1、 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 .II ABSTRACT .III 1 概述 .4 1.1 本文的课题意义 . 4 1.2 工程起重机 的发展历史与现状 . 5 1.3 课题关键问题及难点 . 5 1.4 本文的研究内容 . 6 2 起重臂方案设计 .8 2.1 结构形式设计 . 8 2.2 截面形式 . 8 2.3 臂架拉杆的构造 . 11 3 起重臂三维建模 .12 3.1 起重臂标准节建模 . 1
2、2 4 起重臂有限元（ ANSYS）分析 .16 4.1 ANSYS 的基本使用方法 . 16 4.2 QTZ80 点塔式起重机吊臂建模 . 16 4.3 吊臂各部分强度刚度验算 . 21 4.4 计算结果讨论 . 28 4.5 塔机模态分析 . 29 5 起升机构设计 .33 5.1 起升机构的组成布置方式 . 33 5.2 起升机构的计算 . 34 总 结 .41 谢 辞 .42 参考文献 .43 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
3、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
4、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 de
5、velopment. 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 parame
6、ters.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 d
7、angerous 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;
8、 the rising organization;finite element;dynamic characteristics1 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
9、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
10、。 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
11、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
12、 ， 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
13、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.
14、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
15、，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,
16、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
17、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，
18、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 wF 是起重机在正常工作情况下所能承受的最大计算风力。 （ 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
19、，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2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
20、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 1特点： 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。 2 分类及特点： 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
21、臂架，双吊点。 2.2 截面形式 截面图 2. 2图 2. 3图 2. 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
