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1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)2007屆本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計（論文）選集FZQ2000附著動臂塔式起重機的設(shè)計機電工程學(xué)院：詹偉剛 指導(dǎo)教師：陸念力摘 要：塔式起重機是現(xiàn)代工業(yè)區(qū)與民用建筑的主要機械之一，本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)，就是設(shè)計一臺電力建設(shè)所用大型動臂塔式起重機。大型動臂式塔機具有大起重量、適應(yīng)狹窄空間、多臺塔機可以聯(lián)合作業(yè)等有點，特別適用于空間狹窄的工地的大型鋼結(jié)構(gòu)的吊裝，以及城市大型高層建筑建設(shè)施工。設(shè)計中考慮了整機的安全性與經(jīng)濟性，為了增加數(shù)據(jù)的準確可靠性以及結(jié)構(gòu)的合理性，采用有限元軟件SAP84分析，力求使整機的利用率達到最高。關(guān)鍵詞：塔式起重機；動臂；有限元SAP84Abstract：Tower c
2、rane is essential equipment for modern industry and civilian construction. This graduation design task is to design a large tower crane with dynamic jib used in power station building. Large tower crane with dynamic jib have advantages of great lifting weight, narrow space adaptation, multi-tower cr
3、ane can joint operations, particularly applicable to the aspects of the large steel structure lifting in a narrow space, and the construction of high-rise building in the cities. Meanwhile, for the sake of increasing the veracity and dependability of data as well as the rationality of construct, it
4、adapted the technique of finite element by SAP84, so that it is able to make maintenance and fitment more facility.Key words：Tower crane movable arm amplitude finite element Sap841 引 言動臂式塔機有著小車變幅式塔機不可替代的優(yōu)越性，隨著我國建筑施工法規(guī)的完善，大型高層建筑的增多，動臂式塔機的優(yōu)越會愈加明顯，一方面由于城市樓房的施工現(xiàn)場狹小，從安全上塔機回轉(zhuǎn)時其吊重和臂架等不能刮碰相鄰的構(gòu)筑物，有些國家法規(guī)還規(guī)定工作
5、時不允許占用施工場地范圍外的上空，動臂式塔機臂架的角度可以改變，占據(jù)平面空間小，適合在高樓群中作業(yè),在狹窄空間工作；另一方面，由于有些地區(qū)要求建筑結(jié)構(gòu)能抗震而以鋼結(jié)構(gòu)為大樓的主體，需要起升大型物品，使用動臂式時，吊臂受壓，塔機吊臂受力狀況較好，可承載更大。從世界范圍看，動臂式塔機有流行的趨勢。為適應(yīng)我國社會和經(jīng)濟的發(fā)展需要，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型動臂式塔機替代進口產(chǎn)品已非常必要和緊迫。2 FZQ2000附著動臂塔機的具體設(shè)計2.1 總體設(shè)計根據(jù)本設(shè)計的參數(shù)要求，起重力矩為2000t.m;最大起重量大于80t;最大工作幅度大于54m;獨立工作時的最大起升高度大于90m;兩層附著時的工作高度最
