塔式起重机吊臂设计-毕业论文.doc

摘 要 工程建设有一个显著的特点材料用量特别大、质量特别重，对于高层建筑或大型的建筑更是明显。就这一个因素便可以决定在工程建设中，要提高效率就必须发展用于运输的机械。塔式起重机（以下简称塔机）作为建筑施工现场的主要建筑机械，因其起升高度大，覆盖面广等特点而被广泛使用于建筑施工现场，担负着主要的垂直运输任务，塔式起重机是各种工程建设中广泛应用的重要起重设备 ，吊臂作为塔式起重机金属结构的主要部件，其设计计算方法将直接影响整台塔机的设计质量和塔机运行的安全可靠性。而随着塔机向大型、重载和超高超长的方向发展，吊臂的设计尤其显得重要。吊臂结构形式选择桁架水平压弯式臂架。吊臂的截面采用正三角形。上弦杆用圆管，两下弦通常采用角钢焊接而成的方钢，并兼作载重小车的轨道，腹杆（斜腹杆，水平腹杆）采用圆管。吊臂采用等强度变截面设计，两个侧面桁架采用三角式体系，水平桁架采用带竖杆的三角式体系。需要计算吊臂各种情况所受的风载荷，自重时的各种载荷，以及各个受力点的主要受力计算，并进行整体的验算。【关键词】塔式起重机 吊臂 1.1 概述塔式起重机是动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机。作业空间大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。由金属结构、工作机构和电气系统三部分组 成。金属结构包括塔身、动臂和底座等。工作机构有起升、变幅、回转和行走四部分。电气系统包括电动机、控制器、配电柜、连接线路、信号及照明装置等。 1.2 本论文所要研究的问题 吊臂是属于塔机的金属结构部分，是除塔身外另一重要受力部分，而且主要的工作单元都在安装在吊臂上。受力大，受力形式多。在工作中承受着压力、弯矩，回转时还受到惯性力。而且在有风的环境下还要受到风力作用。主要解决的问题是吊臂在各种情况下的受力问题。2. 吊臂的设计计算2.1 吊臂的结构设计2. 起重臂的构造1.桁架压杆式臂架桁架压杆式臂架，臂架在起升平面的受力情况相当与一根两端简支梁，在回转平面内相当于一根悬臂梁。起升平面内臂架中间部分通常采用等截面平行弦杆，两端为梯形。在回转平面内，臂架通常做成顶部尺寸小，根部尺寸大的形式。为方便运输、安装和拆除，以及满足不同施工对相对塔机最大工作幅度的不同要求，臂架通常制成若干段臂架节，其中中部的几节制作成可以互换的便准节，以实现臂架长度的不同组合。臂节之间采用螺栓或销轴连接。臂架结构的根部和顶部都需要加强，一般采用钢板代替幅杆体系。2.桁架水平压弯式臂架桁架水平压弯是臂架亦称小车变幅式臂架，其截面多为三角形的空间桁架结构，以正三角形最为常见。上弦杆多用圆管、方管（常用角钢拼成），两下弦通常采用方管、槽钢，并兼作载重小车的轨道，腹杆（斜腹杆，水平腹杆）多采用圆管。同样，为了方便运输、安装和拆除，满足不同的施工对象对塔机最大工作幅度的不同要求，以及减轻起重臂结构自重，臂架通常制成若干段臂架节，其中几节制作成可以互换的标准节，以实现臂架长度的不同组合。各种规格的臂架节的上、下弦杆和腹杆的截面尺寸根据其所处的位置受力状况而有所不同，各臂架节在整个臂架中的位置是固定的。因此，在安装时要严格遵守安装使用说明中的规定，严禁将臂架节装错位置，以免发生重大生产安全事故。3. 起重臂结构的选择臂长40米，臂端吊重量0.7吨，最大吊重量3吨。此吊臂采用桁架水平压弯式臂架，截面采用正三角形。上弦杆用圆管，两下弦通常采用角钢焊接而成的方钢，并兼作载重小车的轨道，腹杆（斜腹杆，水平腹杆）采用圆管。