大跨度三軸空間定位系統(tǒng)設(shè)計(jì),跨度,空間,定位,系統(tǒng),設(shè)計(jì)
大跨度三軸空間定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)
目 錄
1.緒論 1
1.1研究進(jìn)展 1
1.2選題的依據(jù)、目的和意義 3
1.3 本課題研究要求 4
2.金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 4
2.1金屬結(jié)構(gòu)的選擇 4
2.1.1主梁的選擇 4
2.1.2端梁的選擇 5
2.1.3主要技術(shù)參數(shù) 6
2.1.4軌道的選擇 6
2.2主梁設(shè)計(jì)計(jì)算 6
2.2.1主梁基本尺寸 7
2.2.2主梁截面特性 7
2.2.3主梁剛度計(jì)算 8
2.2.4主梁強(qiáng)度計(jì)算 10
2.2.5主梁穩(wěn)定性計(jì)算 13
2.3端梁設(shè)計(jì)計(jì)算 13
2.3.1端梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
2.3.2 端梁主要焊接的計(jì)算 15
2.3.3 裝置最大輪壓計(jì)算 16
2.3.4 最大側(cè)向力與擠壓應(yīng)力 17
2.4主梁與端梁的連接 18
2.4.1主、端梁的連接形式 18
2.4.2螺栓的設(shè)計(jì)與校核 19
2.5端梁與支承的連接 20
2.5.1車輪的設(shè)計(jì) 20
2.5.2支承的設(shè)計(jì) 21
2.5.3支承的固定 21
2.6 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 22
2.7 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 23
2.8 小車起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 23
3．電動(dòng)機(jī)的選擇 24
3.1電動(dòng)機(jī)類型的選擇 24
3.2電機(jī)選型 25
3.2.1大車三相異步電機(jī) 25
3.2.2步進(jìn)電機(jī) 25
3.2.3小車三相異步電機(jī) 25
4. 齒輪齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算 26
4.1 齒輪齒條的設(shè)計(jì) 26
4.1.1 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)概述 26
4.1.2齒輪齒條的材料選擇 27
4.2齒輪齒條的設(shè)計(jì)與校核 27
4.2.1起升系統(tǒng)的功率 28
4.2.2 各系數(shù)的選定 28
4．2．3 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)參數(shù)、許用應(yīng)力的選擇 30
4.2.4 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 31
4.2.5齒條的設(shè)計(jì) 33
4.3 齒輪齒條的精度驗(yàn)算 34
5、 基本零件的選取和校核 34
5.1聯(lián)軸器的選取 34
5.2 鍵的選取 35
5.2.1 連接類型和尺寸的選取 35
5.2.2 強(qiáng)度校核 35
5.3 緩沖器的選取 36
5.3.1 緩沖器的種類及特性 36
5.3.2 緩沖器的計(jì)算 36
5.3.3 緩沖器型號(hào)與主要尺寸 37
5.4 軸的設(shè)計(jì)與校核 37
5.4.1 初步確定軸的最小直徑 37
5.4.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 37
5.4.3 軸的強(qiáng)度與剛度校核 38
結(jié) 論 40
致 謝 41
參考文獻(xiàn) 42
1.緒論
1.1研究進(jìn)展
本設(shè)計(jì)課題類似于目前廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的運(yùn)料天車即橋式起重機(jī)，但本設(shè)計(jì)有空間跨度大，精確強(qiáng)的特點(diǎn)，可適用于工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)輸線，直接參與全自動(dòng)化運(yùn)輸線。
