1、毕业设计计算书 指导教师： 设计题目： QTZ40塔式起重机总体及塔身有限元分析法设计 设计人： 1 建 筑 工 程 学 院 本科毕业设计（论文） 题 目 QTZ40塔式起重机总体及塔身有限元分析法设计 学 科 专 业 机械设计制造及其自动化 辅 导 教 师 毕业设计计算书 指导教师： 设计题目： QTZ40塔式起重机总体及塔身有限元分析法设计 设计人： 2 目录 第 1章 前言 1 1.1 塔式起重机概述 1 1.2 塔式起重机的发展情况 1 1.3 塔式起重机的发展趋势 3 第 2章 总体设计 5 2.1 概述 5 2.2 确定总体设计方案 5 2.2.1 金属结构 5 2.2.2 工作机
2、构 22 2.2.3 安全保护装置 29 2.3 总体设计设计总则 32 2.3.1 整机工作级别 32 2.3.2 机构工作级别 32 2.3.3主要技术性能参数 33 2.4 平衡重的计算 33 2.5 起重特性曲线 35 2.6 塔机风力计算 36 2.6.1 工作工况 37 2.6.2 工作工况 41 2.6.3 非工作工况 43 2.7整机的抗倾翻稳定性 45 2.7.1工作工况 46 2.7.2工作工况 47 2.7.3非工作工况 49 2.7.4工作工况 50 2.8固定基础稳定性计算 51 第 3章 塔身的有限元分析设计 53 3.1 塔身模型简化 53 3.2 有限元分析计算
3、 54 3.2.1 方案一 54 3.2.2 方案二 79 3.2.3 方案三 98 第 4章 塔身的受力分析计算 121 4.1 稳定性校核 121 4.2 塔身的刚度检算 122 4.3 塔身的强度校核 124 4.4 链接套焊缝强度的计算 125 毕业设计计算书 指导教师： 设计题目： QTZ40塔式起重机总体及塔身有限元分析法设计 设计人： 3 4.5 塔身腹杆的计算 126 4.6 高强度螺栓强度的计算 127 第 5章 毕业设计小结 129 致谢 130 主要参考文献 131 毕业设计计算书 指导教师： 设计题目： QTZ40塔式起重机总体及塔身有限元分析法设计 设计人： 4 设计
4、项目 计算与说明 结果 总体设计 概述 确定总体设计方案 塔机金属结构 塔顶 第 2 章 总体设计 2.1 概述 总体设计是毕业设计中至关重要的一个环节，它是后续设计的基础和框架。只有在做好总体设计的前 提下，才能更好的完成设计。 它是对满足塔机技术参数及形式的总的构想，总体设计的成败关系到塔机的经济技术指标，直接决定了塔机设计的成败。 总体设计指导各个部件和各个机构的设计进行，一般由总工程师负责设计。 在接受设计任务以后，应进行深入细致的调查研究，收集国内外的同类机械的有关资料，了解当前的国内外塔机的使用、生产、设计和科研的情况，并进行分析比较，制定总的设计原则。设计原则应当保证所设计的机型
5、达到国家有关标准的同时，力求结构合理，技术先进，经济性好，工艺简单，工作可靠。 2.2 确定总体设计方案 QTZ40 塔式 起重机是上回转液压自升式起重机。 尽管其设计型号有各种各样，但其基本结构大体相同。整台的上回转塔机主要由金属结构，工作机构，液压顶升系统，电器控制系统及安全保护装置等五大部分组成。 2.2.1 金属结构 塔式起重机金属结构部分由塔顶，吊臂，平衡臂，上、下支座，塔身，转台等主要部件组成。对于特殊的塔式起重机，由于构造上的差异，个别部件也会有所增减。金属结构是塔式起重机的骨架，承受塔机的自重载荷及工作时的各种外载荷，是塔式起重机的重要组成部分，其重量通常约占整机重量的一半以上
