塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)

1、第二章 塔機(jī)小車吊臂設(shè)計(jì)2.1 吊臂的主要結(jié)構(gòu)形式及主要尺寸2.1.1 吊臂的主要材料上弦桿 16Mn下弦桿 20綴條 20上弦采用16Mn實(shí)心圓鋼，其優(yōu)點(diǎn)是：迎風(fēng)阻力小，吊點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，不易發(fā)生撞擊變形。萬一發(fā)生撞擊變形，容易調(diào)整復(fù)原，實(shí)心圓鋼上弦桿與腹桿連接處剛度比較好。下弦桿采用等邊角鋼對(duì)焊的箱形截面桿，具有良好的抗壓曲性能，兼作小車軌道。吊臂采用變截面設(shè)計(jì)，腹桿的布置方式總體采用三角式布置方式，而限于弦桿選用材料的特性，在水平桁架加設(shè)豎腹桿以增大弦桿節(jié)間的抗壓彎能力。2.1.2 吊臂的機(jī)構(gòu)形式本塔式起重機(jī)采用小車變幅，根據(jù)變力和構(gòu)造等要求，吊臂結(jié)構(gòu)決定采用等腰三角形截面的型式。上弦桿使用

2、16Mn實(shí)心圓鋼，下弦桿為兩個(gè)箱型截面，具有良好的抗彎曲性能。每個(gè)箱型截面由兩個(gè)等邊角鋼焊接而成，兼作小車軌道用。臂架上設(shè)有吊點(diǎn)通過鋼絲繩與塔帽頂部連接。為便于安裝運(yùn)輸和組合成不同長(zhǎng)度的臂架，將吊臂分為若干段，由根部節(jié)、端部節(jié)和若干標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成，各節(jié)間通過螺栓和銷軸聯(lián)接。2.1.3 吊臂的尺寸截面高度和寬度：根據(jù)強(qiáng)度、 剛度、穩(wěn)定性以及構(gòu)造等要求來確定，對(duì)于本設(shè)計(jì)中的三角形截面的吊臂，截面高度h=（1/501/25）L，截面寬度b應(yīng)與上塔身寬度配合，截面簡(jiǎn)圖見圖2-1。吊臂要求：h=2m (h/L=1/35) b=1.8m 圖2-12.1.4 吊點(diǎn)位置的確定確定吊點(diǎn)位置的原則：當(dāng)小車行駛到吊臂端

3、部時(shí)，在吊點(diǎn)處桁架弦桿中產(chǎn)生的最大應(yīng)力，于小車行駛到吊點(diǎn)內(nèi)跨中某處時(shí)，該處桁架弦桿中的最大應(yīng)力值相等的等強(qiáng)度或等穩(wěn)定條件。桁架水平式吊臂拉桿吊點(diǎn)可以設(shè)在上弦或下弦，今從減小臂端垂度出發(fā)，吊點(diǎn)設(shè)在上弦。臂架總長(zhǎng)L=70m，采用單吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)。取L2/L1=0.4，見圖2-2。圖2-22.1.5 吊臂運(yùn)輸單元?jiǎng)澐?考慮到安裝運(yùn)輸條件及材料長(zhǎng)度的限制，通常將吊臂做成若干節(jié)段（運(yùn)輸單元），各節(jié)段在工廠做好后運(yùn)到工地，在工地上再用銷軸連接。本設(shè)計(jì)將吊臂劃分為八個(gè)運(yùn)輸單元，起分節(jié)尺寸見圖2-3。圖2-3吊臂自重 16800 Kg蝙蝠機(jī)構(gòu)重 330 kg力矩傳感器及裝置 10 kgG=16800+330+10=

