QTZ400塔式起重机臂架设计

('QTZ400塔式起重机臂架设计QTZ400塔式起重机臂架设计摘要：本次毕业设计题目是QTZ400塔式起重机臂架设计。本次设计中主要进行了塔机总体选型，整体稳定性计算，其包括（平衡重计算、风载荷计算以及抗倾覆稳定性计算），臂架结构设计及强度校核，臂架焊接工艺及工装夹具设计。其焊接工艺应尽可能的减小焊接变形和应力集中，胎具的设计应可靠地保证臂架上的各项技术要求。最后，联系实际，设计出合理的胎具并确定其结构尺寸。关键词：QTZ400塔式起重机；总体选型；稳定性计算；强度校核；焊接工艺；胎具1/51QTZ400塔式起重机臂架设计序言塔式起重机简称塔机，也称塔吊，源于西欧。具有工作效率高、使用范围广、回转半径大、起升高度高、操作方便以及安装与拆卸比较简便等特点，因而在建筑安装工程中得到了广泛的使用，并成为一种重要的施工机械。为了适应建筑物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，现在的塔式起重机必须具备下列特点：（1）起升高度和工作幅度较大，起重力矩大；（2）工作速度高，具有安装微动性能及良好的调速性能；（3）要求装拆、运输方便迅速，以适应频繁转移工地之需要。塔式起重机可以将其分解为金属结构、工作机构和驱动控制系统三个部分。金属结构是塔式起重机的骨架，它承受着起重机自重以及作业时的各种外载荷，是塔式起重机的主要组成部分，由塔身、塔头或塔帽、起重臂架、平衡臂架、回装支撑架、底架、台车架等主要部件组成。QTZ400塔式起重机的工作机构有起升机构、变幅机构、回转机构和顶升机构等。其各机构功能：起升机构主要实现物品的上升与下降；变幅机构改变吊钩的幅度位置；回转机构使起重臂架作3600的回转，改变吊钩在工作平面内的位置；顶升机构使塔机的回转部分升降，从而改变塔式起重机的工作高度。驱动控制系统是塔式起重机又一个重要的组成部分。驱动装置用来给各种机构提供动力，最常用的是YZR与YZ系列交流电动机。控制系统对工作机构的驱动装置和制动装置实行控制完成机构的起动、制动、换向、调速以及对机构工作的安全性实行监控，并及时地将工作2/51QTZ400塔式起重机臂架设计情况用各种参量：电流值、电压值、速度、幅度、起重量、起重力矩、工作位置与风速等数值显示出来以使司机在操作时心中有数。本说明书共分为四章，第一章为塔式起重机的总体设计说明；第二章为总体设计计算，包括风载荷计算、平衡重计算和塔机四种工况下的检验计算；第三章为塔机起重臂的强度校核，第四章为起重臂的工装夹具说明。其中重点是塔式起重机的总体设计计算以及起重臂的工装夹具的设计。第1章塔式起重机总体选型1.1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。在接受设计任务以后，应进行深入细致的调查研究，收集国内外的同类机械的有关资料，了解当前的国内外塔机的使用、生产、设计和科研的情况，并进行分析比较，制定总的设计原则。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。制定设计总则以后，接下来便可以编写设计任务书，在调研的基础上运用所学的知识，确定总体设计方案。本次课题设计的是QTZ400塔式起重机，其结构形式为上回转平衡臂架液压自升式。3/51QTZ400塔式起重机臂架设计1.2总体选型原则1.2.1起重机的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/T13752-92《塔式起重机设计规范》P60附录C表C1选取本次设计的QTZ400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。1.2.2机构工作级别根据GB/T13752-92《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。如下表1-1表1-1工作机构级别[1]起升机构回转机构变幅机构顶升机构Km=0.25Km=0.50Km=0.25Km=0.25T4L2M4T4L3M3T3L2M3T1L2M1注：T―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4/51QTZ400塔式起重机臂架设计1.3QTZ400塔机的主要性能参数1.3.1主要技术性能表表1-2主要技术性能表名称单位参数公称起重力矩KN.m400最大起重量t4最大幅度处额定起重量t0.9工作幅度m1.7—42高度独立式m30附着式m120起升速度倍率a=2a=4起升速度M/min1135705.517.535起升重量t221442回转速度r/min0.65/51QTZ400塔式起重机臂架设计变幅速度m/min33/16.5最大回转半径m42尾部回转半径m9.0底架跨度m×m5×5最大工作风速m/s201.3.2主要机构性能参数表1-3主要机构性能参数表名称参数起升机构电动机型号YZ200L1-4/6/24功率kW15/15/4转速r/min