6、大起升高度大于140m。根據(jù)此要求，確定起升機構(gòu)的參數(shù)為最大額定起重量80t，最大起重力矩2000tm，工作幅度為1254m，最大起升高度不小于140m，起升速度05m/min（重載），010m/min（輕載），020m/min（空載）。變幅機構(gòu)的參數(shù)設(shè)計為全程變幅時間為12min。回轉(zhuǎn)機構(gòu)的速度為0.15r/min；由于起升高度大，塔機高度高，需采用附著裝置，故采用上回轉(zhuǎn)形式，使底部輪廓尺寸變小，對建筑安裝基地空間要求減少，能適用多種形式建筑安裝施工的需要，也使回轉(zhuǎn)機構(gòu)自身的體積減小。根據(jù)起重機的規(guī)范，此次設(shè)計的起重機整機的工作級別為A4；機構(gòu)的工作級別為M3。起升特性曲線如圖2-1；塔機整
7、機示意圖如圖2-2所示。吊臂長度為60m，變幅范圍最大可達到54m，吊臂的變幅仰角變化從15o到75o；吊臂截面采用矩形的桁架結(jié)構(gòu)。由于變幅方式為吊臂動臂變幅，起重力矩很大，兼顧材料的易購買性和經(jīng)濟性，主弦桿和腹桿均選用材料16Mn，均為圓形鋼管。為便于運輸，吊臂分為6節(jié)，腹桿采用M型布置。本次設(shè)計的塔身采用了可拆分的結(jié)構(gòu)，塔身為正方形的桁架結(jié)構(gòu)，有一節(jié)基礎(chǔ)節(jié)，其余為標準節(jié)組成，各節(jié)之間用抱瓦連接，主弦桿和腹桿均為圓形鋼管，材料選用16Mn，腹桿布置采用倒X型。 圖2-1 起升特性曲線 圖2-2 FZQ2000塔機總體示意圖2.2 機構(gòu)的設(shè)計起升機構(gòu)是起重機械的主要機構(gòu)，用以實現(xiàn)重物的升降運動
8、。起升機構(gòu)通常有原動機、減速器、卷筒、制動器、離合器、鋼絲繩滑輪組和吊鉤等組成。起升機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)保證滿足起重機的主要工作性能，要合理選擇機構(gòu)形式，要使機構(gòu)工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、自重輕和維修保養(yǎng)方便等。起升機構(gòu)的設(shè)計計算主要包括：根據(jù)總體設(shè)計的要求選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，并確定機構(gòu)的傳動布置方案；按給定的整機主要參數(shù)（最大額定起重量、起升高度、起升速度等）確定起升機構(gòu)參數(shù)，選擇確定機構(gòu)各起重零部件的結(jié)構(gòu)類型和尺寸；以及機構(gòu)動力裝置的選擇計算等。由最大起重量80t，按鋼絲繩單繩承重510t,滑輪組倍率，可得滾動軸承滑輪組效率由機構(gòu)工作級別及參考文獻1，選取安全系數(shù)n=5，可以得到，采用“瓦林吞型”鋼絲繩
9、，由參考文獻1取鋼絲繩直徑；由機構(gòu)工作級別及參考文獻1，選取系數(shù)卷筒，滑輪。卷筒和滑輪的最小直徑可由參考文獻1確定：。綜合考慮鋼絲繩壽命及卷筒繞繩曾數(shù)，取卷筒直徑。為提高效率，滑輪采用滾動軸承，滑輪直徑。卷筒的長度根據(jù)公式可以求得。吊鉤的選擇，最大起重量80t，吊鉤強度等級取P，由參考文獻2選取鉤號為50的吊鉤，由參考文獻2吊鉤材料為DG30Cr2Ni2Mo。由公式可以求得電動機的型號為YZR355L1-10。并對電機進行了過載能力和發(fā)熱的校核，均滿足要求。根據(jù)傳動比為24.65，選取減速器為QJR-D800-25PW。塔式起重機宜采用塊式制動器，塊式制動器構(gòu)造簡單，工作可靠，兩個對稱的瓦塊磨
10、損均勻，制動力矩大小與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)，制動輪軸不受彎曲作用。根據(jù)計算的力矩，選取制動器型號為YW400-1250。絕大多數(shù)起重機為了滿足重物裝卸工作位置的要求，充分利用其起吊能力（幅度減少能提高其起重量），需要經(jīng)常改變幅度。變幅機構(gòu)則是實現(xiàn)改變幅度的工作機構(gòu)，用來擴大起重機的工作范圍，提高起重機的生產(chǎn)率。動臂變幅具有較大的起升高度；在建筑群中施工不容易產(chǎn)生死角；拆裝也比較方便。根據(jù)計算，變幅機構(gòu)的選型的結(jié)果如表2-1所示。工程起重機能將起重物送到指定工作范圍內(nèi)的任意一空間位置，除了依靠起升機構(gòu)實現(xiàn)重物的垂直位移外，回轉(zhuǎn)機構(gòu)是實現(xiàn)水平位移的方法之一，盡管此種運動形式的水平移動范圍有限，但所需功率小
