QTZ1000塔式起重機吊臂、起升機構設計及動力特性分析畢業(yè)設計.doc

本科畢業(yè)設計說明書 題 目： QTZ80 塔式起重機吊臂、起升機構設計 及動力特性分析 院 （部）： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 完成日期： 1 I 目 錄 摘 要 .VIII ABSTRACT .IX 1 概述 .1 1.1 本文的課題意義 .1 1.2 工程起重機的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 .2 1.3 課題關鍵問題及難點 .2 1.4 本文的研究內(nèi)容 .3 2 起重臂方案設計 .5 2.1 結(jié)構形式設計 .5 2.2 截面形式 .5 2.3 臂架拉桿的構造 .8 3 起重臂三維建模 .9 3.1 起重臂標準節(jié)建模 .9 4 起重臂有限元（ANSYS）分析 .13 4.1 ANSYS 的基本使用方法 .13 4.2 QTZ80 點塔式起重機吊臂建模 .13 4.3 吊臂各部分強度剛度驗算 .18 4.4 計算結(jié)果討論 .25 4.5 塔機模態(tài)分析 .25 5 起升機構設計 .29 5.1 起升機構的組成布置方式 .29 5.2 起升機構的計算 .30 總 結(jié) .36 謝 辭 .37 參考文獻 .38 1 II 摘 要 塔機在我國的基礎設施建設和國民經(jīng)濟發(fā)展中，發(fā)揮著越來越重要的作用。設計的 合理與否直接關系到塔機的性能和成本，關系一個企業(yè)的生存與發(fā)展。本文將對 QTZ80 塔式起重機的起重臂、起升機構的設計做一下詳細說明。 本文對 QTZ80 塔式起重機起重臂的截面形式，起升機構的電機以及起升機構的各 種性能和參數(shù)做出了詳細說明。以三維造型軟件 Solid Works 為基礎完成 QTZ80 型塔 式起重機起重臂的三維零件圖的繪制并完成起重臂的裝配，運用 ANSYS 軟件對 QTZ80 型 塔式起重機起重臂進行了有限元分析,獲得起重臂結(jié)構的應力分布，確定起重臂作業(yè)時 的危險點，對塔身的剛度和強度進行了驗算，從而判斷該設計的性能是否滿足設計要求， 最后又用 ANSYS 軟件對 QTZ80 塔機整體進行了模態(tài)分析，得到整個塔機的動力特性。 關鍵詞：三維造型；起重臂；起升機構；有限元；動力特性 1 III Abstract Tower crane in Chinas infrastructure construction and development of the national economy, playing an increasingly important role. Design of reasonable or not directly related to the performance and tower crane costs, a business relationship between the survival and development. This paper will have a detailed description about QTZ80 tower crane boom and the rising organizations design. In this paper, a detailed explanation will be made about QTZ80 tower crane arms cross- section form,the motor of the rising organization and the rising organizations various parameters.QTZ80 tower crane arm of the three-dimensional map of parts and completing mapping of the boom assembly is based on Three-dimensional modeling software SolidWorks,gain QTZ80 tower crane arms finite element analysis with ANSYS, gain the booms stress distribution to determine the boom operating dangerous point, the tower of strength and stiffness were checking to determine whether the performance of the design can meet design requirements, make a modal analysis of overall of QTZ80 tower crane with ANSYS, gain the entire dynamic of the tower crane. Keywords: three-dimensional modeling; boom; the rising organization;finite element;dynamic characteristics 1 概述 1.1 本文的課題意義 根據(jù)塔式起重機設計規(guī)范( GB/ T13752- 92),塔機的設計壽命應在 15- 30 年間，塔式起重機的破壞主要發(fā)生在塔身、起重臂、平衡壁三大金屬結(jié) 構上。