P360塔式起重机旋转机构设计【含CAD图纸、说明书】
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本科生毕业设计（论文）题 目：P360塔式起重机回转机构设计学院（系）：专业班级：学生姓名：指导教师：评 阅 人：完成时间：33P360塔式起重机回转机构设计摘 要回转机构作为塔式起重机的中枢神经，对塔机水平任意方向完成360度自由旋转起着十分重要的作用。它主要由回转驱动系统、回转支承系统以及上下支座组成。一旦其任何部件出现故障，则塔机都将无法正常工作。因此，对回转机构进行合理的设计是塔式起重机机的关键环节。在本次毕业设计中。第一，完成了关于塔机回转机构的开题报告和外文文献翻译。第二，对回转机构总体传动方案进行设计、合理选择的电动机及行星减速器型号。第三，通过学习Proe软件绘制了回转机构各零部件的三维模型图，在此基础上进行组装并导出回转机构CAD二维图。第四，完成对回转机构受力校核。第五，完成了说明书的编写。第六，修好图纸与说明书并完成毕业答辩。经过大量的校核与验算。所设计的回转机构在驱动及承受载荷上均满足要求。其次，驱动系统及回转内齿圈与上支座固定，绕回转中心相对于下支座同步转动，宏观上就完成了塔机的旋转。且该回转机构的驱动性能十分优越。关键词：塔式起重机；回转机构；三维模型图；驱动系统VSlewing Mechanism Design of 360 Tower CraneABSTRACTAs the central nerve of the tower crane, the slewing mechanism plays an important role in completing 360-degree free rotation in any horizontal direction. It is mainly composed of slewing drive system, slewing support system and upper and lower supports. Once any of its components fail, the tower crane will not be able to work normally. Therefore, the reasonable design of the rotary mechanism is the key link of the tower crane.In this graduation project. First, I completed the opening report on the tower crane rotary mechanism and the translation of foreign literature. Second, the rotary mechanism for the overall transmission scheme design, reasonable selection of the motor and planetary reducer model. Thirdly, by learning Proe software, the 3D model diagram of each part of the rotary mechanism is drawn. On this basis, the CAD 2D diagram of the rotary mechanism is assembled and derived. Fourth, to complete the rotary mechanism stress check. Fifth, completed the preparation of the specification. Sixth, repair the drawings and specifications and complete the graduation thesis defense. After a lot of checking and checking. The rotary mechanism can meet the requirements of driving and bearing load. Secondly, the driving system and the rotary inner tooth ring are fixed with the upper support, and the rotary center is rotated synchronously relative to the lower support, thus completing the tower cranes rotation on the macro level. And the driving performance of the rotary mechanism is very superior.Keywords:towercrane；slewingmechanism；3Dmodeldiagram；driving system 目 录主要符号表V 垂直力H 水平力M 力矩T 回转阻力矩N 塔式起重机的回转速度Tm 摩擦阻力矩Te 回转机构等效静阻力Tpe 等效坡度阻力矩Twe 等效风阻力矩Z 齿轮齿数m 模数i 传动比a 中心距 b 齿宽d 分度圆直径 传动效率目 录1 绪论11.1 前言11.2 选题的目的和意义11.3 国内外研究现状21.3.1 国内研究现状21.3.2 国外研究现状31.3.3 国内外研究现状31.4 毕业设计（论文）的主要内容41.4.1 