起重機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)精華版

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題 目：qtz80塔式起重機(jī)吊臂、起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)力特性分析院（部）： 機(jī)電工程學(xué)院專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化班 級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：完成日期：1目錄摘要 iiabstract iii1概述 41.1 本文的課題意義 41.2 工程起重機(jī)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 51.3 課題關(guān)鍵問題及難點(diǎn) 51.4 本文的研究?jī)?nèi)容 62起重臂方案設(shè)計(jì) 82.1 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì) 82.2 截面形式 82.3 臂架拉桿的構(gòu)造 113起重臂三維建模 123.1起重臂標(biāo)準(zhǔn)節(jié)建模 124起重臂有限元（ansys分析 164.1 ansys勺基本使用方法 164.2 qtz80點(diǎn)塔式起重機(jī)吊臂建模 1

2、64.3 吊臂各部分強(qiáng)度剛度驗(yàn)算 214.4 計(jì)算結(jié)果討論 284.5 塔機(jī)模態(tài)分析 295起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 335.1 起升機(jī)構(gòu)的組成布置方式 335.2 起升機(jī)構(gòu)的計(jì)算 34總結(jié) 41謝辭 42參考文獻(xiàn) 43摘要塔機(jī)在我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中， 發(fā)揮著越來越重要的作用。設(shè)計(jì)的 合理與否直接關(guān)系到塔機(jī)的性能和成本，關(guān)系一個(gè)企業(yè)的生存與發(fā)展。本文將對(duì)qtz80 塔式起重機(jī)的起重臂、起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)做一下詳細(xì)說明。本文對(duì)qtz80塔式起重機(jī)起重臂的截面形式，起升機(jī)構(gòu)的電機(jī)以及起升機(jī)構(gòu)的各 種性能和參數(shù)做出了詳細(xì)說明。以三維造型軟件solid works為基礎(chǔ)完成qtz80型塔式起重機(jī)起重臂的

3、三維零件圖的繪制并完成起重臂的裝配，運(yùn)用ansy馱件對(duì)qtz8塔式起重機(jī)起重臂進(jìn)行了有限元分析，獲得起重臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，確定起重臂作業(yè)時(shí) 的危險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)塔身的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算，從而判斷該設(shè)計(jì)的性能是否滿足設(shè)計(jì)要求， 最后又用ansy漱件對(duì)qtz8cm機(jī)整體進(jìn)行了模態(tài)分析，得到整個(gè)塔機(jī)的動(dòng)力特性。 關(guān)鍵詞：三維造型；起重臂；起升機(jī)構(gòu)；有限元；動(dòng)力特性ii1abstracttower crane in chinas infrastructure construction and development of the national economy, playing an increasing

4、ly 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 organization s design.in this paper, a detai

5、led explanation will be made about qtz80 tower crane arms cross-section form,the motor of the rising organization and the rising organization 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 soft

6、ware 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

7、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;finiteelement;dynamic characteristicsiii1 概述1.1 本文的課題意義根據(jù)塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 ( gb/ t13752- 92), 塔機(jī)的設(shè)計(jì)壽命應(yīng)在1530 年間，塔式起重機(jī)的破壞主要發(fā)生在塔身、起重臂、平衡壁三大

8、金屬結(jié)構(gòu)上。塔機(jī)安裝、 使用、 拆除的任何一個(gè)環(huán)節(jié)上有問題都可能造成事故。 影響工期的完成，嚴(yán)重的造成人身安全。截至06 年上半年三峽工程就有100 多建設(shè)者獻(xiàn)出了寶貴的生命， 2 北京建筑土程學(xué)院的王凱輝等幾名老師對(duì)北京地區(qū)的塔式起重機(jī)安全事故進(jìn)行了調(diào)查3 ， 得出安全事故比例構(gòu)成為 : 塔身折斷或受傷占35.7%起重臂折斷或受傷占28.6%平衡臂折斷或受傷占14.3%，其他占21.4% 。破壞的主要原因有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、制造質(zhì)量不過關(guān)、施工人員操作不規(guī)范、過載、低溫脆性，應(yīng)力腐蝕和疲勞等。在幾起該類事故中， 4 均看到了臂架腹桿斷面有銹蝕的舊痕， 表明原內(nèi)部存在有裂縫， 從折斷腹桿取樣發(fā)現(xiàn)

9、， 焊縫脫開的腹桿失去承載能力之后， 在起吊載荷作用下， 引起吊臂各桿件內(nèi)力重新分布致使受壓的腹桿因超載而失穩(wěn)， 這些腹桿失穩(wěn)彎折后， 起重臂截面高度減小， 使該段吊臂失去承載能力而折曲。所發(fā)生的事故多是在焊接過程中的咬邊、焊瘤、夾渣、氣孔、未焊透和裂紋等缺陷造成的。而起重臂設(shè)計(jì)不合理這項(xiàng)原因所占比例最大。塔式起重機(jī)主要是在循環(huán)變化的載荷或隨機(jī)載荷作用下工作， 塔臂連接銷釘之間磨損嚴(yán)重且沒有得到及時(shí)的修整， 起重臂臂尖在起吊時(shí)重物時(shí)撓度過大嚴(yán)重影響牽引小車工作性能。據(jù)調(diào)查了解. 塔機(jī)臂架下弦桿連接銷掉出或造成折臂事故8 的現(xiàn)象比較普遍并且事故部位多在起重臂兩拉桿之間。安裝拆卸人員無塔機(jī)安裝拆卸