塔機安裝、使用、拆除的任何一個環(huán)節(jié)上有問題都可能造成事故。影響 工期的完成，嚴重的造成人身安全。截至 06 年上半年三峽工程就有 100 多建設 者獻出了寶貴的生命， 2北京建筑土程學院的王凱輝等幾名老師對北京地區(qū)的 塔式起重機安全事故進行了調(diào)查 3，得出安全事故比例構成為:塔身折斷或受傷 占 35.7%起重臂折斷或受傷占 28.6%平衡臂折斷或受傷占 14.3%，其他占 21.4% 。破壞的主要原因有結(jié)構設計不合理、制造質(zhì)量不過關、施工人員操作不規(guī)范、 過載、低溫脆性，應力腐蝕和疲勞等。在幾起該類事故中， 4均看到了臂架腹 桿斷面有銹蝕的舊痕，表明原內(nèi)部存在有裂縫，從折斷腹桿取樣發(fā)現(xiàn)，焊縫脫 開的腹桿失去承載能力之后，在起吊載荷作用下，引起吊臂各桿件內(nèi)力重新分 布致使受壓的腹桿因超載而失穩(wěn)，這些腹桿失穩(wěn)彎折后，起重臂截面高度減小， 使該段吊臂失去承載能力而折曲。所發(fā)生的事故多是在焊接過程中的咬邊、焊 瘤、夾渣、氣孔、未焊透和裂紋等缺陷造成的。而起重臂設計不合理這項原因 所占比例最大。 塔式起重機主要是在循環(huán)變化的載荷或隨機載荷作用下工作，塔臂連接銷 釘之間磨損嚴重且沒有得到及時的修整，起重臂臂尖在起吊時重物時撓度過大 嚴重影響牽引小車工作性能。據(jù)調(diào)查了解.塔機臂架下弦桿連接銷掉出或造成折 臂事故 8的現(xiàn)象比較普遍并且事故部位多在起重臂兩拉桿之間。 安裝拆卸人員無塔機安裝拆卸資質(zhì)，操作人員無起重機操作資格 9。也是 造成塔式起重機事故的主要原因。 在科學研究方面，新的理論、新的計算方法的建立以及新產(chǎn)品的研制，都 必須經(jīng)過理論性的計算和實驗來證實其可行性和可靠性。鋼結(jié)構在設計合理的 條件下，突發(fā)的惡劣天氣也會對鋼結(jié)構造成比較嚴重的影響。由于塔機在啟動、 制動和進行耦合運動時，機構和結(jié)構將承受強烈的沖擊振動，所以就需要準確 描述和精確計算塔機結(jié)構體系在外激勵下的動態(tài)過程，從而為塔機的設計、生 產(chǎn)提供理論上的和實踐上的指導，這對于塔 機的經(jīng)濟性和安全性都具有非常重要的意義。 1.2 工程起重機的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 塔式起重機簡稱塔機，發(fā)明于 20 世紀之初的歐洲。1900 年有了第一個塔 機專利，1905 年出現(xiàn)了塔身固定的臂架式起重機，第一次、二次世界大戰(zhàn)后塔 機得到快速發(fā)展，近年更是呈現(xiàn)型式多樣、需求旺盛的局面。我國于 20 世紀 50 年代從蘇聯(lián)和及歐一些國家引進了塔式起重機，它具有工作效率高、使用范 圍廣、回轉(zhuǎn)半徑大、起升高度高、操作方便以及安裝與拆卸比較簡便等特點， 塔機作為建筑工地上的主要機械，在施工中起著關鍵作用，特別是改革開放以 來，塔式起重機在建筑場合的應用更加廣泛。從塔式起重機的結(jié)構形式和性能 看，總的趨勢是向大噸位產(chǎn)品方向發(fā)展，這是因為大噸位塔式起重機在起重大 型貨物時有它自己的優(yōu)勢，特別是在現(xiàn)代城市建設和橋梁建設中大噸位起重機 起著不可替代的作用；塔式起重機今后的發(fā)展的另一趨勢是設計計算原理的研 究和改革。在塔式起重機的結(jié)構計算中，仍采用傳統(tǒng)的許用應力計算法。這種 方法使用起來比較簡便，但其缺點是對于不同用途、不同工作性質(zhì)的結(jié)構采用 同一的安全系數(shù)，而且安全系數(shù)往往偏大或過低 。因此按許用應力法設計的起 重機結(jié)構，或多消耗金屬材料，或安全程度較低。隨著生產(chǎn)和計算機技術的發(fā) 展，試驗研究工作的開展，人們利用計算機來計算塔式起重機的結(jié)構和進行動 力特性分析得到了越來越廣泛的應用。 隨著科學技術的飛速發(fā)展，人們對于塔式起重機性能要求越來越高，不僅 要求起重機重量輕、剛性好、作業(yè)空間大，而且要求起重機小車和大車的運行 速度高，作業(yè)效率高等要求，更重要的是要求塔機的人性化和智能化。這樣就 對起重機的動力學特性提出了更高的要求。隨著起重機大型化，小車和大車等 機構的運行速度加快，塔式起重機的安全問題變得越來越明顯，起重機的安全 問題現(xiàn)已成為企業(yè)和高校關心的熱點問題。 1.3 課題關鍵問題及難點 塔機作為建筑工地上的主要機械，在施工中起著關鍵作用。塔機的三大傳 動機構，特別是起升機構工作性能的優(yōu)劣，是衡量塔機技術先進程度的重要標 志。起升機構的主要功能是起吊重物，在頻繁的起吊、卸載和變速過程中，起 升機構傳動系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的零部件都處在一個較大的交變應力狀態(tài)中，會因 疲勞等原因造成其損壞，一旦零件損壞，就會使整個傳動系統(tǒng)失效，其后果就 會使吊運在空中的重物突然失控下墜，造成突發(fā)性事故，這種情況在工地上時 有發(fā)生。它的發(fā)展和進步依賴并促進相關技術的發(fā)展和進步。對起升機構的改 進難點在于如何保證整個起升機構的零部件能夠保持在均等的使用壽命，從而 保證塔機的整體的使用壽命得到保證，減少事故的發(fā)生。這就需要在正確的確 定塔機起重臂的截面和評估起升機構的零部件的疲勞壽命的前提下，進行正確 的有限元建模進而得到較為精確的塔機的動力特性，從而為施工現(xiàn)場的操作制 定一個正確的有科學依據(jù)的操作規(guī)程，進而在提高塔機的使用壽命的同時減少 以至避免事故的發(fā)生。 