目前，通過多途徑查閱資料我了解到，上個(gè)世紀(jì)中葉，類似系統(tǒng)的雛形便已出現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用中，但是由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)還不夠成熟，這種系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)周期長、體積大、成本高等缺陷，幾乎無數(shù)據(jù)處理和通信功能，必須有專人負(fù)責(zé)操作。到20世紀(jì)80年代，在計(jì)算機(jī)的價(jià)格下降等的催動(dòng)下，通過機(jī)器人技術(shù)，自動(dòng)化系統(tǒng)已初步實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段，由于控制技術(shù)的向高性能?高速度、大容量發(fā)展[2]，類似于本設(shè)計(jì)的運(yùn)料系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制。大型控制系統(tǒng)大多采用多CPU結(jié)構(gòu)，不斷向高性能、高速度和大容量方向發(fā)展。將這種系統(tǒng)運(yùn)用到運(yùn)料系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)小車的全自動(dòng)控制，降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。并且自動(dòng)控制系統(tǒng)具有連線簡單控制速度快，精度高，可靠性和可維護(hù)性好，維修和改造方便等優(yōu)點(diǎn)[6]。
圖1-1 普通單梁起重機(jī)
橋式起重機(jī)是橋架在高架軌道上運(yùn)行的一種橋架型起重機(jī)，又稱天車。
普通橋式起重機(jī)一般由起重小車、橋架運(yùn)行機(jī)構(gòu)、橋架金屬結(jié)構(gòu)組成。起重小車又由起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和小車架三部分組成。起升機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器、卷筒和滑輪組。電動(dòng)機(jī)通過減速器，帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，使鋼絲繩繞上卷筒或從卷筒放下，以升降重物。小車架是支托和安裝起升機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)等部件的機(jī)架，通常為焊接結(jié)構(gòu)[1]。
起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)一般只用四個(gè)主動(dòng)和從動(dòng)車輪，如果起重量很大，常用增加車輪的辦法來降低輪壓。當(dāng)車輪超過四個(gè)時(shí)，必須采用鉸接均衡車架裝置，使起重機(jī)的載荷均勻地分布在各車輪上。
橋架的金屬結(jié)構(gòu)由主粱和端粱組成，分為單主粱橋架和雙粱橋架兩類。單主粱橋架由單根主粱和位于跨度兩邊的端粱組成，雙粱橋架由兩根主粱和端粱組成。
主粱與端粱剛性連接，端粱兩端裝有車輪，用以支承橋架在高架上運(yùn)行。主粱上焊有軌道，供起重小車運(yùn)行。橋架主粱的結(jié)構(gòu)類型較多比較典型的有箱形結(jié)構(gòu)、四桁架結(jié)構(gòu)和空腹桁架結(jié)構(gòu)[11]。
箱形結(jié)構(gòu)又可分為正軌箱形雙粱、偏軌箱形雙粱、偏軌箱形單主粱等幾種。正軌箱形雙粱是廣泛采用的一種基本形式，主粱由上、下翼緣板和兩側(cè)的垂直腹板組成，小車鋼軌布置在上翼緣板的中心線上，它的結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，適于成批生產(chǎn)，但自重較大。
四桁架式結(jié)構(gòu)由西片平面桁架組合成封閉型空問結(jié)構(gòu)，在上水平桁架表面一般鋪有走臺(tái)板，自重輕，剛度大，但與其他結(jié)構(gòu)相比，外形尺寸大，制造較復(fù)雜，疲勞強(qiáng)度較低，已較少生產(chǎn)。
