QTZ1250塔式起重机起重臂设计.doc

69西安建筑科技大学 本科毕业设计（论文）题 目工程机械及构造设计QTZ1250塔式起重机起重臂设计 学生姓名 学 号0606040225院（系）机械电子工程系专 业机械设计制造及其自动化指导教师时 间2010年 6 月 5 日一、毕业设计（论文）的主要内容（含主要技术参数）1 起重机械作业的特点与方法2 起重机械类型3 起重机械的基本构造与工作原理4 起重机械的动力源/驱动装置5 起重机械工作机构的设计参数6 起重机械的系统设计/动力学分析7 起重机械的主要零部件设计计算二、毕业设计（论文）题目应完成的工作（含图纸数量）1 起重机械的构造设计/动力学分析2 起重机械的关键部件设计3 起重机械的力学性能分析（强度）4 图纸量按学校规定执行5 应用三维软件设计机械部分6 起重机械构造的仿真分析三、毕业设计（论文）进程的安排序号设计（论文）各阶段任务日 期备 注1实习、资料收集3.1/3.202资料分析/方案设计3.21/4.103动力学/关键零件计算4.11/5.154施工设计/修改/计算说明书撰写5.16/6.55设计检查修改/答辩准备6.6/6.136答辩6.14/6.18四、主要参考资料及文献阅读任务（含外文阅读翻译任务）1.任守 等著，现代制造系统分析与设计，北京科学出版社，1999-072.廖伯瑜等主编，现代机械动力学及其工程应用，机械工业出版社，2004-013. 关键词：工程机械、土方机械、机械设计、设计方法、创新设计、设计过程、构造设计、功能与概念设计、计算机辅助设计、系统分析与设计等资料出处：图书馆、网络五、任务执行日期 自2010年 3 月 1 日起，至2010 年 6月 18 日止。六、审核批准意见 教研室主任签（章） 主管院长（主任）签（章） 摘要塔式起重机是一种塔身竖立、起重臂回转的起重机械，是现代化工与民用建筑的主要施工机械之一，其幅度利用率很大。塔式起重机主要结构为塔身、臂架、转台、承座、平衡臂、底架、塔顶，他们构成塔式起重机的金属结构。它具有使用范围广，回转半径大，起升高度高，效率高，操作简便，安装和拆卸方便等特点，目前在我国建筑安装工程中使用非常普遍，尤其在高层建筑和普通民用建筑中，已经成为不可替代的建设机械塔式起重机臂架的设计是一种钢结构的设计，臂架主要是由上弦杆、下弦杆、腹杆和拉杆构成，设计时需要考虑到以上各部分的组成结构和具体尺寸、材料等。通过多次计算，最终确保臂架可以顺利完成工作，又节省材料,成本低廉。关键词：臂架， 拉杆，斜腹杆， 上弦杆， 下弦杆AbstractTower crane is a minus erect, gibbet gyration of the crane machine. It is the one of the majority machinery in modern chemical industry and civil construction, and has a large utilization rate. Tower cranes main structure include booms, cantilever, turntable, bearing, balance arms, undercarriage and tower top, they constitute the metal structure. It has many characteristic, such as wide use, large turning radius, hoisting height, high efficiency, easy operation, installation and removal convenient, etc. Currently it is very common in use in construction and installation project, especially in top buildings and normal civil building has become the irreplaceable construction machinery.Tower crane booms design is a kind of steel structure design. Arms frame is mainly composed of upper chord, lower chord, abdomen and draw bars. Design should consideration above all parts of the structure and size, material, etc. By repeatedly calculation can ensure that can be successfully completed wok booms and save material, low cost. Keywords: arm, draw bars, oblique abdomen, upper chord, lower chord.