QTZ400塔式起重机臂架设计

第 1 页 共 49 页QTZ400 塔式起重机臂架设计摘要：本次毕业设计题目是 QTZ400 塔式起重机臂架设计。本次设计中主要进行了塔机总体选型，整体稳定性计算，其包括（平衡重计算、风载荷计算以及抗倾覆稳定性计算） ，臂架结构设计及强度校核，臂架焊接工艺及工装夹具设计。其焊接工艺应尽可能的减小焊接变形和应力集中，胎具的设计应可靠地保证臂架上的各项技术要求。最后，联系实际，设计出合理的胎具并确定其结构尺寸。关键词：QTZ400 塔式起重机；总体选型；稳定性计算；强度校核；焊接工艺；胎具第 2 页 共 49 页序 言塔式起重机简称塔机，也称塔吊，源于西欧。具有工作效率高、使用范围广、回转半径大、起升高度高、操作方便以及安装与拆卸比较简便等特点，因而在建筑安装工程中得到了广泛的使用，并成为一种重要的施工机械。为了适应建筑物结构件的预制装配化、工厂化等新工艺、新技术应用的不断扩大，现在的塔式起重机必须具备下列特点：（1）起升高度和工作幅度较大，起重力矩大；（2）工作速度高，具有安装微动性能及良好的调速性能；（3）要求装拆、运输方便迅速，以适应频繁转移工地之需要。塔式起重机可以将其分解为金属结构、工作机构和驱动控制系统三个部分。金属结构是塔式起重机的骨架，它承受着起重机自重以及作业时的各种外载荷，是塔式起重机的主要组成部分，由塔身、塔头或塔帽、起重臂架、平衡臂架、回装支撑架、底架、台车架等主要部件组成。QTZ400 塔式起重机的工作机构有起升机构、变幅机构、回转机构和顶升机构等。其各机构功能：起升机构主要实现物品的上升与下降；变幅机构改变吊钩的幅度位置；回转机构使起重臂架作 3600 的回转，改变吊钩在工作平面内的位置；顶升机构使塔机的回转部分升降，从而改变塔式起重机的工作高度。驱动控制系统是塔式起重机又一个重要的组成部分。驱动装置用来给各种机构提供动力，最常用的是 YZR 与 YZ 系列交流电动机。控制系统对工作机构的驱动装置和制动装置实行控制完成机构的起动、制动、换向、调速以及对机构工作的安全性实行监控，并及时地将工作情况用各种参量：电流值、电压值、速度、幅度、起重量、起重力矩、工作位置与风速等数值显示出来以使司机在操作时心中有数。本说明书共分为四章，第一章为塔式起重机的总体设计说明；第二章为总体设计计算，包括风载荷计算、平衡重计算和塔机四种工况下的检验计算；第三章为塔机起重臂的强度校核，第四章为起重臂的工装夹具说明。其中重点是塔式起重机的总体设计计算以及起重臂的工装夹具的设计。第 3 页 共 49 页第 1 章 塔式起重机总体选型1.1 概 述塔式起重机是工业与民用建筑施工中，完成预制构件及其他建筑材料与工具等吊装工作的主要设备。在高层建筑施工中其幅度利用率比其他类型起重机高。塔式起重机的起升高度、工作幅度和起重力矩都很大，这就要对其受力、稳定性等进行考虑与计算。塔机的主要性能参数包括：起重量、起升高度、幅度、各机构工作速度、重量指标和起重力矩等。这些参数表明了起重机的工作性能和技术经济指标，它是设计塔式起重机的技术依据，也是生产中选择塔式起重机技术性能的依据。总体设计是机械设计整个过程中最关键的环节之一。它是使设计产品满足技术参数及形式的总构想，决定了机械设计的成败。在接受设计任务以后，应进行深入细致的调查研究，收集国内外的同类机械的有关资料，了解当前的国内外塔机的使用、生产、设计和科研的情况，并进行分析比较，制定总的设计原则。设计原则应当在保证所设计的机型达到国家有关标准的同时，力求结构合理，技术先进，积极性好，工艺简单，工作可靠。制定设计总则以后，接下来便可以编写设计任务书，在调研的基础上运用所学的知识，确定总体设计方案。本次课题设计的是 QTZ400 塔式起重机，其结构形式为上回转平衡臂架液压自升式。1.2 总体选型原则1.2.1 起重机的工作级别塔式起重机的工作级别与它的利用等级（工作频繁程度）和载荷状态（受载荷的轻重和频繁程度）有关。根据使用状态由 GB/T 13752-92塔式起重机设计规范P60 附录 C 表 C1 选取本次设计的 QTZ400 自升式建筑用塔机的利用等级为 U4(经常轻负荷使用)，载荷状态为 Q2（中-有时起吊额定载荷，一般起吊中等载荷） ，起升等级为 HC2，工作级别为 A4,名义载荷谱系数 Km=0.25。