金屬結(jié)構是塔機的骨架，起結(jié)構強度和剛性決定著塔機的工作可靠性和安 全性。因此，結(jié)構靜態(tài)和動態(tài)分析是塔機設計開發(fā)中一項極為重要的工作。隨 著有限元法理論的日益完善和計算機技術的迅速發(fā)展，越來越多的工程技術人 員開始采用有限元法對塔機進行結(jié)構分析，有限元法成為目前塔機結(jié)構分析中 最有效的數(shù)值方法。當前國內(nèi)外涌現(xiàn)出了諸如 SAP84，ADLNA,ANSYS,NASTRON 等 著名的有限元分析軟件，它們各具特點。隨著其它有限元分析軟件逐步在我國 推廣使用，人們開始嘗試將其它軟件應用于塔機的靜動力分析，其中 ANSYS 軟 件就是一種較好的選擇。 在使用 ANSYS 時能否正確建模對得到最后的正確結(jié)果起著至關重要的作用， 因為這不僅僅意味著建模的成功與否，還將作為指導最后的現(xiàn)場施工的依據(jù)， 故而這就成為了難點。 1.4 本文的研究內(nèi)容 塔式起重機技術的進步，對試驗技術不斷提出新的要求從而推動了試驗技 術的發(fā)展，而試驗技術的發(fā)展又反過來推動著起重運輸機械的技術進步。近年 來，在材料學、電子學、化學和計算機技術等方面的研究成果，不斷應用于塔 式起重機的設計制造中，使試驗技術達到相當高的水平。新技術的應用不斷解 決科學研究和生產(chǎn)實際中出現(xiàn)的新問題，提高產(chǎn)品設計、制造水平，減少事故 的發(fā)生將是今后一個時期專業(yè)技術人員所面臨的重要課題。塔式起重機在使用 過程中由于磨損等原因會使起重臂臂尖撓度過大進而影響牽引小車工作性能， 因此在塔機設計中必須合理控制塔機各部分的剛度使起重臂臂尖撓度在一定的 范圍內(nèi)。由于起重臂臂尖撓度是塔機整機變形的綜合結(jié)果而塔機各部分結(jié)構形 狀和連接形式很復雜所受載荷也很復雜不可能進行手工分析和計算。起重臂設 計所使用的計算理論和方法對起重臂設計的影響非常大。知名企業(yè)都有自己的 科研機構，對起重臂的計算理論、制造工藝等都有深人的研究，有限元等方法 的應用，大大減輕了整機的重量。我國許多企業(yè)也使用有限元法對塔機結(jié)構進 行理論上的分析和塔臂變形的驗算。因而本文主要針對以下幾個方面進行分析。 （1）塔式起重機起重臂在動態(tài)有風情況下的應力與變形 由于塔式起重機工作過程中的幅度、吊重和風向等條件是不斷變化的，本 文將對塔機在最大起重量（滿載） 、最大幅度、適度超載極限狀態(tài)下的塔臂的應 力與變形。工作狀態(tài)風載荷 是起重機在正常工作情況下所能承受的最大計算wF 風力。 （2） 塔式起重機起重臂在靜態(tài)無風情況下的應力與變形 在有限元求解設置中，實際上可以通過設置一系列載荷，對起重臂不同吊 重、不同位置進行加載分析，將起升載荷沿起重臂移動求解，得到單一起升載 荷在不同位置時起重臂的應力分布在移動求解中，按塔機設計要求順序加載， 在不同工況下對塔臂不同位置進行分析四種對應位置如圖 1-1。位 置 1位 置 3位 置 4位 置 5位 置 6位 置 圖 1-1 平衡臂各個危險截面示意 本次利用 ANSYS 軟件為基礎建立了塔機整機有限元模型對該塔式起重機起 重臂臂強度剛度進行有限元分析，獲得起重臂結(jié)構的應力分布，確定起重臂作 業(yè)時的危險點。相比國外塔式起重機都具有質(zhì)量輕、起重量大、使用壽命精確、 零部件更換周期明確等優(yōu)點，隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展塔機的大規(guī)模應用，國外塔 機廠商的進入肯定會對國內(nèi)塔式起重機廠家產(chǎn)生沖擊。提高塔式起重機設計水 平已迫在眉睫。因此，希望我本人的研究能夠為塔式起重機的發(fā)展進上微薄的 力量。 2 起重臂方案設計 2.1 結(jié)構形式設計 （1）小車變幅水平臂架 特點： 1 應用廣泛，吊載可借助變幅小車沿臂架全長進行水平位移，并能平移準確的進 行安裝就位。 分類及特點： 2 單吊點小車變幅臂架，靜定結(jié)構，幅度在 40 米以下多采用。 雙吊點小車變幅臂架，超靜定結(jié)構，結(jié)構更加穩(wěn)定幅度在 50 米以上采用。 （2）俯仰變幅臂架 通過變幅機構繩輪系統(tǒng)進行俯仰變化，從而能避開回轉(zhuǎn)中遇到的障礙物。 （3）伸縮式小車變幅臂架 能夠避開運行中的障礙物。 （4）折曲臂架 適用冷卻塔、電視塔以及一些超高層建筑施工需要。 綜上所述，起重臂采用小車變幅臂架，雙吊點。 2.2 截面形式 截 面圖 2.圖 3圖 1 圖 2-1 平衡臂及其截面形式 （1）分類與特點 為了使起重臂重量更輕，性能更強，在起重臂的設計中廣泛使用了超高強 度鋼材諸于 WELDOX960,WELDOX1100 等新材料，起重臂截面的設計需要解 決板材屈曲的問題，各廠家都研究出了各自的解決辦法，國外知名廠家采用了 優(yōu)化的截面形狀，許多公司采用橢圓形吊臂截面的概念，采用橢圓形截面抗扭 性能顯著，具有固有的獨特穩(wěn)定性和抗屈曲能力，部分企業(yè)采用大圓弧六邊形 截面。目前，橢圓形起重臂的技術其優(yōu)勢很明顯，由于不需采用加勁筋，因而 每節(jié)臂截面的變化很小，有利于減輕起重臂的重量，提高起重機的起重能力。 但是截面的成型難度大，生產(chǎn)周期長. 