QTZ125塔式起重机结构设计（63m吊臂）
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目录第一章 前言11.1塔式起重机概述11.2塔式起重机的发展趋势3第二章 总体设计42.1 概述42.2 总体设计方案的确定52.2.1金属结构52.2.2工作机构252.3 总体设计原则292.3.1 整机工作级别322.3.2 机构工作级别322.3.3 主要技术性能参数322.4平衡臂与平衡重的计算332.5起重特性曲线352.6塔机风力计算372.6.1工作工况382.6.2工作工况422.6.3工作工况442.6.4非工作工况462.7整机的抗倾翻稳定性482.7.1工作工况492.7.2工作工况502.7.3非工作工况512.7.4工作工况51第三章 塔身的设计计算523.1塔身的总体模型523.2 塔身的受力分析及验算533.2.1.塔身的受力分析533.2.2 塔身内力计算及组合563.2.3 塔身整体稳定性和强度验算59第四章 变幅机构的设计和计算714.1变幅机构的形式714.2 确定卷筒尺寸714.2.1 卷筒名义直径714.2.2 多层绕卷筒相关参数计算724.3选择电动机、减速器、制动器、联轴器724.3.1选择电动机724.3.2 选择减速器734.3.3 变幅机构制动器的选择744.3.4变幅机构联轴器的选择754.4. 验算变幅速度774.5验算起、制动时间验算774.6电动机发热校验794.7 校验卷筒强度80第五章 变幅小车的设计805.1 变幅小车的形式805.2 变幅小车的设计815.21 绳索牵引式小车构造及其驱动方式815.2.2运行小车牵引力计算825.2.3 牵引绳最大张力855.2.4 选择牵引绳865.2.5 牵引卷筒计算86第六章 毕业设计小结89致谢90参考书目92毕业设计计算书指导教师： 设计题目：设计题目：QTZ125塔式起重机结构设计（63m吊臂）设计人：设计项目计算与说明结果塔式起重机概述塔式起重机的发展趋势概述总体设计方案的确定变幅机构的形式卷筒尺寸的确定选择电动机选择减速器选择制动器选择联轴器验算变幅速度起动时间验算发热校核校核卷筒强度变幅小车的设计第一章 前言1.1 塔式起重机概述随着建筑行业的兴起，城镇人口的增多，高层建筑已经成为了一个趋势，来满足人们的住房需求。然而，在建筑行业中，能同时完成垂直升降和水平移动的起重机械很多，但综合其机动灵活性，起升高度，实用性等因素应用最广泛的是塔式起重机。塔式起重机（tower crane）简称塔机，亦称塔吊，起源于西欧，是现代工业与民用高层建筑的主要施工机械之一。在高层建筑中其幅度利用率高达80,与其它类型的起重机相比，塔式起重机的优势明显，它有多种类别、形式、性能、大小等，它的突出特点是工作效率高、适用范围广、回转半径大、操作方便可靠等。故塔式起重机在建筑安装工程中得到广泛应用。但是塔机的技术有待于提高。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品开发进度，节省产品开发费用，并能更好的为客户服务。据相关文献记载，有关塔机的第一项专利早在1900年获得批准，近代塔式起重机出现于1912-1914年。第一台比较完整的近代塔式起重机出现于1923年。1930年德国已经开始将塔式起重机批量生产并投入使用，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。我国对塔机的研究生产已有近50年的历史，经历了一个从绘制仿制到自行设计的发展过程。在不断的摸索中，我国逐步掌握了塔机生产的生产技术。20世纪80年代改革开放以后，我国引进了许多先进技术，这极大的促进了我国塔机设计制造技术的进步，一些主要机种已达到或接近国外同类产品质量水平。我国的塔式起重机从科研到加工生产方面取得了可喜的进步，但是在和国外先进塔式起重机的使用寿命，成本等方面还存在着一定的差距。我相信在今后的发展中差距会进一步缩小。随着高层建筑结构件的预制装配化、工厂化等新工艺、新技术应用的不断扩大。拿来与创新，我们要学习国外先进技术，并能够创造出自己的品牌。在新产品开发上我们要学习国外塔机的一些特点： 更多的厂家注重开发经济型城市塔机并扩展成系列。国外塔机新产品中，有一些新颖的轻、中型折叠式快速安装塔机颇引人注目。根据一些国家城建当局的有关规定，为防止塔机臂架在狭窄的空间运行发生矛盾，避免吊臂相互碰撞以及碰到邻近的建筑物，在城市高层建筑密集地区施工必须采用动臂式自升塔式起重机。在经过较长时间研制之后，履带式水平臂架塔机作为一种新产品正式问世。变频调速系统在国外塔机新产品上得到推广应用。高新技术开始在塔机上应用。无论上回转或下回转式塔机，都十分重视驾驶室的平面设计和空间处理。本次设计的课题为QTZ125自升势塔式起重机的设计，根据其分类特点采用上回转式。QTZ125型自升式塔式起重机，其吊臂长63米，最大起重量10吨，额定起重力矩125吨米。是一种结构合理、性能比较优异的产品，比较目前国内外同规格同类型的塔机具有更多的优点，能满足高层建筑施工的需要，可用于建筑材料和构件的调运和安装，并能在市内狭窄地区和丘陵地带建筑施工。整机结构大，可满足中大型施工队的要求。本机以基本高度（独立式）47.3米。用户需高层附着施工，只需提出另行订货要求，即可增加某些部件实现本机的最大设计高度200米，也就是附着高层施工可建高楼65层以上。1.2塔式起重机的发展趋势根据国内外一些技术资料的介绍，塔式起重机的发展趋势具体归纳为以下几个方面。1、吊臂长度加长在20世纪60年代初，吊臂长度超过40m的较少，70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到35m。自升式塔式起重机吊臂是可以接长的，标准臂长一般为3040m，可以接长到5060m。重型塔式起重机吊臂则更长。随着塔式起重机设计水平的提高，可以解决由臂长加大带来的一些技术问题，而低合金高强度钢材及铝合金的广泛采用也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，混轮组倍率的可变、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逐渐提高。20世纪50年代生产的塔式起重机工作速度较低，起升速度一般只有2030m/min，回转速度为0.61r/min，变幅速度为3040m/min，大车行走速度为1040m/min，而近几年来塔式起重机工作速度已有提高。起升机构普遍做到具有34种工作速度，重物起升速度超过100m/min者已经很多，构件安装就位速度可在010m/min范围内进行选择，回转速度一般可在01r/min之间进行调节，小车牵引和塔式起重机行走大多也有23种工作速度，小车牵引速度最快可达60m/min。3、改善操纵条件随着塔式起重机向大型、大高度方向发展，操作人员的能见度越来越差。因此需要在吊臂端部或小车上安装电视摄像机，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，不仅可由地面的操作人员控制吊装，还可以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断面塔身和臂架，这不仅能提高塔身、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。第二章总体设计2.1概述 塔式起重机是工业与民用建筑施工中，完成预制构件及其他建筑材料与工具等吊装工作的主要设备。在高层建筑施工中其幅度利用率比其他类型起重机高。塔式起重机的起升高度、工作幅度和起重力矩都很大，这就要对其受力、稳定性等进行考虑与计算。塔机的主要性能参数包括：起重量、起升高度、幅度、各机构工作速度、重量指标和起重力矩等。这些参数表明了起重机的工作性能和技术经济指标，它是设计塔式起重机的技术依据，也是生产中选择塔式起重机技术性能的依据。总体设计是机械设计整个过程中最关键的环节之一。它是使设计产品满足技术参数及形式的总构想，决定了机械设计的成败。在总体设计前，应先进行深入细致的调查研究，收集国内外同类机型的相关资料，了解国内外塔机的使用情况，并进行分析比较，然后制定总的设计方案。设计原则应当在保证所设计的机型达到国家有关标准的同时，力求结构合理，技术先进，积极性好，工艺简单，工作可靠。2.2总体设计方案的确定QTZ125型塔式起重机是上回转、水平臂架、液压自升式的结构形式，由金属结构、工作机构和驱动控制系统三部分组成。在进行总体设计时，要综合考虑塔机的强度、刚度、稳定性、各种工况下的外载荷以及塔机的经济性，从而选出合理的设计方案。2.2.1 金属结构塔式起重机金属结构部分由塔身，塔头或塔帽，起重臂架，平衡臂架，回转支撑架等主要部件组成。对于特殊的塔式起重机，由于构造上的差异，个别部件也会有所增减。金属结构是塔式起重机的骨架，承受塔机的自重载荷及工作时的各种外载荷，是塔式起重机的重要组成部分，其重量通常约占整机重量的一半以上，因此金属结构设计合理与否对减轻起重机自重，提高起重性能，节约钢材以及提高起重机的可靠性等都有重要意义。1.基础高层建筑施工用的附着式塔式起重机都采用小车变幅的水平臂架，幅度大部分在五十米以上，无须移动作业即可覆盖整个施工范围，因此多采用钢筋混凝土基础。钢筋混凝土基础有多种形式可供选用。对于有底架的固定自升式塔式起重机，可视工程地质条件，周围环境以及施工现场情况选用X形整体基础，四个条块分隔式基础或者四个独立块体式基础。对于无底架的自升式塔式起重机则采用整体式方块基础。X形整体基础的形状及平面尺寸大致与塔式起重机X形底架相似。塔式起重机的X形底架通过预埋地脚螺栓固定在混凝土基础上，此种形式多用于轻型自升式塔式起重机，如图2-1所示。图2-1 X形整体基础长条形基础由两条或四条并列平行的钢筋混凝土底梁组成，其功能犹如两条钢筋混凝土的钢轨轨道基础，分别支承底架的四个支座和由底架支座传来的上部荷载。如果塔机安装在混凝土砌块人行道上，或是安装在原有混凝土地面上，均可采用这种钢筋混凝土基础，如图2-2所示。固定式塔式起重机，可靠的地基基础是保证塔机安全使用的必备条件。该基础应根据不同地质情况，严格按照规定制作。除在坚硬岩石地段可采用锚桩地基（分块基础）外，一般情况下均采用整体钢筋混凝土基础。对基础的基本要求有：基础的土质应坚固牢实，要求承载能力大于0.15Mpa；混凝土基础的深度1100毫米，总混凝土方量约16.3立方米，基础重量约39吨；混凝土基础的承受压力不小于8MPa；混凝土基础应根据现场地质情况加工作层或多层钢筋网，钢筋间距约为250毫米；混凝土基础表面应校水平，不平度小于1/500；混凝土基础表面设置排水沟。将底架拼装组合，对准20颗预埋地脚螺栓，将其放置在混凝土基础上，注意垫平垫实，并校平底架上平面，要求不平度小于或等于1/1000，拧紧20颗地脚螺栓。调水平度时用楔形调整块及薄铁板等。图2-2 长条形基础图2-3 分块式基础图2-5 塔机设计基础2.底架结构 底架由工字钢焊接成整体框架结构。在四角辐射状安装有四条可拆支腿，该支腿由工字钢焊接成，运输时拆除支腿，以减小运输尺寸。