1.2.2 机构工作级别第 4 页 共 49 页根据 GB/T 13752-92塔式起重机设计规范规定：机构的工作级别按机构的利用等级和载荷状态分为六级：M1- M6。机构的利用等级按机构工作总时间分为六级：T1- T6。机构工作总时间规定为机构在设计寿命期内处于运转的总小时数，它仅作为机构零件的设计基础，而不能视为保用期。机构的载荷状态表明机构受载的轻重程度，按载荷谱系数分为三级：L1- L3 。如下表 1-1表 1-1 工作机构级别 1起升机构 回转机构 变幅机构 顶升机构Km=0.25 Km=0.50 Km=0.25 Km=0.25T4 L2 M4 T4 L3 M3 T3 L2 M3 T1 L2 M1注：T机构利用等级；L机构载荷状态；M机构工作级别；Km名义载荷谱系数第 5 页 共 49 页1.3 QTZ400 塔机的主要性能参数1.3.1 主 要 技 术 性 能 表表 1-2 主要技术性能表名 称 单位 参 数 公称起重力矩 KN.m 400 最大起重量 t 4 最大幅度处额定起重量 t 0.9工作幅度 m 1.742独立式 m 30高度 附着式 m 120倍率 a=2 a=4 起升速度 M/min 11 35 70 5.5 17.5 35起升速度 起升重量 t 2 2 1 4 4 2 回转速度 r/min 0.6变幅速度 m/min 33/16.5 最大回转半径 m 42尾部回转半径 m 9.0 底架跨度 mm 55最大工作风速 m/s 20 第 6 页 共 49 页1.3.2 主要机构性能参数 表 1-3 主要机构性能参数表名称 参数 型号 YZ200L1-4/6/24功率 kW 15/15/4电动机 转速 r/min 1440/960/220型号 JZQ500中心距 mm 500减速机 减速比 15.75型号 YWZ-315/50 制动器 制动力矩 N.m 450起升机构 钢丝绳 6*37-11-1670-I-右交型号 YD132S-6/4 B5 功率 KW 3/4电动机 转速 r/min 970/1440减速机 型号 XX4-80回转支承 HSW.32.1220回转机构 液力偶合器 YOX-250A型号 YD112M-8/4 B5 功率 KW 1.5/2.4电动机 转速 r/min 700/1410型号 WCJ120减速机 减速比 38变幅机构 钢丝绳 619-6.2-1570-I- 光-右交 型号 Y100L2-4 B5 功率 KW 3电动机 转速 r/min 1430型号 HSGK-125/90液压缸 活塞行程 mm 1320 顶升机构 额定压力 MPa 161.4 QTZ400 塔式起重机结构第 7 页 共 49 页QTZ400 塔式起重机由金属结构、机构传动、液压顶升、电气装置、以及安全保护装置等组成，各部分结构及特点简介如下：起重臂用两根起重臂拉杆与塔帽连接，其根部与上转台销轴连接，平衡臂则用两根平衡臂拉杆与塔帽相连，其根部与上转台销轴连接。起升机构设在平衡臂中后部，回转机构布置在回转上转台的右侧，左侧是司机室，变幅小车和吊钩由设在位于起重臂位于臂根处的变幅机构牵引，由起重臂纵轴线做水平往复运动。塔身高度由底架、基础节、加强节、标准节、半节的高度组成，独立式高度由 12 节塔身节组成， （包括 3 个基础节和 1 个加强节） ，最大起升高度 120m时，由 54 节塔身节组成，同时有 6 道附着装置。附着予埋件埋于事先计划好的附着高度位置，以便用附着撑杆将塔身附着于建筑物上。塔身加强节上部对角线方向有四个可拆卸耳板，四根斜撑杆上面用销轴与耳板连接下面与底架耳座连接。顶升机构由顶升套架和液压顶升装置两部分组成，顶升套架为框架式空间钢结构件，用销轴与半节相连，其后侧装有液压顶升装置的顶升油缸及顶升横梁，液压泵站放置在套架工作平台上，顶升时顶升横梁顶在塔身的踏步上在油缸的作用下，套架连同半节下转台以上部分沿塔身轴心线上升，油缸顶升两次，可引入一个标准节。起升高度不超过 30 米时，采用独立式，大于 30 米时采用附着式，附着时不论任何情况下，上部悬臂部分不得大于 22 米。独立高度时基础节三节，加强节一节，标准节八节，附着时可根据需要增加标准节和附着装置。