FZQ2000附着动臂塔式起重机的设计FZQ2000附着动臂塔式起重机的设计.doc

哈尔滨工业大学2007届本科优秀毕业设计（论文）选集FZQ2000附着动臂塔式起重机的设计机电工程学院：詹伟刚 指导教师：陆念力摘 要：塔式起重机是现代工业区与民用建筑的主要机械之一，本次毕业设计的任务，就是设计一台电力建设所用大型动臂塔式起重机。大型动臂式塔机具有大起重量、适应狭窄空间、多台塔机可以联合作业等有点，特别适用于空间狭窄的工地的大型钢结构的吊装，以及城市大型高层建筑建设施工。设计中考虑了整机的安全性与经济性，为了增加数据的准确可靠性以及结构的合理性，采用有限元软件SAP84分析，力求使整机的利用率达到最高。关键词：塔式起重机；动臂；有限元SAP84Abstract：Tower crane is essential equipment for modern industry and civilian construction. This graduation design task is to design a large tower crane with dynamic jib used in power station building. Large tower crane with dynamic jib have advantages of great lifting weight, narrow space adaptation, multi-tower crane can joint operations, particularly applicable to the aspects of the large steel structure lifting in a narrow space, and the construction of high-rise building in the cities. Meanwhile, for the sake of increasing the veracity and dependability of data as well as the rationality of construct, it adapted the technique of finite element by SAP84, so that it is able to make maintenance and fitment more facility.Key words：Tower crane movable arm amplitude finite element Sap841 引 言动臂式塔机有着小车变幅式塔机不可替代的优越性，随着我国建筑施工法规的完善，大型高层建筑的增多，动臂式塔机的优越会愈加明显，一方面由于城市楼房的施工现场狭小，从安全上塔机回转时其吊重和臂架等不能刮碰相邻的构筑物，有些国家法规还规定工作时不允许占用施工场地范围外的上空，动臂式塔机臂架的角度可以改变，占据平面空间小，适合在高楼群中作业,在狭窄空间工作；另一方面，由于有些地区要求建筑结构能抗震而以钢结构为大楼的主体，需要起升大型物品，使用动臂式时，吊臂受压，塔机吊臂受力状况较好，可承载更大。从世界范围看，动臂式塔机有流行的趋势。为适应我国社会和经济的发展需要，发展具有自主知识产权的大型动臂式塔机替代进口产品已非常必要和紧迫。2 FZQ2000附着动臂塔机的具体设计2.1 总体设计根据本设计的参数要求，起重力矩为2000t.m;最大起重量大于80t;最大工作幅度大于54m;独立工作时的最大起升高度大于90m;两层附着时的工作高度最大起升高度大于140m。根据此要求，确定起升机构的参数为最大额定起重量80t，最大起重力矩2000tm，工作幅度为1254m，最大起升高度不小于140m，起升速度05m/min（重载），010m/min（轻载），020m/min（空载）。变幅机构的参数设计为全程变幅时间为12min。回转机构的速度为0.15r/min；由于起升高度大，塔机高度高，需采用附着装置，故采用上回转形式，使底部轮廓尺寸变小，对建筑安装基地空间要求减少，能适用多种形式建筑安装施工的需要，也使回转机构自身的体积减小。根据起重机的规范，此次设计的起重机整机的工作级别为A4；机构的工作级别为M3。起升特性曲线如图2-1；塔机整机示意图如图2-2所示。吊臂长度为60m，变幅范围最大可达到54m，吊臂的变幅仰角变化从15o到75o；吊臂截面采用矩形的桁架结构。由于变幅方式为吊臂动臂变幅，起重力矩很大，兼顾材料的易购买性和经济性，主弦杆和腹杆均选用材料16Mn，均为圆形钢管。为便于运输，吊臂分为6节，腹杆采用M型布置。本次设计的塔身采用了可拆分的结构，塔身为正方形的桁架结构，有一节基础节，其余为标准节组成，各节之间用抱瓦连接，主弦杆和腹杆均为圆形钢管，材料选用16Mn，腹杆布置采用倒X型。 