空腹桁架結(jié)構(gòu)類似偏軌箱形主粱，由四片鋼板組成一封閉結(jié)構(gòu)，除主腹板為實(shí)腹工字形粱外，其余三片鋼板上按照設(shè)計(jì)要求切割成許多窗口，形成一個(gè)無斜桿的空腹桁架，在上、下水平桁架表面鋪有走臺(tái)板，起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)及電氣設(shè)備裝在橋架內(nèi)部，自重較輕，整體剛度大，這在中國是較為廣泛采用的一種型式[4]。
普通橋式起重機(jī)主要采用電力驅(qū)動(dòng)，一般是在司機(jī)室內(nèi)操縱，也有遠(yuǎn)距離控制的。起重量可達(dá)五百噸，跨度可達(dá)60米[10]。
簡易梁橋式起重機(jī)又稱粱式起重機(jī)，其結(jié)構(gòu)組成與普通橋式起重機(jī)類似，起重量、跨度和工作速度均較小。橋架主粱是由工字鋼或其他型鋼和板鋼組成的簡單截面粱，用手拉葫蘆或電動(dòng)葫蘆配上小車一般在工字粱的下翼緣上運(yùn)行。橋架可以沿高架上的軌道運(yùn)行，也可沿懸吊在高架下面的軌道運(yùn)行，這種起重機(jī)稱為懸掛粱式起重機(jī)?！?2】
冶金專用橋式起重機(jī)在鋼鐵生產(chǎn)過程中可參與特定的工藝操作，其基本結(jié)構(gòu)與普通橋式起重機(jī)相似，但在起重小車上還裝有特殊的工作機(jī)構(gòu)或裝置。這種起重機(jī)的工作特點(diǎn)是使用頻繁、條件惡劣，工作級(jí)別較高。主要有五種類型。
鑄造起重機(jī)：供吊運(yùn)鐵水注入混鐵爐、煉鋼爐和吊運(yùn)鋼水注入連續(xù)鑄錠設(shè)備或鋼錠模等用。主小車吊運(yùn)盛桶，副小車進(jìn)行翻轉(zhuǎn)盛桶等輔助工作，為了擴(kuò)大副鉤的使用范圍和更好地為煉鋼工藝服務(wù)，主、副鉤分別布置在各自有獨(dú)立小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的主、副小車上，并分別沿各自的軌道運(yùn)行。常用的結(jié)構(gòu)形式有四梁四軌式和四梁夾鉗起重機(jī)：利用夾鉗將高溫鋼錠垂直地吊運(yùn)到深坑均熱爐中，或把它取出放到運(yùn)錠車上。
脫錠起重機(jī)：用以把鋼錠從鋼錠模中強(qiáng)制脫出。小車上有專門的脫錠裝置，脫錠方式根據(jù)錠模的形狀而定：有的脫錠起重機(jī)用項(xiàng)桿壓住鋼錠，用大鉗提起錠模；有的用大鉗壓住錠模，用小鉗提起鋼錠。
加料起重機(jī)：用以將爐料加到平爐中。主小車的立柱下端裝有挑桿，用以挑動(dòng)料箱并將它送入爐內(nèi)。主柱可繞垂直軸回轉(zhuǎn)，挑桿可上下擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)。副小車用于修爐等輔助作業(yè)。
鍛造起重機(jī)：用以與水壓機(jī)配合鍛造大型工件。主小車吊鉤上懸掛特殊翻料器，用以支持和翻轉(zhuǎn)工件；副小車用來抬起工件[13]。
1.2選題的依據(jù)、目的和意義
隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人民物質(zhì)文化生活水平日益提高，隨著工業(yè)自動(dòng)化的普及和發(fā)展,控制器的需求量逐年增大。為了改變落后的生產(chǎn)狀態(tài),緩解日趨緊張的供求關(guān)系,實(shí)現(xiàn)我國制造業(yè)更高程度的自動(dòng)化，解放生產(chǎn)力，我們需要研究一套大跨度三軸空間定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
改革開放以來，我國社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)取得了舉世矚目的偉大同時(shí)，必須清醒地看到，我國正處于并將長期處于社會(huì)主義初級(jí)階段。全面建設(shè)小康社會(huì)，既面臨難得的歷史機(jī)遇，又面臨一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)濟(jì)增長過度依賴能源資源消耗，環(huán)境污染嚴(yán)重；經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不合理，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展滯后；自主創(chuàng)新能力較弱，企業(yè)核心競爭力不強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益有待提高。在擴(kuò)大勞動(dòng)就業(yè)、理順分配關(guān)系、提供健康保障和確保國家安全等方面，有諸多困難和問題亟待解。緊密依靠科技進(jìn)步和創(chuàng)新，帶動(dòng)生產(chǎn)力質(zhì)的飛躍，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展，是解決這些問題的重要途徑[9]。
