，主梁惯性水平力梁计F 和小车及载荷惯性水平力小车F 计算
3
Q 0.1053218=
0.0076710)2g
210
G F kg ?=
=??平
横横计（
()31a 0.083
q 5.370.04510kg g 10
F =?
=?=?平梁计 ()()3a 4520.74 3.5
(
)0.0830.169610kg 2g
210
Q G G F ++?++=
=?=???平小车
司机室小车
3.2.2启动或制动时货物的摆动力T
×24520.083
=0.3735kg 2210
Q a T g ??=
=?平（）
3.2.3.均布风力
结构件风力也属于均布力，通常多考虑沿大车轨道方向的风力作用。若单位风压为0.025t/m.m ，箱型结构风振系数C=1.5，迎风面积为时， 主梁所受风力为：
主梁P =0.025×
1.5×1x ×（21L L S ++） =0.025×1.5×1.66×（26+8+6.6）
=2.2076(t)=22.076(KN)
若主梁均布风力集度为0Q ，则：
0Q =主梁P /(21L L S ++）=2.2076/(26+8+6.6)
=0.054 (t/m)=0.544 (KN/m)
小车的风载荷计算
注：风力、风力集度及迎风面积的含义在这里均为沿大车轨道方向
3.2.4小车集中惯性力
当大车制动时，起重量及小车质量产生集中惯性力，它通过车轮作用于二根主梁上，若摩擦系数为0.14，大车驱动轮数n 驱=2，全部车轮数n 全=8， 其比值为0.3，则作用于一根主梁的集中惯性力HO P 为：
0.1()/2 3.287()32.87()HO Q G P P P t KN =?+==
3.2.5.小车集中风力
当风沿着门机轨道方向吹时,工作状态风力为：
()()()0.025 1.50.025 1.5 6.324 3.82370.7554t 7.554P S S S S KN
=??+++=??+++==吊具小车车罩电气房司机室
水平合力H P 为：
H P =HO P +小车
P =11.504+7.554=19.058 (KN) 3.2.6.偏斜侧向力
就这种结构而言，因侧向力计算值不准确，引起应力不大，故本计算中忽略此因素作用。
由于主梁和支承架均以载荷组合Ⅱ作用时，受力严重，故以此工况校核强度和稳定性。组合Ⅱ的工况为：大车运行和满载下降同时制动的工况，此时侧向横推力减弱了，可忽略不计。
第四章 金属结构的总体设计
4.1 主梁设计
4.1.1 主梁基本尺寸设计
选用主梁为偏轨式箱型主梁； 主梁的合理高度一般取为：
()
1
1~14171
1~2600014171529.41~1857.14h s
mm ??=? ???
??=? ???
=
根据设计的实际要求和结构要求，取 1700h mm =箱型梁翼缘板的宽度（两腹板净
间距）按整体稳定性和水平刚度要求确定，取为3h b ≥及60
S
b ≥,计算得 566.67b mm ≥
根据本起重机工作级别较高以及方便施焊等其他因素考虑，取b=944mm 通常取腹板厚 612mm δ=，在这里取 8mm δ=箱型梁翼缘板的总宽度为： B =b+2δ+40=1000mm ，取为B =1000mm 箱型梁受压翼缘板的厚度按局部稳定条件决定：
235
500S
b σσ≥
=18.8mm ，取0σ=20mm
4.1.2主梁截面形式
主梁截面形式如图4-1-1所示
图4-1-1 主梁截面形式
端梁基本尺寸设计:
取端梁高度 '980h mm =
端梁宽度 '800B mm =
端梁上下翼缘板厚 0'10mm δ= 腹板 '6mm δ=
主梁和端梁采用法兰盘螺栓连接
端梁截面形式
端梁截面形式如图4-1-2所示。
图4-1-2 端梁截面形式
4.1.3主梁内力计算
1.主梁截面积S 计算
S=0.95×0.02+0.89×0.02+1.45×(0.008+0.008) =0.06（2m ） 截面对中性轴x —x 的惯性矩x I 计算
332
411 1.6610.022+0.0082+10.022=0.03432m 12122
x I =
?????????（）（1.66）（+0.01） 截面对中性轴Y —Y 的惯性矩y I 计算
33
24
110.9440.021+ 1.660.0082+1.660.008(+0.004)0.00633912122
y I m =
???????=（） 2.垂直载荷作用产生内力
主梁在垂直载荷作用下，取计算简图为简支刚架，作用有均布载荷及集中轮压，主梁的跨中截面1-1及主梁的悬臂根部2-2为危险计算截面。
⑴ 小车位于跨中时，计算简图如图4-1-3
11L =5(m)
1L =8(m) 22L =4.25(m) 2L =6.6(m)
