开题报告-QTZ40塔式起重机总体及塔顶优化设计.doc

河北建筑工程学院毕业设计（论文）开题报告课题名称QTZ40塔式起重机总体及塔顶优化设计系 别： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机092 学生姓名： 学 号： 指导教师： 课题来源导师课题课题类别工程设计一、论文资料的准备1、塔式起重机概述塔式起重机简称塔机或者塔吊，是一种机身为塔架式结构的全回转动臂架式起重机。塔式起重机由金属结构、工作机构和电气系统三部分组成。金属结构包括塔身、动臂和底座等。塔机的工作机构有五种：起升机构、变幅机构、小车牵引机构、回转机构和大车走行机构(行走式的塔机)。电气系统包括电动机、控制器、配电柜、连接线路、信号及照明装置等。塔式起重机的作业空间大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。由于塔式起重机能够靠近建筑物，在高层建筑施工中其幅度利用率比其它类型的起重机要高，可达到全幅度的80%。而普通履带式、轮胎式起重机的幅度利用率不超过50%，并随着建筑物高度的增加而急剧减小。因此塔式起重机在高层工业和民用建筑施工的使用中一直处于领先地位。应用塔式起重机对于加快施工进度、缩短工期、降低工程造价等方面起着重要的作用。2、塔式起重机的研究现状及发展趋势塔式起重机(简称塔吊)是一种塔身直立、起重机臂铰接在塔帽下部且能够作360回转的起重机,通常用于房屋建筑和设备安装的场所,具有适用范围广、起升高度高、回转半径大、工作效率高、操作简便、运转可靠等特点。因此它在建筑安装施工中已经得到了广泛的应用,特别对于高层建筑施工来说,更是一种不可缺少的重要施工机械。塔式起重机起源于欧洲。据记载，第一项有关建筑用塔机专利颁发于1900年。1905年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，1923年制成了近代塔机的原型样机，同年出现第一台比较完整的近代塔机。1930年当时德国已开始批量生产塔机，并用于建筑施工。1941年，有关塔机的德国工业标准DIN8770公布。该标准规定以吊载(t)和幅度(m)的乘积(tm)一起以重力矩表示塔机的起重能力。我国的塔机行业于20世纪50年代开始起步,已有50多年的历史，经历了一个从测仿制到自行设计制造的过程。20世纪50年代，为满足国家经济建设的需要，中国引进了前苏联以及东欧一些国家的塔式起重机，并进行仿制。这个时期中国生产与使用的塔式起重机的数量较少。20世纪60年代，由于高层、超高层建筑的发展，广泛使用了内部爬升式和外部附着式塔式起重机，并在工作机构中采用比较先进的技术，如直流调速、可控硅调速、涡流制动器、在回转和运行机构中安装液力偶合器等。在此时期，中国开始进入了自行设计与制造塔式起重机的阶段。20世纪70年代，塔式起重机服务对象更为广泛。塔式起重机的幅度、起重量合起升高度均有了显著提高。为了满足市场各方面的要求，塔式起重机又向一机多用方向发展。中国塔式起重机进入了技术提高、品种增多的新阶段。这一时期还先后开发了ZT100、ZT120、ZT280等小车变幅自升式塔式起重机、QT-20小车变幅内爬式塔式起重机，QTL16、TQ40、TQ45、TD25、QTG40、QTG60下回转动臂自行架设快装塔式起重机等，其年产量最高超过900台，标志着中国塔式起重机行业进入一个新的阶段。20世纪90年代以后，中国塔式起重机行业随着全国范围建筑任务的增加而进入了一个新的兴盛时期，年产量连年猛增，而且有部分产品出口到国外。全国塔式起重机的总拥有量也从20世纪50年代的几十台截至2000年约为6万台。至此，无论从生产规模、应用范围和塔式起重机总量等角度来衡量，中国均堪称塔式起重机大国。3QTZ40塔式起重机的整体和塔顶简介(一) QTZ40塔式起重机的整体简介QTZ40塔式起重机具有起升、回转、变幅、顶升四种工作机构，可单独或复合动作，可以获得较高的工作效率。顶升机构用于塔身接高或降塔,起升机构采用多速电机，有快速、中速和 慢就位多种速度，充分满足用户各种工况的需要。起重臂可左、右作540度全回转，回转、变幅灵活可靠，起吊就位准确，可满足建筑施工中垂直及水平运输的需 要。该机设有起重量限制器、力矩限制器、起升高度限制器、幅度限位器和回转限制器等安全保护装置齐全，灵敏可靠，确保塔机正常工作。