目录1 绪论(7)2 设计方案(9)2.1 臂架整体构思(9)2.2 分节问题(9)2.3 断面型式 (10)2.4 腹杆布置 (10)2.5 拉杆选材及结构 (11)2.6 拉杆构造 (11)2.7 减轻臂架自重的途径（11）2.8 最终方案（11）3 主要结构参数设置 (12) 3.1 主要结构尺寸 (12) 3.1.1 标准节和臂架全长(12) 3.1.2 材料(12) 3.1.3 结构尺寸(12) 3.2 吊点位置的确定 (13) 3.2.1 选择参数计算(13) 3.2.2 吊点调整(14)4 计算校核 (16) 4.1 计算 (16) 4.1.1 截面几何特性 (16) 4.1.2 垂直载荷产生的力 (18)4.2 自重产生的内力(20) 4.3 动载荷端点处的力 (24) 4.4 动载荷在近吊点内产生的力(25) 4.5 其它偏心力矩(26) 4.6 水平载荷产生的内力(28) 4.6.1 臂架风载（28） 4.6.2 重物振动侧向力（31） 4.6.3 重物回转力（31） 4.6.4 臂架自重惯性力（31）4.8 校核（40） 4.8.1 确定许用应力 （40） 4.8.2 对拉杆的校核 （41） 4.8.3 截面校核 （42） 4.8.4 腹杆校核 （44） 4.8.5 稳定性校核 （47）5 附件设计(51) 5.1 连接部分 (51) 5.1.1 根部 (51) 5.1.2 臂架节之间的连接 (53) 5.1.3 上弦杆连接部 (54) 5.2 滑轮选用 (56) 5.3 说明 (57) 5.3.1 拉杆长度 (57) 5.3.2 焊接问题 (57) 5.3.3 连接件自重 (60)参考文献(62)附录(63)致谢(64) 绪论塔式起重机是动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机。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。工作机构有起升、变幅、回转和行走四部分。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。 塔式起重机源于西欧。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,相对于中西欧国家由于建筑业疲软造成的塔机业的不景气,我国的塔机业正处于一个迅速的发展时期。从塔机的技术发展方面来看，虽然新的产品层出不穷，新产品在生产效能、操作简便、保养容易和运行可靠方面均有提高，但是塔机的技术并无根本性的改变。塔机的研究正向着组合式发展。所谓的组合式，就是以塔身结构为核心，按结构和功能特点，将塔身分解成若干部分，并依据系列化和通用化要求，遵循模数制原理再将各部分划分成若干模块。根据参数要求，选用适当模块分别组成具有不同技术性能特征的塔机，以满足施工的具体需求。推行组合式的塔机有助于加快塔机产吕开发进度，节省产品开发费用，并能更好的为客户服务。 塔机分为上回转塔机和下回转塔机两大类。其中前者的承载力要高于后者，在许多的施工现场我们所见到的就是上回转式上顶升加节接高的塔机。按能否移动又分为：走行式和固定式。固定式塔机塔身固定不转，安装在整块混凝土基础上，或装设在条形式X形混凝土基础上。在房屋的施工中一般采用的是固定式的。塔式起重机的动臂形式分水平式和压杆式两种。动臂为水平式时，载重小车沿水平动臂运行变幅，变幅运动平衡，其动臂较长，但动臂自重较大。动臂为压杆式时，变幅机构曳引动臂仰俯变幅，变幅运动不如水平式平稳，但其自重较小。 塔式起重机的起重量随幅度而变化。起重量与幅度的乘积称为载荷力矩，是这种起重机的主要技术参数。通过回转机构和回转支承，塔式起重机的起升高度大，回转和行走的惯性质量大，故需要有良好的调速性能，特别起升机构要求能轻载快速、重载慢速、安装就位微动。