QTZ40塔式起重机臂架优化设计【14张PDF图纸+CAD制图+文档】
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河北建筑工程学院毕业设计（论文）开题报告课题名称QTZ40塔式起重机臂架优化设计系 别： 机械工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机091班 学生姓名： 白冰 学 号： 2009307103 指导教师： 李常胜 课题来源导师课题课题类别工程设计一、论文资料的准备（一）塔式起重机概述 塔式起重机(简称塔机)是现代工业与民用建筑的重要施工机械之一。在高层建筑施工中，它的幅度利用度比其他类型起重机高。塔机由于能靠近建筑物，其幅度利用率可达整体幅度的80。塔式起重机的变幅及回转机构是可以同时实现重物在垂直方向和水平方向移动的机构，所以可以扩大起重机的工作范围，提高生产率。应用塔机对于加快施工速度、缩短工期、降低工程造价能够起到重要作用。塔式起重机已经成为建筑工程业必要的技术装备，成为衡量建筑工程业生产力水平高下的重要标志之一，成为加快工程建设、确保工程整体质量、降低工程造价、提高社会效益与经济效益的重要手段。（二）我国塔式起重机的发展现状塔式起重机在我国的生产与应用已经有50余年的历史，经历了以个从测绘仿制到自行设计制造的过程，特别是进入20世纪90年代以后，我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兴盛时期，年产量连年猛增，而且有部分产品出口到国外。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。现在我国的建筑用塔式起重机已越来越普遍，从普通的多层民用建筑、房地产工程、高层建筑到大型的铁路工程、桥梁工程、电力工程、水利工程等，到处都有塔机的应用。近20年来，市场的需求，有力的促进了技术的进步，通过研究开发、技术创新、引进消化，我们的设计手段和配套件生产能力也有了很大的进步，计算机辅助设计、微电子技术、程控语言控制技术都在塔机上得到了应用。当然也不可否认，我国的塔机产品的技术性能、制作质量和品种型号规格，与发达国家产品相比，仍然存在较大的差距，特别是基础零部件的可靠性、电气元件、液压元件、工艺安装、生产设备和检测手段等，差距更大。这就影响了我们整机产品的质量和可靠性，增加了事故隐患。对此我们绝不可以掉以轻心，要加倍努力、敢于创新、严格把关、赶超国际水平。(三)我国塔式起重机的发展趋势我国大规模经济建设已有二十来年的历史，这二十来年里，大量建筑物的涌现和大型工程的兴建，铁路、公路桥梁的建设，给塔式起重机提供了良好的市场。在未来我国要全面进行城镇化，塔式起重机会在我国得到很广泛的应用。因此塔式起重机的发展对国家的建设有至关重要的作用。建设我国的塔式起重机发展趋势可以分以下几个方面：1、吊臂长度加长在六十年代初，吊臂长度超过40m的较少，七十年代吊臂长度已能做到70m，快速拆装下回转塔式起重机的吊臂长度可达35m。自升式塔式起重机吊臂是可以接长的，标准臂长一般为3045m，可以接长到5060m。重型塔式起重机吊臂则更长。吊臂加长可带来更好的技术经济效果。随着塔式起重机设计水平的提高，能解决由臂长加大带来的一些技术问题(如安装和运输问题)。低合金高强度钢材及铝合金的广泛采用亦为加长吊臂提供了非常有利的条件。2、工作速度提高，且能调速由于调速技术的进步，滑轮组倍率可变，双速、三速电动机及直流电动机调速的应用，使塔式起重机工作速度在逐渐提高。起升机构普遍做到至少具有3种工作速度，重物起升速度超过100mmin者也很多。构件安装就位速度可在0-10mmin范围内进行选择。回转速度一般可在0-1rmin之间进行调节。小车牵引和塔式起重机行走大多也有2-3种工作速度，小车牵引速度最快可达60mmin。3、改善操纵条件随着塔式起重机向大型、大高度方向发展，操纵人员的能见度愈来愈差。因此需要在吊臂端部(动臂变幅)或小车上(小车变幅)安装电视摄象机，在操作室利用电视进行操作。有的还采用了双频道的无线电遥控系统，不但可由地面的操作人员控制吊装；还可根据事先编排的程序自动进行吊装。4、更多地采用组装式结构为了便于产品的更新换代，简化设计制造、使用与管理，提高塔式起重机使用的经济效益，国外塔式起重机专业厂已做到产品系列化，部件模数化。