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QTZ80塔式起重機機械部分設計
學 生：易暢明
指導老師：吳彬
（湖南農業(yè)大學東方科技學院，長沙 410128）
摘 要：塔式起重機是一種塔身豎立而起重臂回轉的起重機械，它具有適用范圍廣，回轉半徑大，起升高度較高、效率高、操作簡便，安裝和拆卸較為方便等特點。目前在我國建筑安裝工程中已得到廣泛應用，特別是在高層工業(yè)和民用建筑中，已成為一種必不可少的施工機械。我對QTZ塔式起重機方面的書籍進行參考和了解，結合已學專業(yè)基礎知識，理解融合，參考相關資料，進行大概的設計。
關鍵詞：塔式起重機；結構
Mechanical Part of the QZT80 Tower Crane Design
Student:Yichangming
Tutor:Wubin
(Oriental Science ＆Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)
Abstract：Tower crane is a kind of hoisting machinery whose tower body stands up and gibbet revolves．It has some particular：wide applicability，large radius of gyration，higher lifting altitude，high efficiency，handy operation and more convenient removal．At present，it had been used extensively in construction field engineering，especially in higher level industry and civilian construction．It became a kind of requisite construction machinery．I consulted and learned about some books on tower crane，combined some background elementary knowledge about the speciality，reference related information to The design．
Key words：tower crane；structure
1 前言
塔式起重機是一種塔身豎立起重臂回轉的起重機械，在工業(yè)與民用建筑施工中是完成預制構件及其他建筑材料與工具等吊裝工作的主要設備。工作機構主要包括：起升機構、回轉機構、小車牽引機構、臺車行走驅動機構等；起升機構是塔式起重機中最重要、最基本的機構，是以間歇，重復工作方式，將重物通過其中吊鉤或其他吊具懸掛在承載構件（如鋼絲繩、鏈條）上進行起升、下降，或起升與運移的機械設備。主要安裝在塔式起重機的起重臂上。其主要組成部分有：電機、變速箱、制動器、卷筒、底架、軸承座和安全裝置等。在高層建筑施工中其幅度利用率比其他類型起重機高。由于塔式起重機能靠近建筑物，其幅度利用率可達全幅度的80%，普通履帶式、輪胎式起重機幅度利用率不超過50%，而且隨著建筑物高度的增加還會急劇的減少。因此塔式起重機在高層工業(yè)和民用建筑施工的是使用中一直處于領先地位。應用塔式起重機對于加快施工進度、縮短工期、降低工程造價起著重要的作用。
塔式起重機（簡稱塔機）采用方鋼，起重高度通過增減標準節(jié)調節(jié)，現在市場上的塔式起重機品種眾多，但是離不開一個規(guī)律，其起重量大的起重機，吊臂長、覆蓋范圍大、布料半徑大、同時標準節(jié)相應的強度高，塔身設計高度也高。長沙城東正當發(fā)展之際，各種高層建筑群即將拔地而起，急需開發(fā)滿足現階段施工要求的塔機。根據我對現階段武廣區(qū)域的現狀的實地考察發(fā)現該區(qū)域現在正在發(fā)展之初，高層建筑少，且地勢平坦，施工時無其他建筑的阻礙，因此布料半徑相對較大，起升量大，塔身高度高，安全配置高的塔式起重機能滿足施工要求。我所設計的TC5015塔機為QTZ80塔機的一種，大膽加入自己的思路和想法，初步預測標準節(jié)的主弦桿和腹桿采用方形鋼。由于本人水平有限，真誠希望各位老師提出修改意見和方案。
2 方案選擇
參考《塔式起重機駕駛員》，TC5015塔機為水平起重臂，小車變幅，上回轉自升多用途塔機，采用行走式底架，起升機構可實現二四倍率變換。司機室獨立外置，視野好，內部空間大，給操作者創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。
2.1 基本參數
