QTZ40塔式起重機臂架優(yōu)化設計開題報告

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1、 畢業(yè)設計（論文）開題報告 課題 名稱 QTZ40塔式起重機臂架優(yōu)化設計 系 別： 機械工程系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 課題來源 導師課題 課題類別 工程設計 一、論文資料的準備 （一）塔式起重機概述 塔式起重機(簡稱塔機)是現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑的重要施工機械之一。在

2、高層建筑施工中，它的幅度利用度比其他類型起重機高。塔機由于能靠近建筑物，其幅度利用率可達整體幅度的80％。塔式起重機的變幅及回轉機構是可以同時實現(xiàn)重物在垂直方向和水平方向移動的機構，所以可以擴大起重機的工作范圍，提高生產(chǎn)率。應用塔機對于加快施工速度、縮短工期、降低工程造價能夠起到重要作用。塔式起重機已經(jīng)成為建筑工程業(yè)必要的技術裝備，成為衡量建筑工程業(yè)生產(chǎn)力水平高下的重要標志之一，成為加快工程建設、確保工程整體質量、降低工程造價、提高社會效益與經(jīng)濟效益的重要手段。 （二）我國塔式起重機的發(fā)展現(xiàn)狀 塔式起重機在我國的生產(chǎn)與應用已經(jīng)有50余年的歷史，經(jīng)歷了以個從測繪仿制到自行設計制造的過程，特別

3、是進入20世紀90年代以后，我國塔式起重機行業(yè)隨著全國范圍建筑任務的增加而進入了一個興盛時期，年產(chǎn)量連年猛增，而且有部分產(chǎn)品出口到國外。 塔機分為上回轉塔機和下回轉塔機兩大類。其中前者的承載力要高于后者，在許多的施工現(xiàn)場我們所見到的就是上回轉式上頂升加節(jié)接高的塔機。按能否移動又分為：走行式和固定式。固定式塔機塔身固定不轉，安裝在整塊混凝土基礎上，或裝設在條形式X形混凝土基礎上。在房屋的施工中一般采用的是固定式的。 現(xiàn)在我國的建筑用塔式起重機已越來越普遍，從普通的多層民用建筑、房地產(chǎn)工程、高層建筑到大型的鐵路工程、橋梁工程、電力工程、水利工程等，到處都有塔機的應用。近20年來，市場的需求，有

4、力的促進了技術的進步，通過研究開發(fā)、技術創(chuàng)新、引進消化，我們的設計手段和配套件生產(chǎn)能力也有了很大的進步，計算機輔助設計、微電子技術、程控語言控制技術都在塔機上得到了應用。當然也不可否認，我國的塔機產(chǎn)品的技術性能、制作質量和品種型號規(guī)格，與發(fā)達國家產(chǎn)品相比，仍然存在較大的差距，特別是基礎零部件的可靠性、電氣元件、液壓元件、工藝安裝、生產(chǎn)設備和檢測手段等，差距更大。這就影響了我們整機產(chǎn)品的質量和可靠性，增加了事故隱患。對此我們絕不可以掉以輕心，要加倍努力、敢于創(chuàng)新、嚴格把關、趕超國際水平。 (三)我國塔式起重機的發(fā)展趨勢 我國大規(guī)模經(jīng)濟建設已有二十來年的歷史，這二十來年里，大量建筑物的涌現(xiàn)

5、和大型工程的興建，鐵路、公路橋梁的建設，給塔式起重機提供了良好的市場。在未來我國要全面進行城鎮(zhèn)化，塔式起重機會在我國得到很廣泛的應用。因此塔式起重機的發(fā)展對國家的建設有至關重要的作用。建設我國的塔式起重機發(fā)展趨勢可以分以下幾個方面： 1、吊臂長度加長 在六十年代初，吊臂長度超過40m的較少，七十年代吊臂長度已能做到70m，快速拆裝下回轉塔式起重機的吊臂長度可達35m。自升式塔式起重機吊臂是可以接長的，標準臂長一般為30—45m，可以接長到50—60m。重型塔式起重機吊臂則更長。吊臂加長可帶來更好的技術經(jīng)濟效果。隨著塔式起重機設計水平的提高，能解決由臂長加大帶來的一些技術問題(如安裝和運輸問