4、17140 kg2.2 吊臂計(jì)算簡(jiǎn)圖、載荷、內(nèi)力計(jì)算及在和組合（1）計(jì)算簡(jiǎn)圖：在起升平面內(nèi)，吊臂可作為伸臂梁計(jì)算； 在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，吊臂可視為懸臂梁計(jì)算。載荷組合: 自重+吊重+工作狀態(tài)風(fēng)載（風(fēng)向垂直吊臂）+其它慣性力。計(jì)算中忽略離心力等影響，因塔式起重機(jī)工作級(jí)別為A4故不驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。（2）計(jì)算工況： 在最大幅度起吊額定載荷，風(fēng)向垂直吊臂，計(jì)算吊點(diǎn) 截面和臂架根部截面內(nèi)力。即70m，吊重3.3t，作用點(diǎn)C。 在跨中位置起吊額定載荷，風(fēng)向垂直吊臂，計(jì)算跨中載荷內(nèi)力，即幅度16m，吊重12t，作用點(diǎn)D。 在最小幅度起吊額定載荷，風(fēng)向垂直吊臂，計(jì)算臂架根部截面內(nèi)力，即幅度3m，吊重12t，作

5、用點(diǎn)E。（3）計(jì)算截面： 臂架根部截面A點(diǎn)，該處起升平面內(nèi)Mx=0，但在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎矩My最大。 臂架吊點(diǎn)截面B點(diǎn)，該處起升平面內(nèi)負(fù)彎矩最大。 臂架跨中截面D點(diǎn)，該處起升平面內(nèi)正彎矩最大。2.2.1 吊臂自重小車及變幅機(jī)構(gòu)引起的內(nèi)力 圖2-4先假設(shè)吊臂自重為均布載荷q=2352N/m，小車變幅機(jī)構(gòu)自重P1=3243N，感應(yīng)裝置P2=98N，吊臂所受載荷如圖2-4所示。彎矩MD=40802×16-16×2352×8-3234×8=325904N·m MB右=2352×352/2+98×35=1444030N·m2.

6、2.2 吊重引起的內(nèi)力 圖2-5工況1：R=70m, Q=3.3t, 吊具重q1=2%Q=66kg， 起重小車q2=0.4t，Vh=0.8m/s，吊臂所受載荷如圖2-5所示。起升動(dòng)載系數(shù)2=1.05+0.4（Vh -0.02）=1.29m/sQc=2（Q+ q1）g+ q2g=1.29×（3300+66）×9.8+400×9.8=46473NMB=0, VA×35+Qc×35=0. VA=-46473NFy=0, VB+VA-Qc=0.VB=92946N, HB=491313N FB=49957N剪力 QAB=46473N, QBC=46473

7、N彎矩 MB=-Qc×L/2=-46473×35Nm=-1626555 Nm MD=-46173×16 Nm=-743568 Nm軸力 NAB=-491317N NBC=0 圖2-6工況2： R=16m, Q=12t, 吊具重q1=2.5%Q=300kg， 起重小車q2=0.4t，吊臂所受載荷如圖2-6所示。QD=2（Q+ q1）g+ q2g=1.29×（12000+300）×9.8+400×9.8=159417NMB=0, QD×(35-16)= VA×35 VA=86541NFy=0, VB+VA-QD=0.V

8、B=72876N, HB=385223N FB=392000N剪力 QAD=86541N, QDB=-78876N彎矩 MD=86541×16 Nm=1384656 Nm軸力NAB=-385223N圖2-7工況3：R=3m, Q=12t, 吊具重q1=2.5%Q=300kg， 起重小車q2=0.4t，吊臂所受載荷如圖2-4所示。QE=2（Q+ q1）g+ q2g=1.29×（12000+300）×9.8+400×9.8=159417NMB=0, QE×32- VA×35=0 VA=145753NFy=0, VB+VA-QE=0. VB

9、=13664N, HB=72228N FB=73499N剪力 QAE=145753N, 2.2.3 水平反力HA（HB）產(chǎn)生的偏心彎矩吊臂自重 MB=HB×2=683711×2=1344167 Nm工況1： MB=HB×2=491313×2=982626 Nm工況2： MB=HB×2=385223×2=770446 Nm2.2.4 風(fēng)載引起的內(nèi)力（1）吊臂風(fēng)載 風(fēng)載荷計(jì)算公式 FW=CWPWA 按工作狀態(tài)最大計(jì)算風(fēng)壓選PW=250Pa依據(jù)塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 表 8 單片結(jié)構(gòu)的風(fēng)力系數(shù)Cw，選Cw=1.5迎風(fēng)面積按結(jié)構(gòu)件在與風(fēng)向垂直平面

