塔式起重机吊臂设计.pdf

1、 课程设计（论文）课程设计（论文）课程名称：工程机械综合课程设计 题 目：TZ1600-1 塔式起重机吊臂设计 院（系）：机电工程学院 专业班级：姓 名：学 号：指导教师：2014 年 7 月 17 日 摘 要 本次课程设计是关于塔式起重机的吊臂部分，目标是设计塔式起重机并使其能安全平稳的工作，而如今时代的大发展趋势是塔机的设计应该有更多更新的创新来适应新的发展机遇和挑战。因此，这就要求我们在塔机原有的基础上实现更多更的创新来促进塔机的进一步发展。在本次课程设计中，通过对TZ1600型塔式起重机起重机的主要部分进行设计，学习设计方法，熟悉零件的工艺性、机器装配和安全技术等方面的知识，通过计算各

2、工况的受力状况及对各工况进行强度校核等，以培养学生分析问题和解决问题的能力。为了确保产品的质量，设计应按照科学的步骤进行，以实现对塔机的设计和校核工作。关键词：塔式起重机，吊臂，课程设计，施工机械，截面设计 Abstract This design is part of the transmission tower cranes,which objective is to bring the weight down normal and do safe work.the design of tower machine should include the innovation of more

3、renewals to adapt new development opportunity,new of development Challenge.It also urge us put forward heel many creativities to promote the further exaltation of local tower machine dust level and development.In this courage design,The main parts of TZ1600 type of crane design,learning design,famil

4、iar with the process,parts of the machine assembly and safety technology and other aspects of knowledge through the calculation of the stress state and strength check of working conditions,to cultivate students ability to analyze and solve problems.in order to ensure product quality and level of des

5、ign work carried out in accordance with scientific procedures.In order to ensure the quality of the products,the design shall be carried out in accordance with scientific procedures that realize the design and check of tower crane.Keywords:Tower Cranes，Davit arm，Courage Design，construction machinery

6、，Section design 目录 1.绪论.1 1.1 塔式起重机发展现状.1 1.2 塔式起重机设计目的及意义.1 2.格构式压弯吊臂的设计计算.2 2.1 1600kNm 自升式塔式起重机的主要性能参数.2 2.2 吊臂结构设计型式和主要尺寸.2 2.2.1 吊臂结构形式.2 2.2.2 吊臂的主要尺寸.3 2.2.3 吊点位置的确定.3 2.2.4 吊臂运输单元划分.4 2.3 吊臂的计算简图及载荷组合的原则.4 2.3.1 计算简图的确定.4 2.3.2 载荷组合.4 2.3.3 计算工况.4 2.3.4 计算截面.5 2.4 吊臂的载荷。内力计算及其内力组合.5 2.4.1 吊臂

7、自重及小车自重引起的内力计算.5 2.4.2 吊重引起的内力计算.8 2.4.3 水平反力产生的偏心弯矩.10 2.4.4 风载.11 2.4.5 回转水平惯性力.13 2.4.6 起升索倾斜时产生的附加水平力.15 2.4.7 小车轮压产生的下弦局部弯矩.16 2.4.8 起重索牵引力产生的轴心压力.16 3吊臂截面选择和验算.17 3.1 吊臂截面的几何特性计算.17 3.2 吊臂整体稳定性验算.19 3.2.1 吊臂计算长度和换算长细比.19 3.2.2 整体稳定验算.20 3.2.3 分肢（上，下弦）验算.21 3.2.4 缀条（腹杆）计算.23 4.结论.24 5.致谢.25 6.参

8、考文献.26 第 1 页 共 26 页 1.绪论 1.1 塔式起重机发展现状 我国塔式起重机制造业始于 20 世纪 50 年代。综观其 60 余年的发展，我国塔机行业从无到有，从小到大，逐步形成了较为完整的体系和比较完整的系列型谱，并且塔机成为建筑施工中的关键设备，塔机行业也成为我国发展最快的建筑机械行业之一。如今，中国制造的塔机已经批量走进国际市场。目前我国已成为世界塔机生产大国，同时也是世界塔最大需求市场之一。而随着近十几年来建筑制造的井喷增长，以及建筑趋于大型化和摩天化。塔机制造业也迎来繁荣的时期。同时基于高层建筑的发展，及各因素的影响，塔式起重机也面临着各式各样的环境，从而促进了塔机的