6、題)。低合金高強度鋼材及鋁合金的廣泛采用亦為加長吊臂提供了非常有利的條件。 2、工作速度提高，且能調速 由于調速技術的進步，滑輪組倍率可變，雙速、三速電動機及直流電動機調速的應 用，使塔式起重機工作速度在逐漸提高。起升機構普遍做到至少具有3種工作速度，重 物起升速度超過100m／min者也很多。構件安裝就位速度可在0---10m／min范圍內進行 選擇。回轉速度一般可在0---1r／min之間進行調節(jié)。小車牽引和塔式起重機行走大多也有2-3種工作速度，小車牽引速度最快可達60m／min。 3、改善操縱條件 隨著塔式起重機向大型、大高度方向發(fā)展，操縱人員的能見度愈來愈差。因此需要

7、 在吊臂端部(動臂變幅)或小車上(小車變幅)安裝電視攝象機，在操作室利用電視進行操作。有的還采用了雙頻道的無線電遙控系統(tǒng)，不但可由地面的操作人員控制吊裝；還可根據(jù)事先編排的程序自動進行吊裝。 4、更多地采用組裝式結構 為了便于產(chǎn)品的更新?lián)Q代，簡化設計制造、使用與管理，提高塔式起重機使用的經(jīng)濟效益，國外塔式起重機專業(yè)廠已做到產(chǎn)品系列化，部件模數(shù)化。以不同模數(shù)塔身，臂架標準節(jié)組合成變截面塔身和臂架，不僅能提高塔身、臂架的力學性能，減輕塔式起重機自重，而且可明顯減少使用單位塔架，臂架的儲備量，為降低成本，簡化管理創(chuàng)造了條件。 （四)國外塔式起重機的發(fā)展現(xiàn)狀以及趨勢 1、組合塔機或稱模塊塔

8、機：所謂組合塔機，就是以塔身結構為核心，按結構和功能特點，將塔機分解為若干部分，并依據(jù)系列化和通用化要求，遵循模數(shù)制原理將各部分劃分并設計成若干模塊。根據(jù)參數(shù)要求，選用適當模塊分別組成具有不同技術性能特點的塔機，以滿足施工的具體要求。 2、一些超重型塔機相繼問世：近年來由于大功率電站、高壩、近海石油鉆井平臺、天然氣鉆井平臺以及石油化工業(yè)發(fā)展的需要，對重型和超重型塔機提出了更多更高的要求。如今，幅度70～90m、最大起重量50～60t、起升高度100～300m的塔機已非罕見。 3；適應都市改建需要的城市塔機應運而生，并得到發(fā)展，其特點是：采用短平衡臂、可在4m×4m～6m×6m尺寸范圍內進行

9、X形底架、運輸方便快捷、安裝架設速度快、采用較完善的調速、操縱系統(tǒng)和電子儀表。 近年來，隨著塔式起重機技術的發(fā)展，塔式起重機型號規(guī)格不斷完善，性能、質量不斷提高，塔式起重機除滿足其安全、可靠、高效的基本性能外，越來越趨向于智能和綠色。下面著重介紹最新的幾點技術發(fā)展趨勢。 （1）設計方法精確化。 計算機技術的深化發(fā)展，改變了塔式起重機的設計理念。有限元技術、疲勞分析、動力學仿真分析的廣泛應用，使塔式起重機的設計計算、受力分析更精確，塔式起重機零部件結構設計更加合理；一些實力強大塔式起重機制造商，都有自己超強的設計能力，他們利用優(yōu)勢，開發(fā)塔式起重機參數(shù)化設計專用軟件，使塔式起