10、上的投影面積計(jì)算 A=wA1式中：A 結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積;w 結(jié) 構(gòu) 充 實(shí)率，按表9選取w=0.3；A1 結(jié)構(gòu)外形輪廓面積A1=70×2=140m2。A=0.3×140=42m2風(fēng)載荷FW=1.5×250×42=15750 N。均布風(fēng)壓q= FW/L=15750/70 N=225 N。剪力 QAY=15750NQDY=225×(70-16)=12150NQBY=225×35=7875N彎矩 MAY=225×702/2=551250NMAY=225×542/2=328050NMBY=225×352/2=137

11、813N(2)吊重引起的風(fēng)載起吊物品的迎風(fēng)面積按其實(shí)際外形尺寸在垂直風(fēng)向平面上的投影計(jì)算。當(dāng)迎風(fēng)面積無法確定時(shí)，作用在物品上的風(fēng)載荷按額定起重量的3%計(jì)算，沿最不利載荷組合方向水平作用于物品上，但其值不小于500N。工況1：Q=3.3t，估算風(fēng)載FW =3300×9.8×3%=970N 剪力AC段 QAY=970N 彎矩 MAY=970×70=67900N·MMDY=970×54=52380 N·MMBY=970×35=33950 N·M工況2：Q=12t，估算風(fēng)載FW =12000×9.8×3

12、%=3528N 彎矩 MAY=3528×16=56448 N·m2.2.5 回轉(zhuǎn)水平慣性力（1）吊臂自身重量產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)慣性力吊臂重G=17140×9.8=167972N；塔機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)額定轉(zhuǎn)速n=0.7r/min；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)起、制動(dòng)時(shí)間t=4s；吊臂根部銷軸中心到塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心的距離a=2m。每米慣性力q慣=F慣/70=166N/m；剪力 QA=11616N QD=166×54=8964N QB=166×35=5810N彎矩 MA=166×702/2=406700N·m MD=166×542/2=242028N·

13、;mMB=166×352/2=101675N·m(2)吊重的慣性力 工況1：Qc=（3300+66+400）×9.8=36907N考慮其它因素F慣=4829×1.5=7243N。剪力 QAC=7243N彎矩 MA=7243×70=507010N·mMD=7243×54=391122N·mMB=7243×35=253505N·m工況2：QD=(12000+300+400)×9.8=124460N考慮其它因素F慣=3722×1.5=5583N剪力 QAD=5538N彎矩 MA=5

14、583×16N·m=89328N·m2.2.6 起升繩牽引力產(chǎn)生的軸心壓力 工況1：吊重在C處 SC=×1.29×（3300+66）×9.8=21276N 工況2：吊重在D處 SD=×1.29×（12000+300）×9.8=38874N2.2.7小車輪壓產(chǎn)生下弦局部彎矩每一輪壓為： P=×1.29×（12+0.3+0.4）=2.048t=20069N Mmax=1.4P（0.86-0.55）-P×0.32=16196NM局= Mmax =10796N2.3 吊臂截面的選擇計(jì)

15、算2.3.1.吊臂的幾何特征尺寸計(jì)算 截面A、D 上弦桿100,16Mn實(shí)心圓鋼 r=2.5cm下弦桿 等邊角鋼140×140×60,b=140mm,d=16mm A=42.539cm2, A下取的比2A稍大為A下=2A=86cm2 A=78.5+2×86=250.5cm2 構(gòu)件截面對(duì)x軸回轉(zhuǎn)半徑起升平面，吊臂可看作兩端簡(jiǎn)支外伸梁，其計(jì)算長(zhǎng)度 吊點(diǎn)B處上弦桿85,16Mn實(shí)心圓鋼 r=4.25下弦桿 等邊角鋼140×140×60,b=140mm,d=16mm A=42.539cm2, A下=86cm2 A=56.7+2×86=228.

