塔式起重机的设计与分析.doc

机电系统分析与设计专业：机械设计及理论 学院：机械工程与自动化学院 日期：2012年11月2日 塔式起重机的设计与分析摘要：本论文主要涉及塔式起重机的机械设计和电器原理设计部分。塔式起重机的机械设计是通过理论上的分析计算选出满足生产要求的塔式起重机结构，确定合理的运行参数，或者对确定的部件参数进行验算，并完成施工现场的宏观设计以及塔式起重机的安装。最后进行塔式起重机的保护装置及其电器原理设计。关键词：塔式起重机，驱动装置，可编程控制器塔式起重机是指机身为塔形刚架，能沿轨道行走，配有全围转臂的一种起重机。在大型塔机的塔架下部可通行混凝土运输车辆。是动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机。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。塔式起重机由于作业空间大，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。1 塔式起重机的机械设计1.1 塔式起重机的设计实例1.1.1 设计原始资料：工程建筑类别为一类高层建筑，抗震设防烈度为7度，工程总建筑面积约9.2万m2，包括两层（局部三层）地下室和四层裙楼，其中地下室面积约4.1万m2，裙楼面积约5.1万m2。本工程合理使用年限为50年，屋面防水等级为二级，地下室防水等级为二级，人防防护等级为六级。塔机基本参数选择为最大载重 10t，最高速度 30m/min，最小/最大工作幅度 4m/70m。1.1.2 塔式起重机的类型移动式塔吊、根据行走装置的不同又可分为轨道式、轮胎式、汽车式、履带式四种。轨道式塔吊、塔身固定于行走底架上，可在专设的轨道上运行，稳定性好，能带负荷行走，工作效率高，因而广泛应用于建筑安装工程。轮胎式、汽车式和履带式塔吊、无轨道装置，移动方便，但不能带负荷行走、稳定性较差，目前已很少生产。固定式塔吊、根据装设位置的不同，又分为附着自升式和内爬式两种，附着自升塔吊、能随建筑物升高而升高，适用于高层建筑，建筑结构仅承受由起重机传来的水平载荷，附着方便，但占用结构用钢多；内爬式起重机在建筑物内部（电梯井、楼梯间），借助一套托架和提升系统进行爬升，顶升较繁琐，但占用结构用钢少，不需要装设基础，全部自重及载荷均由建筑物承受。根据此案例选用支腿固定式塔机。1.1.3 塔机的金属结构由起重臂、塔身、转台、承座、平衡臂、底架、塔尖等组成。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。塔身结构也称塔架，是塔机结构的主体。现今塔机均采用方形断面，断面尺寸应用较广的有：1.2m1.2m、1.4m1.4m、1.6m1.6m、2.0m2.0m;塔身标准节常用尺寸是2.5m和3m。塔身标准节采用的联接方式，应用最广的是盖板螺栓联接和套柱螺栓联接，其次是承插销轴联接和插板销轴联接。标准节有整体式塔身标准节和拼装式塔身标准节，后者加工精度高，制作难，但是堆放占地小，运费少。塔身节内必须设置爬梯，以便司机及机工上下。爬梯宽度不宜小于500mm，梯步间距不大于300mm，每500mm设一护圈。当爬梯高度超过10m时，梯子应分段转接，在转接处加设一道休息平台。塔尖的功能是承受臂架拉绳及平衡臂拉绳传来的上部荷载，并通过回转塔架、转台、承座等的结构部件式直接通过转台传递给塔身结构。自升塔顶有截锥柱式、前倾或后倾截锥柱式、人字架式及斜撑架式。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2 3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。