我國幾乎所有雙吊點塔式起重機起重臂截面可以設計成三角形或者矩形如 下圖 圖 2-2 常用平衡臂形式 （2） 采用矩形截面結(jié)構設計 對于矩形結(jié)構（如圖 2-2）當塔機提升重物回轉(zhuǎn)時塔臂受到斜向下的合力 的作用，塔臂矩形截面容易變形且矩形結(jié)構浪費材料。所以宜采用三角形結(jié)構。 （3）采用三角形截面結(jié)構設計 對于正三角形結(jié)構， （圖 2-2）上弦桿通常采用圓鋼桿，下弦桿由角鋼拼焊 成矩形，兼做起重小車的運行軌道。在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的桁架可看作懸臂梁，承受 橫向載荷。 對于倒三角形結(jié)構（圖 2-2）上弦桿通常是圓鋼管，下弦桿為工字鋼兼作 起重小車的運行軌道。臂架根部通過銷軸與塔身連接，臂架上設有吊點通過鋼 絲繩或剛拉桿與他冒頂部連接。 （4）截面采用三角形結(jié)構的優(yōu)越性 采用倒三角形（圖 2-2）提升小車需要卡在工字鋼上，對工字鋼的材料要 求和焊接要求比較高且成本較高。采用正三角形 （圖 2-2）小車可以卡在 A B 邊上設計結(jié)構比較簡單且安全可靠。 采用正三角形 C 處吊點的設計比較容易，當采用倒三角形時 D E 桿件還 需要另外的附加結(jié)構。 （5）腹桿布置 表 2-1 腹桿布置比較 側(cè)腹桿 人字式（a）(小塔用) 一順斜置式（b） （大塔用） 應用區(qū)段 不受限制 斜桿受拉，最宜用于吊點以外懸 臂部分 腹桿與弦桿相交的焊縫 長度較長，強度易保 證 長度較短，質(zhì)量不易保證 焊接變形 較均勻 不均勻 節(jié)點焊縫 較好 較差 布置制約的影響 便于布置小車變幅機 構 不便于布置小車變幅機構 選 b 主要從受力來考慮，b 受力好 腹桿展開圖 a b c 圖 2-3 腹桿展開圖 分類： a 一順式 腹桿布置均勻，焊縫不過于集中 b 交錯對稱式焊縫過于集中 c 密集布置式 當臂架幅度大，下弦采用槽鋼時用 正三角截面起重臂的腹桿體系采用人字式布置方式，加工方便，便于布置 小車變幅機構，腹桿體系為三角形，對于三角形結(jié)構，上弦桿使用圓鋼管，下 弦桿由角鋼拼焊成，兼作起重小車的運行軌道。在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的桁架可看作是 懸臂梁，承受橫向載荷。倒三角結(jié)構上弦桿通常是圓鋼管，下弦桿位工字鋼兼 作起重小車的運行軌道。臂架根部通過銷軸與塔身聯(lián)接，臂架上設有吊點通過 鋼絲繩或鋼拉桿與塔帽頂部連接。為便于安裝運輸和組成不同長度臂架，吊臂 一般分成若干段，由根部節(jié)、端部節(jié)、和若干標準節(jié)組成，各節(jié)間通過螺栓和 銷軸聯(lián)接。 桁架式水平臂架大都采用正三角截面，故此處選用如圖 a 所示的正三角截 面。 2.3 臂架拉桿的構造 俯仰變幅臂架一般使用鋼絲繩拉索，而小車變幅臂架既可以使用鋼絲繩拉 索，也可以使用鋼拉桿。鋼拉桿一般采用扁鋼板、實心圓鋼或者厚壁無縫鋼管 制成。拉桿也可以分成若干段，各段通過連接板及銷軸鏈接而成。 吊點選擇與構造 臂架總長在 50 m 以上應采用雙吊點。 （1）柔性拉桿（或稱鋼絲繩拉桿） 使用時間較長后，鋼絲繩會產(chǎn)生自身變形，導致起重臂向下傾斜，所以需 經(jīng)常檢驗、更換，提高了生產(chǎn)成本。 （2）剛性組合拉桿 一次性投入，降低了生產(chǎn)成本；另外，能夠克服柔性拉桿帶來的負面影響。剛 性組合拉桿可分為：扁鋼拉板、實心圓鋼拉桿、厚壁無縫鋼管拉桿、角鋼對焊 方形斷面空腹拉桿。 暫定為實心圓鋼拉桿，雙吊點。 3 起重臂三維建模 3.1 起重臂標準節(jié)建模 進入如圖 3-1 所示的 SolidWorks 建模頁面,選擇一個繪圖平面進行臂節(jié)建模 圖 3-1 SolidWorks 繪圖界面 如下圖所示分別繪出第一節(jié)到第四節(jié)起重臂進而繪出剩余的幾節(jié)并裝配成起重 臂裝配圖 圖 3-2 第一節(jié)起重臂 圖 3-3 第二節(jié)起重臂 圖 3-4 第三節(jié)起重臂 圖 3-5 第四節(jié)起重臂 圖 3-6 起重臂裝配圖 4 起重臂有限元（ANSYS）分析 4.1 ANSYS 的基本使用方法 有限元分析是對物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）的模擬，是真實情況的數(shù)值 近似。通過對分析對象劃分網(wǎng)格，求解有限個數(shù)值來逼近和模擬真實環(huán)境的無 限個未知量。 ANSYS 分析過程包含以下三個主要步驟 創(chuàng)建有限元模型：1.施加載荷及載荷選項、設定約束條件。2.求解。查看 結(jié)果：（1）查看分析結(jié)果。 （2）檢驗結(jié)果（分析是否正確）具體如圖 4-1 圖 4-1 ANSYS 分析流程圖 4.2 QTZ80 點塔式起重機吊臂建模 由于回轉(zhuǎn)支承等實體部件相對塔機整體結(jié)構而言幾何尺寸較小，而剛度較 大、質(zhì)量較為集中，當對塔機結(jié)構進行整體分析時，可以將回轉(zhuǎn)支承結(jié)構等實 體部件采用來梁單元進行等效，使塔機的整體整體分析中只包含梁單元，避免 了具有不同節(jié)點自由度的梁單元和板殼單元的聯(lián)接問題。另外，一般塔機都具 有幾百甚至幾千根桿件，只輸入數(shù)據(jù)文件已經(jīng)很大，如果在同時分析回轉(zhuǎn)機構 的板殼結(jié)構，更將大大增大數(shù)據(jù)文件，甚至超出了計算機的工作能力。