本科毕业论文---塔式起重机.doc

安徽建筑工业学院

毕 业 设 计 (论 文)

专 业 机械设计制造及其自动化
课 题 塔式起重机的吊臂设计

摘 要

依据GB/T13752-92《塔式起重机设计规范》，用多跨连续外伸梁结构方式,以塔机单吊点水平起重臂作为研究对象,分析了其在各种载荷作用下起升平面内受力情况，根据臂架的工作特点和性能要求,对吊点位置和型钢合理优化设计,建立了臂架控制截面应力分布最均衡和臂架最轻的结构优化数学模型,编制了臂架结构应力计算过程,选取不同的校核段进行了详细计算,并将校核段的不同选择对计算结果的影响进行了对比分析. 计算表明合理优化设计后典型工况下臂架各危险截面的应力分布和臂架重量均能够使设计的塔式起重机吊臂结构优、材料省、可靠性高。
关键词 起重臂 优化设计 截面 校核

Abstract
Based GB/T13752-92 "tower crane design", with multi-span continuous beam structure extended approach to single-tower suspension points and the boom for the study, analyzed the various loads in lifting plane within the force, according to arm work characteristics and performance requirements, right lifting positions and optimal design of steel and reasonable to establish the stress distribution in the control section boom and jib the most balanced lightest structural optimization model is developed arm structural stress calculation, select a different section of a detailed calculation of check, and check the different options section of the calculation results were compared. calculations show that the optimal design of a reasonable condition after the boom of the dangerous section of typical stress Boom weight distribution and are able to make the design of the tower crane boom structure of good, materials provinces, and high reliability.
Key words ： boom optimal design section Checking

目 录
摘要………………………………………………………………………………………
Abstract…………………………………………………………………………………
第1章 绪 论……………………………………………………………………………
1.1 本论文的背景和意义…………………………………………………………
1.2 本论文的主要方法和研究进展…………………………………………………
1.3 本论文的主要内容………………………………………………………………
第二章 塔机小车吊臂设计……………………………………………………………
2.1 吊臂的主要结构形式及主要尺寸………………………………………………
2.1.1 吊臂的主要材料………………………………………………………………
2.1.2 吊臂的机构形式………………………………………………………………
2.1.3 吊臂的尺寸……………………………………………………………………
2.1.4 吊点位置的确定………………………………………………………………
2.1.5 吊臂运输单元划分……………………………………………………………
2.2 吊臂计算简图、载荷、内力计算及在和组合………………………………
2.2.1 吊臂自重小车及变幅机构引起的内力…………………………………
2.2.2 吊重引起的内力………………………………………………………………
2.2.3 水平反力HA（HB）产生的偏心弯矩…………………………………………
2.2.4 风载引起的内力………………………………………………………………
2.2.5 回转水平惯性力………………………………………………………………
2.2.6 起升绳牵引力产生的轴心压力……………………………………………
2.2.7小车轮压产生下弦局部弯矩………………………………………………
目 录
2.3 吊臂截面的选择计算……………………………………………………………
2.3.1 吊臂的几何特征尺寸计算…………………………………………………
2.3.2 整体稳定性的计算…………………………………………………………
2.3.3 单肢（上、下弦杆）验算………………………………………………………
2.3.4 缀条的计算……………………………………………………………………
2.3.5 整体强度计算…………………………………………………………………
设计总结……………………………………………………………………
课题展望……………………………………………………………
致谢…………………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………………
附录一：开题报告…………………………………………………………………
附录二：任务书………………………………………………………………

