QTZ6015塔机总体设计资料.docx
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QTZ6015塔机总体设计资料
2总体设计
2.1总体参数
型号：
QTZ6015
额定起重力矩：
1156千牛•米；
最大起重量：
8吨；
工作幅度：
2.5米〜60米；
最大幅度处额定起重量：
1.5吨；
起升（独立）高度：
45米；
变幅速度不小于：
40米/分钟；
最大起升速度不小于：
60米/分钟；
回转速度不小于：
0.6转/分钟；
最低稳定下降速度不大于：
7米/分钟。
2.2总体方案选择
2.2.1塔基类型选择
通过对塔机厂的参观和查阅相关资料，本设计采用回转自升式塔式起重机。
其优点是轮廓底部尺寸小，要求较小的建筑基地空间，不影响建筑材料的堆放使用；塔身不会转故惯性小，便于改装成附着式塔式起重机，能适应多种形式建筑物的施工需要。
由于普通上回转式已经不能满足大高度吊装工作的需要，故本次设计采用自
升附着式，即塔身附着在建筑物上，可以随着建筑物的升高而沿着层高逐渐爬升。
爬升套架采用外爬式，因为内爬式在工作时司机不能看到起吊过程，操作不
便；施工结束后，又要用辅助设备将塔机解体，并吊到地面，费工时。
综上所述并考虑经济性、建筑体型、和周围空间等因素的考虑后，选择上回转外部附着塔帽式起重机。
2.2.2驱动形式
起重机的性能和特点在很大程度上取决于驱动装置。
本设计采用电力-机械驱动，相比内燃机-驱动更好一些。
目前塔式起重机的驱动装置广泛采用起重机和冶金专用的YZRJZR、YDZ系列电动机。
2.2.3变幅机构型式
根据国内塔机发展和使用情况，采用小车变幅，即通过移动小车实现变幅。
工作时吊臂安装在水平位置，小车由变幅牵引机构驱动，沿吊臂轨道移动。
这种方案的优点是：
安装定位准确，变幅速度快，变幅惯性力没有回转惯性大。
2.2.4爬升机构
根据爬升机构的传动方式不同，自升式塔式起重机的传动方式不同，自升式塔式起重机可分为机械式和液压式爬升机构。
其中液压式采用液压油缸顶升，在国内外广泛使用。
本次设计为了塔身附着和加节方便，决定采用上回转-外套架爬升上加节式。
225吊臂的结构形式
吊臂是塔式起重机的主要结构之一。
塔式起重机吊臂的结构形式有桁架压杆式，桁架水平式和桁架混合式三种。
本吊臂采用塔式起重机常用的桁架水平式吊臂，吊臂的断面制成三角形，弦杆和腹杆均由型钢制成。
其中上弦杆为圆管。
下两弦杆为方管，兼做载重小车的运行轨道。
2.2.6塔身的结构型式
塔身是起重机最重要的受力勾践之一，有标准节通过高强度螺栓连接而成。
标准节主弦杆和腹杆用无缝钢管，截面为正方形，沿塔身高度方向做成等截面结构，整个标准节是一个空间的桁架结构。
2.2.7其他结构形式
塔帽采用前置式；平衡臂采用片式结构；底座节采用法兰盘。
2.3各部分外形尺寸、自重和重心位置
2.3.1标准节
（1）、标准节结构分析：
标准节为标准件在一定程度上可以实现互换。
由上图可知，标准节由以下几
个部分构成：
1）、主弦杆：
一共4根；2）、腹杆：
横腹杆12根，斜腹杆8根；3）、爬梯：
扶杆2根，水平爬杆8根，节距为255mm连杆为4根分别焊接在扶杆两头；4）、抗扭杆：
一共3根，均布于3层水平腹杆上，用于增强标准节的强度；5）、螺栓套：
分别焊接在4根主弦杆两头，每头两个，一共16个，用于两头个标准节之间的连接（在螺栓套里套上螺栓实现）；6）顶升块：
分别安装在2根主弦杆上，每根2块，在顶升过程中用于支撑横梁。
（2）、标准节是构成塔身的标准件，高度为2.5米，断面尺寸为1.94mX1.94m,其结构简图如下图所示：
（3）、查找网络资料和《机械设计手册》可以得到设计结果如下表
表2.1标准节各部件规格及重量
序号
名称
横截面尺寸
（mm）
数量
长度
（mm）
单位长度理论质量
（kg.m）
总重量
（kg）
1
主弦杆
①146X0
4
2500
51.29
512.9
2
横腹杆
①60江6
12
1930
7.99
185.0
3
斜腹杆
①70江6
8
2273
9.47
172.2
4
爬梯扶杆
①35汇4
2
2480
3.06
15.2
5
水平爬杆
①28x3
9
350
1.85
5.8
6
连接杆
①28汉3
4
400
1.85
2.9
7
对角平撑