10、資質(zhì)，操作人員無起重機(jī)操作資格 9 。也是造成塔式起重機(jī)事故的主要原因。在科學(xué)研究方面， 新的理論、 新的計(jì)算方法的建立以及新產(chǎn)品的研制， 都必須經(jīng)過理論性的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)來證實(shí)其可行性和可靠性。 鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)合理的條件下， 突發(fā)的惡劣天氣也會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)造成比較嚴(yán)重的影響。 由于塔機(jī)在啟動(dòng)、 制動(dòng)和進(jìn)行耦合運(yùn)動(dòng)時(shí)， 機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)將承受強(qiáng)烈的沖擊振動(dòng)， 所以就需要準(zhǔn)確描述和精確計(jì)算塔機(jī)結(jié)構(gòu)體系在外激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)過程， 從而為塔機(jī)的設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)提供理論上的和實(shí)踐上的指導(dǎo)，這對(duì)于塔機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全性都具有非常重要的意義。1.2 工程起重機(jī)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀塔式起重機(jī)簡(jiǎn)稱塔機(jī)，發(fā)明于 20 世紀(jì)之初的歐洲。 19

11、00 年有了第一個(gè)塔機(jī)專利， 1905 年出現(xiàn)了塔身固定的臂架式起重機(jī)，第一次、二次世界大戰(zhàn)后塔機(jī)得到快速發(fā)展，近年更是呈現(xiàn)型式多樣、需求旺盛的局面。我國(guó)于 20 世紀(jì) 50年代從蘇聯(lián)和及歐一些國(guó)家引進(jìn)了塔式起重機(jī)， 它具有工作效率高、 使用范圍廣、回轉(zhuǎn)半徑大、 起升高度高、 操作方便以及安裝與拆卸比較簡(jiǎn)便等特點(diǎn)， 塔機(jī)作為建筑工地上的主要機(jī)械， 在施工中起著關(guān)鍵作用， 特別是改革開放以來， 塔式起重機(jī)在建筑場(chǎng)合的應(yīng)用更加廣泛。 從塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和性能看， 總的趨勢(shì)是向大噸位產(chǎn)品方向發(fā)展， 這是因?yàn)榇髧嵨凰狡鹬貦C(jī)在起重大型貨物時(shí)有它自己的優(yōu)勢(shì)， 特別是在現(xiàn)代城市建設(shè)和橋梁建設(shè)中大噸位起

12、重機(jī)起著不可替代的作用； 塔式起重機(jī)今后的發(fā)展的另一趨勢(shì)是設(shè)計(jì)計(jì)算原理的研究和改革。 在塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)計(jì)算中， 仍采用傳統(tǒng)的許用應(yīng)力計(jì)算法。 這種方法使用起來比較簡(jiǎn)便，但其缺點(diǎn)是對(duì)于不同用途、 不同工作性質(zhì)的結(jié)構(gòu)采用同一的安全系數(shù)， 而且安全系數(shù)往往偏大或過低 。因此按許用應(yīng)力法設(shè)計(jì)的起重機(jī)結(jié)構(gòu)，或多消耗金屬材料，或安全程度較低。隨著生產(chǎn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，試驗(yàn)研究工作的開展，人們利用計(jì)算機(jī)來計(jì)算塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和進(jìn)行動(dòng)力特性分析得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展， 人們對(duì)于塔式起重機(jī)性能要求越來越高， 不僅要求起重機(jī)重量輕、 剛性好、 作業(yè)空間大， 而且要求起重機(jī)小車和大車的運(yùn)

13、行速度高， 作業(yè)效率高等要求， 更重要的是要求塔機(jī)的人性化和智能化。 這樣就對(duì)起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性提出了更高的要求。 隨著起重機(jī)大型化， 小車和大車等機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度加快， 塔式起重機(jī)的安全問題變得越來越明顯， 起重機(jī)的安全問題現(xiàn)已成為企業(yè)和高校關(guān)心的熱點(diǎn)問題。1.3 課題關(guān)鍵問題及難點(diǎn)塔機(jī)作為建筑工地上的主要機(jī)械， 在施工中起著關(guān)鍵作用。 塔機(jī)的三大傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，特別是起升機(jī)構(gòu)工作性能的優(yōu)劣，是衡量塔機(jī)技術(shù)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志。起升機(jī)構(gòu)的主要功能是起吊重物， 在頻繁的起吊、 卸載和變速過程中， 起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的零部件都處在一個(gè)較大的交變應(yīng)力狀態(tài)中， 會(huì)因疲勞等原因造成其損壞， 一旦零件損壞

14、， 就會(huì)使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)失效， 其后果就會(huì)使吊運(yùn)在空中的重物突然失控下墜， 造成突發(fā)性事故， 這種情況在工地上時(shí)有發(fā)生。 它的發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。 對(duì)起升機(jī)構(gòu)的改進(jìn)難點(diǎn)在于如何保證整個(gè)起升機(jī)構(gòu)的零部件能夠保持在均等的使用壽命， 從而保證塔機(jī)的整體的使用壽命得到保證， 減少事故的發(fā)生。 這就需要在正確的確定塔機(jī)起重臂的截面和評(píng)估起升機(jī)構(gòu)的零部件的疲勞壽命的前提下， 進(jìn)行正確的有限元建模進(jìn)而得到較為精確的塔機(jī)的動(dòng)力特性， 從而為施工現(xiàn)場(chǎng)的操作制定一個(gè)正確的有科學(xué)依據(jù)的操作規(guī)程，進(jìn)而在提高塔機(jī)的使用壽命的同時(shí)減少以至避免事故的發(fā)生。金屬結(jié)構(gòu)是塔機(jī)的骨架， 起結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性決定著塔

