塔式起重机吊臂、起升机构设计及动力特性分析说明书[精].docx
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1、本科毕业设计说明书题 目: QTZ80塔式起重机吊臂、起升机构设计及动力特性分析院 (部): 机电工程学院专 业: 机械工程及自动化班 级: 姓 名: 学 号: 指导教师: 完成日期: 摘 要ABSTRACT1 概述1.1 本文的课题意义11.2工程起重机的发展历史与现状21.3课题关键问题及难点21.4 本文的研究内容32 起重臂方案设计2.1结构形式设计52.2截面形式52.3臂架拉杆的构造83 起重臂三维建模3.1起重臂标准节建模94 起重臂有限元(ANSYS)分析4.1 ANSYS的基本使用方法134.2 QTZ80点塔式起重机吊臂建模134.3 吊臂各部分强度刚度验算184.4计算结
2、果讨论254.5 塔机模态分析255 起升机构设计5.1起升机构的组成布置方式295.2起升机构的计算30总 结谢 辞参考文献摘 要塔机在我国的基础设施建设和国民经济发展中,发挥着越来越重要的作用。设计的合理与否直接关系到塔机的性能和成本,关系一个企业的生存与发展。本文将对QTZ80塔式起重机的起重臂、起升机构的设计做一下详细说明。本文对QTZ80塔式起重机起重臂的截面形式,起升机构的电机以及起升机构的各种性能和参数做出了详细说明。以三维造型软件Solid Works 为基础完成QTZ80型塔式起重机起重臂的三维零件图的绘制并完成起重臂的装配,运用ANSYS软件对QTZ80型塔式起重机起重臂进
3、行了有限元分析,对塔身的刚度和强度进行了验算,从而判断该设计的性能是否满足设计要求,最后又用ANSYS软件对QTZ80塔机整体进行了模态分析,得到整个塔机的动力特性。关键词:三维造型;起重臂;起升机构;有限元;动力特性Abstract1.1 本文的课题意义在科学研究方面,新的理论、新的计算方法的建立以及新产品的研制,都必须经过理论性的计算和实验来证实其可行性和可靠性。由于塔机在启动、制动和进行耦合运动时,机构和结构将承受强烈的冲击振动,所以就需要准确描述和精确计算塔机结构体系在外激励下的动态过程,从而为塔机的设计、生产提供理论上的和实践上的指导,这对于塔机的经济性和安全性都具有非常重要的意义。
4、1.2工程起重机的发展历史与现状发明于20世纪之初的欧洲。1900年有了第一个塔机专利,1905年出现了塔身固定的臂架式起重机,第一次、二次世界大战后塔机得到快速发展,近年更是呈现型式多样、需求旺盛的局面。我国于20世纪50年代从苏联和及欧一些国家引进了塔式起重机,塔机作为建筑工地上的主要机械,在施工中起着关键作用,特别是改革开放以来,塔式起重机在建筑场合的应用更加广泛。从塔式起重机的结构形式和性能看,总的趋势是向大吨位产品方向发展,这是因为大吨位塔式起重机在起重大型货物时有它自己的优势,特别是在现代城市建设和桥梁建设中大吨位起重机起着不可替代的作用;塔式起重机今后的发展的另一趋势是设计计算原
5、理的研究和改革。在塔式起重机的结构计算中,仍采用传统的许用应力计算法。这种方法使用起来比较简便,但其缺点是对于不同用途、不同工作性质的结构采用同一的安全系数,而且安全系数往往偏大或过低 。因此按许用应力法设计的起重机结构,或多消耗金属材料,或安全程度较低。随着生产和计算机技术的发展,试验研究工作的开展,人们利用计算机来计算塔式起重机的结构和进行动力特性分析得到了越来越广泛的应用。 随着科学技术的飞速发展,人们对于塔式起重机性能要求越来越高,不仅要求起重机重量轻、刚性好、作业空间大,而且要求起重机小车和大车的运行速度高,作业效率高等要求,更重要的是要求塔机的人性化和智能化。这样就对起重机的动力学
6、特性提出了更高的要求。随着起重机大型化,小车和大车等机构的运行速度加快,塔式起重机的安全问题变得越来越明显,起重机的安全问题现已成为企业和高校关心的热点问题。1.3课题关键问题及难点塔机作为建筑工地上的主要机械,在施工中起着关键作用。塔机的三大传动机构,特别是起升机构工作性能的优劣,是衡量塔机技术先进程度的重要标志。起升机构的主要功能是起吊重物,在频繁的起吊、卸载和变速过程中,起升机构传动系统的各个环节的零部件都处在一个较大的交变应力状态中,会因疲劳等原因造成其损坏,一旦零件损坏,就会使整个传动系统失效,其后果就会使吊运在空中的重物突然失控下坠,造成突发性事故,这种情况在工地上时有发生。它的发