第1章 绪 论
1.1 本论文的背景和意义
我国塔式起重机五十年代初开始起步，经过四十多年的发展，与国外的差距已大大缩小，并已成为生产塔式起重机大国。但在总体性能、质量、可靠性方面还存在着较大差距。(1)在产品品种方面：大型、特大型塔机短缺，中、小型品种过剩，并急需更新换代。(2)在产品性能方面：智能化、数字化控制技术差距很大，跟不上市场需求，可靠性差，事故率较高。(3)在试验手段方面：试验手段差，多数厂家不具备对原材料的预处理和配套件进厂检验的能力。(4)在产品结构方面：45tm以下的小型塔机产量高、但性能差、更新换代周期长。(5)配套件生产方面：企业多，品种重复，生产质量差，直接影响到主机的质量和可靠性。
我国“九五”和“十五”规划都是一个高速发展的规划，将要制订的“十一五”规划会作一些调整，但总的发展速度不会减慢。因此在今后一段的时间里，我国塔式起重机仍处于兴旺时期。根据我国塔式起重机的发展形式和市场需求，在产品品种方面预计今后几年塔式起重机要向大型化(IO00tm)以上的和小型化(40tm)以下的发展；在技术性能方面要向产品智能化、数字化和机一电一液一体化方向发展；在结构型式方面要发展一机多用的塔机，如：吊重、布料、高空作业集为一体等；要加大力度研究解决高性能、高技术含量、高可靠性的塔机，最低限度降低塔机事故率。
吊臂作为起重机组成结构之一，对起重机结构性能和外观质量的改善有着很大不可忽视的作用。起重机吊臂由横截面呈三角形的多节空间刚架拼装组成．刚架由型钢焊接而成，其上弦杆为圆钢管 ，下弦杆为角钢焊接而成的方管 ，吊杆为圆钢管．吊臂可根据施工需要拼装成不同的长度，吊臂可在现场组装 ，运输途中可分节拆开．吊臂承受主要载荷有：组装后吊臂的自重 、拉杆的作用力 、小车起吊重物的作用力以及空中风力的载荷。
　 塔机是各种工程建设中广泛应用的重要起重设备, 吊臂作为塔机金属结构的主要部件, 其设计计算方法将直接影响整台塔机的设计质量和塔机运行的安全可靠性。而随着塔机向大型、重载和超高超长的方向发展, 吊臂的设计尤其显得重要。
1.2 本论文的主要方法和研究进展
本论文仍是主要用传统方法进行设计：（1）依据设计要求以及GBT13752—99《塔式起重机设计规范》和《起重机设计手册》设计该塔式起重机。主要包括吊臂的结构选型、载荷计算、稳定性计算等；（2）以吊臂的某一段作为研究对象 ，进行稳定性分析，据钢结构设计规范中双向格构式压弯构件的稳定性来确定截面的高度 ，使计算中的受力分析更加符台实际工况 ；（3）用AutoCAD设计出吊臂的二维图，并标注所有尺寸。
1.3 本论文的主要内容
本论文即是吊臂设计的内容主要包括吊臂的结构选型、载荷计算以及强度、刚度、稳定性校核等。

第二章 塔机小车吊臂设计
2.1 吊臂的主要结构形式及主要尺寸
2.1.1 吊臂的主要材料
上弦杆 16Mn
下弦杆 20
缀条 20
上弦采用16Mn实心圆钢，其优点是：迎风阻力小，吊点构造简单，不易发生撞击变形。万一发生撞击变形，容易调整复原，实心圆钢上弦杆与腹杆连接处刚度比较好。下弦杆采用等边角钢对焊的箱形截面杆，具有良好的抗压曲性能，兼作小车轨道。
吊臂采用变截面设计，腹杆的布置方式总体采用三角式布置方式，而限于弦杆选用材料的特性，在水平桁架加设竖腹杆以增大弦杆节间的抗压弯能力。
2.1.2 吊臂的机构形式
本塔式起重机采用小车变幅，根据变力和构造等要求，吊臂结构决定采用等腰三角形截面的型式。
上弦杆使用16Mn实心圆钢，下弦杆为两个箱型截面，具有良好的抗弯曲性能。每个箱型截面由两个等边角钢焊接而成，兼作小车轨道用。
臂架上设有吊点通过钢丝绳与塔帽顶部连接。为便于安装运输和组合成不同长度的臂架，将吊臂分为若干段，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。
2.1.3 吊臂的尺寸
截面高度和宽度：根据强度、 刚度、稳定性以及构造等要求来确定，对于本设计中的三角形截面的吊臂，截面高度h=（1/50～1/25）L，截面宽度b应与上塔身宽度配合，截面简图见图2-1。
吊臂要求：
h=2m (h/L=1/35)
b=1.8m

图2-1
2.1.4 吊点位置的确定
确定吊点位置的原则：当小车行驶到吊臂端部时，在吊点处桁架弦杆中产生的最大应力，于小车行驶到吊点内跨中某处时，该处桁架弦杆中的最大应力值相等的等强度或等稳定条件。桁架水平式吊臂拉杆吊点可以设在上弦或下弦，今从减小臂端垂度出发，吊点设在上弦。
臂架总长L=70m，采用单吊点结构。取L2/L1=0.4，见图2-2。

图2-2
2.1.5 吊臂运输单元划分
考虑到安装运输条件及材料长度的限制，通常将吊臂做成若干节段（运输单元），各节段在工厂做好后运到工地，在工地上再用销轴连接。本设计将吊臂划分为八个运输单元，起分节尺寸见图2-3。

