QTZ1000塔式起重机吊臂、起升机构设计及动力特性分析毕业设计.doc

本科毕业设计说明书 题 目： QTZ80 塔式起重机吊臂、起升机构设计 及动力特性分析 院 （部）： 机电工程学院 专 业： 机械工程及自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 1 I 目 录 摘 要 .VIII ABSTRACT .IX 1 概述 .1 1.1 本文的课题意义 .1 1.2 工程起重机的发展历史与现状 .2 1.3 课题关键问题及难点 .2 1.4 本文的研究内容 .3 2 起重臂方案设计 .5 2.1 结构形式设计 .5 2.2 截面形式 .5 2.3 臂架拉杆的构造 .8 3 起重臂三维建模 .9 3.1 起重臂标准节建模 .9 4 起重臂有限元（ANSYS）分析 .13 4.1 ANSYS 的基本使用方法 .13 4.2 QTZ80 点塔式起重机吊臂建模 .13 4.3 吊臂各部分强度刚度验算 .18 4.4 计算结果讨论 .25 4.5 塔机模态分析 .25 5 起升机构设计 .29 5.1 起升机构的组成布置方式 .29 5.2 起升机构的计算 .30 总 结 .36 谢 辞 .37 参考文献 .38 1 II 摘 要 塔机在我国的基础设施建设和国民经济发展中，发挥着越来越重要的作用。设计的 合理与否直接关系到塔机的性能和成本，关系一个企业的生存与发展。本文将对 QTZ80 塔式起重机的起重臂、起升机构的设计做一下详细说明。 本文对 QTZ80 塔式起重机起重臂的截面形式，起升机构的电机以及起升机构的各 种性能和参数做出了详细说明。以三维造型软件 Solid Works 为基础完成 QTZ80 型塔 式起重机起重臂的三维零件图的绘制并完成起重臂的装配，运用 ANSYS 软件对 QTZ80 型 塔式起重机起重臂进行了有限元分析,获得起重臂结构的应力分布，确定起重臂作业时 的危险点，对塔身的刚度和强度进行了验算，从而判断该设计的性能是否满足设计要求， 最后又用 ANSYS 软件对 QTZ80 塔机整体进行了模态分析，得到整个塔机的动力特性。 关键词：三维造型；起重臂；起升机构；有限元；动力特性 1 III Abstract Tower crane in Chinas infrastructure construction and development of the national economy, playing an increasingly important role. Design of reasonable or not directly related to the performance and tower crane costs, a business relationship between the survival and development. This paper will have a detailed description about QTZ80 tower crane boom and the rising organizations design. In this paper, a detailed explanation will be made about QTZ80 tower crane arms cross- section form,the motor of the rising organization and the rising organizations various parameters.QTZ80 tower crane arm of the three-dimensional map of parts and completing mapping of the boom assembly is based on Three-dimensional modeling software SolidWorks,gain QTZ80 tower crane arms finite element analysis with ANSYS, gain the booms stress distribution to determine the boom operating dangerous point, the tower of strength and stiffness were checking to determine whether the performance of the design can meet design requirements, make a modal analysis of overall of QTZ80 tower crane with ANSYS, gain the entire dynamic of the tower crane. Keywords: three-dimensional modeling; boom; the rising organization;finite element;dynamic characteristics 1 概述 1.1 本文的课题意义 根据塔式起重机设计规范( GB/ T13752- 92),塔机的设计寿命应在 15- 30 年间，塔式起重机的破坏主要发生在塔身、起重臂、平衡壁三大金属结 构上。