FZQ2000附著動(dòng)臂塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)FZQ2000附著動(dòng)臂塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì).doc

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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(jì)（論文）選集 FZQ2000附著動(dòng)臂塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì) 機(jī)電工程學(xué)院：詹偉剛 指導(dǎo)教師：陸念力 摘 要：塔式起重機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)區(qū)與民用建筑的主要機(jī)械之一，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)，就是設(shè)計(jì)一臺(tái)電力建設(shè)所用大型動(dòng)臂塔式起重機(jī)。大型動(dòng)臂式塔機(jī)具有大起重量、適應(yīng)狹窄空間、多臺(tái)塔機(jī)可以聯(lián)合作業(yè)等有點(diǎn)，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(jì)中考慮了整機(jī)的安全性與經(jīng)濟(jì)性，為了增加數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(jī)的利用率達(dá)到最高。 關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；動(dòng)臂；有限元SAP84 Abs

2、tract：Tower crane 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, m

3、ulti-tower crane 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 c

4、onstruct, it 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 Sap84 1 引 言 動(dòng)臂式塔機(jī)有著小車變幅式塔機(jī)不可替代的優(yōu)越性，隨著我國(guó)建筑施工法規(guī)的完善，大型高層建筑的增多，動(dòng)臂式塔機(jī)的優(yōu)越會(huì)愈加明顯，一方面由于城市樓房的施工現(xiàn)場(chǎng)狹小，從安全上塔機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)其吊重和臂架

5、等不能刮碰相鄰的構(gòu)筑物，有些國(guó)家法規(guī)還規(guī)定工作時(shí)不允許占用施工場(chǎng)地范圍外的上空，動(dòng)臂式塔機(jī)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(dòng)臂式時(shí)，吊臂受壓，塔機(jī)吊臂受力狀況較好，可承載更大。從世界范圍看，動(dòng)臂式塔機(jī)有流行的趨勢(shì)。為適應(yīng)我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型動(dòng)臂式塔機(jī)替代進(jìn)口產(chǎn)品已非常必要和緊迫。 2 FZQ2000附著動(dòng)臂塔機(jī)的具體設(shè)計(jì) 2.1 總體設(shè)計(jì) 根據(jù)本設(shè)計(jì)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54

6、m;獨(dú)立工作時(shí)的最大起升高度大于90m;兩層附著時(shí)的工作高度最大起升高度大于140m。根據(jù)此要求，確定起升機(jī)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12—54m，最大起升高度不小于140m，起升速度0—5m/min（重載），0—10m/min（輕載），0—20m/min（空載）。變幅機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)為全程變幅時(shí)間為12min。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的速度為0.15r/min；由于起升高度大，塔機(jī)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(duì)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(jī)構(gòu)自身的體積減小。根據(jù)起重機(jī)的規(guī)范，此次設(shè)計(jì)的起重機(jī)整機(jī)

7、的工作級(jí)別為A4；機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別為M3。起升特性曲線如圖2-1；塔機(jī)整機(jī)示意圖如圖2-2所示。吊臂長(zhǎng)度為60m，變幅范圍最大可達(dá)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(dòng)臂變幅，起重力矩很大，兼顧材料的易購(gòu)買性和經(jīng)濟(jì)性，主弦桿和腹桿均選用材料16Mn，均為圓形鋼管。為便于運(yùn)輸，吊臂分為6節(jié)，腹桿采用M型布置。本次設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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

8、 圖2-2 FZQ2000塔機(jī)總體示意圖 2.2 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 起升機(jī)構(gòu)是起重機(jī)械的主要機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)重物的升降運(yùn)動(dòng)。起升機(jī)構(gòu)通常有原動(dòng)機(jī)、減速器、卷筒、制動(dòng)器、離合器、鋼絲繩滑輪組和吊鉤等組成。起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證滿足起重機(jī)的主要工作性能，要合理選擇機(jī)構(gòu)形式，要使機(jī)構(gòu)工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自重輕和維修保養(yǎng)方便等。起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括：根據(jù)總體設(shè)計(jì)的要求選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，并確定機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)布置方案；按給定的整機(jī)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(jī)構(gòu)參數(shù)，選擇確定機(jī)構(gòu)各起重零部件的結(jié)構(gòu)類型和尺寸；以及機(jī)構(gòu)動(dòng)力裝置的選擇計(jì)算等。 由最大