6、，因此金属结构设计合理与否对减轻起重机 自重，提高起重性能，节约钢材以及提高起重机的可靠性等都有重要意义。 1. 塔顶 自升塔式起重机塔身向上延伸的顶端是塔顶，又称塔帽或塔尖。其功能是承受臂架拉绳及平衡臂拉绳传来的上部载荷，并通过回转塔架、转台、承座等的结构部件或直接通过转台毕业设计计算书 指导教师： 设计题目： QTZ40塔式起重机总体及塔身有限元分析法设计 设计人： 5 设计项目 计算与说明 结果 吊臂 构造型式 传递给塔身结构。 自升式塔机的塔顶有直立截锥柱式、前倾或后倾截锥柱式、人字架式及斜撑式等形式。截锥柱式塔尖实质上是一个转柱，由于构造上的一些原因，低部断面尺寸要比塔身断面尺寸为小
7、，其主弦杆可视需要选用实心圆钢，厚壁无缝钢管或不等边角钢拼焊的矩形钢管。人字架式塔尖部件由一个平面 型钢焊接桁架和两根定位系杆组成。而斜撑式塔尖则由一个平面型钢焊接桁架和两根定位系杆组成。这两种型式塔尖的共同特点是构造简单自重轻，加工容易，存放方便，拆卸运输便利。 塔顶高度与起重臂架承载能力有密切关系，一般取为臂架长度的 1/7-1/10，长臂架应配用较高的塔尖。但是塔尖高度超过一定极限时，弦杆应力下降效果便不显著，过分加高塔尖高度不仅导致塔尖自重加大，而且会增加安装困难需要换用起重能力更大的辅助吊机。因此，设计时，应权衡各方面的条件选择适当的塔顶高度。 本设计采用前倾截锥柱式塔顶，断面尺寸为
8、 1.36m1.36m。腹杆采用圆钢管。塔顶高 6.115米。塔冒用无缝钢管焊接而成，顶部设有连接平衡臂拉杆和吊臂拉杆的铰销吊耳，以及穿绕起升钢丝绳的定滑轮，顶部应装有安全灯和避雷针。其结构如图 2-1所示： 图 2-1 塔顶结构图 2. 起重臂 采用前倾截锥柱式塔顶 毕业设计计算书 指导教师： 设计题目： QTZ40塔式起重机总体及塔身有限元分析法设计 设计人： 6 设计项目 计算与说明 结果 分节问题 1） 构造型式 塔式起重机的 起重臂简称臂架或吊臂，按构造型式可分为：小车变幅水平臂架； 俯仰变幅臂架，简称 动臂；伸缩式小车变幅臂架；折曲式臂架。 小车变幅水平臂架，简称小车臂架，是一种承
9、受压弯作用的水平臂架，是各式塔机广泛采用的一种吊臂。其优点是：吊臂可借助变幅小车沿臂架全长进 行水平位移，并能平稳准确地进行安装就位。因此此次设计采用小车变幅水平臂架。 小车臂架可概分为三种不同型式：单吊点小车臂架，双吊点小车臂架和 起重机与平衡臂架连成一体的 锤头式小车臂架。 单吊点小车变幅臂架是静定结构，而双吊点小车变幅臂架则是超静定结构。 幅度在 40m 以下的小车臂架大都采用单吊点式构造；双吊点小车变幅臂架结构一般幅度都大于 50m。双吊点小车变幅臂架结构自重轻，据分析与同等起重性能的单吊点小车变幅臂架相比，自重均可减轻 5%-10%。小车变幅臂架拉索吊点可以设在下弦处，也可设在上弦处
10、，现今通用小车变幅臂架 多是上弦吊点，正三角形截面臂架。这种臂架的下弦杆上平面均用作小车运行轨道。 2） 分节问题 臂架型式的选定及构造细部处理取决于塔机作业特点，使用范围以及承载能力等因素，设计时，应通盘考虑作出最佳选择，首先要解决好分节问题。 小车臂架常用的标准节间长度有 6、 7、 8、 10、 12m 五种。为便于组合成若干不同长度的臂架，除标准节间外，一般都配设 12 个 35m 长的延接节，一个根部节，一个首部节和端头节。端头节构造应当简单轻巧，配有小车牵引绳换向滑轮、起升绳端头固定装置。此端头节长度不计入臂架总长，但可与任一标准节间 配装，形成一个完整的起重臂。本次设计选用标准节
