qtz40塔式起重机总体及臂架设计(说明书)(含图纸).doc

QTZ40塔式起重机总体及臂架设计

毕业设计说明书

题目：QTZ40塔式起重机总体及臂架设计

目 录
第1章 前言··········································································1
1.1 概述·············································································1
1.2 发展趋势·······································································1
第2章 总体设计····································································2
2.1 概述············································································2
2.2 确定总体设计方案····························································2
2.3 总体设计原则································································29
2.4 平衡臂与平衡重的计算······················································30
2.5 起重特性曲线·································································32
2.6 塔机风力计算································································33
2.7 整机的抗倾覆稳定性计算···················································43
2.8 固定基础稳定性计算························································49
第3章 吊臂的设计计算························································50
3.1 分析单吊点与双吊点的优缺点··············································50
3.2 吊臂吊点位置选择···························································51
3.3 吊臂结构参数参数···························································52
3.4 有限元模型建立过程的几点简化···········································53
3.5 吊臂结构的有限元分析计算·················································54
3.6 计算结果分析·································································69
3.7吊臂强度校核·································································76
3.8 吊臂稳定性校核······························································76
毕业设计小结······································································87
致谢··················································································88
参考文献············································································89

设计项目
计算与说明
结果
前言
概述

发展趋势

总体设计
概述

确定总体设计方案

塔机金属结构

塔顶

吊臂
构造型式

分节问题

截面形式及截面尺度

腹杆布置和杆件材料选用

吊点的选择与构造

平衡臂和平衡重

平衡臂的结构型式

平衡重

拉杆

上、下支座

塔身

塔身结构断面型式

塔身结构腹杆系统

标准节间的联接方式

塔身结构设计

塔身的接高问题

转台装置

回转支承

底架

附着装置

套架与液压顶升机构
爬升架

顶升机构

套架

液压顶升

基础

工作机构

起升机构

起升机构的传动方式

起升机构的驱动方式

起升机构的减速器

起升机构的制动器

滑轮组
倍率

回转机构

变幅机构

安全装置

限位开关

起升高度限制器

起重量限制器

力矩限制器

风速仪

钢丝绳防脱装置

电气系统

总体设计原则
整机工作级别

机构工作级别

主要技术性能参数

平衡臂与平衡重的计算

起重机各部件对塔身的中心力矩

起重特性曲线

各幅度时起重量

起重特性曲线

塔机的风力计算

工作工况Ⅰ

平衡臂风力计算
风力系数选取

由平衡臂的设计尺寸计算迎风面积

风力计算

起升机构的风力计算

平衡重风力计算

起重臂风力计算

变幅机构风力计算

塔顶风力计算

上下支座风力计算

塔身风力计算

司机室风力计算

工作工况Ⅱ

平衡臂风力计算

起升机构风力计算

平衡重风力计算

起重臂风力计算

变幅机构风力计算

塔顶风力计算

上下支座风力计算

塔身风力计算

司机室风力计算

非工作工况Ⅲ

平衡臂风力计算

起升机构风力计算

平衡重风力计算

起重臂风力计算

变幅机构风力计算

塔顶风力计算

上下支座风力计算

塔身风力计算

司机室风力计算

起重机抗倾覆稳定性计算

工作工况Ⅰ

平衡臂部分

起重臂部分

塔身部分

