平头塔机5010起重臂有限元强度分析.doc

齐鲁工业大学 xxxx届本科毕业生毕业设计论文课题代码： 本科毕业设计（论文）题目 平头塔机5010起重臂有限元强度分析 学院名称 机械与汽车工程学院 专业班级 学生学号 学生姓名 导师姓名 2013年 6 月 5 日平头塔机5010起重臂有限元强度分析作 者 姓 名 专 业 过程装备与控制工程指导教师姓名 专业技术职务 齐鲁工业大学本科毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导教师的指导下独立研究、撰写的成果。设计（论文）中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计（论文）中加以说明，除此之外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。毕业设计（论文）作者签名：年月日齐鲁工业大学关于毕业设计（论文）使用授权的说明本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，即：学校有权保留、送交设计（论文）的复印件，允许设计（论文）被查阅和借阅，学校可以公布设计（论文）的全部或部分内容，可以采用影印、扫描等复制手段保存本设计（论文）。指导教师签名：毕业设计（论文）作者签名：年月日 年月日目 录摘 要1第一章 绪论31.1 平头塔机的起源及特点31.1.1平头塔机的发展31.1.2平头塔机的特点41.2平头塔机在国内外的发展现状51.2.1平头塔机在国内的发展现状51.2.2平头塔机在国外的发展现状51.3平头塔机的市场前景71.4本论文主要研究方法和研究进展7第二章 有限元法与ANSYS软件介绍92.1 有限元分析92.2 ANSYS102.2.1 ANSYS简介102.2.2 ANSYS提供的分析类型11第三章 平头塔机5010起重臂载荷的分析与计算133.1 技术性能参数及主要材料133.2 载荷计算的基本原则143.3 起重臂工况的分析与计算153.3.1 吊点满载工况（工况一）153.3.2 在吊点处运行时突然停止工况（工况二）16第四章 起重臂的建模与有限元分析184.1.起重臂的初步建模184.2 利用ANSYS对工况进行分析194.2.1起重臂正常工作载荷的分析（工况一）194.2.2 起重臂运行时突然停止时工作载荷的分析（工况二）21第五章 起重臂的优化与有限元分析255.1 起重臂钢件尺寸的优化255.2 优化后起重臂的有限元分析255.2.1优化后正常工作载荷的分析（工况一）255.2.2 起重臂运行时突然停止时工作载荷的分析（工况二）28第六章 总结31参考文献32摘 要目前，国内平头塔机结构设计多以传统类比方法和静态性能计算为主，导致一些平头塔式起重机存在着结构自重大，构造不合理，动态性能差等问题。针对以上问题，本文以5010平头塔机为对象，将现代优化设计方法引入平头塔机起重臂的结构设计中，在满足结构强度、刚度、稳定性约束的条件下，以期达到起重臂动态性能好、结构重量轻的目的。本设计说明书主要是以GB/T13752-92塔式起重机设计规范和塔式起重机设计手册为依据。采用先设计后验算的思路，将起重臂的大致尺寸设计出来后利用ANSYS软件进行有限元强度分析。再对设计的尺寸进行修改和校核，选取危险截面进行强度，弯矩等数据的验算。只要确保危险截面的数据达到要求，则其他截面也是合格的。关键词： 平头塔式起重机 起重臂 截面 ANSYS有限元强度分析 Abstract At present, flat-top tower crane structure design of the traditional analogy and static calculation.Lead to some problems that the structure of tower crane is great, unreasonable structure, poor dynamic performance. In view of the above problems, this