主要设计参数41.5 所采用的方法、手段以及步骤等41.5.1 所采用的方法和手段41.5.2 所采用的步骤42 回转机构方案设计52.1 回转机构组成52.2 回转驱动装置52.2.1 驱动方案分类52.2.2 回转机机构驱动方案选择52.3 回转支承装置62.3.1 柱式回转支承62.3.2 滚动轴承式回转支承72.3.3 回转支承装置的选择72.4 上下回转支承座92.5 总装三维模型图112.6 工作原理113 回转支承装置结构设计133.1 滚动轴承式回转支承的受力计算133.2 回转驱动装置的计算153.2.1 回转阻力矩的计算153.3 驱动电机功率的计算与选择194 行星减速器设计214.1 行星减速器的选择215 制动器选取236 回转支承校核计算246.1 回转支承齿轮副强度校核246.2 传动比校核计算266.3 连接回转支承与上下支座的螺栓强度校核26方案评价28结论30参考文献32致谢331 绪论1 绪论1.1 前言塔式起重机在我们现代工业基础建设中作为起吊钢筋，混凝土等大型机械设备，有着十分重要的作用。特别是伴随中国房地产事业的突飞猛进。它更是与大型高层建筑息息相关。生活中，我们随便去一个高层建筑工地，都能发现它的身影。现在，由于建筑物的高度不断升高，那么对塔式起重机的各方面要求也越来越高。这里面就包括对塔机的经济性，稳定性，耐用性，安全性，最大起升载荷等等一系列的性能要求。因此，塔机的制造也随之向更高的水平发展，以此来应对市场多元化的需求。下面是参考各种资料，对塔式起重机一些特点的总结：（1）按照工作的需求有固定式和移动式塔机；（2）和早期的塔机相比较，塔机起重物品的高度越来越大；（3）塔机的平衡臂加长，使它在旋转转过程中覆盖的范围更加广泛。更加适合高层建筑各种起吊要求；（4）回转速度适中，在起升，运行，停放重物的过程中运行更加平稳；（5）塔机零部件之间的拆装很简洁。省时省力，这样就十分方便汽车装运。随着科学技术的不断发展进步，建筑物高度不断的增加，对塔机起开高度，回转覆盖范围、工作效率和安全性要求日益增高。通过长期的使用经验表示，国产塔式起重机工作时，回转运行系统最容易出现故障1。 1.2 选题的目的和意义随着建设施工速度的不断提升，平头式塔式起重机因为它自身独有的效率高，速度快，回转范围广泛等等特点逐渐占领了现在的基建行业大部分市场，并且随着工程建筑大型化的发展，对塔机回转半径的范围要求越来越大。特别是平头式塔机起重臂的加长增大了吊装范围，给施工工作带来了便利性。同时，由于其起重臂的加长，引起塔机起重臂质量的增加，从而导致回转运行时运动惯性的加大，在塔机回转过程中容易对吊臂和塔身造成较大的冲击和扭曲，长期反复冲击不但会造成钢体的疲劳，影响塔机的使用寿命，还会引起连接部件松动，积累安全隐患。因此，回转机构的稳定运行，对塔式起重机，尤其是平头式塔机极为重要。基于上面的一些原因，让很多国内和国外的塔式起重机制造伤商都十分深入的认识到塔机在回转运行方面的重要意义。并且针对回转机构的驱动和控制系统进行了一定程度的研究，不断进行优化设计，近年来在这些方面取得了很大的进展2-3。 其次，回转支承系统它是连接塔身和塔帽的中间机构，是塔式起重机的神经中枢。动力系统带动塔机回转支承以上部分相对于回转下支承座和塔身作360自由旋转，以完成各种起重作业要求。回转支承系统在结构连接上起到了承上启下的作用。，平衡臂、配重块、起重臂、塔帽和回转部分将塔机在不同的工况下引起的受力载荷全部通过回转支承机构传递到了塔身上，与此同时，回转支承系统中的上、下支承座所承受的载荷也是十分复杂的。所以，我们对回转机构的上、下支承座进行合理细致的设计与计算，对于保证塔式起重机的常规的安全工作特别重要4-7。1.3 国内外研究现状 1.3.1 国内研究现状我国在塔式起重机的设计研制方面起步较晚。建国初期，我国主要的方式是引进其他国家的现有塔机来满足工业建设上的需求。随着塔机使用的需求量越来越大，我国渐渐开始仿制引进的塔机，并且积极学习其中的技术，能够自行设计出起重机，尽管它们存在着规模较小的问题，但是也代表我国在塔机行业的巨大进步。随着国内塔机设计水平和经验的逐渐累积，到70 年代，我们国家已经能够进行塔机的衍生设计了，制造出大量使用性能优良的起重机并且销往国外。不过由于设计的技术不足，技术人员使用的研究塔机的方式手段仍较为落后，引进的第一批塔机基本都是基于静态设计的方式，因此国内的技术人员在很长的一段时间里一直沿用这样的方式。直到80年代才有研究人员把有限元技术运用到塔机的设计当中来。第一批研究人员主要以陈玮璋为代表，他们在塔机的动态响应方面遇到巨大困难8，因此尝试将有限元的方法运用起来分析研究。而吴天行在其发表的论文中，通过其在研究中遇到的困难以及采取的解决措施发现有限元法在塔机设计过程中应用必不可少9。到了21世纪二十年代，我国塔式起重机已经有了将近60年的发展历程，逐渐实现了从无到有、从低质量到高质量，形成了一套较为完整的体系和自主设计方案。 目前，由于我国在塔机设计上成熟的经验与高质量制造技术，已经成为了全球塔机制造大国和需求大国的佼佼者，得到了国内外许多商家的青睐。并且，国产塔式起重机已经批量走进国际市场10。这不仅对我国的基建行业提供了向外扩张的市场，同时也为我国在塔式起重机方面进一步的研究带来了巨大的挑战和机遇。然而，尽管我国在塔式起重机方面的研究已经有了很大的突破，并且行业技术水平与发达国家之间的差距已经大大缩小，但是在性能、质量、总体结构等方面还存在一些问题， 特别是在制造质量及可靠性方面差距较大。其次，塔式起重机制造厂家很多，但具备雄厚实力的并不多。目前，我国生产的塔式起重机主要存在以下三方面问题: （1）拥有先进制造技术、高科技人才以及资本雄厚的世界前500百强生产的塔机在综合性能上面表现较好，其对质量有一定的保障。