底架上有20个预埋地脚螺栓，规格M48。底架外轮廓尺寸约为6000X6000，高350。3.塔身结构塔身结构也称塔架，是塔机结构的主体，有转与不转之别；并有内塔与外塔之分。塔身结构断面分为圆形断面、三角形断面及方形断面三类。现今国内外生产的塔机均采用方形断面塔身结构。按塔身结构主弦杆材料的不同，这类方形断面塔架可分为：角钢焊接格桁结构塔身，主弦杆为角钢辅以加强筋的矩形断面格桁结构；角钢拼焊方钢管格桁结构塔身及无缝钢管焊接格桁结构塔身。常用的断面尺寸有：1.3m1.3m，1.4m1.4m，1.5m1.5m，1.6m1.6m，1.7m1.7m，1.8m1.8m，2.0m2.0m。根据承载能力的不同，同一种截面尺寸，其主弦杆又有两种不同截面之分。主弦杆截面较大的标准节用于下部塔身，主弦杆截面较小的标准节则用于上部塔身。 图2-6 塔身标准节示意图 塔身标准节 塔身标准节的长度有2.5m，3m，3.33m，4.5m，5m，6m，10m等多种规格，常用的尺寸是2.5m和3m。本次设计采用格桁架结构塔身，其中塔身截面尺寸采用1.8m1.8m，标准节的长度为2.5m。如图2-6所示：塔身标准节用无缝钢管焊接而成，节高2500mm。在标准节下部管口处车有定位止口，而另一端则焊有定位凸台，靠相应的接合面定位。上下端各用8个M54的40Cr螺栓联结。各标准节均设有供人上下的爬梯，每三个标准节设置一个休息台。塔身标准节的联接方式有：盖板螺栓联接，套柱螺栓联接，承插销轴联接和瓦套法兰联接。本次设计的QTZ125塔机采用套柱螺栓联接，其特点是：套柱采用企口定位，螺栓受拉，用低合金结构钢制作。适用于方钢管和角钢主弦杆塔身标准节的联接，加工工艺要求比较复杂，但安装速度比较快。塔身结构设计要领 1)多层建筑施工用快速安装塔机可根据起升高度和运输条件分别采用整体式塔身、伸缩式塔身或折叠式塔身。 轻、中型自升塔机和内爬式塔机宜采用整体式塔身标准节。附着式自升式塔机和起升高度大的轨道式以及独立式自升塔机宜采用拼装式塔身标准节。拼装式塔机塔身标准节的加工精度要求比较高，制作难度较大，零件多和拼装麻烦。但拼装式塔身标准节的优越性更不容忽视：一是堆放储存占地小，二是装卸容易，三是运输费用便宜，特别是长途陆运和运洋海运，由于利用集装箱装运，其抗锈蚀和节约运费的效果极为显著。QTZ125型塔式起重机为大型自升塔机，综合以上特点，其塔身结构选用整体式塔身标准节。 2) 为减轻塔身的自重，充分发挥钢材的承载能力，并适应发展组合制式塔机的需要，对于达到40m起升高度的塔机塔身宜采用两种不同规格的塔身标准节，而起升高度达到60m的塔机塔身宜采用3种不同规格的塔身标准节。除伸缩式塔身结构和中央顶升式自升塔机的内塔外，塔身结构上、下的外形尺寸均保持不变，但下部塔身结构的主弦杆截面则须予以加大。3)塔身的主弦杆可以是角钢、角钢拼焊方钢管、无缝钢管式实心圆钢，取决于塔身的起重能力、供货条件、经济效益以及开发系列产品的规划和需要。 4)塔身节内必须设置爬梯，以便司机及机工可以上下。在设计塔身标准节，特别是在设计拼装式塔身标准节时，要处理好爬梯与塔身的关系，以保证使用安全及安装便利。爬梯宽度不宜小于500mm，梯级间距应上下相等，并应不大于300mm。当爬梯高度大于5m时，应从高2m处开始装设直径为650800mm的安全护圈，相邻两护圈间距为500mm。安全护圈之间用3根均布的竖向系条相联。安全护圈应能承受来自任何方向的10kN的冲击力而不折断。当爬梯高度超过10m时，爬梯应分段转接，在转接处加一休息平台。休息平台应能承受相当于3000N的移动集中载荷。休息平台铺板可用防滑花纹钢板或穿孔板、拉网板制成。休息平台必须设置牢固的护栏，护栏立柱高度应不小于1000mm，立柱间距不宜过大，立柱间应设置水平栏杆，第一道水平栏杆距离铺板高度宜为450mm，立柱底部应设有高度不小于70mm的挡脚板。护栏任何一处应能承受1kN来自任何方向的载荷而不破坏。塔身接高问题在遇到塔身需要接高问题时，应按下述两种不同情况分别处理：1)在额定最大自由高度范围内，根据工程对象需要，增加塔身标准节，使低塔机变为高塔机。2)根据施工需要，增加塔身标准节，使塔身高度略超越固定式塔机的规定最大自由高度。在进行具体接高操作之前，还应制定相关的安全操作规程，以保证拆装作业的安全顺利进行。4.套架与液压顶升机构爬升架 爬升架主要由套架，平台，液压顶升装置及标准节引进装置等组成。套架是套在塔身标准节外部。套架用无缝钢管焊接而成，节高4.94米，截面尺寸2.82.8米。外侧设有平台和套架爬升导向装置爬升滚轮。在套架内侧的下方，还设有支承套架的支块，当套架上升到规定位置时，需将此支块连同套架支托于塔身标准节的踏块上。为便于顶升安装的安全需要特设有工作平台，爬升架内侧沿塔身主弦杆安装8个滚轮，支撑在塔身主弦杆外侧，在爬升架的横梁上，焊上两块耳板与液压系统油缸铰接承受油缸的顶升载荷，爬升架下部有两个杠杆原理操纵的摆动爪，在液压缸回收活塞以及引进标准节等过程中作为爬升架承托上部结构重量之用。顶升机构顶升机构主要由顶升套架、顶升作业平台和液压顶升装置组成，用于完成塔身的顶升加节接高工作。套架上回转自升塔机要有顶升套架。整体标准节用外套架。外套架就是套架本体套在塔身的外部。套架本身就是一个空间桁架结构。套架用无缝钢管焊接而成，节高4940，截面尺寸28002800，外侧设有平台和套架爬升导向装置爬升滚轮。在套架内侧的下方，还设有支承套架的支块，当套架上升到规定位置时，需将此支块连同套架支托于塔身标准节的踏块上。套架由框架，平台，栏杆，支承踏步块等组成。安装套架时，大窗口应与标准节焊有踏块的方向相反。套架的上端用螺栓与回转下支座的外伸腿相连接，其前方的上半部没有焊腹杆，而是引入门框，因此其弦必须作特殊的加强，以防止侧向局部失稳。门框内装有两根引入导轨，以便与标准节的引入。液压顶升1)按顶升接高方式的不同，液压顶升分为上顶升加节接高、中顶升加节接高和下顶升加节接高三种形式。上顶升加节接高的工艺是由上向下插入标准节，多用于俯仰变幅的动臂自升式塔式起重机。下顶升加节接高的优点：人员在下部操作，安全方便。缺点是：顶升重量大，顶升时锚固装置必须松开。中顶升加节接高的工艺是由塔身一侧引入标准节，可适用于不同形式的臂架，内爬，外附均可，而且顶升时无需松开锚固装置，应用面比较广。本次设计的QTZ125塔式起重机采用上顶升加节接高。2)按顶升机构的传动方式不同，可分为绳轮顶升机构、轮顶升机构、条顶升机构、丝杠顶升机构和液压顶升机构等五种。绳轮顶升机构的特点是构造简单，但不平稳。链轮顶升机构与绳轮顶升机构相类似，采用较少。齿条顶升机构在每节外塔架内侧均装有齿条，内塔架外侧底部安装齿轮。齿轮在齿条上滚动，内塔架随之爬升或下降。丝杠爬升机构的丝杠装在内塔架中轴线处，或装在塔身的侧面内外塔架的空隙里。通过丝杠正、反转，完成顶升过程。本次设计的QTZ125塔式起重机采用液压顶升机构。液压顶升机构由电动机驱动齿轮油泵，液压油经手动换向阀、平衡阀进入液压缸，使液压缸伸缩，实现塔机上部的爬升和拆卸。其主要优点是构造简单、工作可靠、平稳、安全、操作方便、爬升速度快。本机构另有一套手动操作的爬升吊装装置与顶升液压系统配合工作。初步设计液压顶升系统草图如图2-7所示图2-7 液压顶升系统1-电动机 2-联轴器 3-齿轮泵 4-滤油器5-溢流阀 6-压力表开关 7-压力表 8-手动换向阀9-油缸 10-平衡阀3)顶升液压缸的布置：顶升接高方式又可分为中央顶升和侧顶升两种。所谓中央顶升，是指挥顶升液压缸布置在塔身的中央，并设上，下横梁各一个。液压缸上端固定在横梁铰点处。顶升时，活塞杆外伸，通过下横梁支在下部塔身的托座或相应的腹杆节点上。液压缸的大腔在上，小腔在下压力油不断注入液压缸大腔，小腔中液压油则回入油箱，从而使液压缸将塔式起重机的上部顶起。所谓侧顶升式，是将顶升液压油缸设在套架的后侧。顶升时，压力油不断泵入油缸大腔，小腔里的液压油则回流入油箱。活塞杆外伸，通过顶升横梁支撑在焊接于塔身主弦杆上的专用踏步块间距视活塞有效行程而定。一般取1-1.5m。由于液压缸上端铰接在顶升套架横梁上，故能随着液压缸活塞杆的渐渐外伸而将塔机上部顶起来。侧顶式的主要优点是：塔身标准节长度可适当加大，液压缸行程可以相应缩短，加工制造比较方便，成本亦低廉一些。本次设计的QTZ125塔式起重机采用中央顶式。5.回转支承装置回转支承简称转盘，是塔式起重机的重要部件，由齿圈、座圈、滚动体、隔离快、连接螺栓及密封条等组成。按滚动体的不同，回转支承可分为两大类：一是球式回转支承，另一类是滚柱式回转支承。柱式回转支承柱式回转支承又可分为转柱式和定柱式两类。定柱式回转支承结构简单，制造方便，起重回转部分转动惯量小，自重和驱动功率小，能使起重机重心降低。转柱式结构简单，制造方便，适用于起升高度和工作幅度以及起重量较大的塔机。滚动轴承式回转支承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：单排四点角接触球式回转支承、双排球式回转支承、单排交叉滚柱式回转支承、三排滚柱式回转支承。滚动轴承式回转支承装置结构紧凑，可同时承受垂直力、水平力和倾覆力矩是目前应用最广的回转支承装置。为保证轴承装置正常工作，对固定轴承座圈的机架要求有足够的刚度。滚动轴承式回转支承，回转部分固定，在大轴承的回转座圈上，而大轴承的的固定座圈则与塔身（底架或门座）的顶面相固结。设计选用球式回转支承，其优点是：刚性好，变形比较小，对承座结构要求较低。钢球为纯滚动，摩擦阻力小，功率损失小。根据构造不同和滚动体使用数量的多少，回转支承又分为单排四点接触球式回转支承、双排球式回转支承、单排交叉滚柱式回转支承和三排滚柱式回转支承。设计采用单排四点接触球式回转支承，它是由一个座圈和齿圈组成，结构紧凑，重量轻，钢球与圆弧滚道四点接触，能同时承受轴向力、径向力和倾翻力矩。回转支承及回转支承装置简图如图2-8所示。2-8 回转支承及回转支承装置简图1-电动机 2-液力耦合器 3-制动器 4-减速器 5-小齿轮6-驱动小齿轮 7-单排球式回转支承 8-大齿轮9-回转限位器6.平衡臂 凡上回转塔机均需配设平衡臂，其功能是支撑平衡重，用以构成设计上所要求的作用方向与起重力矩方向相反的平衡力矩。在小车变幅水平臂架自升式塔机中，平衡臂也是延伸了的转台，除平衡重外，还常在其尾端装设起升机构。起升机构之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端，一则可发挥部分配种作用，二则增大钢丝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。常用的平衡臂有以下几种结构型式：（1）平面框架式平衡臂，有两根槽钢纵梁或由槽钢焊成的箱形断面组合梁和系杆构成。在框架的上平面铺有走道板，走道板的两旁设有防护栏杆。这种平衡臂的特点是结构简单，加工容易。（2）三角形断面桁架式平衡臂，又分正三角形断面和倒三角形断面两种形式。此类平衡臂的构造与起重臂结构构造相似，但较为轻巧，适用于长度较大的平衡臂。从实用上来看，正三角形断面桁架平衡臂不如倒三角形断面桁架式平衡臂。（3）矩形断面格桁结构平衡臂，其特点主要是根部与座在转台上的回转塔架联结成一体，适用于小车变幅水平臂架特长的超重型自升式塔机。