paper takes 5010 of tower crane as the object, the optimized design method into the tower crane boom structure design, in order to meet the strength, stiffness, stability constraints, in order toachieve good dynamic performance, the boom structure light weight objective。 The design specification is mainly GB/T13752-92 tower crane design specification and tower crane design manual as the basis. By adopting methods of checking design first, will the boom roughly the size designed by ANSYS software for finite element analysis. Then modify and check on the design size, select the dangerous section strength, bending moment data checking. Just make sure the dangerous section of the data to meet the requirements, the other section is qualified.Key word：flat-top tower crane； Crane boom； Cross-interface； Strength analysis of ANSYS finite element第一章 绪论1.1 平头塔机的起源及特点 最近几年国外的塔机市场上，出现了一种结构新颖的平头式塔机，发展很快，大有流行之势；但是国内市场虽然也有厂家推出平头塔机，因用户对其了解不多，有的用户还没有平头塔机的概念，所以发展比较慢。对此，本文就其在结构、特点等方面对平头塔机做一个简单地介绍，使读者对平头塔机有个比较全面的了解。1.1.1平头塔机的发展平头塔机起源于欧洲，其名称源于Flat-Top Tower Crane的译名，也有叫无塔头式塔机(Topless Tower Crane)。平头塔机的设计思想及雏形最早可追溯到20世纪60年代，当时法国Richie:公司研制的塔机外形己接近于现在的平头塔机，例如其X 1290和GT系列塔机塔头较矮，通常不超过4m，只稍稍高于起重臂和平衡臂。但严格来讲，这些塔机又不同于现在的平头塔机，尽管塔头较矮，但还是能区分出塔头、平衡臂、拉杆等。真正的平头塔机诞生于1975年，瑞典Linden公司首次提出平头塔机的概念，并率先推出了Linden8000平头塔机模数系统，不同型号平头塔机的起重臂可以互换。Linden平头塔机没有传统意义上的塔头，而且取消了拉杆，上部结构形状呈水平且均为刚性结构，没有传统塔机那种塔头、平衡臂、起重臂及拉杆之间的铰接连接方式。可以说，Linden平头塔机的出现揭开了平头塔机发展的序幕。 图1-1 平头塔机1.1.2平头塔机的特点7!x7!50 2 33ZBq+M 没有塔头和拉杆是平头塔机最显著的结构特征，这也是平头塔得名的由来。由于这一特殊的结构形式才使平头塔与带塔头的塔机有了质的区别，这也决定了平头塔所特有的优点和缺点。 ?ps 0t 与带塔头、拉杆的水平臂小车变幅式塔机相比，平头塔吊臂的受力状况、连接方式明显不同。立塔后无论是工作和非工作状态，平头塔吊臂和平衡臂上下主弦杆受力状态不变，上弦杆主要受拉，下弦杆主要受压，没有交变应力的影响，其力学模型单一、简明。正是基于这一点，平头塔吊臂的连接设计才更简便，非常便于臂节之间的快速拆装，现代的平头塔吊臂大多采用正三角形截面的空间桁架结构主要也是考虑这一受力状况。