1440/960/220减速机型号JZQ500中心距mm500减速比15.75制动器型号YWZ-315/50制动力矩N.m450钢丝绳637-11-1670-I-右交回转机构电动机型号YD132S-6/4B56/51QTZ400塔式起重机臂架设计功率KW3/4转速r/min970/1440减速机型号XX4-80回转支承HSW.32.1220液力偶合器YOX-250A变幅机构电动机型号YD112M-8/4B5功率KW1.5/2.4转速r/min700/1410减速机型号WCJ120减速比38钢丝绳6×19-6.2-1570-I-光-右交顶升机构电动机型号Y100L2-4B5功率KW3转速r/min1430液压缸型号HSGK-125/90活塞行程mm1320额定压力MPa161.4QTZ400塔式起重机结构QTZ400塔式起重机由金属结构、机构传动、液压顶升、电气装置、以及安全保护装置等组成，各部分结构及特点简介如下：起重臂用两根起重臂拉杆与塔帽连接，其根部与上转台销轴连接，平衡臂则用两根平衡臂拉杆与塔帽相连，其根部与上转台销轴连接。起升机构设在平衡臂中后部，回转机构布置在回转上转台的右侧，左侧是司机室，变幅小车和吊钩由设在位于起重臂位于臂根处的变幅机构牵引，由起重臂纵轴线做水平往复运动。塔身高度由底架、基础节、加强节、标准节、半节的高度组成，独立式高7/51QTZ400塔式起重机臂架设计度由12节塔身节组成，（包括3个基础节和1个加强节），最大起升高度120m时，由54节塔身节组成，同时有6道附着装置。附着予埋件埋于事先计划好的附着高度位置，以便用附着撑杆将塔身附着于建筑物上。塔身加强节上部对角线方向有四个可拆卸耳板，四根斜撑杆上面用销轴与耳板连接下面与底架耳座连接。顶升机构由顶升套架和液压顶升装置两部分组成，顶升套架为框架式空间钢结构件，用销轴与半节相连，其后侧装有液压顶升装置的顶升油缸及顶升横梁，液压泵站放置在套架工作平台上，顶升时顶升横梁顶在塔身的踏步上在油缸的作用下，套架连同半节下转台以上部分沿塔身轴心线上升，油缸顶升两次，可引入一个标准节。起升高度不超过30米时，采用独立式，大于30米时采用附着式，附着时不论任何情况下，上部悬臂部分不得大于22米。独立高度时基础节三节，加强节一节，标准节八节，附着时可根据需要增加标准节和附着装置。1.5QTZ400塔式起重机结构选型塔机结构包括：地基基础、底架、压重、塔身基础节、撑杆、塔身标准节回转平台、顶升套架、驾驶室、塔尖和拉杆、起重臂、平衡臂和平衡重。1.5.1地基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。本次设计我采用的是X型整体基础。X型整体基础的形状及平面尺寸大致与塔式起重机X型底架相似，塔式起重机的X型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1-1。8/51QTZ400塔式起重机臂架设计图1-1X型整体式钢筋混凝土基础此外，底架四周边框用无缝钢管使用螺钉连接固定，以增加其稳定性。1.5.2支撑架底架与塔身之间应设计支撑架，以提高塔机的整体稳定性。1.5.3塔身塔身是塔机结构的主体，支撑着塔机上部分的重量和载荷的重量。从结构类型式可分为空间桁架结构和薄壁圆筒结构两种。按受力特点分为以承受轴向力为主的旋转塔身和受压、弯、扭转作用的不旋转塔身。塔身结构截面分为圆形截面、三角形截面及方形截面三类。现今国内外生产的塔机均采用方形截面塔身结构。按塔身结构主弦杆材料的不同，这类方形截面塔架可分为：角钢焊接桁架结构塔身，主弦杆为角钢辅以腹杆的矩形截面桁架结构；角钢拼焊方钢管桁架结构塔身及无缝钢管焊接桁架结构塔身。塔身标准节的截面尺寸规格有：1.2m×1.2m，1.3m×1.3m，1.4m×1.4m，1.5m×1.5m，1.6m×1.6m，1.7m×1.7m，1.8m×1.8m，2.0m×2.0m。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。塔身标准节的长度尺寸有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。本塔机采用桁架结构塔身，其中塔身截面尺寸采用1.4m×1.4m，标准节的长度为2.5m。如图1-2。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。本塔机采用套柱螺栓联接，其特点是：套柱采用子口定位，9/51QTZ400塔式起重机臂架设计螺栓夹紧，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。图1-2塔身标准节1.5.4司机室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。本塔机采用的是悬挂式司机室而且多设于转台以上臂根侧。采用这种布置方式的司机室优点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。