在作完 整體分析之后，再將整體分析中得到的等效單元的節(jié)點力作為外載荷，采用板 殼單元單獨分析回轉(zhuǎn)機構。 根據(jù)設計規(guī)范的規(guī)定，塔機必須工作在材料彈性范圍內(nèi)，且對一般的中小 型塔機的分析不必考慮非線性因素，只考慮線性分析。 ANSYS 提供了多種梁桿單元，在塔機分析中以梁單元為主，桿單元用的很 少，而且可用梁單元代替。塔機是一種空間結(jié)構，ANSYS 軟件提供的常用彈性 三維梁單元有 BEAM4、BEAM44、BEAM188 和 BEAM189，它們都有各自的 特點，能滿足不同的分析要求，常用梁單元主要性質(zhì)見下表 表 4-1 梁單元特性 單元名稱 節(jié)點自由度 數(shù) 階次 是否考慮 剪切變形 是否支持截面 定義 是否支持變 截面 BEAM4 6 線性 否 是 否 BEAM24 6 線性 否 是 否 BEAM44 6 線性 否 是 是 BEAM188 6 或 7 線性 是 是 否 BEAM189 6 或 7 二次 是 是 否 塔機結(jié)構中有許多較短的桿件，如塔身接頭、吊臂接頭等都屬于深梁，用 普通梁單元建模會帶來較大的誤差，所以塔機分析軟件應使用 BEAM188 單元 （線性梁單元）或 BEAM189 單元（二次梁單元） ，通常采用 BEAM188 單元即可。 BEAM188 和 BEAM189 單元均以 Timoshenko 梁理論為基礎，其形函數(shù)中撓度 和截面轉(zhuǎn)動各自獨立插值，并考慮了剪切變形的影響。 BEAM188 單元支持截面定義功能，使用者可使用截面定義命令 （SECTYPE 、SECDATA ）方便的定義截面形狀，并可在圖形用戶界面下繪制 已定義的假面圖形(SECPLOT)，以檢查截面定義的正確性。因為 BEAM188 單元 具有塔機分析所要求的功能，因此，在塔機分析中使用 BEAM188 單元即可得到 滿意的結(jié)果。 4.2.1 主梁的有限元建模 1、定義單元類型 GUI:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 單元類型選擇 Beam 2node 188。 2、定義材料屬性 GUI:Main Menu>Preprocessor>Material props> Material models >Structural>linear>Elastic>Isotropic 彈性模量 EX： 2.06e11Pa; 泊松比 PRXY： 0. 3； 密度 DENS： ；7.856/ekgm 3、創(chuàng)建模型 第一步，確定主梁各個節(jié)點的空間位置，然后在有限元中創(chuàng)立關鍵點，具 體做法如下 GUI:Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>Keypoints 創(chuàng)建完后的起重臂的關鍵點,創(chuàng)建完點后，主梁由幾種不同的材料焊接而 成，連接關鍵點前先設置材料的截面形式，步驟如下： GUI:Main Menu>Preprocessor>Sections>Beam>Common Sections 定義材料的截面，鋼型號分別為： 10910910、97978、87878 鋼型號分別為： 604、504、454、363 鋼型號為： 50505 鋼型號為： 60 然后用線將各點按照主梁各桿件的連接方法依次按照其截面形式連接（圖 4-5） GUI:Main Menu>Preprocessor>modeling>lines 然后要對模型進行網(wǎng)格的劃分。 GUI:Main Menu>Preprocessor>Meshing>Meshtool 1 XY Z JUN 19 200822:31:37ELEMENTS 圖 4-2 劃分網(wǎng)格完成圖 4.2.2 施加約束 1 1 11 2 12 3 4 5 6 7 8 9 10 21 20 23 22 15 16 17 18 19 28 2913 14 132 XY Z JUN 19 200822:37:16LINESTYPE NUM UROT 圖 4-3 施加約束 4.2.3 施加載荷 1施加風載荷 計算風載荷公式 (N) (4-1)wFCpA: 式中: -作用在塔式起重機上和物品時上wF 的風載荷（ , ） ，N； ；1wF212W -風力系數(shù)；wC -計算風壓， =250pa;pwp A-提示起重機或物品垂直于風向的迎峰 面積， ；2m (4-2)12A: -前片結(jié)構的迎風面積（ ）,2m ;11A: -后片結(jié)構的迎風面積（ ）,2A2 ；212 -兩片相鄰桁架的前片對后片的 擋風折減系數(shù)。 20.456831.049.56831.758A m 作用在塔機上的風載荷為： 12069.wFN 起吊物品的風載荷為： 2%024Q 作用在塔機上的風載荷為： 127.57.5wWw 2施加額定起重重量 分別施加各個截面處的額定起重重量 4.3 吊臂各部分強度剛度驗算 4.3.1 吊臂根部截面變形、應力 1 XY Z JUN 16 200821:59:43DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1TIME=1 DMX =.0087 圖 4-4 吊臂根部截面變形 1 MNMXXY Z -.632E+08-.537E+08-.441E+08-.345E+08-.249E+08-.153E+08-.577E+07.381E+07 .134E+08 .230E+08 JUN 16 