額定起重力矩800KN·m，最大變幅50m，最大幅度處的起重量1500kg。
2.2 總機質量
參考《非標準機械設計手冊》表3-9選取塔式起重機的工作級別 A4。塔式起重機總質量及各部件的質量可根據《非標準機械設計手冊》公式3-12求得總質量：
m=aR （1）
上回轉，水平臂架塔機a取0.36，R為幅度50m，Cp額定起重量1.5t，起升高度H為60m。故m=0.36×50×=92.34t。
塔身m1=0.15m=0.15×92.34t=13.851t
轉臺m2=0.1m=0.1×92.34t=9.234t
臂架m3=0.08m=0.08×92.34t=7.3872t
平衡重m4=0.15m=0.15×92.34t=13.851t
平衡臂m5=0.07m=0.07×92.34t=6.4638t。
整體設計圖如下：
圖 1 塔式起重機整機圖
Fig. 1 Tower crane complete machine
3 塔式起重機機構的設計
塔式起重機的工作機構主要有：起升機構、回轉機構、變幅機構、小車牽引機構及大車行走機構。起升機構、變幅機構及小車牽引機構均由電動機、聯軸器、制動器、減速器及卷筒等部件構成。為了提高塔式起重機的生產率，加快吊裝施工進度，無論是起升機構、變幅機構、小車牽引機構、回轉機構還是大車行走機構均應具備較高的工作速度，并要求從靜停到全速運行，或從全速運行到靜停的全部過程，都應平緩進行，避免產生劇烈沖擊，對金屬結構產生破壞性影響。
3.1 運行機構
運行機構用于支撐本身及載荷的重量，并使塔機前后運動。運行裝置采用有軌運行，用鋼制車輪支撐在鋼軌上，并沿其運行。用四臺臺車支承，其中兩臺主動臺車（電機驅動），兩臺主動臺車，分別成對角布置，每臺臺車采用兩個鋼制車輪。電機通過減速器將轉矩通過齒輪傳給行走輪。
3.1.1 運行臺車的選擇
塔機總質量m=92.34t，最大起重量6t，運行總質量為98.34t，運行總壓力為G=98340×9.8=963732N。由8個鋼輪支承著，假設這些里平均分布，由《非標準機械設備設計手冊》表6-38取鋼輪直徑D=500mm。
3.1.2 運行靜阻力計算
（1）有軌運行摩擦力
由《非標準機械設備設計手冊》公式4-28，摩擦阻力為：
F1=Gc=w·G （2）
阻力系數w由《非標準機械設備設計手冊》表4-15確定為0.0075。
故F1=0.0075×963732N=7228N。
（2）坡道阻力
由《非標準機械設備設計手冊》有公式，坡道阻力Fγ=Gsinγ，參考經驗，建筑塔式起重機sinγ=0.01，故Fγ=963732×0.01=9637N。
總運行阻力F=F1+Fγ=7228N+9637N=16865N。
3.1.3 電機的選擇
由《非標準機械設備設計手冊》公式4-30，電機靜功率為
Pat=F·v/(1000×η0) （3）
加速階段消耗的功率：
Pn=∑mv2/（1000·tn)+Jon2/（91200·tn) （4）
參考資料Jon2/（91200·tn)為∑mv2/（1000·tn)的20%，故
Pn=1.2∑mv2/（1000·tn) （5）
由《非標準機械設備設計手冊》公式4-31有：
Pm≥（Pat+Pn)/(m·λms)=[F·v/(1000×η0)+1.2∑mv2/（1000·tn)]/λms（6）
V為運行速度參考表4-16取1m/s；
η0為機構總效率取0.8；
∑m為運行部分總質量98.34t；
tn為加速時間參考表4-16取4s；
λms為平均啟動轉矩倍數，繞線式異步電機取1.7。
Pm≥36Kw，電機采用S4工作制，《查機械設計課程設計手冊》表12-7選用YZR280M-8電機。
3.1.4 制動器
運行機構制動器采用常閉式，先減速后制動。
3.2 起升機構
起升機構用于實現貨物的升降，是塔機中不可缺少的機構，有一個起升機構就可完成整個起升工作。通常是以省力的鋼絲繩滑輪組作為執(zhí)行機構。起升機構的傳動形式一般有電動機通過聯軸器、齒輪減速器帶動卷繩筒。在高速軸上裝有制動器，一便將貨物停止與懸空狀態(tài)。參考《非標準設計手冊》圖4-11設計如圖2的滑輪組結構。
圖 2 四倍率變換示意圖
Fig2 Quadruple rate varies the sketch map
3.2.1 起升機構的計算
鋼絲繩的最大靜拉力:
此時起升質量為最大Cp=6t，滑輪組處于四倍率工作狀態(tài)，即q=4。根據《非標準機械設備設計手冊》公式4-13有：
Fmax=Q/(q·a·ηhη1η2…)=Cp·g/(q·a·ηhη1η2…) （7）
鋼絲繩卷入筒內的根數a=1；
η1 、 η2 為卷繩筒及導向滑輪的效率，查《非標準機械設備設計手冊》表4-8取0.98；
ηh為滑輪組效率，查《非標準機械設備設計手冊》表4-8取0.97。
設置兩個導向輪，故Fmax=（6000×9.8）/(4×1×0.97×0.983)=16101.5N。