1.5.5起重臂1.构造形式塔式起重机臂架的结构型式有三种：桁架压杆式、桁架水平式、桁架混合式。本塔机采用小车变幅水平臂架，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。小车变幅臂架是上10/51QTZ400塔式起重机臂架设计弦吊点，正三角形截面臂架，这种臂架的下弦杆上平面用作小车运行轨道。2.臂架的分节小车臂架常用的标准节间长度有6m、7m、8m、10m、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1~2个3~5m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。本塔机选用标准节长度为6m，另加上3m长的延接节。3.臂架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，本塔机采用正三角形截面。选用这种方式的优点是：节省钢材，减轻重量，从而节约成本。本次设计的臂架结构尺寸为：底面宽度为980mm，高度为800mm；4.腹杆布置和杆件材料选用本塔机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。一般情况下，上吊点小车变幅臂架的上弦以选用16Mn实心钢为宜，但造价要高。因此本设计选用20号无缝圆钢管。其特点是：截面尺寸大，强度有所提高。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Φ76无缝钢管，下弦杆选用的方管结构尺寸为：80×80，臂间由销轴连接。5.吊点的选择与构造吊点可分为单吊点和双吊点。本次设计臂架长度为42m，对最大起吊量并无特大要求，一般采用单吊点结构。采用单吊点结构时，吊点可以设在上弦或下弦，其位置设置在臂架总长的55%—60%之间。吊点以左可看作简支梁，以右可看作悬臂梁。在设计中采用单吊点。1.5.6塔顶11/51QTZ400塔式起重机臂架设计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，塔尖部分由平面型钢焊接桁架组成。这种型式塔尖的特点是构造简单自重轻，加工容易，存放方便，拆卸运输便利。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。本塔机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。1.6QTZ400塔式起重机机构选型塔机工作机构包括：起升机构；变幅机构；小车牵引机构；回转机构；。起升机构：位于平衡臂尾部，用于驱动重物安全、平稳、快速地运送到指定高度。变幅机构：位于起重臂根部，用于改变重物中心与塔机回转中心间的距离，驱动重物沿臂架水平移动到指定幅度。回转机构：位于回转平台上表面，驱动重物平稳转动到指定位置，用于实现重物重心绕塔机回转中心在水平面内的转动。顶升机构：位于回转平台上，用于实现塔身高度随建筑物的升高而升高。1.6.1起升机构QTZ400塔式起重机的起升机构采用了YZTD225－4/8/32－15/15/3.5KW三速电机，通过带制动轮弹性柱销联轴器带动减速箱，再驱动卷筒，使卷筒获得三种不同的工作速度，从而使起重机获得轻载高速和重载低速的性能。起升机12/51QTZ400塔式起重机臂架设计构不工作时，制动轮始终处在制动位置。在卷筒轴末端装有一个多功能限位器，当重物达到最高位置或最低位置时，起升机构能自动停车，但允许向相反方向运行，如图1-3所示。图1-3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1.起升机构的传动方式机械传动：其动力是由电机驱动起升机构起升卷筒，也传至其它工作机构。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。2.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13/51QTZ400塔式起重机臂架设计量轻等特点，但价格较贵。比较上述性能，选用圆柱齿轮减速器。3.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。4.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1-4。表1-4起升特性参数表倍率a=2a=4起重量（t）空钩220.81844速度(m/min)68346.534173.3四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。1.6.2回转机构回转机构安装在上支座的一侧，行星齿轮减速机带动回转小齿轮，从而带动置于塔机上部的回转塔身、起重臂等作左右回转，速度为0.62r/min，回转制动器为常闭式，在不工作时当风速大于6级风以上，回转部分应能随风转动(下班打开离合器)。