相反，对于一些中小型且制造技术一般的企业。由于资金有限，为节省一定的生产成本，因而生产的塔式起重机存在很多问题，质量没有保证，售后服务也不够健全。（2）各个企业所生产的塔式起重机在结构上有一定的局限性。不是特别的合理。其次对于高层建筑所需要的重型起重机，国内能生产的厂家寥寥无几。恰恰是中小型号的塔机生产过剩，其企业彼此之间的技术差距也很大。导致相同型号的塔机在零部件互换上有很大的尺寸偏差。（3）塔机在生产过程中，很多企业都是各自为政。山头较多，不能形成有效的协同作用。这样就不能使我国的塔机形成一定的规模。反而在管理上，给政府增添了负担。1.3.2 国外研究现状国外很早就设计和使用起重机，它的发展时间较长。在起重机发展的初期，国外往往是通过理论力学、材料力学等理论依据来设计起重机，并且进行相应的分析，就是说起重机的设计需要在结构强度、静态刚性等方面达到良好的标准11。在第二次世界大战以后，起重机得到了充分的发展，在这一时期，各个国家急需要恢复生产、大量建设，这就对起重机有很大的大需求量和较高的工作要求。60年代，国外设计人员开始将有限元法分析法引入到工程机械当中来运用，他们发现通过这样的方式会对设计产生巨大的帮助，并且由于电脑处理数据能力的不断加强，越来越多的塔机制造强国开始将有限元法作为一种主要的技术手段来设计研究塔机的结构。具体的技术措施有很多，包括有限元、虚拟样机等。在70年代，起重机的发展达到最鼎盛的时期。西德、法国、日本等国家均对起重机制订了相应的规范。从静刚性、挠度等方面对起重机进行了严格的限制12。到了21世纪，国外对塔机已经基本上完成了从设计、优化到维护的整个过程的研究分析13。 近些年来塔机的快速发展和研究的领域也更加的广泛和深入，国外学者开始着重研究塔机的运行安全，其实际安全监控系统便开始成为研究热门。根据查找相关的外国文献，对现在几个特别出名的塔式起重机制造厂家进行了一定的了解。例如德马格公司，神户制钢公司，利勃海尔公司等等。相对来说，利勃海尔公司生产的塔式起重机在国际市场的销量很大。其生产技术水平在全球排名前列，且不断在研发新产品。像其出品的LR履带式特大型起重机所能起升的最大起重载荷已经达到了1200t，这在国内是不敢想象的，毕竟我们现在的生产技术还没有达到这种水平。同等而言，日本神户制钢公司开发的履带起重机有由于产品系列化程度高、性价比高，十分受中国企业的追捧。也因此在全球范围内占有一定比例。近两年神户制钢公司在中国市场上不断发力，尤其是中吨位的履带式起重机的销售业绩较好14。1.3.3 国内外研究现状综合国内、国外塔机的研究现状分析，中国在塔式起重机方面的研究起步比国外晚，但是发展速度很快，仅用50多年的飞速发展就缩小了与发达国家之间的差距，并且在某些技术方面达到顶尖水平。目前，在各方面全球化的背景下，世界各国在制造技术上为了占据塔式起重机市场的制高点，都在竞相开发具有功能完善，性价比合理的新产品15-16。由此，塔式起重机在国内外总的发展趋势如下：（1）向大型化和超重型方向发展，起吊重量与工作半径同步增大（2）向多功能发展。（3）向更高精度的方向发展，操作性能，起吊方位准确性，回转稳定性都不断提高。（4）向多种组合的方向发展。1.4 毕业设计（论文）的主要内容 1.4.1 主要设计参数1.起重机最大起重量12t（30m吊重，四绳），工作幅度44m，端部吊重7.6t固定式最大起升高度73.44m。2.回转机构速度00.7r/min，电动机功率29kW。1.5 所采用的方法、手段以及步骤等1.5.1 所采用的方法和手段查阅相关资料，首先，对平头式塔式起重机的总体传动方案进行设计，接着选择合理的电动机型号和行星减速器型号，再采用PROE绘图软件设计回转支承等主要零件结构。其次，通过相关计算公式对回转载荷进行力学分析与计算。然后采用传统方法对回转机构进行力学分析及强度校核。最后，再通过PROE软件绘制回转机构三维图，由PROE软件中的三维模型图导出二维图CAD图，并对CAD图进行修改。1.5.2 所采用的步骤（1）查阅手册、文献等相关资料了解起重机回转机构相关知识；（2）初定回转机构上下支承座结构、小齿轮与外齿圈的模数及齿数，根据尺寸设计，绘制三维模型图图；（3）对回转机构进行力学分析、计算回转力矩。并选择电机和减速器型号。（4）对回转支承进行校核验算，针对不足的地方提出改进措施或方案，对设计方案进行优化；（5）绘制设计任务图纸；（6）撰写设计说明书；（7）对所有设计资料进行整理。422 回转机构方案设计2 回转机构方案设计2.1 回转机构组成它由回转驱动系统和回转支承系统这两部分组成。在功能上驱动系统主要是通过电动机提供动力，将逐步传递的回转力矩最终作用在给回转支承系统上。2.2 回转驱动装置2.2.1 驱动方案分类回转驱动装置我们按照驱动的方式分类，在大体上可以分为电力驱动和液压驱动。在大多数的情况下，塔式起重机常常使用电动机驱动的方式。它在设计上往往都是和回转上支座固定在一块的，电动机所连接减速器的另一端轴与回转小齿轮通过键连接。这样，小齿轮就能和固定在下支座的的回转大齿圈相互啮合,围绕大齿圈转动。下面是塔机常用的三种传动的方式：（1）卧式电动机、蜗轮减速器组合传动方案在结构上，这种传动方式，把极限力矩减速器安装在了驱动轴和蜗轮上面。这样做的好处就是可以在很大成都程度上避免回转机构过载的现象。其次，蜗杆在传动过程中，如果出现了自锁的现象，或者选择常开式制动器制动时，该联轴器还能起到安全保护的作用。传动方案优缺点：它的减速器传动效率就很低，如果没有大的传动比，就很难应用在塔机上，特别是大型的起重机。也因此，这种方案在中小型起重机中比较常见。（2）立式电动机与立式圆柱齿轮臧速器传动传动方案的优缺点;与上面的第一种传动方案比较，它在传动效率上较高。其次在平面的结构布置上也十分规范。