①60汇6
2
2723
7.99
43.5
8
螺栓套
①30汉5
16
125
42.4
9
顶升块
4
15.2
10
上封板
4
0.8
11
下封板
4
0.8
12
定位套
4
2.4
合计
997.1
标准节的总重量：
Q总=997.1kg
计算总重量：
Q计=1.1Q总=1097kg
2.3.2底座节
（1）、底座节结构分析：
由上图可知底座节由以下几部分组成：
1）、立柱：
4根；2）、平腹杆：
分两层一共八根；3）、斜腹杆：
均布于底座节4个侧面上，每个面2根，共8根；4）、抗扭杆：
平腹杆，分两层，每层一根；5）、法兰盘：
焊接在立柱底部，是底座和混凝土基础连接的桥臂，其结构参考厂家；6）、筋板：
焊接在立柱和法兰盘之间，以加强立柱和法兰盘的连接；7）、螺栓套：
用于连接底座节和标准节，共8个。
（2）、底座节为塔式起重机基础，用于支撑整个塔机的重量，其结构如图所示：
（3）、由以上分析并参照《机械设计手册》可以得出以下结论:
表2.2基础节各组成部分规格尺寸及其重量
序号
名称
横截面尺寸
数量
长度（mm
单位长度
理论质量
（kg/m）
总质量
（kg）
1
主弦杆
①146X16
4
800
51.29
164.1
2
平腹板
①70X6
8
1794
9.47
135.9
3
斜腹板
①70X6
8
815
9.47
61.7
4
对角平撑
①70X6
2
2537
9.47
48.1
5
法兰盘
4
25.0
6
筋板
16
6.0
7
螺栓套
8
4.0
合计
444.8
4）、底座节总重量
Q总=444.8kg计算重量：
Q计二Q总1.1=444.81.1=489.3kg，取Q计二490kg
2.3.3吊臂
采用水平变幅式吊臂，横截面为等腰直角三角形。
采用双吊点型式。
上弦杆为无缝钢管，下弦杆为槽钢加封板，腹杆均为钢管，为减轻自重，根据吊臂内力变化，采用变截面式，材料选为Q235
（1）、确定臂长：
根据参数指标，该塔机最大幅度为60m，确定吊臂长度
L=R-0970.720.5=60.25
（2）、初定吊点位置（初定的两吊点将吊臂分为L1,L2「）参考值：
2.3.4平衡臂
凡上回转塔机均需配设平衡臂，其功能是支承平衡重，用以构成设计上所要求的作用方向与起重力矩方向相反的平衡力矩。
常用的平衡臂有以下几种结构型式：
平面框架式、三角形断面桁架式、矩形截面桁架式。
由于平面桁架式平衡臂有两根槽钢或是槽钢拼焊的箱型截面梁组成，适用于要求较长平衡臂重型、超重型自升塔机。
本次设计选举该种结构式平衡臂。
由于平衡臂长度与起重臂长度之间有一定比例关系。
一般可取其比值为0.2-0.35.为了制造及运输方便，平衡臂的长度通常在超出一定值后制成两节，节与节之间用销轴连接。
所以
平衡臂：
L平衡臂=13.77m参考同类塔机选取平衡重：
Q平衡重=20300kg
2.3.5塔帽
塔帽是有圆管或角钢组焊接而成的四棱锥结构，是一空间桁架结构。
上端通过拉杆使起重臂保持水平，下端用四个销轴与上支座项链。
参照同类型塔机塔帽相关参数，估算塔帽重量为：
Q塔帽二2000kg
2.3.6拉杆
（1）、塔机拉杆如下图所示：
图2.11
（2）、塔机拉杆分析：
由上图可知，塔机拉杆分为吊臂拉杆和平衡臂拉杆，下面将会对这两种拉杆
进行分析：
吊臂拉杆：
吊臂拉杆有长短两根。
长拉杆：
长度为47.3m,材料为热轧钢结
构无缝钢管，理论重量为13.903kg/m，拉杆分为7节，每节6.76m，则
Q<=662.2kg，Q#=1.1Q长=728.2kg。
短拉杆长度为21m材料同长拉杆，分为4节，每节5.25m,Q计=1.1Q短二323kg。
平衡臂拉杆：
平衡臂拉杆为两根并排等长的拉杆，长度为11.2m材料为热轧
无缝钢管，理论质量为9.914kg/m，分为两节每节5.6m，贝UQ计=1.1^123.2kg
（3）、综上所述，可得下表分析结果：
表2.8塔机拉杆参数
序号
名称
长度
（mr）
分节
数
数
量
材料
理论质
量
（kg/m）
重心位置（m
总重量
（kg）
1
吊臂长
拉杆
47.3
7
1
①108X5.5
13.904
59.36
728.2
2
吊臂短
拉杆
21
4
1
①108X5.5
13.904
59.36
323
3
平衡臂
拉杆
11.2
2
2
①73>6
123.2