一般除采用电阻调速外，还常采用涡流制动器、调频、变极、可控硅和机电联合等方式调速。 起重臂构造型式为小车变幅水平臂架，再往下分又有单吊点、双吊点和起重臂与平衡臂连成一体的锤头式小车变幅水平臂架。单吊点是静定结构，双吊点是超静定结构。锤头式小车变幅水平臂架，装设于塔身顶部，状若锤头，塔身如锤柄，不设塔尖，故又叫平头式。平头式的使结构形式更简单，更有利于受力，减轻自重，简化构造等优点。小车变幅臂架大都采用正三角形的截面。 凡是上回转塔机均需设平衡重，其功能是支承平衡重，用以构成设计上所要求的作用方面与起重力矩方向相反的平衡力矩。除平衡重外，还常在其尾部装设起升机构。起升机构之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端，一则可发挥部分配重作用，二则增大绳卷筒与塔尖导轮间的距离，以利钢丝绳的排绕并避免发生乱绳现象。平衡重的用量与平衡臂的长度成反比关系，而平衡臂长度与起重臂长度之间又存在一定比例关系。平衡重的用量相当可观，轻型塔机一般至少要34t，重型的要近30t。平衡重可用铸铁或钢筋混凝土制成：前者加工费用高但迎风面积小;后者体积大迎风面大对稳定性不利，但简单经济，故一般均采用这种。通常的做法是将平衡重预制区分成23种规格，宽度、厚度一致，但高度加以调整，以便与不同长度臂架匹配使用。 变幅小车是水平臂架塔机必备的部件。整套变幅小车由车架结构、钢丝绳、滑轮、行轮、导向轮、钢丝绳承托轮、钢丝绳防脱辊、小车牵引绳张紧器及断绳保险器等组成。对于特长水平臂架(长度在50m以上)，在变幅小车一侧随挂一个检修吊篮，可载维修有员往各检修点进行维修和保养。作业完后，小车驶回臂架根部，使吊篮与变幅小车脱钩，固定在臂架结构上的专设支座处，其它的零部件还有滑轮，回转支承，吊钩和制动器等。 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)。 50 年代初，我国由仿制塔机开始起步，1954年仿制东德建筑师型塔机；60 年代自行设计制造了25tm、40tm、60tm 几种机型，多以动臂式为主；70 年代，随着高层建筑的增多，对施工机械提出了新的要求，于是，160tm 附着式、45tm内爬式、120tm自升式等塔机相继问世；自上世纪80年代以来，我国塔机行业得到快速发展，尤其近几年，塔机销量持续攀高，2001年行业统计销量9738台，2002年成为世界上首个塔机年产量突破10000台的国家。2004年，由于宏观调控作用以及起重机行业的结构调整，塔机的产销量有所回落，2005、2006年，在经济高速增长的强力拉动下，我国塔机的产销恢复高速增长，2006年销量已超过2万台1。 2方案构思塔式起重机多采用小车变幅水平臂架，小车变幅对工作幅度利用效率较高，结构轻便，安装就位平稳、准确方便，是本设计塔机的首选臂架型式。2.1臂架整体构思小车变幅水平臂架分为三种不同的形式：单掉点小车变幅水平臂架（图1），双掉点小车变幅水平臂架（图2）和与起重臂连成一体的锤头式小车变幅水平臂架（图3）。单吊点小车变幅臂架属于静定结构，双吊点小车变幅臂架属于超静定结构，现今幅度在40米以下的小车臂架多采用单吊点，双吊点小车变幅臂架结构自重较轻，据分析与同等性能的单吊点小车臂架相比自重大约可以减轻5%-10%，锤头式臂架不是太常见。三种臂架的形式如下图小车变幅臂架拉索可以设在上弦杆也可以设在下弦杆处，现今通用小车臂架多分为上弦吊点，正三角形截面臂架（顶点朝上一边水平接近等边三角形）这种臂架下弦上平面均做小车轨道，小车车轮对下弦杆扭矩作用可以忽略不计，起重臂自身可以平稳放置，便于拆卸运输。 本次毕业设计题目所选的臂架比较长，工作幅度为62米，与同等起重能力的塔式起重机相比工作幅度最长，综合以上考虑拟采用双掉点小车变幅水平臂架较为合适。2.2分节问题分节问题是设计臂架需要首先考虑的问题，小车臂架由若干标准节与非标准节组合而成，另外还需要一个首部节，一个尾部节和端头节，端头节配有小车止档缓冲装置，小车牵引绳换向滑轮、起升绳端头固定装置，端头节长度不计入臂架全长。本次设计臂架工作幅度62米，除去塔身宽度各臂架连接处长度，预设剩余部分全长60米，由若干臂架标注节组成。2.3断面型式塔式起重机臂架有三种断面形式，正三角形（图a）、到三角形(图c)和矩形截面(图b)，小车变幅水平臂架大都采用正三角形截面，伸缩式小车变幅臂架可以采用三角形或矩形截面，俯仰变幅机构大都采用矩形截面，到三角形的臂架采用的不太多。