对于维修人员来说，维护起来也很容易啦。（3）立式电动机与行星减速器传动按照这样的传动方案。可以供我们选择的行星减速器在大体上有很多种型号。例如3Z,2ZX型、渐开线少齿差型等等。传动方案优缺点：在这种传动方式上，所选取的行星减速器都有特别高的传动比大.内部结构在布置上相对来说也比较紧凑,节省空间。2.2.2 回转机机构驱动方案选择在比较和分析上面的三种传动方案的优点和缺点后，结合本次毕业设计P360塔式起重机基本参数要求，可行性分析和自己的能力。故而选择立式电动机与行星齿轮减速器组合，认为不管从那个角度考虑，该方案都比较占优势，对于大学生在专业能力范围内的难度系数适中。下面是我根据选择的传动方案，绘制的驱动系统结构草图，如图2.2所示。图2.2 回转驱动结构图2.3 回转支承装置按照结构形式的不同，我们主要可以将其可分为柱式和转盘式两大类,其中转盘式回转支承又称为滚动轴承式回转支承。回转支承的主要功能是实现上下支座绕回转中心相对回转。在受力上，主要是承受塔机施加给它的三种载荷。分别是水平载荷、垂直载荷以及倾覆力矩载荷。2.3.1 柱式回转支承（1）定柱式回转支承装置在结构上，定柱下部的直径一般情况下都比较大,而且在设计的时候，往往将下水平支座加工成滚轮。它有以下四个优点：a.回转部分的转动惯量都很小。b.自身的重量与驱动功率也不是特别大。c.可降低塔机重心。d.结构上十分简单，工艺制造也十分方便。（2）转柱式回转支承装置在结构上，一般采用有自动调位作用的推力轴承。并且上支座的滚轮和滚道之间的距离可以通过转动心轴来进行自由调整。它有下面的四个优点如下：a.起升的高度高b.适合用于载荷较大的塔机c.工作的幅度大d.制造工艺十分简洁2.3.2 滚动轴承式回转支承起重机常用的滚动轴承式回转支承装置按滚动体形状和排列方式可分为下面四种结构：（1）单排四点接触球式回转支承它由两个底座圈组成，其滚动体为圆球形，每个滚动体与滚道间呈四点接触，能同时承受轴向，径向力和倾覆力矩。适用于中小型塔式起重机。（2）双排球式回转支承它在结构组成上往往都有三个地圈，一共安装了两排钢球，然而上排和下排的钢球直径却是完全不同的。这样设计的目的是为了在实际工作中适应受力的差异。而且滚道的接触压力角一般都在60度到90度之间，所以和其他相转盘式回转支承相比就显得很大。（3）单排交叉滚柱式回转支承与双排式不同的是它由两个底圈组成。滚动体的形状是圆柱形的。在他们的排列上两个都是呈交叉样式的。因为接触压力角很小，一般都在45度左右，所以它承受载荷的能力就明显比单排钢球式高了。在安装上，这种回转支承要求的精度都很高。（4）三排滚柱式回转支承在结构上是由三个底圈组成的，滚道中的两排滚柱都是相互平行并且水平排列的。滚动体承受载荷的能力比上面三种都要强。2.3.3 回转支承装置的选择根据上面几种回转支承装置的介绍，我结合各类支承装置的优缺点，以及回转支承刚度，硬度等需要所满足的要求。其次，由于塔式起重机在回转过程中会产生轴向、径向力和回转力矩。因此，综合考虑上诉几点因素，选择单排四点接触球式回转支承。并且初步确定外齿圈齿轮模数和齿数。利用ProE绘图软件，按照标准的尺寸，下图（a）、（b）、（c）分别是我画的回转支承系统内齿圈、外齿圈以及他们的装配图。图2.3 （a）回转内齿圈图2.3 （b）回转外齿圈图2.3 （c）回转外齿圈2.4 上下回转支承座结构上内圆外方，设计上遵循科学性，合理性，安全性以及轻质量原则。其上有许多螺栓孔，分别用来连接内外齿圈，以达到稳定性要求。其次，在下支承座和上支承座上分别设计有支承腿。同样采用螺栓连接，用来连接塔身标准节与塔顶。从而完成整个塔式起重机回转部分的上下连接。下图2.4（a）、2.4（b）分别为根据ProE绘图软件设计的上下支承座。图2.4 （a）上支承座图2.4 (b)下支承座2.5 总装三维模型图如下图2.5所示，蓝色部分是整个回转机构的驱动装置，在模型绘制上，由上到下上依次是电动机，固定架及其内部的联轴器，减速器，小齿轮。红色的部分从上到下依次是上支座和下支座。在他们的矩形平面的四周都设计有同等型号支承腿，共计有八个这样的支承腿。每一个支承腿上都设有三个直径均为36mm的螺栓孔。其中上支承座上相邻两个支承腿中心线的距离是2m,下支承座上相邻两个支承腿的中心线之间的距离是2.5m。这样就可以让回转机构按照尺寸与同组的两个同学所设计的塔身结构、塔顶结构分别用螺栓完成连接。 黄色部分是回转外齿圈，绿色部分则是回转内齿圈。总共所需要M36300的螺栓为40个。图2.5 总装三维图2.6 工作原理根据自己设计的回转机构，对它的工作原理分析是：在回转驱动系统上，立式电动机输出轴通过联轴器和行星减速器的输入轴连接，实现减速效果，然后减速器的输出轴通过平键与小齿轮连接。最后都通过螺栓连接固定在上支座上面。在回转支承上，回转外齿圈上设有许多的螺栓孔，因此通过螺栓连接与下支座完成紧密固定，同时，回转外齿圈与内圈之间装有滚动体。这样就能完成他们之间相互绕回转中心转动。所选用的轴承是单排四点接触式滚动轴承，这种轴承在制造工艺十分方便。同样，在内圈上也设计有分布均匀、与外齿圈同样多的螺栓孔。以此完成内圈与上支座的螺栓连接。最后，小齿轮与外齿圈采用渐开线式圆柱直齿轮齿合，故而在齿轮设计上选择相同的模数。简单来说，就是电动机通过减速器带动小齿轮绕回转支承的外齿圈转动，同时给内圈一个回转力矩，这样就能使上支承座及其所固定的驱动装置相对于下支承座所固定的外齿圈转动。宏观上就实现了塔式起重机回转支承以上所有部分相对于其一下所有部分旋转。这便是本次设计的P360塔式起重机的基本工作原理。另外，在设计上有两点注意事项。首先，回转支承内圈要略高于外齿圈，这样设计的好处是，防止上支座与外齿圈在绕回转中心相对旋转的过程中产生摩擦阻力，从而降低了使用性能和寿命。