机械结构课程设计塔吊起重臂结构设计

机械结构课程设计

塔吊起重臂结构设

计

文档仅供参考

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（塔吊起重臂结构设出

设计时间:_________到

指导老师：

评语：

评阅成绩:评阅教师:

目录

文档仅供参考

一、课程设计目的及要求----------------------3

二、设计题目---------------------------3

三、机械结构设计-------------------------4

1、起重臂结构方案确定----------------------4

1）起重臂长度L-------------------------------------4

2）起重臂截面形式根据受力的构造要求而定-----------4

3）起重臂截面宽度和高度--------------------5

4）运输单元--------------------------5

5）吊点位置确定------------------------5

2、计算简图及计算载荷确定--------------------6

1）计算简图-------------------------6

2）载荷组合-------------------------6

3）载荷确定-------------------------6

3、力计算及内力组合-----------------------7

1）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）其它水平力T的作用-------------------14

2）内力组合--------------------------16

4、截面选择和截面验算----------------------16

文档仅供参考

(1)单臂验算-------------------------17

1)上弦--------------------------17

2)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。经过训练，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)，是建筑工地上常见的施工

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，因此合

理地设计塔用结构对于减轻整机重量、改进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。

文档仅供参考

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。

11

回转中心

R711土口帘-tn土口亲总京ZctHr给IV1

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•m

2）起重量当幅度最大时（Rmax）,起重量为1.8t；

当幅度R=（Rmin〜Rmax/2）,起重量为2〜5t。

3）变幅

①形式：水平臂架绳索牵引小车变幅:

文档仅供参考

②速度：起重机升降变幅速度为0〜30m/min

4）吊钩升降速度

①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3—50m/min。

②空钩卜降速度：A、起重量为〉Rmax时为0—50m/min；

BN起重量为Rmax时为0—100m/min<>

5）回转

①半径：50m；

②速度：0—0.5r/min；

③起制动时间：4s；

6）运行（起重机整机行走）

①速度：14/min；

②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）；

8）结构参数：经查表得：

⑴臂长L:根据回转半径R确定（L-R=1.5〜2.0m）；

⑵吊挂位置比例长度小L2：4=0.4~0.7

^2

⑶起重机塔架机构：

①4（卷扬滚筒中心距塔机回转中心距离）=550mm；

②乙（起重臂支点距塔机回转中心距离）=1300mm；

文档仅供参考

③A（塔架截面宽度）=1500mm；

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,/2=1.3/W,柩=1.5~2取//圮=1.8

歹U方程：12+L=R+1DR；

得：L=R—//球=50+1.8—1.3=50.5m

2）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）。

R71cBAJdi.zzzr

文档仅供参考

3）起重臂截面宽度和高度

可根据强度、刚度、稳定性和构造的要求而定，初定

B=2.0m。

高度H按且=4〜工,已知L=50.5m,得：H=L68〜4.21,一

L3012

般起重臂的截面采用格构式正三角形，故：

”=38=迫*2=6=1.73加（在H=1.68〜4.21的范围内，符合）。

22

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，

即运愉单元。各节段在工厂制成后，运到工地，在现场将各节段

用销轴相连，拼装成整体的超重臂，然后再和塔身等其它部件装

配成塔吊。初步选取两端长度为，中间部分每10m一段，两边的

+4=10.5〃?共6段，如下图。

文档仅供参考

________________3__________]F

VWWWWNIA/VWWXII/WJ

(a10m|一10门_10m10mlb

H—V―V1v-------―V------V―

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。由于起直臂

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4=0.4~0.7。可选人=0.5,根据

L2L2

50.5/7/,Li=16.8m,L2=33.7m,1

L1+L2=L=则如图。

2、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）。

文档仅供参考

囱Q向"史而"管区4相升平面G+

2）载荷组合

起重臂结构计算采用下列三种载荷组合：

①自重+等级吊重+工作状态风载荷（风向平行臂架）十三稳

惯性力或其它水平力

②自重+最大额定吊重+工作状态风载荷（风向垂直臂架）+

急剧惯性力或其它水平力

③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①、③种载荷组合对本起重臂不起控制作用，因此可

仅按第②种载荷组合进行设计。

3）载荷确定

三、臂架自重和小车移动机构重量

①选取臂架自重为4t。

②选取小车移动机构重量为0.5to

四、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0.383吊钩重量为0.253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。

