塔式起重机传动机构设计

1.塔式起重机概述

在建筑安装工程中，能同时完成重物的垂直升降和水平移动的起重机很多，其中应用最广泛的是塔式起重机。塔式起重机具有其他起重机械难以相比的优点，如塔身高，起重臂长，有效作业面广，能同时进行起升，回转行走，变幅等动作，生产效率高；采用电力操纵，动作平衡，安全可靠；结构相对较为简单，运转可靠，保养维修业较为容易。因此，他是起重机已成为现代工业与民用建筑不可缺少的主要施工机械。

塔式起重机工作高度大，一般自升式塔机工作高度可在100m左右，特殊用途的可在300m以上。因此塔机的起升机构必须要有较大的容绳量。塔机起升起升机构的卷筒都采用多层缠绕的方式。塔机分为上回转塔机（本次设计题目）和下回转塔机两大类。其中前者的承载力要高于后者，在许多的施工现场我们所见到的就是上回转式上顶升加节接高的塔机。按能否移动又分为：行走式和固定式。固定式塔机塔身固定不转，安装在整块混凝土基础上，或装设在条形式X形混凝土基础上。在房屋的施工中一般采用的是固定式的。

塔机机械通常结构庞大，机构复杂。塔机的工作机构有五种：起升机构（本次设计题目）、变幅机构、小车牵引机构、回转机构和大车走行机构(行走式的塔机)。

2.专业课程设计的题目

上回转自升式塔式起重机起身机构设计

型号：QTZ200

起重力矩（Kn·m）：2000

最大幅度/起重载荷（m/KN）：40/35

最小幅度/起重载荷（m/KN）：10/200

起升高度（m）：162（附着式）55（固定式）

工作速度（m/min）：6~80（2绳）3~40（4绳）

起重臂长（m）：40

平衡臂长（m）：20

3.塔式起重机起升机构设计

起重机起升机构用来实现物品的上升与下降。起升机构是任何起重机必须具备的，使物品获得升降运动的基本组成。起升机构工作的好坏将直接影响整台起重机的工作性能。塔式起重机起升机构具有一般起重机起升机构的组成特点。起升机构应具备起升高度大、制动平稳、慢速就位、就位准确、起升速度可调等特点。

起升机构的组成和工作原理

起身机构主要由驱动装置（原动机）、传动装置（减速器）、卷筒、滑轮组、取

物装置（吊钩组）和制动装置组成。此外，还可装设各种辅助装置，如起升高度限位器，力矩限制器，三圈保护等安全装置，特别是在中、大吨位起重机上，力矩限制器越来越重要。

其工作原理（如下图）是原动机经过减速器后驱动卷筒旋转，使钢丝绳卷进卷筒或由卷筒放下，从而使吊钩升降。

1.电动机

2.制动器

3.减速器

4.卷筒

5.滑轮

6.钢丝

7.吊钩

塔式起重机多采用单卷筒单轨式的起升机构，起升机构在工作时起动制动频繁，并且常带载起动，多采用专用电动机。起升机构的制动器必须是常闭式，这有利于塔机带载工作时的安全。升降吊钩时需要打开制动器使电机输出的动力经联轴器和减速器驱动起升卷筒旋转，收放钢丝绳带动吊钩升降；当升降到预定高度后则停止电机，同时制动器制动使传动轴减速停止，吊钩及重物就可以停止在空中完成起升运功。

起升机构的常见驱动及驱动方案的选择

起重机起升机构常见的驱动型式按动力装置的不同可分为内燃机驱动、电力驱动、复合驱动。

1.内燃机驱动

内燃机经由机械传动装置驱动起升卷筒，属于集中驱动。这种驱动方式的优点是具有自身独立的能源，机动灵活，适用于流动作业的流动式起重机。为保证各机构的独立运动，整机的传递系统复杂笨重。由于内燃机不能逆转，不能带载启动，需依靠传递环节的离合器实现启动和换向。这种驱动方式调速困难，操作麻烦，属于淘汰类型。目前只在现有少数履带起重机的铁路起重机上应用。