我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)是：自主創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)，科技促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國家安全的能力顯著增強(qiáng)，為全面建設(shè)小康社會(huì)提供強(qiáng)有力的支撐；基礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù)研究綜合實(shí)力顯著增強(qiáng)，取得一批在世界具有重大影響的科學(xué)技術(shù)成果，進(jìn)入創(chuàng)新型國家行列，為在本世紀(jì)中葉成為世界科技強(qiáng)國奠定基礎(chǔ)，形成比較完善的中國特色國家創(chuàng)新體系[12]。企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和深化，使得生產(chǎn)中的輸送成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。而這一套大跨度三軸空間定位系統(tǒng)將大大有益于整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)流通的需求。
1.3 本課題研究要求
在一個(gè)空間為15m（長）×10m（寬）×8m（高）的房間內(nèi)部，設(shè)計(jì)制造一套具有三維自由度的精密測量控制軌道系統(tǒng)。定義15m方向?yàn)閅軸，10m方向?yàn)閄軸，8m方向?yàn)閆軸，在Z軸上配備載荷小車一個(gè)。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：
該系統(tǒng)的最大行程MS和有效行程VS（最大行程指小車能夠活動(dòng)的最大范圍，有效行程指勻速運(yùn)行段）。
1、X方向：MS=8米，VS=5米；
2、Y方向：MS=10米，VS=8米；
3、Z方向：MS=5米，VS=3米；
4、載荷安裝要求：小車負(fù)載能力不小于80kg；
5、三個(gè)方向定位精度為±5mm；
6、考慮自動(dòng)控制要求。
2.金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
橋架的金屬結(jié)構(gòu)由主梁和端梁組成，分為單主梁橋架和雙主梁橋架兩類，單主梁架由單根主梁和位于跨度兩邊的端梁組成，兩根主梁和端梁組成雙梁橋架。[2]
2.1金屬結(jié)構(gòu)的選擇
2.1.1主梁的選擇
橋架主梁的結(jié)構(gòu)類型較多，如箱型梁、四桁架結(jié)構(gòu)和空腹桁結(jié)構(gòu)。雖然桁架結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，但箱形結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)簡單、制造工藝性好、制造省工省場地、結(jié)構(gòu)總高度小、運(yùn)行機(jī)構(gòu)安裝維修方便以及對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有利等優(yōu)點(diǎn)，定位精度更高，故選用箱型梁。
主梁的材料多采用普通工字鋼。根據(jù)起重量和跨度的不同，其截面種類有寬翼緣工字鋼(H型鋼)、模壓組合截面和箱型截面梁。
圖2-1 橋式起重機(jī)主梁截面型式
普通工字鋼主梁，一般用于較小的起重量和跨度（mQ≤3t，L≤12m）的橋式結(jié)構(gòu)中；寬翼緣工字鋼、模壓組合截面多用于（mQ≤3~5t，L≤7~12m）的橋式結(jié)構(gòu)中；對(duì)于較大起重量和跨度的橋式結(jié)構(gòu)，宜采用箱型梁結(jié)構(gòu)。[2]
近年來，市場內(nèi)出現(xiàn)越來越多的工字鋼包梁式箱型梁，即U型箱型梁內(nèi)筋板與工字鋼的翼板焊接在一起后，再焊箱形梁側(cè)邊的斜腹板再與工字鋼的腹板對(duì)稱焊接，從而增加主梁強(qiáng)度。且工字鋼包梁比普通箱形梁容易焊接。故本設(shè)計(jì)采用工字鋼包梁形式的箱型梁作為金屬結(jié)構(gòu)的主梁。如圖2-1中的g結(jié)構(gòu)。