其次小齿轮的宽度要比外齿圈略小一些，即小齿轮与下支座相对的两个面留有一定的空隙。这样既是为了方便螺栓的安装与拆卸，也是为了防止小齿轮在绕外齿圈转动过程中与下支座面产生摩擦阻力。3 回转支承装置结构设计3 回转支承装置结构设计3.1 滚动轴承式回转支承的受力计算塔式起重机回转部件承受的载荷主要来自于平衡块重、平衡臂架、回转机构自重、起重臂架、最大额定载荷，风载荷，摩擦阻力和回转惯性载荷17。为了方便计算回转支承的载荷垂直力，水平力和力矩。将各处受力都等效到一点即质量中心点。以质心到回转中心线的距离作为计算力矩的标准。具体臂力各部分的受力情况见下表3.1表3.1 塔机部件参数部件名称参数起升载荷120KN起重臂的臂架重量183.28KN起重臂的臂架宽度2m起重臂的臂架长度45.82m平衡臂的臂架重量81.6KN平衡臂的臂架长度20.4m配重块的重量258.5KN小车的重量0.7KN塔帽重量14KN起升绳重量1KN回转机构重量84.78KN起升机构重量17.6KN变幅机构重量3.9KN塔身重量（单节）26.41KN最大幅度45.82m起重臂重心距离20.91m平衡臂重心距离10.2m配重块的重心距离2m起升机构的重心距离20.8m根据表3.1塔机臂架件参数，绘制塔机结构简图及受力分析如下图3.1（a）、（b）图3.1 塔机结构外形尺寸图3.1 （b）回转支承的载荷分布据相关计算公式，计算如下：以此来计算载荷垂直力V，水平力H和力矩M（1）FQ-最大额定起重载荷FQ=1200010=120000N其中 -起升的动载荷系数：取=1（2）F1-作用在重物上的离心力F1=120000.0.06283230=1421.14N（3）Gb-起重臂所受重力Gb=1832810=183280N（4） G1-回转机构所受重力G1 =84781084780N（5）G3平衡重 G3=816010=81600N（6）FL1-G1质量引起的回转离心力FL1=84700.060.95=31.792832N（7）FL3-G3质量引起的回转离心力FL3=81600.06283210.2=328.57N（8）FLb-起重臂架的回转离心力FLb=183280.06283220.91=1512.88N（9）Fw2-作用在塔机回转机构平面上的最大风力载荷，以20m/s风速为标准，则风压q=240N/m2,假设最大迎风面积为20m2。C=1.2则Fw2=qAC=240201.2=6000N（10）FWQ作用在重物上的风力负载FWQ=120003%=360N FWQ=120003%=360N则载荷垂直力V=112000+183280+84780+81600=469660N载荷水平力H=1421.14+1521.88+360+6000-31.79-328.57=8942.66N载荷力矩M=112000030+18328020.91+ (1421.14+360）30+60004.78-847801.4-31.791.75-8160010.2-328.573.5=6562281.37N。3.2 回转驱动装置的计算主要分为回转阻力矩与电动机功率计算。3.2.1 回转阻力矩的计算塔式起重机在回转工程中，主要克服来自于自身零部件之间阻力引起的摩擦阻力矩Tm、风载荷引起的风力阻力矩Tw、由于惯性引起的回转惯性阻力矩Tg和坡道阻力矩Tp，计算公式如下： （3.1）-回转阻力矩，N.m；-摩擦阻力距，N.m；-风力阻力矩，N.m；-惯性阻力矩，仅出现在回转启动和制动时，N.m；-坡度阻力矩，N.m；（1）摩擦阻力矩计算滚动轴承式的回转支承装置在回转起动时产生的摩擦阻力矩按下式计算： （3.2） 以上公式中-当量摩擦系数， D0-回转支承滚道中心圆的直径取1.9m工况球式回转支撑交叉滚珠式回转支撑回转启动正常回转0.0120.0080.0150.01表2.1 当量摩擦系数-垂直力和力矩在回转支承滚动体上产生的法向压力绝对值总和，N；当e=(交叉滚珠式）和e=(滚球式）时当e=(交叉滚珠式）和(滚球式）时因为Nvm=2.828VeD0ke (3.3)式中-系数，滚球式=1.5，可根据从图上查得。-水平力H在回转支承的滚动体上产生的法向压力绝对值总和，N; (3.4)=1.728942.66=15381.38N式中KH-系数值，与滚动体的形状和滚动体与滚道的接触角等因素有关。当接触角为45度时，对滚球式取KH=1.72。则Tm=0.0121.9/2（1048577.75+15381.38）=12129.13N（2）风阻力矩TW风阻力矩的计算公式：(a)以上公式中-作用在起吊物上的风载荷假设取：A=3m2 ,C=1.2=1.23240=864 N；(b)-作用在起重臂架上的风载荷，迎风面积：A=33.852=67.7 m2 漏=0.25, 重=0.25, C=1.3Kn=1, q=250N/m2A实=(1)A=0.251.2568.73=21.47 m2 =1.324021.47=6698.64 N(c)-作用在平衡重上的风载荷A=4m2=1.22504=1200N(d) -作用在平衡臂架上的风载荷，；A实=(1)A=0.251.25（20.41.5）=9.56 m2=1.22509.56=2868N-起吊物品到回转中心的距离，m；取 R=30m-起重臂架风力作用线到回转中心的距离，m；取=20.91m-平衡重风力作用线到回转中心的距离，m；取 R3=20.4m-平衡臂架力作用线到回转中心的距离，m；取 R4=10.2m-起重臂与风向的夹角，（）。