3.2.2 吊鉤及吊鉤組的選擇
根據《非標準機械設備設計手冊》表6-1吊鉤材料選擇等級為M，材料為DG20,屈服點為235MPa，有較好的沖擊韌性。根據最大起重量為6t，查表選取工作級別人M4，鉤號為4，采用單鉤。
3.2.3 選取起升鋼絲繩
由《非標準機械設備設計手冊》公式4-16有
dmin=C （8）
C為選擇系數，根據實際情況由《非標準機械設備設計手冊》表4-9，C=0.09。
dmin =0.09×=11.4mm。根據要求查《塔式起重機駕駛員》表5-2，選取6X（19）-12.5-140-I-光- 右交GB1102-74，結構形式為6X（19），公稱抗拉強度為1400MPa，I號光面鋼絲制成的直徑為 12.5mm右旋交互捻，外粗式線接觸鋼絲繩 。
3.2.4 選擇電機
起升機構的電動機工作制接近3S工作制，可不用考慮啟動電流對電機發(fā)熱的影響。由《非標準機械設備設計手冊》公式4-19有:
Pat=Qv/(1000·η·m） （9）
V為額定起升速度選為0.33m/s；η為機構效率，根據參考定為0.85，m為電機個數取1。
Pat=（6000×9.8×0.33）/(1000×0.85×1）=22.8Kw。
由《非標準機械設備設計手冊》表4-7選取電機型號為YZR225M-6。
驗算電機過載能力：
由《非標準機械設備設計手冊》公式4-20有：
Pn≥H·Q·v/(m·λM·1000·η） （10）
由《非標準機械設備設計手冊》表6-13，轉矩過載系數λM取2.8，
所選電機為繞線電機，靜載實驗超載系數H取2.1；
故Pn≥2.1·6000·9.8·0.33/(1·2.8·1000·0.85）=17.12Kw。
查《機械設計課程設計手冊》表12-7，所選電機當FC=60%時的功率最小為26Kw，滿足上式。
3.2.5 制動器的選擇
參考《非標準機械設備設計手冊》起升機構的制動器應選擇由彈簧壓力和閉合的常閉式制動器，送閘的方式有電磁控制。
4 塔式起重機金屬結構的設計
塔式起重機的金屬結構是整臺塔式起重機的支撐架，其設計制造的好壞直接關系到整臺塔式起重機的使用性能和壽命，也關系到建筑工人的生命和財產安全，因而金屬結構是塔式起重機的關鍵組成部分。
4.1 底架
底架由運行機構、基節(jié)、撐桿、壓重構成。臺車之間輪距及軌距都為5m，共8個行走輪。
在底架下面有16個螺栓孔，通過它與臺車相連，連接基礎節(jié)和平面底架的斜撐桿是主要的傳力構件，兩端銷軸與基礎節(jié)和平面底架相聯。其中，基節(jié)設有供人休息的平臺。
本行走式塔式起重機各單元都有是采用銷軸和高強度螺栓連接。查《工程材料》選取35Cr。它和特性和用途為：用在磨損用很大沖擊負荷下工作的重要零件，調質后有良好的綜合性能，是應用廣泛的調質鋼。行走部分整體結構圖如下：
圖 3 塔式起重機行走部分
Fig. 3 The walking of tower crane
4.2 塔身標準節(jié)
4.2.1 標準節(jié)結構
塔身是塔機主要的承載構件，主要承受軸向力和雙向彎矩，在回轉時還要承受轉矩，上回轉塔機塔身不轉。塔身采用正方形截面的衍架結構，主弦桿采用由角鋼拼接的方鋼，腹桿采用方鋼管。塔身由一定長度的標準節(jié)組成，標準節(jié)之間采用套柱螺栓連接形式，采用8個螺栓連接。腹桿之間有三角形綴條維持穩(wěn)定性，綴條采用角鋼。各塔身節(jié)內均設有供人休息的平臺和供人上下的爬梯。
參考《塔式起重機駕駛員》選擇標準節(jié)總體結構為：長3m，外形截面為2m×2m。每兩個塔身標準節(jié)之間用8個10.9級M36高強度螺栓連接牢固（預緊力矩2400N·m。標準節(jié)結構圖如下：
圖4 標準節(jié)
Fig. 4 Body of the tower
標準節(jié)材料選用Q390低合金高強度方形高強結構鋼，查清華大學出版社，朱張校主編的《工程材料》，表3-6，得Q390高強鋼的成分與機械性能，見附錄5。
以Mn為主要的合金元素，除了產生較強的固溶強化效果外，還提高了鋼的強度和韌性。加入少量的鈮可起到一定的析出硬化作用，從而提高鋼的強度和韌性。綜合性能好：強度高、高韌性、良好的焊接性能和冷成型性能、低的冷脆轉變溫度和良好的耐腐蝕性能。可用于車輛、起重機、礦山設備、電站、橋梁等承受動荷的結構、機械零件、建筑機構、一般金屬結構件，熱軋或正火狀態(tài)使用，可用于—40℃以下寒冷地區(qū)的各種結構。
4.2.2 塔身強度校核
以塔身的最下端為計算截面，此處的受垂直向下的力最大，
Fmax=（m1+m2+m3+m4+m5+Cp）g
=（13851+9234+7387+13851+6464+6000）×9.8
=556512.6N
單根主弦桿受力為
FN=Fmax/4=139128N=139.1KN
標準節(jié)主弦桿為方鋼形式，鋼厚10mm，外形尺寸240×240。