基础部分

工作工况Ⅱ
平衡臂部分

起重臂部分

塔身部分

基础部分

惯性载荷

坡度载荷

风载荷

非工作工况Ⅲ

平衡臂部分

起重臂部分

塔身部分

基础部分

风载荷

工作工况Ⅳ
平衡臂部分

起重臂部分

塔身部分

基础部分

风载荷

固定基础稳定性计算

吊臂的设计计算

分析单吊点与双吊点的优缺点

吊臂吊点位置选择

吊臂结构参数选择

有限元模型建立过程的几点简化

自重及风载简化

吊点处约束的确定

单元类型选择

模型生成分析过程

吊臂结构的有限元分析计算

吊臂结构有限元分析程序命令流

前处理模块

定义臂架一至七节节点

塔尖节点

定义工况节点

定义求解类型、单元类型

定义材料属性

定义梁单元实常数

定义杆单元实常数

定义臂架上弦杆一至二节

定义臂架上弦杆三至五节

定义臂架上弦杆六至七节

定义臂架前侧下弦杆一至五节

定义臂架后侧下弦杆一至五节

定义臂架前侧下弦杆六至七节

定义臂架后侧下弦杆六至七节

定义臂架一节侧腹杆

定义臂架一节水平面腹杆

定义臂架二至五节侧腹杆

定义臂架二至五节水平面腹杆

定义臂架六节侧腹杆

定义臂架六节水平面腹杆

定义臂架七节侧腹杆

定义臂架七节水平面腹杆

定义吊臂拉杆

施加2m工况集中载荷
退出前处理并进入求解模块

施加20m工况集中载荷并求解

施加40m工况集中载荷并求解
退出求解模块

模型示意图

进入后处理模块

读入2m工况并显示结果

读入20m工况并显示结果

读入50m工况并显示结果

退出后处理模块

计算结果分析

确定优化结论

各工况数据

工况1-1变形图

工况1-2变形图

工况1-3变形图

工况2-1变形图

工况2-2变形图

工况2-3变形图

工况3-1变形图

工况3-2变形图

工况3-3变形图

提取轴向力

上弦杆轴向力最值

下弦杆轴向力最值

侧腹杆轴向力最值

水平腹杆轴向力最值

分析确定危险工况

危险工况

吊臂强度校核

吊臂稳定性校核

工况1-2
上弦杆三-五节稳定性校核

工况1-1
上弦杆六-七节稳定性校核

工况1-3下弦杆一-五节稳定性校核

工况1-3
下弦杆六-七节稳定性校核

工况1-3
侧腹杆一节稳定性校核

工况1-2
侧腹杆二-五节稳定性校核

工况1-3
侧腹杆六-七节稳定性校核

工况1-3
水平腹杆一节稳定性校核

工况1-2
水平腹杆二-五节稳定性校核

工况1-1
水平腹杆六-七节稳定性校核

第1章 前言
1.1 概述
塔式起重机是我们建筑机械的关键设备，在建筑施工中起着重要作用，我们只用了五十年时间走完了国外发达国家上百年塔机发展的路程，如今已达到发达国家九十年代末期水平并跻身于当代国际市场。
QTZ40型塔式起重机简称QTZ40型塔机，是一种结构合理，性能比较优异的产品，比较国内同规格同类型的塔机具有更多的优点，能够满足高层建筑施工的需要，可用于建筑材料和预制构件的吊运和安装，并能在市内狭窄地区和丘陵地带建筑施工。高层建筑施工中，它的幅度利用率比其他类型起重机高，其幅度利用率可达全幅度的80%。
QTZ40型塔式起重机是400kN·m上回转自升式塔机。上回转自升塔式起重机是我国目前建筑工程中使用最广泛的塔机，几乎是万能塔机。它的最大特点是可以架得很高，所以所有的高层和超高层建筑、桥梁工程、电力工程，都可以用它去完成。这种塔式起重机适应性很强，所以市场需求很大。
1.2 发展趋势
塔式起重机是在第二次世界大战后才真正获得发展的。在六十年代，由于高层、超高层建筑的发展，广泛使用了内部爬升式和外部附着式塔式起重机。并在工作机构中采用了比较先进的技术，如可控硅调速、涡流制动器等。进入七十年代后，它的服务对象更为广泛。因此，幅度、起重量和起升高度均有了显著的提高。
就工程起重机而言，今后的发展主要表现在如下几个方面：①整机性能：由于先进技术和材料的应用，同种型号的产品，整机重量要轻20%左右；②高性能、高可靠性的配套件，选择余地大、适应性好,性能得到充分发挥；③电液比例控制系统和智能控制显示系统的推广应用；④操作更方便、舒适、安全，保护装置更加完善；⑤向吊重量大、起升高度、幅度更大的大吨位方向发展。
第2章 总体设计
2.1 概述
总体设计是毕业设计中至关重要的一个环节，它是后续设计的基础和框架。只有在做好总体设计的前提下，才能更好的完成设计。它是对满足塔机技术参数及形式的总的构想，总体设计的成败关系到塔机的经济技术指标，直接决定了塔机设计的成败。
总体设计指导各个部件和各个机构的设计进行，一般由总工程师负责设计。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，经济性好，工艺简单，工作可靠。
2.2 确定总体设计方案
QTZ40塔式起重机是上回转液压自升式起重机。尽管其设计型号有各种各样，但其基本结构大体相同。整台的上回转塔机主要由金属结构，工作机构，液压顶升系统，电器控制系统及安全保护装置等五大部分组成。
2.2.1 金属结构
塔式起重机金属结构部分由塔顶，吊臂，平衡臂，上、下支座，塔身，转台等主要部件组成。对于特殊的塔式起重机，由于构造上的差异，个别部件也会有所增减。金属结构是塔式起重机的骨架，承受塔机的自重载荷及工作时的各种外载荷，是塔式起重机的重要组成部分，其重量通常约占整机重量的一半以上，因此金属结构设计合理与否对减轻起重机自重，提高起重性能，节约钢材以及提高起重机的可靠性等都有重要意义。
1. 塔顶
自升塔式起重机塔身向上延伸的顶端是塔顶，又称塔帽或塔尖。其功能是承受臂架拉绳及平衡臂拉绳传来的上部载荷，并通过回转塔架、转台、承座等的结构部件或直接通过转台传递给塔身结构。
自升式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。人字架式塔尖部件由一个平面型钢焊接桁架和两根定位系杆组成。而斜撑式塔尖则由一个平面型钢焊接桁架和两根定位系杆组成。这两种型式塔尖的共同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。
本设计采用前倾截锥柱式塔顶，断面尺寸为1.36m×1.36m。腹杆采用圆钢管。塔顶高6.115米。塔冒用无缝钢管焊接而成，顶部设有连接平衡臂拉杆和吊臂拉杆的铰销吊耳，以及穿绕起升钢丝绳的定滑轮，顶部应装有安全灯和避雷针。其结构如图2-1所示：

