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东北大学硕士学位论文摘要 塔式起重机智能设计系统的开发 摘要 计算机技术的应用越来越广泛，在机械工业中，传统技术与计算机的结合也越 来越紧密。目前，塔式起重机产品的发展正在趋向大型化，自动化，智能化，在塔 机的设计方面，人们也希望实现设计过程与计算机技术的全面结合。在这种形势下， 我国塔机的发展要取得突破，必须采取现代化的设计方法，实施c a d 智能设计手 段，以达到获得最佳设计效果和提高设计效率的目的。 塔式起重机智能设计系统是吸收和借鉴了传统的设计方法，并在a u t o c a d2 0 0 4 平台上利用基于a c t i v e x a u t o m a t i o n 技术的v b a 语言开发出的新型塔机设计系统。 该系统利用塔机结构优化计算中得到的主要尺寸参数，实现计算机自动出图，自动 生成塔身、吊臂等部件的结构图，同时生成的三维实体模型，并将该模型导入有限 元中实现a u t o c a d 与有限元软件的连接。在整个设计中综合了数据库技术，对产 品的设计实现统一的管理与维护。 使用本系统时，用户可以输入设计所需要的初始化参数，例如工作级别、起重 量、起升高度、起升速度、变幅速度、回转速度等，系统能自动查询数据库中的历 史方案，调出相应的历史方案图形以供用户参考；如果数据库中不存在与之相适应 的数据，系统将利用计算出的结果在c a d 图形软件支持下自动绘制臂节和塔身等 部件结构图。本文的工作重点是：设计系统的总体设计；图形的参数化绘制；系统 数据库的创建管理及与a n s y s 的接口技术等。 本系统主要针对塔式起重机塔身、吊臂及其他部件的设计，为了使生成的图纸 更符合c a d 制图规范，作者还添加了一些辅助功能，如粗糙度的标注、明细表的 绘制、图层的设置等，这将使整个设计系统功能更为完善。 应用现代c a d c a e 技术开发智能系统对于提高塔式起重机的设计水平和设计 效率，具有重要的实际意义。在以后的应用中，其功能还有待于进一步开发。 关键词：塔式起重机；智能设计；参数化设计；v b a i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fa p t i t u d ed e s i g ns y s t e mf o r t h et o w e rc r a n e a b s t r a c t t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yh a sam o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n ，a n di nt h em e c h a n i c f i e l dt h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t ht h ec o m p u t e rt i g h t l y n o wt h et o w e rc r a n e p r o d u c t i o ni st r e n d i n gt ot h em u l t i v e r s i t ya u t o m a t i z a t i o na n di n t e l l i g e n t i o n ，s ow eh o p e t h a tt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yc a nc o m b i n ew i t ht h et o w e rc r a n ec o m p l e t e l y i nt h i s s i t u a t i o ni fw ew a n tt om a k eab r e a k t h o u g ho nt h ed e v e l o p m e n to fc r a n e ，w es h o u l d a d o p tt h em o d e r nd e s i g nm e t h o da n di m p l e m e n tt h ec a dt e c h n o l o g yi no r d e r t oo b t a i n t h eb e s td e s i g np u r p o s ea n di m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y t h ec r a n ed e s i g ns y s t e mi s d e s i g n e di na u t o c a ds o f t w a r ee n v i r o n m e n tb yv b a t e c h n i cw h i c hi sb a s e do na c t i v e xa u t o m a t i o n r e c u rt ot h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r c a l c u