A=140×10×4＋π（502-402）=8424mm2。
主弦桿的穩(wěn)定性系數為w=0.976。
σ=FN/（w·A）=139128N/（0.976×8424mm2）=16821792.5Pa=16MPa [σ]取550MPa，σ＜[σ],故主弦桿強度滿足要求。
4.3 頂升套架
爬升架主要由爬升架結構、平臺、爬梯及液壓頂升系統(tǒng)、塔身節(jié)引進裝置等組成。塔機的頂升運動主要靠此部件完成。
頂升油缸安裝在爬升架后側的橫梁上（預裝平衡臂的一側），液壓泵站放在液壓缸一側的平臺上，爬升架內側有16個導向的滾輪，頂升時滾輪支于塔身主弦外側，起導向支承作用。為了便于頂升安裝和安全需要，在爬升架中部和上部位置設有平臺，并在引進梁上也設有平臺。頂升時工作人員站在平臺上，操作液壓系統(tǒng)，完成頂升、引入塔身節(jié)和固定塔身螺栓等工作。材料選用Q235B。
爬升架結構圖如下所示：
圖5 爬升架
Fig. 5 Climb and withstand
承壓截面的選擇
Fmax=（m2+m3+m4+m5+Cp）g
=（9234+7387+13851+6464+6000）×9.8=420772.8N
FN=Fmax/4=105193.2N=105.2KN。
根據式5-23，截面面積需滿足A≥FN/φ[σ]，
查《工程材料》φ[σ]取375MPa，則
A≥105193/375000000=0.000280515m2=280.52mm2
套架腹桿為方鋼形式，鋼厚10mm，外形尺寸150×150mm。
A=150×10×2+130×10×2=5600mm2＞280.52mm2。
4.4 回轉支承
回轉支承包括下支座、回轉支承、上支座、回轉機構共四部分。見圖6。
下支座為整體箱形結構，下支座下部分別與塔身節(jié)或套架相連，上部與回轉支承外圈和下平面通過高強螺栓連接。
上支座為板殼結構，其左右兩側焊有安裝回轉機構的法蘭盤。上支座的四方設有工作平臺，右側工作平臺的前端，焊有司機室連接的支耳，后方設有安裝回轉限位器的支座和安裝電笛的支板。上支座的平面通過8個10.9級的M36高強度螺栓與回轉塔身相連接。下支座、回轉支承、上支座所用的8.8級M30的高強螺栓、其預緊扭矩是否達到900N·m,它是用雙螺母擰緊防松的。其中雙螺母中防松螺母預緊力矩應稍大于900N·m。
聯接上、下支座的回轉支承，是塔式起重機的重要部件。由齒圈、座圈、滾動體、隔離塊、聯接螺栓及密封條等構成。按滾動體的不同，回轉支承可分為兩大類。一類是球式回轉支承，另一類是滾柱式回轉支承。同滾柱式回轉支承相比，球式回轉支承具有剛性比較好，變形比較小，對承座結構要求比較低，造價較低等優(yōu)點。另外，鋼球與跑道的接觸角度以及接觸應力的分布均與理論計算分析相符合。鋼球為純滾動，摩擦力矩小，功率損失小。由于上述一系列優(yōu)點，在此，選擇采用球式回轉支承。其中的單排四點接觸式回轉支承由一個座圈和一個齒圈組成，結構緊湊，重量輕，鋼球與圓弧滾道四點接觸，能同時承受軸向力、徑向力和傾翻力矩。故予以采用。
圖 6 回轉支承
Fig.6 Turn round and support
4.5 回轉塔身
回轉塔身為整體框架結構，上端面分別有安裝起重臂和平衡臂的耳板，通過銷軸分別與起重臂和平衡臂相聯接，上面用四根銷軸與塔頂相連。在回轉塔身的橫梁上安裝有起重量限位器，用以限制最大起重量。
用8件10.9級的M36高強螺栓和16件10級的M36高強度螺母（雙螺母防松）將回轉塔身與上支座緊固。（螺栓的預緊力矩為2400N·m。尤其是雙螺母中的防松螺母力矩應稍大于2400N·m。）
圖 7 回轉塔身
Fig.7 Turn the body of the tower round
4.6 塔頂
塔頂為四棱錐形結構，由于其位置在塔機的最頂端，故俗稱塔帽。塔頂頂部有拉板架和起重臂拉板，通過銷軸分別與起重臂、平衡臂相連，為了安裝方便，塔頂上部設有工作平臺，工作平臺通過螺栓與塔頂連接。塔頂上部設有起重鋼絲繩導向滑輪和安裝起重臂拉桿用滑輪，塔頂后側下部設有力矩限制器，并設有帶護圈的扶梯，塔頂下端有四個耳板，通過四根銷軸與回轉塔身相連。組裝前在地面上先把塔頂上的平臺、欄桿、扶梯以及力矩限制器裝好，為安裝平衡臂方便，在塔頂的后側左右各裝上一根平衡臂拉桿。塔頂的結構如圖8：
圖 8 塔頂結構
Fig.8 Structure of top of the tower
4.7 起重臂
起重臂總成包括起重臂、起重臂拉桿、載重小車和變幅機構。
起重臂由多節(jié)組成。各節(jié)兩端的連接尺寸相同，節(jié)與節(jié)之間用銷軸聯接。臂架截面型式與尺寸，應根據強度、剛度、穩(wěn)定性條件，以及構造等要求來確定。對這里選取正三角形截面，截面寬度與回轉塔身相配合為1.4m。起重臂斜腹桿和水平腹桿采用無縫鋼管，上、下弦桿為方管，用角鋼焊接，因為下弦桿要兼作牽引小車的運行軌道，故兩下弦桿表面要處于同一水平面內，側表面應處于同一鉛垂面內，各節(jié)之間的階差應小于0.5mm，以減小小車行走時的沖擊。