回转支承QW型单排球式，大小齿轮啮合传动比是λ=142/17=8.35，模数m=10，回转支承的代号为QW1250.32。回转机构通常由回转电动机、液力耦合器、回转制动器、回转减速器和小齿轮组成。14/51QTZ400塔式起重机臂架设计1.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。2.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。3.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。4.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1-4所示。图1-4回转机构简图1-双速电动机2-液力偶合器3-行星齿轮减速器4-驱动小齿轮5-单排四点接触球式回转支承6-回转大齿轮15/51QTZ400塔式起重机臂架设计1.6.3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。本塔机采用小车变幅，小车牵引机构装在起重臂第一节内的，是载重小车变幅的动力装置。它由YDEJ100L－4/8极2.4/1.5KW－B3电机，通过减速机带动卷筒，使载重小车以20、40m/min的速度在轨道上水平移动实现幅度转变。卷筒末端设有一个多功能限位器。变幅机构及钢丝绳的缠绕方式如图1-5所示。变幅机构简图图1-5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16/51QTZ400塔式起重机臂架设计1.7安全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。1零位保护联动操纵台在停止时手柄自动复零。2主电路电气保护总电源短路保护，各机构电机的短路、过载、过流保护，起升具有断相、缺相、三相电流不平衡度超过15%保护。2接地保护各电器元件与控制箱、联动操纵台都良好接地。3断路器保护在各控制回路、照明、信号灯、通风机电路中都装有断路器作短路保护。4电笛在准备开机前，须先用电笛通知现场人员，电笛安装在电控柜上，由操纵台的按钮控制。5声光报警当起重机起重力矩超过额定值的80%或起重量超过额定值的80%时，会自动接通闪光蜂鸣器，对司机声光报警。当起重量或起重力矩达到额定值时，则红色指示灯亮，要求司机立即解除危险工作。6障碍指示灯当塔机高度高于50米时，为了不使起重机和其它物体不发生碰撞，在塔机顶部和起重臂前端各装有一个红色障碍灯以指示高度位置，注意在晚间停机后，应接通障碍电源。7电源指示装置在联动操纵台上装有电源指示灯，启动电源后指示灯应明亮，说明电源已接通。电源电压值应在380v±5%，供电频率在50的情况下塔机才能正常工作。17/51QTZ400塔式起重机臂架设计8高度、幅度、回转限位高度幅度回转限位是多功能限位器将卷筒的转动圈数或回转角度记录下来。当转至给定的位置时，记忆凸轮使微动开关切换，实现塔机终止运行。9.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。10.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。11.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。12.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，仅在少数塔机上应用。18/51QTZ400塔式起重机臂架设计第2章塔式起重机总体计算2.1塔机参数QTZ400塔式起重机参照同类型塔机，取各部件参数如下：表2-1塔式起重机各部件对塔身的重心位置序号名称重量（t）坐标（m）1起升机构1.0-5.52变幅机构0.333平衡臂拉杆0.3-5.54变幅小车及吊钩0.182425平衡重-86第一节臂0.542第二节臂0.53419/51QTZ400塔式起重机臂架设计第三节臂0.628第四节臂0.616第五节臂0.510第六节臂0.347平衡臂1.6-9塔帽1.108塔身标准节0.5509塔身基础节0.6010套架1.9011司机室0.4012上接架0.5013下接架0.9014斜撑0.502.2风载荷计算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/T13752-92《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。表2-2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25020/51QTZ400塔式起重机臂架设计3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0-20m80020-36m11002.2.1计算工况Ⅰ风载荷方向与起重臂方向垂直如图2-1图2-1风载荷垂直于臂架计算简图1.