臂架截面尺寸与臂架承载能力，臂架构造、塔顶高及拉杆结构因素有关，截面高度主要受最大起重量和拉杆吊点外悬臂长度影响最大，截面宽度主要与臂架全长有关，臂架越长截面越宽，截面构造与腹杆布置和臂架自重有关，需要综合考虑。2.4腹杆布置三角形截面臂架可以采用人字形布置，也可以采用一顺斜置式，腹杆可以分为一顺式、交错对称式和密集布置式。如下图当臂架幅度大，下旋杆采用槽钢时，为了提高下旋杆水平面内抗失稳能力和加大承载能力可以采用密集布置式腹杆体系，一顺斜置方式腹杆布置均匀，焊缝不过于集中，而交错对称布置的腹杆体系部分节点焊缝过于集中，综合考虑臂架和腹杆的布置方式后决定本次设计采用交错腹杆布置2.5杆件选材及结构正三角形断面双吊点小车变幅水平臂架上吊点上弦杆采用16Mn实心圆杆，考虑到臂架较长，吊重量较大，臂架结构尺寸会很大，自重较大，为了减轻自重量，增大惯性矩以抗弯，上弦杆采用16Mn钢管，下弦杆采用16Mn不等边角钢焊接成，腹杆也为16Mn钢管。16Mn是旧钢材牌号，新牌号为Q345钢，是低碳合金结构钢，是塔式起重机常用材料，也是钢材中强度较大焊接性能较好的钢材，可以减小臂架结构尺寸，减轻自重、减少部分外载荷，如风载荷。2.6拉杆构造小车变幅水平臂架既可以采用柔性拉杆，也可以采用刚性拉杆，拉杆由若干节6-9米长的标准节和若干1-5米的非标准节通过连接板及销轴连接成。圆钢拉杆最为常见，是刚性拉杆，刚性好，在受力较大时不宜采用柔性拉杆所以圆钢拉杆式首选材料2.7减轻臂架自重的途径增大塔尖高度，改善受力情况有利于减轻臂架自重，但是塔尖过高又不利于降低整机自重，而且对安装提出了更高的要求。注意吊钩和滑轮的设计，可以减轻自重，最主要的是选择合理的臂架结构尺寸，合理分布受力，经过多次选择计算使得臂架结构趋于最优。2.8最终方案 初步方案是采用双吊点水平变幅臂架，断面为正三角形，腹杆密集布置，上弦杆为16Mn钢管，下弦杆由角钢焊接成方港组成，拉杆为刚性拉杆。3主要结构参数设置3.1主要结构尺寸 根据总体构思分析，已可以大致确定部分结构尺寸。同时参考同类塔式起重机QTZ80的结构参数，现初步定出如下尺寸。3.1.1标准节和臂架全长预设连接处=0.3 根部=0.6则得出首部节L=5+=5.45m中间节LL=10+2=10.3m尾部节L=5+2=5+0.3=5.3m全长L=62.25m取臂架全长62m端部节不计入臂架3.1.2材料 16M上弦杆 两根下弦杆 侧钢架腹杆 水平直腹杆 水平斜腹杆 拉杆3.1.3结构尺寸1上弦杆：空心圆钢管 102（壁厚20）2下弦杆：两不等边角钢焊接。 型号壁厚10. 理论截面积：17.172 理论单位面积：3侧钢架腹杆.空心圆钢管.544.4.水平直腹杆.空心圆钢管. 544.5水平斜腹杆.空心圆钢管. 544.6腹杆间距. 3.2吊点位置的确定3.2.1选择参数计算1参数选择2选取：图3-1 双吊点臂架计算简图图3-2 长拉杆与吊臂接点C的位置H约为7.88m为了改善拉杆的受力状况，塔顶高取较大值： H=8m2计算3.2.2吊点调整腹杆间隔 T=1.25m.尾部节 L=5.3m除去连接 在第6节 m 吊点必须设在腹杆焊接节点处见图C点需在节点处 当n=7时=14.2故C调整在第6节第一个节点处B点的调整 故B点确定在第3节第一个节点处。确定结论：最终将吊点B确定在第3节第1个节点处C点在第6节第1个节点处4计算校核4.1计算4.1.1截面几何特性以OO为基准线断面为等腰三角形与之间的距离为1. 求面积1) 圆钢面积 A= （4-1）D=10.2 d=6.2A= =51.50图4-1 三肢杆截面尺寸示意图2) 两箱型截面面积角钢理论截面S=17.172=417.172=68.6884段角钢焊接成两箱型截面钢，如将焊缝计算在内其实际截面积为76.688。2.截面几何特性参见图4-1 截面y坐标型心3= （4-2）=46.2=462为其形心到基准线O之间的距离 （4-3）形心坐标=462 =295188.0 （4-4） （4-5）总面积 （4-6） （4-7） cos=0.71cos 见图4-24.1.2垂直载荷产生的力1. 