15、機(jī)的工作可靠性和安全性。 因此， 結(jié)構(gòu)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析是塔機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)中一項(xiàng)極為重要的工作。 隨著有限元法理論的日益完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展， 越來越多的工程技術(shù)人員開始采用有限元法對(duì)塔機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析， 有限元法成為目前塔機(jī)結(jié)構(gòu)分析中最有效的數(shù)值方法。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出了諸如sap84 adlna,ansys,nastron名的有限元分析軟件，它們各具特點(diǎn)。隨著其它有限元分析軟件逐步在我國(guó)推廣使用，人們開始嘗試將其它軟件應(yīng)用于塔機(jī)的靜動(dòng)力分析，其中ansy馱件就是一種較 好的選擇。在使用ansys寸能否正確建模對(duì)得到最后的正確結(jié)果起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)檫@不僅僅意味著建模的成功與否， 還將作為指導(dǎo)

16、最后的現(xiàn)場(chǎng)施工的依據(jù)， 故 而這就成為了難點(diǎn) 。1.4 本文的研究?jī)?nèi)容塔式起重機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)試驗(yàn)技術(shù)不斷提出新的要求從而推動(dòng)了試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展， 而試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展又反過來推動(dòng)著起重運(yùn)輸機(jī)械的技術(shù)進(jìn)步。 近年來，在材料學(xué)、 電子學(xué)、 化學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面的研究成果， 不斷應(yīng)用于塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)制造中， 使試驗(yàn)技術(shù)達(dá)到相當(dāng)高的水平。 新技術(shù)的應(yīng)用不斷解決科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)際中出現(xiàn)的新問題， 提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)、 制造水平， 減少事故的發(fā)生將是今后一個(gè)時(shí)期專業(yè)技術(shù)人員所面臨的重要課題。 塔式起重機(jī)在使用過程中由于磨損等原因會(huì)使起重臂臂尖撓度過大進(jìn)而影響牽引小車工作性能， 因此在塔機(jī)設(shè)計(jì)中必須合理控制塔機(jī)各

17、部分的剛度使起重臂臂尖撓度在一定的范圍內(nèi)。 由于起重臂臂尖撓度是塔機(jī)整機(jī)變形的綜合結(jié)果而塔機(jī)各部分結(jié)構(gòu)形狀和連接形式很復(fù)雜所受載荷也很復(fù)雜不可能進(jìn)行手工分析和計(jì)算。起重臂設(shè)計(jì)所使用的計(jì)算理論 和方法對(duì)起重臂設(shè)計(jì)的影響非常大。 知名企業(yè)都有自己的科研機(jī)構(gòu)，對(duì)起重臂的 計(jì)算理論、制造工藝等都有深人的研究，有限元等方法的應(yīng)用，大大減輕了整機(jī) 的重量。我國(guó)許多企業(yè)也使用有限元法對(duì)塔機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論上的分析和塔臂變形 的驗(yàn)算。因而本文主要針對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。(1)塔式起重機(jī)起重臂在動(dòng)態(tài)有風(fēng)情況下的應(yīng)力與變形由于塔式起重機(jī)工作過程中的幅度、 吊重和風(fēng)向等條件是不斷變化的，本文 將對(duì)塔機(jī)在最大起重量(滿

18、載)、最大幅度、適度超載極限狀態(tài)下的塔臂的應(yīng)力 與變形。工作狀態(tài)風(fēng)載荷fw是起重機(jī)在正常工作情況下所能承受的最大計(jì)算風(fēng)力。(2)塔式起重機(jī)起重臂在靜態(tài)無風(fēng)情況下的應(yīng)力與變形在有限元求解設(shè)置中，實(shí)際上可以通過設(shè)置一系列載荷，對(duì)起重臂不同吊重、不同位置進(jìn)行加載分析，將起升載荷沿起重臂移動(dòng)求解，得到單一起升載荷 在不同位置時(shí)起重臂的應(yīng)力分布在移動(dòng)求解中，按塔機(jī)設(shè)計(jì)要求順序加載，在不 同工況下對(duì)塔臂不同位置進(jìn)行分析四種對(duì)應(yīng)位置如圖 1-1。|-l-rttt 一 d j. uj,衛(wèi)1lj1. l -位置1位置2 位置3位置4位置5位置6圖1-1平衡臂各個(gè)危險(xiǎn)截面示意本次利用ansysa件為基礎(chǔ)建立了塔機(jī)

19、整機(jī)有限元模型對(duì)該塔式起重機(jī)起 重臂臂強(qiáng)度剛度進(jìn)行有限元分析，獲得起重臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，確定起重臂作業(yè) 時(shí)的危險(xiǎn)點(diǎn)。相比國(guó)外塔式起重機(jī)都具有質(zhì)量輕、起重量大、使用壽命精確、零 部件更換周期明確等優(yōu)點(diǎn)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展塔機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用， 國(guó)外塔機(jī)廠 商的進(jìn)入肯定會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)塔式起重機(jī)廠家產(chǎn)生沖擊。提高塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)水平已迫 在眉睫。因此，希望我本人的研究能夠?yàn)樗狡鹬貦C(jī)的發(fā)展進(jìn)上微薄的力量。2起重臂方案設(shè)計(jì)2.1 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)(1)小車變幅水平臂架。特點(diǎn):應(yīng)用廣泛，吊載可借助變幅小車沿臂架全長(zhǎng)進(jìn)行水平位移，并能平移準(zhǔn)確的進(jìn)行安裝就位。分類及特點(diǎn)：?jiǎn)蔚觞c(diǎn)小車變幅臂架，靜定結(jié)構(gòu)，幅度在 40米以下多采