1.1.4 塔机的零部件每台塔机都要用许多种起重零部件，其中数量最大，技术要求严而规格繁杂的是钢丝绳。塔机用的钢丝绳按功能不同有：起升钢丝绳，变幅钢丝绳，臂架拉绳，平衡臂拉绳，小车牵引绳等。钢丝绳的特点是：整根的强度高，而且整根断面一样大小，强度一致，自重轻，能承受震动荷载，弹性大，能卷绕成盘，能在高速下平衡运动，并且无噪声，磨损后其外皮会产生许多毛刺，易于发现并便于及时处置。钢丝绳通常由一股股直径为0.30.4mm细钢丝搓成绳股，再由股捻成绳。塔机用的是交互捻，特点是不易松散和扭转。就绳股截面形状而言，高层建筑施工用塔机以采用多股不扭转钢丝绳最为适宜，此种钢丝绳由两层绳股组成同，两层绳股捻制方向相反，采用旋转力矩平衡的原理捻制而成，受力时自由端不发生扭转。塔机起升钢丝绳及变幅钢丝绳的安全系数一般取为56,小车牵引绳和臂架拉绳的安全系数取为3,塔机电梯升降绳安全系数不得小于10。钢丝绳的安全系数是不可缺少的安全储备系数，绝不可凭借这种安全储备面擅自提高钢丝绳的最大允许安全荷载。由于钢丝绳的重要性，必须加强对钢丝绳的定期全面检查，贮存于干燥面封闭的、有木地板或沥青混凝土地面的仓库内，以免腐蚀，装卸时不要损坏表面，堆放时要竖立安置。对钢丝绳进行系统润滑可以提高使用寿命。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。1.1.5 塔吊基础设计计算 取塔吊最大倾覆力矩，在非工作状态（HS）时：Mmax=1766KNm，计算简图1如下： 图 11、x方向，受力简图2如下： 图2 以塔吊中心O点为基点计算：M=Mmax=1766KNm,M2=2Rb*4.5设M=M2，则Rb=198KN，根据单桩承载力设计值Rb10600KN。（满足要求）2、Y方向，受力简图3如下： 图3以塔吊中心O点为基点计算：M=Mmax=1766KNm,M2=2Rb*5.25设M=M2，则Rb=168KN，根据单桩承载力设计值Rb10600KN。（满足要求）3、Z方向，受力简图4如下： 图4以塔吊中心O点为基点计算：M=Mmax=1766KNm,M2=Rb*7.258设M=M2，则Rb=244KN，根据单桩承载力设计值Rb10600KN。（满足要求）1.2 塔式起重机的基本机构介绍 本案例中采取固定支腿式塔式起重机，其基本结构如下图5、6所示 图5 塔式起重机基本结构1-固定基础；2-固定支腿；3-附着装置； 图6 塔式起重机基本结构4-顶升机构；5-下支座；6-上支座；7-回转机构；8-回转塔身；9-司机室；10-变幅机构；11-载重小车；12-吊钩；13-起重臂；14-起重臂拉杆；15-塔顶；16-平衡臂拉杆；17-平衡臂；18-平衡重；19-起升机构；20-电控柜；21-塔身1.3 塔式起重机参数选择1、 整机性能参数 表 1 整机性能参数机构工作级别起升机构M5变幅机构M4最大起升高度54m额定起重力矩2500kNm最小/最大工作幅度4m/70m最大起重量10t平衡重21t2、起升机构性能参数指标 表2 起升机构性能参数指标最大牵引力35000N钢丝绳规格35x7-18-1870最大线速度200 m/min卷筒转速47.27 r/min绳容量400m（5层）电机型号YZP280M-8功率55kW转速735 r/min减速机速比15.55制动器YWZ3 -315/90-16制动力矩1800Nm3、变幅机构性能参数指标 表3 变幅机构性能参数指标最大牵引力12089N钢丝绳规格619-9.3-1770-右交最大线速度75 m/min长度绳140m绳83m卷筒转速36r/min电机型号YEJ132S-4B5功率5.5kW转速1440 r/min减速机速比43制动力矩75Nm4、 起重特性表 表4 起重特性表幅度42022.328303538402倍率起重重量666666664倍率起重重量1010109.218.497.056.385.99幅度45505355606365702倍率起重重量5.334.674.344.143.73.463.3234倍率起重重量5.164.54.173.973.533.293.152.83 塔式起重机作为一种成熟的工程设备，其设计规范和标准早已完善给出，因此在本例中可以参考以下规范：塔式起重机设计规范 GBT137521992；塔式起重机技术条件 GBT94621999；起重机设计规范 GBT3811-2008。