l a t e db yt h ec o m p u t e r , w ec a nc o m p l e t et h ea u t o m a t i cd r a w i n go ft h eb o d ya r ma n d o t h e rp a r t so ft h ec r a n e ，a n dm a k e st h ec o n n e c t i o nb e t w e e na u t o c a da n df i n i t ee l e m e n t s o f t w a r eb e c o m et r u e t h ew h o l ed e s i g np r o c e s sc o l l i g a t e sw i t ht h ed a t ab a s et e c h n o l o g y , w h i c hc o m p l e t e st h em a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c et ot h em a i n t e n a n c et ot h e m a n u f a c t u r ed e s i g n w i t ht h ei n i t i a l i z a t i o nd e s i g n i n gp a r a m e t e r si n p u tb yu s e r s ，t h es y s t e mw i l lq u e r y t h eh i s t o r i c a lp r o j e c ti nt h ed a t a b a s ea u t o m a t i c a l l yt h e no u t p u tt h ec o r r e s p o n dp r o j e c t d r a w i n g w h i c hw i l lb ec o n s u l t e dl a t e rb yt h eu s e r s i ft h e r ea r en o tc o r r e s p o n dd a t ai nt h e d a t a b a s e ，t h es y s t e mw i l lu s et h er e s u l t sc a l c u l a t e db y t h ec o m p u t e rt od r a wt h ep a r t sa n d s t r u c t u r ed r a w i n go ft h ea r ma n db o d ya u t o m a t i c a l l yi nt h ee n v i r o n m e n to fc a d t h e e m p h a s e so ft h i sp a p e ri s t h ec o l l e c t i v i t y d e s i g n i n go ft h es y s t e m ，e s t a b l i s ho f t h e d a t a b a s e ，t h ep a r a m e t e rd r a w i n go ft h es t r u c t u r ea n dt h ei n t e r f a c et e c h n i q u ew i t ht h e a n s y s t h em a i nf u n c t i o no ft h i ss y s t e mi sa c c o m p l i s ht h ed e s i g n i n go ft h ea r mb o d ya n d o t h e rp a r t so ft h ec r a n e ，m o r e o v e rw ec a na c h i e v es o m ea s s i s t a n tf u n c t i o ns u c ha st h e i i i 查! ! 垄芏堡主兰竺堡查 一垒堕! ! ! 生 l a b e lo ft h ec o a r s e n e s s ，t h ed r a w i n go ft h el i s ta n dt h es e t t i n go ft h el a y e r ，w h i c hc a n m a k et h es y s t e mm o r ep e r f e c t t h ed e v e l o p m e n ta p p l y i n gm o d e r nc a d c a et e c h n i q u ef o ra p t i t u d ed e s i g nh a s a v e r ye s s e n t i a ls i g n i f i c a t i o no nt h ei m p r o v e m e n t i nt h ed e s i g n i n gl e v e la n de f f i c i e n c yo f t o w e rc r a n e i nt