上弦杆靠一个销轴连接承受拉力，下弦杆则靠结合处的端面承受压力，这样下弦杆的连结方式非常简便，仅靠两个定位锁销并配锁止螺栓。安装时先将上面的销轴连好，然后下落臂节，两锁销自动就位，穿上螺栓即可，臂节间主要靠上弦杆的一个大销轴连接，既省力又省时，这是平头塔机的特色之一。 s3V 随着应用领域的不断加大人们逐渐发现了平头塔机的许多优点，这是其它各种类型塔机所无法替代的。近几年来世界最著名的几大塔机制造商，如Potain，Liebherr，Terex,，Kroll等公司纷纷涉足平头塔机领域，使平头塔机成为一种新潮。相比传统塔机，平头塔机有以下优点： 降低了安装高度，使安装、拆卸更加安全、方便。 更加适合于群塔交叉作业。 适合对高度有特殊要求的场合施工。 适合于对幅度变化有要求的施工场合。 便于施工现场受限条件下的塔机拆装。 起重臂钢结构寿命长、安全性高。 起重臂的适用性好、利用率高。 设计成本低。平头塔机也有其固有的缺点，主要有三方面： 平头塔机整个起重臂、平衡臂的质量比同级别的普通塔机重5%一9%。 在现有条件下80m以上级别平头塔机的设计优点将会逐渐丧失。 平头塔机起重臂的外形尺寸对运输不利。1.2平头塔机在国内外的发展现状1.2.1平头塔机在国内的发展现状 平头塔机虽然在国外己有近30年的发展史，但在国内的历史不长。绝大多数用户还都没有这一概念，即使知道也对其技术性能、安全可靠性等存有疑虑，不愿贸然选用。不过一些人己经看到平头塔机的某些优点而率先采用，并在应用中切身体会到了它的独特之处。 首先是台商独资企业南京中升公司于1994年从国外引入了平头塔机技术，生产ZSC系列平头塔机，该系列现有五种规格，其结构特征是起重臂截面呈倒三角形。 沈阳建筑机械有限公司从20世纪90年代初就开始了对国外平头塔机技术进行研究。在1999年推出了具有当代国际水平的新型平头塔机，当年生产出870/27(70m臂吊2.7t，最大起重量lOt或12t)和854/16(54m臂吊1.6t，最大起重量8t)两种规格。大部分机构采用进口件，如起升机构采用国外的变频机构，大齿圈等也从国外进口，其结构特点是起重臂截面为正三角形，拆装或检修时检修人员可以沿着起重臂里的走台行走，安全、可靠、方便，非常适合起重臂在空中逐节拆装。 2007年8月，中联重科TP350/20 7032平头塔式起重机安装调试成功，说明我国塔机制造业正在逐渐重视平头塔机的发展，努力从技术上对平头塔机进行突破。 平头塔机在国内的发展虽然还属起步阶段，但己引起一些塔机生产厂和有识之士的关注，个别厂家正在研制40-80tm中小型平头塔机，平头塔机的发展有待用户认识的加深和鉴赏能力的提高。中国己经加入WTO，市场将逐渐向全球开放，市场竞争的全球化必将促使国内塔机生产厂跟上国外发达国家的前进步伐，平头塔机在国内大发展的局面迟早要到来。1.2.2平头塔机在国外的发展现状 自从Linden公司推出平头塔机以来在相当长的一段时期内没有被用户普遍接受，因为人们在内心深处己经习惯了带塔头的塔机，认为塔机带塔头是天经地义的事，有的甚至认为塔机上没有塔头、拉杆，结构不合理、不安全。 随着平头塔机应用领域的不断扩大，其独特的优点被越来越多的用户所认可，于是一些制造厂家纷纷涉足平头塔机的研制，以至于波坦和利勃海尔等大公司也以各种方式推出平头塔机，由此极大地推动了平头塔机的发展。近10年是国外各大塔机制造商相继推出平头塔机最集中的时期，也是发展最快的时期。下面从几个主要塔机制造公司的情况就可以看出平头塔机的发展状况及态势。 Linden公司 30多年前，瑞典Linden公司以Linden8000模数系列平头塔机为先导，将平头塔机这一新概念引入到塔机世界，其意义不仅在于引入了一种新概念，还在于引入了塔机模数化设计、应用的新思维，使不同级别与型号的塔机能够共用同一个标准模数系统，从而极大地提高了塔机的适应性和灵活性。西班牙Comansa公司在买下Linden8000模数系列技术的基础上对平头塔机进行了全面的研究、改进，使其在性能、规格、型号和系列等方面都有了很大的发展、完善和提高，从此使Linden-Comansa的名字享誉海外。