图2-3

吊臂自重 16800 Kg
蝙蝠机构重 330 kg
力矩传感器及装置 10 kg
∑G=16800+330+10=17140 kg

2.2 吊臂计算简图、载荷、内力计算及在和组合
（1）计算简图：在起升平面内，吊臂可作为伸臂梁计算；
在回转平面内，吊臂可视为悬臂梁计算。
载荷组合: 自重+吊重+工作状态风载（风向垂直吊臂）+其它惯性力。
计算中忽略离心力等影响，因塔式起重机工作级别为A4
故不验算钢结构的疲劳强度。
（2）计算工况：
① 在最大幅度起吊额定载荷，风向垂直吊臂，计算吊点 截面和臂架根部截面内力。即70m，吊重3.3t，作用点C。
② 在跨中位置起吊额定载荷，风向垂直吊臂，计算跨中载荷内力，即幅度16m，吊重12t，作用点D。
③ 在最小幅度起吊额定载荷，风向垂直吊臂，计算臂架根部截面内力，即幅度3m，吊重12t，作用点E。
（3）计算截面：
① 臂架根部截面A点，该处起升平面内Mx=0，但在回转平面内的弯矩My最大。
② 臂架吊点截面B点，该处起升平面内负弯矩最大。
③ 臂架跨中截面D点，该处起升平面内正弯矩最大。
2.2.1 吊臂自重小车及变幅机构引起的内力

图2-4
先假设吊臂自重为均布载荷q=2352N/m，小车变幅机构自重P1=3243N，感应装置P2=98N，吊臂所受载荷如图2-4所示。

弯矩MD=40802×16-16×2352×8-3234×8=325904N·m
MB右=2352×352/2+98×35=1444030N·m
2.2.2 吊重引起的内力

图2-5
工况1：R=70m, Q=3.3t, 吊具重q1=2%Q=66kg， 起重小车q2=0.4t，Vh=0.8m/s，吊臂所受载荷如图2-5所示。
起升动载系数Φ2=1.05+0.4（Vh -0.02）=1.29m/s
Qc=Φ2（Q+ q1）g+ q2g=1.29×（3300+66）×9.8+400×9.8=46473N
∑MB=0, VA×35+Qc×35=0.
VA=-46473N
∑Fy=0, VB+VA-Qc=0.
VB=92946N,
HB=491313N
FB=49957N
剪力 QAB=46473N,
QBC=46473N
弯矩 MB=-Qc×L/2=-46473×35N﹒m=-1626555 N﹒m
MD=-46173×16 N﹒m=-743568 N﹒m
轴力 NAB=-491317N
NBC=0

图2-6
工况2： R=16m, Q=12t, 吊具重q1=2.5%Q=300kg， 起重小车q2=0.4t，吊臂所受载荷如图2-6所示。
QD=Φ2（Q+ q1）g+ q2g=1.29×（12000+300）×9.8+400×9.8=159417N
∑MB=0, QD×(35-16)= VA×35
VA=86541N
∑Fy=0, VB+VA-QD=0.
VB=72876N,
HB=385223N
FB=392000N
剪力 QAD=86541N,
QDB=-78876N
弯矩 MD=86541×16 N﹒m=1384656 N﹒m
轴力NAB=-385223N

图2-7
工况3：R=3m, Q=12t, 吊具重q1=2.5%Q=300kg， 起重小车q2=0.4t，吊臂所受载荷如图2-4所示。
QE=Φ2（Q+ q1）g+ q2g=1.29×（12000+300）×9.8+400×9.8=159417N
∑MB=0, QE×32- VA×35=0
VA=145753N
∑Fy=0, VB+VA-QE=0.
VB=13664N,
HB=72228N
FB=73499N
剪力 QAE=145753N,
2.2.3 水平反力HA（HB）产生的偏心弯矩
吊臂自重 MB=HB×2=683711×2=1344167 N﹒m
工况1： MB=HB×2=491313×2=982626 N﹒m
工况2： MB=HB×2=385223×2=770446 N﹒m