h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e m ，t h e r em u s tb es o m em o r ei m p r o v e m e n to f t h ef 1 】n c t i o n k e y w o r d s ：t o w e rc r a n e ，a p t i t u d ed e s i g n ，p a r a m e t r i z a t i o nd e s i g n ，v b a - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研 究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成 果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：趣耪红 日期：z 勖占年2 周2 午目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早三；百下匕 1 1 概论 塔式起重机是建筑机械的关键设各，具有工作效率高、适用范围广、回转半径 大、起升高度高、操作方便以及安装与装卸比较简单等特点，因而在建筑安装工程 中得到了广泛的应用，并成为一种重要的施工机械。塔式起重机除用于工业与民用 建筑外，在电站施工、水利建设以及造船等部门也常有应用“1 。近年来，随着我国 经济建设的高度增长，基本建设规模不断扩大，特别是高层建筑施工的不断增多， 塔式起重机的应用愈来愈广泛，并成为建筑旋工中的一种主要水平运输与垂直运输 机械”1 。 1 2 塔式起重机技术的发展 1 2 1 塔式起重机技术的发展趋势 目前，国际上塔式起重机的发展动向主要表现为以下几个特点0 3 。 f 1 ) 发展超大型起重机 由于各重点工程向大型化发展，所需构件和配套设备重量不断增加，对超大型 起重设备的需求日趋增长。1 9 9 2 年2 0 0 t 以上伸缩臂式起重机的世界销量为9 0 台， 到1 9 9 7 年增至1 3 0 台。德国厂商在起重机大型化发展进程中处于领先地位。世界市 场中1 5 0 t 以上的大吨位起重机多数是由利勃海尔和德马泰克公司提供的。利渤海尔 l t m l 8 0 0 型是目前世界最大的a t 产品，起重量8 0 0 t ，安装超起装置后型号变更为 l t m l l 0 0 0 d 型，最大起重量增至1 0 0 0 t 。上述机型在行驶状态需拆下吊臂等装置分 别进行运输。 德马泰克公司推出的a c 6 5 0 型起重机安装超起装置后，最大起重量可从6 5 0 t 增至8 0 0 t 。该机售价5 0 0 万德国马克。a c 6 5 0 是目前世界上起重吨位最大的整装式 伸缩臂起重机，行驶状态不需拆下吊臂分别运输。 f 2 ) “迷你”起重机大量涌现 起重机向微型化发展，是适应现代建设要求而出现的新趋势。1 0 年前开发的神 钢r k 7 0 ( 7 t ) 是世界首台装有下俯式吊臂的“迷你”( m i n i ) r t 产品。目前下俯 式吊臂已成为“迷你”起重机的重要标志。这种新概念设计已成功移植到德马泰克 a c 2 5 ( 2 5 t ) 和加藤c r 2 5 0 ( 2 5 t ) 等较大吨位起重机上。 一1 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 据资料介绍，l t 3 0 0 型与l t 5 0 0 型是世界首批装有全自动水平伸缩副臂的轮式 起重机。它们将轮式起重机公路行驶能力与专用伸缩臂架技术融为一体，且具有塔 机功能，可越过屋顶或其他障碍物靠近作业面，能替代小型自行架设塔机或大型折 叠臂式随车起重机。 ( 3 ) 伸缩臂结构不断改进 利渤海尔l t m l 0 9 0 2 ( 9 0 t ) 和l t m l l 6 0 2 型( 1 6 0 t ) a t 产品，采用了装有 “t e l e m a t i k ”单缸自动伸缩系统的卵圆形截面主臂“1 。这种卵圆形截面主臂在减轻 结构重量和提高起重性能方面具有良好效果。目前卵圆形吊臂已列入利勃海尔新产 品标准部件，装有世界最长的7 节8 4 m 卵圆形截面主臂的l t m l 5 0 0 型( 5 0 0 t ) a t 产品，也采用这种单缸伸缩系统。格鲁夫开发的单缸伸缩系统要早于利勃海尔公司， 但格鲁夫早期采用的单缸伸缩系统伸缩速度较慢。此外，德马泰克大吨位起重机主 臂也采用卵圆形截面。 ( 4 ) 数据总线技术得到应用 利渤海尔l t m l 0 3 0 2 型( 3 0 t ) 是世界首台装有数据总线管理系统的高技术双 轴a t 产品。该机采用c a n b u s ( 控制域网总线) 技术，完成发动机一传动系统各 功能块之间的数字式数据传输和电子控制。c a n b u s 总线及电气、液压、绳长和风 力等数据又被输入到l s b 控制装置之中。l s b 控制装置是l i c c o n 起重机控制系统 的组成部分，可对整个系统数据流及监控特性进行编程。采用数据总线管理系统， 可降低起重机油耗及排放值，简化布线，提高整机可靠性与维修方便性。目前已有 多种新机型装有l s b 系统数据总线( 包括l t m l 5 0 0 ) 。