2.电动机驱动

电动机经机械传动装置驱动起升卷筒，属于分别驱动。直流电动机的机械特性适合起升机构工作要求，调速性能好，但获得直流电源较困难，机动性较差。在大型的工程起重机上，常用内燃机和直流电机实现直流传动。交流电动机驱动能直接从电网取得，操纵简单，维护容易，机组重量轻，工作可靠，在电动机起升机构中被广泛采用。常用于塔式起重机、桥式起重机、龙门起重机等。

3.复合驱动

常见有内燃机-电力复合驱动、内燃机-液压（液力）复合驱动。这种驱动型式兼有内燃机驱动和电力驱动二者的优点，常用于履带式和轮胎式起重机。

由于本次课程设计为上回转自升式塔式起重机QTZ200需要获得几个不同的起升速度，鉴于电动机驱动的调速可调性且调速范围大调速稳定等特点，且相对与复合驱动结构更简单，价格更低廉，故选用电动机驱动即可满足使用要求。

起重机起升机构的布置方案

起重机常见的布置有展开式布置、同轴线布置、其它布置等。

展开式布置

电动机与卷筒并列是大多数起重机的展开式布置型式。电动机通过二级标准齿轮减速器带动卷筒。

同轴线布置

电机与卷筒成同轴线布置，行星减速器安装于卷筒内。这种布置十分紧凑，便于机构的布置，但是维修稍微不便。

其它布置型式

起重机还有双卷筒式，采用液压油马达直联卷筒驱动等型式。但不多见于塔式起重机。

综合考虑本次课程设计的的各项参数需要获得不同速度且调速范围比较大且稳定故可选用展开式布置。为了获得较宽的调速可选用电动机驱动。电动机与减速器之间采用弹性柱销联轴器来补偿安装位置误差，且能弥补双电机排列结构位置过于紧凑的不足，使机构布置均匀美观。为了使制动器在制动时受到的扭矩比较小，使制动更加准确快速，故安装在减速器的高速轴上。同时为了美观可安装于减速去高速轴另一端的输出轴上。同时起重机起升机构的制动器既是制动装置又是安全装置，故应选用常闭制动器。

钢丝绳的穿绕

采用不同门数的滑轮组和不同的穿绕方式，可得到不同的起重滑轮组倍率。由于本次课题QTZ200起重机最大载荷为200kN（20t）故采用两门滑轮组，倍率为4以获得较合理的扩力比。（钢丝绳与滑轮组缠绕如下图）

卷筒与减速器的联接方式

起升卷筒与减速器的联结方式：卷筒轴的右端支承在球面滚动轴承上，其左端与末级开式齿轮传动的大齿轮通过螺栓和抗剪套筒联结起来。

4.起升机构的设计计算

起升机构的设计计算，是在根据总体设计的要求选择合理的结构型式和确定机构传动布置方案后，按给定的整机参数确定起升机构的参数（最大额定起重量、起升高度、起升速度等），进行动力装置的选择计算，确定或设计确定各起重零部件的类型和尺寸。

设计技术参数

型号：QTZ200

起重力矩（Kn·m）：2000

最大幅度/起重载荷（m/KN）：40/35

最小幅度/起重载荷（m/KN）：10/200

起升高度（m）：162（附着式）55（固定式）

工作速度（m/min）：6~80（2绳）3~40（4绳）

起重臂长（m）：40

平衡臂长（m）：20

机构工作级别

塔式起重机的工作级别是设计人员进行结构、机构设计计算的依据。一台好的塔式起重机设计应充分考虑机器的使用条件，这样设计出来的机器在安全和寿命方面才有可能较为接近实际的要求。列出了我国《塔式起重机设计规范》（GB/T13752――1992）规定的塔式起重机工作级别的划分标准。从表中可以看出根据其使用条件中的两个最主要特征因素“载荷状态”（以名义载荷谱系数表征）和“利用级别”（以塔式起重机总的工作循环数表征）分为A1~A6共六个工作等级，目的是为了合理设计、制造和使用；塔式起重机，提高零部件的三化“水平”，以取得较好的经济指标。

利用等级

塔式起重机的“利用等级U”用来表明在其有效寿命期间使用的频繁程度。

表2－1 塔式起重机工作级别的分类

表2－2塔式起重机的利用等级

型号QTZ200塔式起重机起升机构一般可视为经常中等地使用，利用等级按表2-2可取为U5.