S=26(m) 1p =37.11(t) 1q =5.37(t/m) 支腿反力A R 计算
A R =
12
11212()()22dj P P L q s L L P s L L s s
??++?+++
+-
=
37.11 5.37(268 6.6)0.437(268 6.6)0.437 6.6
222626?++?++?++-
=128.393（t ）
计算主梁跨中弯矩为：
()121121()2
26
0.437(8 6.6) 5.37(8 6.6)128.3932
344.0681/A
s
MX dj L L q L L R t m
=-P ?+-?++=-?+-?++?=
x 3344.0618
t
8516.38m 0.04040.03432
0.04041.660.0422
X X X M W I W m h σ=
==-=
==+中中上上上
x 2x 344.0618t 54276.98m 0.006339
W W σ=
==中中下下
计算主梁跨中剪力为：
12S
-q -2
26128.393 1.8460.53782
1.1527A QX R G ZS MN =-?=--?+=端梁计（）
（）
（）
⑵
计算主梁悬臂弯矩为
2dj 221
q 21
0.53780.437837.11 5.52
224.785t m AX M ZS P ZS P =??+?+=??+?+?=?计
梁计（）
x 2x 224.785
t 5563.985m 0.0404A A M W σ===上上
2x 224.785
t 35460.64m 0.006339
AX A M W σ=
==-下下
计算主梁悬臂剪力为
()()
211
q 37.110.537841.4064414.06QX P L t KN =+?=+?==计
3.水平载荷作用产生内力
主梁和上端梁组成水平框架，承受水平惯性力、风力和小车及吊重引起的惯性力。其中水平惯性力和风力为均布作用载荷，小车及吊重引起的惯性力为移动的集中载荷作用。
⑴水平框架超静定内力计算：
小车位于跨中或位于悬臂端时，计算简图如图4-1-5，4-1-6所示
图2—6 计算简图 图2—7计算简图
当移动载荷位于跨中
主梁惯性力和主梁风载荷之和计算
00.045 2.2761.081t F P P =+=+=梁计主梁（）
主梁悬臂根部A 点支反力AY R
dj 22
0.045 2.20760.16960.75540.375
0.0076722
1.782t AY F P F P T
R F +++=+
++++=++
=梁计主梁小车小车（） 主梁跨度中间弯矩Y M 中计算
()()1dj 121222222222222680.00767(813) 1.8512130.045 6.613 2.20768132
0.045(6.613) 2.2076(6.613AY Y S L S S S S M F L R F L P L S L S S F L P L +?????
?=?++?+?++?+?
? ?????????+?????
?+?++?+?
? ????????
?+=?++?+?++?+?????+?++?+中梁计主梁梁计主梁（）[]26 6.6
)2
t m +??=1.54699（）
移动载荷位于跨中，主梁跨中截面角点应力Y 中σ
??? ??==
=
2m t 47.3902225
.08881.0左
上中左
中上
Y Y Y W M σ
()
21.54699
t 69.52m 0.01366
Y Y Y M W σ
=
=
=上
中中右
上右
()
21.54699t 69.53m 0.02225Y Y Y M W σ
=-=-=下
中中左
下左
()
21.54699
t 92.8m 0.01667
Y Y Y M W σ=
==-下中中右下
右 跨中截面翼缘角点最大弯曲正应力为（计入约束扭转8%）
()()321.08 1.0875.0669.53 5.972410(/)Y kg m σσσ=?+=?-+=-?上上上中右中中右 ()()321.08 1.0875.06113.25203.37510(/)Y kg m σσσ=?+=?--=-?上上上中右中中右
()()321.08 1.0888.6169.53170.7910(/)Y kg m σσσ=?+=?+=?下下下中左中中左
()()321.08 1.0888.6192.8 4.525210(/)Y kg m σσσ=?+=?-=?下下下中左中中右 移动载荷处于有效悬臂处
()()()()()
2111dj 22121 2.20760.04580.16960.75540.375 5.50.00767 6.6279.28t m AY M P F L P F T L F L ??