2.2.4 风载引起的内力
（1）吊臂风载
风载荷计算公式
FW=CWPWA
按工作状态最大计算风压选PW=250Pa
依据《塔式起重机设计规范》 表 8 单片结构的风力系数Cw，选Cw=1.5
迎风面积按结构件在与风向垂直平面上的投影面积计算
A=wA1
式中：A— 结构的迎风面积;
w— 结 构 充 实率，按表9选取w=0.3；
A1— 结构外形轮廓面积A1=70×2=140m2。
A=0.3×140=42m2
风载荷FW=1.5×250×42=15750 N。
均布风压q= FW/L=15750/70 N=225 N。
剪力 QAY=15750N
QDY=225×(70-16)=12150N
QBY=225×35=7875N
弯矩 MAY=225×702/2=551250N
MAY=225×542/2=328050N
MBY=225×352/2=137813N
(2)吊重引起的风载
起吊物品的迎风面积按其实际外形尺寸在垂直风向平面上的投影计算。当迎风面积无法确定时，作用在物品上的风载荷按额定起重量的3%计算，沿最不利载荷组合方向水平作用于物品上，但其值不小于500N。
工况1：Q=3.3t，估算风载FW =3300×9.8×3%=970N
剪力AC段 QAY=970N
弯矩 MAY=970×70=67900N·M
MDY=970×54=52380 N·M
MBY=970×35=33950 N·M
工况2：Q=12t，估算风载FW =12000×9.8×3%=3528N
弯矩 MAY=3528×16=56448 N·m

2.2.5 回转水平惯性力
（1）吊臂自身重量产生的回转惯性力

吊臂重G=17140×9.8=167972N；
塔机回转机构额定转速n=0.7r/min；
回转机构起、制动时间t=4s；
吊臂根部销轴中心到塔机回转中心的距离a=2m。

每米惯性力q惯=F惯/70=166N/m；
剪力 QA=11616N
QD=166×54=8964N
QB=166×35=5810N
弯矩 MA=166×702/2=406700N·m
MD=166×542/2=242028N·m
MB=166×352/2=101675N·m
(2)吊重的惯性力
工况1：Qc=（3300+66+400）×9.8=36907N

考虑其它因素F惯=4829×1.5=7243N。
剪力 QAC=7243N
弯矩 MA=7243×70=507010N·m
MD=7243×54=391122N·m
MB=7243×35=253505N·m
工况2：QD=(12000+300+400)×9.8=124460N

考虑其它因素F惯=3722×1.5=5583N
剪力 QAD=5538N
弯矩 MA=5583×16N·m=89328N·m
2.2.6 起升绳牵引力产生的轴心压力
工况1：吊重在C处
SC=×1.29×（3300+66）×9.8=21276N
工况2：吊重在D处
SD=×1.29×（12000+300）×9.8=38874N
2.2.7小车轮压产生下弦局部弯矩
每一轮压为：
P=×1.29×（12+0.3+0.4）=2.048t=20069N
Mmax=1.4P（0.86-0.55）-P×0.32=16196N
M局= Mmax =10796N
2.3 吊臂截面的选择计算
2.3.1.吊臂的几何特征尺寸计算
截面A、D
上弦杆φ100,16Mn实心圆钢
r=2.5cm
下弦杆 等边角钢∟140×140×60,b=140mm,d=16mm
A=42.539cm2, A下取的比2A稍大为A下=2A=86cm2

A=78.5+2×86=250.5cm2

构件截面对x轴回转半径

起升平面，吊臂可看作两端简支外伸梁，其计算长度

吊点B处
上弦杆φ85,16Mn实心圆钢
r=4.25
下弦杆 等边角钢∟140×140×60,b=140mm,d=16mm
A=42.539cm2, A下=86cm2

A=56.7+2×86=228.7cm2

构件截面对x轴回转半径

2.3.2、整体稳定性的计算
（1）换算长细比

θ——腹杆所在平面与轴夹角，如
图2-8所示。 图2-8
三肢杆构件的换算长细比λhx 、λhy：
B截面

其中A1为臂架三个侧面内腹杆截面积之和。侧面、水平面斜缀条皆选取Φ100×5。
A1=3×π（52-4.52）=44.7cm2
D截面

(2)欧拉临界载荷
B截面，吊臂对X、Y轴的欧拉临界载荷

D截面

（3）稳定性验算
吊臂的整体稳定性计算公式：

吊臂所受载荷的内力组合见【附录一 吊臂内力组合表】。
工况1：
截面A处的内力组合:
吊臂截面的轴向力N=1184677N；
载荷引起的吊臂截面上对X、Y轴的弯矩，
MHX=0, MHY=1532860N·m ；
横向载荷弯矩系数:

代入数据有,

截面B处的内力组合
吊臂截面的轴向力N=1184681；
载荷引起的吊臂截面上对X、Y轴的弯矩，
,MHY=526886N·m ；
横向载荷弯矩系数:

代入数据有,

工况2：
截面D处的内力组合:
吊臂截面的轴向力N=1096185N；
载荷引起的吊臂截面上对X、Y轴的弯矩，
MHX=1710560N·m ， MHY=589444N·m ；
横向载荷弯矩系数:

代入数据有,

2.3.3 单肢（上、下弦杆）验算
分肢稳定性校核：

式中，其中l是分肢计算长度，可取缀条节点间的长度，rmin是分肢型钢截面的最小回转半径。
（1）截面A：
工况1验算：
My=1532860N·m ， N=1184677N
下弦杆轴心压力：

（2）截面B：
工况2验算：
左面Mx=-2087959N·m，My=526886N·m ，N=-1184681N
右面Mx=-3070585N·m，My=526886N·m ，N=-21276N
左面，上弦杆轴心压力：

右面，上弦杆轴心压力：

左面，下弦轴心压力：

截面D：
工况2验算:
Mx=1710560N·m ,My=589444N·m ,N=1096185N
上弦杆轴心压力：

弦轴心压力：

轮压产生的下弦杆局部弯矩：
M局=10797N·m

2.3.4 、缀条的计算
（1）侧面斜缀条
φ100×5，I=168.71cm4，A=14.92cm2，r=3.36cm

臂架截面简图如图2-9所示，

图2-9

图2-10
组合剪力Qx=186555N，吊臂侧面如图2-10所示。
单根侧缀条剪力：

单根斜缀条内力：
N=102278×2.29/2.193=106802N
λ=229/3.31=68.1

(2)水平斜缀条
φ100×5，I=168.71cm4，A=14.92cm2，r=3.36cm
工况2：QY=36477N

（3）水平横缀条
φ80×4， A=9.55cm2， r=2.69cm

2.3.5、整体强度计算
截面A

截面B

截面D

故所选截面安全！

设计总结
随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过数周的奋战我们的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我们才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我们认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
在此要感谢我们的指导老师潘友杰对我们悉心的指导，感谢老师给我们的帮助。在设计过程中，我们通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我们懂得了许多东西，也培养了我们独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我们充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我们终身受益。

课题展望
20世纪70年代初期，国外专业人员在展望世界起重设备发展前景时曾语言：今后起重运输设备的三大组成部分是：汽车起重机、空中起重机（起重运输专用直升飞机和她机，到2000年其中技术将不会出现重大突破。现时已进入21世纪，时间表明，上述预言已经兑现。看来，塔机技术将在今后一定时间内将不会有重大突破。但是，当今国外塔机生产厂商均非常注重国际市场动向，不断总结经验，改进产品设计，及时推出出适销对路的产品。在21世纪初始年代中后期，国外塔机权威厂家LIEBHER和POTAIN都先后分别推出了各有特色的新塔机产品。
未来的大中型吊臂幅度将向更长的臂架发展。德国WOLFF厂生产的2300Kn.m
级城市塔机中，9025FL型塔机的小车变幅臂架长达90m，臂头起重量为2.5到
3t。塔机起升机构、小车变幅机构、回转机构均采用变频调速系统。该机还设有
CCPLUS系统，可通过降低速度，使相应的起重量提高30%。9025FL型塔机的出
现预示着等多的城市塔机将采用更长的吊臂。
为适应城镇兴建经济实用住房的需奥，应积极发展高功效、投产便捷可与汽
车吊竞争的塔机生产。与此同时，还应适当发展安装投产均比较简便的轮胎式轻
型塔动两用起重机。大力开发经济型城市塔机，适当发展动臂式自升塔机和折曲
式两用臂架自升塔机的生产，以适应出口市场和国内特定工程的需要。今后推出
的塔机新产品必须按ISO有关规定对一些细部做法加以改进。
所以，以后的塔机生产要非常注意市场需求的变化，并不断总结经验，改进
并完善产品设计。正是由于新产品的相继推出，诸生产厂家的生存和竞争发展能
力乃得以增强。

致谢
毕业论文暂告收尾，这也意味着我在安徽建筑工业学院四年的学习生活既将结束。回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。
在本论文的写作过程中，我的导师潘友杰老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在百忙中抽出时间解答我们提出的种种问题。在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。
写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是一名安徽建筑工业学院学子，在今后的工作中把安徽建筑工业学院的优良传统发扬光大。
感谢各位老师的批评指导。

参考文献
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[4]卢耀祖 ，郑惠强 ．机械结构设计 ．上海：同济大学版社，2004．
[5]金忠谋．材料力学．北京：机械工业出版社，2005
[6]刘佩衡 ．塔式起重机使用手册．北京：中国机械工业出版社 ，2002．
[7]塔式起重机设计规范GB/T 13752 - 92 ．中国标准出版社，1993 ．

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附录一：吊臂内力组合表