塔机安装、使用、拆除的任何一个环节上有问题都可能造成事故。影响 工期的完成，严重的造成人身安全。截至 06 年上半年三峡工程就有 100 多建设 者献出了宝贵的生命， 2北京建筑土程学院的王凯辉等几名老师对北京地区的 塔式起重机安全事故进行了调查 3，得出安全事故比例构成为:塔身折断或受伤 占 35.7%起重臂折断或受伤占 28.6%平衡臂折断或受伤占 14.3%，其他占 21.4% 。破坏的主要原因有结构设计不合理、制造质量不过关、施工人员操作不规范、 过载、低温脆性，应力腐蚀和疲劳等。在几起该类事故中， 4均看到了臂架腹 杆断面有锈蚀的旧痕，表明原内部存在有裂缝，从折断腹杆取样发现，焊缝脱 开的腹杆失去承载能力之后，在起吊载荷作用下，引起吊臂各杆件内力重新分 布致使受压的腹杆因超载而失稳，这些腹杆失稳弯折后，起重臂截面高度减小， 使该段吊臂失去承载能力而折曲。所发生的事故多是在焊接过程中的咬边、焊 瘤、夹渣、气孔、未焊透和裂纹等缺陷造成的。而起重臂设计不合理这项原因 所占比例最大。 塔式起重机主要是在循环变化的载荷或随机载荷作用下工作，塔臂连接销 钉之间磨损严重且没有得到及时的修整，起重臂臂尖在起吊时重物时挠度过大 严重影响牵引小车工作性能。据调查了解.塔机臂架下弦杆连接销掉出或造成折 臂事故 8的现象比较普遍并且事故部位多在起重臂两拉杆之间。 安装拆卸人员无塔机安装拆卸资质，操作人员无起重机操作资格 9。也是 造成塔式起重机事故的主要原因。 在科学研究方面，新的理论、新的计算方法的建立以及新产品的研制，都 必须经过理论性的计算和实验来证实其可行性和可靠性。钢结构在设计合理的 条件下，突发的恶劣天气也会对钢结构造成比较严重的影响。由于塔机在启动、 制动和进行耦合运动时，机构和结构将承受强烈的冲击振动，所以就需要准确 描述和精确计算塔机结构体系在外激励下的动态过程，从而为塔机的设计、生 产提供理论上的和实践上的指导，这对于塔 机的经济性和安全性都具有非常重要的意义。 1.2 工程起重机的发展历史与现状 塔式起重机简称塔机，发明于 20 世纪之初的欧洲。1900 年有了第一个塔 机专利，1905 年出现了塔身固定的臂架式起重机，第一次、二次世界大战后塔 机得到快速发展，近年更是呈现型式多样、需求旺盛的局面。我国于 20 世纪 50 年代从苏联和及欧一些国家引进了塔式起重机，它具有工作效率高、使用范 围广、回转半径大、起升高度高、操作方便以及安装与拆卸比较简便等特点， 塔机作为建筑工地上的主要机械，在施工中起着关键作用，特别是改革开放以 来，塔式起重机在建筑场合的应用更加广泛。从塔式起重机的结构形式和性能 看，总的趋势是向大吨位产品方向发展，这是因为大吨位塔式起重机在起重大 型货物时有它自己的优势，特别是在现代城市建设和桥梁建设中大吨位起重机 起着不可替代的作用；塔式起重机今后的发展的另一趋势是设计计算原理的研 究和改革。在塔式起重机的结构计算中，仍采用传统的许用应力计算法。这种 方法使用起来比较简便，但其缺点是对于不同用途、不同工作性质的结构采用 同一的安全系数，而且安全系数往往偏大或过低 。因此按许用应力法设计的起 重机结构，或多消耗金属材料，或安全程度较低。随着生产和计算机技术的发 展，试验研究工作的开展，人们利用计算机来计算塔式起重机的结构和进行动 力特性分析得到了越来越广泛的应用。 随着科学技术的飞速发展，人们对于塔式起重机性能要求越来越高，不仅 要求起重机重量轻、刚性好、作业空间大，而且要求起重机小车和大车的运行 速度高，作业效率高等要求，更重要的是要求塔机的人性化和智能化。这样就 对起重机的动力学特性提出了更高的要求。随着起重机大型化，小车和大车等 机构的运行速度加快，塔式起重机的安全问题变得越来越明显，起重机的安全 问题现已成为企业和高校关心的热点问题。 1.3 课题关键问题及难点 塔机作为建筑工地上的主要机械，在施工中起着关键作用。塔机的三大传 动机构，特别是起升机构工作性能的优劣，是衡量塔机技术先进程度的重要标 志。起升机构的主要功能是起吊重物，在频繁的起吊、卸载和变速过程中，起 升机构传动系统的各个环节的零部件都处在一个较大的交变应力状态中，会因 疲劳等原因造成其损坏，一旦零件损坏，就会使整个传动系统失效，其后果就 会使吊运在空中的重物突然失控下坠，造成突发性事故，这种情况在工地上时 有发生。它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。对起升机构的改 进难点在于如何保证整个起升机构的零部件能够保持在均等的使用寿命，从而 保证塔机的整体的使用寿命得到保证，减少事故的发生。这就需要在正确的确 定塔机起重臂的截面和评估起升机构的零部件的疲劳寿命的前提下，进行正确 的有限元建模进而得到较为精确的塔机的动力特性，从而为施工现场的操作制 定一个正确的有科学依据的操作规程，进而在提高塔机的使用寿命的同时减少 以至避免事故的发生。 