而后他们不断地对平头系列塔机的技术进行探索和完善，将它发展成一个完整系统，如Linden8000, 1000, 2100系列。 波坦(BKT)公司 德国B KT公司也是较早推出平头塔机的制造商。该公司自1990年就开始制造具有自己特色的平头塔机，和Linden-Comansa相比B KT平头塔机的上部结构显得更轻便，尤其是平衡臂更简洁。B KT在平头塔机上突飞猛进的发展使该公司在同行中的名声大振，市场占有率逐渐提高，从1995年到1997年两年间在马来西亚地区就销售出56台平头塔机，这一动向引起了世界塔机巨头波坦公司的注意。此前，波坦公司生产的带塔头式的塔机一直在世界上绝大多数国家和地区占有主导地位。在1998年9月收购了BKT公司，BKT的平头塔机填补了波坦公司在塔机系列上的空白，使波坦公司有了新的卖点。波坦公司收购了BKT公司以后，对平头塔机系列进行了改造和发展，使BKT的平头塔更进一步融入到了波坦的塔机系列中。 利勃海尔公司 作为世界两大塔机巨头之一的德国利勃海尔公司一直与法国波坦公司并驾齐驱，主导着世界塔机发展的潮流。当初德国BKT推出平头塔机时并没引起利勃海尔的注意，可随着BKT平头塔机市场份额的不断加大并在多个国家取得节节胜利，利勃海尔再也不能坐视不理了。他们也看到了平头塔机的潜在市场，并于1996年开始提供平头塔机。 利勃海尔推出的EC-B系列平头塔机是在传统的EC-H塔机基础上发展而成的。EC-B回转以下的部分与传统的EC-H塔机完全通用，但回转以上采用平头塔机的结构形式。EC-B系列平头塔机有80EC-B 6 , 112EC-B 8 , 180EC-B 10共3种型号，最大起重量为6t, 8t, lOt 。1.3平头塔机的市场前景近多年来，平头塔机在国外表现出了强劲的发展势头，用户的认可度日益提高，市场占有率逐年提升2。国外的知名的塔机生产商纷纷推出了自己的平头塔机系列，并已经取得成功,从目前的发展趋势来看,国外的城市型和中型塔机中平头塔机将逐步替代传统的塔机。德国Bauma博览会可以说是国外建机市场的晴雨表，如在Bauma98博览会上就有几家制造商展出平头塔机实物，如Linden Comansa,BKT公司等;而在Bauma2001博览会上展出平头塔机实物的厂家明显增多，又增加了Potion, TerexLifting(Peiner和Comedil), Jost等公司，这预示着平头塔机良好的市场前景。又因塔机整机在复杂工况下仍然常常发生事故，对平头塔机进行整机分析将是研究领域的一种趋势。 目前，平头塔机在国内也已逐渐被接受,特别是近两年，国内生产平头塔机的阵营迅速扩大，用户也在逐渐增多，但是和带塔头的普通塔机相比，差距巨大。同时由于建筑施工企业的使用习惯,我国平头塔机的广泛推广和应用尚需时日，相信随着我国平头塔机的不断发展和完善,可以预见,具有独特优点的平头塔机必将在中国市场上得到广泛的推广和应用。和国外相比我国起步较晚，无论是设计理论和应用水平都落后于国外。不仅平头塔机的生产厂家少，而且用户的认可度低，在绝大部分地区仍属空白。1.4本论文主要研究方法和研究进展平头塔机在工作过程中绝大部分的载荷来自自重和吊重的作用，还包括惯性载荷、风载荷等。无论这些外界载荷作用在平头塔机的什么部位，最终都要传递给平头塔机钢结构，因此钢结构的结构性能很大程度上决定了整机质量的好坏，作为工作装置的臂架钢结构更是平头塔机整体钢结构最为核心的内容。以平头塔机5010起重臂作为研究对象，利用ANSYS有限元软件对其钢结构进行有限元强度分析。通过对平头5010起重臂钢结构进行建模，加载荷，强度分析为起重臂结构设计提供理论依据，节省材料，降低成本。具体内容为：1） 起重臂建模2） 工况计算（不同工况下加载荷计算）3） 起重臂强度计算4） 完成计算报告第二章 有限元法与ANSYS软件介绍2.1 有限元分析 有限单元法(Finite Element Method, FEM)是一种求解数理方程的数值计算方法， 是物理理论、计算数学和计算机软件有机结合在一起的一种数值分析技术，也是解决 工程实际问题的一种有力的数值计算工具7。有限元法具有灵活、快速、有效的特点，已经发展为求解各领域的数理方程的一种通用的数值计算与分析方法。 