59.36
123.2
合计
1174.4
2.3.7套架
自升式塔式起重机的构造比普通上回转塔式起重机增加了一个套架和一套顶升装置。
套架只要有套架结构、上下工作平台及装在套架上的液压顶升机构等组成。
在套架的设计中一般是按自重力矩调整为零来考虑。
改塔机标准节截面尺寸为：
1.94m1.94m,高度为2500mm,故取套架截面尺寸为2.5m2.5m,高度为5300mm。
参照塔机厂同类型塔机套架相关参数，估
计套架的质量为Q套架二2800kg
2.3.8回转塔身
（1）、回转塔身在出厂前会先与塔帽通过连接板焊接在一起，塔身的具体结构如下：
1500
图2.12
（2）、回转塔身结构分析：
由上图可知，回转塔身主要由以下几个部分组成：
1）、主弦杆：
主要用于
连接塔帽并支撑起塔帽、吊臂和平衡臂的作用，长度为1500mm每根弦杆由两
根型号的角钢焊接而成；2）、加强腹杆和加强肋板：
加强腹杆焊接于主弦杆的上部,增加回转塔身上部的强度以支撑起吊臂和平衡臂，加强肋板焊接于加强腹板
上，以进一步增强回转塔身上部的强度；3）、横、斜腹杆：
各8根，采用热轧结构无缝钢管，对称分布于塔身各个侧面上；4）、爬梯：
采用无缝钢管；5）、铰支板1用于连接平衡臂，铰支板2用于连接吊臂，对其强度和韧性要求较高，所以材料可以采用Q235加高温回火处理；6）、法兰盘和肋板：
用于连接回转塔身和上支座，具体结构尺寸参考厂家的相关产品。
（3）、由以上分析，并参照塔机厂同类型塔机套架相关参数，估计套架的质量为
Q回转塔身-1500kg
238塔机各部分重量及到回转中心的距离
为了方便设计与计算，之前设计过程中未涉及到的部分零件的重力及其到
回转中心的距离均参照塔机厂家QTZ6015相关参数设计。
QTZ6015型塔机各部件重力及其到回转中心的距离和弯矩如下表所示（以吊臂一侧为正）：
表2.9塔机各部分重量及其到回转中心的距离和弯矩
序号
部件名称
到回转中心的距离（m）
自重（N）
弯矩（N.m）
1
底座节
0
4900
0
2
标准节
0
197460
0
3
顶升套架
0
28000
0
4
下支座
0
19000
：
0:
5
回转支承
0
5250
10
6
上支座
0
8610
0
7
回转塔身
0
15000
\0
8
塔帽
0.3
20000
（6000
9
司机室
1.8
4500
8100
10
吊臂
29.4
71100
2090340
11
平衡臂
-8.67
22130
-191867.1
12
吊臂长拉杆
24.27
6620
160667.4
13
吊臂短拉杆
9.57
3230
30911.1
14
平衡臂拉
杆
-5.56
2460
-13677.6
15
力矩限制器
0.8
1200
960
16
平衡重
-13.77
203000
-2795310
17
配电箱
-12.54
3000
37620
18
起升机构
-12.54
22000
-275880
19
回转机构
0
5000
0
20
变幅机构
12
4000
48000
21
顶升装置
-1.0
6000
-6000
22
电气系统
-3
5000
-15000
23
起重量限制器
0.3
210
63
合计
657670
-915073.2
2.4起重特性曲线
力矩限制器安装位置，及其全力矩中心位置示意图:
本次设计采用固定式塔帽，力矩限制器弓形板设于塔帽前弦杆，属于前倾式，根据参考文献【1】，取X=1.11a（式中：
a为吊臂根部到回转中心的距离），由于之前对塔帽以及回转塔身进行结构分析所得的数据可知：
a=600+300=900mm,
则X=999mm。
2.4.2起重机特性曲线中直线与曲线焦点的确定
因为额定起重力矩为：
1150KN.m，当吊臂最大起重量Q二Qmax=8t时，其允许的最大起吊幅度为R。
，贝
M额二QmaxR，即：
115010^80009.8R。
所以：
R）=14.7m。
2.4.3全力矩基准标定值M标
因为额定起重力矩即为全力矩基准标定值，则有：
M标=（Qmax'G小车■G吊钩组■G垂直绳）（R-a-X）
M标（800029020097.2）（14.7-0.999-0.9）
=109924.75N.m
2.5平衡重计算
由前面的计算可知，G小车=300kg,G吊钩组=160kg。
Qnax=8000kg.