200822:00:38ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =1TIME=1 SMIS31 (NOAVG)DMX=.0087 SMN =-.632E+08SMX =.230E+08 圖 4-5 吊臂根部截面應力 風載荷作用下的變形、應力 1 X YZ JUN 22 200815:32:47DISPLACEMENTSUB =1 TIME=1DMX =.604135 圖 4-6 風載荷作用下的變形 1 MNMXXYZ -.932E+08-.725E+08-.517E+08-.310E+08-.103E+08.104E+08 .311E+08 .518E+08 .725E+08 .933E+08 JUN 22 200815:33:09ELEMENT SOLUTIONSUB =1 TIME=1SMIS31 (NOAVG) DMX =.604135SMN =-.932E+08 SMX =.933E+08 圖 4-7 風載荷作用下的應力 4.3.2 吊臂根部到第一個吊點之間的跨中截面 1 XY Z JUN 22 200815:42:38DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1TIME=1 DMX =.018671 圖 4-8 吊臂根部到第一個吊點之間的跨中截面變形 1 MN MXXYZ -.104E+09-.874E+08-.707E+08-.539E+08-.372E+08-.205E+08-.375E+07.130E+08 .297E+08 .465E+08 JUN 22 200815:43:21ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =1TIME=1 SMIS31 (NOAVG)DMX=.018671 SMN =-.104E+09SMX =.465E+08 圖 4-9 吊臂根部到第一個吊點之間的跨中截面應力 4.3.3 第一個吊點截面 1 XY Z JUN 16 200822:02:32DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1TIME=1 DMX =.020196 圖 4-10 第一個吊點截面變形 1 MNMXXYZ -.632E+08-.537E+08-.441E+08-.345E+08-.249E+08-.153E+08-.577E+07.381E+07 .134E+08 .230E+08 JUN 16 200822:03:01ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =1TIME=1 SMIS31 (NOAVG)DMX =.020196 SMN =-.632E+08SMX =.230E+08 圖 4-11 第一個吊點截面應力 4.3.4 第一個吊點到第二個吊點之間的跨中截面 1 XY Z JUN 22 200815:46:15DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1TIME=1 DMX =.084764 圖 4-12 第一個吊點到第二個吊點之間的跨中截面變形 1 MN MX XY Z -.104E+09-.874E+08-.707E+08-.539E+08-.372E+08-.205E+08-.375E+07.130E+08 .297E+08 .465E+08 JUN 22 200815:46:36ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =1TIME=1 SMIS31 (NOAVG)DMX=.084764 SMN =-.104E+09SMX =.465E+08 圖 4-13 第一個吊點到第二個吊點之間的跨中截面應力 4.3.5 第二個吊點截面 1 XY Z JUN 10 200813:30:06DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1TIME=1 DMX =.128711 圖 4-14 第二個吊點截面變形 1 MN MXXYZ -.376E+08-.284E+08-.193E+08-.102E+08-.109E+07.804E+07 .172E+08 .263E+08 .354E+08 .445E+08 JUN 10 200813:29:53ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =1TIME=1 LS1 (NOAVG)DMX =.128711 SMN =-.376E+08SMX =.445E+08 圖 4-15 第二個吊點截面應力 4.3.6 最大幅度截面 1 XY Z JUN 10 200813:32:20DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1TIME=1 DMX =.170471 圖 4-16 最大幅度截面變形 1 MN MXXYZ -.376E+08-.284E+08-.193E+08-.102E+08-.109E+07.804E+07 .172E+08 .263E+08 .354E+08 .445E+08 JUN 10 200813:32:45ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =1TIME=1 LS1 (NOAVG)DMX =.170471 SMN =-.376E+08SMX =.445E+08 圖 4-17 最大幅度截面應力 4.4 