机械结构课程设计(塔吊起重臂结构设计)

1、.学院课程设计说明书班级:姓名:设计题目 :机械结构课程设计(塔吊起重臂结构设计)设计时间 :到指导老师 :评语 :评阅成绩 :评阅教师 :,.目录一、课程设计目的及要求3二、设计题目3三、机械结构设计41、起重臂结构方案确定41）起重臂长度 L42）起重臂截面形式根据受力的构造要求而定43）起重臂截面宽度和高度54）运输单元55）吊点位置确定52、计算简图及计算载荷确定61）计算简图62）载荷组合63）载荷确定63、力计算及内力组合71 ）臂架内力计算7（1）臂架自重及小车移动机构重7（2）吊重9（3）小车轮压对起重臂下弦杆产生的局部弯矩12（4）风载荷作用下的内应力图13（5）其他水平力

2、T 的作用142）内力组合164、截面选择和截面验算16（ 1）单臂验算171）上弦172）下弦18（ 2）腹杆验算18（ 3）整体稳定性验算19（ 4）局部稳定性的计算20（ 5）起重臂重量的计算20四、设计感想：20五、参考文献20,.一、课程设计目的及要求机械结构课程设计是学生在学习机械设计课程设计后进行的一次比较全面和系统的训练。 通过训练， 巩固和加强对所学机械结构知识的理解， 提高学生进行机械结构设计、计算、绘图的能力。自升式塔式起重机（简称塔吊） ，是建筑工地上常用的施工机械之一。塔吊设计内容包括机构、结构、液压传动、安全装置等等。由于塔吊的结构用钢量越占整机重量的 2/3 左右

3、，所以合理地设计塔用结构对于减轻整机重量、改善机械工作性能等具有重大意义。塔吊的结构设计包括以下部分： 起重臂、平衡臂、塔幅、塔身、套架、底座、附着装置、工作平台及扶梯等。本课程设计仅对给定工作负载的自升式塔吊的“起重臂” （见图 1）进行结构设计。图 1 起重机起重臂结构简图二、设计题目1）起重力矩（起重机为基本臂长时，最大幅度X 相应额定起重量）： 900KN·m2）起重量当幅度最大时（ Rmax），起重量为 1.8t ；当幅度 R=（RminRmax/2），起重量为 2 5t 。3）变幅,.形式：水平臂架绳索牵引小车变幅；速度：起重机升降变幅速度为030m/min4）吊钩升降速

4、度起升速度： A 、 起重量为 >Rmax起重量的时候为 1.5 2m/min；B 、 起重量为 Rmax时为 350m/min。空钩下降速度： A 、 起重量为 >Rmax时为 050m/min；B、 起重量为 Rmax时为 0100m/min。5）回转半径： 50m；速度： 0 0.5r/min ；起制动时间：4s ；6）运行（起重机整机行走）速度： 14/min ；起制动时间：5s ；7）起重机工作制：中级（中等载荷，载荷系数Kp=0.250，使用年限 15 年）；8）结构参数：经查表得：臂长 L: 根据回转半径 R 确定（ L-R=1.5 2.0m）；吊挂位置比例长度L1、

5、 L 2 ： L10.4 0.7L2起重机塔架机构： l1 ( 卷扬滚筒中心距塔机回转中心距离 )=550mm； l 2 （起重臂支点距塔机回转中心距离） =1300mm； l3 （塔架截面宽度） =1500mm； l 4 （起重臂支点距卷扬滚筒中心高度）6500mm；三、机械结构设计1、起重臂结构方案确定1）起重臂长度 L ：根据最大回转半径，上塔身宽度和构造要求而定。已知：R=50m， l21.3m ， lDE1.5 2 取 lDE1.8列方程： l 2LRlDE ；得：LRl DEl DE501.81.350.5m2）起重臂截面形式根据受力的构造要求而定：本塔吊起重臂截面建议采用格构式等

6、三角形形式。 上弦和腹杆采用无缝圆钢管（可考虑用 16Mn），下弦采用两个箱行截面， 每个箱形截面对由两个角钢 （或槽钢、钢板等）焊成，兼做小车轨道用（图 2）。,.图 2起重臂截面形式3）起重臂截面宽度和高度B=2.0m。可根据强度、刚度、稳定性和构造的要求而定，初定高度H按H1 1 ，已知 L=50.5m，得： H=1.684.21，一般起重臂的L30 12截面采用格构式正三角形， 故：H3 B3*231.73m22（在 H=1.684.21的范围内，符合）。4）运输单元考虑到运输条件和原材料长度限制， 将重臂做成各个节段， 即运输单元。 各节段在工厂制成后， 运到工地，在现场将各节段用销