9、进步和创新，从小车变幅改变为臂架俯仰，为塔机作业创造有利空间，推动了各种类型塔机的改造和发展，而如今全世界塔机生产厂家在设计时都考虑了这些因素，研制出了相应的改进型塔机。根据施工需要，开发多种结构型式的塔机产品，平头式、动臂式塔机近几年得到了快速发展。塔机由于臂架可在一定范围内变动，非常适合密集及狭窄地区施工，有独特的施工特点，因此越来越受到重视。目前，我国塔式起重机总体制造水平和世界领先国家还有很大的差距。如何将塔机制造大国转变为制造强国已成为我们所要思考的问题。1.2 塔式起重机设计目的及意义 塔式起重机课程设计的目的是综合运用以前学过的机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、结构力学与钢

10、结构、机械设计及其课程设计等基础理论知识，对整体起重机的主要部分进行设计，学习设计方法，熟悉零件的工艺性、机器装配和安全技术等方面的知识，培养分析问题和解决问题的能力。所以，其主要内容是在于对塔机吊臂的总体分析和设计。在设计时，应多注意结构构造的设计工作，即根据其计算得出的主要尺寸和选好的标准件确定整体结构和局部零件，并进行强度校核。塔式起重机的设计过程是相对复杂的，因此通过本次课设可以很好的巩固和复习相关知识，培养和提升了我们分析问题和解决问题的能力。这些能力的提高对我们以后的学习和工作是至关重要的。同时也有利于未来同学们毕业设计的科学有序的开展和进行。第 2 页 共 26 页 2.格构式压

11、弯吊臂的设计计算 2.1 1600kNm 自升式塔式起重机的主要性能参数 1.起重力矩：1600 kNm 2.起重量：最大幅值maxR65m,Q1.5t 15kN;R310m时，Q12tkN（120）3.变幅 （1）形式：水平吊臂绳索牵引小车变幅；（2）速度：15m/min;4.吊钩升降速度 （1）起升速度：2550m/min;（2）下降速度：350m/min;5.回转 （1）速度：0.5r/min;（2）起（制）动时间：3s;6.起重机行走速度：20m/min;7.工作类型：中型；8.材料标号：Q345号钢，50E型焊条；9.计算中其他一些参数和系数取自起重机设计手册。2.2 吊臂结构设计型

12、式和主要尺寸 2.2.1 吊臂结构形式 本塔式起重机（如图 2-1）采用小车变幅，根据受力和构造等要求，吊臂结构决定采用格构式等腰正三角形截面的型式。上弦为无缝钢管，下弦为两个箱形截面由两个角钢焊成，兼做小车轨道用。吊臂除两端在高度方向减小外，在起升平面和回转平面内，截面均不变化。缀条（腹杆）的布置，两个侧面桁架采用三角式体系，水平桁架则采用带竖杆的三角式体系。第 3 页 共 26 页 2.2.2 吊臂的主要尺寸 吊臂长度可根据最大幅度，上塔身宽度（2000mm）,吊臂根部离回转轴线的距离以及构造等要求决定，今吊臂长度65.2Lm。吊臂截面的高度和宽度，可根据强度，刚度，稳定性以及构造等要求来

13、确定。对于本设计中三角形截面的吊臂，截面高度11()5025hL，截面宽度 b 应与上塔身宽度配合。1.8h m1.865.2hL 2.0 0b m 图 2-1 吊臂结构形式和主要尺寸 2.2.3 吊点位置的确定 吊点 B 将吊臂分成两部分，即悬臂部分 l1和跨中部分 l2（如图 2-2）。悬臂部分 l1将产生最大负弯矩，而跨中部分 l2则将产生最大正弯矩。如果 l1过大，则悬臂部分的负弯矩将比跨中的正弯矩为大，截面将可能由悬臂部分控制。如果 l1过小，则悬臂部分的负弯矩将比跨中的正弯矩为小，截面将可能由跨中部分控制。由于吊臂截面对 x-x 轴不对称，负弯矩和这正弯矩对截面应力的影响并不相同，

14、且 AB 段和 BF 段所承受的轴心力亦不相同。因此，不能简单地按等弯矩的条件来考虑，应按等强度或等稳定性条件来选择吊点的合理位置，通常 第 4 页 共 26 页 使1/0.3 0.5ll,今采用 126.1ml。2.2.4 吊臂运输单元划分 考虑到运输条件和原材料长度的限制，通过将吊臂做成若干个节段（运输单元），各节段在工厂做好后运到工地，在工地上再用销轴相互连接。本设计将吊臂划分为 13 个运输单元，考虑到标准化，将中间节段 212 设计成标准节段，以利加工制造。2.3 吊臂的计算简图及载荷组合的原则 2.3.1 计算简图的确定 根据总体布置来确定吊臂的计算简图（图 2-3）。在起升平面（