金属结构是塔机的骨架，起结构强度和刚性决定着塔机的工作可靠性和安 全性。因此，结构静态和动态分析是塔机设计开发中一项极为重要的工作。随 着有限元法理论的日益完善和计算机技术的迅速发展，越来越多的工程技术人 员开始采用有限元法对塔机进行结构分析，有限元法成为目前塔机结构分析中 最有效的数值方法。当前国内外涌现出了诸如 SAP84，ADLNA,ANSYS,NASTRON 等 著名的有限元分析软件，它们各具特点。随着其它有限元分析软件逐步在我国 推广使用，人们开始尝试将其它软件应用于塔机的静动力分析，其中 ANSYS 软 件就是一种较好的选择。 在使用 ANSYS 时能否正确建模对得到最后的正确结果起着至关重要的作用， 因为这不仅仅意味着建模的成功与否，还将作为指导最后的现场施工的依据， 故而这就成为了难点。 1.4 本文的研究内容 塔式起重机技术的进步，对试验技术不断提出新的要求从而推动了试验技 术的发展，而试验技术的发展又反过来推动着起重运输机械的技术进步。近年 来，在材料学、电子学、化学和计算机技术等方面的研究成果，不断应用于塔 式起重机的设计制造中，使试验技术达到相当高的水平。新技术的应用不断解 决科学研究和生产实际中出现的新问题，提高产品设计、制造水平，减少事故 的发生将是今后一个时期专业技术人员所面临的重要课题。塔式起重机在使用 过程中由于磨损等原因会使起重臂臂尖挠度过大进而影响牵引小车工作性能， 因此在塔机设计中必须合理控制塔机各部分的刚度使起重臂臂尖挠度在一定的 范围内。由于起重臂臂尖挠度是塔机整机变形的综合结果而塔机各部分结构形 状和连接形式很复杂所受载荷也很复杂不可能进行手工分析和计算。起重臂设 计所使用的计算理论和方法对起重臂设计的影响非常大。知名企业都有自己的 科研机构，对起重臂的计算理论、制造工艺等都有深人的研究，有限元等方法 的应用，大大减轻了整机的重量。我国许多企业也使用有限元法对塔机结构进 行理论上的分析和塔臂变形的验算。因而本文主要针对以下几个方面进行分析。 （1）塔式起重机起重臂在动态有风情况下的应力与变形 由于塔式起重机工作过程中的幅度、吊重和风向等条件是不断变化的，本 文将对塔机在最大起重量（满载） 、最大幅度、适度超载极限状态下的塔臂的应 力与变形。工作状态风载荷 是起重机在正常工作情况下所能承受的最大计算wF 风力。 （2） 塔式起重机起重臂在静态无风情况下的应力与变形 在有限元求解设置中，实际上可以通过设置一系列载荷，对起重臂不同吊 重、不同位置进行加载分析，将起升载荷沿起重臂移动求解，得到单一起升载 荷在不同位置时起重臂的应力分布在移动求解中，按塔机设计要求顺序加载， 在不同工况下对塔臂不同位置进行分析四种对应位置如图 1-1。位 置 1位 置 3位 置 4位 置 5位 置 6位 置 图 1-1 平衡臂各个危险截面示意 本次利用 ANSYS 软件为基础建立了塔机整机有限元模型对该塔式起重机起 重臂臂强度刚度进行有限元分析，获得起重臂结构的应力分布，确定起重臂作 业时的危险点。相比国外塔式起重机都具有质量轻、起重量大、使用寿命精确、 零部件更换周期明确等优点，随着中国经济的发展塔机的大规模应用，国外塔 机厂商的进入肯定会对国内塔式起重机厂家产生冲击。提高塔式起重机设计水 平已迫在眉睫。因此，希望我本人的研究能够为塔式起重机的发展进上微薄的 力量。 2 起重臂方案设计 2.1 结构形式设计 （1）小车变幅水平臂架 特点： 1 应用广泛，吊载可借助变幅小车沿臂架全长进行水平位移，并能平移准确的进 行安装就位。 分类及特点： 2 单吊点小车变幅臂架，静定结构，幅度在 40 米以下多采用。 双吊点小车变幅臂架，超静定结构，结构更加稳定幅度在 50 米以上采用。 （2）俯仰变幅臂架 通过变幅机构绳轮系统进行俯仰变化，从而能避开回转中遇到的障碍物。 （3）伸缩式小车变幅臂架 能够避开运行中的障碍物。 （4）折曲臂架 适用冷却塔、电视塔以及一些超高层建筑施工需要。 综上所述，起重臂采用小车变幅臂架，双吊点。 2.2 截面形式 截 面图 2.图 3图 1 图 2-1 平衡臂及其截面形式 （1）分类与特点 为了使起重臂重量更轻，性能更强，在起重臂的设计中广泛使用了超高强 度钢材诸于 WELDOX960,WELDOX1100 等新材料，起重臂截面的设计需要解 决板材屈曲的问题，各厂家都研究出了各自的解决办法，国外知名厂家采用了 优化的截面形状，许多公司采用椭圆形吊臂截面的概念，采用椭圆形截面抗扭 性能显著，具有固有的独特稳定性和抗屈曲能力，部分企业采用大圆弧六边形 截面。目前，椭圆形起重臂的技术其优势很明显，由于不需采用加劲筋，因而 每节臂截面的变化很小，有利于减轻起重臂的重量，提高起重机的起重能力。 但是截面的成型难度大，生产周期长. 我国几乎所有双吊点塔式起重机起重臂截面可以设计成三角形或者矩形如 下图 图 2-2 常用平衡臂形式 （2） 采用矩形截面结构设计 对于矩形结构（如图 2-2）当塔机提升重物回转时塔臂受到斜向下的合力 的作用，塔臂矩形截面容易变形且矩形结构浪费材料。所以宜采用三角形结构。 （3）采用三角形截面结构设计 对于正三角形结构， （图 2-2）上弦杆通常采用圆钢杆，下弦杆由角钢拼焊 成矩形，兼做起重小车的运行轨道。