当=90时，起重臂架和风向垂直，则最大的风阻力矩按下式计算：=86430+6698.6420.91-120020.4-286810.2=112254.96 N；假定起重机在回转时风向不变，当从变化到90的过程中，风阻力矩也随着变化，其等效风阻力矩按下式计算：=0.7112254.96=78578.47N.m；（3）回转惯性阻力矩回转惯性阻力矩是由绕塔机回转中心线回转的物品惯性阻力矩,塔机回转部分的惯性阻力矩,及传动部分旋转零件的惯性阻力矩 。-塔机在运行过程中受到的回转惯性阻力矩，N.m；-塔机起吊的重物绕回转中心运转所受到的回转惯性阻力矩，N.m；-塔机回转机构由于自身重力所受到的惯性阻力矩，N.m；-电机轴及减速器轴受到的惯性阻力矩，N.m；（a）计算塔机起吊的重物绕回转中心运转所受到的回转惯性阻力矩TgQ=(MQ+q)R2n9.55tMQ-塔机在最大载荷起重量之下所吊起的重物的质量；MQ =12000Kg q-吊具自身质量；q=300kg；R重物的质量中心到塔机回转机构中心线的回转半径，m；由P360塔机的结构设计中可得出R为30m n-塔机的回转速度，r/min；取n=0.6m/min-回转机构开始起动到正常运转所需要的时间，s；一般情况下可计为t=36s。为了方便计算我们取t=5s =(12000+300)320.6/(9.555)=139099.48 N.m；（b）计算塔机回转机构由于自身重力所受到的惯性阻力矩 =2585012.22+816010.22+84700.952+1832820.912=1.27107 N.m -塔机回转机构及其以上所有旋转的部分绕回转机构中心轴线的转动惯量kg.m2，总共为配重块的转动惯量，平衡臂的转动惯量，回转机构的转动惯量和起重臂的转动惯量四部分组成。作用在电机轴上的机构传动部分的惯性阻力矩,因为作用在电机轴上的机构的转动惯量很小，可以忽略不计，所以这部分不详细考虑，但是在实际中这部分是要计算在内的。（4）坡度阻力矩Tp塔式起重机由于轨道铺设的不平或者土壤地基的沉陷，导致其回转中心线与铅垂线成一夹角，而产生坡度阻力矩。一般回转中心线与铅垂线的夹角很小，可以忽略不计，当夹角很大时，应考虑坡度阻力矩。在本次设计中不详细考虑坡道阻力矩18。（5）回转阻力矩T根据上述四个力矩的计算，则总的回转阻力矩T=12129.13+78578.47+298902.30+0=389609.9 N.m3.3 驱动电机功率的计算与选择初选电动机时，等效功率安下面的公式计算 =389609.90.6/(95500.80)=30.59 kw在上述公式中 T=Tm+Tpe+Twe+Tge=389609.9 N.MT-回转机构等效静阻力矩，N.m；Tm-摩擦阻力矩，N.m；Tpe-等效坡度阻力矩，N.m；Twe-等效风阻力矩，N.m；Pe-电机等效功率，kw；-代表回转机构的总效率，采用行星齿轮传动机构时通常取0.80.85；根据设计要求取=0.81n-塔式起重机的回转速度，r/min；取n=0.6 r/min；总结：从上面所计算的电动机等效功率结果为30.59kw。查阅机械零件手册，从中选择电动机机座号为225S，凸缘号为FF400，转速为750r/min,输出功率为18.5kw的三相异步电动机两个作为回转驱动原。下图3.1为根据所选电机尺寸绘制的三维模型图。图3.1 三相异步电动机Error! Reference source not found.4 行星减速器设计行星减速器通过与相匹配的电动机组合，目前被广泛应用于塔式起重机中。其最大的功能就是起到减速作用。与普通减速器相比较，它最显著的特点是把定轴传动改变为了动轴传动。在本次设计中，减速器与电机通过联轴器连接，减速器另外一端的轴与回转小齿轮连接，小齿轮与回转外齿圈齿合。这样就实现了驱动，减速，和带动上支承座相对于下支承座回转的目的20。4.1 行星减速器的选择在电动机的选择与计算中，依据行星齿轮减速器的电机输入的功率为P=18.5kw,输入的转速n=750r/min，以及题目所要求的塔机回转速度为0.6 r/min，工作时间较短而且不连续工作，以及需满足行星减速器齿轮传动结构紧凑、整体外形尺寸较小和传递运动的效率较高。这样我们就可以计算出塔式起重机回转机构总的传动比i=750/0.6=1250。又因为在回转驱动中的运动传递是单极齿轮传动。那么我们查阅机械零件手册和大学课本机械原理。可以合理的将小齿轮与回转大齿圈的传动比定为5。因此，减速器的传动比就可根据计算得出。i=1250/5=250。可以允许的传动比偏差为0.01齿轮传动。由此我们可以按照这个传动比选择3Z（）行星齿轮减速器。经过分析，此方案满足题目提供的设计要求：工作短期间断、传动比大、结构紧凑、外轮廓尺寸较小。根据相关设计手册可知，3Z型由三个中心轮，转臂以及行星齿轮组成19-20。适用于短期间断的工作方式，结构紧凑，传动比大。根据3Z型行星减速器的特点，此设计中选用3Z（）型行星传动较合理。行星减速器的运动简图及三维模型图如图4.1（a）、（b）所示：图4.1 （a）3Z(II)型减速器传动简图图4.2 （b）行星齿轮减速器模型图5 制动器选取制动器在回转机构中起到制动和定位的作用，使回转机构克服转动惯性停车保持现有位置。制动器的选取根据提供的制动力矩等参数进行选取。(1)电磁制动器的相关结构尺寸：DZ = 0.2 m松闸弹簧：l1 = 35 mm， Ps1 = 64 N l2 = 31 mm， Ps2 = 92 N弹簧工作长度 31 mm， 弹簧拉力 Ps = 87 N电磁铁型号 MQ1-111 电磁吸力 Pm = 55 N杠杆放大比 ig = 190/20 = 9.5(2) 制动力矩的计算工况：保证在最不利工况和最大风力作用下塔机不自行转动，此时惯性阻力和轴承阻力矩有利于制动21。(3) 制动器力矩计算MZ = M23/(i2.i3)式中M制动时所需施加的制动力矩；M = MhMwMfMp= 580080525128541335022922 = 37199 Nm2减速器传动效率；2=0.963开式齿轮传动效率；3=0.98i2行星减速器传动比，i2 =130.88 i3实开式齿轮实际传动比，i3实=5MZ = M.2.3/(i2。