9、起重量>80t，按鋼絲繩單繩承重5~10t,滑輪組倍率，可得滾動(dòng)軸承滑輪組效率由機(jī)構(gòu)工作級(jí)別及參考文獻(xiàn)[1]，選取安全系數(shù)n=5，可以得到，采用“瓦林吞型”鋼絲繩，由參考文獻(xiàn)[1]取鋼絲繩直徑；由機(jī)構(gòu)工作級(jí)別及參考文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(dòng)軸承，滑輪直徑。卷筒的長(zhǎng)度根據(jù)公式可以求得。吊鉤的選擇，最大起重量>80t，吊鉤強(qiáng)度等級(jí)取P，由參考文獻(xiàn)[2]選取鉤號(hào)為50的吊鉤，由參考文獻(xiàn)[2]吊鉤材料為DG30Cr2Ni2Mo。由公式可以求得電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為YZR355L1-10。并

10、對(duì)電機(jī)進(jìn)行了過(guò)載能力和發(fā)熱的校核，均滿足要求。根據(jù)傳動(dòng)比為24.65，選取減速器為QJR-D800-25ⅢPW。塔式起重機(jī)宜采用塊式制動(dòng)器，塊式制動(dòng)器構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作可靠，兩個(gè)對(duì)稱的瓦塊磨損均勻，制動(dòng)力矩大小與旋轉(zhuǎn)方向無(wú)關(guān)，制動(dòng)輪軸不受彎曲作用。根據(jù)計(jì)算的力矩，選取制動(dòng)器型號(hào)為YW400-1250。 絕大多數(shù)起重機(jī)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(jī)構(gòu)則是實(shí)現(xiàn)改變幅度的工作機(jī)構(gòu)，用來(lái)擴(kuò)大起重機(jī)的工作范圍，提高起重機(jī)的生產(chǎn)率。動(dòng)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(jì)算，變幅機(jī)構(gòu)的選型的結(jié)果如

11、表2-1所示。 工程起重機(jī)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(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)重物的垂直位移外，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)水平位移的方法之一，盡管此種運(yùn)動(dòng)形式的水平移動(dòng)范圍有限，但所需功率小，要求也比較簡(jiǎn)單，故在大多數(shù)工程起重機(jī)中被采用，而且一般還設(shè)計(jì)成全回轉(zhuǎn)式的。本次設(shè)計(jì)的塔機(jī)就采用了上全回轉(zhuǎn)的形式?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的選型結(jié)果如表2-2所示。 表2-1 變幅機(jī)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(zhǎng)度l (mm) 1400 每層圈數(shù)Z (圈) 42 鋼絲繩卷繞層

12、數(shù)m (層) 5 滑輪組倍率a 16 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(dòng)機(jī)型號(hào) YZR280M-6 電機(jī)重量M(kg) 840 電機(jī)轉(zhuǎn)速n（r/min） 970 減速器型號(hào) QJS500-50ⅡPW 減速器重量M(kg) 1350 制動(dòng)器型號(hào) YW400-800 制動(dòng)器重量M(kg) 93 減速器輸入軸聯(lián)軸器型號(hào) CL3 減速器輸出軸聯(lián)軸器型號(hào) 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(jī)構(gòu)卷筒和滑

13、輪相關(guān)尺寸參數(shù) 回轉(zhuǎn)支撐型號(hào) 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(dòng)機(jī)型號(hào) YZR200L-6 電機(jī)重量M(kg) 390 電機(jī)轉(zhuǎn)速n（r/min） 964 制動(dòng)器型號(hào) YW250-500 制動(dòng)器重量M（kg） 54 2.3 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 塔式起重機(jī)的吊臂較長(zhǎng)，自重較大，因此吊臂設(shè)計(jì)是否合理，直接影響著起重機(jī)的承載能力、整機(jī)穩(wěn)定性和整機(jī)自重。本次設(shè)計(jì)采用了桁架壓桿式吊臂。首先對(duì)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