在回转平面内的桁架可看作悬臂梁，承受 横向载荷。 对于倒三角形结构（图 2-2）上弦杆通常是圆钢管，下弦杆为工字钢兼作 起重小车的运行轨道。臂架根部通过销轴与塔身连接，臂架上设有吊点通过钢 丝绳或刚拉杆与他冒顶部连接。 （4）截面采用三角形结构的优越性 采用倒三角形（图 2-2）提升小车需要卡在工字钢上，对工字钢的材料要 求和焊接要求比较高且成本较高。采用正三角形 （图 2-2）小车可以卡在 A B 边上设计结构比较简单且安全可靠。 采用正三角形 C 处吊点的设计比较容易，当采用倒三角形时 D E 杆件还 需要另外的附加结构。 （5）腹杆布置 表 2-1 腹杆布置比较 侧腹杆 人字式（a）(小塔用) 一顺斜置式（b） （大塔用） 应用区段 不受限制 斜杆受拉，最宜用于吊点以外悬 臂部分 腹杆与弦杆相交的焊缝 长度较长，强度易保 证 长度较短，质量不易保证 焊接变形 较均匀 不均匀 节点焊缝 较好 较差 布置制约的影响 便于布置小车变幅机 构 不便于布置小车变幅机构 选 b 主要从受力来考虑，b 受力好 腹杆展开图 a b c 图 2-3 腹杆展开图 分类： a 一顺式 腹杆布置均匀，焊缝不过于集中 b 交错对称式焊缝过于集中 c 密集布置式 当臂架幅度大，下弦采用槽钢时用 正三角截面起重臂的腹杆体系采用人字式布置方式，加工方便，便于布置 小车变幅机构，腹杆体系为三角形，对于三角形结构，上弦杆使用圆钢管，下 弦杆由角钢拼焊成，兼作起重小车的运行轨道。在回转平面内的桁架可看作是 悬臂梁，承受横向载荷。倒三角结构上弦杆通常是圆钢管，下弦杆位工字钢兼 作起重小车的运行轨道。臂架根部通过销轴与塔身联接，臂架上设有吊点通过 钢丝绳或钢拉杆与塔帽顶部连接。为便于安装运输和组成不同长度臂架，吊臂 一般分成若干段，由根部节、端部节、和若干标准节组成，各节间通过螺栓和 销轴联接。 桁架式水平臂架大都采用正三角截面，故此处选用如图 a 所示的正三角截 面。 2.3 臂架拉杆的构造 俯仰变幅臂架一般使用钢丝绳拉索，而小车变幅臂架既可以使用钢丝绳拉 索，也可以使用钢拉杆。钢拉杆一般采用扁钢板、实心圆钢或者厚壁无缝钢管 制成。拉杆也可以分成若干段，各段通过连接板及销轴链接而成。 吊点选择与构造 臂架总长在 50 m 以上应采用双吊点。 （1）柔性拉杆（或称钢丝绳拉杆） 使用时间较长后，钢丝绳会产生自身变形，导致起重臂向下倾斜，所以需 经常检验、更换，提高了生产成本。 （2）刚性组合拉杆 一次性投入，降低了生产成本；另外，能够克服柔性拉杆带来的负面影响。刚 性组合拉杆可分为：扁钢拉板、实心圆钢拉杆、厚壁无缝钢管拉杆、角钢对焊 方形断面空腹拉杆。 暂定为实心圆钢拉杆，双吊点。 3 起重臂三维建模 3.1 起重臂标准节建模 进入如图 3-1 所示的 SolidWorks 建模页面,选择一个绘图平面进行臂节建模 图 3-1 SolidWorks 绘图界面 如下图所示分别绘出第一节到第四节起重臂进而绘出剩余的几节并装配成起重 臂装配图 图 3-2 第一节起重臂 图 3-3 第二节起重臂 图 3-4 第三节起重臂 图 3-5 第四节起重臂 图 3-6 起重臂装配图 4 起重臂有限元（ANSYS）分析 4.1 ANSYS 的基本使用方法 有限元分析是对物理现象（几何及载荷工况）的模拟，是真实情况的数值 近似。通过对分析对象划分网格，求解有限个数值来逼近和模拟真实环境的无 限个未知量。 ANSYS 分析过程包含以下三个主要步骤 创建有限元模型：1.施加载荷及载荷选项、设定约束条件。2.求解。查看 结果：（1）查看分析结果。 （2）检验结果（分析是否正确）具体如图 4-1 图 4-1 ANSYS 分析流程图 4.2 QTZ80 点塔式起重机吊臂建模 由于回转支承等实体部件相对塔机整体结构而言几何尺寸较小，而刚度较 大、质量较为集中，当对塔机结构进行整体分析时，可以将回转支承结构等实 体部件采用来梁单元进行等效，使塔机的整体整体分析中只包含梁单元，避免 了具有不同节点自由度的梁单元和板壳单元的联接问题。另外，一般塔机都具 有几百甚至几千根杆件，只输入数据文件已经很大，如果在同时分析回转机构 的板壳结构，更将大大增大数据文件，甚至超出了计算机的工作能力。在作完 整体分析之后，再将整体分析中得到的等效单元的节点力作为外载荷，采用板 壳单元单独分析回转机构。 根据设计规范的规定，塔机必须工作在材料弹性范围内，且对一般的中小 型塔机的分析不必考虑非线性因素，只考虑线性分析。 ANSYS 提供了多种梁杆单元，在塔机分析中以梁单元为主，杆单元用的很 少，而且可用梁单元代替。塔机是一种空间结构，ANSYS 软件提供的常用弹性 三维梁单元有 BEAM4、BEAM44、BEAM188 和 BEAM189，它们都有各自的 特点，能满足不同的分析要求，常用梁单元主要性质见下表 表 4-1 梁单元特性 单元名称 节点自由度 数 阶次 是否考虑 剪切变形 是否支持截面 定义 是否支持变 截面 BEAM4 6 线性 否 是 否 BEAM24 6 线性 否 是 否 BEAM44 6 线性 否 是 是 BEAM188 6 或 7 线性 是 是 否 BEAM189 6 或 7 二次 是 是 否 塔机结构中有许多较短的杆件，如塔身接头、吊臂接头等都属于深梁，用 普通梁单元建模会带来较大的误差，所以塔机分析软件应使用 BEAM188 单元 （线性梁单元）或 BEAM189 单元（二次梁单元） ，通常采用 BEAM188 单元即可。 