7、展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。对起升机构的改进难点在于如何保证整个起升机构的零部件能够保持在均等的使用寿命,从而保证塔机的整体的使用寿命得到保证,减少事故的发生。这就需要在正确的确定塔机起重臂的截面和评估起升机构的零部件的疲劳寿命的前提下,进行正确的有限元建模进而得到较为精确的塔机的动力特性,从而为施工现场的操作制定一个正确的有科学依据的操作规程,进而在提高塔机的使用寿命的同时减少以至避免事故的发生。金属结构是塔机的骨架,起结构强度和刚性决定着塔机的工作可靠性和安全性。因此,结构静态和动态分析是塔机设计开发中一项极为重要的工作。随着有限元法理论的日益完善和计算机技术的迅速发展,越来越
8、多的工程技术人员开始采用有限元法对塔机进行结构分析,有限元法成为目前塔机结构分析中最有效的数值方法。当前国内外涌现出了诸如SAP84,ADLNA,ANSYS,NASTRON等著名的有限元分析软件,它们各具特点。随着其它有限元分析软件逐步在我国推广使用,人们开始尝试将其它软件应用于塔机的静动力分析,其中ANSYS软件就是一种较好的选择。在使用ANSYS时能否正确建模对得到最后的正确结果起着至关重要的作用,因为这不仅仅意味着建模的成功与否,还将作为指导最后的现场施工的依据,故而这就成为了难点。1.4 本文的研究内容塔式起重机技术的进步,对试验技术不断提出新的要求从而推动了试验技术的发展,而试验技术
9、的发展又反过来推动着起重运输机械的技术进步。近年来,在材料学、电子学、化学和计算机技术等方面的研究成果,不断应用于塔式起重机的设计制造中,使试验技术达到相当高的水平。新技术的应用不断解决科学研究和生产实际中出现的新问题,提高产品设计、制造水平,减少事故的发生将是今后一个时期专业技术人员所面临的重要课题。塔式起重机在使用过程中由于磨损等原因会使起重臂臂尖挠度过大进而影响牵引小车工作性能,因此在塔机设计中必须合理控制塔机各部分的刚度使起重臂臂尖挠度在一定的范围内。由于起重臂臂尖挠度是塔机整机变形的综合结果而塔机各部分结构形状和连接形式很复杂所受载荷也很复杂不可能进行手工分析和计算。起重臂设计所使用
10、的计算理论和方法对起重臂设计的影响非常大。知名企业都有自己的科研机构,对起重臂的计算理论、制造工艺等都有深人的研究,有限元等方法的应用,大大减轻了整机的重量。我国许多企业也使用有限元法对塔机结构进行理论上的分析和塔臂变形的验算。因而本文主要针对以下几个方面进行分析。(1)塔式起重机起重臂在动态有风情况下的应力与变形由于塔式起重机工作过程中的幅度、吊重和风向等条件是不断变化的,本文将对塔机在最大起重量(满载)、最大幅度、适度超载极限状态下的塔臂的应力与变形。工作状态风载荷是起重机在正常工作情况下所能承受的最大计算风力。(2) 塔式起重机起重臂在静态无风情况下的应力与变形2 起重臂方案设计2.1结
11、构形式设计 (1)小车变幅水平臂架双吊点小车变幅臂架,超静定结构,结构更加稳定幅度在50米以上采用。(2)俯仰变幅臂架通过变幅机构绳轮系统进行俯仰变化,从而能避开回转中遇到的障碍物。(3)伸缩式小车变幅臂架能够避开运行中的障碍物。(4)折曲臂架适用冷却塔、电视塔以及一些超高层建筑施工需要。综上所述,起重臂采用小车变幅臂架,双吊点。2.2截面形式图 2-1 平衡臂及其截面形式(1)分类与特点为了使起重臂重量更轻,性能更强,在起重臂的设计中广泛使用了超高强度钢材诸于WELDOX960,WELDOX1100等新材料,起重臂截面的设计需要解决板材屈曲的问题,各厂家都研究出了各自的解决办法,国外知名厂家
12、采用了优化的截面形状,许多公司采用椭圆形吊臂截面的概念,采用椭圆形截面抗扭性能显著,具有固有的独特稳定性和抗屈曲能力,部分企业采用大圆弧六边形截面。目前,椭圆形起重臂的技术其优势很明显,由于不需采用加劲筋,因而每节臂截面的变化很小,有利于减轻起重臂的重量,提高起重机的起重能力。但是截面的成型难度大,生产周期长.我国几乎所有双吊点塔式起重机起重臂截面可以设计成三角形或者矩形如下图图 2-2 常用平衡臂形式侧腹杆人字式(a)(小塔用)一顺斜置式(b)(大塔用)应用区段不受限制斜杆受拉,最宜用于吊点以外悬臂部分腹杆与弦杆相交的焊缝长度较长,强度易保证长度较短,质量不易保证焊接变形较均匀不均匀节点焊缝
13、较好较差布置制约的影响便于布置小车变幅机构不便于布置小车变幅机构选b 主要从受力来考虑,b受力好腹杆展开图 a b c图 2-3 腹杆展开图分类:a一顺式 腹杆布置均匀,焊缝不过于集中 b交错对称式焊缝过于集中 c密集布置式 当臂架幅度大,下弦采用槽钢时用正三角截面起重臂的腹杆体系采用人字式布置方式,加工方便,便于布置小车变幅机构,腹杆体系为三角形,对于三角形结构,上弦杆使用圆钢管,下弦杆由角钢拼焊成,兼作起重小车的运行轨道。在回转平面内的桁架可看作是悬臂梁,承受横向载荷。倒三角结构上弦杆通常是圆钢管,下弦杆位工字钢兼作起重小车的运行轨道。臂架根部通过销轴与塔身联接,臂架上设有吊点通过钢丝绳或