15、即竖直平面），作为伸臂梁计算，在回转平面（即水平平面），则作为悬臂梁计算，但在确定回转平面内的计算长度时，应考虑非保向力的影响。2.3.2 载荷组合 吊臂钢结构计算采用的载荷组合分下列三种情况：1.自重+吊重+工作状态风载（风向平行吊臂）+其他水平力；2.自重+吊重+工作状态风载（风向垂直吊臂）+其他水平力；3.自重+非工作状态风载（风向平行吊臂）+起重小车及吊钩重。本设计仅按上述第 2 种载荷组合进行计算（因第 1、3 种载荷组合在本设计中不起控制作用）。在计算中忽略了行走惯性力，离心力的影响。因塔式起重机的工作不很繁重，故可不用验算钢结构的疲劳强度。2.3.3 计算工况 考虑下列三种计算工

16、况（针对第二种载荷组合）图 2-2 吊臂计算简图 第 5 页 共 26 页 工况 1：幅度max65Rm吊重1.5(15)QtkN（即作用在 D 处），风向垂直吊臂；工况 2：幅度10Rm，吊重12(120)QtkN （即作用在 C 处），风向垂直吊臂；工况 3：幅度min3Rm，吊重12(120)QtkN（即作用在 G 处），风向垂直吊臂。此工况仅在计算缀条时用。2.3.4 计算截面 1.吊臂根部截面 A，该处 Mx=0，但 My为最大。2.吊点截面 B，该处在起升平面内负弯矩为最大。3.跨中截面 C，该处在起升平面内正弯矩为最大。2.4 吊臂的载荷。内力计算及其内力组合 2.4.1 吊臂自

17、重及小车自重引起的内力计算 如图 2-4，参照同类型的结构，初步估计吊臂自重0135G kN,计入分项系数01.2，则吊臂自重设计值为135 1.2162G kN。考虑到塔式起重机在轨道行走时产生的冲击影响，计算时还应计入冲击系数k。现根据塔式起重机的行走速度，取1.0k，即1.0 162162kG kN,并假定延长度方向均匀分布，1622.4865.2g kN/m.小 车 移 动 机 构 重 量 估 计 为013.3G kN,设 计 值13.3 1.23.96G,11.0 3.963.96kG kN,作用点距吊臂根部 A 处为 5m 处。(k 为冲击系数)0:BM 65.239.13.96(

18、39.1 5)162(26.1)2AY 30.38AYkN 第 6 页 共 26 页 0:Y 3.96 162 30.38135.58BY kN 40.5135.58695.067.9BXkN 图 2-3 吊臂上的载荷确定的位置 图 2-4 自重产生的内力图 如图 2-4，参照同类型的结构，初步估计吊臂自重0135G kN,计入分项系数01.2，则吊臂自重设计值为135 1.2162G kN。考虑到塔式起重机在轨道行走时产生的冲击影响，计算时还应计入冲击系数k。现根据塔式起重机的行走速度，取1.0k，即1.0 162162kG kN,并假定延长度方向均匀分布，1622.4865.2g kN/m

19、.小 车 移 动 机 构 重 量 估 计 为013.3G kN,设 计 值13.3 1.23.96G,第 7 页 共 26 页 11.0 3.963.96kG kN,作用点距吊臂根部 A 处为 5m 处。(k 为冲击系数)0:BM 65.239.13.96(39.1 5)162(26.1)2AY 30.38AYkN 0:Y 3.96 162 30.38135.58BY kN 40.5135.58695.067.9BXkN 牵臂索拉力：708.16BR kN 剪力：30.38AV kN=30.38-3.96-2.48 39.1=-70.55BV左kN=135.58 70.55=65.03BV右k

20、N=30.38-3.96-2.48 8=6.58CVkN 弯矩：0AM 212.48 26.1844.72BM kNm 2130.38 83.96(85)2.48 8151.82CM kNm 轴心力：AB段 695.06N kN BF段 0N 第 8 页 共 26 页 2.4.2 吊重引起的内力计算（包括小车和吊具重量，即2QG）引起的内力计算 工况 1：最大幅度65maxRm，15Q kN(即作用在D处，见图 2-5)。估计小车和吊具重026.3G kN，考虑起升或制动的动力影响，应计入动力系数=1.3，并计入相应载荷分项系数后，得 02(1.41.2)1.3(1.4 15 1.2 6.3)