BEAM188 和 BEAM189 单元均以 Timoshenko 梁理论为基础，其形函数中挠度 和截面转动各自独立插值，并考虑了剪切变形的影响。 BEAM188 单元支持截面定义功能，使用者可使用截面定义命令 （SECTYPE 、SECDATA ）方便的定义截面形状，并可在图形用户界面下绘制 已定义的假面图形(SECPLOT)，以检查截面定义的正确性。因为 BEAM188 单元 具有塔机分析所要求的功能，因此，在塔机分析中使用 BEAM188 单元即可得到 满意的结果。 4.2.1 主梁的有限元建模 1、定义单元类型 GUI:Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 单元类型选择 Beam 2node 188。 2、定义材料属性 GUI:Main MenuPreprocessorMaterial props Material models StructurallinearElasticIsotropic 弹性模量 EX： 2.06e11Pa; 泊松比 PRXY： 0. 3； 密度 DENS： ；7.856/ekgm 3、创建模型 第一步，确定主梁各个节点的空间位置，然后在有限元中创立关键点，具 体做法如下 GUI:Main MenuPreprocessormodelingCreateKeypoints 创建完后的起重臂的关键点,创建完点后，主梁由几种不同的材料焊接而 成，连接关键点前先设置材料的截面形式，步骤如下： GUI:Main MenuPreprocessorSectionsBeamCommon Sections 定义材料的截面，钢型号分别为： 10910910、97978、87878 钢型号分别为： 604、504、454、363 钢型号为： 50505 钢型号为： 60 然后用线将各点按照主梁各杆件的连接方法依次按照其截面形式连接（图 4-5） GUI:Main MenuPreprocessormodelinglines 然后要对模型进行网格的划分。 GUI:Main MenuPreprocessorMeshingMeshtool 1 XY Z JUN 19 200822:31:37ELEMENTS 图 4-2 划分网格完成图 4.2.2 施加约束 1 1 11 2 12 3 4 5 6 7 8 9 10 21 20 23 22 15 16 17 18 19 28 2913 14 132 XY Z JUN 19 200822:37:16LINESTYPE NUM UROT 图 4-3 施加约束 4.2.3 施加载荷 1施加风载荷 计算风载荷公式 (N) (4-1)wFCpA: 式中: -作用在塔式起重机上和物品时上wF 的风载荷（ , ） ，N； ；1wF212W -风力系数；wC -计算风压， =250pa;pwp A-提示起重机或物品垂直于风向的迎峰 面积， ；2m (4-2)12A: -前片结构的迎风面积（ ）,2m ;11A: -后片结构的迎风面积（ ）,2A2 ；212 -两片相邻桁架的前片对后片的 挡风折减系数。 20.456831.049.56831.758A m 作用在塔机上的风载荷为： 12069.wFN 起吊物品的风载荷为： 2%024Q 作用在塔机上的风载荷为： 127.57.5wWw 2施加额定起重重量 分别施加各个截面处的额定起重重量 4.3 吊臂各部分强度刚度验算 4.3.1 吊臂根部截面变形、应力 1 XY Z JUN 16 200821:59:43DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1TIME=1 DMX =.0087 图 4-4 吊臂根部截面变形 1 MNMXXY Z -.632E+08-.537E+08-.441E+08-.345E+08-.249E+08-.153E+08-.577E+07.381E+07 .134E+08 .230E+08 JUN 16 200822:00:38ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =1TIME=1 SMIS31 (NOAVG)DMX=.0087 SMN =-.632E+08SMX =.230E+08 图 4-5 吊臂根部截面应力 风载荷作用下的变形、应力 1 X YZ JUN 22 200815:32:47DISPLACEMENTSUB =1 TIME=1DMX =.604135 图 4-6 风载荷作用下的变形 1 MNMXXYZ -.932E+08-.725E+08-.517E+08-.310E+08-.103E+08.104E+08 .311E+08 .518E+08 .725E+08 .933E+08 JUN 