10、重機設計進一步的向最優(yōu)化方向推進，有效地提高塔式起重機產(chǎn)品的安全性、可靠性、節(jié)能效果，同時大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提升競爭能力。 （2）零部件模塊化。 模塊化的設計可能增加少量的制造成本，但其不僅可以提高產(chǎn)量和質量，還可以降低管理成本，也相應地降低了用戶的購置成本。如A機型和B機型有許多的結構件（如標準節(jié)和起重臂節(jié)、平衡臂節(jié)）是通用的，那么用戶就可以少購買通用的結構件，交錯使用這些可能閑置的通用件，從而減少購置成本。因此，模塊化設計是塔式起重機發(fā)展的必然趨勢，國際上許多的塔式起重機制造商如Liebherr、Potain、Terex、Wolffkran等都是模塊化設計的典范。 （3）控制智

11、能化。 隨著數(shù)字化、集成化、智能化技術的高速發(fā)展，高可靠、低能耗、微型化、集成化、 數(shù)字化的各種液壓、機電及電氣元件在塔式起重機上得到普遍應用，使傳動和控制系統(tǒng)體積小、重量輕、結構緊湊。在控制手段上，無級調速、安全監(jiān)控系統(tǒng)、遠程維護系統(tǒng)、故障自動診斷系統(tǒng)等廣泛應用，實現(xiàn)了塔式起重機操作過程的自動控制、自動顯示與記錄、遠距離遙控等，保證了塔式起重機的安全使用和實時監(jiān)控，減少了控制的故障點，提高了塔式起重機的可靠性，大幅提升了塔式起重機行業(yè)的管理水平。 （4）制造綠色化。 國外塔式起重機在設計時就充分考慮零部件的通用性、模塊化，因此零部件集約化程度高，適合批量化生產(chǎn)。批量化零

12、部件從原材料前處理、下料、焊接、機加、裝配、到涂裝都采用生產(chǎn)流水線，這樣既提高了材料的利用率、零部件通用性、產(chǎn)品質量和美觀，又便于管理、減少污染、節(jié)約成本。Liebherr、 Zoomlion、 Potain等公司都有成熟的生產(chǎn)流水線。如，Zoomlion現(xiàn)已擁有了標準節(jié)生產(chǎn)線、涂裝流水線，其他流水線在陸續(xù)建設中。 （5）在產(chǎn)品開發(fā)中落實實驗驗證。 實驗是新產(chǎn)品驗證最直接的方法，是提高產(chǎn)品可靠性和安全性最主要的檢驗手段。產(chǎn)品的可靠性和安全性主要是由零部件決定的，是零部件安全性和可靠性的綜合體現(xiàn)。零部件的可靠性和安全性高，產(chǎn)品的可靠性和安全性自然就高。因此，大型塔式起重機制造廠商，

13、投入大量的財力物力，建設自己的實驗場，如Potain的結構和機構實驗場在上世紀80年代就已經(jīng)基本建成，共占地17萬m2，擁有各種實驗臺架百余種，產(chǎn)品需經(jīng)過真實而嚴酷的工況驗證合格才能出廠。Zoomlion目前正在建設自己的塔式起重機專用實驗基地。 （五) QTZ40型塔式起重機的簡單介紹及其市場前景 QTZ40塔吊又叫QTZ40塔式起重機，起重力矩400KN.m，最大起重量4T，獨立架設時最大起升高度可達29米，加附著最大起升可達120米，最大幅度分46.8米、42米 和50米。 QTZ40塔式起重機充分利用成組技術、組合設計技術及有限元分析技術，以“塔式起重機微機設計平臺”為工具設計的

14、國內最新型的起重運輸機械。QTZ40塔吊為水平臂架、小車變幅、上回轉液壓頂升式起重機。最大有效幅度47m。是該種機型國內唯一達到此幅度的塔機。塔機獨立使用時，起升高度27.8m，附著起升高度為120m（2倍率）。該機各項速度指標均達到或優(yōu)于國家標準。 該機屬于快裝塔機和城市塔機，用于中小城市公用建筑、學校建筑和多層住宅的施 工建設。以基本高度（獨立式）36米。如果用戶需要高層附著施工，只需提出另行訂貨需求，即可增加某些部件實現(xiàn)本機的最大設計高度100m，也就是附著高層施工，可建32層以內的高樓。 近年來，隨著建設工程量的不斷擴大，起重安裝工程量也越來越大，尤其是現(xiàn)代化大型石油、化工、冶煉