吊臂采用等强度变截面设计，两个侧面桁架采用三角式体系，水平桁架采用带竖杆的三角式体系。图2-1 吊臂截面图图2-2 吊臂下轩杆截面图吊臂主要部件材料的选用：表2.1 各种材料许用应力表材料工作状态工作状态说明A32301731389820016011516Mn33024819814028723016620Cr400300240170348278201调质40Cr500376301213435348251调质2024018017412321817411045360270216153313250181调质35270203162115235188135暂取上弦杆下弦杆缀 条20Q235202.1.2 吊臂的主要尺寸表2.2 参照WK43SLC塔机的主要参数Lmax/mQ/tQmax/t:L/mB/mH/m361.03:14.251.11.14表2.3暂定c4007塔机的主要参数Lmax/mQ/mQmaxQmax/t:L/mB/mH/m400.73.03:14.251.11.14图2-3 吊臂截面尺寸Lmax-最大幅度 ；B-截面高度；H-截面高度；Q-最大幅度起重量；Qmax-最大起重量2.1.3 吊臂的吊点位置确定本吊臂长度为40，根据塔式起重机设计规范，采用双吊点吊臂设计。双吊点的结构可以有效的减轻吊臂的自重。吊点将臂架分为三部分,由经验公式，初选（如图12）。 图2- 4 吊点位置 图2-5 吊臂运输单元2.1.4 运输单元考虑到运输条件和原材料长度限制，将起重臂做成各个节段，即运输单元。见图（吊臂总装图）。各节段在工厂制成后，运到工地，在现场将各节段用销轴相连，拼装成整体起重臂，然后再和塔身等其他部件装配成塔吊。考虑到标准化，将起重臂中间段做成若干标准节段，以利加工制造。所以将吊臂划分为9个运输单元。 图2-5 吊臂运输单元2.2 吊臂受力计算2.2.1 吊臂所受载荷组合起重机臂架采用下列三种载荷组合1.自重+等级吊重+工作状态风载荷+平稳惯性力或其他水平力；2.自重+最大额定吊重+工作状态风载荷+急剧惯性力或其他水平力；3.自重+非工作状态风载荷+起重小车及吊钩重。由于1、3种组合对本起重臂不起控制作用，因此可仅按第种载荷组合进行设计在和确定。2.2.2 初估臂架自重和小车移动机构的重量臂架自重 初估定臂自重为2560kg，变幅机构重260kg，力矩传感器装置重10kg。G=（2560+260+10）*g=28300N吊臂自重可以看成沿吊臂全长均匀载荷小车移动机构重量 初估为0.25t吊重包括起重小车、吊钩及吊重。吊重是移动载荷，起重起重小车重量和吊钩重量是沿臂架移动但数值不变的载荷，初估起重小车为0.78t。吊钩重为0.42t。2.2.3 吊臂所受的风载荷按照我国塔式起重机设计规范（GB/T1375292）进行计算。臂架受风载荷式中 风力系数，臂架为三角形结构，取1.3；计算风压，工作状态取250Pa; A迎风面积。 A=其中 前片结构迎风面积，（），为结构充实率，对于桁架取0.4； 后片结构迎风面积，（），为结构充实率，对于桁架取0.4； 或为前后外形轮廓尺寸，即(图14)。 为前片对后片的挡风折减系数，与前片桁架充实率以及两片桁架间隔比B/H有关，查表得本塔吊=取0.40。图25 桁架挡风折简系数由上所述，在回转平面内，本塔吊起重臂风载荷吊重受风载荷按额定起重量重力的3%计算，且不得小于500N，由于各种工况吊重不同所以吊重风载分工况分别进行计算。其他水平力作用在臂架回转平面内R除风载荷外，还有回转惯性力以及起吊时由于钢丝绳倾斜引起的水平力等，可近似地取T=0.1Q（Q为吊重），并且按所吊货物为8t和1.5t分别计算。