22 200815:33:09ELEMENT SOLUTIONSUB =1 TIME=1SMIS31 (NOAVG) DMX =.604135SMN =-.932E+08 SMX =.933E+08 图 4-7 风载荷作用下的应力 4.3.2 吊臂根部到第一个吊点之间的跨中截面 1 XY Z JUN 22 200815:42:38DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1TIME=1 DMX =.018671 图 4-8 吊臂根部到第一个吊点之间的跨中截面变形 1 MN MXXYZ -.104E+09-.874E+08-.707E+08-.539E+08-.372E+08-.205E+08-.375E+07.130E+08 .297E+08 .465E+08 JUN 22 200815:43:21ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =1TIME=1 SMIS31 (NOAVG)DMX=.018671 SMN =-.104E+09SMX =.465E+08 图 4-9 吊臂根部到第一个吊点之间的跨中截面应力 4.3.3 第一个吊点截面 1 XY Z JUN 16 200822:02:32DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1TIME=1 DMX =.020196 图 4-10 第一个吊点截面变形 1 MNMXXYZ -.632E+08-.537E+08-.441E+08-.345E+08-.249E+08-.153E+08-.577E+07.381E+07 .134E+08 .230E+08 JUN 16 200822:03:01ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =1TIME=1 SMIS31 (NOAVG)DMX =.020196 SMN =-.632E+08SMX =.230E+08 图 4-11 第一个吊点截面应力 4.3.4 第一个吊点到第二个吊点之间的跨中截面 1 XY Z JUN 22 200815:46:15DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1TIME=1 DMX =.084764 图 4-12 第一个吊点到第二个吊点之间的跨中截面变形 1 MN MX XY Z -.104E+09-.874E+08-.707E+08-.539E+08-.372E+08-.205E+08-.375E+07.130E+08 .297E+08 .465E+08 JUN 22 200815:46:36ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =1TIME=1 SMIS31 (NOAVG)DMX=.084764 SMN =-.104E+09SMX =.465E+08 图 4-13 第一个吊点到第二个吊点之间的跨中截面应力 4.3.5 第二个吊点截面 1 XY Z JUN 10 200813:30:06DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1TIME=1 DMX =.128711 图 4-14 第二个吊点截面变形 1 MN MXXYZ -.376E+08-.284E+08-.193E+08-.102E+08-.109E+07.804E+07 .172E+08 .263E+08 .354E+08 .445E+08 JUN 10 200813:29:53ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =1TIME=1 LS1 (NOAVG)DMX =.128711 SMN =-.376E+08SMX =.445E+08 图 4-15 第二个吊点截面应力 4.3.6 最大幅度截面 1 XY Z JUN 10 200813:32:20DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1TIME=1 DMX =.170471 图 4-16 最大幅度截面变形 1 MN MXXYZ -.376E+08-.284E+08-.193E+08-.102E+08-.109E+07.804E+07 .172E+08 .263E+08 .354E+08 .445E+08 JUN 10 200813:32:45ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =1TIME=1 LS1 (NOAVG)DMX =.170471 SMN =-.376E+08SMX =.445E+08 图 4-17 最大幅度截面应力 4.4 计算结果讨论 将上述结果总结列表如下： 表 4-2 各截面工况应力位移 工 况 应力 位移 吊臂根部截面 63.2MPa 8.7mm工况一 风载荷作用下 93.2 MPa 604mm 工况二 吊臂根部到第一个吊点之间的跨中截面 104MPa 18.67mm 工况三 第一个吊点截面 63.2MPa 20.196mm 工况四 第一个吊点到第二个吊点之间的跨中截面 104MPa 83.427mm 工况五 第二个吊点截面 44.5MPa 128.711mm 工况六 最大幅度截面 44.5MPa 170.471mm 最大应力 两个跨中截面 104MPa 最大静刚 度 最大幅度截面 170.471mm 4.4.1 强度计算讨论 讨论金属结构材料采用 Q235 钢，其屈服极限为 载荷组合结构强235sMPa 度许用应力为： 235176.91041.s 根据起重机设计规范 GB3811-83 ，桁架结构强度满足要求。 