15、、電站及高層建筑的安裝作業(yè)逐年增加，因此，對工程起重機特 別是大規(guī)模的起重機需求日益增加，隨著當代科學技術的發(fā)展，各種新技術、新材料、新工藝、新結構在工程起重機上得到廣泛的應用，所有這些因素都有力的促進了工程起重機的發(fā)展。目前中小城市居民樓建設主要以10層以內的為多，而我們的產(chǎn)品QTZ500型塔式起重機主要針對城市12層以內高樓的建設以及設備安裝工作，適合當前市場的需要，因此設計生產(chǎn)這一型號的塔式起重機是可行的。 ANSYS介紹 “有限元”這個詞語于1965年首次被提出，經(jīng)過大約40多年的不斷發(fā)展和完善，到今天已經(jīng)廣泛應用于各種不同的工程之中，理論也已經(jīng)相當成熟。有限元思想的核心就是

16、把實際結構離散化，假想地使實際的結構離散為有限數(shù)目個類似結構的個體，然后通過分析這些有限個體的性能來求出滿足實際工程要求的計算結果，從而代替對于具體復雜實際結構的求解。經(jīng)過離散化，應用有限元思想，可以解決很多實際復雜的工程問題，并在理論研究和工程應用兩方面都具有極其重要的實用價值。 ANSYS作為一個大型通用軟件，廣泛應用于結構、流體、聲場、熱、耦合場、電磁場上面，利用ANSYS軟件，能夠將實際模型置于各種各樣不同的復雜實際工況之中，準確并合理的分析，優(yōu)化設計，減少實際試驗的物質和人力投入，提高工作效率，縮短研發(fā)周期從而能夠為提高利潤做出貢獻。使用ANSYS軟件分析，包含以下幾個過程：建立模

17、型、劃分網(wǎng)格、加載和求解、結果后處理。若在實際應用過程中想對其中的某一個步驟進行改動和變化，則依然需要重新完成其中的每一個步驟，無形中浪費了太多的工作時間。針對現(xiàn)實情況，ANSYS提供了APDL參數(shù)化設計語言來處理類似問題，通過APDL語言及UIDL語言或類似VB、VC編程語言開發(fā)應用界面，即可完成在ANSYS中的二次開發(fā)。 二、本課題的目的（重點及擬解決的關鍵問題） 本次畢業(yè)設計是對機械專業(yè)學生在畢業(yè)前的一次全面訓練，目的在于鞏固和擴大我們在校所學的基礎知識和專業(yè)知識，訓練我們綜合運用所學知識分析和解決問題的能力。是培養(yǎng)、鍛煉我們獨立工作能力和創(chuàng)新精神之最佳手段。畢業(yè)設計要求我們在設計過

18、程中，要獨立思考，刻苦鉆研，有所創(chuàng)新，解決相關技術問題。 塔機臂架作為塔機的工作裝置,在塔機產(chǎn)品的設計內容中處于核心地位, 采用有限元分析的方法進行塔機臂架的設計計算將會極大地提高設計效率、保證其設計質量。我們只需借助通用有限元軟件建立模型并進行仿真分析,就能真實地反映機械產(chǎn)品的尺寸外形特征和工作過程,并進行各種類型的力學分析,盡早發(fā)現(xiàn)設計缺陷,從而有效地縮短研發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,使產(chǎn)品的結構和性能更加合理 通過畢業(yè)設計，使我們掌握塔式起重機的總體設計，吊臂的設計，整體穩(wěn)定性計算，有限元分析等內容，為今后步入社會、走上工作崗位打下良好的基礎。通過此次設計使我們獲得基本塔機結構設計，理論聯(lián)