起重臂節(jié)數和平衡臂長度，與平衡重重量有關，現將其設計計算過程如下：
吊臂質量約為7387.2kg 。當起升幅度為50m時,吊重為最大(1500kg)，平衡重質量為13.851t。
查《理論力學》（ 高等教育出版社）公式（2—10）
M(F)=Fh （11）
又由合力矩定理得：
（12）
確定平衡臂長度：
M(F)=Fh=25X7387.2X9.8+50X1500X9.8=2544864N.m
由合力矩定理，得：
h=M(F)/（13851X9.8）=2544864/（13851×9.8）=18.7m
考慮到平衡臂自身重量，取15m。
校核：
平衡臂質量為6463.8kg。
由合力矩定理，得：
起重臂長度 H =(13851X15X9.8+6464X7.5X9.8-25X7387X9.8)/1500X9.8
=47.7m
因為起重機不停的載荷與卸荷，根據設計標準，校核后的起重臂長度在10%內屬正常范圍。
（47.7-50）/50X100%=-4.6%
可得：平衡臂長度為15m,起重臂長度為51m(小車限位裝置預留1m)
起重臂除吊臂最前一節(jié)外（最前一節(jié)要安裝變幅滑輪），均為6m/節(jié)，共9節(jié)。最前一節(jié)為3m。
起重臂節(jié)與節(jié)之間采用銷軸連接，起重臂第一節(jié)根部與回轉塔身用銷軸連接。起重臂采用雙吊點，空間桁架結構。在起重臂第二節(jié)與第七節(jié)設計有吊耳，在起重臂第一節(jié)中裝有牽引機構。載重小車以起重臂的下弦桿為運動軌道，在牽引機構的牽引下，可沿起重臂前后運動。在起重臂三、六節(jié)中央上弦桿上設有牽引鋼絲繩導向滑輪。
4.8 平衡臂
平衡臂是槽鋼及角鋼組焊成的結構，由兩節(jié)臂架通過銷軸連接而成。平衡臂上設有欄桿、走道和工作平臺，平衡臂的一端用兩根銷軸與回轉塔身連接，另一端則用兩根剛性組合拉桿同塔頂連接。尾部裝有平衡重、起升機構；電阻箱，電器控制柜布置在根部。起升機構本身有其獨立的底架，用四根螺栓固定在平衡臂上。平衡重的重量隨起重臂長度及起升量的改變可適當調節(jié)。平衡臂的結構如下所示：
圖 9 平衡臂總成
Fig.9 Equilibrate the arm and always succeed
4.9 平衡臂拉桿
平衡臂拉桿是為了增強平衡臂的抗彎能力，增加整體機械強度而設置的。主要承受平衡重以及平衡臂自重引起的拉力，拉桿之間采用螺栓連接，所以承受的扭矩較小，故選用實心棒材鋼。其兩端焊有連接耳板。平衡臂拉桿總成圖如下：
圖 10 平衡臂拉桿
Fig.10 Equilibrate the arm pull rod
5 塔式起重機其他零部件
塔式起重機的零部件安全裝置主要有：鋼絲繩、駕駛室、滑輪、滾筒、吊鉤、制動器、減速器等。
5.1 變幅鋼絲繩
參考《塔式起重機駕駛員》一書，塔機最適宜使用的鋼絲繩是：有機芯或金屬芯多股點接觸和線接觸鋼絲繩；外粗式（X型）線接觸有機芯或金屬芯鋼絲繩；粗細式（X型）線接觸鋼絲繩；填充式（T型）線接觸鋼絲繩以及多股不扭轉鋼絲繩。具體性能如下：
(1)普通點接觸多股鋼絲繩6×19：纖維芯，全部鋼絲粗細一致，承受橫向壓力的能力差，僅宜用作拉繩。
(2)普通點接觸多股鋼絲繩6×37：用于起重作業(yè)中捆扎各種物件、設備及穿繞滑車組合制作起重用索具。適用于繩索受彎曲時。
(3)外粗式線接觸鋼絲繩6X（19）：金屬芯，各股外層鋼絲較粗，用以承受摩擦，而內層鋼絲則較細，用以增加柔度改善撓性?？捎米髌鹕妥兎摻z繩。
(4) 粗細式線接觸鋼絲繩6W（19）：纖維芯，各股外層鋼絲粗細相間，使鋼絲繩兼有較好的撓性和較大的耐摩擦能力。宜用作小車牽引繩。
根據鋼絲強工作時的最大靜拉力Smax,選取鋼絲繩的直徑。即： （13）
式中-----鋼絲繩中全部鋼絲破斷拉力總和；
K -----安全系數，見下表；
a -----鋼絲繩折減系數
變幅鋼絲繩選用粗細式線接觸鋼絲繩6W（19），a=0.85，小車牽引繩的安全系數取K=3。
==31129.4N
根據要求查表選取6W（19）-7.7-140-I-光- 右同GB1102-74。結構形式為6W（19），公稱抗拉強度為1400MPa，I號光面鋼絲制成的直徑為 7.7mm右旋同向捻，粗細式線接觸鋼絲繩。
5.2 起重量限制器
起重量限制器是限制起重量的。其作用之一是保護電機，不至于讓電機過多超載；再一方面是給出信號，即使切換電機的級數，不至于發(fā)生高速檔吊重物，防止起升機構出現反轉溜車事故。