以不同模数塔身，臂架标准节组合成变截面塔身和臂架，不仅能提高塔身、臂架的力学性能，减轻塔式起重机自重，而且可明显减少使用单位塔架，臂架的储备量，为降低成本，简化管理创造了条件。（四)国外塔式起重机的发展现状以及趋势1、组合塔机或称模块塔机：所谓组合塔机，就是以塔身结构为核心，按结构和功能特点，将塔机分解为若干部分，并依据系列化和通用化要求，遵循模数制原理将各部分划分并设计成若干模块。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点的塔机，以满足施工的具体要求。2、一些超重型塔机相继问世：近年来由于大功率电站、高坝、近海石油钻井平台、天然气钻井平台以及石油化工业发展的需要，对重型和超重型塔机提出了更多更高的要求。如今，幅度7090m、最大起重量5060t、起升高度100300m的塔机已非罕见。3；适应都市改建需要的城市塔机应运而生，并得到发展，其特点是：采用短平衡臂、可在4m4m6m6m尺寸范围内进行X形底架、运输方便快捷、安装架设速度快、采用较完善的调速、操纵系统和电子仪表。近年来，随着塔式起重机技术的发展，塔式起重机型号规格不断完善，性能、质量不断提高，塔式起重机除满足其安全、可靠、高效的基本性能外，越来越趋向于智能和绿色。下面着重介绍最新的几点技术发展趋势。 （1）设计方法精确化。 计算机技术的深化发展，改变了塔式起重机的设计理念。有限元技术、疲劳分析、动力学仿真分析的广泛应用，使塔式起重机的设计计算、受力分析更精确，塔式起重机零部件结构设计更加合理；一些实力强大塔式起重机制造商，都有自己超强的设计能力，他们利用优势，开发塔式起重机参数化设计专用软件，使塔式起重机设计进一步的向最优化方向推进，有效地提高塔式起重机产品的安全性、可靠性、节能效果，同时大大缩短产品的开发周期，提升竞争能力。（2）零部件模块化。模块化的设计可能增加少量的制造成本，但其不仅可以提高产量和质量，还可以降低管理成本，也相应地降低了用户的购置成本。如A机型和B机型有许多的结构件（如标准节和起重臂节、平衡臂节）是通用的，那么用户就可以少购买通用的结构件，交错使用这些可能闲置的通用件，从而减少购置成本。因此，模块化设计是塔式起重机发展的必然趋势，国际上许多的塔式起重机制造商如Liebherr、Potain、Terex、Wolffkran等都是模块化设计的典范。（3）控制智能化。随着数字化、集成化、智能化技术的高速发展，高可靠、低能耗、微型化、集成化、数字化的各种液压、机电及电气元件在塔式起重机上得到普遍应用，使传动和控制系统体积小、重量轻、结构紧凑。在控制手段上，无级调速、安全监控系统、远程维护系统、故障自动诊断系统等广泛应用，实现了塔式起重机操作过程的自动控制、自动显示与记录、远距离遥控等，保证了塔式起重机的安全使用和实时监控，减少了控制的故障点，提高了塔式起重机的可靠性，大幅提升了塔式起重机行业的管理水平。（4）制造绿色化。 国外塔式起重机在设计时就充分考虑零部件的通用性、模块化，因此零部件集约化程度高，适合批量化生产。批量化零部件从原材料前处理、下料、焊接、机加、装配、到涂装都采用生产流水线，这样既提高了材料的利用率、零部件通用性、产品质量和美观，又便于管理、减少污染、节约成本。Liebherr、 Zoomlion、 Potain等公司都有成熟的生产流水线。如，Zoomlion现已拥有了标准节生产线、涂装流水线，其他流水线在陆续建设中。（5）在产品开发中落实实验验证。 实验是新产品验证最直接的方法，是提高产品可靠性和安全性最主要的检验手段。产品的可靠性和安全性主要是由零部件决定的，是零部件安全性和可靠性的综合体现。零部件的可靠性和安全性高，产品的可靠性和安全性自然就高。因此，大型塔式起重机制造厂商，投入大量的财力物力，建设自己的实验场，如Potain的结构和机构实验场在上世纪80年代就已经基本建成，共占地17万m2，拥有各种实验台架百余种，产品需经过真实而严酷的工况验证合格才能出厂。Zoomlion目前正在建设自己的塔式起重机专用实验基地。（五) QTZ40型塔式起重机的简单介绍及其市场前景QTZ40塔吊又叫QTZ40塔式起重机，起重力矩400KN.m，最大起重量4T，独立架设时最大起升高度可达29米，加附着最大起升可达120米，最大幅度分46.8米、42米 和50米。