=?+?+++?+???
????=?+?+++?+?????=?主梁梁计小车小车
62
79.28 3.56310(/)0.02225AY AY Y M kg m W σ=
=-=-?上左上
左
6
79.28 5.804100.01366
AY AY Y M W σ=
==?上右上
右62
79.28 3.56310(/)0.02225AY AY AY M kg m W σ=
=-=-?下左下
左 6279.28
4.75610(/)0.01667
AY Y AY M kg m W σ=
==?下右下
右 由于偏轨箱形梁的约束扭转应力只占普通弯曲应力的8%以下为简化计算，应将应力数值乘8%，其悬臂根部A 点主梁截面翼缘板角点最大弯曲应力为：
()()621.08 1.085389.63563 1.93710(/)A A AY kg m σσσ=?+=?-+=-?上上上左左
()()(
)62
kg
1.08 1.085389.658041
2.08910m A AY A σσσ=?+=?--=-?上上上右左
()()621.08 1.086362.6356310.7210(/)A A AY kg m σσσ=?+=?+=?下下下左左
()()621.08 1.086362.64756 1.73510(/)A A AY kg m σσσ=?+=?-=?下下下右右
上述最大弯矩正应力计算结果，最大弯曲正应力在小车位于有效悬臂处，悬臂根部截面主腹板受压翼缘板的左下角点其62kg 12.08910m
A σ=-?上左（压应力）。因此计算折
算应力时，仅计算悬臂根部主腹板左下角点的切应力和弯曲正应力的组合。
4.2主梁应力校核计算
危险截面内危险应力点为1、2、3、4、5点，如图4-2所示，危险端面内3点承受剪应力最大，由于3点最大剪应力与其许用剪应力相比很小，可不进行验算。5 点为中轨或半偏轨箱形梁上盖板局部弯曲应力验算点。
一般箱型梁上下盖板厚度不等，造成截面的中性轴上移，1,4点应力略大于2点应力；1点应力略小于4点，由于1点2点亦为疲劳强度、板稳定的验算点，当1点满足要求而有余量时，4点也应该满足，因此，静强度设计只验算1点2点强度足以满足设计要求。
1.跨中截面1点应力为： 垂直正应力：
11
1.15344.0618
1.15
0.0404
97.938()x x
M W MPa σ=?=
?=
垂直剪应力：
1τ=1QX /(1x ×(12x +13x ))×1.1 =1.1527/(1.66×(0.008+0.008))×1.1 =47.74(MPa)
扭转剪应力：
2τ=MZ 1/(2x -0.06+(12x +13x )/2.0)/( 1x +7x /2+8x /2)/2/(12x +13x )/2.0
=0.091/(1-0.06+(0.008+0.008)/2.0)/(1.66+0.014/2+0.010/2)/2/(0.008+0.008)/2 =2.05 (MPa)
剪应力和：
0τ=1τ+2τ=47.74+2.05=49.79 (MPa)
水平正应力：
()11 1.54699
1.15 1.15 1.32a 0.0135
Y y Y
M MP W σ=
?=
?=中
合应力为：
()
11131.49a MP σ=
=
= 同理跨中截面2点应力为： 垂直正应力：
12x σ=1X Q ×
(1x /2.0-y I )/( 1x /2.0+y I ) =1.1527×(1.66/2-0.006339)/(1.662/2+0.006339) =1.135(MPa)
水平正应力：
12y σ=11ZY ×
((2x -0.06)/2.0-x I )/(( 2x -0.06)/2.0+x I ) =1.32×((1-0.06)/2-0.03432)/((1.-0.06)/2+0.03432)
=1.14(MPa)
合应力为：
1286.27()
MPa σ===
跨中截面1点、2点计算应力11σ、12σ小于许用值160.000，满足要求。 2.悬臂根部截面1点应力为： 垂直正应力：
12x σ=1X Q ×
(1x /2.0-y I )/( 1x /2.0+y I ) 1.661.66
=1.1527
-0.006390.00639)2
2
1.135()
MPa ?+
=（）/(
水平正应力：