格鲁夫g m k 6 2 5 0 和g m k 5 1 8 0 也采用了数据总线技术。 此外，国际上工程起重机的发展还存在着下面的一些特征：静液压传动起重机 进入市场，混合型起重机得到发展，汽车起重机也在不断发展，随车起重机产销量 不断增长。 1 2 2 我国塔式起重机的发展情况 我国塔式起重机于5 0 年代起步，以仿照为主。6 0 年代开始自选设计。7 0 年代， 随着高层建筑的发展，设计制造了适应高层建筑施工要求的塔式起重机，1 9 7 9 年已 有生产企业2 0 余家，当年产量约近千台。到8 0 年代末期已有生产企业7 0 余家，生 产近2 0 种规格的塔式起重机，最高年产量2 1 4 3 台，9 0 年代，通过“八五”和“九 五”规划的实施。由于我国现代化进程加快，城市大型建筑、水利、电力、桥梁等 工程不断增加，加快了塔式起重机新产品开发步伐，研制了4 0 0 t m 、9 0 0 t m 水平臂 和3 0 0 t m 动臂式塔式起重机，其主要性能接近或达到国外同期水平。1 9 9 9 年随着建 一2 一 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 据资料介绍，l t 3 0 0 型l jl t 5 d o 型是世界首批装有全自动水平伸缩副臂的轮式 起重机。它们将轮式起重机公路行驶能力与专用伸缩臂架技术融为一体，且具有塔 机功能，可越过屋顶或其他障碍物靠近作! i k 而，能替f 4 d , 型自行架设塔机或大型折 叠臂式随车起重机。 ( 3 ) 伸缩臂结构不断改进 利渤海尔l t m l 0 9 0 2 ( 9 0 t ) 和l t m l l 6 0 2 型( 1 6 0 t ) a t 产品，采用了装有 “t e l e m a t i k ”单缸自动仲缩系统的卵圆形截面丰臂o3 。这种卵圆形截面主臂在减轻 结构重量和提高起重性能方面具有良好效果。目前卵圆形吊臂己列入利勃海尔新产 品标准部件，装有世界虽长的7 节8 4 m 卵圆形截面主臂的l t m l 5 0 0 型( 5 0 0 t ) a t 产品，也采用这种单缸伸缩系统。格鲁夫丌发的单缸伸缩系统要早丁利勃海尔公司， 但格鲁大早期采用的单缸伸缩系统伸缩速度较慢。此外，德马泰克大吨位起重机主 臂也采用卵圆形截面。 f 4 1 数据总线技术得到应用 利渤海尔l t m l 0 3 0 2 型( 3 0 t ) 是世界菌台装有数据总线管理系统的高技术双 轴a t 产品。该机采用c a n b u s ( 控制域网总线) 技术，完成发动机一传动系统备 功能块之间的数字式数据传输和电子控制。c a n b u s 总线及电气、液压、绳长和风 力等数据又被输入到l s b 控制装置之中。l s b 控制装置是l i c c o n 起重机控制系统 的组成部分，可对整个系统数据流及监控特性进行编程。采用数据总线管理系统， 可降低起重机油耗及排放值，简化靠线，提高整机可靠性与维修方便性。目前已有 多种新机型装有l s b 系统数据总线( 包括l t m l 5 0 0 ) 。格鲁夫g m k 6 2 5 0 和g m k 5 1 8 0 也采用了数据总线技术。 此外，国际上工程起重机的发展还存在着下而的一些特征：静液压传动起重机 进入市场，混合型起重机得到发展，汽车起重机也在不断发展，随车起重机产销量 不断增长。 1 2 2 我国塔式起重机的发展情况 我国塔式起重机于5 0 年代起步，以仿照为主。6 0 年代开始自选设计。7 0 年代， 随着高层建筑的发展，设计制造了适应高层建筑施工要求的塔式起重机，1 9 7 9 年已 有生产企业2 0 余家，当年产量约近千台。到8 0 年代末期已有生产企业7 0 余家，生 产近2 0 种规格的塔式起重机，最高年产量2 1 4 3 台，9 0 年代，通过“八五”和“九 五”规划的实施。由于我国现代化进程加快，城市大型建筑、水利、电力、桥梁等 工程不断增加，加快了塔式起重机新产品开发步伐，研制了4 0 0 t m 、9 0 0 t m 水平臂 和3 0 0 t m 动臂式塔式起重机，其主要性能接近或达到国外同期水平。1 9 9 9 年随着建 和3 0 0 t m 动臂式塔式起重机，其主要性能接近或达到国外同期水平。1 9 9 9 年随着建 - 2 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 筑业的高速发展，塔式起重机产品产量上升很快，到2 0 0 2 年产量为1 0 5 8 0 台，是历 史上产量最高的一年。在进、出口方面，历年来的出口量均大于进口量“3 。 目前，我国塔式起重机行业有生产企业3 0 0 余家，职工2 万余人，年产量均在 1 0 0 0 0 台以上，己能稳定生产1 6 0 k n m 3 0 0 0 k n m 固定式、附着式、轨道行走式、内 爬式塔机，且技术成熟，质量稳定，基本能满足国内施工企业的需求。中小型塔式 起重机已能代替进口，并进入国际市场，满足各国的要求。近年来，我们不断向大 型化塔机发展，并重视产品智能化、数字化创新，在新产品的开发研制方面也取得 了显著的成绩。 我国塔式起重机经过五十多年的发展与国外的差距大大缩小，并己成为生产塔 式起重机大国。