载荷状态

塔式起重机的“载荷状态”是表示塔式起重机受载的轻重繁忙程

可凭经验按表2－3中的说明选择一种合适的载荷状态级别。

表2－3塔式起重机的载荷状态

型号QTZ200塔式起重机有时起升额定载荷，一般起升中等载荷，因此载荷状态取为：Q2-中，名义载荷谱系数取为：Km=.机构的工作级别取为M5。

（1）吊具自重

表3-1 吊具自重与起重量的关系

型号QTZ200塔式起重机起升载荷在125~200Kn 之间，故吊具重

（2）电机接电持续率

塔式起重机起升机构电机接电持续率一般可取为JC%=50，每小时起动次数可取为Z=150次。

起升机构零部件的设计计算

吊钩的选择

起升吊钩的生产已标准化，塔式起重机吊钩规定采用20号钩，根据本次设计的用途和最大额定起重20000Kg ，选择吊钩的形式和规格为锻造长柱单钩。

起升机构滑轮组倍率及效率的确定

塔式起重机起升机构滑轮组倍率一般取为ａ=2

起升机构的倍率与额定起重量有一定的关系，参考下表

QTZ200型起重机最大额定起升重量为20t ，根据实际情况取ａ=4。

钢丝绳的选择

按正常工作状态选钢丝绳。

钢丝绳的最大静拉力: S m ax = η

×+a q P Q

Q P 为额定起重量：Q P =200Kn

q 为吊具重，由于最大起升高度为162m ，故钢丝绳的重量也应该计入，为简便计算故q=5Kn

滑轮组倍率ａ=4 滑轮组效率η=

所以S m ax =

2005

56.1()η40.97

Q P q Kn a ++==?? 根据最大静拉力选择钢丝绳，则有：

计算钢丝绳径：d rmin =max s c ×

C 为钢丝绳选择系数，按M5的工作级别查《机械设计手册》有： 机构工作级别: M5

所以d rmin =0.124()c mm =≈

故选用钢丝绳径不得小于上述计算值,所以选择钢丝绳规格为： 钢丝绳公称直径|d/mm: 24 型号为：6W19-24-175-I

滑轮组选择

滑轮组的倍率ａ=4

选用的滑轮计算直径为D 1min =h 2d 绳轮比系数h 2查表4-1

由起升机构工作级别为M5，查表得h 2=18 钢丝绳直径d=16mm

D 1min =h 2d=2024480()mm ?=

对滑轮组做适当的放大，查表取D 1=500mm

卷筒的主要尺寸选择计算

（a ）卷筒的最小直径为：D 1min =h 1d 绳轮比系数h 1查表4-1得h 1=18 钢丝绳直径d=24mm

卷筒的最小直径为：D 1min =h 1d=2024480()mm ?=

由于塔式起重机起升高度大，于是将D 1min 放大到D 1min =500mm ，目的是为了减少卷筒长度。

（b ）卷筒长度计算

卷筒长度L 按多层绕卷筒计算

)

()(1.110dm D m d

D z s H L +++=

ππα

起重机起升高度H=162m 滑轮组倍率ａ=4 附加安全圈数Z 0= 卷筒的计算直径D 1=

钢丝绳在卷筒上的卷绕层数m=7 钢丝绳直径d=

卷筒至吊臂端的距离s=60m 则

011.1(απ) 1.1(162460 1.5 3.140.5)0.024 1.325()π() 3.147(0.4760.0247)

H s z D d L m m D dm ++??++???===+??+?

（c ）卷筒的强度校核

卷筒的壁厚可取为：d =δ 由于卷筒的长度和直径比D L 3≤,故为短卷筒，按短卷筒只校核压应力：

[]

c c t

S

A A σ≤δσmax 21=

多层卷绕系数A 1当卷绕层数为是4层或4层以上时A 1= 应力减少系数2A 一般取为，即2A = d =δ=24mm S max =

故max 1256100

σ 2.00.75129.86()δ2424

c S A A Mp t ==??=?