另外，还设有休息平台、护栏等安全保护设施。司机室独立侧置，造型美观，视野开阔，内部空间大，操作方便。该机适用性好，广泛用于中高层以下的各类工业与民用建筑和滑模施工的吊装，也用于港口、货场的装卸。 (二) QTZ40塔式起重机的塔顶简介目前，国内应用较广泛的塔机塔顶形式有固定式塔顶和片式塔顶两种，固定式塔顶的结构形式为空间桁架，其弦杆和腹杆均为实心圆钢或钢管，迎风面积和风力系数小，从而减少了水平风力，甚至可以不考虑风载荷对其的直接影响。片式塔顶为铰交的结构形式所以其不承受弯矩、只承受轴向压力，而平衡臂固接于上转台，其受力状况较为复杂，其结构形式要求平衡臂臂架必须做成空间桁架结构，或者用大型型钢（工字钢）做成片式结构，用上下两个铰点固接于塔机的上转台，与上转台形成一个固定的结构体。片式塔顶结构简单、线条流畅、外形美观大方、受力简单，塔机架设既方便又省时省力二、ANSYS介绍 “有限元”这个词语于1965年首次被提出，经过大约40多年的不断发展和完善，到今天已经广泛应用于各种不同的工程之中，理论也已经相当成熟。有限元思想的核心就是把实际结构离散化，假想地使实际的结构离散为有限数目个类似结构的个体，然后通过分析这些有限个体的性能来求出满足实际工程要求的计算结果，从而代替对于具体复杂实际结构的求解。经过离散化，应用有限元思想，可以解决很多实际复杂的工程问题，并在理论研究和工程应用两方面都具有极其重要的实用价值。 1970年，美国著名力学专家、匹兹堡大学教授John Swanson创建了ANSYS公司，通过四十余年的发展壮大，已经逐渐成为全球CAE行业中最大的公司。在发展过程中，ANSYS软件不断改进提高，性能也不断增强，可靠性也不断得到保证，在易用性和适应运行环境等其他方面也日趋完善，基本上完全能够满足当前用户对于有限元分析软件的要求，当下，已发展到了140版本。 ANSYS作为一个大型通用软件，可以广泛的应用于结构、流体、声场、热、耦合场、电磁场上面，其使用用户也能够涵盖机械、土木建筑、水利、生物、医学、能源、航空航天和交通运输等各行各业的不同领域，利用ANSYS软件，能够将实际模型置于各种各样不同的复杂实际工况之中，准确并合理的分析，优化设计，减少实际试验的物质和人力投入，提高工作效率，缩短研发周期从而能够为提高利润做出贡献。使用ANSYS软件分析，包含以下几个过程：建立模型、划分网格、加载和求解、结果后处理。若在实际应用过程中想对其中的某一个步骤进行改动和变化，则依然需要重新完成其中的每一个步骤，无形中浪费了太多的工作时间。针对现实情况，ANSYS提供了APDL参数化设计语言来处理类似问题，通过APDL语言及UIDL语言或类似VB、VC编程语言开发应用界面，即可完成在ANSYS中的二次开发。二次开发已经在国外得到了很多方面的应用。例如： AlexeyIBorovkv开发了两款软件，分别应用于散热器稳态3D热分析及转子体刚度不对称补偿。使用者只需面对初始参数输入界面，而软件自动完成建立模型、划分网格、加载和求解等复杂步骤，还可以在专用软件中生成符合用户要求的报告，这一系列开发，无形中减少了用户建模的工作量，无疑会提高相当的效率，大大节省了用户的时间。而相对而言，国内关于ANSYS的二次开发方面才刚刚起步，在很多方面与国外先进水平存在相当的差距，但一些高校和科研机构也相应的开发了很多产品，取得了一定的研究成果，并在实际应用方面也做出了很大的贡献。这系列研究和实际大致取得的成果有：针对具体实际工程应用问题而开发的专用系统，例如水利工程、土木建筑以及机械的结构和优化设计；针对商业化发展的具体模块，例如压力容器自动化分析软CPV-ANSYS，基于ANSYS的应用柴油机铸造成型专用软件等。总体而言，国内关于二次开发的研究也已经取得了很好的效果，同时也存在发展的空间，是一个具有相当潜能，大有可为的新兴科研项目。三、本课题的目的（重点及拟解决的关键问题） 塔式起重机是指能在一定范围内垂直起升和水平移动物品的机械，具有动作间歇性和作业循环性，多用于人力不能完成的任务。塔式起重机(以下简称塔机)是一种重要的施工机械,由于具有工作效率高、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简便等优点,已成为工程建设中的主要机种之一。