根平衡臂结构形式的选用原则为：自重比较轻；加工制造简单，造型美观与起重臂匹配得体。臂长不超过50m，起重力矩不超过1600kNm的自升式塔机，均以采用平面框架式平衡臂较为适宜。重型和超重型自升塔机，则可采用倒三角形或矩形断面格桁结构平衡臂。因此，本设计平衡臂采用平面框架式平衡臂。平衡臂长度与起重臂长度之间有一定的比例关系，一般可取其比值为0.20.35。上回转塔机的平衡臂分为前后两节，节间用销轴连接，其根部用销轴与回转塔身相连，尾部通过平衡拉杆与塔顶相连接。平衡重搁置在尾部，起重机构也靠后布置，电控柜靠前方。这样布置平衡效果较好，便于检查、维护和管理。平衡重属于平衡臂系统的组成部分，它的用量甚是可观，轻型塔机一般至少要用34t，重型自升式塔机要装有近30t平衡重。因此在设计平衡重过程中，应对平衡重的选材、构造以及安装进行认真考虑并作妥善安排。平衡重一般可分为固定式和活动式两种。活动平衡重主要用于自升式塔机，其特点是可以移动，易于使塔身上部作用力矩处于平衡状态，便于进行顶升接高作业。但是，构造复杂，机加工量大，造价较高。故国内大部分塔机均采用固定式平衡重。平衡重可用铸造或钢筋混凝土制成。铸铁平衡重的构造较复杂，制造难度大，加工费用贵，但体形尺寸较小，迎风面积较小，有利于减少风载荷的不利影响。钢筋混凝土平衡重的主要缺点是体积大，迎风面积大，对塔身结构及稳定性均有不利影响。但是构造简单，预制生产容易，可就地浇注，并且不怕风吹雨淋，便于推广。因此，本次设计的塔式起重机采用钢筋混凝土式平衡重。平衡臂如图2-9所示。图2-9平衡臂7.塔顶自升塔机塔身向上延伸的顶端是塔顶又称塔幅或塔尖。其功能是承受起重臂拉杆和平衡臂拉杆传来的上部载荷，通过回转塔架转台，轴承座等的结构部件或直接通过转台传递给塔身结构。自升塔机的塔顶有直立截锥柱式、前倾或后倾截锥柱式、人字架式及斜撑式等形式。截锥柱式塔尖实质上是一个转柱，由于构造上的一些原因，低部断面尺寸要比塔身断面尺寸为小，其主弦杆可视需要选用实心圆钢，厚壁无缝钢管或不等边角钢拼焊的矩形钢管，人字架或塔尖部件由一个平面型钢焊接桁架和两根定位系杆组成。这两种型式塔尖的共同特点是构造简单自重轻，加工容易，存放方便，拆卸运输便利。按照一些传统的做法，塔顶通过回转塔架与转台联成一体，司机室设于回转塔架内。这种做法的不利之点是，司机室受回转塔架构造的限制，不易解决好司机视野问题，以及防漏及联结处理等问题。同时，回转塔架主弦杆需要特别加强，需专用焊状胎具，增大造价。此外，安装高度约增大2.5m增加架设困难。因此，采用人字式塔顶，省略回转塔架，将塔顶结构直接坐在转台上，改用设于塔顶一侧的悬挂式司机室以代替装设在回转塔架内的嵌入式司机室的做法受到了欢迎，并得到日益推广。塔顶高度与起重臂架承载能力有密切关系，一般取为臂架长度的1/7-1/10，长臂架应配用较高的塔尖。但是塔尖高度超过一定极限时，弦杆应力下降效果便不显著，过分加高塔尖高度不仅导致塔尖自重加大，而且会增加安装困难需要换用起重能力更大的辅助吊机。因此，设计时，应权衡各方面的条件选择适当的塔顶高度。 本次设计采用前倾截锥柱式塔顶，塔帽用无缝钢管焊成，下部有操作平台，顶部有供平衡臂拉索和吊臂刚性拉杆连接用的吊耳及起升钢丝绳穿绕的定滑轮。顶部还设有安全灯和避雷针，避雷针接地的要求必须按下面图示操作，此接地保护材料，安装和维护服务等均不由厂家提供。如图2-10所示。图2-10 塔顶结构图8.司机室司机室的使用要求：塔式司机室应能为司机提供一个较舒适的工作空间，不受风雨及沙尘的袭击及捆扰，有良好通风及隔声构造，保证满足劳动卫生要求。司机操作处的噪声不超过70dB。司机室安置在上接架侧边，内有电器操纵控制台，司机驾驶座椅，电压表，空气开关箱，插座，室灯并且根据用户要求佩带风扇，取暖装置。在湿热地区施工的塔机，司机室必须配备电热采暖装置，司机室内小区气候应力争做到：温度20-24度，相对湿度40%-60%，空气流动速度不大于0.1m/s。司机室必须保证有开阔的视野，便于掌握吊装现场实际情况。司机室内照明（距离地板1200mm处）应不低于50Lx，以利于液压吊装施工。上回转自升塔机的司机室有3种不同的布置方式：悬挂于臂架根部附近，固定于塔顶的一侧；设置于塔身的顶部，以塔架结构为骨架，外包薄腹板：设置于转台之上塔架结构内。现今天采用的大多是悬挂式司机室而且多设于转台以上臂根一侧。采用这种布设方式的司机室优异之处在于转台的加工制作可另行安排并实现专业化，不受主体结构生产安排的影响，功效高，成本低；在塔机转场运输中司机室可单独装车运输不受钢结构搬运作业的影响，方便、经济，并且不易损坏，在一些性能指标上悬挂式司机室同与塔身结构紧密接触的其他形式司机室相比能较好地满足使用要求。司机室设于回转塔架内部的不利之处：司机室受塔架结构构造的限制，不易解决好司机视野的问题，以及防漏及连接处理等问题。同时回转塔架主弦杆需要特别加强，增大造价。9.起重臂构造型式塔式起重机的起重臂简称臂架或吊臂，按构造型式可分为：小车变幅水平臂架；俯仰变幅臂架，简称动臂；伸缩式小车变幅臂架；折曲式臂架。小车变幅水平臂架，简称小车臂架，是一种承受压弯作用的水平臂架，是各式塔机广泛采用的一种起重臂。其优点是：吊臂可借助变幅小车沿臂架全长进行水平位移，并能平稳准确地进行安装就位。因此此次设计采用小车变幅水平臂架。小车臂架可概分为三种不同型式：单吊点小车臂架，双吊点小车臂架和起重机与平衡臂架连成一体的锤头式小车臂架。单吊点小车变幅臂架是静定结构，而双吊点小车变幅臂架则是超静定结构。幅度在40m以下的小车臂架大都采用单吊点式构造；双吊点小车变幅臂架结构一般幅度都大于50m。双吊点小车变幅臂架结构自重轻，据分析与同等起重性能的单吊点小车变幅臂架相比，自重均可减轻5%-10%。小车变幅臂架拉索吊点可以设在下弦处，也可设在上弦处，现今通用小车变幅臂架多是上弦吊点，正三角形截面臂架。这种臂架的下弦杆上平面均用作小车运行轨道。 分节问题臂架型式的选定及构造细部处理取决于塔机作业特点，使用范围以及承载能力等因素，设计时，应通盘考虑作出最佳选择，首先要解决好分节问题。小车臂架常用的标准节间长度有6、7、8、10、12m五种。为便于组合成若干不同长度的臂架，除标准节间外，一般都配设12个35m长的延接节，一个根部节，一个首部节和端头节。端头节构造应当简单轻巧，配有小车牵引绳换向滑轮、起升绳端头固定装置。此端头节长度不计入臂架总长，但可与任一标准节间配装，形成一个完整的起重臂。本次设计选用标准节长度为6m，另加上3m长的延接节。其示意图见图2-11。图2-11臂架分节截面形式及截面尺寸塔机臂架的截面形式有三种：正三角形截面、倒三角形截面和矩形截面。小车变幅水平臂架大都采用正三角形截面，本次设计的QTZ125采用正三角形截面。选用这种方式的优点是：节省钢材，减轻重量，从而节约成本。其尺寸截面形式如图2-12所示。臂架截面尺寸与臂架承载能力、臂架构图2-12 臂架截面及其腹杆布置1-水平腹杆2-侧腹杆3-上弦杆4-下弦杆臂架一至三节：B=1900mm H=1700mm臂架四至六节：B=1800mm H=1700mm臂架七至十节：B=1700mm H=1700mm造、塔顶高度及拉杆结构等因素有关。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。设计臂架长度为63m，共分十节。 腹杆布置和杆件材料选用矩形截面臂架的腹杆体系宜采用人字式布置方式，而三角形截面起重臂的腹杆体系既可采用人字式布置方式，也可采用顺斜置式。此两种布置方式各有特点。当采用顺斜置式，焊缝长度较短、质量不易保证。焊接变形不均匀，节点刚度较差，且不便于布置小车变幅机构。因此本设计选用人字式布置方式。其优点在于，这种布置方式应用区段不受限制，焊缝长度较长，强度易于保证，焊接变形较均匀，节点刚度较好，便于布置小车变幅机构。臂架杆件材料有多种选择可能性。一般情况下，上吊点小车变幅臂架的上弦杆选用16Mn实心钢为宜，但造价较高。下弦采用等边角钢对焊的箱型截面杆件，经济实用，具有良好的抗压性能。因此上弦杆选用1406，下弦选用的角钢型号为：1608，臂间由销轴连接。 吊点的选择与构造 吊点可分为单吊点和双吊点。其设计原则是：臂架长度小于50m，对最大起吊量并无特大要求，一般采用单吊点结构。若臂架总长在50米以上，或对跨中附近最大起吊量有特大要求应采用双吊点，采用单吊点结构时，吊点可以设在上弦或下弦。吊点以左可看作简支梁，以右可看作悬臂梁。在设计中采用双吊点。10.附着装置附着装置由一套附着框架，四套顶杆和三根撑杆组成，通过它们将起重机塔身的中间节段锚固在建筑物上，以增加塔身的刚度和整体稳定性。撑杆的长度可以调整，以满足塔身中心线到建筑物的距离限制。通常这个距离以3.55m设计。附着装置如图2-13所示。图2-13 附着装置11.拉杆QTZ125塔式起重机采用双吊点式拉杆结构，拉杆由焊件组成，其材料为16Mn，拉杆节之间用过渡节连接，由受力特性计算出其拉杆点作为位置，其中在平衡臂和吊臂上设有拉板和销轴用来连接用。12.上、下支座上支座上部分别与塔顶、起重臂、平衡臂连接，下部用高强螺栓与回转支承相连接在支承座两侧安装有回转机构，它下面的小齿轮准确地与回转支承外齿圈啮合，另一面设有限位开关。下支座上部用高强螺栓与回转支承连接、支承上部结构，下部四角平面用4个销轴和8个M48的高强螺栓分别与爬升架和塔身连接。2.2.2工作机构塔机工作机构分为5种：起升机构；变幅机构；小车牵引机构；回转机构；大车行走机构。固定式塔机不设大车行走机构。起升机构、变幅机构及小车牵引机构在构造上极为近似，均由电动机、联轴器、制动器、减速器和卷筒等部件组成。为了提高塔机生产率，加快吊装施工进度，无论是起升机构、变幅机构、小车牵引机构、回转机构和大车行走机构均应具备较高的工作速度，并要求从静停到全速运行，或从全速运行转入静停的全过程（即启动和制动过程），都能平缓进行，避免产生急剧冲动，对金属结构产生破坏影响。对于高层建筑施工用的自升塔机来说，由于起升高度大，起重臂长，起重量大，对工作机构调速系统有更高的要求。1.起升机构起升机构是起重机机械的主要机构，用以实现重物的升降运动。起升机构通常由原动机、减速器、卷筒、制动器、钢丝绳、滑轮组和吊钩组成。本次设计的起升机构由一合三速电动机驱动，电动机型号Y2002-2。通过弹性联轴节与ZQ500型圆柱齿轮变速箱驱动起升卷筒，本机构采用液力推杆制动器。起升速度由电控三速电动机实现其“两快一慢”的动作，本机构还备有高度限位装置，避免起升时卷筒发生过卷现象，通过调整高度限位装器行程开关的碰块的位置实现吊钩在最大高度时，起升机构断电，保护高度限位的安全。高度限位器只是一种安全装置，不允许用来作工作装置使用。其简图如图2-14所示。起升机构的传动方式机械传动：其动力是由发动机经机械传动装置传至起升机构起升卷筒，同时也传至其它工作机构，由于集中驱动，为保证各机构独立运动，整机的传动比较复杂。起升机构的调速困难、操作麻烦、但工作可靠。 图2-14起升机构简图1-三速电机 2-联轴器 3-液力推杆制动器4-ZQ500圆柱齿轮减速器 5-卷筒 6-高度限位器电力传动：由直流或交流电动机通过减速器带动起升卷筒。