对平衡重的计算有两个原则，本次设计按原则2计算：
①塔机的各个部件（除可移动部分外）对顶升作用点的力矩，如下表所示：
表2.9
序号
部件名称
重量（kg）
重心距作用点
距离（m）
对顶升块作用点力矩（kg.m）
1
吊臂
7110
29.4
209160
2
吊臂长拉杆
662
24.27
16066.74
3
吊臂短拉杆
；323
9.57
3091.11
4
变幅机构
400
12
4800
5
司机室
450
1.8
810
6
塔帽
1400
0.3
420
7
顶升装置
600
1.0
600
8
配电箱
300
-12.54
-3762
9
:
平衡臂
[2213
-8.67
-19186.71
10
起升机构
2200
-12.54
-27588
11
平衡臂拉杆
123
-5.56
-683.88
12
电气系统
[380
-5
-1900
13
平衡重
Gp
-13.77
合计
181827.26
②原则2:
小车在最大幅度处起吊相应额定起重量时对回转中心产生的前倾力矩
Ml和小车在根部不吊重时对回转中心产生的后倾力矩M2之比为1.2〜1.4,即:
M1/M^1.2〜1.4,由以上原则2有：
Mi=（181827.26-13.77Gp）+G小车L小车G吊钩L吊钩G垂直绳L垂直绳+QmaxRmax
=（181827.26-13.77Gp）+29060+20060+97.260+150060=53967.56-13.77Gp
M2=（181827.26-13.77Gp）+G小车L小车G吊钩L吊钩G垂直绳L垂直绳+Q额Rmin
=（181827.26-13.77Gp）+125232
=157731.56-13.77Gp
M1/M2=1.3，贝UGp=20300kg
2.6塔机整机重量及其重心位置确定
2.6.1塔机各部件重量及其势能和对回转中心的力矩
塔机各部分重量及其势能和对回转中心的力矩
表2.10
序号
部件名称
纵坐标（m）
横坐标（m）
自重（N）
弯矩
（N.m）
势能（N.m）
1
底座节
0.40
0
4900
0
1960
2
标准节
23.00
0
197460
0
4541580
3
顶升套架
49.00
0
28000
0
[1372000
4
下支座
51.81
0
19000
0
984390
5
回转支承
51.86
0
5250
0
272265
6
上支座
52.91
0
8610
0
[455555.1
7
回转塔身
53.91
0
15000
0
808650
8
塔帽
56.89
0.3
20000
6000
1137800
9
司机室
52.00
1.8
4500
8100
I234000
10
吊臂
54.91
29.4
71100
2090340
3904101
11
平衡臂
54.91
-8.67
22130
-191867.1
1215158
12
吊臂长拉杆
59.36
24.27
6620
160667.4
392963.2
13
吊臂短拉杆
59.36
9.57
3230
30911.1
:
191732.8
14
平衡臂拉杆
59.36
-5.56
2460
-13677.6
146025.6
15
力矩限制器
59.36
0.8
1200
960
71232
16
平衡重
55.10
-13.77
203000
-2795310
[11185300
17
配电箱
55.10
-12.54
3000
37620
[165300
18
起升机构
55.10
-12.54
22000
-275880
1212200
19
回转机构
51.81
0
5000
0
[259050
20
变幅机构
59.36
12
4000
48000
:
237440
21
顶升装置
48.80
-1.0
6000
-6000
292800
22
电气系统
56.50
-3
5000
-15000
282500
23
起重量限制器
55.20
0.3
210