有限单元法的主要思想8,是对连续体的求解域(物体)进行单元剖分和分片近似，通过边缘节点相互连接成为一个整体，然后用每一单元内所假设的近似场函数(如位移场或应力场等)来分表示全求解域内的未知场变量，利用相邻单元公共结点场函数值相同的条件，将原来待求场函数的无穷自由度问题，转化为求解场函数节点值的有限自由度问题，最后采用与原问题等效的变分原理或加权余量法，建立求解场函数节点值的代数方程组或常微分方程组，并采用各种数值方法求解，从而得到问题的解。 有限元分析的基本步骤如下：（1）建立求解域并将其离散化为有限单元，即将连续体问题分解成节点和单元等个体问题；（2）假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解得近似连续函数；（3）建立单元方程；（4）构造单元整体刚度矩阵；（5）施加边界条件、初始条件和载荷；（6）求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果，例如得到不同节点的位移量、应力应变量或热力学问题中的温度量等；（7）得到其他重要信息。有限元分析过程也可以表述为如下框图如图图 2-1 有限元分析基本过程2.2 ANSYS2.2.1 ANSYS简介在众多可用的通用和专业有限元软件中，ANSYS是最为通用有效的商业有限元软件之一，它是融结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS软件从70年代至今，经过30多年的发展，已经成为能够紧跟计算机硬、软件发展的最新水平，功能丰富，用户界面友好，前后处理和图形功能完备的，使用高效的有限元软件系统。它拥有丰富和完善的单元库，材料模库和求解器，保证了它能够高效的求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，稳定和瞬态热分析及热结构耦合问题，静态和时变电磁场问题，压缩和不可压缩的流体力学问题，以及多场耦和问题；它的友好的图形用户界面和程序结构使用易学易会；它的完全交互式的前后处理和图形软件，大大减轻了用户创建工程模型，生成有限元模型以及分析和评价计算机结果的工作量；它的统一和集中式的数据库，保证了系统各个模块之间的可靠和灵活的集成，它的DDA模块实现了它与多个CAD软件产品的有效连接；ANSYS系统的各种产品和适应于各种计算机平台的版本，为用户提供了各种可能的选 择。ANSYS公司的不懈努力，已经使ANSYS 成为计算机辅助工具和工程数据模拟的最有效的软件，成为当代CAD/CEA/CAM主流产品之一9-12。ANSYS 有限元分析过程包括三个主要步骤13：前处理、加载并求解、后处理。前处理是指创建实体模型以及有限元模型,它包括创建实体模型，定义单元属性，划分有限元网格，修正模型等几项内容；加载包括边施加边界条件和作用力；后处理就 是用来观察模型求解结果。2.2.2 ANSYS提供的分析类型ANSYS软件提供的分析类型如下：结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。动力学分析结构动力学分析研究结构在动载荷作用的响应（如位移、应力、加速度等得时间历程），以确定结构的承载能力的动力特性等。ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。电磁场分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。流体动力学分析ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。声场分析ANSYS把声学归为流体，程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布10，或预测水对振动船体的阻尼效应。压电分析压电效应分析是一种结构电场耦合分析，给压电材料加电压会产生位移，反之使压电材料振动则产生电压，一个典型的压电分析的应用是压力换能器。