直流电动机传动的机械特性适合起升机构工作要求，调速性能好，但直流电的获得较为困难。交流电机传动由于能直接自电网取得电流，结构简单、机组重量轻。液压传动：有高速液压马达传动和低速大扭矩液压马达传动。前者重量轻、体积小、容积效率高。后者传动零件少，起、制动性能好，但容积效率较低，易影响机构转速，体积与重量较大。综上，考虑经济性、工作情况、工作效益等，本次设计采用电力传动。 起升机构的减速器 起升机构的减速器通常有以下几种：圆柱齿轮减速器、蜗轮减速器、行星齿轮减速器。圆柱齿轮减速器效率高，功率范围大，使用普遍，但体积大。蜗轮减速器的尺寸小，传动比大，重量轻，但效率低，寿命短。行星齿轮减速器包括摆线针轮行星减速器和少齿差行星减速器，具有结构紧凑、传动比大、重量轻等特点，但价格较贵。比较上述性能，选用圆柱齿轮减速器。起升机构的制动器 起升机构的制动器可布置在高速轴上，也可布置在低速轴上。制动器布置在高速轴上时，所需制动力矩小，但制动时冲击较大，通常采用块式制动器。布置在低速轴上的制动器，所需制动力矩较大，通常采用带式制动器或点盘式制动器。本设计将制动器布置在高速轴上，采用块式制动器。滑轮组倍率在起升机构中，滑轮倍率装置是为了使起升机构的起重能力提高一倍，而起升速度会降低一倍，这样起升机构能够表2-1起升特性参数表倍率a=2a=4起重量（t）52.71.2105.42.4速度(m/min)255010012.52550更加灵活地满足施工的需要。塔式起重机一般都为单联滑轮组，故倍率a等于承载分支数Z。起升速度有6种，见表2-1。四倍率与二倍率转化方便、快捷，变换倍率的方法如下：将上滑轮6用销轴与吊钩滑轮组7的两滑轮的杆交点连接起来，此时即为四倍率状态；拔出销子，上滑轮6上升到载重小车4处固定后，就变为二倍率状态。2.回转机构塔机是靠起重臂回转来保障其工作覆盖面的。回转运动的产生是通过上、下回转支座分别装在回转支承的内外圈上并由回转机构驱动小齿轮。小齿轮与回转支承的大齿圈啮合，带动回转上支座相对于下支座运动。回转机构由一台双速电动机驱动，经过力偶合器至行星齿轮减速机到主动小齿轮，再驱动回转支承大齿轮。本机构由于采用了液力偶合器联结，使其运转平稳，冲击惯性小，进而改善了塔机的工作状况。回转机构设成双回转式，通常由回转电动机、液力耦合器、回转制动器、回转减速器和小齿轮组成。回转电动机回转电动机是整机的传动分流装置的一个传动元件，其选择由起重机的总动力源决定。液力耦合器液力耦合器作用：一是软化传动特性，使输入和输出之间有微小转差，这样电动机起动力矩不至于一下输入到减速器，产生过大冲击；二是当有两台回转电动机同时并联工作时，可以协调其负载比较平衡，不至于转得快的负载很大，转得慢的负载很轻。制动器回转制动器选用常开式。回转制动在回转过程中不允许使用，但回转工作完成后，一定要打开制动器。制动器选择单片电磁制动器。减速器减速器是回转机构的关键组成部分，既要减速，又要承受小齿轮轴传来的集中反力。回转机构的安装要求很紧凑，多用行星齿轮减速器，而且多极减速。综上，回转机构由一台单速电动机驱动，动力经液力耦合器至行星齿轮减速器到小齿轮，在驱动回转支承大齿轮，为使回转定位准确，本机构中装有一套单片电磁制动器以实现回转止动，该装置只适用于在回转电动机停止工作后，起重臂旋转动作停止时使用。回转机构简图如图2-15 所示。3.变幅机构为了满足物料装卸工作位置的要求，充分利用自身的起吊能力，塔式起重机需要经常改变幅度。变幅机构则是实现改变幅度的工作机构，并用来扩大塔式起重机的工作范围，提高生产率。变幅机构由电动机、减速器，卷筒和制动器组成，功率和外形尺寸较小。变幅机构按其构造和不同的变幅方式分为运行小车式和吊臂俯仰式。本设计采用小车变幅，绳索牵引式小车变幅可使工作可靠，减轻起重臂载荷，而且因其驱动装置放在吊臂根部，平衡重也可略为减少。驱动卷筒的型式有普通牵引卷筒和摩擦卷筒。采用普通牵引卷筒，工作可靠，但牵引卷筒较长，而且要有两根钢丝绳，采用铸造卷筒。后者牵引卷筒及钢丝绳长度可减少一半，但必须装设张紧导向轮且需经常调整牵引绳张力，以保证摩擦卷筒能正常工作。本次设计采用普通卷筒。电动机变幅机构因有两个速度，则应选用双速电机。减速器卷筒的传动机构可采用普通标准卷扬机，为使机构尺寸更紧凑，本机构采用行星摆线针轮减速器。制动器制动器小车牵引机构采用电磁铁制动器，使起、制动平稳，可靠。本次设计的变幅机构由一台双速电动机经带制动器的联轴节至摆线针轮减速机驱动卷筒。卷筒两端都固定有变幅钢丝绳的端头，无论变幅小车走到最外端或最里端，卷筒的放绳端都应有34圈的钢丝绳未放完。在放出和卷回的两根钢丝绳之间的卷筒上，应保留有34圈钢丝绳的光卷筒。当工作一段时间，钢丝绳被拉长而挠度过大时，可用变幅小车的螺栓将钢丝绳收紧。变幅机构及钢丝绳的缠绕方式如图2-16所示。2.2.3安全保护装置安全装置是塔式起重机必不可少的关键设备之一，其作用是防止误操作和违章操作，以避免由误操作或违章操作所导致的严重后果。塔式起重机的安全装置可分为限位开关、断电装置、钢丝绳防脱装置、风速计、紧急安全开关、安全保护音响信号。1. 限位开关 又称限位器。其功能主要有以下几种：吊钩行程限位开关。用以防止吊钩行程超越极限，以免碰坏起重机臂架结构和出现钢丝绳乱绳现象。回转限位开关。用于限制塔式起重机的回转角度，防止扭断或损坏电缆。凡是不装设中央集电环的塔式起重机，均应配置回转限位开关。小车行程限位开关。用以使小车在到达臂架头部或臂架根端之前停车，防止小车越位事故的发生。2.起升高度限制器为了防止起升卷筒过卷而拉断钢丝绳，工程起重机均装设有起升高度限制器。起升高度限制器组要有重锤式和螺杆式。重锤式高度限制器优点是结构简单，使用方便；缺点是用钢丝绳悬挂，重锤经常与起升钢丝绳摩擦。螺杆式高度限制器常用于小车变幅式塔式起重机，这种限制器装有两个限位开关，还可以做双向控制。3.起重量限制器起重量限制器只控制或只显示起重机的极限载荷。在正常的起重机作业中，起升钢丝绳的合力R对转轴的力矩M=R a与弹簧力N对转轴的力矩M=N b相平衡,而弹簧的变形量较小，当超载时，弹簧产生较大的变形，撑杆打开限位开关，使起升机构停止工作，起限制超载的作用。变幅机构简图图2-16 变幅机构及钢丝绳缠绕简图1-变幅卷筒 2-摆线针轮减速机 3-制动器 4-电动机4.力矩限制器力矩限制器主要有传感器装置，吊臂长度检测装置，吊臂仰角检测装置，运算系统及显示部分和执行机构所组成。力矩限制器通过检测装置当时的吊臂长度和吊臂对水平面的倾角，并输入到运算系统内，计算出当时的工作幅度，然后根据相应的“幅度-起重量特性曲线”计算出当时允许起升的最大载荷，并以此作为额定值。装设在变幅液压缸上的传感器装置测得反应总力矩的信号，送入运算系统内，经过计算后得出起升载荷的实际值。当实际值大于额定值时，起重机已处于危险工作状态，这时力矩限制器会发出声响和灯光警报。5. 风速仪风荷是塔式起重机的基本载荷，风荷与风速有关，还会随高度升高而增大。因此，风速仪是一种极其重要的安全预警装置，对每台自升式塔式起重机均是必备之物。风速仪应安装在塔机顶部至吊具最高位置间的不挡风处。6. 钢丝绳防脱装置GB5144塔式起重机安全规程规定：滑轮、起升卷筒及动臂式塔机的变幅卷筒应设有钢丝绳防脱装置，该装置与滑轮或卷筒侧板最外缘的间隙不得超过钢丝绳直径的20%。除此之外还有许多电子安全装置，用以保证工人工作的安全，使他们在安全、舒适的环境下工作。7.电子安全装置塔机上采用的电子安全装置主要有三种：电子力矩限制器、电子作业区域限制器和电子防止护撞系统。目前因价性比关系（价格性能比），仅在少数塔机上应用。2.3总体设计原则2.3.1 整机工作级别塔式起重机的工作级别与它的利用等级（工作频繁程度）和载荷状态（受载荷的轻重和频繁程度）有关。根据使用状态由GB/T 13752-92塔式起重机设计规范P60附录C表C1选取本次设计的QTZ125自升式建筑用塔机的利用等级为U4(经常轻负荷使用)，载荷状态为Q2（中-有时起吊额定载荷，一般起吊中等载荷），起升等级为HC2，工作级别为A4,名义载荷谱系数Km=0.25。2.3.2 机构工作级别根据GB/T 13752-92塔式起重机设计规范规定： 机构的工作级别按机构的利用等级和载荷状态分为六级：M1- M6。机构的利用等级按机构工作总时间分为六级：T1- T6。机构工作总时间规定为机构在设计寿命期内处于运转的总小时数，它仅作为机构零件的设计基础，而不能视为保用期。机构的载荷状态表明机构受载的轻重程度，按载荷谱系数分为三级：L1- L3。表2-2工作机构级别起升机构回转机构变幅机构顶升机构Kp=0.25Kp=0.50Kp=0.5Kp=0.25T4L2M4T4L3M3T3L3M3T1L2M1T机构利用等级；L机构载荷状态；M机构工作级别；Km名义载荷谱系数2.3.3主要技术性能参数塔机的基本参数有：幅度、起升高度、额定起升载荷、轴距、轮距、起重机重量、尾部回转半径和工作速度。塔机的工作速度有：额定起升速度、最低稳定速度、变幅速度、额定回转速度以及行走速度。塔机的主要性能参数如下：1.额定起重力矩 125tm2.最大工作幅度 63m，最小工作幅度 12.8m3.最大起重量 10t，最小起重量 1.3t4.起升高度 固定式 47.3m 附着式 200m5.回转速度 0.6m/min6起升特性参数表见表2-3：表2-3起升特性参数表倍率a=2a=4起重量（t）52.71.2105.42.4速度(m/min)255010012.525507.小车运行速度 50m/min, 25m/min, 7.5m/min8. 顶升速度 0.6 m/ min9. 电机功率 37 kw10.塔机自重 52t11.配重 20.786 t12.整机重量 133 t 2.4平衡臂与平衡重的计算上回转塔式起重机应按塔身受载最小的原则确定平衡重的质量。平衡臂的构造设计必须保证所要求的平衡力矩得到满足。平衡力矩的计算数值各家看法不尽一致，通常可按下式确定：=Bl=（Ga）+0.5(Q+q) L式中 B平衡重（t）； L自平衡重重心至塔机回转中心线的水平距离； G起重臂自重； a自起重臂重心至塔机回转中心线的水平距离； Q吊载（最大幅度吊载）； q变小车及吊钩滑轮的重量（t）; L幅自起重臂端头变幅小车中心至塔机回转中心线水平距离或最大幅度（m）;QTZ125塔式起重机参照同类型塔机，取各部件参数如下：表2-4 塔式起重机各部件对塔身的中心力矩序号名称重量(t)数量坐标（m)力矩（tm)1底架3.1841002斜撑杆0.2234003塔身22.931004液压顶升系统0.431-1-0.435套架4.6731006下支座2.2321007回转支撑0.421008上支座1.4361009回转机构0.49620010回转塔身1.39710011平衡臂2.6691-7.15-19.08312平衡重20.781-14.3-297.2413起升机构2.61-11-28.614平衡臂拉杆0.9241-7-6.46815电气系统0.1510016塔顶1.93210017限制器0.0191-0.8-0.015618司机室0.24410.80.195219变幅机构0.2916.11.76920起重臂拉杆2.3117.6540.59521起重臂7.166132.4232.17822载重小车0.37516323.62523吊钩组0.3516322.0524附墙架1.27460025回转限制器0.001541-0.8-0.0012326基础8010027求和158.504-31.4254根据参数代入公式得：=7.16625132.1+（1.3+0.725）63 =B14.3衡臂长为L,L=14.3m,取平衡重为20.786t。