文档仅供参考

（3）风载荷

①臂架受风载荷不

%=品匕A

式中，5,为风力系数，取1.3；%为计算风压，工作状态取

250Pa；A为迎风面枳，A=其中A1前片结构迎风面

积（〃/）,4=四L，织为结构充实率，对于桁架取0.4；A2——

后片结构迎风面积（/），电为结构充实率，对于桁

架取0.4oALI或AL2为前后片外形轮廓尺寸，即AL=H•L（图

5）

囱。%力.口垃Ivl土二冶；乏

计算：4=1.73*16.8=29.1/z?2;A”="*&=1.73*33.7=58.3W；

A=助*4i=0.4*29.1=11.6w2;&=啰？*42=04*58.3=23.3"?2。

7一一前片对后片的挡风折减系数，与前片桁架充实率的以及两

片桁架间隔比B/H有关，根据B/H=1.156以及3=0.4查表得

7=0.40；

A=A+=11,6+0.4*23.3=20.9〃/；pw=cw&A=1.3*250.20.9=6786N0

假定风载荷沿臂架均匀分布%=与=要=134.4N/m,作用于水平

LDU.J

面内。

③吊重受风载荷兄：按额定起重量重力的3%计算。

文档仅供参考

（4）其它水平力

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），而且按所吊货物为1.8t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：WZ=O：%+&sina=5+40；

八=0：5。-&sinaL2+gq/=0；

2

B=0:5（L2-l3）+FAL2+-^^（L-£2）=0

由于未知，因此有很多解，随意提供一组解：

FA=\OkN,FBsina=35kN.

文档仅供参考

内力分析:

吊重计算公式为

Q=（起重小车重+吊钩重+所吊货物重）X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，因此首先对以下三种工况可能对臂架

文档仅供参考

产生的最不利影响，进行内力分析。

①最大幅度Rmax=50m,所吊货物为1.8t（即吊重作用在D

处，图7）

次17M南作田在n方卜

列方程：ZF=OFBsina-FA-FD=O;

=0-7^sinaL2+2x36.6=0;

QL1+FAL2=0O

解得：FA=15.28ZN,FWsin«=46.87Z:7V其应力图：如下图

文档仅供参考

Q二(0.38+0.25+5)x1.3=73.19kN.

歹U方程：XF=O尼+Esina—七=0;

XA=0-FBsinaL,+(?xl8.3=0;

_(2(—»+丑=()

<25.3m

绘制内力图:

BelQJH.宙/4-FRZu

文档仅供参考

③最小幅度Rmin=3.3m,所吊货物为5t(即吊重作用在G

处，图9)

Q=(0.38+0.25+5)x1.3=73.19kN.

歹U方程：ZF=O与sin号一生二0；

=0-丹sinaa+Qx2.5=O

=0-Qil^-2.5)+FAL,=0

解得：尸八=66.3kN;FRsina=7.T7kN0绘制内力图:如F图：

文档仅供参考

①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同=416.47KN•m

②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“局2

设每个轮子压力为P=73.2/2=36.6KN,作用在AB节间（可先

视为简支梁）上（图10）

文档仅供参考

分析可知，当有两个或两个以上轮压作用，则当冶一"

为合力作用点至最近的轮压之距。设C=12m）时，K截面的局部

弯矩最大，即最大弯矩用人。由于臂架的AB段实际上不是简支梁

而是连续梁因此可近似地取

C//、T

26KN

22

M同imiaid、x=-3A/,.a=-3x706.38=407.92KNM

因为最大弯矩点和C点相差不大，因此可偏安全地可取吊重

在C点时的内力值。

（4）风载荷作用下的内应力图

文档仅供参考

风载荷垂直臂架作用时，臂架的计算简图近似为悬臂梁。

①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；

F=〃=6786N;M=^=6786X25=169KN

②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

9）吊重在D史的风载荷，计算:

W=1.8tx3%x10000=540N,

文档仅供参考

以二540N,

MX=WL=540X50=27KN•利

内力图如图13.

2）吊重在C处的风载荷，计算:

W=5tx3%xl0000=1500N,

FA.=1500N,

MA=W3=1500X25.3=37.95KN・m.