自重 上弦杆自重： 图4-2 三肢杆半截面尺寸 10220 图4-2 D=0.102m d=0.062m A=51.5 全长用工作幅度代替 63785063 （4-9） =7850633.14 =2.55t 合为2.6t下旋杆自重： 角钢理论重量4 13.471 共4根角钢 46213.471 =3340.8 合为3.3t侧钢架腹杆共200个 A=长度：见图4-2AD=AB=AO=1mOD=0.6mBD=1.25=0.625m （4-10） =2006.28 =1311.3 合为1.3t图4-3 吊臂三维示意图水平架腹杆 共50根 A=6.28长度 见图3-2 =1.4 =50A （4-11） =506.28 =295.8 合为0.3t 水平斜腹杆共50根 A=5.14长度见图3-2-1 =1.733 =50A =506.28 （4-12） =427.1 合为0.43t共计 =2.55+1.22+1.3+0.3+0.43 =5.8t4.2 自重产生的内力计算载荷5： q= 8.97t（4-13） q=建立模型： 按两跨连续梁，中间加有两弹性支座建立模型，如图 4-3弹性力学公式求解51） （4 (4-14) -2) = - (4-15)其中： （4-16） （4-17） （4-18） =2.46t （4-19） =3.05 （4-20） （4-21）拉杆截面选定： 长拉杆OC 16 短拉杆OB 16 截面积计算 （4-22） （4-23） 图4-5长拉杆，短拉杆与臂架连接结构图预设 (4-24) E: 弹性模量 取为2.0 （4-25） =6.2 = =0.12m 设为7m将以上数据代入公式2） 可得 = - =- （4-26） =8.85 4.3动载荷在端点处产生的力动载荷在D处时，支座B不起作用。 见图 图4-6 动载荷在D处受力图（吊重+吊钩 小车 起升钢丝绳重）：起升动载荷系数起升动载荷系数的确定 6 ：起重机工作级别分类：根据参考资料2查取起重机工作级别分类。选为级 级塔式起重机 =1.3吊重： D点吊重2T吊钩： 小车 钢丝绳根据参考资料2，将小车重估定为330合吊钩滑轮组 起升钢丝绳半长 总共估计为500 合为0.5T （4-27） （4-28） （4-29）4.4 动载荷在近吊点内产生的力 图4-7 动载荷在E处受力图(吊重+0.5)t E处设吊重为8tF=1.38.5=11.05t R= (4-30) (4-31) = =178.83t/m (4+4) (4-32) 5 (4-33) (4-34) =46.41-2.39 =44.02t-m4.5 其它偏心力矩 1） 起重绳7 令 (估计值) = 为起重绳对臂架截面中心的距离 （4-35） 2） 小车拉绳 0.55为估算系数 为小车拉绳到臂架截面中心的距离 （估算） （4-36） 3） 小车惯性力 为估算系数 = 4） 离心力：（在D处计算最大值） (4-38) 为工作幅度 63m n 为回转速度 0.6r/min y 为起升高度 46m =73.71/(900-16.56)=0.08t (4-39) 5) 绳子倾斜 （D处） 预设倾斜 参考塔式起重机设计规范 =3.251.6/46 =0.11t 图4-8 吊绳在D点时的结构图4.6 水平载荷产生的内力4.6.1风载臂架参考 塔式起重机设计规范6和起重机械7得风载荷 (4-41)C：风力系数 ： 风压高度系数q： 计算风压 A: 迎风面积对于由型钢制成的平面积桁架， C=1.6对于在工作状态下的计算风压8，内地为150，沿海为250，计算中取为250对于在工作状态下的风压高度系数，可以不考虑 故 C=1.6 q=250 =1 臂架迎风面积： A= （4-42） =620.1020.3+0.14620.5+2000.0450.3 =1.89+4.3+2.7 =8.89由于是两片桁架并列 =0.0862+0.1462+2000.061 =26.64m单位面积风载荷（载面长度） =1.610.02525.64/62 =0.0165t/m总风力 =1.02t 图4-9 风载示意图风载臂架产生的力矩2 （4-43）=0.0165=31.82t-m (4-44) =0.0165 =25.05t-m (4-45) =0.0165() =16.78t-m (4-46) =0.0165 =1.66t-m4.6.2 风载重物 （D处） （4-49） 系数含义同前 根据参考资料2-6 得出 根据起升高度 得出重物迎风面积 (4-50) =0.0251.22=0.06t风载重物产生的力矩 （4-51） =0.06（17+30.8+14.2） =3.72t-m (4-52) =0.06(30.8+14.2) =2.70t-m (4-53) =0.06(17+30.8+14.2-7) =3.30t-m (4-54) =0.0614.2 =0.85t-m (4-55)4.6.3 重物振动侧向力 （D处） 小车选重为0.35t 产生的力矩：