ANSYS压电分析用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。第三章 平头塔机5010起重臂载荷的分析与计算起重臂是平头塔机的主要特征组件。没有塔头和拉杆是平头塔机最显著的结构特征,这也是平头塔机得名的由来。由于这一特殊的结构形式才使平头塔机与带塔头的塔机有了质的区别,这也决定了起重臂成为了平头塔机的特征组件。与带塔头、拉杆的水平臂小车变幅式塔机相比,平头塔机起重臂的受力状况、连接方式明显不同。对于起重臂的设计,传统的设计方法主要是根据经验选择各个臂节的结构尺寸和部件材料,然后对其力学性能进行校验。这种方法通常需要多次反复更改设计方案,重复校验,费时费力,对设计人员的经验要求较高,并且最终方案也未必是最优的。而此次设计，先根据经验计算并选择部件的尺寸与材料。之后应用ANSYS软件进行强度分析。根据分析结果，重新选择出合适的尺寸与材料。平头塔机起重臂较长、自重较大，因此起重臂设计是否合理直接影响着起重机的承载能力、整机稳定性和整机自重。因此应在保证臂架的强度、刚度和整体稳定性的条件下尽量减轻起重臂的重量。选择合适的材料成为起重臂设计的主要任务。3.1 技术性能参数及主要材料（1）起升高度: 20m（注：现使用高度）（2）工作幅度: 50m （3）起升快速度: 67.14/min a=2时 33.57m/min a=4时（4）起升中速度: 33.57m/min a=2时 16.78m/min a=4时（5）最低稳定下降速度: 7m/min a=2时 7m/min a=4时（6）回转机构功率: 3.7kw（7）变幅机构功率:2.2/1.5 kw（8）起重臂：L=50m （9）端点提重：Q=1t（10）预选材料：Q235（11）Q235许用应力范围：=130180Mpa（12）空载回转速度: 0.63 r/min（13）回转机构制动时间： t=4s （0.70r/min）（14）根据塔式起重机设计规范GB/T13752-92预估计起重：G臂=4468kg，小车重：G车=153kg，钢丝绳：G钢=26kg， 吊钩重：G钩=128kg材料选择根据结构设计的初步计算结果选用。（15） 上轩杆：采用圆管钢D=140mm ,d=100mm,t=20mm （16）下轩杆：采用角钢W1=100mm,t1=8mm（17）负杆：采用角钢L=45mm,t2=4mm3.2 载荷计算的基本原则 为保证起重机安全、正常地工作，其金属结构和机构的零部件应满足强度、稳定性和刚度的要求。强度和稳定性要求是指结构构件在载荷作用下产生的内力不应超过许用的承载能力（指强度、疲劳强度和稳定性方面的许用承载能力）；刚度要求是指结构在载荷作用下产生的变形量不应超过许用的变形值，以及结构的自振周期不应超过许用的振动周期6。 本塔机依据GB/T 13752-92 塔式起重机设计规范设计。由此可查知：1.载荷系数a. 自重载荷：是指吊车金属结构、机构、动力或电气设备，以及装在吊车上的料仓、连续输送机及相应的物料等质量的重力。在吊车设计计算的重力。在吊车设计计算的初始阶段，自重载荷尚属未知，必须预先估出。而自重载荷系数是可以通过查表得出的。 Fg考虑起升冲击系数=1.0+0.1(-1)=1.0082；b. 起升载荷：是指起升质量的重力。在起重机设备中，起升质量包括允许起升的最大物品、取物装置（下滑轮组、吊钩、吊梁、抓斗、容器、起重电磁阀）、以及悬挂挠性件和其他随同升降的设备质量。起升高度小于50m时，起升钢丝绳的质量可以不计。而起升载荷系数同样可通过查表得出。 FQ考虑起升载荷的动载系数 =1.05+0.4（vh-0.2） =1.05+0.4（0.28-0.2） =1.0823.3 起重臂工况的分析与计算 起重机在运行时会出现各种运行情况，每一种运行情况我们称之为一种工况。通过研究起重机在此工况下的各种受力情况，对其进行分析计算，我们就能确定出在此工况下最合适的材料组合，从而确定起重臂的材料。因此，在这我们选择了2个比较有代表性的工况进行分析计算，从而确定出起重臂合适的钢材组合。图3-4 平头塔式起重机3.3.1 吊点满载工况（工况一） 吊点满载工况即（工况一），是起重机静止时在起重臂50m处吊1t重物时的工况1。