11、，要求也比較簡單，故在大多數(shù)工程起重機中被采用，而且一般還設(shè)計成全回轉(zhuǎn)式的。本次設(shè)計的塔機就采用了上全回轉(zhuǎn)的形式。回轉(zhuǎn)機構(gòu)的選型結(jié)果如表2-2所示。表2-1 變幅機構(gòu)卷筒和滑輪相關(guān)尺寸參數(shù)鋼絲繩直徑d (mm)30卷筒壁厚 (mm)30卷筒直徑D (mm)550繩槽節(jié)距t (mm)32卷筒長度l (mm)1400每層圈數(shù)Z (圈)42鋼絲繩卷繞層數(shù)m (層)5滑輪組倍率a16滑輪直徑D滑 (mm)630卷筒質(zhì)量M (t)0.67鋼絲繩重量M（kg/100m）335.9電動機型號YZR280M-6電機重量M(kg)840電機轉(zhuǎn)速n（r/min）970減速器型號QJS500-50PW減速器重量M(
12、kg)1350制動器型號YW400-800制動器重量M(kg)93減速器輸入軸聯(lián)軸器型號CL3減速器輸出軸聯(lián)軸器型號CL12減速器輸入軸聯(lián)軸器重量26.9kg減速器輸出軸聯(lián)軸器重量540kg表2-2 回轉(zhuǎn)機構(gòu)卷筒和滑輪相關(guān)尺寸參數(shù)回轉(zhuǎn)支撐型號133.45.2 800回轉(zhuǎn)支撐直徑D（mm）3021回轉(zhuǎn)支撐高度H（mm）231電動機型號YZR200L-6電機重量M(kg)390電機轉(zhuǎn)速n（r/min）964制動器型號YW250-500制動器重量M（kg）542.3 結(jié)構(gòu)的設(shè)計塔式起重機的吊臂較長，自重較大，因此吊臂設(shè)計是否合理，直接影響著起重機的承載能力、整機穩(wěn)定性和整機自重。本次設(shè)計采用了桁架壓
13、桿式吊臂。首先對吊臂受力分析，吊臂的受力圖如2-3所示， 圖2-3 吊臂受力圖 圖2-4 吊臂截面示意圖由穩(wěn)定計算公式：，其中=0.840，由等效長度比查表所得。故可以求得吊臂腹桿截面的面積為。由型材手冊，吊臂主弦桿選取管材結(jié)構(gòu)用無縫鋼管，外徑mm，壁厚16mm，面積，材料16Mn；腹桿選用結(jié)構(gòu)用無縫鋼管，外徑mm，壁厚6mm，面積。塔身設(shè)計時必須計算其強度、整體穩(wěn)定性、單支穩(wěn)定性并考慮振動問題。將塔身等效為一端固支、一端自由的桿件，按其強度條件進行計算。首先對塔身受力分析，將上部受力簡化為下圖2-5： 圖2-5 塔身等效力學(xué)模型 圖2-6 塔身截面示意圖由上面的受力分析，B點為危險點，B點應(yīng)
14、力為，可以求得塔身的腹桿截面的最小面積為。由型材手冊，塔身主弦桿選取管材結(jié)構(gòu)用無縫鋼管，外徑mm，壁厚20mm，面積，粗腹桿選用結(jié)構(gòu)用無縫鋼管，外徑mm，壁厚8mm，面積，細腹桿選用結(jié)構(gòu)用無縫鋼管，外徑mm，壁厚6mm，面積，材料16Mn。當(dāng)塔身截面正方形的對角線通過起升平面時，塔身的狀態(tài)比起升平面與塔身的表面平行時的狀態(tài)更危險，故只驗算此工況即如圖2-6所示。通過驗算，滿足穩(wěn)定性的的要求。3 穩(wěn)定性驗算和有限元分析計算3.1 整機穩(wěn)定性驗算對塔式起重機進行驗算，除了要保證塔機各部分的強度滿足要求外，還要保證它的穩(wěn)定，需進行整機穩(wěn)定性驗算。尤其是大型塔機，高度高，體積大，迎風(fēng)面積大，風(fēng)載的影響
15、不容忽視，計算中還要注意慣性載荷等因素的影響，需對其進行有風(fēng)和無風(fēng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性驗算、非工作狀態(tài)的穩(wěn)定性驗算和安裝、架設(shè)、拆卸時的穩(wěn)定性驗算。根據(jù)起重機設(shè)計規(guī)范GB3811-83規(guī)定，塔式起重機工作狀態(tài)抗傾覆穩(wěn)定性需驗算以下兩種工況：第一種工況是無風(fēng)靜載工況，起重機自重與起升載荷對傾覆邊力矩之和大于或等于零，則認為起重機穩(wěn)定。計算時規(guī)定起穩(wěn)定作用的力矩符號為正，使起重機傾覆的力矩符號為負。考慮各種載荷對穩(wěn)定性的實際影響程度，載荷力矩應(yīng)分別乘以一個載荷系數(shù)。驗算公式為式中 最大吊重時的幅度，；起重機自重，獨立時；吊重；、距離，。第二種工況是有風(fēng)動載工況，驗算公式為式中 起重機重心高度，；軌道坡
16、度，；作用在起重機上的風(fēng)力，；作用在吊重上的風(fēng)力，80t的重物的面積約為30，；吊重離心力，；、風(fēng)力作用點，；對于非工作狀態(tài)需要對三種工況進行穩(wěn)定性驗算：突然卸載或吊具脫落時的自身穩(wěn)定性，突然卸載或吊具脫落時，之前吊重或吊具對吊臂的向下的作用力消失，而原來用于平衡這個作用力的力尚未消失，則吊臂產(chǎn)生一個后翻的加速度，即慣性力，再此力作用下吊臂可能會后翻，為保證安全工作，需驗算此時的穩(wěn)定性；驗算公式為：式中 脫落的重物重量，；風(fēng)力，；風(fēng)力等效作用高度，；幅度，為最大吊重時的最大幅度，最危險狀態(tài)。暴風(fēng)侵襲下的起重機穩(wěn)定性的驗算公式為：式中 風(fēng)力，分壓取1500Pa，；風(fēng)力等效作用高度，安裝、架設(shè)、拆