1.5 QTZ400 塔式起重机结构选型塔机结构包括：地基基础、底架、压重、塔身基础节、撑杆、塔身标准节、回转平台、顶升套架、驾驶室、塔尖和拉杆、起重臂、平衡臂和平衡重。1.5.1 地基基础高层建筑施工用的附着式塔式起重机都采用小车变幅的水平臂架，幅度大部分在五十米以上，无须移动作业即可覆盖整个施工范围，因此多采用钢筋混凝土基础。钢筋混凝土基础有多种形式可供选用。对于有底架的固定自升式塔式起重机，可视工程地质条件，周围环境以及施工现场情况选用 X 形整体基础，四个第 8 页 共 49 页条块分隔式基础或者四个独立块体式基础。对于无底架的自升式塔式起重机则采用整体式方块基础。本次设计我采用的是 X 型整体基础。X 型整体基础的形状及平面尺寸大致与塔式起重机 X 型底架相似，塔式起重机的 X 型底架通过预埋地脚螺栓固定在混凝土基础上。此种形式多用于轻型自升式塔式起重机，如图 1-1。图 1-1 X 型整体式钢筋混凝土基础此外，底架四周边框用无缝钢管使用螺钉连接固定，以增加其稳定性。1.5.2 支撑架底架与塔身之间应设计支撑架，以提高塔机的整体稳定性。1.5.3 塔身塔身是塔机结构的主体，支撑着塔机上部分的重量和载荷的重量。从结构类型式可分为空间桁架结构和薄壁圆筒结构两种。按受力特点分为以承受轴向力为主的旋转塔身和受压、弯、扭转作用的不旋转塔身。塔身结构截面分为圆形截面、三角形截面及方形截面三类。现今国内外生产的塔机均采用方形截面塔身结构。按塔身结构主弦杆材料的不同，这类方形截面塔架可分为：角钢焊接桁架结构塔身，主弦杆为角钢辅以腹杆的矩形截面桁架结构；角钢拼焊方钢管桁架结构塔身及无缝钢管焊接桁架结构塔身。塔身标准节的截面尺寸规格有：1.2m1.2m， 1.3m1.3m， 1.4m1.4m，1.5m1.5m ，1.6m1.6m，1.7m1.7m，1.8m1.8m，2.0m2.0m。根据承载能力的不同，同一种截面尺寸，其主弦杆又有第 9 页 共 49 页两种不同截面之分。主弦杆截面较大的标准节用于下部塔身，主弦杆截面较小的标准节则用于上部塔身。塔身标准节的长度尺寸有 2.5m，3m，3.33m，4.5m，5m ，6m ，10m 等多种规格，常用的尺寸是 2.5m 和 3m。本塔机采用桁架结构塔身，其中塔身截面尺寸采用 1.4m1.4m，标准节的长度为 2.5m。如图 1-2。塔身标准节的联接方式有：盖板螺栓联接，套柱螺栓联接，承插销轴联接和瓦套法兰联接。本塔机采用套柱螺栓联接，其特点是：套柱采用子口定位，螺栓夹紧，用低合金结构钢制作。适用于方钢管和角钢主弦杆塔身标准节的联接，加工工艺要求比较复杂，但安装速度比较快。图 1-2 塔身标准节1.5.4 司机室上回转自升塔机的司机室有 3 种不同的布置方式：悬挂于臂架根部附近，固定于塔顶的一侧；设置于塔身的顶部，以塔架结构为骨架，外包薄腹板：设置于转台之上塔架结构内。本塔机采用的是悬挂式司机室而且多设于转台以上臂根侧。采用这种布置方式的司机室优点在于转台的加工制作可另行安排并实现专业化，不受主体结构的影响，功效高，成本低；在塔机转场运输中司机室可单独装车运输不受钢结构搬运作业的影响，方便、经济，并且不易损坏。1.5.5 起重臂第 10 页 共 49 页1. 构造形式塔式起重机臂架的结构型式有三种：桁架压杆式、桁架水平式、桁架混合式。本塔机采用小车变幅水平臂架，简称小车臂架，是一种承受压弯作用的水平臂架，是各式塔机广泛采用的一种起重臂。其优点是：吊臂可借助变幅小车沿臂架全长进行水平位移，并能平稳准确地进行安装就位。小车变幅臂架是上弦吊点，正三角形截面臂架，这种臂架的下弦杆上平面用作小车运行轨道。2.臂架的分节小车臂架常用的标准节间长度有 6m、7m、8m、10m、12m 五种。为便于组合成若干不同长度的臂架，除标准节间外，一般都配设 12 个 35m 长的延接节，一个根部节，一个首部节和端头节。端头节构造应当简单轻巧，配有小车牵引绳换向滑轮、起升绳端头固定装置。此端头节长度不计入臂架总长，但可与任一标准节间配装，形成一个完整的起重臂。本塔机选用标准节长度为6m，另加上 3m 长的延接节。3.臂架截面形式及截面尺寸塔机臂架的截面形式有三种：正三角形截面、倒三角形截面和矩形截面。小车变幅水平臂架大都采用正三角形截面，本塔机采用正三角形截面。选用这种方式的优点是：节省钢材，减轻