11、长度为 6m，另加上 2m 长的延接节。其示意图见图 2-2： 采用小车变幅水平臂架 选用标准节长度为 6m，另加上 2m长的延接节 毕业设计计算书 指导教师： 设计题目： QTZ40塔式起重机总体及塔身有限元分析法设计 设计人： 7 设计项目 计算与说明 结果 截面形式及截面尺度 腹 杆布置和杆件材料选用 图 2-2 臂架分节 3） 截面形式及截面尺度 塔机臂架的截面形式有三种：正三角形截面、倒三角形截面和矩形截面。小车变幅水平臂架大都采用正三角形截面，本次设计的 QTZ40 采用正三角形截面。选用这种方式的优点是：节省钢材，减轻重量，从而节约成本。其尺寸截面形式如图 2-3 所示 ： 图
12、2-3 臂架截面及其腹杆布置 1-水平腹杆 2-侧腹杆 3-上弦杆 4-下弦杆 臂架一 -五节： B=1020mm H=800mm 臂架六 -七 节： B=1017mm H=800mm 臂架截面尺寸与臂架承载能力、臂架构造、塔顶高度及拉杆结构等因素有关。截面高度主要受最大起重量和拉杆吊点外悬臂长度影响最大。截面宽度主要与臂架全长有关。设计臂架长度为 40m，共分 七 节。 4） 腹杆布置和杆件材料选用 矩形截面臂架的腹杆体系宜采用人字式布置方式，而三角形截面起重臂的腹杆体系既可采用人字式布置方式，也可 采用顺斜置式。此两种布置方式各有特点。 当采用顺斜置式式，焊缝长度较短、质量不易保证。焊接变
13、形不均匀，节点刚度较差， 且不便于布置小车变幅机构。因此本设计选用人字式布置方式。其优点在于，这种布置方采用正 三角形截面 毕业设计计算书 指导教师： 设计题目： QTZ40塔式起重机总体及塔身有限元分析法设计 设计人： 8 设计项目 计算与说明 结果 吊点的选择与构造 平衡臂和平衡重 平衡臂的结构型式 式应用区段不受限制，焊缝长度较长，强度易于保证，焊接变形较均匀，节点刚度较好，便于布置小车变幅机构。 臂架杆件材料有多种选择可能性。一般情况下，上吊点小车变幅臂架的上弦以选用 16Mn 实心钢为宜，但造价要高。因此本设计选用 20 号无缝圆钢管。其特点是：惯性矩、长细比要小，抗失稳能力高。下弦
14、采用等边角钢对焊的箱型截面杆件，经济实用，具有良好的抗压性能。因此上弦杆选用 89 8、 89 7，下弦选用的角钢型号为： 75 8、 75 5，臂间由销轴连接。 5） 吊点的选择与构造 吊点可分为单吊点和双吊点。其设计原则是：臂架长度小于 50m，对最大起吊量并无特大要求，一般采用单吊点结构。若臂架总长在 50m 以上，或对跨中附近最大起吊量有特大要求应采用双吊点。采用单吊点结构时，吊点可以设在上弦或下弦。吊点以左可看作简支梁，以右可看 作悬臂梁。在设计中采用双吊点。 3. 平衡臂与平衡重 QTZ40 塔式起重机是上回转塔机。上回转塔机均需配设平衡臂，其功能是支撑平衡重（或称配重），用以构成
15、设计上所需要的作用方向与起重力矩方向相反的平衡力矩，在小车变幅水平臂架自升式塔机中，平衡臂也是延伸了的转台，除平衡重外，还常在其尾端装设起升机构。起升机构之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端，一则可发挥部分配重作用，二则增大钢丝绳卷筒与塔尖导轮间的距离，以利钢丝绳的排绕并避免发生乱绳现象。 1） 平衡臂的结构型式 平衡臂的构造设计必须保证所要求的平衡力矩得到 满足。短平衡臂的优点是：便于保证塔机在狭窄的空间里进行安装架设和拆卸，适合在城市建筑密集地区承担施工任务的塔机使用，不易受邻近建筑物的干扰，结构自重较轻。长平衡臂的主要优点是：可以适当减少平衡重的用量，相应减少塔身上部的垂直载荷。平衡重与平