14、 圖2-4 吊臂截面示意圖 由穩(wěn)定計(jì)算公式：，其中=0.840，由等效長(zhǎng)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(cè)，吊臂主弦桿選取管材結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管，外徑mm，壁厚16mm，面積，材料16Mn；腹桿選用結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管，外徑mm，壁厚6mm，面積。 塔身設(shè)計(jì)時(shí)必須計(jì)算其強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性、單支穩(wěn)定性并考慮振動(dòng)問(wèn)題。將塔身等效為一端固支、一端自由的桿件，按其強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。首先對(duì)塔身受力分析，將上部受力簡(jiǎn)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

15、受力分析，B點(diǎn)為危險(xiǎn)點(diǎn)，B點(diǎn)應(yīng)力為，可以求得塔身的腹桿截面的最小面積為。由型材手冊(cè)，塔身主弦桿選取管材結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管，外徑mm，壁厚20mm，面積，粗腹桿選用結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管，外徑mm，壁厚8mm，面積，細(xì)腹桿選用結(jié)構(gòu)用無(wú)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(duì)角線通過(guò)起升平面時(shí)，塔身的狀態(tài)比起升平面與塔身的表面平行時(shí)的狀態(tài)更危險(xiǎn)，故只驗(yàn)算此工況即如圖2-6所示。通過(guò)驗(yàn)算，滿足穩(wěn)定性的的要求。 3 穩(wěn)定性驗(yàn)算和有限元分析計(jì)算 3.1 整機(jī)穩(wěn)定性驗(yàn)算 對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行驗(yàn)算，除了要保證塔機(jī)各部分的強(qiáng)度滿足要求外，還要保證它的穩(wěn)定，需進(jìn)行整機(jī)穩(wěn)定性驗(yàn)算。尤其是大型塔

16、機(jī)，高度高，體積大，迎風(fēng)面積大，風(fēng)載的影響不容忽視，計(jì)算中還要注意慣性載荷等因素的影響，需對(duì)其進(jìn)行有風(fēng)和無(wú)風(fēng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性驗(yàn)算、非工作狀態(tài)的穩(wěn)定性驗(yàn)算和安裝、架設(shè)、拆卸時(shí)的穩(wěn)定性驗(yàn)算。 根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-83規(guī)定，塔式起重機(jī)工作狀態(tài)抗傾覆穩(wěn)定性需驗(yàn)算以下兩種工況：第一種工況是無(wú)風(fēng)靜載工況，起重機(jī)自重與起升載荷對(duì)傾覆邊力矩之和大于或等于零，則認(rèn)為起重機(jī)穩(wěn)定。計(jì)算時(shí)規(guī)定起穩(wěn)定作用的力矩符號(hào)為正，使起重機(jī)傾覆的力矩符號(hào)為負(fù)?？紤]各種載荷對(duì)穩(wěn)定性的實(shí)際影響程度，載荷力矩應(yīng)分別乘以一個(gè)載荷系數(shù)。驗(yàn)算公式為 式中 ——最大吊重時(shí)的幅度，； ——起重機(jī)自重，獨(dú)立時(shí)； ——吊重；

17、 、——距離，，。 第二種工況是有風(fēng)動(dòng)載工況，驗(yàn)算公式為 式中 ——起重機(jī)重心高度，； ——軌道坡度，； ——作用在起重機(jī)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(diǎn)，，； 對(duì)于非工作狀態(tài)需要對(duì)三種工況進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算：突然卸載或吊具脫落時(shí)的自身穩(wěn)定性，突然卸載或吊具脫落時(shí)，之前吊重或吊具對(duì)吊臂的向下的作用力消失，而原來(lái)用于平衡這個(gè)作用力的力尚未消失，則吊臂產(chǎn)生一個(gè)后翻的加速度，即慣性力，再此力作用下吊臂可能會(huì)后翻，為保證安全工作，需驗(yàn)算此時(shí)的穩(wěn)定性；驗(yàn)算公式為： 式中 ——脫落的重物重量，； —