21、37.13DQQGkN 0BM :39.137.13(26.1 2.2)0AY 所以 22.7AY kN 0Y :22.737.1359.83BY kN 40.559.83306.727.9BX kN 312.5BR kN 剪力：AB段 22.7V kN BD段 37.13V kN 弯矩：0AM 37.13(26.1 2.2)887.41BM kNm 22.7 8181.6cM kNm 轴心力：AB段 306.72N kN BF段 0N 工况 2：幅度10R m,120Q KN(即作用在C处，见图 2-6)1.3(1.4 120 1.2 6.3)228.23CQ kN 第 9 页 共 26 页

22、 00M:39.1228.23(26.1 2.2)0AY 所以 139.51AY kN 10Y:228.23 139.5188.71BY kN 40.588.71454.787.9BX kN 463.35BRkN 图 2-5 吊重在 D 处产生的内力图 图 2-6 吊重在 C 处产生的内力图 剪力：AC段 139.51V kN CB段 88.71V kN 弯矩：0ABMM 第 10 页 共 26 页 139.51 81116.08CM kNm 轴心力：AB段 454.78N kN BF段 0N 工况 3：最小幅度min3Rm,120Q kN(即作用在 G 处，见图 2-7)1.3(1.4 12

23、0 1.2 6.3)228.23Q kN 0BM:39.1228.23(39.1 1)0AY 所以 222.39AY kN 0Y:228.23 222.395.84BY kN 40.55.8429.647.9BX kN 30.21BR kN 剪力：AC段 222.39V kN GB段 5.84V kN BF段 0V 弯矩和轴心力均省略不计。2.4.3 水平反力产生的偏心弯矩 吊臂根部水平反力AX和吊点处水平分力BX假定均作用在吊臂下弦截面的形心上，对吊臂形心有一偏心距56.6e cm（在选定吊臂截面尺寸后求得）。因此，在AB段内除产生轴心力N外还产生偏心弯矩（图 2-8）。工况 1：吊重在D处

24、，15Q kN。由自重产生的水平反力695.06AX kN，由吊重DQ产生的水平反力306.72AX kN。偏心弯矩=(695.06306.72)0.566567M偏kNm 第 11 页 共 26 页 工况 2：吊重在C处，120Q kN。由吊重CQ产生的水平反力454.78AX kN。所以偏心弯矩(695.05454.78)0.566650.81M偏kNm 图 2-7 吊臂在 G 处产生的剪力图 图 2-8 水平反力 X 产生的偏心弯矩 2.4.4 风载（仅考虑第 2 种载荷组合，即工作状态风载，且风向垂直吊臂）计算工作风压0.25tw kN/m2，且沿高度不变。1.吊臂部分的风载（图 2-

25、9）吊臂挡风系数取0.37，侧桁架重叠折减系数取0.48系数和按起重机设计手册算得，此处略。吊臂轮廓面积为：1.8 65.2117.36FAhL m2 吊臂实际受风面积为：(1)1 1 7.3 60.3 7(10.4 8)6 4.2 7fFAAm2 总风压 6 4.2 70.2 51 6.0 7ftWA wkN 化作均布风压 16.070.2565.2WqL kN/m 剪力：16.07AV kN 第 12 页 共 26 页 0.25 26.16.53BV kN 0.25(65.2 8)14.3CV kN 弯矩：265.20.25531.382AM kNm 226.10.2585.152BM k

26、Nm 2(65.28)0.25408,982CM kNm 2.吊重部分的风载 工况 1：吊重在D处，15Q kN（图 2-10）。吊重受风面积取 1.5fA m2。总风压 0.25 1.50.375DW kN。剪力：AD段 0.375V kN 弯矩：0.375 6323.63AM kNm 0.375(63 39.1)8.96BM kNm 0.375(63 8)20.63CM kNm 工况 2：吊重在C处，120Q kN(图 2-11)吊重受风面积取 11fA m2 总风压 0.25 112.75CW kN 剪力：AC段 2.75V kN 弯矩：2.75 822AM kN 第 13 页 共 26

27、 页 图 2-9 吊臂风载产生的内力图 图 2-10 吊臂风载（在 D 处）产生的内力图 2.4.5 回转水平惯性力 1.由吊臂自重产生的回转惯性力（图 2-12）2 n=60PGRtg惯 已知：0.5/minnr，3ts，9.81g m/s2。G 回转部件重量（不计k或），R 回转幅度 2 3.1416 0.5=0.0017860 3 9.81PGRGR 惯 今将吊臂自重150.61G kN，34.6R m 代入上式，得=0.00178 162 34.69.97P惯 kN 为方便计算，假定为均匀分布，得 9.97=0.15365.2P惯 kN/m 将小车移动机构自重13.96G kN，7.0