16、衡臂的长度成反比关系，上弦选用20 号无缝圆钢管、下弦选用角钢 采用双吊点 毕业设计计算书 指导教师： 设计题目： QTZ40塔式起重机总体及塔身有限元分析法设计 设计人： 9 设计项目 计算与说明 结果 平衡重 而平衡臂长度与起重臂之间又存在一定关系，因此，平衡臂的合理设计可节约材料，降低整机造价。 常用平衡臂有以下三种结构型式： （ 1） 平面框架式平衡臂，由两根槽钢纵梁或由槽钢焊成的箱形断面组合梁河系杆构成。在框架的上平面铺有走道板，走到板两旁设有防护栏杆 。其特点是结构简单，加工容易。 （ 2） 三角形断面桁架式平臂，又分为正三角形断面和倒三角形断面两种形式。此类平衡臂的构造与平面框架
17、式平衡臂结构构造相似，但较为轻巧，适用于长度较大的平衡臂。从实用上来看，正三角形断面桁架式平衡臂似不如倒三角形断面桁架式平衡臂。 （ 3） 矩形断面格桁结构平衡臂，其特点是根部与座在转台上的回转塔架联接成一体，适用于小车变幅水平臂架特长的超重型自升式塔机。 平衡臂结构选用型式的原则是：自重比较轻；加工制造简单，造型美观与起重臂匹配得体。故此次设计选用平面框架式平衡臂。它由两根槽钢纵 梁或由槽钢焊成的箱形断面组合梁和系杆构成。在框架的上平面铺有走道板，走道板两旁设有防护栏杆。这种平衡臂的优点是结构简单，加工容易。平衡臂的长度是 10.17m。如图 2-4 所示 ： 图 2-4 平衡臂 2） 平衡
18、重 平衡重属于平衡臂系统的组成部分，它的用量甚是可观，轻型塔机一般至少要用 3 4t，重型自升式塔机要装有近 30t平衡重。因此在设计平衡重过程中，应对平衡重的选材、构造以及安装进行认真考虑并作妥善安排。 平衡重一般可分为固定式和活动式两种。活动平衡重主采用平面框架式平衡臂 毕业设计计算书 指导教师： 设计题目： QTZ40塔式起重机总体及塔身有限元分析法设计 设计人： 10 设计项目 计算与说明 结果 拉杆 上、下支座 塔身 塔身结构断面型式 要用于自升式塔机，其 特点是可以移动，易于使塔身上部作用力矩处于平衡状态，便于进行顶升接高作业。但是，构造复杂，机加工量大，造价较高。故国内大部分塔机
19、均采用固定式平衡重。 平衡重可用铸造或钢筋混凝土制成。铸铁平衡重的构造较复杂，制造难度大，加工费用贵，但体形尺寸较小，迎风面积较小，有利于减少风载荷的不利影响。钢筋混凝土平衡重的主要缺点是体积大，迎风面积大，对塔身结构及稳定性均有不利影响。但是构造简单，预制生产容易，可就地浇注，并且不怕风吹雨淋，便于推广。 因此，本次设计的塔式起重机采用钢筋混凝土式平衡重。 4. 拉杆 QTZ40 塔式起重机采用双吊点式拉杆结构，拉杆由焊件组成，其材料为 16Mn，拉杆节之间用过渡节连接，由受力特性计算出其拉杆点作为位置，其中在平衡臂和吊臂上设有拉板和销轴用来连接用。 5. 上、下支座 上支座上部分别与塔顶、
20、起重臂、平衡臂连接，下部用高强螺栓与回转支承相连接在支承座两侧安装有回转机构，它下面的小齿轮准确地与回转支承外齿圈啮合，另一面设有限位开关。 下支座上部用高强螺栓与回转支承连接、支承上部结构，下部四角平面用 4 个销轴和 8 个 M30 的高强螺栓分别与爬升架和塔身连接。 6. 塔身 塔身结构也称塔架，是 塔机结构的主体，支撑着塔机上部结构的重量和承受载荷，并将这些载荷通过塔身传至底架或直接传递给地基基础。 1） 塔身结构断面型式 塔身结构断面分为圆形断面、三角形断面及方形断面三类。圆形断面和三角形断面现在基本上不用，现今国内外生产的塔机均采用方形断面结构。因此本设计采用的也是方形采用固定式平衡重 采用钢筋混凝土式平衡重