图2-1 起升特性曲线 图2-2 FZQ2000塔机总体示意图2.2 机构的设计起升机构是起重机械的主要机构，用以实现重物的升降运动。起升机构通常有原动机、减速器、卷筒、制动器、离合器、钢丝绳滑轮组和吊钩等组成。起升机构的设计应保证满足起重机的主要工作性能，要合理选择机构形式，要使机构工作可靠、结构简单、自重轻和维修保养方便等。起升机构的设计计算主要包括：根据总体设计的要求选择合理的结构形式，并确定机构的传动布置方案；按给定的整机主要参数（最大额定起重量、起升高度、起升速度等）确定起升机构参数，选择确定机构各起重零部件的结构类型和尺寸；以及机构动力装置的选择计算等。由最大起重量80t，按钢丝绳单绳承重510t,滑轮组倍率，可得滚动轴承滑轮组效率由机构工作级别及参考文献1，选取安全系数n=5，可以得到，采用“瓦林吞型”钢丝绳，由参考文献1取钢丝绳直径；由机构工作级别及参考文献1，选取系数卷筒，滑轮。卷筒和滑轮的最小直径可由参考文献1确定：。综合考虑钢丝绳寿命及卷筒绕绳曾数，取卷筒直径。为提高效率，滑轮采用滚动轴承，滑轮直径。卷筒的长度根据公式可以求得。吊钩的选择，最大起重量80t，吊钩强度等级取P，由参考文献2选取钩号为50的吊钩，由参考文献2吊钩材料为DG30Cr2Ni2Mo。由公式可以求得电动机的型号为YZR355L1-10。并对电机进行了过载能力和发热的校核，均满足要求。根据传动比为24.65，选取减速器为QJR-D800-25PW。塔式起重机宜采用块式制动器，块式制动器构造简单，工作可靠，两个对称的瓦块磨损均匀，制动力矩大小与旋转方向无关，制动轮轴不受弯曲作用。根据计算的力矩，选取制动器型号为YW400-1250。绝大多数起重机为了满足重物装卸工作位置的要求，充分利用其起吊能力（幅度减少能提高其起重量），需要经常改变幅度。变幅机构则是实现改变幅度的工作机构，用来扩大起重机的工作范围，提高起重机的生产率。动臂变幅具有较大的起升高度；在建筑群中施工不容易产生死角；拆装也比较方便。根据计算，变幅机构的选型的结果如表2-1所示。工程起重机能将起重物送到指定工作范围内的任意一空间位置，除了依靠起升机构实现重物的垂直位移外，回转机构是实现水平位移的方法之一，尽管此种运动形式的水平移动范围有限，但所需功率小，要求也比较简单，故在大多数工程起重机中被采用，而且一般还设计成全回转式的。本次设计的塔机就采用了上全回转的形式。回转机构的选型结果如表2-2所示。表2-1 变幅机构卷筒和滑轮相关尺寸参数钢丝绳直径d (mm)30卷筒壁厚 (mm)30卷筒直径D (mm)550绳槽节距t (mm)32卷筒长度l (mm)1400每层圈数Z (圈)42钢丝绳卷绕层数m (层)5滑轮组倍率a16滑轮直径D滑 (mm)630卷筒质量M (t)0.67钢丝绳重量M（kg/100m）335.9电动机型号YZR280M-6电机重量M(kg)840电机转速n（r/min）970减速器型号QJS500-50PW减速器重量M(kg)1350制动器型号YW400-800制动器重量M(kg)93减速器输入轴联轴器型号CL3减速器输出轴联轴器型号CL12减速器输入轴联轴器重量26.9kg减速器输出轴联轴器重量540kg表2-2 回转机构卷筒和滑轮相关尺寸参数回转支撑型号133.45.2 800回转支撑直径D（mm）3021回转支撑高度H（mm）231电动机型号YZR200L-6电机重量M(kg)390电机转速n（r/min）964制动器型号YW250-500制动器重量M（kg）542.3 结构的设计塔式起重机的吊臂较长，自重较大，因此吊臂设计是否合理，直接影响着起重机的承载能力、整机稳定性和整机自重。本次设计采用了桁架压杆式吊臂。首先对吊臂受力分析，吊臂的受力图如2-3所示， 图2-3 吊臂受力图 图2-4 吊臂截面示意图由稳定计算公式：，其中=0.840，由等效长度比查表所得。故可以求得吊臂腹杆截面的面积为。由型材手册，吊臂主弦杆选取管材结构用无缝钢管，外径mm，壁厚16mm，面积，材料16Mn；腹杆选用结构用无缝钢管，外径mm，壁厚6mm，面积。塔身设计时必须计算其强度、整体稳定性、单支稳定性并考虑振动问题。将塔身等效为一端固支、一端自由的杆件，按其强度条件进行计算。首先对塔身受力分析，将上部受力简化为下图2-5： 图2-5 塔身等效力学模型 图2-6 塔身截面示意图由上面的受力分析，B点为危险点，B点应力为，可以求得塔身的腹杆截面的最小面积为。由型材手册，塔身主弦杆选取管材结构用无缝钢管，外径mm，壁厚20mm，面积，粗腹杆选用结构用无缝钢管，外径mm，壁厚8mm，面积，细腹杆选用结构用无缝钢管，外径mm，壁厚6mm，面积，材料16Mn。当塔身截面正方形的对角线通过起升平面时，塔身的状态比起升平面与塔身的表面平行时的状态更危险，故只验算此工况即如图2-6所示。通过验算，满足稳定性的的要求。3 稳定性验算和有限元分析计算3.1 整机稳定性验算对塔式起重机进行验算，除了要保证塔机各部分的强度满足要求外，还要保证它的稳定，需进行整机稳定性验算。