20、用。雙吊點(diǎn)小車變幅臂架，超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定幅度在 50米以上采用。(2)俯仰變幅臂架通過變幅機(jī)構(gòu)純輪系統(tǒng)進(jìn)行俯仰變化，從而能避開回轉(zhuǎn)中遇到的障礙物。(3)伸縮式小車變幅臂架能夠避開運(yùn)行中的障礙物。(4)折曲臂架適用冷卻塔、電視塔以及一些超高層建筑施工需要。綜上所述，起重臂采用小車變幅臂架，雙吊點(diǎn)。2.2 截面形式圖2.1圖2.2截面圖2.3圖2-1平衡臂及其截面形式(1)分類與特點(diǎn)為了使起重臂重量更輕，性能更強(qiáng)，在起重臂的設(shè)計(jì)中廣泛使用了超高強(qiáng)度鋼材諸于weldox960,weldox1100等新材料，起重臂截面的設(shè)計(jì)需要解決板 材屈曲的問題，各廠家都研究出了各自的解決辦法，國(guó)外知名廠家

21、采用了優(yōu)化的 截面形狀，許多公司采用橢圓形吊臂截面的概念，采用橢圓形截面抗扭性能顯著， 具有固有的獨(dú)特穩(wěn)定性和抗屈曲能力，部分企業(yè)采用大圓弧六邊形截面。目前， 橢圓形起重臂的技術(shù)其優(yōu)勢(shì)很明顯，由于不需采用加勁筋，因而每節(jié)臂截面的變 化很小，有利于減輕起重臂的重量，提高起重機(jī)的起重能力。但是截面的成型難 度大，生產(chǎn)周期長(zhǎng).我國(guó)幾乎所有雙吊點(diǎn)塔式起重機(jī)起重臂截面可以設(shè)計(jì)成三角形或者矩形如 下圖圖2-2常用平衡臂形式（2）采用矩形截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于矩形結(jié)構(gòu)（如圖2-2）當(dāng)塔機(jī)提升重物回轉(zhuǎn)時(shí)塔臂受到斜向下的合力 的作用，塔臂矩形截面容易變形且矩形結(jié)構(gòu)浪費(fèi)材料。所以宜采用三角形結(jié)構(gòu)。（3）采用三角形截面結(jié)

22、構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于正三角形結(jié)構(gòu)，（圖2-2）上弦桿通常采用圓鋼桿，下弦桿由角鋼拼焊 成矩形，兼做起重小車的運(yùn)行軌道。在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的桁架可看作懸臂梁， 承受橫 向載荷。對(duì)于倒三角形結(jié)構(gòu)（圖2-2）上弦桿通常是圓鋼管，下弦桿為工字鋼兼作起重小車的運(yùn)行軌道。臂架根部通過銷軸與塔身連接，臂架上設(shè)有吊點(diǎn)通過鋼絲純 或剛拉桿與他冒頂部連接。（4）截面采用三角形結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性采用倒三角形（圖2-2 ）提升小車需要卡在工字鋼上，對(duì)工字鋼的材料要 求和焊接要求比較高且成本較高。采用正三角形（圖2-2）小車可以卡在a b邊上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單且安全可靠。采用正三角形c處吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)比較容易，當(dāng)采用倒三角形時(shí) d e桿件還 需要

23、另外的附加結(jié)構(gòu)。（5）腹桿布置表2-1腹桿布置比較側(cè)腹桿人字式（a）（小塔用）一順斜置式（b）（大塔用）應(yīng)用區(qū)段不受限制斜桿受拉，最宜用于吊點(diǎn)以外懸臂部分腹桿與弦桿相交的焊縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，強(qiáng)度易保證長(zhǎng)度較短，質(zhì)量不易保證焊接艾形較均勻不均勻節(jié)點(diǎn)焊縫較好較不布置制約的影響便于布置小車變幅機(jī)構(gòu)不便于布置小車變幅機(jī)構(gòu)選b主要從受力來考慮，b受力好 腹桿展開圖abc圖2-3腹桿展開圖分類:a 一順式腹桿布置均勻，焊縫不過于集中b 交錯(cuò)對(duì)稱式焊縫過于集中c 密集布置式當(dāng)臂架幅度大，下弦采用槽鋼時(shí)用正三角截面起重臂的腹桿體系采用人字式布置方式， 加工方便， 便于布置小車變幅機(jī)構(gòu)，腹桿體系為三角形，對(duì)于三角形結(jié)

24、構(gòu)，上弦桿使用圓鋼管，下弦桿由角鋼拼焊成， 兼作起重小車的運(yùn)行軌道。 在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的桁架可看作是懸臂梁，承受橫向載荷。 倒三角結(jié)構(gòu)上弦桿通常是圓鋼管， 下弦桿位工字鋼兼作起重小車的運(yùn)行軌道。 臂架根部通過銷軸與塔身聯(lián)接， 臂架上設(shè)有吊點(diǎn)通過鋼絲繩或鋼拉桿與塔帽頂部連接。 為便于安裝運(yùn)輸和組成不同長(zhǎng)度臂架， 吊臂一般分成若干段，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。桁架式水平臂架大都采用正三角截面，故此處選用如圖 a 所示的正三角截面。2.3 臂架拉桿的構(gòu)造俯仰變幅臂架一般使用鋼絲繩拉索，而小車變幅臂架既可以使用鋼絲繩拉索， 也可以使用鋼拉桿。 鋼拉桿一般采用扁鋼板、 實(shí)