起重量限制器由銷軸、傳感器和導繩滑輪等組成。起升鋼絲繩從塔帽上的滑輪下來以后，穿過起重量限制器上的導繩滑輪，再引入變幅小車上的滑輪槽。起重量限制器通過銷軸安裝在回轉塔身的頂部橫梁上。傳感器本身是個圓環(huán)形體，里面裝了兩塊弓形簧片，簧片上分別裝有限位開關和觸動板。當吊載重物時，起升鋼絲繩受都了張力，傳感器的圓環(huán)被鋼絲繩的張力拉成了橢圓形，帶動兩簧片向縱向拉伸，而在橫向上的變形為收縮，產生相對位移，這個橫向位移要比縱向伸長量大得多，故可以帶動微動限位開關動作。當起重量超過一定數值時簧片受力變形，觸動微動開關，由微動開關控制起重電機，使其停止作業(yè)。起重量限制器的調整是通過螺釘調整裝置來調整的，即可視為調整板簧的變形范圍來調整起重量。在調試時，先起吊各段允許最大值，然后增加吊重50kg，分別在高、低速檔調整相應的起重量限制開關，多次重復（三次以上）起吊，所得最大起重量基本一致即可。
圖11 起重量限制器
Fig.11 The weight limiter arises
5.3 起重力矩限制器
該塔式起重機預設計安裝機械式力矩限位器保護裝置，機械式力矩限制器反應很直接，不必經過中間量的換算，所以靈敏度能夠滿足用戶需求。當力矩達到額定值的90%時，司機室內的預報警燈亮，當超過額定值的100%時，向上起升斷電，小車向外變幅斷電，同時發(fā)出超載報警聲。
力矩限制器由兩條簧板，三個行程開關及調整螺桿等組成，通過安裝板固定在塔頂中部后側的弦桿上，當塔機起吊時，塔頂發(fā)生變形，主弦桿的應變與其所受的軸向力成正比，力矩限制器所覆蓋的一段主弦桿，其位變與起重力矩成正比。主弦桿比較剛硬，變形不明顯，但當主弦桿收拉時直接帶動兩簧板向內收縮，且兩弓形簧板得夾角越小收縮量越大。兩條簧板間的距離縮小，帶動調整螺桿移動，調整螺桿觸及行程開關，相應力矩能夠報警和切斷塔機起升向上和小車向外變幅的電路，起到限制力矩保護塔機的作用。
力矩限制器的調整和起重量限制器的相似，但不是增大吊重，而是增加小車幅度。在起重臂上選取幾個特殊點，以在該點額定起重量起吊重物，然后將小車向外展開約一米，調整力矩限制器，使司機室里預報警燈亮，起升向上、變幅向外斷電，同時發(fā)出超載報警聲，然后開回小車，到達特殊點，反復調試，直到警報解除。力矩限制器示意圖如下：
圖 12 力矩限制器
Fig.12 Moment limiter
5.4 司機室
司機室為薄板結構，側置于上支座右側平臺的后端，四周均有大面積的玻璃窗，前上窗可以開啟，視野開闊。司機室內壁可根據客戶需要選用寶麗板或各種隔熱材料裝飾，美觀舒適，內設有聯動操縱臺。同時可在其上開通風孔或安裝空調等。司機室結構大致如下：
圖 13 駕駛室外形
Fig. 13 Appearance of driver's cabin
6 吊鉤換倍率原理
自動換倍率系統(tǒng)包括載重小車，上滑輪組及下滑輪組三部分。上滑輪組與下滑輪組的連接與分離可實現二、四倍率的變換，俗稱變倍率。變倍率是在無載荷、低速、沒有擺動的情況下，在吊臂根部進行的。變倍率時，都有必須先將旁路開關旋至旁路狀態(tài)，使高度限位不起作用；轉換完成后必須將旁路開關恢復到旁路狀態(tài)。在二倍率工作狀態(tài)下，裝有自動連接裝置的上滑輪組由于鋼絲繩的張力而緊貼小車。
上、下滑輪組的自動連接是通過兩塊連接板進行的。連接板上開有長腰形孔，以使用下滑輪組的銷軸連接并銷緊。
上、下滑輪組的分離是由開鎖裝置控制，此裝置用彈簧固定在小車上部。當載重小車移到起重臂根部時，固定在臂架下的楔塊通過它作用在連接板上，使連接板張開，上、下滑輪組即分離。起升鋼絲繩繞繩示意圖如下：
圖 14 鋼絲繩繞制示意圖
Fig. 14 The steel wire rope winds and makes sketch map
左右兩圖為二、四倍率繞繩示意。
6.1 二倍率變四倍率的轉換方法
變換前，上滑輪組緊貼載重小車，連接板處于閉合狀態(tài)。
將小車開至臂根處楔塊附近停止（此時開鎖裝置不能與楔塊接觸），在無載荷、沒有擺動的情況下慢速起升下滑輪組。當連接板與下滑輪組的銷軸尾端接觸時，連接板以銷軸為轉動中心而被頂開。當連接板的長腰形孔對著下滑輪組上的銷軸時，連接板合攏。此時應停止下滑輪組上升，上滑輪組與下滑輪組自動連接為一體。
吊鉤下降時，滑輪組即處于四倍率工作狀態(tài)。將安全銷安裝在下滑輪組的上孔位鎖緊連接板，即完成四倍率變換過程。其變換過程如圖所示：
6.2 四倍率變二倍率的變換方法
下降吊鉤至地面，將安全銷安裝在下滑輪組上的下孔位，將連接板的鎖緊解除。
吊鉤上升至最大工作幅度，將小車開至臂根處直到開鎖裝置距楔塊約一百至二百毫米處停止，吊鉤繼續(xù)慢慢上升，使滑輪組緊貼載重小車，并使上下滑輪組相互接觸后停止，在此位置時，下滑輪組上的銷軸處在連接板上的長形孔的上部，不再鎖緊聯接板。同時將載重小車慢慢向臂根方向沿楔塊移動。
隨著載重小車的移動，鎖緊裝置向下運動作用于連接板，并使連接板以銷軸為轉動中心旋轉至充分張開連接板后，停止運動。（此時千萬不能讓載重小車的開鎖裝置運動到楔塊以內，否則載重小車不能向外變幅）