在此工况下，起重臂只受重力的作用，无其他任何附加载荷。已知塔机自重载荷系数=1.0082； 起升载荷系数=1.082 小车重：G车=210kg，钢丝绳：G钢=18kg，吊钩重：G钩=145kg（1）即在50米处吊起1t的重物（不考虑风载荷） F2=( G1+ G2 +G3) +Q =(2100+ 1450+180)1.0082+100001.082 =14579.84N（2） 自重载荷，是指某些机器的金属结构、机构、动力或电气设备等质量的重力。起重臂上主要包括起重臂结构自重、变幅机构自重、起升小车自重，自重载荷通过给材料施加密度,对结构施加重力加速度g,由ANSYS程序自动计算得到。由于模型简化后,ANSYS软件所计算的结构重量和实际结构重量存在差异,需对材料的密度进行修正。3.3.2 在吊点处运行时突然停止工况（工况二）平头塔式起重机在回转运动过程中突然停止，由于惯性作用，不管是平衡臂自身还是配重都会产生一个与运动方向相同的水平额外载荷。这些载荷会对起重臂产生一定的影响，再加上起重臂自身受重力影响，因此，此工况下对起重臂材料要求是比较高的。此工况即为：自重+50m处吊重+工作状态风载荷+惯性力+吊钩重+小车重+钢丝绳重 （1）起重臂所受风载荷 按照我国塔式起重机设计规范（GB/T1375292）进行计算。 臂架受风载荷 （3-1） 式中 风力系数，臂架为三角形结构，取1.3； 计算风压，工作状态取250Pa; A迎风面积,如图21所示。 图35迎风面示意图 =1.3, =0.2，=0.7 A=(1+)0.2A1L A1L =251.6191.3（1.61.36273.4 A=(1+)0.4A1L =1.70.273.4 =24.956m2 Fw1= =1.325024.956 =8110.7N（2） 起重臂所受的惯性力 已知空载回转速度: n=0.63 r/min；回转机构制动时间： t=4s。 50m处加速度：a1=vt =2nr1t =20.63504 =0.82467m/s2 此加速度为吊重，自重（小车，吊钩，钢丝绳）的加速度 25m处加速度：a2=vt =2nr1t =20.63254 =0.41233m/s2 此加速度为起重臂自身的加速度 由上述可知：Ph起=1.5m起a2=1.544680.41233=2763.44N Ph1=1.5Ma1=1.5（153+128+26+1000）0.82467=1616.77N 起重臂受力如图 Fw1均匀分布在起重臂上 转 向 Ph起 Ph1图3-6在50m处吊1t重物突然停止载荷分布简图（3） 自重载荷。跟工况一自重载荷情况相同，代入即可。第四章 起重臂的建模与有限元分析ANSYS软件作为应用有限元理论成功的大型CAE软件之一，已经渗透到各个工程领域。利用ANSYS软件对机械建立模型，可以很容易的发现机械设计的合理性，并且能够有效地反应设计的利与弊。根据模型当中反映出的数据，合理的做出更改，优化机械设计，并使机械的设计接近于完美。4.1.起重臂的初步建模根据起重臂的结构设计，在设计中起重臂长50m被分为八节，首节长度为6m，共一节；第二节、第三节长度都为6.3米，共二节；第四节长度为6.4m，共一节；第五节、第六节、第七节长度为6m，共三节；末节长度为7m，共一节。起重臂高度从首节开始到25m处为1.6m，即前4节。第四节为过渡节高度由1.6m变为1.3m。后三节高度为1.3m。 图4-1 图4-2利用ANSYS进行有限元分析过程如下： 利用ANSYS软件中的点、线画法，根据起重臂设计数据建立起了简单的线单元模型，如图所示： 图4-3 起重臂线单元模型 利用ANSYS软件建立简单的起重臂网格单元模型。并根据选材将材料密度7800kg/m3以及起重臂所受重力9.8N/kg加入到模型中。 如图所示 图4-4 起重臂网格模型4.2 利用ANSYS对工况进行分析首先要对起重臂的网格加入约束，起重臂首节处理为约束，起重臂与塔基接触部分的自由度均完全约束（即全约束），这样能更好的模拟起重臂真实的工作状态。4.2.1起重臂正常工作载荷的分析（工况一）50m处吊重1t，起重臂架末节端点处施加的载荷简化为沿X轴方向的坐标力，对称的施加到末节端点处下弦杆的两个节点上。