但在总体性能、质量、可靠性方面还存在着较大差距。 ( 1 ) 在产品品种方面大型、特大型塔机短缺，中、小型品种过剩，并急需更新 换代。 ( 2 ) 在产品性能方面智能化、数字化控制技术差距很大，跟不上市场需求，可 靠性差，事故率较高。 ( 3 ) 试验手段方面试验手段差，多数厂家不具备对原材料的预处理和配套件进 厂检验的能力。 ( 4 1 在产品结构方面：4 5 t m 以下的小型塔机产量高、但性能差、更新换代周期 长。 ( 5 ) 配套件生产方面企业多，品种重复，生产质量差，直接影响到主机的质量 和可靠性。 我国“九五”和“十五”规划都是一个高速发展的规划，将要制订的“十一五” 规划会作一些调整，但总的发展速度不会减慢。因此在今后一段的时间里，我国塔 式起重机仍处于兴旺时期。根据我国塔式起重机的发展形式和市场需求，在产品品 种方面预计今后几年塔式起重机要向大型化以上的和小型化以下的发展；在技术性 能方面要向产品智能化、数字化和机一电一液一体化方向发展；在结构型式方面要 发展一机多用的塔机，如：吊重、布料、高空作业集为一体等，要加大力度研究解 决高性能、高技术含量、高可靠性的塔机，最低限度降低塔机事故率”1 。 1 3 智能设计系统开发的工程实际意义 随着计算机技术的飞跃与发展，计算机在各行各业中的应用越来越广泛，在科 学技术的发展中起着越来越重要的作用。在机械工业中，传统技术与计算机的结合 也越来越紧密。 建筑机械现代设计方法在国内正逐步得到应用。1 。对塔式起重机来说，其工程 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 设计过程复杂而又反复，实际的机械生产设计中常常需要对同一类型但不同规格的 系统做大量相似设计。设计过程中不可避免地要多次反复修改，进行形状和尺寸的 综合协调、优化、计算与选型最后确定出最佳方案“1 。尽管目前其产品开发在一定 程度上应用了计算机技术，但只是涉及到计算等一些初级方面，一般通用的计算机 辅助设计系统不能得到充分的利用，对于计算机自动出图这部分的研究更是少之又 少。在这种情况下，我们提出了对塔式起重机智能设计系统的开发，对于提高塔式 起重机的设计水平和设计效率，应用现代c a d c a m 技术，提升企业的竞争力等方 面具有重要的实际意义。 1 4 本课题的主要工作 该系统主要任务是在a u t o c a d 环境中通过输入原始数据实现工程图纸的自动 生成，其中包括吊臂、塔身及零部件图纸的生成；进一步通过编程调用有限元软件， 实现a u t o c a d 与有限元软件的数据接口。在整个设计中综合了数据库技术，对产 品的设计实现统一的管理与维护。整个设计过程可以划分为以下几部分。 ( 1 ) 系统总体设计，划分功能模块。 ( 2 ) 塔机结构图的参数化设计，自动生成c a d 图。 吊臂结构图的参数化设计； 塔身结构图的参数化设计； 零部件结构图的参数化设计。 ( 3 ) 系统辅助功能设计。 图纸设置； 明细表的绘制； 标题栏的绘制； 公差、行为公差、表面粗糙度的标注。 ( 4 ) 数据库的创建与管理。 ( 5 ) 有限元软件的调用，实现数据传输。 一4 东北大学硕士学位论文第二章塔式起重机的主要参数及金属结构 第二章塔式起重机的主要参数及金属结构 本章首先介绍塔式起重机的主要技术参数，其中包括主参数及基本参数，这些 参数是设计塔机的主要依据。然后介绍塔式起重机的主要金属结构，着重说明塔身 结构和吊臂结构，并进一步介绍这两部分结构的计算。最后，总结塔式起重机技术 结构的设计准则，即设计过程中要满足的要求。 2 1 塔式起重机的主要技术参数 塔式起重机的参数是指直接影响塔式起重机的工作性能、结构设计及其制造成 本的各种参数。包括基本参数和主参数“1 。 f 1 1 主参数 塔式起重机的主参数是公称起重力矩。所谓公称超重力矩是指超重臂为基本臂 长时最大幅度与相应额定起重量重力的乘积，单位n m 。起重力矩综合了起重量与 幅度两个因素参数，所以能比较全面和确切的反映塔式起重机的起重能力。主参数 系列见表2 1 。 表2 1 塔式起重机主参数系列( n m ) t a b l e2 1t h em a i np a r a m e t e ro ft h et o w e rc r a n e 1 0 01 6 02 0 02 5 03 1 54 0 05 0 06 0 0 公称起重力矩 ( n m ) 8 0 01 0 0 01 2 5 01 6 0 02 0 0 02 5 0 0 3 1 5 04 0 0 05 0 0 06 3 0 0 ( 2 ) 基本参数 起重机的基本参数表征起重机的作业能力，是设计起重机的基本依据。基本参 数主要包括有：起重量、起升高度、工作级别、起升速度、回转速度等阻。基本 参数系列如表2 2 所示。 幅度 幅度是塔式起重机空载时，其回转中心线至吊钩中心垂线的水平距离。表示起 重机不移动时的工作范围，单位n l ，参见图2 1 中的r 。 起升高度 对于轨道塔式起重机，起升高度为空载时吊钩内最低点到轨顶面的距离：对于 5 一 东北大学硕士学位论文第二章塔式起重机的主要参数及金属结构 其他形式的起重机，则为吊钩内最低点到支撑面的距离，单位m ，参见图2 1 中的鼠 对于动臂起重机，当吊臂长度一定时，起升高度随幅度的减少而增加。 