4.4.2 静刚度计算讨论 按照起重机设计规范 GB3811-83 ，起重机主梁跨中垂直静挠度许用值满足要 求。 根据文献起重机机械设计制造新工艺与质量验收标准 ，起重机的水平刚度规 定，起重机跨中在水平方向引起的变形应力不大于 s/2000，这里均符合要求。 4.5 塔机模态分析 模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，这些振动包括：固有频 率、振型、振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动） 等。模态分析是所有动态分析类型的最基础的内容。 ANSYS 模态分析的过程由 4 个主要步骤组成： （1）.建模。 （2）.选择分析类型和分析选项。 （3）.施加边界条件并求解。 （4）.评价结果。 4.5.1 建模 建模过程主要在预处理器中进行，包括定义单元类型，单元实常数，材料 参数及几何模型。建模过程需要注意以下两点： 必须定义密度（DENS）. 只能使用线性单元和线性材料，非线性性质将被忽略。 其操作为： GUI:Main MenuPreprocessorMaterial props Material models StructurallinearElasticIsotropic 弹性模量 EX： 2.06e11MPa； 泊松比 PRXY： 0.3； 密度 DENS： 37.85/ekgm 定义单元类型： GUI:Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 单元类型选择 Beam 2node 188。 在 ANSYS 环境下确定塔机个节点坐标，之后连线，建立塔机模型。 4.5.2 选择分析类型和分析选项 这一步要选择模态分析类型、模态提取选项和模态扩展选项等。选择模态 分析类型，可选择 Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis 命令，在 弹出【New Analysis 】对话框中选择 【Model】单选按钮即可。 选择模态提取选项的步骤如下： .选择 Main MenuSolutionAnalysis Type Analysis Option 命令。 .在【Mode extraction method】单选列表框中选择【Block Lanczos】模型 提取方法；在【No.of modes to extract】文本中输入模态提取数目 10。单击 OK 按钮即可。 选中【Expand mode shapes】后面的 Yes 复选框。 4.5.3 网格划分、施加边界条件并求解 网格划分如图 4-18，施加边界条件的基本操作和静力分析相同，因为振动 被假定为自由振动，所以外部载荷将被忽略。 1 XY Z tatijianmo JUN 23 200820:25:27ELEMENTSU ROT 图 4-18 塔机整体划分网格 选择 Main MenuSolutionCurrent LS 即可进行求解。 4.5.4 评价结果 这一步的操作主要在通用后处理中进行。显示固有频率可选择 Main MenuGeneral Postoroc Results Summary 命令，列表显示各个模态。 在【No. of modes to extract】文本中输入模态提取数目为 6 时： * INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE * SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1 0.97383E-01 1 1 1 2 0.14724 1 2 2 3 0.15252 1 3 3 4 0.16418 1 4 4 5 0.29529 1 5 5 6 0.41795 1 6 6 随着模态提取数目的增加，可以得到结构的不同频率，可以为下面机构的 设计作为参考，并使机构设计中固有频率尽量远离塔机结构的固有频率，以避 免塔机结构和机构固有频率接近而发生共振。 由振动理论可知,对于塔机这样一个多自由度系统而言,低阶固有频率对系 统的动力响应贡献较大,而高阶固有频率影响较小,所以对塔机系统而言只要提 取其低阶固有频率就能很好反映系统动力特性。 起升机构对应2种转速的频率为0.95Hz 或1.78Hz，起升机构的频率较第二 阶相差较远，故满足设计要求，由于风载的频率在0. 