14、钢拉杆与塔帽顶部连接。为便于安装运输和组成不同长度臂架,吊臂一般分成若干段,由根部节、端部节、和若干标准节组成,各节间通过螺栓和销轴联接。桁架式水平臂架大都采用正三角截面,故此处选用如图a所示的正三角截面。2.3臂架拉杆的构造俯仰变幅臂架一般使用钢丝绳拉索,而小车变幅臂架既可以使用钢丝绳拉索,也可以使用钢拉杆。钢拉杆一般采用扁钢板、实心圆钢或者厚壁无缝钢管制成。拉杆也可以分成若干段,各段通过连接板及销轴链接而成。吊点选择与构造臂架总长在50 m以上应采用双吊点。(1)柔性拉杆(或称钢丝绳拉杆)使用时间较长后,钢丝绳会产生自身变形,导致起重臂向下倾斜,所以需经常检验、更换,提高了生产成本。一次性
15、投入,降低了生产成本;另外,能够克服柔性拉杆带来的负面影响。刚性组合拉杆可分为:扁钢拉板、实心圆钢拉杆、厚壁无缝钢管拉杆、角钢对焊方形断面空腹拉杆。暂定为实心圆钢拉杆,双吊点。3 起重臂三维建模3.1起重臂标准节建模进入如图3-1所示的SolidWorks建模页面,选择一个绘图平面进行臂节建模图 3-1 SolidWorks绘图界面如下图所示分别绘出第一节到第四节起重臂进而绘出剩余的几节并装配成起重臂装配图图3-2 第一节起重臂图3-3 第二节起重臂图3-4 第三节起重臂图3-5 第四节起重臂图3-6 起重臂装配图4.1 ANSYS的基本使用方法 有限元分析是对物理现象(几何及载荷工况)的模拟
16、,是真实情况的数值近似。通过对分析对象划分网格,求解有限个数值来逼近和模拟真实环境的无限个未知量。ANSYS分析过程包含以下三个主要步骤创建有限元模型:1.施加载荷及载荷选项、设定约束条件。2.求解。查看结果:(1)查看分析结果。(2)检验结果(分析是否正确)具体如图4-1 图 4-1 ANSYS分析流程图4.2 QTZ80点塔式起重机吊臂建模由于回转支承等实体部件相对塔机整体结构而言几何尺寸较小,而刚度较大、质量较为集中,当对塔机结构进行整体分析时,可以将回转支承结构等实体部件采用来梁单元进行等效,使塔机的整体整体分析中只包含梁单元,避免了具有不同节点自由度的梁单元和板壳单元的联接问题。另外
17、,一般塔机都具有几百甚至几千根杆件,只输入数据文件已经很大,如果在同时分析回转机构的板壳结构,更将大大增大数据文件,甚至超出了计算机的工作能力。在作完整体分析之后,再将整体分析中得到的等效单元的节点力作为外载荷,采用板壳单元单独分析回转机构。根据设计规范的规定,塔机必须工作在材料弹性范围内,且对一般的中小型塔机的分析不必考虑非线性因素,只考虑线性分析。ANSYS提供了多种梁杆单元,在塔机分析中以梁单元为主,杆单元用的很少,而且可用梁单元代替。塔机是一种空间结构,ANSYS软件提供的常用弹性三维梁单元有BEAM4、BEAM44、BEAM188和BEAM189,它们都有各自的特点,能满足不同的分析
18、要求,常用梁单元主要性质见下表表 4-1 梁单元特性单元名称节点自由度数阶次是否考虑剪切变形是否支持截面定义是否支持变截面BEAM46线性否是否BEAM246线性否是否BEAM446线性否是是BEAM1886或7线性是是否BEAM1896或7二次是是否塔机结构中有许多较短的杆件,如塔身接头、吊臂接头等都属于深梁,用普通梁单元建模会带来较大的误差,所以塔机分析软件应使用BEAM188单元(线性梁单元)或BEAM189单元(二次梁单元),通常采用BEAM188单元即可。BEAM188和BEAM189单元均以Timoshenko梁理论为基础,其形函数中挠度和截面转动各自独立插值,并考虑了剪切变形的影
19、响。BEAM188单元支持截面定义功能,使用者可使用截面定义命令(SECTYPE、SECDATA)方便的定义截面形状,并可在图形用户界面下绘制已定义的假面图形(SECPLOT),以检查截面定义的正确性。因为BEAM188单元具有塔机分析所要求的功能,因此,在塔机分析中使用BEAM188单元即可得到满意的结果。4.2.1 主梁的有限元建模1、定义单元类型GUI:Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 单元类型选择Beam 2node 188。2、定义材料属性GUI:Main MenuPreprocessorMaterial props M
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