图2-1 塔顶结构图
2. 起重臂
1） 构造型式
塔式起重机的起重臂简称臂架或吊臂，按构造型式可分

为：小车变幅水平臂架；俯仰变幅臂架，简称动臂；伸缩式小车变幅臂架；折曲式臂架。
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吊臂。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。因此此次设计采用小车变幅水平臂架。
小车臂架可概分为三种不同型式：单吊点小车臂架，双吊点小车臂架和起重机与平衡臂架连成一体的锤头式小车臂架。单吊点小车变幅臂架是静定结构，而双吊点小车变幅臂架则是超静定结构。幅度在40m以下的小车臂架大都采用单吊点式构造；双吊点小车变幅臂架结构一般幅度都大于50m。双吊点小车变幅臂架结构自重轻，据分析与同等起重性能的单吊点小车变幅臂架相比，自重均可减轻5%-10%。小车变幅臂架拉索吊点可以设在下弦处，也可设在上弦处，现今通用小车变幅臂架多是上弦吊点，正三角形截面臂架。这种臂架的下弦杆上平面均用作小车运行轨道。
2） 分节问题
臂架型式的选定及构造细部处理取决于塔机作业特点，使用范围以及承载能力等因素，设计时，应通盘考虑作出最佳选择，首先要解决好分节问题。
小车臂架常用的标准节间长度有6、7、8、10、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。本次设计选用标准节长度为6m，另加上3.84m长的延接节。其示意图见图2-2：

图2-2臂架分节
3） 截面形式及截面尺度
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，本次设计的QTZ40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。其尺寸截面形式如图2-3所示：