25、心圓鋼或者厚壁無縫鋼管制成。拉桿也可以分成若干段，各段通過連接板及銷軸鏈接而成。吊點(diǎn)選擇與構(gòu)造臂架總長(zhǎng)在 50 m 以上應(yīng)采用雙吊點(diǎn)。（ 1）柔性拉桿（或稱鋼絲繩拉桿）使用時(shí)間較長(zhǎng)后， 鋼絲繩會(huì)產(chǎn)生自身變形， 導(dǎo)致起重臂向下傾斜， 所以需經(jīng)常檢驗(yàn)、更換，提高了生產(chǎn)成本。（ 2）剛性組合拉桿一次性投入，降低了生產(chǎn)成本；另外，能夠克服柔性拉桿帶來的負(fù)面影響。剛性組合拉桿可分為：扁鋼拉板、實(shí)心圓鋼拉桿、厚壁無縫鋼管拉桿、角鋼對(duì)焊方形斷面空腹拉桿。暫定為實(shí)心圓鋼拉桿，雙吊點(diǎn)。3起重臂三維建模3.1起重臂標(biāo)準(zhǔn)節(jié)建模進(jìn)入如圖3-1所示的solidworks建模頁面，選擇一個(gè)繪圖平面進(jìn)行臂節(jié)建模圖3-1 s

26、olidworks 繪圖界面如下圖所示分別繪出第一節(jié)到第四節(jié)起重臂進(jìn)而繪出剩余的幾節(jié)并裝配成起重 臂裝配圖圖3-2第一節(jié)起重臂圖3-3第二節(jié)起重臂圖3-4第三節(jié)起重臂圖3-5第四節(jié)起重臂圖3-6起重臂裝配圖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對(duì)物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）的模擬，是真實(shí)情況的數(shù)值近 似。通過對(duì)分析對(duì)象劃分網(wǎng)格，求解有限個(gè)數(shù)值來逼近和模擬真實(shí)環(huán)境的無限個(gè) 未知量。ansy分析過程包含以下三個(gè)主要步驟創(chuàng)建有限元模型：1.施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件。2.求解。查看結(jié) 果：（1）查看分析結(jié)果。（2）檢驗(yàn)結(jié)果（分析是否正確）具體如圖 4-1建模加

27、輯求解定仙藥那 i定貨業(yè)務(wù)“就q結(jié)果墀拚求解圖4-1 ansys分析流程圖4.2 qtz80點(diǎn)塔式起重機(jī)吊臂建模由于回轉(zhuǎn)支承等實(shí)體部件相對(duì)塔機(jī)整體結(jié)構(gòu)而言幾何尺寸較小，而剛度較大、質(zhì)量較為集中，當(dāng)對(duì)塔機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析時(shí)，可以將回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)等實(shí)體 部件采用來梁?jiǎn)卧M(jìn)行等效，使塔機(jī)的整體整體分析中只包含梁?jiǎn)卧?避免了具 有不同節(jié)點(diǎn)自由度的梁?jiǎn)卧桶鍤卧穆?lián)接問題。另外，一般塔機(jī)都具有幾百甚至幾千根桿件，只輸入數(shù)據(jù)文件已經(jīng)很大，如果在同時(shí)分析回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的板殼結(jié) 構(gòu)，更將大大增大數(shù)據(jù)文件，甚至超出了計(jì)算機(jī)的工作能力。 在作完整體分析之 后， 再將整體分析中得到的等效單元的節(jié)點(diǎn)力作為外載荷， 采用板

28、殼單元單獨(dú)分 析回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定， 塔機(jī)必須工作在材料彈性范圍內(nèi)， 且對(duì)一般的中小型 塔機(jī)的分析不必考慮非線性因素，只考慮線性分析。ansysi供了多種梁桿單元，在塔機(jī)分析中以梁?jiǎn)卧獮橹鳎瑮U單元用的很少, 而且可用梁?jiǎn)卧?。塔機(jī)是一種空間結(jié)構(gòu)，ansy馱件提供的常用彈性三維梁?jiǎn)卧?beam4 、 beam44 、 beam188 和 beam189 ，它們都有各自的特點(diǎn)，能 滿足不同的分析要求，常用梁?jiǎn)卧饕再|(zhì)見下表表 4-1 梁?jiǎn)卧匦詥卧Q節(jié)點(diǎn)自由度階次是否考慮是否支持截面是否支持變數(shù)剪切變形定義截面beam46線性否是否beam246線性否是否beam446線性否是是

29、beam1886或7線性是是否beam1896或7二次是是否塔機(jī)結(jié)構(gòu)中有許多較短的桿件， 如塔身接頭、 吊臂接頭等都屬于深梁， 用普 通梁?jiǎn)卧?huì)帶來較大的誤差， 所以塔機(jī)分析軟件應(yīng)使用 beam188 單元 （線 性梁?jiǎn)卧┗?beam189單元（二次梁?jiǎn)卧?，通常采?beam188i1元即可。beam188和beam189單元均以timoshenko梁理論為基礎(chǔ)，其形函數(shù)中撓度和 截面轉(zhuǎn)動(dòng)各自獨(dú)立插值，并考慮了剪切變形的影響。beam188 單元支持截面定義功能， 使用者可使用截面定義命令（sectype、secdata）方便的定義截面形狀，并可在圖形用戶界面下繪制已定義的假面圖 形（