28、0R m 代入上式，得=0.00178 3.96 70.05P1惯kN 图 2-11 吊重风载（在 C 处）产生的内力图 第 14 页 共 26 页 剪力：9.970.0510.02AV kN 0.153 26.13.99BV kN 0.153(65.2 8)8.75CV kN 弯矩：65.29.97()0.05 5325.272AM kNm 226.10.15352.112BM kNm 2(65.28)0.153250.302CM kNm 图 2-12 回转惯性力（由自重引起）产生的内力图 图 2-13 回转惯性力（由 D 处吊重引起）产生的内力图 2.由吊重产生的回转惯性力 工况 1：吊重

29、在D处，15Q kN（图 2-13）惯性力为 =0.00178(1.4 15 1.2 6.3)653.3P惯 kN 剪力：AD段 3.3V kN 弯矩：3.3 63207.9AM kNm 第 15 页 共 26 页 3.3(63 39.1)78.87BM kNm 3.3(63 8)181.51CM kNm 工况 2：吊重在C处，120Q kN（图 2-14）惯性力为 =0.00178(1.4 120 1.2 6.3)103.12P惯 kN 剪力：AC段 3.12V kN CF段 0V 弯矩：3.12 824.96AM kNm 2.4.6 起升索倾斜时产生的附加水平力（垂直于吊臂）121(1.4

30、1.2)10TQG 图 2-14 回转惯性力（由 C 处吊重引起）产生的内力图 图 2-15 附加水平力 T1（由 D 处吊重引起）产生的内力图 工况 1：吊重在D处，15Q kN(图 2-15)第 16 页 共 26 页 11(1.4 15 1.2 6.3)2.8710T kN 剪力：AD段 2.87V kN 弯矩：2.87 63180.81AM kN 2.87(63 39.1)68.69BM kN 2.87(63 8)157.85CM kN 工况 2：吊重在C处，120Q kN(图 2-16)11(1.4 120 1.2 6.3)17.5610T kN 剪力：AC段 17.56V kN C

31、F段 0V kN 弯矩 17.56 8140.45AM kNm 2.4.7 小车轮压产生的下弦局部弯矩 =0.1746wMPl局 每一轮压为：11.3(1.4 120 1.2 6.3)28.538P kN 1.6wl m=0.1746 28.53 1.6=7.97M局kNm 2.4.8 起重索牵引力产生的轴心压力（起升滑轮组倍率4a）工况 1：吊重在D处，11.3(1.4 15 1.2 6.3)9.284S kN 图 2-16 附加水平力 T1（由 C 处吊重引起）产生的内力图 第 17 页 共 26 页 轴心压力 9.28NS kN 工况 2：吊重在C处,11.3(1.4 120 1.2 6

32、.3)9.284S kN 轴心压力 9.28NSkN 各个工况下吊臂各计算截面的内力组合结果见表 3吊臂截面选择和验算 3.1 吊臂截面的几何特性计算 参照同类型的结构，假定界面的尺寸如下（图 3-1）。上弦：热轧无缝钢管 1 4 01 0；下弦：共两根，每根采用 2 140 90 10;缀条（腹杆）：6 86.0。界面的几何特征计算如下：上弦：2221 41 24 0.8 4 c m4A上 44(1412)867.8664I4cm 328 6 7.8 61 2 3.9 814Wcm 867.864.6140.84i cm 下弦（一根）：22 22.2644.52cmA 下 24152 444

33、.522.26(-4.58)1270.62xIcm 242 146.0322.26(4.5-2.12)544.24yIcm 31 2 7 0.61 6 9.4 17.5xWc m 图 3-1 吊臂截面尺寸 第 18 页 共 26 页 3544.24120,944.5yWcm 1270.65.3444.52xicm 5 4 4.2 43.54 4.5 2yic m 缀条（腹杆）：222(6.85.6)1 1.6 94zAc m 444(6.85.6)5 6.6 864Icm 5 6.6 82.21 1.6 9i cm 整个吊臂截面：24 0.8 424 4.5 21 2 9.8 8Ac m 重心距 4 0.8 41 8 05 6.61 2 9.8 8cyc m 224867.8640.84(180-56.6)2 1270.62 44.56 56.6910803.9xIcm 24867.862