i3)=371990.960.98/(5130.88) = 27.99Nm6.3 连接回转支承与上下支座的螺栓强度校核6 回转支承校核计算6.1 回转支承齿轮副强度校核电动机通过行星减速器驱动回转支承进行回转，行星减速器与回转支撑的齿轮副设计校核过程如下：（a）已知传动功率，传动比，回转速度。（b）选材热处理，热处理硬度值、许用应力值的计算。（c）开式传动根据弯曲疲劳强度设计，根据传递转矩计算出模数，再根据公式计算其余尺寸。（d）小轮直径乘以齿宽系数并圆整，作为大轮齿宽，再加上5-10mm作为小轮齿宽。（e）根据相关公式校核两齿轮的相应的轮齿弯曲强度。（1）齿轮相关尺寸参数如表6.1所示：表6.1 大齿轮与小齿轮参数参数 小齿轮大齿轮Zmdb182545015090252250200材料选用42CrMoT，淬火处理，淬火硬度在HRC5060。（2）载荷计算小齿轮传递的功率：P=P电1=18.50.77=14.25kwT=9550(P/n)=955014.25=27217.5N圆周力：Ft1 =T/r = 200027217.5/450 =120966.67 N（3）校核齿轮弯曲疲劳强度F1=Ft1b1m kAkVkFakYFYSY (6.1)式中b1小齿轮宽度 b1 = 150mmM模数 m = 25kA齿轮工况系数 kA = 1.15 kV齿轮动载系数 kV = 1.2 kFa弯曲强度端面载荷分配不均系数 kFa =1/ YS =1.0k齿向载荷分配不均系数 k =1.126YF齿轮齿形修正系数YF1小齿轮齿形修正系数 YF1 =2.03YF2回转机构外齿圈齿形修正系数 YF2 =2.07YS齿轮弯曲强度重合度系数 YS =1.1Y螺旋角系数 Y = 1将上面的各个数据带入公式，然后通过计算得：F1=120966.67(15025)1.151.21.1262.031.11=101.75N/mm2（4）齿轮弯曲疲劳极限的强度校核Flim1=Flim1YN1YS1YX1 (6.2)YN1寿命系数 YN1 = 1.75YS1齿轮的应力集中系数 YS1 =1.2YX1齿轮的尺寸系数 YX1= 0.97Flim1=Flim1YN1YS1YX1=5201.751.20.97=848.6N/mm2（5）计算弯曲强度安全系数SF1 =Flim1/F1=848.6/101.75 = 8.34 1 合格。（6）校核齿轮接触疲劳强度H=Ftd.bu1ukAkvkkHaZHZEZS (6.3)在公式中ZH节点区域系数，大多数情况下，我们往往都取ZH = 2.22ZE齿轮的弹性系数 ZE = 60.3ZS接触强度重合系数 ZS =1.0kHa端面载荷分配系数 kHa = 1/ ZS2=1.0代入公式，我们通过计算可以得到：H=535.68 N/mm2（7）计算接触疲劳极限Hlim=HlimZNZLZVZRZW (6.4)式中ZN接触强度寿命系数 ZN= 1.1ZL润滑剂系数 ZL = 1.0ZV速度系数 ZV = 1.0ZR光洁度系数 ZR = 0.98ZW工作硬化系数 ZW = 1.14Hlim=11201.11.01.00.981.14=1376 N/mm2（8）计算接触疲劳强度安全系数SH =Hlim/ H=1376/535.69 = 2.57 1 因此，校核满足要求。6.2 传动比校核计算回转机构总传动比：i总 = n1/n式中 n1电动机转速，n1 = 750 r/min；n工作回转速度， n = 0.6r/min；液系统损耗系数，取系数液=0.9；i总 = n10.9/n =7500.9/0.6 = 1125i液=1/液 =1.11行星减速器传动比 ，i2 = 250 开式齿轮副传动比i3=（750/0.6）（0.9250）=4.504Z1 = 18 Z2 = 90i3实 = Z2/Z1 = 90/18 = 5 回转机构实际回转转速n = n1 /（i2i3）=750/(2504.5041111)= 0.6006 回转速度设计误差：（0.6-0.60061）/0.6100%=1.02%因此，校核计算满足要求6.3 连接回转支承与上下支座的螺栓强度校核在连接回转支承与上下支座时选用的螺栓为M36X300的标准件。由螺栓连接的受力分析可知，螺栓所受的载荷包括轴向载荷、径向载荷、弯矩和转矩等。但是对其每一个具体的螺栓而言，其受的载荷形式是轴向受力或径向力。在轴向力的作用下，螺栓可能发生塑形变形或断裂；而在径向力的作用下，当采用铰制孔用螺栓时，螺栓杆和孔壁的铁盒面可能发生压溃或螺栓杆本剪断等22。对于受剪螺栓，其主要破环形式是螺栓杆和孔壁的贴合面上出现压溃或螺栓杆被剪断，其设计准则是保证螺栓连接的挤压强度和剪切强度，其中连接的挤压强度对连接的可靠性起决定性作用。螺栓的材料品种很多，常用的材料有低碳钢（Q215,10钢）和中碳钢（Q235,35刚，45钢）等材料。此次选用的螺栓M36X200材料为45号钢，选用的螺栓承受工作剪力的螺栓连接。每一个螺栓在连接上所受到的水平力公式： 其中Z表示为螺栓的数目；在整个上下支座与螺栓连接中共用了40个。同时我们在设计上保证螺栓在预紧后，在其两个接合面所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷。即： 以上公式中-防滑系数 =1.11.3。