30、secplot）,以檢查截面定義的正確性。因?yàn)?beam18即元具有塔機(jī)分析所 要求的功能，因此，在塔機(jī)分析中使用 beam18期元即可得到滿意的結(jié)果。4.2.1 主梁的有限元建模1、定義單元類型gui:main menupreprocessorelement typeadd/edit/delete 單元類型選擇beam 2node 188。2、定義材料屬性gui:main menupreprocessormaterial props material models structurallinearelasticisotropic彈性模量 ex:2.06e11pa;泊松比prxy :0. 3;

31、密度 dens:7.85e6kg/m3 ;3、創(chuàng)建模型第一步，確定主梁各個(gè)節(jié)點(diǎn)的空間位置，然后在有限元中創(chuàng)立關(guān)鍵點(diǎn)，具體 做法如下gui:main menupreprocessormodelingcreatekeypoints創(chuàng)建完后的起重臂的關(guān)鍵點(diǎn)，創(chuàng)建完點(diǎn)后，主梁由幾種不同的材料焊接而成，連接關(guān)鍵點(diǎn)前先設(shè)置材料的截面形式，步驟如下：gui:main menupreprocessorsectionsbeamcommon sections定義材料的截面，口鋼型號(hào)分別為：口 109x 109x10、d97x97x8 d87x87x 8鋼型號(hào)分別為： 60x4、50x4、45x4、36x3l鋼型號(hào)

32、為：50x50x5鋼型號(hào)為：小60然后用線將各點(diǎn)按照主梁各桿件的連接方法依次按照其截面形式連接（圖4-5）gui:main menupreprocessormodelinglines然后要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。gui:main menupreprocessormeshingmeshtool 1elementsanjun 19 200822:31:37圖4-3施加約束圖4-2劃分網(wǎng)格完成圖4.2.2施加約束anjun 19 200822:37:161lines132type numurot4.2.3施加載荷1 .施加風(fēng)載荷計(jì)算風(fēng)載荷公式fw=cwlpwa (n)(4-1) 式中：fw-作用在塔式

33、起重機(jī)上和物品時(shí)上的風(fēng)載荷(fwi , fw2), n; fw = fwi + fw2;cw 風(fēng)力系數(shù)；pw-計(jì)算風(fēng)壓，pw=250pa;a-提示起重機(jī)或物品垂直于風(fēng)向的迎峰 面積，m2 ;a = alla2(4-2)a -前片結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積(m ) , a = ila)i ;a2 -后片結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積(m2) , a2 =%及；州-兩片相鄰桁架的前片對(duì)后片的 擋風(fēng)折減系數(shù)。a =0.4 56,831 1.1 0.49 0.4 56,831 1.1 =37.258m2作用在塔機(jī)上白風(fēng)載荷為：fw1=1.9 250 37.258 = 17697.55n起吊物品的風(fēng)載荷為：fw2 =3% fq=3

34、% 80000 = 2400n作用在塔機(jī)上的風(fēng)載荷為：fw = fw1 - fw2 =17697.55 2400 = 20097.55n2 .施加額定起重重量分別施加各個(gè)截面處的額定起重重量3 .3吊臂各部分強(qiáng)度剛度驗(yàn)算anjun 16 200821:59:434.3.1吊臂根部截面變形、應(yīng)力1displacementstep=1sub =1time=1 dmx =.0087圖4-4吊臂根部截面變形1element solutionstep=1sub =1time=1smis31 (noavg) dmx =.0087smn =-.632e+08smx =.230e+08anjun 16 200

35、8 22:00:38-.632e+08-.537e+08-.345e+08 乃日08-.153e+087.381e+07 “由8.230e+08圖4-6風(fēng)載荷作用下的變形anjun 22 200815:32:47圖4-5吊臂根部截面應(yīng)力風(fēng)載荷作用下的變形、應(yīng)力1displacementsub =1time=1 dmx =.6041351element solutionsub =1time=1smis31 (noavg) dmx =.604135smn =-.932e+08smx =.933e+08anjun 22 2008 15:33:09-.932e+08-.725e+08-.517e+08

36、-.310e+08-仙日08.104e+08.08.518e+08辦日。8.933e+08圖4-8吊臂根部到第一個(gè)吊點(diǎn)之間的跨中截面變形圖4-7風(fēng)載荷作用下的應(yīng)力4.3.2 吊臂根部到第一個(gè)吊點(diǎn)之間的跨中截面an1displacementstep=1sub =1time=1dmx =.0186711element solutionstep=1sub =1time=1smis31 (noavg)dmx =.018671smn =-.104e+09smx =.465e+08anjun 22 200815:43:21-.104e+09-.874e+08-.707e+08-.539e+08me08-.