尤其是大型塔机，高度高，体积大，迎风面积大，风载的影响不容忽视，计算中还要注意惯性载荷等因素的影响，需对其进行有风和无风工作状态的稳定性验算、非工作状态的稳定性验算和安装、架设、拆卸时的稳定性验算。根据起重机设计规范GB3811-83规定，塔式起重机工作状态抗倾覆稳定性需验算以下两种工况：第一种工况是无风静载工况，起重机自重与起升载荷对倾覆边力矩之和大于或等于零，则认为起重机稳定。计算时规定起稳定作用的力矩符号为正，使起重机倾覆的力矩符号为负。考虑各种载荷对稳定性的实际影响程度，载荷力矩应分别乘以一个载荷系数。验算公式为式中 最大吊重时的幅度，；起重机自重，独立时；吊重；、距离，。第二种工况是有风动载工况，验算公式为式中 起重机重心高度，；轨道坡度，；作用在起重机上的风力，；作用在吊重上的风力，80t的重物的面积约为30，；吊重离心力，；、风力作用点，；对于非工作状态需要对三种工况进行稳定性验算：突然卸载或吊具脱落时的自身稳定性，突然卸载或吊具脱落时，之前吊重或吊具对吊臂的向下的作用力消失，而原来用于平衡这个作用力的力尚未消失，则吊臂产生一个后翻的加速度，即惯性力，再此力作用下吊臂可能会后翻，为保证安全工作，需验算此时的稳定性；验算公式为：式中 脱落的重物重量，；风力，；风力等效作用高度，；幅度，为最大吊重时的最大幅度，最危险状态。暴风侵袭下的起重机稳定性的验算公式为：式中 风力，分压取1500Pa，；风力等效作用高度，安装、架设、拆卸稳定性，动臂式塔机起重的安装是先安装基础节、顶升套架、平衡臂，后安装吊臂，在安装吊臂前，也要保持稳定。验算公式为：式中 风力，；风力等效作用高度，；除吊臂外上部结构的总重量，；此时总重心偏离回转中心的距离， 通过验算，各工况均处于稳定的状态。3.2 有限元分析计算为了数据的准确性和安全性以及提高材料的利用率，本次设计还用了SAP84对塔机进行了建模，对根据不同的工况对塔机进行了有限元的计算。利用有限元计算的结果对塔机的整体及单支进行稳定性的校核。此次设计过程中，对塔机的3种工况进行了建模，即最小幅度工况、最大幅度工况、最大吊重时的最大幅度工况。经过分析可以得出：塔身受力最严重处为塔身根部（图3-1C处），吊臂受力最严重处为吊臂根部（图3-1B处），变形量最大的地方为吊臂头部（图3-1A处）。如图3-1所示。图3-1 整体受力及变形分析图对塔身及其吊臂的最大受力处利用有限元计算所得的数据进行验算,危险处的受力放大图如图3-2和图3-3所示，各危险杆件的数据见表3-1和表3-1所示。表3-1 塔身根部各杆件受力数值表杆号轴力 (N)2轴剪力 (N)2轴弯矩(N.cm)3轴剪力 (N)3轴弯矩(N.cm)4380.5365E+050.7960E+030.3899E+06-0.6636E+050.1859E+075820.3542E+06-0.6119E+040.4591E+060.3088E+07-0.3408E+05931-0.2826E+07-0.1335E+06-0.1010E+070.6636E+05-0.2690E+061055-0.2826E+07 0.1335E+060.1010E+07.0.6636E+050.2479E+07表3-2 吊臂根部各杆件受力数值表杆号轴力 (N)2轴剪力 (N)2轴弯矩(N.cm)3轴剪力 (N)3轴弯矩(N.cm)364-0.8821E+06-0.1801E+050.8861E+060.1003E+05-0.1390E+07361-0.8804E+06-0.1808E+050.8801E+06-0.9993E+040.1379E+07422-0.6524E+060.1921E+050.1115E+07-0.6080E+04-0.1005E+07425-0.6512E+060.1900E+050.1088E+070.6007E+040.9935E+06 图3-2 塔身根部局部放大图 图3-3 吊臂根部局部放大图通过对各危险杆件进行验算，得出结果是各处均满足要求。结 论本设计按照毕业设计任务书的要求进行，历经几个月的时间，查阅了大量资料，设计完全遵循GB3811-83起重机设计规范和GB/T13752-92塔式起重机设计规范，充分运用大学所学知识，尤其是力学知识，完成了FZQ2000附着动臂塔式起重机的总体设计，进行了起升机构、变幅机构、回转机构的设计计算，以及起重臂、塔身、平衡臂等结构的设计计算，最终进行了整机的强度和稳定性的校核，校核通过。在设计过程中，注意了塔机的经济性、易维护性，并参考材料的易购买性进行选材。由于附着式塔机属超静定问题，故设计中采用了有限元手段，使用SAP84对塔机进行有限元分析。参考文献1 顾迪民. 工程起重机. 中国建筑工业出版社, 1988：1-3352 张质文. 起重机设计手册. 中国铁道出版社, 1998：1-8503 陈玮璋. 起重机械金属结构. 人民交通出版社, 1986：1-197118- -