2.2.4 吊臂自重及小车变幅机构自重产生的内力1. 选择工况由于吊重是移动载荷，因此首先要确定小车在什么位置是臂架所产生的内力为最大。以下三种工况可能对臂架产生最不利的影响：工况1 最大幅度所吊货物为0.7t，（即吊重作用在D处，26）工况2 幅度R<=20 m，所吊货物为1.5t，（即吊重作用在E处，图27）。工况3 最小幅度R=3m,所吊货物为3t，（即吊重作用在G处，图28）。图26 吊重在D处 图27吊重在E处图28 吊重在G处计算的截面为：1，吊臂根部截面A；2，根部到第一个吊点的截面 E；3，第一个吊点到第二个吊点的截面F；4，第二个吊点的截面C。各截面图2-9所示：图2-9 吊臂计算截面位置在起升平面内（即竖直平面内）作为伸臂梁计算，如下图示：图2-10 起升平面计算简图在回转平面（即水平平面）内，作为悬臂梁计算，如图2-11所示：图2-11 回转平面计算简图载荷组成：自重+吊重+工作状态风载（风向垂直吊臂）+其他惯性力。计算中忽略离心力的影响，因为塔式起重机的工作级别为A4，所以不验算钢结构的疲劳强度。2. 自重载荷引起的内力计算双吊点吊臂为一次超净定结构，解除多余约束，得到静定组合，如图212所示。图212 吊臂计算简图由叠加原理，B点竖向位移，（为臂架自重载荷在B点产生的竖直位移，为未知力X1产生的竖直位移。）所以 式中 、吊臂根部铰点到第一吊点、第一吊点到第二吊点、第二吊点到吊臂端部最大幅度处的距离拉杆BF和CF的截面积拉杆BF和CF与吊臂间的夹角q 臂架自重均布载荷拉杆BF和CF的长度。吊臂在自重载荷作用下的内力，就是自重载荷q单独作用下的内力和单独作用产生的内力之和。吊臂上到根部铰点距离为x的任一点弯矩为：支反力：轴向力：AB段 BC段由吊重引起的臂架内力3. 工况1载荷内力计算 在最大幅度起吊额定载荷，计算简图如图110所示：图213 工况一起吊平面计算简图吊臂B点的竖直位移，应该等于由起升载荷单独作用所引起的B点竖直位移和由未知力单独作用所引起的B点的竖直位移之和。根据力法方程：，即。根据计算，有吊臂在起升载荷作用下的内力，就是起升载荷单独作用下的内力和由单独作用产生的内力之和。吊臂上到根部铰点距离为z的任一点弯矩为：支反力：拉杆拉力：轴向力： AB段 BC段在工况1下，起升平面内由臂架自重载荷和起升载荷共同作用所引起的臂架内力为以上两种情况下载荷单独作用所引起的臂架内力的叠加。即：回转平面内：计算简图如下图214所示图214 回转平面计算简图图中 为均部风载荷 为其他水平力，包括回转惯性力、钢丝绳倾斜水平力等其它水平力 为吊重受风载荷 在回转平面内吊臂上到根部铰点距离为z任一点弯矩为 式中 L起重臂最大回转半径4 工况2内力计算吊重在E处，在跨中位置起吊载荷,计算由吊重引起的臂架内力，计算简图如图112所示：图215 工况二起吊平面计算简图由力法方程：，即。根据计算，有 式中 a第一个吊点B到臂架跨中E的距离 b臂架跨中E到第二个吊点C的距离在工况二下，吊臂到根部铰点距离为z的任一点弯矩为支反力： 拉杆拉力： 轴向力： AB段 BC段工况二载荷引起的内力和自重载荷引起臂架的内力叠加，得工况二臂架内力公式：即 回转平面内：计算简图如下图215所示图216 工况二回转平面臂架内力计算简图在回转平面内吊臂上到根部铰点距离为z任一点弯矩为：5. 工况3内力计算 吊重在G处，在最小幅度起吊载荷，计算简图如图217所示：图217 工况三起吊平面计算简图由力法方程：，即。