63
[11592
合计
657670
-915073.2
29375595
2・6・2塔机整机重量及其重心位置的确定
由上表可以知道，塔机整机重量（包括平衡重，不包括蝙蝠小车及吊钩装置等可移动重量）为：
657670（N）。
塔机整机重心位置：
C=-915073.2“657670=-1.39（m）塔机的重心高度：
H=29375595"657670=44.67（m）
2.7混凝土基础的计算
混凝土基础的外形尺寸如图所示：
混凝土基础长、宽：
6000mm6000mm,高1700mm
混凝土的基础的重量：
Q=（6.0m）2（6.0m）22.88/m3=176.26t
2.8整机抗倾覆稳定性计算
2.8.1抗倾覆稳定计算的意义及方法
塔式起重机重心高，工作半径大，而支撑轮廓尺寸又相对较小；一旦失去稳定就可能造成重大“倒塔”事故。
因此，保持其稳定性具有极其重要的意义。
根据《塔式起重机设计规范GB/T13752—92》的规定，必须对塔式起重机的工作状态的抗倾覆稳定性，非工作状态的抗倾覆稳定性，安装、抗倾覆稳定性进行验算。
他是其踪迹的抗倾覆稳定性验算，是在对无奈定性最不利的载荷组合条件下进行的。
若包括塔式起重机自重和齐声载荷在内的各项载荷对倾覆边（相对稳
定侧）的力矩数和大于零（M>0），则认为塔式起重机是稳定的。
在计算式，规定对起稳定作用的力矩符号为正、起倾覆作用的力矩符号为负。
另外，考虑到各种载荷对稳定性的实际影响程度，在计算每一种工况下的稳定性是，均给各项再和乘以相应的载荷系数，如下表：
表2.11载荷系数
序号
工况
自重载荷
起升载荷
惯性载荷或碰撞载荷
风载荷
说明
1
基本稳定
性
1.0
1.5
0
0
2
动态稳定
性
1.0
1.3
1.0
1.0
风压Pw2
3
突然卸载
1.0
-0.2
0
1.0
风压Pw2
4
暴风侵袭
1.0
0
0
1.2
风压Pw3
5
安装架设稳定性
1.0
1.0
1.25
1.0
风压Pw3
独立起升高度（以吊钩位置为准）附着起升高度（以吊钩位置为准）独立式塔身包括一个底座节（高附着式塔身包括一个底座节（高
3塔身结构设计
3.1塔身结构设计特点
3.1.1塔身结构主要参数
:
45m
:
157.5m；
0.7m）和18个标准节（每节高2.5m）;
0.7m）和63个标准节（每节高2.5m）；
标准节横截面尺寸：
1940mm1940mrp
标准节通过M36粗牙，性能等级为10.9级的螺栓连接;塔身底部无倾斜
3.1.2塔机简图
3.2塔机自重产生的轴向力及后倾力矩
321塔机自重对塔身校核面产生的轴向压力
对于独立式塔身结构，在校核时，主要对塔身根部A-A截面和掉鼻根部铰点B-B截面进行校核。
对于附着式塔身结构，在校核时，主要对顶部一刀附着装置处C-C截面和吊臂根部铰点B-B截面进行校核。
塔机各部件自重及其对塔身中心线之矩
表3.1
序号
部件名称
至回转中心的距离（m）
自重（N）
弯矩（N.m）
1
底座节
0
4900
0
2
标准节
0
197460
0
3
顶升套架
0
28000
0
4
下支座
0
19000
0
5
回转支承
0
5250
0
6
上支座
0
8610
0
7
回转塔身
0
15000
0
8
塔帽
0.3
20000
6000
9
司机室
1.8
4500
8100
10
吊臂
29.4
71100
2090340
11
平衡臂
-8.67
22130
-191867.1
12
吊臂长拉杆
24.27
6620
160667.4
13
吊臂短拉杆
9.57
3230
30911.1
14
平衡臂拉杆
-5.56
2460
-13677.6
15
力矩限制器
0.8
120
960
16
平衡重
-13.77
203000
-2795310
17
配电箱
-12.54
3000
37620
18
起
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