自升式塔式起重机的塔顶是塔机的重要组成部分，它以固结或铰结的形式连接在塔机转台上，通过拉杆分别与起重臂和平衡臂相连，承受臂架和其上部件的自重以及吊重、风载等载荷作用而产生弯矩、拉压力以及剪切力，受力状况较为复杂。近几年来塔顶失稳现象多有发生，并且常常是仅在塔顶部分发生结构性破坏。由此可见在塔机设计中，塔顶部分是一个较为薄弱的环节，其抗过载能力较差，因此有必要对塔顶结构进行分析研究，加强塔顶的强度与结构的稳定性，从而防止塔顶结构部分的破坏。 伴随着计算机技术的进步,目前国内外先进的机械产品设计制造都离不开有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)计算,在工程设计和分析中受到越来越广泛的重视,其计算结果不仅详尽,而且更具可靠性。采用有限元分析的方法进行机械产品的设计计算将会极大地提高设计效率、保证其设计质量。设计者只需借助通用有限元软件建立模型并进行仿真分析,就能真实地反映机械产品的尺寸外形特征和工作过程,并进行各种类型的力学分析,尽早发现设计缺陷,从而有效地缩短研发周期,降低生产成本,使产品的结构和性能更加合理。本论文将应用有限元软件ANSYS10.0对塔机总体及塔顶结构进行快速校核分析。重点：塔机总体及塔顶结构的快速有限元校核分析。四、主要内容、研究方法、研究思路1、主要内容（1） 设计任务： 总体参数的选择（QTZ40级别） 结构形式（2） 总体设计 主要技术参数性能 设计原则 平衡重的计算 塔机的风力计算 整机倾翻稳定性的计算（3） 塔顶的设计和计算 塔顶的结构形式及尺寸 塔顶的设计和有限元分析及计算2、 研究方法 （1）资料的准备 通过上网和毕业实习，搜集同类已研发产品相关资料，了解国内外塔式起重机总体设计和塔顶的设计的已研发的产品，借鉴这些产品的设计思路为自己的设计做准备。了解所做设计中的标准部件的相关信息，为以后设计做好准备。 （2）参数确定根据所查资料，了解到起重机的相关参数，和对标准部件的了解，选择能免租条件的相关零件。根据传统设计方法并结合相似的产品结构进行具体的设计，在设计中确定个关节的合理尺寸和形状。整体和各个部件的形状和尺寸确定后，用二维作图工具（autoCAD等）绘制出个主要部件的图形图和总装图。明确产品的具体具体设计尺寸和形状。3、 研究思路 伴随着计算机技术的进步,目前国内外先进的机械产品设计制造都离不开有限元分析(Finite ElementAnalysis, FEA)计算,在工程设计和分析中受到越来越广泛的重视,其计算结果不仅详尽,而且更具可靠性。采用有限元分析的方法进行机械产品的设计计算将会极大地提高设计效率、保证其设计质量。设计者只需借助通用有限元软件建立模型并进行仿真分析,就能真实地反映机械产品的尺寸外形特征和工作过程,并进行各种类型的力学分析,尽早发现设计缺陷,从而有效地缩短研发周期,降低生产成本,使产品的结构和性能更加合理。本文应用有限元软件ANSYS10.0对塔顶结构进行快速校核分析。五、总体安排和进度（包括阶段性工作内容及完成日期）2013.3.25-2013.3.28 熟悉整理资料2013.3.29-2013.4.13 方案选择及总体设计2013.4.14-2013.4.20 绘制总图2013.4.21-2013.5.15 塔顶设计20135.16-2013.6.5 绘制塔顶装配及结构图纸2013.6.6-2013.6.19 绘制零件图纸2013.6.20-2013.6.21 准备论文及答辩六、主要参考文献1 哈尔滨建筑工程学院主编.工程起重机.北京：中国建筑工业出版社2 董刚、李建功主编.机械设计.机械工业出版社3 机械设计手册.化学工业出版社（5册）4 GB/T94621999 塔式起重机技术条件5 GB/T137521992 塔式起重机设计规范6 GB51441994 塔式起重机安全规程 7 邢静忠ANSYS应用实例与分析科学出版社2006 8 刘坤ANSYS有限元方法精解国防工业出版社2005 9GB/T94621999 塔式起重机设计条件 10 GB/T137521992 塔式起重机设计规范11 GB/T51441994 塔式起重机安全规程 12刘鸿文材料力学北京：高等教育出版社2002 13李柱，徐振高互换性与测量技术北京：高等教育出版社2002 14 张东升机械零件及建筑机械重庆：重庆大学出版社.200315 现行建筑机械规范大全北京：中国建筑工业出版社.199516 吴庆鸣，何小新工程机械设计武昌：武汉大学出版社.200