17、卸穩(wěn)定性，動臂式塔機起重的安裝是先安裝基礎(chǔ)節(jié)、頂升套架、平衡臂，后安裝吊臂，在安裝吊臂前，也要保持穩(wěn)定。驗算公式為：式中 風(fēng)力，；風(fēng)力等效作用高度，；除吊臂外上部結(jié)構(gòu)的總重量，；此時總重心偏離回轉(zhuǎn)中心的距離， 通過驗算，各工況均處于穩(wěn)定的狀態(tài)。3.2 有限元分析計算為了數(shù)據(jù)的準確性和安全性以及提高材料的利用率，本次設(shè)計還用了SAP84對塔機進行了建模，對根據(jù)不同的工況對塔機進行了有限元的計算。利用有限元計算的結(jié)果對塔機的整體及單支進行穩(wěn)定性的校核。此次設(shè)計過程中，對塔機的3種工況進行了建模，即最小幅度工況、最大幅度工況、最大吊重時的最大幅度工況。經(jīng)過分析可以得出：塔身受力最嚴重處為塔身根部（圖
18、3-1C處），吊臂受力最嚴重處為吊臂根部（圖3-1B處），變形量最大的地方為吊臂頭部（圖3-1A處）。如圖3-1所示。圖3-1 整體受力及變形分析圖對塔身及其吊臂的最大受力處利用有限元計算所得的數(shù)據(jù)進行驗算,危險處的受力放大圖如圖3-2和圖3-3所示，各危險桿件的數(shù)據(jù)見表3-1和表3-1所示。表3-1 塔身根部各桿件受力數(shù)值表桿號軸力 (N)2軸剪力 (N)2軸彎矩(N.cm)3軸剪力 (N)3軸彎矩(N.cm)4380.5365E+050.7960E+030.3899E+06-0.6636E+050.1859E+075820.3542E+06-0.6119E+040.4591E+060.30
19、88E+07-0.3408E+05931-0.2826E+07-0.1335E+06-0.1010E+070.6636E+05-0.2690E+061055-0.2826E+07 0.1335E+060.1010E+07.0.6636E+050.2479E+07表3-2 吊臂根部各桿件受力數(shù)值表桿號軸力 (N)2軸剪力 (N)2軸彎矩(N.cm)3軸剪力 (N)3軸彎矩(N.cm)364-0.8821E+06-0.1801E+050.8861E+060.1003E+05-0.1390E+07361-0.8804E+06-0.1808E+050.8801E+06-0.9993E+040.1379
20、E+07422-0.6524E+060.1921E+050.1115E+07-0.6080E+04-0.1005E+07425-0.6512E+060.1900E+050.1088E+070.6007E+040.9935E+06 圖3-2 塔身根部局部放大圖 圖3-3 吊臂根部局部放大圖通過對各危險桿件進行驗算，得出結(jié)果是各處均滿足要求。結(jié) 論本設(shè)計按照畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書的要求進行，歷經(jīng)幾個月的時間，查閱了大量資料，設(shè)計完全遵循GB3811-83起重機設(shè)計規(guī)范和GB/T13752-92塔式起重機設(shè)計規(guī)范，充分運用大學(xué)所學(xué)知識，尤其是力學(xué)知識，完成了FZQ2000附著動臂塔式起重機的總體設(shè)計，進行了起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計計算，以及起重臂、塔身、平衡臂等結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，最終進行了整機的強度和穩(wěn)定性的校核，校核通過。在設(shè)計過程中，注意了塔機的經(jīng)濟性、易維護性，并參考材料的易購買性進行選材。由于附著式塔機屬超靜定問題，故設(shè)計中采用了有限元手段，使用SAP84對塔機進行有限元分析。參考文獻1 顧迪民. 工程起重機. 中國建筑工業(yè)出版社, 1988：1-3352 張質(zhì)文. 起重機設(shè)計手冊. 中國鐵道出版社, 1998：1-8503 陳瑋璋. 起重機械金屬結(jié)構(gòu). 人民交通出版社, 1986：1-197118- -
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