16、7cm2 構(gòu)件截面對(duì)x軸回轉(zhuǎn)半徑2.3.2、整體穩(wěn)定性的計(jì)算（1）換算長(zhǎng)細(xì)比 腹桿所在平面與軸夾角，如圖2-8所示。 圖2-8三肢桿構(gòu)件的換算長(zhǎng)細(xì)比hx 、hy： B截面 其中A1為臂架三個(gè)側(cè)面內(nèi)腹桿截面積之和。側(cè)面、水平面斜綴條皆選取100×5。 A1=3×（52-4.52）=44.7cm2D截面(2)歐拉臨界載荷 B截面，吊臂對(duì)X、Y軸的歐拉臨界載荷 D截面（3）穩(wěn)定性驗(yàn)算吊臂的整體穩(wěn)定性計(jì)算公式： 吊臂所受載荷的內(nèi)力組合見【附錄一 吊臂內(nèi)力組合表】。工況1：截面A處的內(nèi)力組合:吊臂截面的軸向力N=1184677N； 載荷引起的吊臂截面上對(duì)X、Y軸的彎矩， MHX=0,

17、 MHY=1532860N·m ； 橫向載荷彎矩系數(shù):代入數(shù)據(jù)有, 截面B處的內(nèi)力組合吊臂截面的軸向力N=1184681； 載荷引起的吊臂截面上對(duì)X、Y軸的彎矩， ,MHY=526886N·m ； 橫向載荷彎矩系數(shù):代入數(shù)據(jù)有,工況2：截面D處的內(nèi)力組合:吊臂截面的軸向力N=1096185N； 載荷引起的吊臂截面上對(duì)X、Y軸的彎矩， MHX=1710560N·m ， MHY=589444N·m ； 橫向載荷彎矩系數(shù):代入數(shù)據(jù)有, 2.3.3 單肢（上、下弦桿）驗(yàn)算 分肢穩(wěn)定性校核： 式中，其中l(wèi)是分肢計(jì)算長(zhǎng)度，可取綴條節(jié)點(diǎn)間的長(zhǎng)度，rmin是分肢型鋼截面

18、的最小回轉(zhuǎn)半徑。（1）截面A：工況1驗(yàn)算： My=1532860N·m ， N=1184677N 下弦桿軸心壓力： （2）截面B：工況2驗(yàn)算：左面Mx=-2087959N·m，My=526886N·m ，N=-1184681N右面Mx=-3070585N·m，My=526886N·m ，N=-21276N左面，上弦桿軸心壓力：右面，上弦桿軸心壓力： 左面，下弦軸心壓力：截面D：工況2驗(yàn)算:Mx=1710560N·m ,My=589444N·m ,N=1096185N上弦桿軸心壓力： 弦軸心壓力：輪壓產(chǎn)生的下弦桿局部彎矩： M

19、局=10797N·m 2.3.4 、綴條的計(jì)算（1）側(cè)面斜綴條 100×5，I=168.71cm4，A=14.92cm2，r=3.36cm 臂架截面簡(jiǎn)圖如圖2-9所示， 圖2-9 圖2-10組合剪力Qx=186555N，吊臂側(cè)面如圖2-10所示。單根側(cè)綴條剪力： 單根斜綴條內(nèi)力：N=102278×2.29/2.193=106802N=229/3.31=68.1 (2)水平斜綴條100×5，I=168.71cm4，A=14.92cm2，r=3.36cm工況2：QY=36477N （3）水平橫綴條80×4， A=9.55cm2， r=2.69cm2.3.5、整體強(qiáng)度計(jì)算 截面A 截面B截面D故所選截面安全！設(shè)計(jì)總結(jié)隨著畢業(yè)日子的到來，畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。經(jīng)過數(shù)周的奮戰(zhàn)我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。在沒有做畢業(yè)設(shè)計(jì)以前覺得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這幾年來所學(xué)知識(shí)的單純總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)太片面