25 Hz 左右变化与第一阶 振型的频率相差很远, 可不考虑其对塔机的影响。 5 起升机构设计 5.1 起升机构的组成布置方式 塔式起重机的起升机构通常由电动机、制动器、减速器、卷筒、钢丝绳、 滑轮组及吊钩等零部件组成。如下图所示 图 5-1 起升机构布置示意图 电动机采用交流异步电动机；制动器应是常闭式，并采用块式制动器其上 装有电磁铁作为自动松闸装置，并与电动机相连锁，即电动机通电时松闸，电 动机断电时上闸，以保证起升机构的正常工作和安全可靠；减速器采用圆柱齿 轮减速器，效率高，功率范围大，已经标准化，但体积重量较大，可选用带减 速器的电动机以解决这一问题；卷筒、钢丝绳、滑轮组及吊钩等在下面的具体 计算中根据需要具体选用。 5.2 起升机构的计算 5.2.1 起升机构工作级别 1、载荷状态 2Q 2、利用等级 4U 3、工作级别 A 4、起升等级 2HC 5.2.2 主要性能参数： 起升速度： 高速： 56min 低速： 20 5.2.3 钢丝绳的选择： 按正常工作状态选择钢丝绳： 钢丝绳的最大静拉力： = (N) （5-1）maxSQF 式中： -最大起升载荷。809.+0.835%=14NQqFP -滑轮组及导向滑轮总效率 =0.975 0.95=0.923 -最大起重量P -钓钩组重（由表 5-2）Fq -滑轮组倍率 则 = = =21978.33 NmaxSQF8140.923 计算钢丝绳直径： ； （5-2）scd 式中： -钢丝绳最小直径，mm； -选择系数（ ） 、见表 2-2；Nm -钢丝绳最大静拉力,N。maxS 得出： =14.08 mm。取 d=14.5 mmind 故选用钢丝绳不得小于上述计算值，所以选择钢丝绳规格为 6X19-14.5- 1770-甲镀右交。 5.2.4 卷筒设计 1主要参数确定 （1）卷筒直径的计算 卷筒最小直径： = （5-3） minD184.5hd =261 mm （ 见表 2-7）h 式中： -与机构工作级别和钢丝绳机构相关的参数； -钢丝绳直径。d （2）卷筒长度及卷绕层数的确定 设定钢丝绳全部卷入时需绕 3 层，最大起升高度时绕入卷筒的绳长； （5-4）/015043.1275.LHZD =202595.21mm 式中：H-起重机最大起升高度，mm； -滑轮组倍率； -附加安全系数，取 ；0Z03Z H-其升级最大起升高度，mm； -卷筒计算直径（钢丝绳截面中心距） 。1D 在卷筒上绕 4 层时能绕入的绳长： =1d =2Dd3 = 5 =47 (21)nDd 式中： -实际选取卷筒直径；d -实际选取钢丝绳直径； n-钢丝绳的卷绕层数，通常取 n=3 6 层，: （5-5）1234()()nLZDDZnd 式中：L-卷筒绕绳量； Z-每层圈数； 取 Z=71 / 059.2170.63()3.14(634.)nd 则卷筒绕绳部分的长度为： (mm) （5-6） 010 .().HZDLZnd1.(5043.1275.).69(6m 5.2.5 电动机功率的确定 1电动机功率的确定 （1）计算电动机静功率 （5-7）8142.660160.5QjFvPkW 式中： -起升载荷； v-额定起升速度； -机构总传动效率。 初选电动机： 根据塔机类型、用途、机构工作级别、作业特点以及电动机的工作特性，同 时为了满足电动机启动和不过热要求，所选电动机应满足下式； （5-8）jjcjPK 式中： -电动机额定功率；jcP j-起升静功率； -稳定负载平均系数，与接电持续 JC 有jcK 关，见表 4-5 初步设计时，JC 值及 Z 值按表 4-6 选取，取 JC= %,Z=15060 高速起吊最大重量时： jcP0.8435.7kW 初选电动机：选用 YTS 型自制动笼型塔机起升三相异步变极电动机，型号 为： ， 额定功率 。25YZPM37k 2电动机过载校验 （5-9） ()601QjcmFvHZ 式中： -基准接电持续率时的电动机额定功率；jcP m-电动机台数； -电动机转矩的允许过载倍数， （ =2） ； -考虑电压降及转矩允差以及静载荷实验H 超载的系数， （绕线异步电动机取 =2.2） ；QF -起升载荷； -额定起升速度；v -机构总传动效率。 高速起吊： 2.1842.560.jcPkW 低速起吊： . 30.7.jc 故过载校验合格。 3电动机发热校核： (kW) （5-10）z mrejcKnTP950 式中： -基准接电持续率时的电动机额定功率,jc kW； -机构总传动效率； -电动机额定转速 r/min；mn -系数。 ；zK 85.01zz -起升机构最不利工作循环的等效平均阻力reT 矩 。Nm 按下式近似计算： 294.7rejGK 其中： -系数,取 0.68； -起升机构的静阻力矩， 。jTNm8143.54043043229mQjFDTi 其中： -起升载荷；QF -机构总传动效率； -滑轮组倍率； -卷筒计算直径，mD ；d)12( -减速器传动比。i 高速起吊： 94.784.750.5jcPkW 低速起吊： 2.6.29.198jc 故发热校核合格。 5