1.4 塔式起重机的部件计算和校核一、电动机功率的确定需要进行以下三个步骤1、计算电动机的静功率 （1）式中： 起升载荷N，为起升载重，为吊钩组重， 额定起升速度m/min；由设计要求可知 机构总传动效率 故电机的静功率为：2、 初选电动机 （2） 因此选择型号：YZP280M-8 表5 电机参数（YZP280M-8） 标称功率55kW起动转矩倍数（1Hz）1.52额定电流121A最大转矩倍数（50Hz）2.9额定转矩714 Nm转动惯量1.65 额定转速735 r/min重量592kg3、 电动机过载能力校验 （3）式中：基准接电持续时电动机的额定功率（kw） 电动机转矩的允许过载倍数；=机构总传动效率； H考虑电压降及转矩允差以及静载试验超载的系数（绕线异步电机取2.1） 最大起升载荷；电动机台数；额定起升速度，m/min；当基准接电持续率时，电动机的额定功率；4、电动机发热校核 （4）式中： 基准接电持续率时电动机的额定功率，=55kw； 机构总传动效率 ，=0.828； 系数，； 起重机构最不利工作循环的等效平均阻力矩， 其中， 最大起升载荷N； 卷筒计算直径，=325mm； 减速器传动比，i=15.55 2、 卷筒设计 卷筒直径的计算卷筒名义直径 式中：卷绳直径比，M5查表得e=18； 钢丝绳直径；钢丝绳选用3517-18-1870型具体尺寸计算如图7所示。 图7 卷筒尺寸图 （5） （6）3、 减速器选择与计算减速器输出轴上的阻力矩为： （7）式中： 钢丝绳的最大拉力，为35000N； 起升动载荷系数， 卷筒计算直径，为325mm由式（7）求解得： 表明满足尖峰负荷要求，故所选减速器合格。4、 联轴器选择与计算 （8）式中： 电动机过载系数； 电动机额定转矩； 。式中： 联轴器传递的扭矩； 联轴器重要系数，载荷组合II，起升机构； 角度偏差系数，一般情况下=1；由上述两式得：。减速器选择与计算传动装置传动比确定 式中：电动机高速 结合起升机构其他规格，选取减速器的中心距为335 mm，选型号为QJR减速器系列，查表得，在输入转速为750 r/min的情况下，减速器许用输出扭矩为12.5 KNm。由于所以参照GB4323-84选用弹性套柱销联轴器TL11，其公称扭矩为40000 Nm。2 塔式起重机结构系统介绍2.1 塔式起重机液压系统塔机液压系统中的主要元器件是液压泵、液压油缸、控制元件、油管和管接头、油箱和液压油滤清器等。液压泵和液压马达是液压系统中最为复杂的部分，液压泵把油吸入并通过管道输送给液压缸或液压马达，从而使液压缸或马达得以进行正常运作。液压泵可以看成是液压和心脏，是液压的能量来源。我国的塔机液压顶升系统采用的液压泵大都是CB-G型齿轮泵，CB不齿轮的代号，G为固定的轴向间隙，工作压力为12.516MPa。液压缸是液压系统的执行元件。从功能上来看，液压缸与液压马达同是所工作油流的压力能转变为机械能的转换装置。不同的是液压马达是用于旋转运动，而液压是用于直线运动。一个液压顶升接高的全过程是：移动平衡重，使塔身不受不平衡力矩，起重臂就位，朝向与引进轨道方位相同并加以锁定，吊运一个塔身标准节安放在摆渡小车上；顶升；定位销就位并锁定，提起活塞杆，在套架中形成引进空间；引进标准节；提起标准节，推出摆渡小车；使标准节就位，安装联接螺栓；微微向上顶升，拔出定位锁使过渡节与已接高的塔身联固成一体。