平衡臂风载荷计算（1）风力系数选取根据GB/T13752-92《塔式起重机设计规范》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。（2）由平衡臂的设计尺寸计算迎风面积根据GB/T13752-92《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：(2-1)[15]式中：—前片结构的迎风面积，；(2-2)[15]—后片结构的迎风面积，；(2-3)[15]η——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21/51QTZ400塔式起重机臂架设计ω1及两片桁架间隔比ls/h有关，按表2-4选取则结构迎风面积(2-4)[15]已知：(2-5)[15]==9×1=9m2(2-6)[15]由表2-3、表2-4选取ω=0.3η=0.57代入得，=0.3×9+0.57×0.3×9=4.239m2表2-3结构充实率受风结构类型和物品实体结构和物品1.0机构0.8-1.0型钢制成的桁架0.3-0.6钢管桁架结构0.2-0.4表2-4桁架结构挡风折减系数η0.10.20.30.40.5>0.6间隔比ls/h10.840.700.570.400.250.1520.870.750.620.490.330.2030.900.780.640.530.400.2840.920.810.650.560.440.3450.940.830.670.580.500.4160.960.850.680.600.540.46（3）根据GB/T13752-92《塔式起重机设计规范》-p7-4.2.2.1.1之规定，风力计算公式:22/51QTZ400塔式起重机臂架设计(2-7)[15]式中：—作用在塔式起重机上和物品上的风载荷（，），N；—风力系数；—计算风压，Pa；—垂直于风向的迎风面积，。已知：=1.4；=250Pa；=4.239代入得，=1.4×250×4.239=1483.65N2.起升机构风载荷计算起升机构迎风面积按实体计算，则可知结构充实率ω=1取其近似值=1×1.09×0.6=0.654m2=1.2=250Pa代入得，=1.2×250×0.654=196.2N3.平衡重风载荷计算平衡重迎风面积按实体计算，可知结构充实率ω=1由平衡重尺寸取其近似值=1×0.8×2=1.6m取=1.223/51QTZ400塔式起重机臂架设计=250Pa代入得，N平衡臂及其上构件合计=1483.65+196.2+480=2159.85N=1483.65×4.5+196.2×5.5+480×7=11115.525N.m=11115.525/2159.85=5.15m4.起重臂风载荷计算本次设计的QTZ400塔式起重机的起重臂的结构形式为：上弦杆为无缝圆管，下弦杆为方管，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ω=0.4=0.4×0.8×42=13.44m2=1.3=250Pa代入得，=1.25×1.3×250×13.44=5460N=17m5.塔身风载荷计算塔身为型钢制成的桁架结构，已知：结构充实率ω=0.4,挡风折减系数η=0.53取其近似值24/51QTZ400塔式起重机臂架设计(2-8)[15]=0.4×（1+0.53）×1.4×30=25.704m=1.2=250Pa代入得，=1.2×250×25.704=7711.2N=0m2.2.2计算工况Ⅱ风载荷方向与起重臂方向平行如图2-2图2-2风载荷平行于臂架计算简图1.平衡臂风载荷计算已知：结构充实率ω=0.3取其近似值=0.3×1×1=0.3m2=1.4=250Pa代入得，25/51QTZ400塔式起重机臂架设计=1.4×250×0.3=105N2.起升机构风载荷计算起升机构迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1取其近似值A=1×1×0.6=0.6m=1.2=250P代入得，=1.2×250×0.6=180N3.平衡重风载荷计算平衡重迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1由平衡重尺寸取其近似值=1×0.8×2=1.6m2=1.2=250Pa代入得，=1.2×250×1.6=480N平衡臂及其上构件合计∑=105+180+480=765N4.起重臂风载荷计算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：(2-9)[15]式中：=0.4×0.9×0.8/2=0.144m226/51QTZ400塔式起重机臂架设计结构充实率=0.4,η=0.4则=（1-0.4）×0.4×0.144/（1-0.4）=0.096已知：=1.3=250Pa代入得，=1.3×250×0.096=31.2N2.2.3非工作工况风载荷方向与起重臂方向平行如图2-3。