7、轴相连， 拼装成整体的超重臂，然后再和塔身等其他部件装配成塔吊。初步选取两端长度为，中间部分每10m 一段，两边的 l alb10.5m 共 6 段，如下图。5）吊点位置确定正确选定吊点位置（ B 点），对超重臂设计是否合理有很重要的意义。吊点将机架分为两个部分，即悬臂部分L1 和跨中部分L2.起重机作业时悬臂部分将产生最大负弯矩，跨中部分将产生最大正弯矩。如果L1 过长，则悬臂部分的负,.弯矩大于跨中的正弯矩，截面可能由悬臂部分控制。如果L1 过短，则悬臂部分的负弯矩将比跨中的正弯矩小， 截面可能由跨中部分控制。 由于起重臂截面往往设计成对 X X 轴不对称（图 1），因此负弯矩和正弯矩对截

8、面从的影响并不相同，则不能简单地按弯矩条件来选择吊点的合理位置。设计时选取 L10.4 0.7 。L2可选 L10.5 ，根据 L1L2L50.5m ，则 L1=16.8m， L 2=33.7m，如图 1。L22、计算简图及计算载荷确定1）计算简图根据总体布置确定臂架的计算简图。在回转平面（即水平平面）内，作为悬臂梁计算（图 3）；在起升平面（即竖直平面）内，作为伸臂梁计算（图4）。图 3 回转平面计算简图图 4起升平面计算简图2）载荷组合起重臂结构计算采用下列三种载荷组合：自重 +等级吊重 +工作状态风载荷（风向平行臂架）+平稳惯性力或其他水平力自重 +最大额定吊重 +工作状态风载荷（风向垂

9、直臂架） +急剧惯性力或其他水平力自重 +非工作状态风载荷（风向平行臂架）+起重小车及吊钩重。由于第、 种载荷组合对本起重臂不起控制作用，因此可仅按第种载荷组合进行设计。3）载荷确定（ 1）臂架自重和小车移动机构重量选取臂架自重为4t。选取小车移动机构重量为0.5t。（ 2）吊重包括起重小车、吊钩及吊重。吊重是移动载荷，其中起重小车重量和吊钩重量是沿臂架移动但数值不变的载荷，初选起重小车重量为 0.38t，吊钩重量为0.25t，所吊货物是沿臂架移动且数值变化的载荷，其数值的变化满足起重力矩 630KN·m 要求。（3）风载荷臂架受风载荷 FWFw Cw Pw A式中， CW 为风力系

10、数，取1.3；PW 为计算风压，工作状态取250Pa；A 为迎风,.面积， AA1A2 ，其中 A1 前片结构迎风面积（m2 ）， A11 AL1 ， 1 为结构充实率，对于桁架取 0.4；A2 后片结构迎风面积 （ m2 ）， A22 AL 2 ， 2 为结构充实率，对于桁架取 0.4。A L1 或 A L2 为前后片外形轮廓尺寸，即 A L =H· L （图 5）图 5桁架挡风折减系数计算： AL1H *L11.73* 16.829.1m2 ； AL 2H*L21.73* 33.758.3m2 ；A11* AL10.4 * 29.111.6m2； A22 * Al 20.4 *

11、58.323.3m2 。前片对后片的挡风折减系数，与前片桁架充实率1 以及两片桁架间隔比B/H 有关，根据 B/H=1.156 以及 =0.4 查表得0.40 ；A A1 A2 11.60.4 * 23.320.9m2 ； FWCWPWA1.3* 250.20.9 6786 N 。假定风载荷沿臂架均匀分布q风Fw6786N/m ，作用于水平面内。L134.450.5吊重受风载荷 Fw'：按额定起重量重力的 3%计算。（ 4）其他水平力作用在回转平面内， 除风载荷外，还有回转惯性力以及起吊时由于钢丝绳倾斜引起的水平力等，可近似地取 T=0.1Q（Q 为吊重），并且按所吊货物为 1.8t

12、和 5t 分别计算。3、内力计算及内力组合1）臂架内力计算 首先求出各种载荷作用下的臂架和塔身连接处的支反力和吊索内里，绘出臂架的轴力 N、剪力 Q、和力矩 M 图。（ 1）臂架自重及小车移动机构重作用在臂架竖直平面内是数值不变的固定载荷。 臂架自重可假定沿长度方向均匀分布 q=40N/50.5m=99.01N/m，小车移动机构重量可假定为集中载荷 （图 6）。列方程：F0: FAFB sin540 ;M A0: 5l 3 FB sinL21 ql 20;21q( L L2 ) 2 1M B0: 5(L2 l 3 )FAL2qL22 022,.由于 l3 未知，所以有很多解，随意提供一组解：F