19、系實際，擴大知識面；同時也是鍛煉和培養(yǎng)自身能力及素質的重要渠道，也是我們逐步實現(xiàn)由學生到社會的轉變，培養(yǎng)我們初步擔任技術工作的能力、初步了解企業(yè)管理的基本方法和技能，體驗企業(yè)工作的內容和方法。 三、主要內容、研究方法、研究思路 (一)主要內容 （1） 設計任務： ① 總體參數(shù)的選擇（QTZ40級別） ② 結構形式 （2） 總體設計 ① 主要技術參數(shù)性能 ② 設計原則 ③ 平衡重的計算 ④ 塔機的風力計算 ⑤ 整機傾翻穩(wěn)定性的計算 （3） 吊臂的設計和計算 ① 吊臂的形式及尺寸（變截面）（雙吊點） ② 吊臂的強度、穩(wěn)定性及剛度驗算 (二)研究方法 ① 類比法：參考

20、國內同類型塔式起重機設計； ② 有限元分析法：利用有限元分析軟件對臂架進行優(yōu)化設計。 (三) 研究思路 塔式起重機的機構是有起升機構、回轉機構、小車變幅機構、行走機構四大傳動機 構組成，另外還要重點注意該機的金屬結構，塔機的金屬結構又分為塔身、臂架、平衡臂、塔頂、以及頂升套架。我們應該不僅設計好塔機的機構，更重要的也要設計好塔機的金屬結構，所以我們這次設計分塊分工完成。 我負責設計的部分是塔式起重機金屬結構中臂架的優(yōu)化設計，臂架是由若干個臂架標準節(jié)組成的，所以我以臂架標準節(jié)節(jié)為單位進行參數(shù)化設計，提出參數(shù)化模型，并利用三維制圖軟件制成三維圖，并利用有限元分析軟件對塔式起重機進行動力學

21、和靜力學分析，以對結果進一步優(yōu)化設計。 四、總體安排和進度（包括階段性工作內容及完成日期） 2013.3.25-2013.3.28 熟悉整理資料 2013.3.29-2013.4.13 方案選擇及總體設計 2013.4.14-2013.4.20 繪制總圖 2013.4.21-2013.5.15 臂架設計 2013.5.16-2013.6.5 繪制臂架裝配及結構圖紙 2013.6.6-2013.6.19 繪制零件圖紙 2013.6.20-2013.6.21 準備論文及答辯 五、主要參考文獻 [1] 哈爾濱建筑工程學

22、院主編.工程起重機.北京：中國建筑工業(yè)出版社 [2] 董剛、李建功主編.機械設計.機械工業(yè)出版社 [3] 成大先．機械設計手冊.化學工業(yè)出版社（5冊） [4] GB/T9462—1999 塔式起重機技術條件 [5] GB/T13752—1992 塔式起重機設計規(guī)范 [6] GB5144—1994 塔式起重機安全規(guī)程 [7] 邢靜忠．ANSYS應用實例與分析．科學出版社．2006． [8] 劉坤．ANSYS有限元方法精解．國防工業(yè)出版社．2005． [9] GB/5144—94 塔式起重機安全規(guī)程． [10] JG/T1 5037—93 塔式起重機

23、分類． [11] 孫在魯. 塔式起重機應用技術. 北京：中國建材工業(yè)出版社. 2003. [12] 劉鴻文．材料力學．北京：高等教育出版社．2002． [13] 李柱，徐振高．互換性與測量技術．北京：高等教育出版社．2002． [14] 張東升．機械零件及建筑機械．重慶：重慶大學出版社.2003． [15] 建設部北京建筑機械綜合研究所中國標準出版社第三編輯室．北京：中國標準出版不 社.1998． [16] 吳慶鳴，何小新．工程機械設計．武昌：武漢大學出版社.2006． [17] 劉佩衡．塔式起重機使用手冊．北京：機械工業(yè)出版社.2002． [18] 張質文，虞和謙等．起

24、重機設計手冊．北京：中國鐵道出版社．1997． [19] 范俊祥．塔式起重機．北京：中國建材工業(yè)出版社．2004． [20] 王金諾，于蘭峰．起重運輸機金屬結構．北京：中國鐵道出版社.2002． 指導教師意見： 指導教師簽名： 日期： 教研室意見： 教研室主任簽名： 日期： 系意見： 系領導簽名： 日期： 系蓋章 課題來源：導師課題、社會實踐、自選、其他 課題類別：工程設計、施工技術、新品開發(fā)、軟件開發(fā)、科學實驗、畢業(yè)論文。