图2 1 塔式起重机的幅度和起升高度 f i g 2 1t h ee x t e n ta n dh o i s th i g ho ft h et o w e rc r a n e 起重量 起重机正常工作时允许一次起升的最大质量称为额定起重量，单位t 或蚝。塔 式起重机的额定起重量为定值。 额定起升速度 额定起升速度是在额定起升重量时，给定卷筒外层钢丝绳中心直径、变速档位、 滑轮组倍率、和电动机额定工况所能达到的最大稳定起升速度。如不指明钢丝绳在 卷筒上的卷绕层数，即按最外层钢丝绳中心计算和测量，单位m m i n 。 变幅速度 变幅速度是吊钩自最大幅度至最小幅度的平均线速度，单位m m i n 。 表2 2 块装塔式起重机基本参数系列 t a b l e2 2t h eb a s i cp a r a m e t e rs e r i e so ft h eb l o c kt o w e rc r a n e 主参数( k n m ) 1 0 01 6 02 5 0 4 0 ，0 6 3 0 8 0 01 0 0 01 2 5 0 基本臂最大幅度( m ) 1 4 1 6 2 5 3 03 5 3 54 04 0 基本臂最大幅度处的额 0 7 01 0 01 0 01 3 41 8 02 2 92 5 03 1 3 定起重量( t ) 最大起重 水平起重 臂1 01 52 54 06 06 08 08 0 量( t ) 动臂 起升高度一限( m ) 1 51 82 32 53 03 23 23 2 轨距( m ) 2 4 2 83 24 04 55 05 56 0 6 一 东北大学硕士学位论文 第二章塔式起重机的主要参数及金属结构 额定回转速度 塔式起重机的额定回转速度是带着额定起升载荷回转时的最大稳定速度，单位 m r a i n 。 行走速度 行走速度是塔式起重机运行时的速度，单位m m i n 。 为了合理选择塔式起重机各机构工作速度，要考虑的因素较多。通常，对于塔 式起重机的新设计，除仔细、全面的考虑上述因素外，还可把同类型、同吨位和工 作条件类似的塔式起重机的相应速度作为选择的参考依据，这样计算出数据更为可 靠。 工作级别 塔式起重机工作级别是设计人员进行结构、机构设计计算的依据。只有充分考 虑机器的使用条件，设计出来的机器在安全和寿命方面才有可能较为接近实际的要 求。不管塔式起重机的构造形式如何，只要把那些与塔式起重机的安全和寿命关系 最密切的因素选择出来加以组合、分类，就可以既使设计结果在主要方面满足使用 要求，又使设计规范化，这种分类就是塔式起重机工作级别分类。表2 3 列出了我 国塔式起重机设计规范( g b t 1 3 7 5 2 - - 9 2 ) 规定的塔式起重机工作级别的划分标 准【1 】。从表中可以看出，塔机根据其使用条件中的最主要两个特征因素“载荷状态”、 “利用等级”分为a 1 一a 6 共六个等级，具体划分如下表2 3 所示。 表2 3 塔式起重机工作级别的分类 t a b l e2 3t h ec l a s sf o rw o r kl e v e lo ft h et o w e rc r a n e 塔式起重机的利用等级u 用来表明在其有效寿命期间使用的频繁程度，用已完 成的总工作循环次数nt 表征。按完成的工作循环次数n t 的不同，塔式起重机共分 5 个利用等级( u 1 一u 5 ) ，如表2 4 所示。 7 一 东北大学硕士学位论文 第二章塔式起重机的主要参数及金属结构 表2 4 塔式起重机利用等级 t a b l e2 4t h eu s i n gl e v e lo ft h et o w e rc r a n e 2 2 塔式起重机的金属结构 塔式起重机金属结构的基本组成构件包括：塔身、塔头或塔帽、起重臂架、平 衡臂架、回转支撑架、底架、台车架等“，如图2 2 所示。对于特殊的塔式起重机， 由于构造上的差异，部件也有所增减。 金属结构是塔式起重机的重要组成部分，通常约占整机自重的7 0 左右，承受 塔机的自重载荷及工作时的各种外载荷，所以必须在结构的强度、刚度、稳定性等 方面保证塔机安全可靠地工作。因此，金属结构设计和制造的质量都将直接影响塔 式起重机的工作性能。本文针对塔机的主要受力结构及工作特点，主要对塔机的塔 身及起重臂架进行设计，其具体结构将在下面进一步介绍。 一j 隧， b 艄 座 图2 2 塔式起重机金属结构 f i g 2 2t h em e t a l l i cs t r u c t u r eo ft h et o w e rc r a n e 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章塔式起重机的主要参数及金属结构 2 2 1 塔身结构 塔身是塔式起重机结构的主体，支撑塔机上部的重量和载荷的重量。根据结构 形式，塔身结构可分为空间桁架结构和薄臂圆筒结构；根据受力特点可分为以承受 轴向力为主的旋转塔身和受压、弯、扭转作用的不旋转塔身。 塔身标准节的长度有2 5m ，3m ，5m 等多种规格。塔身标准节的连接方式有 法兰盘联接、螺栓联接、销轴联接等几种。 塔身截面形式一般为正方形截面，主弦杆一般为角钢或者方钢管、圆钢管。