根据据计算，有式中 a臂架根部A到起吊载荷G的距离 b起吊点G到第一吊点B的距离在工况三下，吊臂到根部铰点距离为z的任一点弯矩为：支反力： 拉杆拉力： 轴向力：AB段 BC段工况三载荷引起的内力和自重载荷引起臂架的内力叠加，得工况二臂架内力公式：即 回转平面内：计算简图如下图115所示 图218 工况二回转平面臂架内力计算简图在回转平面内吊臂上到根部铰点距离为z任一点弯矩为：至此 三种工况臂架任一点内力计算公式推导完毕。工况 1 ：R=40 Q=0.7 q=0.33 图2-19 计算工况1FQ= =1.25×0.7+0.33=1.205t=11809所以：代入数据计算得： X1=29473Mc=0 14.4 FQ = X1sinc×28.7+ NA×40.6所以： NA=12168 Y=0 Nc= NA+ FQX1cosc=31006 剪力 QA= 12168 QE= 12168 QF=17350 Qc=18838 弯矩 MA=0 ME=18838×14.6=271267MF=17350×13=225550 MC=12168×20.3=247010轴力 NAC = X1cotB + NccotC =227717 NBC =217045工况 2 R=20 Q=1.5 t q=0.33 t 图2-20 计算工况2FQ=Q+q=1.25×1.5+0.33=20205t=21609 Mc=0 14.6 FQ = X1sinc×28.7+ NA×40.6 NA=24503 Y=0 Nc= NA+ FQX1cosc=27058 ME=24053×14.6=35743剪力： QAE =24503 QDE =27731 轴力： NAC =56809 NBC =217045工况3 R=3 m Q=3 q=0.33 图2-21 计算工况3 FQ=Q+q=1.25×3+0.33=4.08t=39984 Mc=0 37.6 FQ = X1cosc×28.7+ NA×40.6所以： NA=74850 Nc=10123474850X1sinc=15711 剪力： QAE=74850 3.总结与展望3.1 工作总结 毕业设计是对我们四年的学习的一个总结。在这做毕业设计的3个月的时间里，感受很深。发现自己已经要离开这学习生活了四年的大学校园了。希望毕业设计能给这美好的四年画上个美好的句号。虽然这次设计困难是很多的，但是通过在网上查找资料，在图书馆借阅相关书籍，还有老师很同学的知道帮助下，还是基本完成了。在这里很感谢帮助我的人。这此设计的计算部分基本是套用经典公式的，不是很懂原理。这说明我的力学学的不够扎实。以后一定要加强这方面的学习。最后发现检验知识是否学的好还是得靠实践。这次的毕业设计就是一次非常好的实践，能让我知道自己的不足。这让我提高很多。并且在设计的过程中学习到了很多的新知识，新技能。参 考 文 献1姚振纲刘祖华建筑结构试验上 海 ：同济大学出版社 ，2000 2范俊祥塔式起重机北京：中国建材工业出版社2004 3李家宝结构力学北京：高等教育出版社，19994卢耀祖郑惠强 机械结构设计 上海：同济大学版社，2004 5金忠谋材料力学北京：机械工业出版社，20056刘佩衡塔式起重机使用手册北京：中国机械工业出版社 ，2002 7塔式起重机设计规范GB/T 13752 - 99 中国标准出版社，1993 8濮良贵纪名刚机械设计（第七版）高等教育出版社，20069刘鸿文材料力学高等教育出版社（第四版），200510郑文纬吴克坚机械原理（第七版），200511张鄂现代设计理论与方法科学出版社，200712陈建元机械可靠性设计机械工业出版社，199213吕广庶张明远工程材料及成型技术基础高等教育出版社，200126