内力图如图14：

W=540N

文档仅供参考

煦14吊甭在「万卜的反载荷

（5）其它水平力T的作用

分别作出吊重在塔身中心50m及25m处其它水平作用下的内

力图。

①作出吊重在塔身中心50m其它水平作用下的内力图。此时

货物重1.8to

计算：T=0.P1.8*10000=1800N；以=1800N；

也=1.8*50=内力图如图15.

文档仅供参考

ARAT=1800N

②作出吊重在塔身中心25m处其它水平作用下的内力图。此

时货物重5to

计算：T=0.1*5*10000=5000NFA=5000N

MA=5*50=250KN・"Z

内力图如图16.

文档仅供参考

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Mx，以下弦受拉为“+”；

起升平面内剪力以，以发现的顺时针方向为“+”；

回转平面内的弯矩M、,、剪力°、“+”“・”都可能产生;

M单位：kN-rn；Q单位：kN；N单位：kN

附表1

序载荷ABc

号内力MrQ.Q,NM.M,cicNM、M,Q.Q>N

XX

截面

1臂架自重小车0+1000+1-7.8

移动机构重.0181115.00181

7•

文档仅供参考

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+2.3°

并填入下表：

附表2

序载荷ABc

号内力MM,Q、Q.NM,M,QQ.NM、M,Q、Q.N

XX

截面

内吊重0-5.3+9.10+4.0-2.21+5.

力在D2863745.630.1602126.23.16745.

..截面选择用截面驶溟

66556

组

己重臂才

戊才料•，聿议3先nJ俨345本J

吊重0+13.b+516-68-7.8+3.

合

45,喷臂£嚼料:橄徵采用型材2赢接寒栓：至接而成

在C28465.

眦材*“选用毕

1勺，154♦4

吊重00+76.0-_附在3000+2170-0

、

钢种屈成极限1卜算强£JR(MPa)

〃49

在G02218.啕伸、压纤i和，剪t.8端面挤i-218.

曲

2&

2/21012315/6

文档仅供参考

230220130330

240230135345

碳钢250240140360

260250145375

270260150390

・・・・・・・・・・・

Zdui14./月+4-业、I£Wr

销轴材料：建议选用40Cr钢（【。】=420MPa；[T]

=244MPa）o

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。

理论重量

my黄丽福-XWx

型号zm2kg/mcn4cm3

上眩久二1。78.551.6E3490,62549,063

下弦H不等逝板39,42437.33

Ul/,5/530,948312.04

缀条◎罐5.994.6251.1417.42

A157.35105.09745.80393.17

五、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，上弦杆为轴心

压杆，下弦杆为轴心拉杆。

文档仅供参考

1）上弦

用公式不二区+2计算出可能出此案的最大拉力和最大压

H3

力。对最大拉力进行强度验算，对最大压力进行稳定性验算。

%=如=空，25.86KN;

NSH1.73

臂架本身最大的轴向力底=745.6KN;

因此截面C处最大的轴向压力：

MvF,

心='+2=745.6+125.86=787.6ZN

,H3

b=乙*=7876KN=100.325MP”[a]=230Mp”合适）；

A78.5c"

O1497KN

T=^=——:——-=63.56MPa<[T]=135MpM合适）。

3A3*78.5c〃「

2）下弦

用公式&=±上±2土与计算出可能出现的最大拉力和最大

2HB3

压力，并找出相应的局部弯矩

217.8126.542^=374.75&N;

^*>Vvmax

-2*1.73~2~3

p3747«

0=Nmax=J.-=95.1MPQ<[b]=230Mp《合适）；

A39.424

Qx_149.7KN

=12.66MP〃<K]=135MP”

37-3*39.424/合适）。

整体强度验算「吟二然募=W〈[漳35—。

（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Q,的作用。

将最大的Q、.分解成沿平面12和平面13上的内力:

文档仅供参考

以2=Q?=_^,

xxx2cos0

式中，由于截面是正三角形，故考

腹杆受力：5号餐,其中山,

根据合理组合表可知：Qxmax=149.7&N；

1497KN系。

二:IOO.O1KN

V31.73

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

文档仅供参考

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。

NpMr.

8W（l-9。）

式中：N臂架的轴向压力，N=745.6KN；

M臂架的组合弯矩，

M=y]M;+M2=^217.8；+126,52=251.87ZN・〃?；

僚效弯矩系数，4=1;