非工作工况下的风压0-20m800Pa；20-40m1100Pa，此种状态下，风对塔机的作用方向与工作工况Ⅱ相同。如图2-3。图2-3非工作情况风载荷计算简图1.平衡臂风载荷计算已知：结构充实率ω=0.3取其近似值=0.3×1×1=0.3=1.4；=1100Pa；代入得，=1.4×1100×0.3=462N27/51QTZ400塔式起重机臂架设计2.起升机构风载荷计算起升机构迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1取其近似值=1×1×0.6=0.6=1.2；=1100Pa；代入得，=1.2×1100×0.6=792N3.平衡重风载荷计算平衡重迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1由平衡重尺寸取其近似值=1×0.8×2=1.6=1.2=1100代入得，=1.2×1100×1.6=2112N平衡臂及其上构件合计∑=462+792+2112=3366N4.起重臂风载荷计算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：28/51QTZ400塔式起重机臂架设计(2-10)式中：=0.4×0.9×0.8/2=0.144m2结构充实率=0.4η=0.4则=（1-0.4）×0.4×0.144/（1-0.4）=0.096m2已知：=1.3，=1100Pa；代入得，=1.3×1100×0.096=137.28N5.塔身风载荷计算塔身为角钢制成的桁架结构,已知:结构充实率ω=0.4，取其近似值=25.704m，风力系数=1.2计算风压0～20m=800；20～36m=1100；代入得，0～20m=1.2×800×25.704×20/30=16450.56N20～30m=1.2×1100×25.704×10/30=11309.76N2.3平衡重及参数计算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/29/51QTZ400塔式起重机臂架设计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2-5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2-5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（即∑M大于零），则认为该塔式起重机是稳定的。起稳定力矩的为正值，起倾翻作用的力矩为负值并乘以1.1-1.2的增大系数。校核时，各项载荷应根据GB/T13752-92《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。2.3.1平衡重求取平衡重的方法有多种，经过计算，本次设计求平衡重采用以下方法：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。平衡重的设计要求：满载工作时，塔身承受的前倾弯矩接近于空载非工作状态时塔身的后倾弯矩。非工作状态时的后倾弯矩为：工作状态的前倾弯矩为：30/51QTZ400塔式起重机臂架设计令，则2.3.2重心高求重心高h，即塔机各部分重量对水平地面进行取矩=塔机总重×重心高。令，则2.3.3突然卸载时塔机中心离后倾覆边距离此时的计算方法是，塔机各部分对后倾覆边取矩之和=塔机总重×31/51QTZ400塔式起重机臂架设计即令，则2.3.4暴风侵袭时塔机重心离前倾覆边距离此时的计算方法是，塔机各部分对后倾覆边取矩之和=塔机总重×即令，则2.4抗倾覆稳定性计算32/51QTZ400塔式起重机臂架设计2.4.1工况Ⅰ基本稳定性如图2-4工作状态，静态，无风图2-4基本稳定性计算简图此时为静载荷实验，对塔机基本稳定性进行计算，其按下式计算：(2-10)[1]式中—塔式起重机自重（包括自重、压重，不包括吊具重），KN；—起升载荷，KN；—最大工作幅度，m；—轨距之半，m；—塔式起重机重心离回转中心距离，m。则代入数据得：,不等式成立，此时塔机稳定。33/51QTZ400塔式起重机臂架设计2.4.2工况Ⅱ动态稳定性如图2-5图2-5动态稳定性计算简图此时工况为在正常工况下，载荷处于最大幅度，有风情况下的风载荷计算，其计算公式按下式计算：(2-11)[1]式中—作用在塔式起重机上的风力，KN；—作用在起升载荷上的风力，KN；—作用在载荷上的离心力，KN；—塔式起重机重心至轨面的垂直距离，m；—作用线至轨道面的垂直距离，m；—起重臂架端部至轨道面的垂直距离，m；—轨道高度差，（°）一般取1°—3°，这里计算取最大3°。34/51QTZ400塔式起重机臂架设计则代入数据得：,不等式成立，此时塔机稳定。2.4.3工况Ⅲ暴风侵袭如图2-6图2-6暴风侵袭稳定性计算简图非工作情况，此时其危险工况为风载荷方向由平衡重处平行于臂架方向。