载荷的计算结果依据第三章可知：F正=（G1+G2+G3）1+GQ2 =（2100+1450+180）1.0082+100001.082 =14579.84N以及起重臂所受的自重载荷。将载荷加入模型，其所受力如图所示 图45 50m处吊重1t受力图通过ANSYS进行计算后所受应力形变图。如图 图46 50m处吊重1t的应力形变图下面将通过对应力云图的分析来确定初步设计是否合理，如图 图47 50m处吊重1t应力云图依据ANSYS对此工况的有限元分析可知，上轩杆所受应力在额定范围之内，下轩杆所受应力也在额定范围之内，但上、下轩杆所受应力过小，这样会导致材料浪费，且上轩杆与下轩杆的疲劳极限差距较大，不利于塔机起重臂的运行与使用，且斜腹杆受力过大，说明这次的设计并不是最优化的设计。4.2.2 起重臂运行时突然停止时工作载荷的分析（工况二） 在25m处吊重1t，起重臂架25m处施加的载荷简化为沿X轴方向的坐标力，对称的施加到25m处下弦杆的两个节点上。载荷的计算结果依据第三章可知： （1）起重臂所受风载荷 按照我国塔式起重机设计规范（GB/T1375292）进行计算。 臂架受风载荷 （4-1） 式中 风力系数，臂架为三角形结构，取1.3； 计算风压，工作状态取250Pa; A迎风面积,如图21所示。 =1.3, =0.2，=0.7 A=(1+)0.2A1L A1L =251.6191.3（1.61.36273.4 A=(1+)0.4A1L =1.70.273.4 =24.956m2 Fw1= =1.325024.956 =8110.7N （2）起重臂所受的惯性力 已知空载回转速度: n=0.63 r/min；回转机构制动时间： t=4s。 50m处加速度：a1=vt =2nr1t =20.63504 =0.82467m/s2 此加速度为吊重，自重（小车，吊钩，钢丝绳）的加速度 25m处加速度：a2=vt =2nr1t =20.63254 =0.41233m/s2 此加速度为起重臂自身的加速度 由上述可知：Ph起=1.5m起a2=1.544680.41233=2763.44N Ph1=1.5Ma1=1.5（153+128+26+1000）0.82467=1616.77N （3）自重载荷。跟工况一自重载荷情况相同。 将载荷加入模型，受力如图 图48 50m处急停吊重1t受力图通过ANSYS进行计算后所受应力形变图。如图 图4-12 50m处急停吊重1t的应力形变图下面将通过对应力云图的分析来确定初步设计是否合理，如图图413 50m处急停吊重1t应力云图 通过对这一工况的有限元分析，可以从图中发现上弦杆所受应力过小，下弦杆所受的应力也太小，斜腹杆受力过大。这样从经济与材料的方面考虑，会发现这样是很浪费的做法。第五章 起重臂的优化与有限元分析5.1 起重臂钢件尺寸的优化14在上一章的有限元初步分析中，总结出圆钢管与下弦杆角钢的尺寸过大，造成了材料的浪费，在经济方面很不合理。腹杆所用角钢在厚度方面有些略小，需要加厚。综合上述简述，我们将钢件的尺寸优化为：上弦杆：采用圆钢管D=95mm;d=79mm 下弦杆：采用等边角钢W1=90mm;W2=90mm;t1=4mm 腹杆：采用等边角钢L=45mm;t2=6mm 5.2 优化后起重臂的有限元分析5.2.1优化后正常工作载荷的分析（工况一）50m处吊重1t，起重臂架末节端点处施加的载荷简化为沿X轴方向的坐标力，对称的施加到末节端点处下弦杆的两个节点上。载荷的计算结果依据第三章可知：F正=（G1+G2+G3）1+GQ2 =（2100+1450+180）1.0082+100001.082 =14579.84N以及起重臂所受的自重载荷。将载荷加入模型，如图 图54 50m处吊重1t受力图通过ANSYS进行计算后，应力变形图。如图 图55 50m处吊重1t应力变形图通过ANSYS进行计算后所受形变图。如图 图5-6 50m处吊重1t的形变图下面将通过对应力云图的分析来确定此次设计是否合理，如图 图57 50m处吊重1t应力云图 依据ANSYS有限元分析可知，上轩杆所受应力在额定范围之内，