2.5起重特性曲线在臂长为63米时，起重量均按最大幅度63起重力矩为125吨米计算。由上表可知,在幅度为63，物品、小车、吊钩及钢丝绳对塔身中心的力矩: M =1.3 63= 81.9tm幅度为R时，物品、小车、吊钩及钢丝绳对塔身中心的力矩：M=(10+0.725)(R-0.9) （2）由以上两式得：Q = M /(R-0.95)- 0.725（3）满载时Q=10，求得： 满载时幅度R=12.8m其中： Q起重量（t）M最大起重力矩（tm）R幅度（m）计算各幅度时起重量并列于下表2-5：表2-5吊臂在各幅度时的起重量 四倍率 二倍率力矩幅度起重量（t)力矩幅度起重量127.62712.81012522.75127.627139.8227272125.7234.96504127.627149.0175572125.7244.71872127.627158.3265957125.7254.49284127.627167.7271523125.7264.28496127.627177.2021739125.7274.09300127.627186.7385964125.7283.91522127.627196.3262430125.7293.75008127.627205.9570680125.7303.59630127.627215.6246268125.7313.45274126.5225.2702606125.7323.31840126.5234.9989819125.7333.19244126.5244.7511904125.7343.07409126.5254.5239626125.7352.96268126.5264.3148406125.7362.85762126.5274.1217433125.7372.75838126.5283.9428966125.7382.66448126293.7589857125.7392.57552126303.6048969125.7402.49111126313.4610465125.7412.41091126323.3264469125.7422.33461126333.2002336125.7432.26193126343.0816465125.7442.19263125.9352.9670821125.7452.12647125.9362.8618945125.7462.06324125.9372.7625346125.7472.00276125.9382.668531125.7481.94485125.9392.5794619125.7491.88934125.9402.4949488125.7501.8361125.9412.4146508125.7511.78498125.9422.3382603125.7521.73586125.9432.2654988125.7531.68862125.9442.1961136125.7541.64317125.9452.1298752125.7551.59939125.9462.0665742125.7561.55721125.9472.0060195125.7571.51653125.9481.9480360125.7581.47727125.9491.8924636125.7591.43937125.9501.8391547125.7601.40275125.9511.7879740125.7611.36734125.9521.7387964125.7621.33310125.9531.6915067125.7631.3125.8541.6441148125.8551.6003234125.8561.5581216125.8571.5174242125.8581.4781523125.8591.4402323125.8601.4035956125.8611.3681780125.8621.3339198125.752631.3绘制起重特性曲线如下：2.6塔机风力计算表2-6 风压选择序号适应情况风压Pa1正常工作状态计算风压，用于计算结构的疲劳强度和发热验算1502工作状态最大计算风压，用于计算结构的强度、刚度、稳定性和整体抗倾翻稳定性2503非工作状态计算风压，用于计算结构的强度、刚度、稳定性和整体抗倾翻稳定性0-20m 80020-40m 1100塔式起重机一般都是在露天工作，因此必须考虑风载荷的作用，并认为风载荷是可沿任意方向作用的水平力。塔式起重机风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风载荷两类。工作状态风载荷是指塔式起重机在正常工作情况下所能承受的最大计算风力，又分为正常工作状态Fw1和工作状态最大风载荷Fw2两种。非工作状态风载荷Fw3是塔式起重机在非工作状态时所受的最大计算风力(如暴风产生的力)。根据GB/T 13752-92塔式起重机设计规范-p7-4.2.2.1.2之规定，参照参考书目1-p15-表1-3-9 （GB3811-83）风压选择如表2-6所示。2.6.1工作工况 风载荷方向与起重臂方向垂直。1.平衡臂风力计算1）风力系数选取根据GB/T 13752-92塔式起重机设计规范-p8-4.2.2.1.3-b之规定，平衡臂可视为两片平行平面桁架组成的空间结构，其整体结构的风力系数可取为单片结构的风力系数，护栏为管结构，由表8，取1.4。图2-18 工作工况示意图2）由平衡臂的设计尺寸计算迎风面积 根据GB/T 13752-92塔式起重机设计规范-p8-4.2.2.1.4-b之规定，对于两片并列等高型式相同的结构，考虑前片对后片的挡风作用，总迎风面积为： 式中：前片结构的迎风面积，；后片结构的迎风面积，；两片相邻桁架前片对后片的挡风折减系数，与前片桁架充实率1及两片桁架间隔比ls/h有关，按表10选取则结构迎风面积已知： ls=1.22 m, ls/h=1.22/1.0051由表9、表10选取 =0.3 =0.57代入得，A=0.314.3+0.570.314.3=6.735 m23）根据GB/T 13752-92塔式起重机设计规范-p7-4.2.2.1.1之规定，风力计算公式: 式中：作用在塔式起重机上和物品上的风载荷（FW1，FW2），N；风力系数；计算风压，Pa；A垂直于风向的迎风面积，m2。已知：=1.4；=250Pa；A=6.735m2代入得， =1.42506.735=2357.355 N =-7.15 m2.起升机构风力计算起升机构迎风面积按实体计算，则可知结构充实率=1 A取其近似值A=11.290.7=0.903 m2=1.2=250Pa代入得， =1.22500.903=270.9 N =-5.786 m3.平衡重风力计算平衡重迎风面积按实体计算，可知结构充实率=1A由平衡重尺寸取其近似值A=11.72.8=4.76m 取=1.2=250Pa代入得，=1.22504.76=1428 N =-14.3 m平衡臂及其上构件合计 =2357.355+270.9+1428=4056.255N=2357.3557.15+270.95.786+142814.3=38842.92Nm=-9.57m4.起重臂风力计算本次设计的QTZ125塔式起重机的起重臂的结构形式为：上弦杆为无缝圆管，下弦杆为角钢焊合箱形截面管，腹杆为圆管的三角形节面空间结构，此工况下受侧向风力作用。三角形截面空间结构的风载荷按其垂直于风向的投影面积所受风力的1.25倍计算。已知：结构充实率=0.4A=0.40.863=20.16m2=1.3=250Pa代入得，=1.251.325020.16=8190 N =32.4m5.牵引机构风力计算牵引机构迎风面积按实体计算轮廓外形已知：结构充实率=1A取其近似值 A=10.450.49=0.22m2=1.2=250Pa代入得， =1.22500.22=66 N =6.1 m起重臂及其上构件合计 =8190+66=8256 N =819032.4+666.1=265758.6 Nm=265758.6/8256=32.19m6.塔顶风力计算三角形截面空间结构的风载荷按其垂直于风向的投影面积所受风力的1.25倍计算。已知：结构充实率=0.3A取其近似值 A=0.30.57.21.36=1.469m2=1.2=250Pa代入得， =1.22501.251.469=550.875 N =0 m7.上下支座风力计算上下支座迎风面积按实体计算。已知：结构充实率=1A取其近似值 A=10.41（2.5+3.0）=2.255m=1.2=250Pa代入得， =1.22502.255=676.5N =0 m8.塔身风力计算塔身为型钢制成的桁架结构，已知：结构充实率=0.35 ,挡风折减系数=0.64A取其近似值=0.35（1+0.64）1.83547.5=50.03m =1.2 =250Pa代入得， =1.225050.03=15009.38N =0 m 2.6.2工作工况 风载荷方向与起重臂方向平行。思维，拓宽学生的们综合运用所学知识分析和解决问题的能力。启发学生2-19工作工况1.平衡臂风力计算1） 已知：结构充实率=0.3A取其近似值 A=0.32.971.5=1.34 m2=1.4 =250Pa代入得， =1.42501.34=469 N2.起升机构风力计算起升机构迎风面积按实体计算。已知：结构充实率=1A取其近似值 A=11.430.68=0.97m=1.2 =250P代入得， =1.22500.97=291 N3.平衡重风力计算平衡重迎风面积按实体计算。已知：结构充实率=1A由平衡重尺寸取其近似值 A=11.82.84=5.04m2=1.2=250Pa代入得，=1.22505.04=1512 N平衡臂及其上构件合计 =469+291+1512=2272 N4.起重臂风力计算n片型式尺寸相同，且间隔相等的并列结构在纵向风力作用下，总迎风面按下式计算：式中：=0.41.71.9/2=0.646m2结构充实率=0.4=0.4则 A=（1-0.4）0.40.646/（1-0.4）=0.431 m2已知：=1.3=250Pa代入得， =1.32500.431=140.075N5.牵引机构风力计算牵引机构迎风面积按实体计算轮廓外形。已知：A取其近似值 A=11.50.45=0.675m2=1.2 =250Pa代入得，=1.22500.675=202.5 N起重臂及其上构件合计=140.075+202.5=342.575N6.塔顶风力计算已知：结构充实率=0.3A取其近似值 A=0.31.77.20.5=1.9m2 风力系数=1.2 计算风压=250Pa代入得， =1.22501.251.9=712.5N7.上下支座风力计算上下支座迎风面积按实体计算。