37、205e+08由07.130e+08朝日08.465e+08圖4-10第一個(gè)吊點(diǎn)截面變形圖4-9吊臂根部到第一個(gè)吊點(diǎn)之間的跨中截面應(yīng)力4.3.3 第一個(gè)吊點(diǎn)截面anjun 16 200822:02:321displacementstep=1sub =1time=1dmx =.0201961element solutionstep=1sub =1time=1smis31 (noavg)dmx =.020196smn =-.632e+08smx =.230e+08jun 16 200822:03:01-.632e+08-.537e+08-.345e+08必由08-.153e+08-7.381e+0

38、7.134e+08.230e+08圖4-12第一個(gè)吊點(diǎn)到第二個(gè)吊點(diǎn)之間的跨中截面變形圖4-11第一個(gè)吊點(diǎn)截面應(yīng)力4.3.4 第一個(gè)吊點(diǎn)到第二個(gè)吊點(diǎn)之間的跨中截面1displacementstep=1sub =1time=1dmx =.0847641element solutionstep=1sub =1time=1smis31 (noavg)dmx =.084764smn =-.104e+09smx =.465e+08anjun 22 200815:46:36-.104e+09-.874e+08-.707e+08-.539e+08me08-.205e+08由07.130e+08朝日08.465

39、e+08圖4-14第二個(gè)吊點(diǎn)截面變形圖4-13第一個(gè)吊點(diǎn)到第二個(gè)吊點(diǎn)之間的跨中截面應(yīng)力4.3.5 第二個(gè)吊點(diǎn)截面anjun 10 200813:30:061displacementstep=1sub =1time=1dmx =.1287111element solutionstep=1sub =1time=1lsi (noavg)dmx =.128711smn =-.376e+08smx =.445e+08anjun 10 200813:29:53-.376e+08-.193e+08-.109e+07.172e+08.354e+08-.284e+08-.102e+08.804e+07.263e

40、+08.445e+08圖4-16最大幅度截面變形圖4-15第二個(gè)吊點(diǎn)截面應(yīng)力4.3.6 最大幅度截面anjun 10 200813:32:201displacementstep=1sub =1time=1dmx =.1704711element solutionstep=1sub =1time=1lsi (noavg)dmx =.170471smn =-.376e+08smx =.445e+08anjun 10 200813:32:45-.284e+08-.102e+08日”.804e+07汨08.263e+08優(yōu)但08.445e+08圖4-17最大幅度截面應(yīng)力4.4計(jì)算結(jié)果討論將上述結(jié)果總結(jié)

41、列表如下:表4-2各截面工況應(yīng)力位移工況應(yīng)力位移工況一吊臂根部截面63.2mpa8.7mm風(fēng)載荷作/93.2 mpa604mm工況二吊臂根部到第一個(gè)吊點(diǎn)之間的 跨中截面104mpa18.67m m工況三第一個(gè)吊點(diǎn)截面63.2mpa20.196mm工況四第一個(gè)吊點(diǎn)到第二個(gè)吊點(diǎn)之間 的跨中截面104mpa83.427mm工況五第二個(gè)吊點(diǎn)截面44.5mpa128.711m m工況六最大幅度截面44.5mpa170.471m m最大應(yīng)力兩個(gè)跨中截回104mpa最大靜剛度最大幅度截面170.471mm4.4.1 強(qiáng)度計(jì)算討論討論金屬結(jié)構(gòu)材料采用 q235鋼，其屈服極限為os=235mpa載荷組合ii結(jié)構(gòu)

42、強(qiáng) 度許用應(yīng)力為：、s 235k- .1 - -=176.69mpa _ 104mpa1.33 1.33根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 gb3811-83，桁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。4.4.2靜剛度計(jì)算討論按照起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 gb3811-83，起重機(jī)主梁跨中垂直靜撓度許用值滿足要根據(jù)文獻(xiàn)起重機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)制造新工藝與質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，起重機(jī)的水平剛度規(guī) 定，起重機(jī)跨中在水平方向引起的變形應(yīng)力不大于s/2000 ,這里均符合要求。4.5塔機(jī)模態(tài)分析模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的一種技術(shù)，這些振動(dòng)包括：固有頻率、振型、振型參與系數(shù)(即在特定方向上某個(gè)振型在多大程度上參與了振動(dòng))等。 模態(tài)分析是所有動(dòng)態(tài)分析類型的最基

43、礎(chǔ)的內(nèi)容。ansys模態(tài)分析的過程由4個(gè)主要步驟組成：(1) .建模。(2) .選擇分析類型和分析選項(xiàng)。(3) .施加邊界條件并求解。(4) .評(píng)價(jià)結(jié)果。4.5.1 建模建模過程主要在預(yù)處理器中進(jìn)行，包括定義單元類型，單元實(shí)常數(shù)，材料參 數(shù)及幾何模型。建模過程需要注意以下兩點(diǎn)：必須定義密度(dens)只能使用線性單元和線性材料，非線性性質(zhì)將被忽略。其操作為：gui:main menupreprocessormaterial props material modelsstructurallinearelasticisotropic彈性模量ex：2.06e11mpa；泊松比prxy： 0.3；密度

44、 dens：7.85e3kg / m3定義單元類型：gui:main menupreprocessorelement typeadd/edit/delete單元類型選擇 beam 2node 188。在 ansys 環(huán)境下確定塔機(jī)個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，之后連線，建立塔機(jī)模型。4.5.2 選擇分析類型和分析選項(xiàng)這一步要選擇模態(tài)分析類型、 模態(tài)提取選項(xiàng)和模態(tài)擴(kuò)展選項(xiàng)等。 選擇模態(tài)分析類型，可選擇main menusolutionanalysis typenew analysis 命令，在彈出【new analysis對(duì)話框中選擇【model單選按鈕即可。選擇模態(tài)提取選項(xiàng)的步驟如下： . 選擇 main me

45、nusolutionanalysis type analysis option 命令。 .在【mode extraction method單選列表框中選擇【block lanczos】模型 提取方法；在【no.of modes to extract!文本中輸入模態(tài)提取數(shù)目10。單擊ok 按鈕即可。選中【expand mode shapes后面的yes復(fù)選框。4.5.3 網(wǎng)格劃分、施加邊界條件并求解網(wǎng)格劃分如圖 4-18， 施加邊界條件的基本操作和靜力分析相同， 因?yàn)檎駝?dòng)被 假定為自由振動(dòng)，所以外部載荷將被忽略。1elementsanurotjun 23 200820:25:27tatijian