塔 身腹杆一般为角钢或无缝钢管，有三角形、k 字型交叉型等多种布置方式。腹杆体 系的不同会影响塔身的扭转刚度和弹性稳定性如图2 3 “”所示。 2 2 2 臂架结构 1 | 、 v 图2 3 塔身的腹杆形式 f i g 2 3t h ep a u n c hp o l ef o r mo ft h et o w e lc r a n e ( 1 ) 臂架结构的分类 塔式起重机臂架的结构形式有三种：桁架压杆式、桁架水平式、桁架混合式。 桁架压杆式臂架利用固定在臂架端部的变幅钢丝绳改变臂架倾角，使臂架俯仰变幅， 臂架主要承受轴向压力。桁架水平式臂架利用沿臂架弦杆运行的起重小车的移动实 现变幅，臂架主要承受轴向力及弯矩作用。桁架混合式臂架是一种综合了动臂变幅 和小车变幅优点的折臂式臂架。目前塔式起重机臂架结构主要以桁架压秆式、桁架 水平式为主。 塔式起重机臂架长，自重较大，臂架设计合理与否将直接影响起重机的承载能 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 下尽量减轻臂架的重量。 9 一 东北大学硕士学位论文第二章塔式起重机的主要参数及金属结构 ( 2 ) 臂架的结构形式 不同类型臂架采用不同的结构形式“。 桁架压杆式臂架 桁架压杆式臂架的截面一般为矩形，腹杆为三角形斜腹杆体系或者是带竖杆的 三角形腹杆体系。根据桁架压杆式臂架的受力特点，臂架在起升平面可看作两端铰 支梁，在该平面的两片桁架端部尺寸小，根部尺寸大，以适应水平载荷引起的水平 弯矩变化。为了便于运输、安装、拼装和拆卸，臂架中间部分可以制成几段标准节， 各段用螺栓连接。 吊臂的端部和根部都需要加强，通常用钢板代替腹杆体系。为了保证吊臂在回 转平面内的钢度，吊臂根部回转平面的桁架应加焊钢板。在靠近拼接处的横断面焊 上横向钢架，拼接处备段桁架通过法兰用螺栓连接。 桁架压杆式臂架的弦杆和腹杆一般用角钢或圆钢管制成，圆管杆件抗弯能力强、 风阻力小、杆件接头处传力好。 桁架水平式臂架 桁架水平式臂架亦称小车变幅式臂架，常见的有正三角和倒三角型截面两种， 腹杆体系为三角形。对于正三角形结构，上弦杆使用圆钢管，下弦杆由角钢拼焊而 成，兼作起重小车的运行轨道。在回转平面内的桁架可看作悬臂梁，承受横向载荷。 倒三角形结构上弦杆通常是圆钢管，下弦杆为工字钢，兼作起重小车的运行轨道。 臂架根部通过销轴与塔身连接，臂架上设有吊点通过钢丝绳或钢拉杆与塔帽顶部相 连。吊点可设在臂架下弦如图2 4 ( a ) 所示，亦可设在臂架上弦如图2 4 ( b ) 所示。为便 于安装和组合成不同长度的臂架，吊臂一般分成若干段，有根部节、端部节和若干 标准节组成，各节间通过螺栓和销轴连接。 图2 4 桁架水平式臂架 f i g 2 4t h ea i mf r a m ei nf o r mo fp l a n ep o l e 1 0 一 东北大擘硕士学位论文 第二章塔式起重机的主要参数及金属结构 2 3 塔式起重机主要金属结构的计算 2 3 1 起重臂的计算 ( 1 ) 起重臂上所受载荷 作用在臂架上的外载荷有起升载荷f o 、臂架自重g b 、起升钢丝绳的拉力s o 、 变幅钢丝绳或拉杆的拉力s 、起重臂架回转的水平惯性力f h 和风载f w 。 对于小型臂架，臂架的自重g 。可以近似地认为集中在臂架的中心；对于大型臂 门 架，臂架自重可以看成沿臂架全长均匀分布，均布载荷的大小为q = 造。 l 起升钢丝绳的拉力s o 按下式计算： s。：42fo(2-1) a 叼 式中f 0 一一最大起升载荷； 六一一与起升载荷有关的动载系数，按塔机规范确定； 口滑轮组的倍率； 呀一一滑轮组总效率。 变幅钢丝绳的拉力s ，可由图2 5 所示变幅平面的受力计算简图中求得。图2 6 所示为起重臂回转平面的计算简图。 图2 5 变幅平面的受力简图 f i g 2 5t h ef o r c ed i a g r a mi nt h ep l a n eo fb r e a d t h - 1 1 东北大学硕士学位论文 第二章塔式起重机的主要参数及金属结构 叫 耵 女 4 * 4 i 碟l ： 图2 6 回转平面的受力简图 f i g 2 6t h ef a r c ed i a g r a mi nt h ep l a n eo ft u r n i n g f 2 1 臂架的计算长度 起重臂在变幅平面内，臂架根部一般用销轴与塔身相连，相当于臂架的固定铰 支撑；臂架的顶部由变幅拉索拉住，相当于臂架的一个可动铰支撑，如图2 5 。在 回转平面内，臂架根部两侧用销轴与塔身相连，可分别简化为臂架的固定铰支撑和 可动铰支撑。这是因为销轴连接中总存在着径向间隙和端面间隙，因此连接处会产 生微小的相对摆动。臂架两侧不可能同时与端面贴住，因此总有一侧臂架不受横向 约束，如图2 6 所示。 由起重臂架的受力简图可知，臂架在变幅平面内按二端铰支的压弯构件来计算 它的整体稳定性。回转平面按一端悬臂的压弯构件来计算它的整体稳定性”3 ， 臂架计算长度按下式计算。 l o ；1 p 2 z 3 l ( m ) ( 2 - 2 ) 式中l 一一臂架的长度，m ； “支撑条件长度系数，对二端铰支卢，= 1 ，对一端悬臂一= 2 ； ，变截面影响长度系数； 胁一一考虑变幅拉索对臂架侧向位移的约束作用对长度的影响系数，心是小 于1 的值。 ( 3 ) 臂架的长细比换算 如图2 。7 所示，四肢杆桁架的换算长细比，臂架对截面x - x 的换算长细比和 对截面) ，叫的换算长细比分别为 - 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章塔式起重机的主要参数及金属结构 k i 磅a ”孵i ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中a 一一臂架主肢杆的总面积，c m 2 ； 4 。臂架横截面所截垂直于轴x x 的平面内各斜缀条的毛截面积之和； 4 ，一一臂架横截面所截垂直于轴y - y 的平面内各斜缀条的毛截面积之和； 。一一臂架截面对虚轴x x 的长细比； a 。一臂架截面对虚轴y y 的长细比。 三肢杆桁架 如图2 8 所示，对于三肢杆桁架，臂架对截面x - x 的换算长细比和对截面y - y 的 换算长细比分别为 ( 2 6 ) k = l 4 2 a ；五百 一2 y + 4 2 甄a 式中 t 一一臂架截面对虚轴x x 的长细比： 九一一臂架截面对虚轴y y 的长细比 a 一一缀条所在平面和轴z x 的夹角。 r i x l - 一 i， 一 图2 7 四肢杆截面图 f i g 2 7t h ec u tf a c ef o rl i m bp o l e 一1 3 ， r 研、u 。 l “j ( 2 5 ) 2 8 四肢杆截面 f i g 2 8 t h ec u tf a c ef o rt r i p o l e 东北大学硕士学位论文第二章塔式起重机的主要参数及金属结构 2 3 2 塔身的计算 塔身上的受力最终可以归纳为轴向力n 、横向力p ，顶端弯矩m x 、m y ，扭矩 n 以及均匀的横向力f h ，如图2 9 所示。 图2 9 塔身受力分析 f i g 2 9f o r c ea n a l y s i sf o rt h eb o d yo ft h ec r a n et o w e r 塔身结构内力分析的基本方法有两种：一是将空间桁架分解成平面桁架计算， 然后再将同一杆件的内力叠加起来。另一种是把塔身结构作为一个整体结构，用杆 系有限元法求解。 塔式起重机的塔身通常是由四片桁架组成的，平面桁架只能承受作用在桁架平 面内的外力而不能承受垂直于桁架平面的力。对于四片桁架组成的塔身结构，可将 外载分解到各片平面桁架中去，分别计算各片桁架中杆件的内力，然后再叠加。塔 身受的载荷如图2 9 所示。将这些外载荷分解到各片桁架上去的方法如下。 ( 1 ) 横向载荷的分解 当横向载荷尸h 或f n 作用在对称的矩形截面塔身中间时，就把该横向力平均分 配到两个与该力平形的侧面桁架上：若横向力不作用在截面中间，则按杠杆比的原 则分解到两侧桁架上，如图2 1 0 ( a ) 所示。 若横向力沿对角线方向作用在正方形截面的空间结构上，则各片的桁架受力如 图2 1 0 ( b ) 所示。 ( 2 ) 轴向力的分解 图2 1 1 所示为塔身所受垂直力只o g 作用于e 点，通过横梁l m 将力分解到b c 桁架和a d 桁架上。分解到b c 片桁架的力为导p o g ，分解到a d 片桁架的力为 a o p o c a 1 4 东北大学硕士学位论文第二章塔式起重机的主要参数及金属结构 图2 1 0 横向载荷的分解 f i g 2 1 0d e c o m p o s eo ft h eh o r i z o n t a ll o a d 图2 1 1 轴向载荷的分解 f i g 2 1 1d e c o m p o s eo ft h ea x e sl o a d ( 3 ) 弯矩的分解 一个对称的正方形截面的塔身，如在对称轴上受弯矩m 时，则平均分配在a b 和c d 两片桁架上，如图2 1 2 ( a ) 所示；如果在任意方向受弯矩m 时，则先将m 分 解成m x 、m r 然后再将m x 和m y 分别分解到a b 、b c 、a d 、b c 四片桁架上。如图 2 1 2 ( b ) 所示。 ( 4 ) 扭矩的分解 塔身受扭矩瓦，扭矩分解及各片桁架的腹杆对扭转刚度的影响是个较复杂的问 题。一般可假定塔身扭转时，横截面形状保持不变。对正方形塔身，各侧面桁架相 同，如图2 1 3 所示，图中a = n t a n 口，b = b c t g a 。 a 黟 劳 一1 o b = 3 g 键盘、鼠标器 打印机、绘图仪 8 0 0 x 6 0 0 分辨率以上( 1 0 2 4 x 7 6 8 或以上为是佳) ，2 5 6 色颜色以上 3 3 2 软件配置 软件配置主要是确定系统的开发平台( 即操作系统) 、支承整个系统的图形软件， 数据库软件以及系统的开发工具等，系统软件配置如表3 2 所示。 该论文在软件版本的选择上，尽量使用目前最新升级的版本，这样为系统的进 一步开发与完善提供了更为广泛的空间，同时也为该系统与先进软件的连接设置了 - 2 0 - 查些垄芏塑主堂堡垒圭 整三主鉴叁垒至垫童i ! 堡盐墨丝塑整堡垫盐 更为有效的数据接f i 。 表3 2 系统的软硬件配置 t a b l e3 2t h es o f