其按下式计算：(2-12)[1]式中—塔式起重机自重（包括自重、压重，不包括吊具重），KN；—塔式起重机重心离后倾覆边的距离，m；—风力作用点的高度，m；—作用在塔式起重机上的风力，KN。35/51QTZ400塔式起重机臂架设计，不等式成立,此时塔机稳定。2.4.4工况Ⅳ突然卸载如图2-7图2-7突然卸载稳定性计算简图突然卸载时，载荷会有一个向上的反弹力，其稳定性验算按下式计算：工作状态，料斗卸载(2-13)[1]式中—塔式起重机自重（包括自重、压重，不包括吊具重），KN；—作用在塔式起重机上的风力，KN；—起升载荷，KN；36/51QTZ400塔式起重机臂架设计—最大工作幅度，m；—塔式起重机回转中心离后倾覆边的距离，m；—塔式起重机重心离后倾覆边的距离，m；—风力作用点的高度，m。则代入数据得：,不等式成立，所以此时塔机稳定。通过以上四种工况的验证核算，该塔机的设计是合理的，能够有效地保持正常工作。下面就对塔式起重机的臂架进行强度校核。第3章臂架的强度校核37/51QTZ400塔式起重机臂架设计3.1力学模型3.1.1吊点处受力分析如图3-1图3-1吊点处横截面应力分析图对点进行取矩求和等于0，求出吊索拉杆力。即代入数据得：求得：则38/51QTZ400塔式起重机臂架设计代入数据得：求得：3.1.2对臂架危险截面Ⅰ和Ⅱ处受力分析截面Ⅰ，如上图3-1Ⅰ=截面Ⅱ，如图3-2图3-2截面Ⅱ处应力分析图39/51QTZ400塔式起重机臂架设计Ⅱ=由Ⅰ、Ⅱ取3.1.3臂架强度校核首先求出起重臂架的形心轴高度如图3-3所示图3-3起重臂型芯轴高度计算简图(3-1)[9]40/51QTZ400塔式起重机臂架设计对形心轴求惯性矩，忽略其自身惯性矩(3-2)[9]截面系数(3-3)[9]则则应力为：(3-4)[9]3.2起重臂形心轴处强度计算吊点位置处受力分析如上图3-1所示对点进行取矩求和等于0，求出吊索拉杆力.41/51QTZ400塔式起重机臂架设计即代入数据得：求得：则代入数据得：求得：对臂架截面Ⅰ和截面Ⅱ处的受力分析如上图3-2截面Ⅰ：Ⅰ=截面Ⅱ：Ⅱ=42/51QTZ400塔式起重机臂架设计由Ⅰ、Ⅱ取则应力为：(3-5)43/51QTZ400塔式起重机臂架设计第4章起重臂工装夹具设计4.1工装夹具的结构介绍4.1.1工装夹具的主要技术要求起重臂属于金属结构，是臂架结构的重要组成部分，并且其加工胎具的设计是本次设计的重点。起重臂的加工制造质量是不容忽视的，其将直接影响整机的工作状况，所以起重臂正确合理的加工方法和工艺装备是提高其制造质量的重要保证，其中焊接工艺和工装工艺在起重臂的加工中占有至关重要的地位。对起重臂整体变形的控制与互换性要求需要采用拼焊工装来保证。采用必要的拼焊工装，制定合理的焊接工艺以及焊接顺序与焊接走向，或采用反变形的工艺方法（即焊前强迫构件产生反向预变形，以便抵消焊接变形），以达到产品零件的技术要求。结构件拼焊工装的设计是十分重要的。工装上定位基准与零件设计基准应基本一致。设计工装时，应充分考虑工装的通用性，夹紧机构及一些部件应力求标准化、通用化和系列化，以提高工装的利用率，减少投入费用以及缩短工装的制作时间。工装制成后，先预制作一个工件，通过验证找出存在的问题，将工装修改完善后再正式投入使用。44/51QTZ400塔式起重机臂架设计本次工装夹具的设计主要考虑的是上下弦杆的定位精度，其包括直线度、平行度、垂直度、同轴度等，同时还要考虑其变形。其主要内容如下：1.应保证底架上平面的平面度公差不超过0.032.保证上弦杆中心轴与底架上平面的平行度公差不超过0.03这就对胎具中5个支撑杆的高度要求较高，依靠支撑杆的精度来保证上弦杆中心轴与底架上平面的平行度要求以及上弦杆与下弦杆之间的高度方向的尺寸要求。3.保证两下弦杆两端接头孔纵向轴心线的同轴度公差不超过0.02其同轴度公差需要依靠下图中件13定位块来保证。件13不但保证了两下弦杆之间的距离，还保证了下弦杆两端接头处孔的同轴度，防止了臂架连接后的弯曲变形。同时保证了上弦杆与下弦杆之间的高度尺寸要求。件13设计为可换轴套式定位块，其可根据下弦杆接头处孔径的大小更换，操作简单，方便，工作效率高。4.保证两下弦杆轴心线的平行度要求依靠胎具中的定位元件来保证两下弦杆之间的平行度。安装下弦杆时，使下弦杆的外侧面贴紧定位元件的内侧面，然后通过夹紧机构夹紧下弦杆使其位置保持不变，利用定位元件的位置精度来保证两下弦杆的平行度。4.1.2工装夹具的构造如图4-145/51QTZ400塔式起重机臂架设计图4-1工装夹具图1.工字钢底架选用材料为Q235，其屈服强度为235，抗拉强度为375-460，伸长率。由于其含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。大量应用于建筑及工程结构。用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不太高的机械零件。底架由工字钢组成，上面平铺一块钢板焊接拼装而成，上平面需加工一平面，保证其上表面的平行度。2.支撑住材料为Q235。用以支撑和定位上弦杆。3.上弦杆材料为20。