46、mo圖4-18塔機(jī)整體劃分網(wǎng)格選擇 main menusolutioncurrent ls 即可進(jìn)行求解。4.5.4評(píng)價(jià)結(jié)果這一步的操作主要在通用后處理中進(jìn)行。顯示固有頻率可選擇mainmenugeneral postoroc results summary#令，列表顯示各個(gè)模態(tài)。在【no. of modes to extract文本中輸入模態(tài)提取數(shù)目為 6時(shí)：* index of data sets on results file *set time/freq1 0.97383e-012 0.147243 0.152524 0.164185 0.295296 0.41795load step

47、substepcumulative111122133144155166隨著模態(tài)提取數(shù)目的增加，可以得到結(jié)構(gòu)的不同頻率，可以為下面機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)作為參考，并使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中固有頻率盡量遠(yuǎn)離塔機(jī)結(jié)構(gòu)的固有頻率，以避免塔機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)固有頻率接近而發(fā)生共振。由振動(dòng)理論可知 , 對(duì)于塔機(jī)這樣一個(gè)多自由度系統(tǒng)而言 , 低階固有頻率對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)貢獻(xiàn)較大, 而高階固有頻率影響較小 , 所以對(duì)塔機(jī)系統(tǒng)而言只要提取其低階固有頻率就能很好反映系統(tǒng)動(dòng)力特性。起升機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)2種轉(zhuǎn)速的頻率為0.95hz或1.78hz,起升機(jī)構(gòu)的頻率較第二階相差較遠(yuǎn)， 故滿足設(shè)計(jì)要求， 由于風(fēng)載的頻率在0. 25 hz 左右變化與第一階振型的頻

48、率相差很遠(yuǎn), 可不考慮其對(duì)塔機(jī)的影響。5起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1 起升機(jī)構(gòu)的組成布置方式塔式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)通常由電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器、卷筒、鋼絲純、滑 輪組及吊鉤等零部件組成。如下圖所示261-電動(dòng)機(jī)；2-聯(lián)軸器13-減速器；4-卷筒w 5- 導(dǎo)向滑輪16-滑輪含瓦7-吊鉤圖5-1起升機(jī)構(gòu)布置示意圖電動(dòng)機(jī)采用交流異步電動(dòng)機(jī)；制動(dòng)器應(yīng)是常閉式，并采用塊式制動(dòng)器具上裝 有電磁鐵作為自動(dòng)松閘裝置，并與電動(dòng)機(jī)相連鎖，即電動(dòng)機(jī)通電時(shí)松閘，電動(dòng)機(jī) 斷電時(shí)上閘，以保證起升機(jī)構(gòu)的正常工作和安全可靠；減速器采用圓柱齒輪減速 器，效率高，功率范圍大，已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，但體積重量較大，可選用帶減速器的電 動(dòng)機(jī)以解決這一問題

49、；卷筒、鋼絲純、滑輪組及吊鉤等在下面的具體計(jì)算中根據(jù)需要具體選用。5.2 起升機(jī)構(gòu)的計(jì)算5.2.1 起升機(jī)構(gòu)工作級(jí)別1、載荷狀態(tài)q22、利用等級(jí)u43、工作級(jí)別a4、起升等級(jí)hc25.2.2 主要性能參數(shù)：起升速度：高速： 56m min低速：20m； min5.2.3 鋼絲繩的選擇：按正常工作狀態(tài)選擇鋼絲純：鋼絲繩的最大靜拉力：smax = -fq- (n)(5-1 )a x式中：fq -最大起升載荷。fq = p fq =8000 9.8+8000 9.8 3.5%=81144nn-滑輪組及導(dǎo)向滑輪總效率=0.975 0.95=0.923p -最大起重量fq -釣鉤組重(由表5-2)0 -

50、滑輪組倍率max811444 0.923=21978.33 n計(jì)算鋼絲繩直徑：d = c父a ;(5-2)式中：d鋼絲繩最小直徑，mmc 選擇系數(shù)(mm/n n )、見表2-2;smax- 鋼絲繩最大靜拉力,no得出：dmin =14.08 mmio 取 d=14.5 mm故選用鋼絲繩不得小于上述計(jì)算值，所以選擇鋼絲純規(guī)格為 6x19-14.5-1770- ?甲鍍右交。5.2.4 卷筒設(shè)計(jì)1 .主要參數(shù)確定(1)卷筒直徑的計(jì)算卷筒最小直徑：dmin=hxd =18父14.5(5-3)=261 mm ( h 見表 2-7)式中：h -與機(jī)構(gòu)工作級(jí)別和鋼絲純機(jī)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)；d-鋼絲繩直徑。(2)卷筒長(zhǎng)度及卷繞層數(shù)的確定設(shè)定鋼絲繩全部卷入時(shí)需繞3層，最大起升高度時(shí)繞入卷筒的純長(zhǎng)；l/ =h 父口 +z0wn 叩=50000m 4+3父3.14父275.5(5-4)=202595.21mm式中：h 起重機(jī)最大起升高度，mm口-滑輪組倍率；zo-附加安全系數(shù)，取z0=3;h其升級(jí)最大起升高度，mmdi-卷筒計(jì)算直徑(鋼絲繩截面中心距)。在卷筒上繞4層時(shí)能繞入的純長(zhǎng)：di = d dd2 二 d 3 dd3