考慮到主梁，齒條熱膨脹系數(shù)不同，在主梁，齒條之間留有一定間隙作為熱補(bǔ)償間隙?？梢酝ㄟ^螺栓連接實(shí)現(xiàn)間隙。同時(shí)設(shè)置調(diào)溫裝置，使它們各自溫度變化減小，熱膨脹效應(yīng)減弱。保證主梁和齒條的正常工作。
2.1.2端梁的選擇
橋式起重機(jī)的端梁是主要受力構(gòu)件，在主梁之間采用焊接或者螺栓連接，端梁多用鋼板組焊成箱型結(jié)構(gòu)。在端梁下面裝置著大車的車輪組，承擔(dān)著起重機(jī)所有垂直方向的載荷。它的結(jié)構(gòu)同樣有箱型結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)等幾種。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和主梁的選定，確定端梁結(jié)構(gòu)為箱型結(jié)構(gòu)。
2.1.3主要技術(shù)參數(shù)
根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》以及本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)要求，初步確定本課程設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)如下：
起重量：=0.3t。
起升高度：H=5m。從6~36m，每加2m為一級(jí)，共分為15級(jí)，而且工作空間的高度為8m，最大行程為5m，所以選取起升高度為5m。
跨度：L=8m。從7.5m~31.5m，每加3m為一級(jí)，共分為8級(jí)，且工作空間的寬度為10m，最大行程為8m，因此選取為8m。
起升速度：V起=10m/min。橋式起重機(jī)的額定起升速度為1~50m/min。
大車運(yùn)行速度：V大車=75m/min 。一般在30~120m/min的范圍內(nèi)。
小車運(yùn)行速度：V小車=30m/min。一般在10~50m/min。
最大輪壓：=1500kg。
運(yùn)行小車的自重：G=0.1t。
主梁自重：M=2.2t。[3]
2.1.4軌道的選擇
軌道的作用是支承起重機(jī)的重量，并引導(dǎo)它的運(yùn)動(dòng)方向。對(duì)軌道的要求是：頂面能承受車輪的壓力，底面具有足夠的寬度以減小對(duì)基礎(chǔ)的比壓力，截面有足夠的抗彎強(qiáng)度。軌道的形式有平頂鋼軌、圓頂鋼軌和方鋼。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]和最大輪壓，選用圓頂鋼軌中的P型鐵路鋼軌。見圖2-3（b）。
圖2-2 軌道的形式
2.2主梁設(shè)計(jì)計(jì)算
2.2.1主梁基本尺寸
根據(jù)設(shè)計(jì)要求、工作需要和系列產(chǎn)品的資料，查《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，初步設(shè)計(jì)主梁的斷面尺寸如圖2-4。
圖2-3 主梁截面圖
其中軋制工字鋼參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表3-1-58，選取工字鋼型號(hào)為28a，主要尺寸參數(shù)如下：
h=280mm b=122mm d=8.5mm t=13.7mm q=43.3kg/m
A=55.404cm2 q=43.492kg/m-1 Ix=7110cm4 Iy=345cm4
主梁跨度L=13.5m。
2.2.2主梁截面特性
（1）主梁斷面面積
A斷=0.5（l1-2×δ1）+2δ1×h1+2×δ2×l2+F1+δ×l3?
=0.5×（40-2×0.5）+2×0.5×40+2×0.5×25.5+55.45+1×10.5?
=?151cm2
查《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》得主梁的載荷分布系數(shù)q=126kg/m，再根據(jù)主梁的跨度L=8m，因此主梁的總質(zhì)量m總=8×126kg=1008kg
（2）主梁斷面慣性矩
（2-1）
式（2-1）中 -各部分面積對(duì)X-X軸的靜矩之和（cm3）；-各部分對(duì)X-X軸的距離（cm），代入數(shù)據(jù)得，
y1=〔0.5×（40-2×0.5）×79.75+2×0.5×40×60+2×0.5×25.5?
×31.5+55.45×15+1×10.5×0.5〕÷151?
=37cm?