已知：结构充实率=1A取其近似值 A=10.41(2.5+3.0)=2.255m2风力系数=1.2 计算风压=250Pa代入得， =1.22502.255=676.5N8.塔身风力计算 =15009.38 N2.6.3工作工况 风载荷方向与起重臂方向平行（吊臂与平衡臂旋转45）。图220 工作工况III1.平衡臂风力计算 已知：结构充实率=0.3A取其近似值 A=0.32.971.5=1.34 m2=1.4=250Pa代入得，=1.42501.34=469 N2.起升机构风力计算起升机构迎风面积按实体计算。已知：结构充实率=1A取其近似值 A=11.430.68=0.97m=1.2 =250Pa代入得，=1.22500.97=291 N3.平衡重风力计算平衡重迎风面积按实体计算。已知：结构充实率=1A由平衡重尺寸取其近似值 A=11.82.8=5.04m2=1.2 =250Pa代入得，=1.22505.04=1512 N平衡臂及其上构件合计 =469+291+1512=2272 N4.起重臂风力计算n片型式尺寸相同，且间隔相等的并列结构在纵向风力作用下，总迎风面按下式计算：式中：=0.41.71.9/2=0.646m2结构充实率=0.4=0.4则 A=（1-0.4）0.40.646/（1-0.4）=0.431 m2已知：=1.3=250Pa代入得， =1.32500.431=140.075N5.牵引机构风力计算牵引机构迎风面积按实体计算轮廓外形。已知：A取其近似值 A=11.50.45=0.675m2=1.2=250Pa代入得，=1.22500.675=202.5 N起重臂及其上构件合计=140.075+202.5=342.575N6.塔顶风力计算已知：结构充实率=0.3A取其近似值 A=0.31.77.20.5=1.9m2 风力系数=1.2计算风压=250Pa代入得， =1.22501.251.9=712.5N7.上下支座风力计算上下支座迎风面积按实体计算。已知：结构充实率=1A取其近似值 A=10.41(2.5+3.0)=2.255m2风力系数=1.2计算风压=250Pa代入得， =1.22502.255=676.5N8.塔身风力计算在此种工况下，风对着矩形截面空间结构对角线方向吹，矩形截面边长比为1：12，风载荷取为风向着矩形边长作用时的1.2倍，即=1.215009.38=18011.256 N2.6.4非工作工况 风载荷方向与起重臂方向平行。非工作工况下的风压0-20m 800 Pa；20-40m 1100 Pa，此种状态下，风对塔机的作用方向与工作工况相同。图221非工作工况IV1.平衡臂风力计算 已知：结构充实率=0.3A取其近似值 A=0.32.971.5=1.34=1.4=1100Pa代入得， =1.411001.34=1474 N2.起升机构风力计算起升机构迎风面积按实体计算。已知：结构充实率=1A取其近似值 A=11.430.68=0.97=1.2=1100Pa代入得， =1.211000.97=1280.4 N3.平衡重风力计算平衡重迎风面积按实体计算。已知：结构充实率=1A由平衡重尺寸取其近似值 A=11.82.8=5.01=1.2=1100Pa代入得， =1.211005.04=6652.8 N平衡臂及其上构件合计=1474+1280.4+6652.8=9407.2 N4.起重臂风力计算n片型式尺寸相同，且间隔相等的并列结构在纵向风力作用下，总迎风面按下式计算：式中：=0.41.71.9/2=0.646m2结构充实率1=0.4=0.4则 A=（1-0.4）0.40.646/（1-0.4）=0.431 m2已知：=1.3 =1100Pa代入得， =1.311000.431=616.33 N5.牵引机构风力计算牵引机构迎风面积按实体计算轮廓外形。已知：A取其近似值 A=11.50.45=0.675m2=1.2=1100Pa代入得， =1.211000.675=891 N起重臂及其上构件合计=616.33+891=1507.33 N6.塔顶风力计算已知：结构充实率=0.3A取其近似值 A=0.31.767.20.5=1.9m2风力系数=1.2计算风压=1100Pa代入得， =1.211001.251.9=3135N7.上下支座风力计算上下支座迎风面积按实体计算。已知：结构充实率=1A取其近似值 A=10.41(2.5+3.0)=2.255风力系数=1.2计算风压=1100Pa代入得，=1.211002.255=2976.6 N8.塔身风力计算塔身为钢管制成的桁架结构,已知:结构充实率=0.35，A取其近似值=50.03m，风力系数=1.2 计算风压 020m=800Pa 2036m =1100Pa代入得，025m， =1.280050.0325/47.5=25278.3N 2547.5m，=1.2110050.0322.5/47.5=31281.92 N2.7整机的抗倾翻稳定性起重机抗倾翻稳定性是指起重机在自重和外载荷作用下抵抗翻倒的能力，保证起重机具有足够的抗倾覆稳定性，是起重机设计中的基本要求之一。塔式起重机重心高，工作半径大，而支撑轮廓尺寸又相对较小，一旦失去稳定就可能造成重大“倒塔”事故。要对塔式起重机工作状态的抗倾翻稳定性，非工作状态的抗倾翻稳定性，安装、拆除时的抗倾翻稳定性进行验算。根据塔式起重机设计规范GB/T13752-92，塔式起重机抗倾翻稳定性应按下表所列工况进行校核。表中各工况的稳定条件规定为，塔式起重机及其部件的位置，载荷的数值和方向取最不利组合条件下，包括自重载荷荷在内的各项载荷对倾翻边的力矩代数和大于零.表 2-7验算工况工 况说 明1.基本稳定性工作状态，静态，无风2.动态稳定性工作状态，动态，有风3.暴风侵袭非工作状态4.突然卸载工作状态，料斗卸载注：起重臂能随风回转的塔式起重机，工况3的风向由平衡重吹向起重臂方向。（即M大于零），则认为该塔式起重机是稳定的。起稳定力矩的符号为正，起倾翻作用的力矩符号为负并乘以1.1-1.2的增大系数。校核时，各项载荷应根据GB/T 13752-92塔式起重机设计规范-p12-4.3.2-表13之规定，乘以相应的载荷系数。2.7.1工作工况验算基本稳定性，工作状态，静态无风。1.平衡臂部分（平衡臂、起升机构、平衡臂拉杆、平衡重）=2.669（7.15+2.3）+2.6（5.786+2.3）+0.924（7+2.3）+20.786（14.3+2.3）=399.89 tm2.起重臂部分（吊臂、变幅机构、载重小车、吊臂拉杆、吊钩及钢丝绳、物品）=7.166（32.4-2.3）+0.29（6.1-2.3）+0.37563+2.3（17.65-2.3）+0.3563+1.363=379.7tm3.塔身部分（塔顶、上下支座、回转机构、回转支承、司机室、套架、塔身）=(1.932+1.436+2.232+0.496+1.397+4.673+22.932)2.3=80.684 tm4.基础部分=802.3=184tm =399.89+80.684+184-1.2379.7=208.9 tm0此工况下，塔机稳定可靠。2.7.2工作工况验算动态稳定性，工作状态，动态有风。1. 平衡臂部分（平衡臂、起升机构、平衡臂拉杆、平衡重）=399.89tm2.起重臂部分（吊臂、变幅机构、载重小车、吊臂拉杆、吊钩及钢丝绳、物品）=238.5 tm3.塔身部分（塔顶、上下支座、回转机构、回转支承、司机室、套架、塔身）=80.684tm4.基础部分=184tm5.惯性载荷塔式起重机或起重小车与缓冲器碰撞时，作用在结构上的碰撞载荷Fc按缓冲器吸收的动能计算，碰撞瞬间之前塔式起重机或起重小车的运行速度取为0.71.0倍最大正常工作速度。在设有可靠的自动减速控制装置时取小值。碰撞载荷Fc可按刚体运动模型计算（不考虑悬吊物品的影响），并乘以弹性振动载荷系数7考虑系统弹性振动的影响。对于塔式起重机常用的弹簧缓冲器，可取7为1.25；对其他缓冲器，按其性能7在1.251.6之间选取。本设计中碰撞瞬间之前起重小车的运行速度取为0.8倍最大正常工作速度，弹性振动载荷系数7取为1.25。6.坡度载荷考虑支承面倾斜，沉陷产生的载荷。7.风载荷=（2272+342.575+7125+676.5）47.5+15009.3823 =84 Nm = =399.89-1.2379.7+80.684+184-1.284=124.9tm0此工况下，塔机稳定可靠。2.7.3非工作工况暴风侵袭，非工作状态，风向由平衡臂吹向起重臂，有向后翻的倾向。1.平衡臂部分（平衡臂、起升机构、平衡臂拉杆、平衡重）=275.78tm2.起重臂部分（吊臂、变幅机构、载重小车、吊臂拉杆、吊钩及钢丝绳）=320.4tm3.塔身部分（塔顶、上下支座、回转机构、回转支承、司机室、套架、塔身）tm4.基础部分=184tm5.风载荷=90.9tm = -1.2 + =-1.2275.78+320.4+80.684+184+90.9=345tm0此工况下，塔机稳定可靠。2.7.4工作工况突然卸载，工作状态，料斗卸载，有向后翻的倾向。1.平衡臂部分（平衡臂、起升机构、平衡臂拉杆、平衡重）=275.78tm2.起重臂部分（吊臂、变幅机构、载重小车、吊臂拉杆、吊钩及钢丝绳、物品）=7.166（32.4-2.3）+0.29（6.1-2.3）+0.37563+2.3（17.65-2.3）+0.3563+1.363=238.5tm3.塔身部分（塔顶、上下支座、回转机构、回转支承、司机室、套架、塔身）=80.684tm4.基础部分=184tm5.风载荷 =9407.247.5+1507.33+3135+2976.6+25278.312.5+31281.9237=228 tm=-1.2275.78+238.5-1.280.684+184+228=222.7tm0此工况下，塔机稳定可靠。第三章 塔身的设计计算3.1塔身的总体模型塔身一般由许多标准节组成，每一个标准节具有相同的拓扑形状、几何尺寸和截面类型。塔身由竖向的立柱和斜向腹杆构成，立柱主要承担竖向的荷载，腹杆则主要配合立柱受力，它主要在塔身承受扭转时发挥作用。 根据总体设计，本机采用角钢格桁架结构塔身，整体式标准节，截面尺寸采用1.835m1.835m,标准节长度2.5m。标准节用无缝钢管焊接而成，节高2500m.在标准节下部管口处车有定位止口，而另一端焊有定位凸台，靠相应的接合面定位。上下端各有8个M30的40Cr螺栓联接。标准节之间采用套柱联接。各标准节均设有供人上下的爬梯，每三个标准节设置一个休息台。爬梯宽度500mm,从高2m处开始装设直径为700mm的安全护圈，相邻两护圈间距为500mm。安全护圈之间用3根均布的竖向系条相联。休息平台铺板可用防滑花纹钢板或穿孔板、拉网板制成。休息平台设置牢固的护栏，护栏立柱高度应不小于1000mm，立柱间设置水平栏杆，第一道水平栏杆距离铺板高度为450mm，立柱底部设有高度70mm的挡脚板。塔身标准节外部4根立柱之间的水平距离为1800mm，两层水平杆之间的高度为2500mm。立柱上下两端突出短节的高度为80mm，标准节立柱为方钢管140 *8，斜腹杆为100*5，料为16Mn。3.2 塔身的受力分析及验算3.2.1.塔身的受力分析塔身受力分工作和非工作两种状态，两种状态分析方法相同。