計算結(jié)果討論 將上述結(jié)果總結(jié)列表如下： 表 4-2 各截面工況應力位移 工 況 應力 位移 吊臂根部截面 63.2MPa 8.7mm工況一 風載荷作用下 93.2 MPa 604mm 工況二 吊臂根部到第一個吊點之間的跨中截面 104MPa 18.67mm 工況三 第一個吊點截面 63.2MPa 20.196mm 工況四 第一個吊點到第二個吊點之間的跨中截面 104MPa 83.427mm 工況五 第二個吊點截面 44.5MPa 128.711mm 工況六 最大幅度截面 44.5MPa 170.471mm 最大應力 兩個跨中截面 104MPa 最大靜剛 度 最大幅度截面 170.471mm 4.4.1 強度計算討論 討論金屬結(jié)構材料采用 Q235 鋼，其屈服極限為 載荷組合結(jié)構強235sMPa 度許用應力為： 235176.91041.s 根據(jù)起重機設計規(guī)范 GB3811-83 ，桁架結(jié)構強度滿足要求。 4.4.2 靜剛度計算討論 按照起重機設計規(guī)范 GB3811-83 ，起重機主梁跨中垂直靜撓度許用值滿足要 求。 根據(jù)文獻起重機機械設計制造新工藝與質(zhì)量驗收標準 ，起重機的水平剛度規(guī) 定，起重機跨中在水平方向引起的變形應力不大于 s/2000，這里均符合要求。 4.5 塔機模態(tài)分析 模態(tài)分析是用來確定結(jié)構的振動特性的一種技術，這些振動包括：固有頻 率、振型、振型參與系數(shù)（即在特定方向上某個振型在多大程度上參與了振動） 等。模態(tài)分析是所有動態(tài)分析類型的最基礎的內(nèi)容。 ANSYS 模態(tài)分析的過程由 4 個主要步驟組成： （1）.建模。 （2）.選擇分析類型和分析選項。 （3）.施加邊界條件并求解。 （4）.評價結(jié)果。 4.5.1 建模 建模過程主要在預處理器中進行，包括定義單元類型，單元實常數(shù)，材料 參數(shù)及幾何模型。建模過程需要注意以下兩點： 必須定義密度（DENS）. 只能使用線性單元和線性材料，非線性性質(zhì)將被忽略。 其操作為： GUI:Main Menu>Preprocessor>Material props> Material models >Structural>linear>Elastic>Isotropic 彈性模量 EX： 2.06e11MPa； 泊松比 PRXY： 0.3； 密度 DENS： 37.85/ekgm 定義單元類型： GUI:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 單元類型選擇 Beam 2node 188。 在 ANSYS 環(huán)境下確定塔機個節(jié)點坐標，之后連線，建立塔機模型。 4.5.2 選擇分析類型和分析選項 這一步要選擇模態(tài)分析類型、模態(tài)提取選項和模態(tài)擴展選項等。選擇模態(tài) 分析類型，可選擇 Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis 命令，在 彈出【New Analysis 】對話框中選擇 【Model】單選按鈕即可。 選擇模態(tài)提取選項的步驟如下： .選擇 Main Menu>Solution>Analysis Type> Analysis Option 命令。 .在【Mode extraction method】單選列表框中選擇【Block Lanczos】模型 提取方法；在【No.of modes to extract】文本中輸入模態(tài)提取數(shù)目 10。單擊 OK 按鈕即可。 選中【Expand mode shapes】后面的 Yes 復選框。 4.5.3 網(wǎng)格劃分、施加邊界條件并求解 網(wǎng)格劃分如圖 4-18，施加邊界條件的基本操作和靜力分析相同，因為振動 被假定為自由振動，所以外部載荷將被忽略。 1 XY Z tatijianmo JUN 23 200820:25:27ELEMENTSU ROT 圖 4-18 塔機整體劃分網(wǎng)格 選擇 Main Menu>Solution>Current LS 即可進行求解。 4.5.4 評價結(jié)果 這一步的操作主要在通用后處理中進行。顯示固有頻率可選擇 Main Menu>General Postoroc >Results Summary 命令，列表顯示各個模態(tài)。 在【No. of modes to extract】文本中輸入模態(tài)提取數(shù)目為 6 時： * INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE * SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1 0.97383E-01 1 1 1 2 0.14724 1 2 2 3 0.15252 1 3 3 4 0.16418 1 4 4 5 0.29529 1 5 5 6 0.41795 1 6 6 隨著模態(tài)提取數(shù)目的增加，可以得到結(jié)構的不同頻率，可以為下面機構的 設計作為參考，并使機構設計中固有頻率盡量遠離塔機結(jié)構的固有頻率，以避 免塔機結(jié)構和機構固有頻率接近而發(fā)生共振。 由振動理論可知,對于塔機這樣一個多自由度系統(tǒng)而言,低階固有頻率對系 統(tǒng)的動力響應貢獻較大,而高階固有頻率影響較小,所以對塔機系統(tǒng)而言只要提 取其低階固有頻率就能很好反映系統(tǒng)動力特性。 