2.2 电动机的选择塔式起重机驱动装置最常用的电动机是三相笼型电动机，其次是三相绕线型异步电动机，只有个别情况下才采用直流电动机。三相笼型电动机与其他两种电动机相比较具有结构简、制造方便和易隔、运行可靠、价格低廉等一系列优点，并且在输送机上便于实现自动控制，因此在煤矿井下得到广泛的应用。 三相绕线型电动机具有较好的调速特性，在其转子回路中串电阻，可以解决输送机各传动滚筒间的功率平衡问题，不致使个别电动机长时过载而烧坏或闷车；可以通过串电阻起动以减小对电网的负荷冲击，同时又可以按所需的加速度调整时间断电器或电流继电器进行电阻的逐步切换，以实现平稳起动。直流电动机最突出的优点就是调速特性好，起动转矩大，但结构复杂，维护量大。与同容量的异步电机相比较，重量是异步电机的2倍，价格是异步电机的3倍，而且需要直流电源，因此只有在特殊情况（例如调速性能高）下才采用，直流电机在要求隔爆的场合使用很少。因此，根据实际情况，本设计采用三相笼型电动机，型号为YZP280M-8。2.3 减速器的选择驱动单元用的减速器从结构形式分为直交轴式和平行轴式，按固定形式分为悬挂式与落地式。根据使用要求输出轴可以做成空心。本设计选用图号为DCY560-32.5的减速器。2.4 联轴器的选择驱动装置中的联轴器分为告诉联轴器和低速联轴器，它们分别安装在电动机与减速器之间和减速器与传动滚筒中间。常见的告诉联轴器有尼龙柱销联轴器、液力联轴器和粉末联轴器等；常见的低速联轴器有十字滑块联轴器和棒销联轴器等。液力联轴器与笼型转子异步电动机联合工作具有改善电动机起动性能、均衡负荷、保护电机的优点。本案例选用弹性套柱销联轴器TL11 2.5 制动器装置的选择2.5.1 制动器的介绍 起重运输机械间歇动作，需经常起动、制动或停止。因此，需要良好可靠的制动装置。制动装置分为制动器和停止器。制动器：利用摩擦力将机械运动的部分或全部动能转化为热能，达到减速或制动的目的停止器：利用机械止挡作用支持物体，达到不使物体运动的目的制动装置有支持、调速或限速、制动的作用：制动器应满足以下基本要求： 能产生满足要求的制动力矩； 松闸和抱闸迅速而平稳、动作准确可靠； 摩擦零件的耐磨和耐热的性能良好； 结构紧凑，体积小； 调整和维修方便。 制动器的类型：按结构划分，常用的有块式、带式和盘式；按工作状态划分，有常闭式和常开式两种；常闭式制动器：机械不运转时抱闸、运转时松闸；常开式制动器：经常处于松闸状态，只在需要时才抱闸。2.5.2 块式制动器的结构与类型 块式起重机的优点：块式制动器结构简单，安装和调整方便，广泛应用于各种类型的电动起重机上。块式制动器分为电磁瓦块式制动器和液压推杆瓦块式制动器，电磁瓦块式制动器又分为短行程和长行程。1）电磁瓦块式制动器 短行程电磁瓦块制动器 优点：上闸、松闸动作迅速；体积小、重量轻； 铰链少，死行程小；制动瓦块与制动臂铰接， 故制动瓦块与制动轮接触均匀，磨损均匀 缺点：吸力有限，常用于制动力矩较小机构中，制动轮直径不大于300mm。 因此，当需要制动力矩较大时，必须采用长行程电磁瓦块制动器。 与液压推杆瓦块式制动器相比，电磁瓦块式制动器的很大缺点是电磁铁冲击很大，引起机构振动。 由于机构经常起动、制动，电磁铁碰撞使得电磁铁的使用寿命降低，需要经常检修和更换。2）液压推杆瓦块式制动器 液压推杆松闸器在液压推杆瓦块式制动器中，是一个独立的组成部分。 液压推杆分为电动液压推杆和电磁液压推杆。 电动液压推杆： 优点：动作平稳；单位时间接合次数高，推力恒定；电动机功率小。 缺点：因电动机转子和杠杆系统惯性大，上闸和松闸时间长，不宜用于起升机构。 电磁液压推杆： 优点：兼具液压制动器和电磁制动器二者优点制动平稳、无噪声、工作可靠、寿命长。 缺点：构造复杂、成本高、维修困难，推广应用上受到限制。