吊鉤下降，載重小車前移，上滑輪組依靠鋼絲繩的張力而緊隨吊鉤單獨運行，即轉變成二倍率工作狀態(tài)。
圖 15 二倍率轉換示意圖
Fig. 15 Two times of rates change the sketch map
圖 16 四倍率變換示意圖
Fig. 16 Quadruple rate varies the sketch map
7 標準節(jié)加工工藝
標準節(jié)材料采用方鋼，在使用時需對其校正，校正后采用火焰切割機進行下料，再用稀鹽酸對其酸洗淋化處理，再噴丸強化處理，密封后進行焊接處理。
7.1 焊接前的處理
7.1.1 校正
采用火焰矯正工序。
(1)采用氧乙炔焰進行加熱，火焰性質為中性焰。
(2)標準節(jié)厚度大，剛性強，將其加熱到600-800。C，此時加熱處呈現出櫻紅色。
7.1.2 下料、酸洗淋化
校正后采用火焰切割機進行下料。然后用0.1%稀鹽酸對其進行酸洗淋化處理，清除在存放、運輸及加工中的鐵銹、污垢。
7.1.3 噴丸
噴丸強化改善材料的抗疲勞工作性能，消除校正、下料兩道工序帶來的殘余應力，提高材料的可靠性和耐久性。對噴丸的工藝要求：
(1)合理選擇噴丸工藝參數：彈丸直徑、彈丸速度、彈丸流量、噴射角、噴射距離、噴射時間和覆蓋率等。
(2)清理噴丸，清理葉片表面的灰塵物，清理金屬表面的油污、油漆。
(3)噴丸的強度檢驗。
7.1.4 密封處理
經過一系列處理后，將空心方鋼兩端用鋼板密封。
7.2 焊接工藝
7.2.1 焊接設備參數選擇
焊接的主要工藝參數有焊條直徑、焊接電流及焊縫層數。鋼板只起密封作用，對整機性能不起任何影響，焊接時為了保證兩焊縫的對稱性，焊縫對接處選擇雙V形坡口，在腹桿上開出30度的坡口，密封板也是30度，相對角度為60度。因為標準節(jié)笨重，故采用立焊。
(1)焊條直徑
查《焊接工藝500問》，根據焊接件厚度選擇焊條直徑為3.2和5.0mm，長度均為400mm。開坡口的接頭，打底焊時應選用直徑較細的焊條。在第一層打底焊時采用3.2mm焊條，其余各層選用5.0mm焊條。根據焊接件的材料，查《焊接工藝500問》表7-7,采用E5016焊條堿性焊條。
(2)焊接電流的選擇
選擇焊接電流時，首先要在保證焊接質量的前提下盡量選用較大的電流值，以提高生產率。
1 根據焊條直徑選擇焊接電流，查《焊接工藝500問》表6-2，焊條直徑為3.2mm時,焊接電流取100-130A，直徑為5.0mm時,焊接電流選200-270A。
2 根據鋼板厚度及焊接位置適當的調整焊接電流。
焊接板厚10mm,焊接熱量散失較快，選用范圍內的上限值，故焊條直徑為3.2mm、5.0mm時電流分別選取130A、270A。
立焊時應選取較小的電流，通常比平焊時小10%。
直徑為3.2mm時,130×(1-10%)=117A，
直徑為3.2mm時,270×(1-10%)=243A。
查《焊接工藝500問》表7-8,厚度16mm-24mm,不低于-5℃時可以不預熱,-5℃以下預熱100-150℃。
7.2.2 焊接缺陷危害及其防止措施
(1) 裂紋
裂紋有冷裂紋和熱裂紋之分
1 冷裂紋
焊接接頭冷卻到較低溫度下時產生的焊接裂紋叫冷裂紋。 防止措施：
控制焊縫金屬的含氫量，采用堿性低氫型焊條和焊劑；嚴格按規(guī)定烘干焊條和焊劑，仔細清除焊接區(qū)的污物、銹、油和水。
預熱，減慢焊接接頭的冷卻速度以降低淬硬傾向。
消氫處理，焊接結束將焊件立即加熱到300-400℃并保存一段時間促使氫氣溢出。
采用較大的焊接線能量，減慢接頭的冷卻速度，但應適當控制。
2 熱裂紋
焊接過程中，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)間產生的裂紋。防止措施：
控制焊縫金屬有害雜質的含量。
預熱，減小焊接熔池的冷卻速度，降低焊接應力。
采用堿性焊條和焊劑。堿性焊條、焊劑具有脫硫、磷的能力，因此具有較強的抗裂能力。
適當調整焊接工藝參數。適當減小焊接電流和焊縫厚度有利于提高焊縫的抗裂能力。
(2)氣孔
熔池中的氣泡在凝固時，未能溢出而形成的孔隙。防止措施：
①仔細清除焊接件表面的污物，在坡口面兩側20mm范圍內銹、油，打磨至露出表面金屬光澤。
②不應使用過大電流。
③引弧時，應將焊條略做停頓，對引弧處預熱，
(3)夾雜
選好專用焊條后，直接進行埋弧焊電弧在顆粒狀熔劑層下面燃燒。在焊絲前方，焊劑不斷流出撒在被焊部位。焊接時，部分熔劑熔化形成熔渣覆蓋在焊縫表面，大部分焊劑不熔化，可回收便用。部分熔劑蒸發(fā)，生成氣體將電弧周圍的熔渣排開，形成熔渣泡。它能使熔化的金屬與空氣隔開，并防止金屬熔滴向外飛濺。電弧周圍的顆粒狀焊劑被熔化成熔渣。熔池在結晶過程中凝固較快,其中的雜質來不及上浮,于是在焊縫中就以非金屬夾雜物的形式出現.