起升機構對應2種轉(zhuǎn)速的頻率為0.95Hz 或1.78Hz，起升機構的頻率較第二 階相差較遠，故滿足設計要求，由于風載的頻率在0. 25 Hz 左右變化與第一階 振型的頻率相差很遠, 可不考慮其對塔機的影響。 5 起升機構設計 5.1 起升機構的組成布置方式 塔式起重機的起升機構通常由電動機、制動器、減速器、卷筒、鋼絲繩、 滑輪組及吊鉤等零部件組成。如下圖所示 圖 5-1 起升機構布置示意圖 電動機采用交流異步電動機；制動器應是常閉式，并采用塊式制動器其上 裝有電磁鐵作為自動松閘裝置，并與電動機相連鎖，即電動機通電時松閘，電 動機斷電時上閘，以保證起升機構的正常工作和安全可靠；減速器采用圓柱齒 輪減速器，效率高，功率范圍大，已經(jīng)標準化，但體積重量較大，可選用帶減 速器的電動機以解決這一問題；卷筒、鋼絲繩、滑輪組及吊鉤等在下面的具體 計算中根據(jù)需要具體選用。 5.2 起升機構的計算 5.2.1 起升機構工作級別 1、載荷狀態(tài) 2Q 2、利用等級 4U 3、工作級別 A 4、起升等級 2HC 5.2.2 主要性能參數(shù)： 起升速度： 高速： 56min 低速： 20 5.2.3 鋼絲繩的選擇： 按正常工作狀態(tài)選擇鋼絲繩： 鋼絲繩的最大靜拉力： = (N) （5-1）maxSQF 式中： -最大起升載荷。809.+0.835%=14NQqFP -滑輪組及導向滑輪總效率 =0.975 0.95=0.923 -最大起重量P -釣鉤組重（由表 5-2）Fq -滑輪組倍率 則 = = =21978.33 NmaxSQF8140.923 計算鋼絲繩直徑： ； （5-2）scd 式中： -鋼絲繩最小直徑，mm； -選擇系數(shù)（ ） 、見表 2-2；Nm -鋼絲繩最大靜拉力,N。maxS 得出： =14.08 mm。取 d=14.5 mmind 故選用鋼絲繩不得小于上述計算值，所以選擇鋼絲繩規(guī)格為 6X19-14.5- 1770-甲鍍右交。 5.2.4 卷筒設計 1主要參數(shù)確定 （1）卷筒直徑的計算 卷筒最小直徑： = （5-3） minD184.5hd =261 mm （ 見表 2-7）h 式中： -與機構工作級別和鋼絲繩機構相關的參數(shù)； -鋼絲繩直徑。d （2）卷筒長度及卷繞層數(shù)的確定 設定鋼絲繩全部卷入時需繞 3 層，最大起升高度時繞入卷筒的繩長； （5-4）/015043.1275.LHZD =202595.21mm 式中：H-起重機最大起升高度，mm； -滑輪組倍率； -附加安全系數(shù)，取 ；0Z03Z H-其升級最大起升高度，mm； -卷筒計算直徑（鋼絲繩截面中心距） 。1D 在卷筒上繞 4 層時能繞入的繩長： =1d =2Dd3 = 5 =47 (21)nDd 式中： -實際選取卷筒直徑；d -實際選取鋼絲繩直徑； n-鋼絲繩的卷繞層數(shù)，通常取 n=3 6 層，: （5-5）1234()()nLZDDZnd 式中：L-卷筒繞繩量； Z-每層圈數(shù)； 取 Z=71 / 059.2170.63()3.14(634.)nd 則卷筒繞繩部分的長度為： (mm) （5-6） 010 .().HZDLZnd1.(5043.1275.).69(6m 5.2.5 電動機功率的確定 1電動機功率的確定 （1）計算電動機靜功率 （5-7）8142.660160.5QjFvPkW 式中： -起升載荷； v-額定起升速度； -機構總傳動效率。 初選電動機： 根據(jù)塔機類型、用途、機構工作級別、作業(yè)特點以及電動機的工作特性，同 時為了滿足電動機啟動和不過熱要求，所選電動機應滿足下式； （5-8）jjcjPK 式中： -電動機額定功率；jcP j-起升靜功率； -穩(wěn)定負載平均系數(shù)，與接電持續(xù) JC 有jcK 關，見表 4-5 初步設計時，JC 值及 Z 值按表 4-6 選取，取 JC= %,Z=15060 高速起吊最大重量時： jcP0.8435.7kW 初選電動機：選用 YTS 型自制動籠型塔機起升三相異步變極電動機，型號 為： ， 額定功率 。25YZPM37k 2電動機過載校驗 （5-9） ()601QjcmFvHZ 式中： -基準接電持續(xù)率時的電動機額定功率；jcP m-電動機臺數(shù)； -電動機轉(zhuǎn)矩的允許過載倍數(shù)， （ =2） ； -考慮電壓降及轉(zhuǎn)矩允差以及靜載荷實驗H 超載的系數(shù)， （繞線異步電動機取 =2.2） ；QF -起升載荷； -額定起升速度；v -機構總傳動效率。 高速起吊： 2.1842.560.jcPkW 低速起吊： . 30.7.jc 故過載校驗合格。 3電動機發(fā)熱校核： (kW) （5-10）z mrejcKnTP950 式中： -基準接電持續(xù)率時的電動機額定功率,jc kW； -機構總傳動效率； -電動機額定轉(zhuǎn)速 r/min；mn -系數(shù)。 ；zK 85.01zz -起升機構最不利工作循環(huán)的等效平均阻力reT 矩 。Nm 按下式近似計算： 294.7rejGK 其中： -系數(shù),取 0.68； -起升機構的靜阻力矩， 。jTNm8143.54043043229mQjFDTi 其中： -起升載荷；QF -機構總傳動效率； -滑輪組倍率； -卷筒計算直徑，mD ；d)12( -減速器傳動比。i 高速起吊： 94.784.750.5jcPkW 低速起吊： 2.6.29.198jc 故發(fā)熱校核合格。 5