卷筒的材料为ZGD270-500，270S Mp σ= 所以[]

c σ= 2

270/2135()s Mp σ==

满足[]

c c σ≤σ，故校核合格。

起升机构传动装置的设计计

起升机构功率计算

塔式起重机起升机构满载稳定工作的静功率：)(η

60000KW v P N Q e =

0'v k v =

1

')

1(1e m k +

=λ 钢丝绳的卷绕层数m=7 λ取

卷筒槽底直径D= 钢丝绳直径d=

机构总效率η0.89=

计算得到η

60000v

P N Q e =

=59（KW ）

根据相对结合律JC%=40选择电机： e N K N JC 电=

K 电是考虑起重机并不总是按最低载荷情况工作的折减系数，对于中级工作的塔式起重机起升机构，K 电=~，这里我们取为

故e 0.95953.1JC N K N KW ==?=电（）

初选电机型号为：YZRDW280M

其参数如下： 极数：4/8

额定功率（Kw ） 55/55 额定电流（A ） 108/725 转速（r/min ） 1415/725 最大转矩位数

起升机构电动机的过载校核

对于起升机构的电动机，要求能在有电压损失，最大转差率时能起吊125%的额定起重

量，因此应按下式进行过载校核：)(η

60000λ≥KW Z v

HP N Q

最大起升载荷P Q =205000N 物品的起升速度v=24m/min 机构的总效率0.89η=

考虑电压损失，最大转差率时的系数H=（异步电动机） 机构的驱动电机数目Z=1

故：

44()55()λ60000η

Q HP v

KW N KW Z =≤=满足。

起升机构电动机的发热校核

电动机的容量选择要求在额定工况工作时，电动机不出现过热，按下式计算平均功率，校核S JC N N ≥:

Z

v

P G N Q S η60000=

静态负载平均系数G 对于工程起重机常取G= 其余系数同（2）中数值

Z

v P G

N Q S η60000==（KW ）满足S JC N N ≥，故校核合格。

传动装置的传动比计算

起升机构的传动比按电动机的转速n 1和卷筒的转速n 2确定。卷筒转速为：

1

02D v n πα=

额定起升速度v 0=24m/min 卷筒的计算直径D 1= 滑轮组倍率4=α

起升机构总传动比为：α

π01121v n

D n n i ==

取四个起升速度分别为： v 0=24m/min v 1=16 m/min v 2=12 m/min v 3=32 m/min 分别计算： i 0=12 i 1=24 i 2=16 i 3=48

为了获得以上传动比，故可采用滑移齿轮来进行变速。滑移齿轮是在轴上可以移动的，它所传递的扭距是传到轴上的，用滑键或花键连接，齿轮啮合实现变速。由于卷筒通过开式齿轮与减速箱相连，开式齿轮的传动比i=3.故减速箱里齿轮传动比应满足： i 0=6 i 1=12 i 2=8 i 3=48

起动时间校核

起升机构起动时间校核按下式进行：

(

)

s m m s M M n t =375(+2

15.1m m D G )η

α2212i D P Q

电机转速n m =725r/min

电机额定转矩 1.595501181()m m N

M N m n =?=? 起升机构的静阻力矩1

864.72αη

Q s P D M i =

= )(m N ? 电动机的飞轮矩224880()m m m G D gJ N m ==?

代入解得t s =在2-5s 之间满足。

制动时间校核

（a ）制动器的选择

选择时应先计算机构所需的制动力矩M 。制动力矩按下式估算：

1.239550875.3m

N

M N m n η=?=?

制动力矩M M B β=

β是制动安全系数，塔式起重机起升机构可取为. 故β 1.5857.31313B M M N m ==?=?

查表选择电磁块式制动器，制动转矩

（b ）制动时间校核

制动时间校核按下式进行：

)(375BS B B B M M n t =(

B B m m i D G η2

215.1+ )

ηα2

212i D P Q 制动轮转速n B =725r/min 制动力矩M B =1400N ·m

静载荷在制动时所需的制动力矩M BS =

1

7242αQ P D N m i

η=? 代入式子解得t B =在2-5s 之间满足。

参考文献

刘佩衡，塔式起重机使用手册，北京：中国机械工业出版社，2002 顾迪民，工程起重机，中国建筑工业出版社，1988

起重机设计手册编写组，起重机设计手册，机械工业出版社，1980