塔身上的载荷有：塔身自重，上部臂架和平衡臂上各种载荷对塔身产生的作用力，起重机运行、回转机构起、制动时由塔身质量产生的水平惯性载荷及作用于塔身上的风载荷等。以上各种载荷，要按最不利工况时的载荷组合作为塔身计算的基本依据。对于上回转塔式起重机的不转动他身，一般选取下面两种最不利于工作状态的计算工况：(1)臂架位于塔身对角线上，风由平衡臂向臂架方向吹，即风沿臂架方向，如图所示。当为小车变幅时，取载重小车在最大幅度计算塔身不回转部分的主弦杆。(2)臂架垂直于起重机轨道，风沿轨道方向，即垂直于臂架吹，如图所示。对于两种变幅形式的塔身，都取最大幅度计算塔身的腹杆和回转部分的主弦杆。(3)臂架垂直于塔基运行轨道，风由臂架吹向塔架方向。工作状态下，起重机的4个工作机构中有几个同时产生水平惯性载荷，要根据操作的实际可能性来决定，通常取影响较大的三种运动的组合。离心力可以忽略不计，因为它不仅数值很小，而且臂架和平衡臂两侧的离心力又能相互抵消。塔身在非工作状态下的计算工况与上面类似，只要按塔式起重机载荷作用和臂架位置的实际情况加以取舍。对于独立塔身，可看作上端自由下端固定的压弯杆件。1） 塔身所受荷载塔身顶端作用有上部回转部分重量产生的全部轴向力、吊臂及起升荷载等产生的不平衡力矩（端弯矩）、回转部分产生的扭矩，塔身作用有塔基运行和回转部分产生的水平惯性力（固定式塔身不记该项）、风力。塔顶轴向力为：1式中 相应幅度最大额定起升载荷；起重小车、吊臂、平衡重的重量；配重、塔帽的重量；回转装置、起升机构的重量；前后拉索的重量；代入数据得： =40.968t塔顶端弯矩为：1式中 最大幅度；各部分重心距离；代入数据得： =72.631t.m按工况2塔顶扭矩为：1式中 回转时起升载荷的水平力；回转部分产生的回转惯性扭转力矩之和；回转部分风力扭转力矩之和；1. 回转时起升载荷所受水平力式中 重力加速度；速度变化量（m/s）；加速或减速时间(s)；角速度变化量；代入数据得：；2. 回转部分产生的回转惯性扭转力矩之和1代入数据得： =3. 回转部分风力扭转力矩之和；= =570.013故塔顶扭矩为= =571.93 按工况3,塔顶所受水平力为：小车运行惯性力；代入数据得：3.2.2 塔身内力计算及组合塔身与底架连接的截面11（见图31）为塔身危险截面。底架若带有斜撑杆，斜撑杆与塔身连接的截面为危险截面。计算各工况下危险截面的轴向力、弯矩、扭矩、及剪力。计算塔身稳定性时，塔顶的轴向力为：，为塔身重量。对工况3计算塔身强度时，塔身危险截面的内力为轴向力：式中 塔身标准节重量； 塔身标准节数；代入数据得： 弯矩：1代入数据得：+ =塔身危险截面的剪力为：式中 塔身风载荷；代入数据得：=27.3+2272+712.5+342.575+676.5+211.92 =21072.062N对工况1计算塔身强度时，危险截面内力为扭矩：轴向力：弯矩：其中，塔顶水平力为：式中 小车运行惯性力代入数据得：而 所以弯矩为：= =剪力为：代入数据得：=687607.52N对工况1计算塔身强度时，与工况3类似，轴向力：弯矩：其中代入数据得： =6768.46N =5192.82N=1445333.511Nm=1457606.95Nm剪力：代入数据得： =24246.17N3.2.3 塔身整体稳定性和强度验算1.整体稳定性验算本设计的塔身为独立式塔身，其力学模型可看作是一端独立一端自由的压弯杆件，故可按下面公式以塔身根部的内力组合进行稳定性验算：式中 塔身横截面所受轴向力； 系数，对空间桁架结构，=1； 、塔身上端部截面对轴、轴的弯矩，考虑到塔身安装后可有初始弯曲，在轴、轴方向上存在偏移量、，在、上应加上附加弯矩、进行计算； 、由横向荷载引起的塔身危险截面对轴、轴的弯矩；、横向荷载弯矩系数，对于均布横向荷载产生的弯矩，取1.0；对于集中横向荷载产生的弯矩，则，；、塔身对轴、轴的临界欧拉荷载，；、四肢杆构件的换算长细比，,；、塔身截面对轴、轴的长细比，其中、是构件对轴、轴的计算长度，、是构件截面对轴、轴的回转半径；、分别垂直于轴、轴的塔身截面内腹杆截面积之和； 塔身截面弦杆总面积；、塔身截面相对于轴和轴的抗弯模量 。其中 = 对于工况1，代入数据得：=故 故稳定性可靠。对于工况2，代入数据得：=,故稳定性可靠。 对于工况3，代入数据得：=15590.217=1128289.545故=31.69,故稳定性可靠。2强度验算对于工况1,代入数据得：对于工况2,代入数据得：对于工况3,代入数据得：工况1、2、3均满足，故强度可靠。3塔身刚度验算对于较高的塔身，要校核其动态刚度，以防止因外界周期性的干扰而引起的共振。同时，计算风载荷时，也应该考虑风振对塔身振动的影响。在工况的条件下，考虑到风载荷的作用，还应控制塔顶的水平位移，使得：式中 塔身与吊臂根部连接点处的水平位移；塔身与吊臂连接点处至地面高度；对附着式塔机，为塔身与吊臂连接点处至最高一个附着点的垂直高度。 塔顶最大水平位移可采用下式近似计算： （4）式中 塔身所受的横向载荷；塔身的抗弯刚度；塔身上端部的弯矩；塔身均布横向载荷；塔顶上作用的轴向力，应计入塔身自身重力的1/3；欧拉临界载荷。由总体设计：横向载荷 上端部的弯矩 塔顶上作用的轴向力 作用在塔身上的风力为 所以： 单肢的截面尺寸 所以水平位移： ，故刚度可靠。4. 分肢（主弦杆）验算对于正方形截面塔身，腹杆内力平面主要内力是平衡截面剪力扭矩，而弦杆内力主要是平衡截面弯矩和轴向力。可先根据外载荷求出危险截面上的弯矩、及轴向力，继而求得弦杆内力，按工况2内力验算：式中 、计算截面上的弯矩； 计算截面上的轴向力； 计算截面上的弦杆内力； 塔身截面宽度；代入数据得：=638.82KN分肢稳定性验算：式中 根据塔身分肢件长细比查得的轴心压杆系数，其中是分肢计算长度，是分肢型钢截面的最小回转半径； 主弦杆截面积； 塔身标准节主弦杆节点间的距离；代入数据得： =53.105=23.54查附表32插值得=0.95。 16Mn的许用应力前面计算已经查得，所以，所设计主弦杆强度符合要求。5.缀条（腹杆）计算求塔身在扭矩作用下产生在桁架上的力，与横向载荷产生的力叠加后，求出在该截面每片桁架上的剪力。然后根据腹杆系的布置求出内力，进而计算腹杆的强度及稳定性。侧面的桁架所受剪力为： 代入数据得：斜腹杆内力为：代入数据得：腹杆稳定性验算：式中 根据斜腹杆长细比查得的轴心压杆系数，同分肢验算可得=0.94； 斜腹杆截面积； 斜腹杆水平夹角；带入数据得： =290.8 Mpa,所设计斜腹杆强度符合要求。6. 连接套焊缝强度的计算如图可以将焊缝近似看成等腰角焊缝，其计算厚度或有效厚度为，侧焊缝的长度为。所选焊缝材料16Mn的许用切应力为： 。有因为侧焊缝主要受剪破坏，所以按受剪计算其强度：所以设计的焊缝强度满足要求。图3-2焊缝示意图7高强度螺栓强度的计算在塔身标准节下部管口处，车有定位止口，而另一端则焊有定位凸台，靠相应的接合面定位。上下端各用8个M40的40Cr螺栓联结。单纯受拉的螺栓连接在起重结构中比较少见，而受拉又受剪的螺栓比较常见。在QTZ125塔式起重机中连接标准节的高强度螺栓就同时受拉和受剪。螺栓所受最大拉力的计算： 弯矩使角点上的螺栓产生最大的拉力，而垂直压力则使螺栓中的最大拉力减小。螺栓的最大拉力计算如下： 式中：螺栓所承受的最大拉力；塔机各部件对塔机回转中心的力矩和，高强度螺栓的单栓承载力，,由查4预紧力， 。将数据代入上式得：螺栓的许用剪力计算如下：故有：所选螺栓的强度符合要求。方法，即在已知、和的情况下，先算出和的值再查出相关的值，然后按求值。经查表计算得为788.17kN（相关表格见79年版液压液传动设计手册453页），显然液压缸满足稳定性条件。（2）活塞杆稳定性验算在液压缸处于稳定工作状态，即活塞感受到的轴向压力小于液压缸稳定临界压力时，由于初始挠度的存在，活塞杆将同时受到压缩和弯曲。 =2.509cm 2.腹杆： 1005, L=1980mm 腹杆截面积A=21.631第4章 变幅机构的设计和计算4.1变幅机构的形式塔式起重机的变幅机构可按下列形式分类：1.按运动形式可分为臂架摆动式变幅机构（动臂式）和运行小车式变幅机构（小车式）QTZ125塔式起重机是通过移动牵引起重小车实现变幅的。工作时吊臂安装在水平位置，小车由变幅牵引机构驱动，沿着吊臂轨道（弦杆）移动。小车变幅的优点是：变幅时物料做水平移动，安装就位方便；速度快、功率省；幅度有效利用率大。其缺点为：吊臂承受较大的弯距，结构笨重，用钢量大。2.按工作性质分为非工作性变幅和工作性变幅非工作性变幅机构只在起重机空载时改变幅度，调整取物装置的作业位置。其特点是变幅次数少，变幅时间对起重机的生产率影响小，一般采用较低的变幅速度；工作性变幅机构用于在带载条件下变幅、变幅过程是起重机工作循环主要环节的情况。变幅时间对起重机的生产率有直接影响，一般采用较高的变幅速度。3.按臂架变幅性能分为普通臂架变幅和平衡臂架变幅 普通臂架变幅机构变幅时会同时引起臂架重心和物品重心升降，耗费额外的驱动功率，适用于非工作性变幅，在偶尔需要带载变幅时，也可应用；平衡臂架变幅机构采用各种补偿方法和臂架平衡系统，使变幅过程中重心物品沿水平线或近似水平线移动，臂架及其平衡系统的合成重心高度基本不变，从而节省驱动功率，适用于工作性变幅。4.2 确定卷筒的尺寸4.2.1 卷筒的名义直径D 式中 D-卷筒名义直径； d-钢丝绳直径，d = 11 mm； e-筒绳直径比，由起重机设计手册p228表3-3-2选取，取e = 14； 为了避免卷筒的体积太大，初取D =250mm。 由起重机设计手册p228表3-3-1可知： 绳槽半径 ；绳槽深度（标准槽） ；绳槽节距（标准槽） ；卷筒计算直径 ；钢卷筒壁厚 。4.2.2 多层绕卷筒相关参数计算1.卷筒面上钢丝绳卷绕圈数 取Z=218圈式中 n-卷绕层数，一般取n = 36,取n = 4； -安全圈数，取。2.卷筒长度 3.由起重机设计手册p169 公式 2-6-11可知 式中 x-工作幅度；m-滑轮组倍率4.由起重机设计手册p94 公式 2-2-3可知卷筒转速 4.3. 选择电动机、减速器、制动器、联轴器4.3.1选择电动机1. 计算电动机的静功率 式中 -包括臂架及平衡系统的自重、起升载荷、由计算风压产生的风载荷等分力之和，在各变幅位置时的值中取其最大值。V-变幅速度，V=57m/min。 -机构总效率，按下式计算 其中滑轮总效率，见【3】表3-2-11，取 导向滑轮效率，见表2-2-3，取 卷筒效率 传动效率，见表2-2-4，取 2 .选择电动机功率根据机构级别工作级别、作业特点以及电动机的工作特性，同时为了满足电动机起动和不过热要求，所选电动机的额定功应满足下式： 式中 G-稳态负载平均系数，见起重机设计手册表2-2-5取G=0.8；故选择多速三相异步电动机，根据【3】表5-1-13选取型号为 ：YZR160M2-6-930r/min-5.5KW4.3.2 选择减速器选用标准型号的减速器时，其总设计寿命一般应与它所在机构的利用等级相符合。一般情况下，可根据传动比，输入轴的转速，工作级别和电动机的额定功率来选择减速器的具体型号并使减速器的许用功率P满足下式： 式中 -在基准接电持续率时的电动机额定功率（KW）。 