上弦杆采用材料为20的无缝钢管，其尺寸为。4.限位挡铁焊件。限位挡铁的作用是对上弦杆侧面进行定位，保证上弦杆水平位置的平行度。5.螺母材料为45。46/51QTZ400塔式起重机臂架设计6.螺栓材料45.用于夹紧上弦杆。7.上定位块材料Q235。用于上弦杆的高度定位。8.斜腹杆材料Q235。用以连接上下弦杆，并起加强起重臂刚度作用。9.下弦杆焊件，也可采用方管。10.水平腹杆材料Q235。用于连接下底架并增强底架的刚度。11.螺栓材料45。用于固定挡铁15。12.夹紧机构用于夹紧下弦杆。13.下定位块用于下弦杆的高度方向和宽度方向定位。4.2工装夹具的定位机构定位机构，如图4-2。47/51QTZ400塔式起重机臂架设计图4-2定位机构该定位机构主要保证下弦杆宽度方向及高度方向的定位。其工作原理为让下弦杆外侧面贴紧定位机构内侧面上，并用销轴通过定位机构的孔将定位机构与下弦杆两端接头处连接在一起，这样就可靠地保证了下弦杆在宽度方向与高度方向的定位。4.3工装夹具的夹紧机构夹紧机构，如图4-3图4-3夹紧机构该夹紧机构主要是保证下弦杆的位置固定不变，其工作原理是通过上述螺48/51QTZ400塔式起重机臂架设计栓11固定件15，然后通过件16对下弦杆施加夹紧力，这样就有效的保证了下弦杆的位置固定不变了。成本低，效率高，操作简单，工作稳定可靠。本次的工装设计本着操作简单，方便可靠，成本低廉的旨意而设计的。其结构稳定可靠，下底架为一大平面，且整体刚度好，不易变形。在次工装夹具的基础上现制定焊接工艺如下:1.把下弦杆与上弦杆固定在工装夹具上，按划线位置把下接头与上接头点焊调直；2.调直；3.下弦杆焊接斜腹杆与水平腹杆，按划线位置先点焊，然后由两端向中间对称焊接水平腹杆；4.布置斜腹杆按划线位置对称点焊，顺序如图5.把臂架脱开工装，施焊，接头用CO2气体保护焊施焊，腹杆与水平杆用手工电弧焊施焊；6.施焊，将每个焊接处焊接牢固。焊接过程中应使焊接变形尽量减小，避免应力集中，所以采用点焊固定加对称焊接的方法进行焊接。详见附Ⅰ、附Ⅱ。49/51QTZ400塔式起重机臂架设计参考文献[1]张青，张瑞军.工程起重机结构与设计[M].北京：化学工业出版社，2008[2]张盛立.使用钢材手册[M].广州：广东科技出版社，1998[3]龚赐立,朱森林,刘刚.塔式起重机整机稳定性浅析[J].建筑机械化.2008(04)：20-66[4]刘佩衡.塔式起重机使用手册[M].北京：机械工业出版社，2002[5]范俊祥.塔式起重机[M].北京：中国建材工业出版社，2004[6]胡宗武，汪西应，汪春生.起重机设计与实例[M].北京：机械工业出版社，2009[7]王积永，张青，沈孝芹.起重机械钢结构设计[M].北京：化学工业出版社，2011[8]董达善.起重机械金属结构[M].上海：上海交通大学出版社，2011[9]范钦珊，王波，殷雅俊.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2000[10]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004[11]陆念力,顾迪民,张立强.塔式起重机塔身稳定性计算[J].起重运输机械.1996(10)：36-82[12]姚振纲，刘祖华.建筑结构试验[M].上海：同济大学出版社，2000[13]GB5144—2006塔式起重机安全规程[14]GB/T5031—2008塔式起重机[15]GB/T13752—92塔式起重机设计规范[16]K.Varghese,P.V.Dharwadkar,J.Woffhope,J.T.O’Connor,Aheavyliftplanningsystemforcranelifts,MicrocomputersinCivilEngineering,1997.[17]K.DeLaurentis,C.Mavroidis:“MechanicalDesignofaShapeMemoryAlloyActuatedProstheticHand”,TechnologyandHealthCare,Vol.10,No.2,pp.91-106,50/51QTZ400塔式起重机臂架设计2002.致谢毕业设计是我们在大学期间最后的课程，是四年学习的一个总结，也是我们学习成果的具体体现。所以我们做毕业设计必须有一个良好的态度，认真地对待，只有这样才可以学到更多的专业知识，为将来的工作做好各个方面准备。首先要感谢带我毕业设计的杨老师，我学的很多机械方面的知识都是他无私传授的。在毕业设计中遇到的问题，都能得到老师的悉心指导和帮助，常常在吃饭和下班的时间，老师继续为我们留在学校指导毕业设计。通过这次毕业设计我不但更深地掌握了塔式起重机方面的知识，更为重要地是也学到了做人做事应该所必要的素质，那就是杨老师那种治学严谨、平易近人、无私奉献的精神。其次要感谢我的同学们，感谢他们在毕业设计的过程中给我的帮助。没有他们的帮助，我也不可能很好地完成本次设计任务。同时感谢从我进入大学以来，学校所有在学习和生活方面对我关心的老师。51/51',)