QTZ40塔式起重机充分利用成组技术、组合设计技术及有限元分析技术，以“塔式起重机微机设计平台”为工具设计的国内最新型的起重运输机械。QTZ40塔吊为水平臂架、小车变幅、上回转液压顶升式起重机。最大有效幅度47m。是该种机型国内唯一达到此幅度的塔机。塔机独立使用时，起升高度27.8m，附着起升高度为120m（2倍率）。该机各项速度指标均达到或优于国家标准。该机属于快装塔机和城市塔机，用于中小城市公用建筑、学校建筑和多层住宅的施工建设。以基本高度（独立式）36米。如果用户需要高层附着施工，只需提出另行订货需求，即可增加某些部件实现本机的最大设计高度100m，也就是附着高层施工，可建32层以内的高楼。近年来，随着建设工程量的不断扩大，起重安装工程量也越来越大，尤其是现代化大型石油、化工、冶炼、电站及高层建筑的安装作业逐年增加，因此，对工程起重机特别是大规模的起重机需求日益增加，随着当代科学技术的发展，各种新技术、新材料、新工艺、新结构在工程起重机上得到广泛的应用，所有这些因素都有力的促进了工程起重机的发展。目前中小城市居民楼建设主要以10层以内的为多，而我们的产品QTZ500型塔式起重机主要针对城市12层以内高楼的建设以及设备安装工作，适合当前市场的需要，因此设计生产这一型号的塔式起重机是可行的。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。ANSYS作为一个大型通用软件，广泛应用于结构、流体、声场、热、耦合场、电磁场上面，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、本课题的目的（重点及拟解决的关键问题）本次毕业设计是对机械专业学生在毕业前的一次全面训练，目的在于巩固和扩大我们在校所学的基础知识和专业知识，训练我们综合运用所学知识分析和解决问题的能力。是培养、锻炼我们独立工作能力和创新精神之最佳手段。毕业设计要求我们在设计过程中，要独立思考，刻苦钻研，有所创新，解决相关技术问题。塔机臂架作为塔机的工作装置,在塔机产品的设计内容中处于核心地位, 采用有限元分析的方法进行塔机臂架的设计计算将会极大地提高设计效率、保证其设计质量。我们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通过毕业设计，使我们掌握塔式起重机的总体设计，吊臂的设计，整体稳定性计算，有限元分析等内容，为今后步入社会、走上工作岗位打下良好的基础。通过此次设计使我们获得基本塔机结构设计，理论联系实际，扩大知识面；同时也是锻炼和培养自身能力及素质的重要渠道，也是我们逐步实现由学生到社会的转变，培养我们初步担任技术工作的能力、初步了解企业管理的基本方法和技能，体验企业工作的内容和方法。三、主要内容、研究方法、研究思路(一)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） 吊臂的设计和计算 吊臂的形式及尺寸（变截面）（双吊点） 吊臂的强度、稳定性及刚度验算(二)研究方法 类比法：参考国内同类型塔式起重机设计； 有限元分析法：利用有限元分析软件对臂架进行优化设计。(三)研究思路塔式起重机的机构是有起升机构、回转机构、小车变幅机构、行走机构四大传动机构组成，另外还要重点注意该机的金属结构，塔机的金属结构又分为塔身、臂架、平衡臂、塔顶、以及顶升套架。我们应该不仅设计好塔机的机构，更重要的也要设计好塔机的金属结构，所以我们这次设计分块分工完成。我负责设计的部分是塔式起重机金属结构中臂架的优化设计，臂架是由若干个臂架标准节组成的，所以我以臂架标准节节为单位进行参数化设计，提出参数化模型，并利用三维制图软件制成三维图，并利用有限元分析软件对塔式起重机进行动力学和静力学分析，以对结果进一步优化设计。四、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 臂架设计2013.5.16-2013.6.5 绘制臂架装配及结构图纸2013.6.6-2013.6.19 绘制零件图纸2013.6.20-2013.6.21 准备论文及答辩五、主要参考文献1 哈尔滨建筑工程学院主编.工程起重机
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