跨中斷面對(duì)X-X軸的慣性矩
cm
跨中斷面對(duì)Y-Y軸的慣性矩
cm
2.2.3主梁剛度計(jì)算
對(duì)于三維軌道空間的定位機(jī)械系統(tǒng)，要達(dá)到精確的定位，使誤差控制在5mm范圍內(nèi)，要對(duì)主梁的垂直靜剛度和水平靜剛度進(jìn)行校核驗(yàn)算，并且必須符合要求，而對(duì)于動(dòng)剛度，考慮到安裝精度，需對(duì)動(dòng)剛度進(jìn)行驗(yàn)算。
（1） 垂直靜剛度的計(jì)算
(2-2)
—主梁的垂直靜撓度（cm）；
P—靜載荷（kg），P=Q+G=400kg+100kg=500kg；
L—跨度，L=8m；
E—材料彈性模量，對(duì)于3號(hào)鋼E=21×106kg/cm2；
—主梁斷面垂直慣性矩（cm4），=111545cm4；
[]—許用垂直靜撓度（cm），取=1.453cm。
數(shù)據(jù)代入（2-2）式得
fv=8.75mm<[fv]=11.43
因此，在Z軸方向上能夠滿足剛度要求。
（2） 水平靜剛度的計(jì)算
（2-3）
—主梁水平靜撓度（cm）；
—水平慣性力（kg），；
—主梁斷面水平慣性矩，；
；
數(shù)據(jù)代入（2-3）式可得
注：式中系數(shù)的選取是按；—水平慣性力（kg）；g—重力加速度；—運(yùn)行小車的平均加速度，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪為總數(shù)的時(shí)，一般取。
（3） 動(dòng)剛度的計(jì)算
在Z軸方向上的自振周期
s （2-4）
（2-5）
T—自振周期（s）；
g—重力加速度，g=980cm/s2；
q—主梁均布載荷，q=126kg/cm；
L—主梁的跨度，L=800cm；
G—鋁合金板的質(zhì)量，G=1000kg；
kg/cm。
數(shù)據(jù)代入（2-4）和（2-5）式可得
m=2.53kgs/cm T=0.132s<[T]=0.3s
通過校核驗(yàn)算，主梁的水平和垂直方向的靜剛度和動(dòng)剛度都滿足設(shè)計(jì)要求和裝置工作的要求。[1]
2.2.4主梁強(qiáng)度計(jì)算
《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 3811-1983）中，把載荷組合分為三類：載荷組合Ⅰ、載荷組合Ⅱ、載荷組合Ⅲ。在計(jì)算橋式起重機(jī)橋架時(shí)，一般使用載荷組合Ⅱ進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性計(jì)算。由于運(yùn)行小車車輪間的距離較小，可以近似看做一個(gè)集中載荷進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)算主梁的跨中斷面彎曲正應(yīng)力和跨端斷面剪切力?？缰袛嗝嬲龖?yīng)力包括主梁的彎曲應(yīng)力和由運(yùn)行小車輪壓在工字鋼下翼緣引起的局部彎曲應(yīng)力兩個(gè)部分,將載荷組合合成后進(jìn)行強(qiáng)度校核。[1]
梁的整體彎曲在垂直平面內(nèi)按簡支梁計(jì)算，在水平面內(nèi)按剛性聯(lián)接的框架計(jì)算。
圖2-4 主梁受力彎矩圖
(1)垂直載荷在下翼緣引起的彎曲正應(yīng)力，計(jì)算簡圖如圖2-4。 （2-6）
P—額定起重量下的總輪壓；
Q—額定起重量，取Q=100kg；
φ2是起重載荷動(dòng)載系數(shù)，查手冊(cè)取φ2=1.2;
φ1是起升沖擊系數(shù)，查手冊(cè)取φ1=1.1；
G1—懸掛在工字鋼上的重量，一般可取為4000N；
y1—梁的下表面距截面形心軸X-X的距離，y1=37cm；
—主梁跨中斷面對(duì)X-X軸的慣性矩，=111545cm4；
q—主梁單位長度的重量，q=126kg/m。
代入數(shù)據(jù)計(jì)算出彎曲正應(yīng)力σz=108.23kg/m