图2-3 臂架截面及其腹杆布置
1-水平腹杆2-侧腹杆3-上弦杆4-下弦杆
臂架1-7节：B=1020mm H=800mm
臂架截面尺寸与臂架承载能力、臂架构造、塔顶高度及拉杆结构等因素有关。截面高度主要受最大起重量和拉杆吊点外悬臂长度影响最大。截面宽度主要与臂架全长有关。设计臂架长度为40m，共七节。
4） 腹杆布置和杆件材料选用
矩形截面臂架的腹杆体系宜采用人字式布置方式，而三角形截面起重臂的腹杆体系既可采用人字式布置方式，也可 采用顺斜置式。此两种布置方式各有特点。
当采用顺斜置式式，焊缝长度较短、质量不易保证。焊接变形不均匀，节点刚度较差，且不便于布置小车变幅机构。因此本设计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。
臂架杆件材料有多种选择可能性。一般情况下，上吊点小车变幅臂架的上弦以选用Q345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：惯性矩、长细比要小，抗失稳能力高。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83×6、89×7、108×8，下弦选用的角钢型号为：63×5、70×6，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。其设计原则是：臂架长度小于50m，对最大起吊量并无特大要求，一般采用单吊点结构。若臂架总长在50m以上，或对跨中附近最大起吊量有特大要求应采用双吊点。采用单吊点结构时，吊点可以设在上弦或下弦。吊点以左可看作简支梁，以右可看作悬臂梁。在设计中采用双吊点。
3. 平衡臂与平衡重
QTZ40塔式起重机是上回转塔机。上回转塔机均需配设平衡臂，其功能是支撑平衡重（或称配重），用以构成设计上所需要的作用方向与起重力矩方向相反的平衡力矩，在小车变幅水平臂架自升式塔机中，平衡臂也是延伸了的转台，除平衡重外，还常在其尾端装设起升机构。起升机构之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端，一则可发挥部分配重作用，二则增大钢丝绳卷筒与塔尖导轮间的距离，以利钢丝绳的排绕并避免发生乱绳现象。
1） 平衡臂的结构型式
平衡臂的构造设计必须保证所要求的平衡力矩得到满足。短平衡臂的优点是：便于保证塔机在狭窄的空间里进行安装架设和拆卸，适合在城市建筑密集地区承担施工任务的塔机使用，不易受邻近建筑物的干扰，结构自重较轻。长平衡臂的主要优点是：可以适当减少平衡重的用量，相应减少塔身上部的垂直载荷。平衡重与平衡臂的长度成反比关系，而平衡臂长度与起重臂之间又存在一定关系，因此，平衡臂的合理设计可节约材料，降低整机造价。
常用平衡臂有以下三种结构型式：
（1） 平面框架式平衡臂，由两根槽钢纵梁或由槽钢焊成的箱形断面组合梁河系杆构成。在框架的上平面铺有走道板，走到板两旁设有防护栏杆。其特点是结构简单，加工容易。
（2） 三角形断面桁架式平臂，又分为正三角形断面和倒三角形断面两种形式。此类平衡臂的构造与平面框架式平衡臂结构构造相似，但较为轻巧，适用于长度较大的平衡臂。从实用上来看，正三角形断面桁架式平衡臂似不如倒三角形断面桁架式平衡臂。
（3） 矩形断面格桁结构平衡臂，其特点是根部与座在转台上的回转塔架联接成一体，适用于小车变幅水平臂架特长的超重型自升式塔机。
平衡臂结构选用型式的原则是：自重比较轻；加工制造简单，造型美观与起重臂匹配得体。故此次设计选用平面框架式平衡臂。它由两根槽钢纵梁或由槽钢焊成的箱形断面组合梁和系杆构成。在框架的上平面铺有走道板，走道板两旁设有防护栏杆。这种平衡臂的优点是结构简单，加工容易。平衡臂的长度是11.67m。如图2-4所示：