13、A10kN , FB sin35kN .AB内力分析：图 6臂架自重及小车移动机构重,.（ 2）吊重吊重计算公式为Q=（起重小车重 +吊钩重 +所吊货物重）×动载系数动载系数是考虑到起吊货物时， 起升机构起动和制动所产生的振动和冲击的影响载系数，取 1.3.由于吊重是移动载荷， 所以首先对以下三种工况可能对臂架产生的最不利影响，进行内力分析。最大幅度 Rmax=50m，所吊货物为 1.8t（即吊重作用在D 处，图 7）Q=(0.38+0.25+1.8)x1.3=31.59kN.图 7 吊重作用在D 处列方程：F0FB s i nFAFD0；M A0FB sinL2Q 36.60 ；M

14、 B0QL1 FAL20 。解得： FA15.28kN， FB sin46.87 kN其应力图：如下图46.8731.5915.2831.5915.28514.94图7吊重作用在D处,.幅度 R25.3，所吊货物为 5t（即吊重作用在C 处，图 8）Q=(0.38+0.25+5)x1.3=73.19kN.列方程：F0FAFB s i nFC0 ；M A0FB sinL2Q18.30；MB0Q(L21L) FAL2 02解得： FA18.24kN ; FB sin54.95 KN绘制内力图：416.47图8吊重作用在C处最小幅度 Rmin=3.3m，所吊货物为 5t（即吊重作用在G 处，图 9）

15、,.Q=(0.38+0.25+5)x1.3=73.19kN.列方程：F 0FA FB s i nFG0 ；M A0FB s i n L2Q 2.50M B0Q(L2 2.5) FA L20解得： FA66.02kN ; FB sin7.17 kN 。绘制内力图：如下图：图 9吊重作用在G处,.（ 3）小车轮压对起重臂下弦杆产生的局部弯矩吊重 5t 在距塔身中心 25.3m 时，下弦杆中AB 段的局部弯矩 M 局 。（如图8）M 局=416.47KN ·m由于吊重在臂架上是移动的， 因此还必须找出校车在AB 段产生最大的局部弯矩的位置，计算出M 局 max设每个轮子压力为P=73.2/

16、2=36.6KN，作用在 AB 节间（可先视为简支梁）上（图 10）分析可知，当有两个或两个以上轮压作用，则当 xsc （c 为合力作用点22至最近的轮压之距。设 C=12m）时， K 截面的局部弯矩最大，即最大弯矩 M k 。由于臂架的 AB 段实际上不是简支梁而是连续梁，所以可近似地取M 局 max2 M k3绘制内力图：36.6KN剪力图706.3836.6KN弯矩图M 局 max2 M k2706.38 407.92KN·m33M局max407.92L'P36.611.15m因为最大弯矩点和 C 点相差不大，所以可偏安全地可取吊重在C 点时的内,.力值。（ 4）风载荷

17、作用下的内应力图风载荷垂直臂架作用时，臂架的计算简图近似为悬臂梁。臂架风载荷将风载荷视为沿臂架全长均匀分布的载荷，并作出内力图（如下图）计算， q=134.4N/m ；FsA qL 6786N ；MqL26786 X 25 169KN2做内力图：A图 12臂架风载荷吊重的风载荷分别作出吊重距塔身中心50.5m 处及 25.3 处风载荷作用下的内力图1)吊重在 D 处的风载荷，计算：W=1.8tx3%x10000=540N，FA540N，M AWL540 X 5027 KNm内力图如图 13.2）吊重在 C 处的风载荷，计算：W=5tx3%x10000=1500N，FA1500N ，M AWl

18、31500 X 25.337.95KNm .,.内力图如图 14：图 13吊重在 D 处的风载荷图 14吊重在 C 处的风载荷（ 5）其他水平力 T 的作用分别作出吊重在塔身中心50m 及 25m 处其他水平作用下的内力图。作出吊重在塔身中心50m 其他水平作用下的内力图。此时货物重1.8t。,.计算：； FA1800 N ； M A1.8 * 5090KNm 。内力图如图 15.图 15 在 D 处其他水平力作出吊重在塔身中心25m 处其他水平作用下的内力图。此时货物重5t。计算：T=0.1*5*10000=5000N ； FA5000 N ； M A5 * 50250KNm内力图如图 16

19、.图 16 在 C 处其他水平力,.2）内力组合把上述计算结果填入下表：备注：轴力 N：拉力为“ +”，压力为“ -”；起升平面内弯矩 M x ，以下弦受拉为“ +”；起升平面内剪力 Qx ，以发现的顺时针方向为“+”；回转平面内的弯矩M y 、剪力 Qy “+”“-” 都可能产生；M 单位： kN·m； Q 单位： kN； N 单位： kN 附表 1序载荷ABC号内力截面M MYQXQYNMXMYQ QYN MXMYQXQYNXX1臂架自重小车移动0+10.0-181-115.700 +100-7.8-181.机构重2.12.22.33.13.23.34.14.2吊Q 在 D0-1

20、5.3-243-514.900-321-15.28-243重Q 在 C0+18.2-284000+4160-284Q 在 G0+66.0-37.2000+118-7.17-37.2风臂架风载荷-169+6.79-32+1.69-68+3.28载吊 重Q 在 D-127+0.54-8.8+0.54-13.5+0.54荷风载Q 在 C-37.9+1.50000其他水平Q 在 D-90+1.8-30.2+1.8-45+1.8力Q 在 C-250+50000按以下三种情况作臂架内力组合：吊重在 D：1+2.1+3.1+3.2+4.1；吊重在 C：1+2.2+3.1+3.3+4.2；吊重在 G：1+2.