防止方法
①選用合理的焊接規(guī)范，使熔池存在的時間不要太短。
②多層焊時仔細清除前一道焊縫表面的渣殼。
③焊條擺動的方式要利于熔渣上浮。
④施焊時要保護好熔池，防止空氣侵入。
(4)未熔合未焊透
焊道與母材之間或焊道與焊道之間未完全融化結合的部分叫未熔合。焊接件與焊縫金屬或焊縫金屬相互之間局部未熔合而留下的空隙稱為未焊透。焊接過程中出現了這兩種現象，使得焊接接頭力學性能降低，在缺口和端部形成應力集中點，承載后往往引起裂紋。防止措施：
①正確選擇坡口形式和裝配間隙，并清除坡口兩側和焊層間的污物。
②選擇合適的焊接電流和焊接速度。
③運條時隨時注意焊條的角度。
7.3 焊接后的處理
當整個標準節(jié)焊接工藝完成后，再次進行酸洗和噴丸處理。為防止以后加工及存放中出現生銹現象，應加上底漆。出廠前，應進行探傷處理，并再次刷以外層油漆，然后進入烤漆房，在50℃溫度以上，70℃以下進行約兩個小時的烘烤，等油漆烘干后，移至外面開闊地方。
8 總結
通過對TC5015塔式起重機的研究，使我對塔式起重機的工作機構有了足夠的認識。開始設計的時候不知如何入手，通過查找書籍、在網上搜索資料以及參考現有的設計，使我慢慢的對塔機的各結構、實現原理以及性能技術要求有了大概的了解。鍛煉了自己獨立思考，獨立解決問題的能力。設計過程中，綜合運用大學以來所學習的各門專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計和金屬材料等，對自己四年大學期間所學知識有一個全面的鞏固與掌握，專業(yè)知識比以前更牢靠。在老師有指導下，對于文章的層次與板書有了新的見解。
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致 謝
整個畢業(yè)設計過程分為三個階段，第一階段主要是收集各種與塔式起重機設計有關的資料；第二階段認真研讀找到的資料文獻，對塔機的整體結構、作用做初步了解；第三階段是運用之前所學到的各種知識，帶著各種疑難問題查閱各類機械類學報和工程手冊，逐步完成設計任務。
在此，我要感謝我的導師 ，他循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪，在此謹向老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。
另外，還要感謝我的同學，由于知識的局限性，有時候被一系列的問題所困惑，同學的幫助使得問題豁然開朗。
在設計即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到設計的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！
附錄
附錄1：起重量
附錄2：主要參數
附錄3：起重機四大機構的性能參數
附錄4：主要金屬部件
附錄5：Q390高強鋼的成分與機械性能
附錄1
4 倍率
工作幅度 m
2.5~15.7
18
22
26
30
34
38
42
46
50
起重量 t
6
5.163
4.088
3.344
2.798
2.381
2.052
1.785
1.565
1.38
2
倍率
工作幅度m
2.5~29.3
30
34
38
42
46
50
起重量 t
3
2.916
2.499
2.170
1.904
1.684
1.5
附錄2
參數
單位
參數值
公稱起重力矩KN.m
KN.m
800
最大起重量
t
6
最大幅度下的額定起重量
t
1.5
工作幅度
m
2.5~50
起升高度
m
60
起升速度
倍率
2倍率
4倍率
起升速度
m/min
8.4
40
80
4.2
20
40
最大起重量
t
3
3
1.3
6
6
3
回轉速度
r/min
0.61
變幅速度
m/min
21/42
爬升速度
m/min
0.5
重量
t
92.34
最大回轉半徑
m
51.43
后臂回轉半徑
m
15
最大工作風速
m/s
20
爬升風速
m/s
≤13
工作環(huán)境溫度
℃
-20~+40
附錄3
部件
參數
起升機構
電機
型號
YZR225M-6
功率
Kw
26
轉速
r/min
968
剎車
型號
ZDJ1-300
剎車力矩
N.m
630
液壓剎車
YT1-45
減速機
型號
JZQ500
速比
I=10.35
鋼絲繩
6X（19）-12.5-140-I-光- 右交
回轉機構
電機
型號
YZR132M2-6
功率
Kw
2×3.7
轉速
r/min
908
減速機
型號
XX4-80-155
速比
I=155
剎車
電磁剎車
回轉齒輪軸承
QW1250.40
變幅機構
電機
型號
YDEJ112M 8/4
功率
Kw
1.5/2.4
轉速
r/min
700/1410
減速機
型號
BW4-43
速比
I=43
鋼絲繩
6W（19）-9.3-140-I-光- 右同
液壓頂升機構
電機
型號
Y132S-4 B5
功率
Kw
7.5
轉速
r/min
1440
液壓站
油缸型號
HSGK01-160/110E
行程
mm
1650
液壓站變率
L/min
Q=10
工作壓強
MPa
20
附錄4
部件
主要材料
標注
標準節(jié)
主梁
Q390
外尺寸
2000×2000
總高:3000
前臂
弦桿角鋼焊接方鋼
∠100×100×10
臂間由鞘軸連接
塔帽
主梁角鋼焊接方鋼
∠100×100×10
空間桁架結構由角鋼和鋼板焊接
上，下支座
主鋼板 δ30
由角鋼和鋼板焊接方焊接
后臂
主梁 ［28a
由u型鐵，角鋼和合成金屬焊接
套架
主梁角鋼焊接方
∠120×120×12
空間套架結構由u型鋼，角鋼鋼板焊接
2種底座
主梁u型鐵焊接方鋼［28a
由角鋼和鋼板焊接
拉桿
Q390
由 Q390 鋼焊接
附錄5
化 學 成 分 (%)
力 學 性 能
彎曲
d=彎心彎徑
a=試樣厚度
（直徑）
C
Mn
V
Si
沖擊功A/J(+20℃)
σs
σb
δ(%)
0.20
1.00~ 1.60
0.02~ 0.20
0.55
34
MPa
MPa
390
490~650
>19
d=2a
29