图2-4 平衡臂
2） 平衡重
平衡重属于平衡臂系统的组成部分，它的用量甚是可观，轻型塔机一般至少要用3～4t，重型自升式塔机要装有近30t平衡重。因此在设计平衡重过程中，应对平衡重的选材、构造以及安装进行认真考虑并作妥善安排。
平衡重一般可分为固定式和活动式两种。活动平衡重主要用于自升式塔机，其特点是可以移动，易于使塔身上部作用力矩处于平衡状态，便于进行顶升接高作业。但是，构造复杂，机加工量大，造价较高。故国内大部分塔机均采用固定式平衡重。
平衡重可用铸造或钢筋混凝土制成。铸铁平衡重的构造较复杂，制造难度大，加工费用贵，但体形尺寸较小，迎风面积较小，有利于减少风载荷的不利影响。钢筋混凝土平衡重的主要缺点是体积大，迎风面积大，对塔身结构及稳定性均有不利影响。但是构造简单，预制生产容易，可就地浇注，并且不怕风吹雨淋，便于推广。
因此，本次设计的塔式起重机采用钢筋混凝土式平衡重。
4. 拉杆
QTZ40塔式起重机采用双吊点式拉杆结构，拉杆由焊件组成，其材料为Q345，拉杆节之间用过渡节连接，由受力特性计算出其拉杆点作为位置，其中在平衡臂和吊臂上设有拉板和销轴用来连接用。
5. 上、下支座
上支座上部分别与塔顶、起重臂、平衡臂连接，下部用高强螺栓与回转支承相连接在支承座两侧安装有回转机构，它下面的小齿轮准确地与回转支承外齿圈啮合，另一面设有限位开关。
下支座上部用高强螺栓与回转支承连接、支承上部结构，下部四角平面用4个销轴和8个M30的高强螺栓分别与爬升架和塔身连接。
6. 塔身
塔身结构也称塔架，是塔机结构的主体，支撑着塔机上部结构的重量和承受载荷，并将这些载荷通过塔身传至底架或直接传递给地基基础。
1） 塔身结构断面型式
塔身结构断面分为圆形断面、三角形断面及方形断面三类。圆形断面和三角形断面现在基本上不用，现金国内外生产的塔机均采用方形断面结构。因此本设计采用的也是方形断面结构。按塔身结构主弦杆材料的不同，这类方形断面塔架可分为：角钢焊接格桁架结构塔身，主弦杆为角钢辅以加强筋的矩形断面格桁架结构；角钢拼焊方钢管格桁架结构塔身及无缝钢管焊接格桁架结构塔身。由型钢或钢管焊成的空间桁架，其成本比较低，且能满足工作需要。因此主弦杆采用由等边角钢拼焊成的方管。这种样式具有选材方便、灵活的优点。常用的矩形尺寸有：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。此次设计的尺寸为1.6m×1.6m。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。选用标准节长度为2.5m。
2） 塔身结构腹杆系统
塔身结构的腹杆系统采用角钢或无缝钢管制成，腹杆可焊装与角钢主弦杆内侧或焊装于角钢主弦杆外侧。斜腹杆和水平腹杆可采用同一规格，腹杆有三角形，K字型等多种布置形式。腹杆不同会影响塔身的扭转刚度和弹性稳定。
本次设计腹杆采用三角形布置。适合于中等起重能力塔身结构采用的腹杆布置方式。
3） 标准节间的联接方式
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。盖板螺栓联接和套柱螺栓联接应用最广。
本次设计的QTZ40塔机采用套柱螺栓联接，其特点是：套柱采用企口定位，螺栓受拉，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，虽加工工艺要求比较复杂，但安装速度比较快。
4） 塔身结构设计
（1） 轻、中型自升塔机和内爬式塔机宜采用整体式塔身标准节。附着式自升式塔机和起升高度大的轨道式以及独立式自升塔机宜采用拼装式塔身标准节。拼装式塔机塔身标准节的加工精度要求比较高，制作难度比较大，零件多和拼装麻烦，但拼装式塔身标准节的优越性更不容忽视：一是堆放储存占地小；二是装卸容易；三是运输费用便宜，特别是长途陆运和运洋海运，由于利用集装箱装运，其抗锈蚀和节约运费的效果极为显著。
QTZ40属于中型自升式塔机，综合各种型式的特点，塔身结构采用整体式塔身标准节，如图2-5所示：

图2-5 塔身结构示意图
（2） 为减轻塔身的自重，充分发挥钢材的承载能力，并适应发展组合制式塔机的需要，对于达到40m起升高度的塔机塔身宜采用两种不同规格的塔身标准节，而起升高度达到60m的塔机塔身宜采用3种不同规格的塔身标准节。除伸缩式塔身结构和中央顶升式自升塔机的内塔外，塔身结构上、下的外形尺寸均保持不变，但下部塔身结构的主弦杆截面则须予以加大。
（3） 塔身的主弦杆可以是角钢、角钢拼焊方钢管、无缝钢管式实心圆钢，取决于塔身的起重能力、供货条件、经济效益以及开发系列产品的规划和需要。
（4） 塔身节内必须设置爬梯，以便司机及机工可以上下。在设计塔身标准节，特别是在设计拼装式塔身标准节时，要处理好爬梯与塔身的关系，以保证使用安全及安装便利。爬梯宽度不宜小于40mm，梯级间距应上下相等，并应不大于30