21、3。并填入下表：附表 2序载荷ABC号内力截面MMYQXQYNMXMYQQYNMXMYQXQYNXX内吊重在 D0-286-5.3+9.13-745.6-630.6-1650+4.020-2.21-126.5-23.1+5.6-745.6力吊重在 C0-457+28.24+13.29-465.4-115.7-320+1.690+516.5-68-7.8+3.28-465.4组吊重在 G00+76.020-218.6-115.70000+217.80-14.970-218.6合4.截面选择和截面验算,.起重臂材料：建议选用Q235 钢或 Q345 钢；起重臂的材料： 起重臂是采用型材经过焊接、螺

22、栓连接而成的， 所以材料选用 Q235 钢；附表 3钢种屈服极限计算强度 R(MPa)拉伸、压缩和弯曲剪切端面挤压220210125315230220130330240230135345碳钢250240140360260250145375270260150390.钢种的材料参数表销轴材料：建议选用40Cr 钢（【 】=420MPa；【】 =244MPa）。起重臂为格构式空间结构， 主要内力有轴力 N、弯矩（Mx 、My ）、剪力（Qx、 Qy）可偏安全的按格构式偏心受压构件计算。（ 1）单臂验算根据臂架的受力分析， 臂架在吊点的外伸部分， 上弦杆为轴心拉杆， 下弦杆为轴心压杆。臂架在简支桁架区

23、，上弦杆为轴心压杆，下弦杆为轴心拉杆。1）上弦用公式 FNSM XFN 计算出可能出此案的最大拉力和最大压力。对最大拉H3力进行强度验算，对最大压力进行稳定性验算。,.FNSM X217.8125.86KN ；H1.73臂架本身最大的轴向力 FN745.6KN ；所以截面 C 处最大的轴向压力：FNSM XFN745.6kNH3125.86 787.6FN max787.6KNMPaMPa 合适)；A78.5cm2100.325230(Qx149.7KNMPa MPa合适。3A 3* 78.5cm263.56135()2)下弦M xM yFN计算出可能出现的最大拉力和最大压力，并找用公式 FN

24、xB32H出相应的局部弯矩 M jb 。217.8126.5745.6374.75kN ；FNx max232 * 1.73FN max374.75MPaMPa合适；A39.42495.1230()QX149.7KNMPaMPa合适)。3A3* 39.424cm212.66 135(整体强度验算：QX149.7KN9.5MPa 135MPa (合适 ) 。A157.348cm2（ 2）腹杆验算臂架的腹杆按轴心压杆计算， 根据钢结构设计规范要求， 对格构式压弯机构的腹杆，按照实际剪力确定内力。平面 12 和平面 13 上的腹杆载荷承受 Qy 的作用。将最大的 Qy 分解成沿平面 12 和平面 1

25、3 上的内力：QX12Q13XQX，2 cos式中，由于截面是正三角形，故cos3 ,2腹杆受力： FNXGQX12lQX l，其中 l =2m,H3H根据合理组合表可知： QX max149.7kN ；FNXG149.7KN * 2；31.73100.01KN,.FNXG100.01KNA5.99cm2166.8MPa230MPa(合适 ) 。图 17起重机截面由于 23 平面腹杆承受的 Q 力小，故其验算略。（ 3）整体稳定性验算弯矩作用下的平面的整体稳定性，臂架在起升和回转平面内的整体稳定性，按单向弯曲构建验算并满足以下稳定性条件。NM【 】AW (1N)N式中： N 臂架的轴向压力， N=745.6KN ；M 臂架的组合弯矩，2M22126.52251.87kN m ；MM x217.8 x等效弯矩系数，1；A 臂架的毛截面， A=157.348 cm2 ；W 毛截面的截面系数， W=893.17 cm3 ；轴心压杆的稳定性系数，0.5；,.N 欧拉临界力， N2 EA 3.142 * 2.10 * 105 * 157.3482.693* 106 KN 。21102NM1175.745KN1* 217.8kN mAW (1N0.5* 157.348cm231175.745kN)893.17 cm * 1 0.5*2.693* 106