取 =1.2i接合面数 i=2f接合面的摩擦系数 查表取f=0.06F=H=8942.66NF0=1.28942.660.06402=2235.665N那么每一个螺栓需要的预紧力应该满足下列公式中的条件：以上公式中f-接合面的摩擦系数r-螺栓的轴线到回转机构中心线的距离Z-螺栓的数目KS-防滑系数T总的回转力矩经计算:F0KsTfi=1zri=1.23896.090.06402=205.058N按螺栓危险截面的拉伸强度是计算的=55.18Mp=60MP合以上计算此次选择的螺栓满足组工要求。方案评价方案评价（1）可行性分析:我在设计这个回转机构的时候，按照一定的力学分析。选用了双台行星齿轮减速器和双台立式电动机。这样就能同时驱动回转上支座相对于所设计的下支座转动。就算在最大的载荷工况下，并承受最大的风力情况下。两台电动机所叠加的总的驱动功率为37kw也完全满足工作的需要。且有一定的功率空余。这样的设计，在其中一台电机发生故障的情况下。也能在1/2的最大起重载荷下正常工作。在上支座面上，所设计的四个支撑腿，为了和塔顶的部分完成衔接，相邻两个支撑腿间的中心距离都为2m。同样的在下支承座的下支座面上，也设计有四个支撑腿，相邻两个支撑腿的中心距离为2.5m。这个距离也是按照塔身的的截面尺寸2m2m设计的。这样也完全满足下支座与塔身的尺寸对接。所以，结合以上的这几点分析。我所设计的回转机构是完全可行的符合要求的。（2）创新性分析:首先，在支撑腿的设计上，我一共使用了八个尺寸完全塔身主腹杆横截面一样的尺寸。这样就方便了对接。在螺栓的选用上，我也是全部使用和塔身标准节之间连接所需要的螺栓一样的尺寸，都是M36的螺栓。这样做的好处，是避免了在现实塔机的零部件安装中，出现型号不一的螺栓，使挑选与导购螺栓增加了一定的困难。更重要的是，增加了工人的劳动时间。其次，在回转支承分别于上支座、下支座连接上也是用螺栓固定，螺栓的型号也是M36的。回转支承上螺栓孔绕回转中心线的的分布是均匀的。内齿圈和外齿圈各有20个螺栓孔，同一齿圈上相邻两个螺栓孔的与回转中心构成的夹角是18度。这样的设计就保证了回转机构在工作中，每个螺栓受到的载荷分布均匀。延长了它的使用寿命。最后，在涂漆的选择上，大体上我选用了红蓝搭配的方式，其中，驱动装置用蓝色喷漆。回转支承装置则用了传统的中国红色审美。这种颜色的搭配从宏观上看，既符合大多数中国人的审美观念，实际加工出来也极其美观。特别是红色象征着喜庆，吉利和事业的一帆风顺。（3）经济性分析：首先，在结构上，上、下支座的设计都方式使用了隔板和盖板的焊接方式。这样在整体上减轻了回转机构的重量，减少了回转机构运行时它自身所需要的驱动力矩和塔身所承受的载荷。同时，采用这样的结构，减少了钢材的用量，从而降低了加工成本。其次，螺栓都采用与一样的型号，既方便加工，也降低了厂家在加工中的复杂度，使总的加工时间减少。这样，我们在导购螺栓的过程中，可以一次性购买大量同等型号的螺栓，从而可以和商家进行优惠商议。再者，如果有的螺栓在工作上损坏，我们也不需要去找特定的型号互换了，因为本身就有相同型号的螺栓可以互换。这样在无形中又降低塔机的维修费用。（4）环保性评价：我所设计的回转机构使用的材料都是钢材，所以，如果因为使用年限久，达到了它的使用寿命。我们可以将整个回转机构拆下来换上新产品。老化的回转机构可以回收再次加工，制作成其他的替代品。接着，我使用的喷漆都是高质量高粘度高色泽的。不会因为在使用中出现褪色，涂漆脱落掉渣现象，从而污染环境。喷漆的致密性也特别高，不会使其内部的钢料由于冯淬日晒而氧化。每个零件都是严格按照标准设计的，所以即使出现损坏也能立马进行更换。损坏的零件也能重新加工，而不会闲置成为废料。参考文献结论此次毕业论文主要探究及解决的问题:（1）通过查找相关文献资料，完成了开题报告和外文文献翻译。首先，在此过程中了解了塔式起重机的历史背景和在现代化进程中的应用。其次，在用word制作开题报告和外文翻译中，让原本不是很熟悉office的我有了一定的锻炼。为后期论文说明书的制作奠定了基础。（2）通过在知网等国内几大知名学术论文网站查找有关本次毕业论文题目塔起重机回转机构设计的硕士或博士论文，再结合自身能力范围的评估以及对塔机回转机构的一定了解。对几种回转传动设计方案进行了一番比较，初步确定了单排四点接触球式滚动轴承回转支承传动方案。（3）根据所选的滚动轴承尺寸，合理选定小齿轮和回转外齿圈的齿合传动比、模数、齿数等相关参数。并且依据尺寸设计绘制小齿轮，内外齿圈三维模型图。（4）根据选定的回转支承，查手册选定滚动轴承尺寸。其次，选定了立式电动机 和行星齿轮减速器作为驱动装置。接着，根据老师给定的塔机参数对回转力矩进行计算。初步确定电动机的型号和尺寸。最后，根据总的传动比，合理的选择了行星减速器的型号和相关尺寸。（5）根据电机和行星齿轮减速器的标准尺寸绘制他们的三维模型图，并且依据两个轴的尺寸合理选定联轴器。从而将两轴连接，完成电机的减速。最后绘制联轴器三维模型图（6） 通过计算，对回转支承进行校核，检查是否符合设计要求（7）根据使用Pro/ENGINEER绘制的回转机构各个部分的零件三维图，按照一定的尺寸和约束条件进行组装。从而完成整个回转机构的三维模型图。最后，将三维总装图导出成AutoCAD版二维图，并对二维图进行修改。（8） 因为受到今年全球疫情影响，无法从图书馆借阅到众多的关于塔身起重机、电机、行星减速器等机件的详细资料。加之自身能力有限。无法依据相关的校核计算公式对回转机构的各个部分的进行详细设计和校核。故而只是主要的对回转支承进行了校核验算。这是一个不完美的方面。 对所设计的回转机构特点分析:（1）选用了双台电机与双台减速器两两连接双驱动的回转驱动模式。所以电机的总的输出功率很大，完全满足最大起重载荷下所需的驱动功率。（2）转上支承座两个相对面上特意设计了安装减速器的位置。这样就可以两个减速器稳稳的安装在上面。（3）电机和减速器所选的型号都是标准件，倘若
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