18、—風(fēng)力，； ——風(fēng)力等效作用高度，； ——幅度，為最大吊重時(shí)的最大幅度，最危險(xiǎn)狀態(tài)。 暴風(fēng)侵襲下的起重機(jī)穩(wěn)定性的驗(yàn)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)、拆卸穩(wěn)定性，動(dòng)臂式塔機(jī)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(yàn)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(shí)總重心偏離回轉(zhuǎn)中心的距離， 通過(guò)驗(yàn)算，各工況均處于穩(wěn)定的狀態(tài)。 3.2 有限元分析計(jì)算 為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性以及提高材料的利用率，本次設(shè)計(jì)還用了S

19、AP84對(duì)塔機(jī)進(jìn)行了建模，對(duì)根據(jù)不同的工況對(duì)塔機(jī)進(jìn)行了有限元的計(jì)算。利用有限元計(jì)算的結(jié)果對(duì)塔機(jī)的整體及單支進(jìn)行穩(wěn)定性的校核。此次設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)塔機(jī)的3種工況進(jìn)行了建模，即最小幅度工況、最大幅度工況、最大吊重時(shí)的最大幅度工況。經(jīng)過(guò)分析可以得出：塔身受力最嚴(yán)重處為塔身根部（圖3-1C處），吊臂受力最嚴(yán)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(duì)塔身及其吊臂的最大受力處利用有限元計(jì)算所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算,危險(xiǎn)處的受力放大圖如圖3-2和圖3-3所示，各危險(xiǎn)桿件的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3-1和表3-1所示。 表3-1 塔

20、身根部各桿件受力數(shù)值表 桿號(hào) 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) 438 0.5365E+05 0.7960E+03 0.3899E+06 -0.6636E+05 0.1859E+07 582 0.3542E+06 -0.6119E+04 0.4591E+06 0.3088E+07 -0.3408E+05 931 -0.2826E+07 -0.1335E+06 -0.1010E+07 0.6636E+05 -0.2690E+06 1055 -0.2826E+07 0.1335E

21、+06 0.1010E+07 .0.6636E+05 0.2479E+07 表3-2 吊臂根部各桿件受力數(shù)值表 桿號(hào) 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+05 0.8861E+06 0.1003E+05 -0.1390E+07 361 -0.8804E+06 -0.1808E+05 0.8801E+06 -0.9993E+04 0.1379E+07 422 -0.6524E+06 0.1921E+05 0.1115E+07 -0.6

22、080E+04 -0.1005E+07 425 -0.6512E+06 0.1900E+05 0.1088E+07 0.6007E+04 0.9935E+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(guò)對(duì)各危險(xiǎn)桿件進(jìn)行驗(yàn)算，得出結(jié)果是各處均滿足要求。 結(jié) 論 本設(shè)計(jì)按照《畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書》的要求進(jìn)行，歷經(jīng)幾個(gè)月的時(shí)間，查閱了大量資料，設(shè)計(jì)完全遵循GB3811-83起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范和GB/T13752-92塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，充分運(yùn)用大學(xué)所學(xué)知識(shí)，尤其是力學(xué)知識(shí)，完成了FZ

23、Q2000附著動(dòng)臂塔式起重機(jī)的總體設(shè)計(jì)，進(jìn)行了起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及起重臂、塔身、平衡臂等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，最終進(jìn)行了整機(jī)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的校核，校核通過(guò)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，注意了塔機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、易維護(hù)性，并參考材料的易購(gòu)買性進(jìn)行選材。由于附著式塔機(jī)屬超靜定問(wèn)題，故設(shè)計(jì)中采用了有限元手段，使用SAP84對(duì)塔機(jī)進(jìn)行有限元分析。 參考文獻(xiàn) 1 顧迪民. 工程起重機(jī). 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1988：1-335 2 張質(zhì)文. 起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè). 中國(guó)鐵道出版社, 1998：1-850 3 陳瑋璋. 起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu). 人民交通出版社, 1986：1-197 118 - -