（2） 主梁工字鋼下翼緣局部彎曲應(yīng)力
普通工字鋼在小輪壓作用下，工字鋼下翼緣的局部彎曲應(yīng)力（如圖2-5）
圖2-5 局部彎曲應(yīng)力示意圖
腹板根部1點(diǎn)由翼緣在x0z平面內(nèi)及z0y平面內(nèi)彎曲應(yīng)力引起的應(yīng)力分別是
（2-7a）
（2-7b）
作用點(diǎn)2下表面由翼緣在x0z及z0y平面內(nèi)彎曲引起的應(yīng)力分別是
（2-7c）
（2-7d）
靠近自由端的點(diǎn)3由翼緣在z0y平面內(nèi)彎曲引起的應(yīng)力是
（2-7e）
K1、K2、K3、K4、K5—由輪壓作用點(diǎn)位置比值決定的系數(shù)（見圖2-6）；P—電動(dòng)機(jī)的最大輪壓（N），P=1500kg；
t—距邊緣處的翼緣厚度（mm），t=13.7mm。
圖2-6 系數(shù)K1、K2、K3、K4、K5曲線
查《設(shè)計(jì)手冊(cè)》，i=a+c-e 。式中i—輪壓作用點(diǎn)與腹板表面的距離（cm）；c—輪緣同工字鋼翼緣邊緣之間的間隙，取c=0.4cm；a==；對(duì)普通工字鋼翼緣表面斜度為，R—行走輪踏面曲率半徑，查表可得
R=17.5cm，e=0.164R=0.16417.5=2.87cm；
i=5.675+0.4-2.87=3.205cm。
從圖2-6可以查出K1=0.51、K2=0.28、K3=0.12、K4=0.7、K5=0.57，分別代入（2-7）式得
（3） 合成應(yīng)力
由水平載荷引起的彎曲應(yīng)力較小，可忽略不計(jì)。工字鋼下翼緣下表面1點(diǎn)的合成應(yīng)力為
（2-8a）
作用點(diǎn)2的合成應(yīng)力為
（2-8b）
下翼緣下表面2點(diǎn)的合成應(yīng)力為
（2-8c）
將數(shù)據(jù)代入式（2-8a）（2-8b）（2-8c）中，
—主梁整體彎曲應(yīng)力；
0.9—考慮工字鋼下翼緣因磨損而減弱的系數(shù)。
查《設(shè)計(jì)手冊(cè)》和材料特性取=1800kg/cm2,根據(jù)以上的應(yīng)力計(jì)算值，查取材料設(shè)計(jì)參數(shù)可得應(yīng)力都在強(qiáng)度范圍內(nèi)，所以主梁符合強(qiáng)度的要求。[6]
（4） 跨梁截面剪應(yīng)力
(2-9)
S—主梁跨斷截面的靜矩（mm3）；
δ—主梁截面中性軸出的腹板厚度。[4]
2.2.5主梁穩(wěn)定性計(jì)算
(1) 主梁整體穩(wěn)定性
由于本產(chǎn)品主梁水平剛度比較大，故可不計(jì)算主梁的整體穩(wěn)定
性。
(2) 主梁腹板的局部穩(wěn)定性
由于葫蘆小車的輪壓作用在主梁的受拉區(qū)，所以主梁腹板局部
穩(wěn)定性不計(jì)算。
(3) 受壓翼緣板局部穩(wěn)定性
由于本產(chǎn)品主梁是冷壓形成的 U 形槽鋼，通過每隔一米間距的橫向加筋板及斜側(cè)板同工字鋼組焊成一體。U 形槽鋼的兩圓角都 將大大加強(qiáng)上翼緣板穩(wěn)定性，所以受壓翼緣板局部穩(wěn)定性可不計(jì)算。
2.3端梁設(shè)計(jì)計(jì)算
2.3.1端梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
端梁機(jī)構(gòu)采用鋼板冷壓成的U槽鋼再焊接成的箱型端梁結(jié)構(gòu)（見圖2-8），端梁上的車輪將主梁支撐在軌道上，端梁和車輪的連接是通過心軸的連接來實(shí)現(xiàn)的。端梁和主梁之間的連接是運(yùn)用螺栓板上的螺栓均勻布置聯(lián)接來實(shí)現(xiàn)的，以達(dá)到定位要求。
圖2-7 端梁結(jié)構(gòu)示意圖
圖2-8 端梁截面圖
端梁的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)該驗(yàn)算中間斷面（支撐主梁出的斷面）的彎曲應(yīng)力和支撐車輪處斷面的剪切力，還應(yīng)該驗(yàn)算車輪心軸對(duì)腹板的擠壓應(yīng)力。[3]