K-选用系数，根据减速器的型号和使用场合确定,取K=1.5。根据变幅机构的传动比 ，再综合考虑布置限制，由起重机设计手册p413表3-10-5可知选择QJR-236-20-CW型减速器。特点：箱体为焊接结构，外形美观，自重轻，单位重量传递的扭矩较大。4.3.3 变幅机构制动器的选择变幅机构的制动器要求可靠耐用，因为制动性能的好坏直接影响安全和就位准确性。大体有以下几种形式：1. 电磁抱闸：是由弹簧力紧锁闸瓦，抱住制动轮。电1磁线圈通电，弹簧压缩，松开闸瓦，让电机旋转。这种制动器用途最广，但是随着起重量的增加，已经适应不了要求，可靠性降低。2. 电力液压推杆制动器：是用一个很小的电液泵带动一推杆来压缩弹簧，代替上面所述电磁铁的作用，以松开闸瓦，其它部分还是抱闸结构，但是它的力量和行程比电磁铁大，所以使用范围大，工作可靠。3. 盘式制动器：是一种由电磁铁控制的圆盘形端面摩擦制动器，常常装在电动机尾部，不再要制动轮。它结构紧凑，但是制动轮力矩小，而且易磨损，在垂直提升的起升机构上往往不适应，容易打滑。4. 锥形转子电机制动器：它是锥形转子的电机特有的功能，其尾部带有一个梯形截面的制动盘。当断电时，靠弹簧力推动转子轴向移动，梯形盘斜边锥面产生制动；当通电时电机电磁力自动压缩弹簧，使制动盘离开制动面，解除制动。它不需要另加电磁线圈，而且制动力矩比平面的盘式制动器好，一般用于小的起升机构。在货物处于悬吊状态时具有足够的安全裕度，制动转矩应满足下式要求： 式中 -制动器制动转矩，Nm。 -制动安全系数，与机构重要程度和机构工作级别有关，由起重机设计手册表2-2-7，取=1.5。p-变幅时的最大载荷，N。D0-卷筒卷绕直径，mm。 m-滑轮组倍率。-机构总效率。 i-传动机构传动比。综上所述，选择电磁铁制动器，根据机械设计手册第五卷P120表6-2选择型号MWZ5400/1250，制动力矩是，制动瓦退距是1.0mm，制动轮直径是400mm。4.3.4变幅机构联轴器的选择 在变幅机构上，有输入联轴器和输出联轴器两种不同形式，分别接在减速器的输入轴和输出轴上。1. 输入联轴器:输入联轴器转速高，传递的力矩较小，但起动时常受冲击，所以也必须、有足够的强度。通常用的有弹性柱销式联轴器，这种联轴器简单，用的也多，但毛病也多，主要是弹性橡胶圈很容易损坏；在变幅机构中用的较多是梅花形联轴器，它是由两个联轴节里嵌入尼龙作的一个梅花形传动块，即能受冲击，也没有多大的声响。综上所述，选择弹性柱销式联轴器。2. 输出联轴器输出轴联轴器转速低，传动的力矩大。在起升机构中常用的有齿轮联轴器，它是由内外齿轮它的应用较普遍。另一种是十字滑块联轴器，它是在两个联轴相嵌套来传递力矩，又能略微调节轴线方位角，节之间加一个盘式十字滑块，既传递力矩，又吸收微小的不同心。综上所述，选择齿轮联轴器。依据所传递的扭矩，转速和被联接的轴径等参数选择联轴器规格，变幅机构中的联轴器应满足下式要求：式中 T-所传扭矩的计算值（Nm）。Tmax-按第类载荷计算的轴传最大扭矩。对高速轴:在此 为电动机转矩允许过载倍数，Tn为电动机额定转矩 ，其中P为电动机额定功率（kw）,n为转速（r/min）；对低速轴: 在此为变幅载荷动载荷系数，取，Tj为钢丝绳最大静拉力作用于卷筒的扭矩（Nm）。 T-联轴器许用扭矩（Nm），由手册或产品目录中查得。 K1-考虑联轴器重要程度系数，对变幅机构，K1 =1.8（由手册表3-12-2选取）。 K2-考虑机构工作级别的系数，（由手册表3-12-3选取）对变幅机构， K2=1.0 K3-角度偏差系数，选用齿轮联轴器时其值见手册表3-12-4，低速轴K3 =1.25；对于高速轴取K3 =1。对于高速轴 查【3】P450表3-12-9，选用弹性套柱销联轴器，型号TL12许用扭矩是。对于低速轴 查【3】表3-12-7，选用齿轮销联轴器，型号CLZ6，许用扭矩是11200 。4.4. 验算变幅速度实际变幅速度：误差：实际所需等效功率： 4.5验算起、制动时间验算变幅机构起动和制动时，会产生加速度和惯性力。如起动和制动时间过长，加速度小，会影响起重机的生产率；如起动和制动时间过短，加速度太大，会给金属结构和传动部件施加很大的动载荷。因此，必须把起动与制动时控制在一定范围内。1. 起动时间验算 式中 n-电动机额定转速，r/min。Tq-电动机平均起动转矩，Nm,由起重机设计手册表2-2-8选取， 取Tq=（1.51.8）Tn。其中 可得 Tj-电动机静阻力矩，按下式计算 J-机构运动质量换算到电动机轴上的总转动惯量（kgm2），按下式计算： 其中 Jd-电动机转子的转动惯量（kgm2）。在电动 机样本中查取。取 Je-制动轮（0.6）和联轴器（0.64）的转动惯量（kg.m2）。 tq-推荐起动时间，由【3】表2-2-9选取，tq=12.5s。总上可得，1.23s 在 12.5s 之间,故符合要求。2. 制动时间验算 制动时间长短与起重机作业条件有关。满载下降制动时 式中 -满载下降时电动机转速（r/min）,通常取Tz-制动器制动转矩（Nm）。 -满载下降时制动轴静转矩（Nm），按下式计算 -下降时换算到电动机轴上的机构总传动惯量（kg.m2）。按下式计算 tz- 推荐制动时间（S），可取tz= tq=1.0S总上可见，制动器制动时间符合要求。4.6电动机发热校验小车变幅机构电动机发热校验采用GB/T 1375292 P80推荐的方法近似计算如下：式中：PJC电动机额定功率，其工作制为S3,接电持续率25%与实际机构的值相同，KW；nm电动机额定转速，nm=930r/min； 机构传动效率。式中Z为电动机每小时折算起动次数，查表5-6得Z=1501； Tre最不利工作循环的等效静阻力矩，按下式取近似值：式中 KG系数，对小车变幅机构KG=0.670.79，取KG=0.70； Tj 小车运行机构静阻力矩（Nm），按下式计算： 其中 Fj小车运行静阻力（N）； D车轮踏面直径，m； I 减速器的传动比； 机构传动效率。4.7 校验卷筒强度根据【5】P55式3-18验算，由于,这时弯曲和扭转应力很小，其合成应力一般不超过压应力的10%15%，一般忽略不计；因此只计算压应力。压应力：式中 A-多层卷绕系数,根据【5】P56表3-4来选取 n=4，所以取A=2.25 p-绳槽节距，p=14mm； -卷筒壁厚， -抗压强度极限，（为抗压强度极限）。 总上计算可得 ，所以卷筒满足条件。第5章 变幅小车的设计5.1 变幅小车的形式按照小车沿吊臂弦杆行走方式，小车式变幅机构分为自行式和绳索牵引式两类。前者驱动装置直接装在小车上，依靠车轮与吊臂轨道间的附着力，驱动车轮使小车运行，电动滑车沿吊臂弦杆行走就是这类变幅机构的典型例子。由于牵引力受附着力的限制，而且小车自重也比较大，故这种自行式小车变幅机构只适用于小型塔式起重机。绳索牵引式变幅机构的小车依靠变幅钢丝绳牵引沿吊臂轨道运行，其驱动力不受附着力的限制，故能在略呈倾斜的轨道上行走。又由于驱动装置在小车外部，从而使小车自重大为减少，所以适用于大幅度、起重量较大的起重机。在塔式起重机中大都采用绳索牵引式变幅机构，这样既可减轻吊臂载荷，又可以使工作可靠，而且因其驱动装置放在吊臂根部，平衡重也可略为减少。QTZ125塔式起重机多采用绳索牵引式5.2 变幅小车的设计5.21 绳索牵引式小车构造及其驱动方式1导向轮；2滚轮；3小车架；4起升绳导向滑轮；5横梁图5-1 牵引小车构造图5-1为绳索牵引小车的典型构造。除车架外，它装有行走滚轮、起升绳导向轮等零部件以及用来改变滑轮倍率的销子。变幅钢丝绳穿绕方式如图5-2所示。运行小车由设置在起重臂架上的牵引卷筒驱动。驱动卷筒通常分为普通牵引卷筒和摩擦卷筒两种。前者工作可靠，但牵引卷筒较长，而且要有两根钢丝绳。后者牵引卷筒及钢丝绳长度可减少一半，但必须装设张紧导向轮，且需经常调整牵引绳张力，以保证摩擦卷筒能正常工作。由于牵引力受限制，摩擦卷筒一般只用于小型塔式起重机上。 1运行小车；2、3、6导向滑轮；4、7变幅钢丝绳；5卷筒图5-2 变幅绳穿绕方式卷筒的传动机构可采用普通标准卷扬机。为了使尺寸更紧凑，目前已广泛采用行星摆线针轮和渐开线齿轮的少齿差减速器传动，而且在卷筒轴端部装有用蜗杆或链轮带动的幅度指示器及限位器，以确保工作安全。为了变幅时能保证重物作水平移动，起升绳的终端不能固定在运行小车上，而必须固定在起重臂架的端部，有起升绳固定在起重臂头部的绕法和起升绳固定在起重臂根部的绕法。后者起重绳需要较长，但由于在起重臂端部引出的起升绳起了支承起重臂的作用，使水平臂架受力性能改善。5.2.2运行小车牵引力计算运行小车式计算主要包括：牵引阻力计算，牵引绳最大张力计算，电动机功率计算。5.2.2.1牵引阻力计算运行小车沿着起重臂上的轨道行走时产生的阻力主要有：摩擦阻力W1，坡度阻力W2，惯性阻力W3，迎风阻力W4，起升绳阻力W5，牵引绳下垂引起的阻力W6。1 摩擦阻力W1主要包括车轮沿轨道的滚动摩擦阻力、车轮轴承中的摩擦阻力和车轮轮缘与轨道的摩擦阻力等，按下式计算: =1029N式中：FQ起升载荷，N；Fg小车自重，经结构设计估算为Fg =3759.8=3675N； f 车轮滚动阻力系数（cm），f=0.0250.04，此处取=0.03cmD 车轮直径，D=0.136m；K0附加阻力系数，K0=1.52.0。2坡度阻力W2起重臂由于承受载荷后变形而产生坡度。其阻力按下式计算： 3 .惯性阻力W3惯性阻力主要包括小车运行时起动惯性阻力W3，塔机回转时小车和重物的离心力W3”，分别按下式计算： 式中 v 小车运行速度，按最大速度取v =0.71m/s； t0小车起动时间（s），t0=v/a=1.32s，a为加速度， n塔式起重机的回转速度，取最大回转速度n=0.66 r/min； R工作幅度，m。4 .迎风阻力W4风作用在小车和载荷上引起的阻力，按下式计算： W4=q0A=2505=1250 （N） 式中 q0工作风压，按工作状态下最大的计算风压q0=0.613vw2,取q0=250N/m2；A重物和小车的迎风面积，依据结构设计估取A=5m2。5. 起升绳阻力W5起升绳阻力与起升绳所绕过的动滑轮和定滑轮及载荷有关。如图4-3所示，当小车向右移动时起升滑轮组中各分支张力为： 图5-3 牵引小车行走阻力, , ，。即, , ，。故作用在小车上的阻力： 式中 6 .牵引绳下垂度引起的阻力W6牵引绳下垂引起的阻力按下式计算： 式中； h牵引绳的垂度，一般取为；l钢丝绳自由悬垂部分长度，m。5.2.3 牵引绳最大张力作用在小车上的最大运行阻力W为上述阻力之和，按下式计算：W=W1+W2+W3+W4+W5+W6 =1029+3558.6+10338+1250+5158+925=22258.6（N）牵引绳的最大张力S（在驱动轮绕入端），按下式计算：式中。 5.2.4 选择牵引绳在牵引小车式变幅机构设计中，牵引绳用最大工作拉力法设计如下： d= 式中 d钢丝绳最小直径，mm；C选择系数（mm/），初选公称抗拉强度为1770MPa的钢丝绳，查表2-2取C=0.095；S钢丝绳最大工作静拉力，S=23430.1N选用钢丝绳型号为：16 NAT
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