按各工作机构制动力矩的大小确定。 机构所需制动力矩由计算求出，根据工作类型，查手册或制动器标准，选择与计算力矩相等或稍大于其额定力矩的标准制动器。 制动器的安全使用，制动器的可靠性至关重要。因此，需要掌握制动器的结构、性能；对其故障及产生的原因要十分清楚；经常检查和维修。 常见故障及原因有 制动力矩不足： 制动带或制动轮磨损严重或局部损坏；制动带与制动轮之间有油污或主弹簧过松；某些零件卡滞、磨损、松动等，如活动铰链卡滞，锁紧螺母松动引起调整用的杠杆松脱；松闸器的传动系统不灵活等。 制动器突然失灵：制动带严重磨损或损坏；长行程电磁铁被卡住或衔铁与水平杠杆间联杆脱落制动器主要零件损坏或主弹簧失效；液压推杆或液压电磁推杆不动作；电气发生故障等。（2）制动器的检查与维护 升降机构制动器，每班开始作业之间必须检查一次； 运行机构制动器，每两到三天检查一次。 着重检查： 制动器的传动系统 制动轮 制动带 制动杠杆系统 液压系统（3）制动器的安全使用 制动器经调整后，使用前必须对制动距离、制动力矩、起吊载荷进行试验，确认正常后方可作业。 制动器合闸后，被吊物体或车体在单位时间内应有一段滑行距离，即惯性行程。 吊运额定载荷时的惯性行程，叫制动距离。 运行机构：制动距离约为运行速度(m/min)的7% 起升机构：制动距离约为升降速度(m/min)的1% 制动器必须能可靠地制动住额定载荷的1.25倍。 每次作业前，应先将物体吊离地面100200mm，观察制动器工作是否正常。确认正常后，才能开始作业。3 塔式起重机电控设计3.1 指令说明3.1.1 电控公用指令所谓公用指令是指这些指令不管是在自动控制下还是手动控制下，对它们的操作都是有效的。其中一部分指令必须在开车前选定而在运行中禁止操作，它们是控制方式选择、运行方式选择；其余公用指令可随时根据需要进行操作。控制方式选择开关用来选定系统控制采用的方法或模式，它分为自动、手动和检修三种方式。运行方式选择开关用来确定设备（系统）处于何种状态。它分为工作、调试和停止三种形式。它与控制方式选择开关组合使用。可能的有效组合形式如表5。表5运行方式调试停止工作控制方式手动检修自动停止位置：手动与自动控制指令均失败，但部分公用操作指令有效（如信号按钮）。检修位置：该位置与停止位置功能相同。调试工况下，只能采用手动控制方式，除主电机与控制泵间存在联锁关系外，其余各设备间无连锁关系。信号指令：在有电状态下，只要按下信号按钮，沿线电铃和蜂鸣器即响；松开按钮响声停止。故障复位：当出现故障停车时，待故障处理完毕必须按动此按钮才能解除故障记忆，重新开车。急停：输送机运行状态下，不论是自动控制还是手动控制，按下该按钮（带锁）时，将以最大的减速度停车。建议尽可能减少此种停车方式。计时器控制指令：用于计时器控制的指令有3个，即起动 停止和清零。起动用于计时器进行累积计时的开始；停止用于计时器的停止；清零用于将计时器复位归零。3.1.2 自动控制指令当系统确定为自动控制工作方式时，这些指令与公用指令同时有效。润滑泵是否开启。在进行功率调节中或调节后，只要液粘调速器的传动比不是1：1，润滑泵就会自动开启，而不受此开关的限定。起动、停止指令：用于对输送机实施开车与停车的控制。3.1.3 手动控制指令当系统确定为手动控制下调试或工作运行方式时，这些指令与公用指令同时有效。油压调节：手动控制方式下，用于液粘调速器控制油压的增加或减小的调节，以实现加速或减速控制。3.2 系统工作原理3.2.1 自动工作方式（1）起动参考表1 ，开车前，司机将控制台上公用指令下的运行方式开关置于“工作位置”，控制方式开关置于“自动”位置，“远近控选择”置于“近控”位置，同时将自动控制指令下的主电机选择开关转到所需的位置，其他转换开关据现场情况而定，至此系统具备了自动工作方式的条件。司机可直接按动自动控制