（1） 輪距的確定
查《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》有，即，L為主梁跨距L=13.5m，取K=2m，端梁長l=2.5m。
（2） 端梁的中央斷面幾何特性
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，裝置在Y軸方向的最大行程MS=20m，有效行程VS=12m，查取《設(shè)計(jì)手冊(cè)》初步給出端梁的斷面尺寸。
a 端梁斷面總面積
b 斷面形心位置
cm Z2=23-7.9=15.1cm
c 斷面慣性矩
cm
對(duì)Z—Z軸的慣性矩
cm
對(duì)Y—Y軸的慣性矩
d 端梁的斷面模數(shù)
cm cm
2.3.2 端梁主要焊接的計(jì)算
（1） 端梁端部上翼緣焊縫剪切應(yīng)力驗(yàn)算
端梁支撐截面上蓋板到水平重心線X-X的截面積矩
S1=40×1×5.74 cm=229.6 cm
上蓋板翼緣焊縫的剪切應(yīng)力
（2-11）
n1-上蓋板翼緣連接數(shù)；
hf-焊肉高度，查《設(shè)計(jì)手冊(cè)》取n1=4、hf=0.6 cm、RA=117699、Ix0=3297。
將數(shù)據(jù)代入（2-11）式中，得N/cm
（2） 下蓋板翼緣焊縫的剪切應(yīng)力驗(yàn)算
端梁支撐截面下蓋板對(duì)水平重心線X-X軸的截面積矩
cm
數(shù)據(jù)代入（2-11）式中，得N/cm
查《設(shè)計(jì)手冊(cè)》中應(yīng)力表得 N/cm，因此焊縫應(yīng)力滿足要求。[1]
2.3.3 裝置最大輪壓計(jì)算
在橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)中，單梁式結(jié)構(gòu)一般采用四個(gè)車輪支撐，承受整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的垂直重量。此裝置最大輪壓的計(jì)算，分別計(jì)算載荷小車移動(dòng)至左右兩端極限位置時(shí)的輪壓，并且按載荷組合Ⅱ計(jì)算。
（1） 載荷小車移動(dòng)至左端時(shí)各車輪輪壓
結(jié)合受力分析，力的平衡原理和力矩平衡原理可得
(2-12a)
Q—載重小車重量，Q=100kg；
G—主梁上運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量，G=1000kg；
K2—沖擊系數(shù)，對(duì)單梁取K2=1.1；
—?jiǎng)恿ο禂?shù)，對(duì)于中級(jí)工作類型單梁結(jié)構(gòu)，取=1.2；
G端—端梁重量，G端=165kg；
G輪—車輪裝置重量，G輪=46kg；
G驅(qū)動(dòng)—驅(qū)動(dòng)裝置重量，G驅(qū)動(dòng)=49kg；
q—主梁單位長度的重量，q=126kg/m；
L—主梁跨度，L=1300cm；
K—端梁輪距，K=200cm；
l1=588cm；K1=25cm。
將上述數(shù)據(jù)分別代入（2-12a）、（2-12b）、（2-12c）、（2-12d）得
NA= 1433.4kg NB=765.7kg NC=665.5kg ND=1360.5kg
（2） 載荷小車移動(dòng)至右端時(shí)各車輪輪壓
式中l(wèi)2=762cm,其他數(shù)據(jù)與（2-12）式中一致，將數(shù)據(jù)代入上式可得
NA=755.2kg NB=1333.5kg NC=1358.2kg ND=686.1kg
對(duì)于單梁式橋式起重機(jī)，它的最大輪壓NA=1433.4kg
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