塔式起重机课程设计说明书

目录

摘要-------------------------------------------------------- 3

1.绪论------------------------------------------------------- 5 1.1 动臂塔式起重机发展状况---------------------------------------------- 5 1.2 动臂塔机发展趋势---------------------------------------------------- 5

2.整机方案设计----------------------------------------------- 7 2.1 设计原则和参数------------------------------------------------------ 7

2.1.1工作级别-------------------------------------------------------- 7 2.2部件方案的确定------------------------------------------------------ 8

3.整体稳定性校核-------------------------------------------- 13 3.1 钢筋混凝土基础的选择----------------------------------------------- 13 3.2 钢筋混凝土基础的计算----------------------------------------------- 15

3.2.1 计算理论------------------------------------------------------- 15

3.2.2 15°固定式基础计算-------------------------------------------- 16

4.起重臂的稳定性计算---------------------------------------- 36 4.1 起重臂材料的选择与截面特性的计算----------------------------------- 36 4.2:拉杆拉力计算------------------------------------------------------- 40 4.3起重臂自重引起的载荷计算------------------------------------------- 42 4.4风载荷计算--------------------------------------------------------- 43 4.5起升时拉杆拉力产生的弯矩------------------------------------------- 45 4.6回转时的臂节离心力和回转惯性力和回转惯性力力矩的计算--------------- 46 4.7起升钢丝绳拉力，水平惯性力等的计算--------------------------------- 51

4.8吊臂的整体稳定性计算----------------------------------------------- 54

5.机构的校核计算-------------------------------------------- 61 5.1.起重臂仰角为15°时------------------------------------------------ 61 5.2.起重臂仰角为45°时------------------------------------------------ 62 5.3.起重臂仰角为71°时------------------------------------------------ 62 5.4.起重臂仰角为83°时------------------------------------------------ 62 5.5.起重臂从地面吊装时拉杆的最大拉力----------------------------------- 62 5.

6.钢丝绳的最大拉力--------------------------------------------------- 63 5.7电动机功率验算----------------------------------------------------- 64

5.7.1电动机的选择：------------------------------------------------- 64

5.7.2过载校核------------------------------------------------------- 64

5.7.3发热校核------------------------------------------------------- 65

6、结论----------------------------------------------------- 66谢辞------------------------------------------------------- 68参考文献------------------------------------------------- 69

摘要

随着农村城镇化建设的开始，以及大中小城市的进一步拓展，以及国家多种大工程的上马，建筑业出现了前所未有的新局面。在这种大好形势下，为建筑业服务的建筑机械行业也有了新的发展机遇。同时，为了和世界接轨，塔机的设计应该有更多更新的创新来适应新的发展机遇、新的发展挑战。所以说，塔机的创新设计，动臂塔机的发展进一步提上日程。促使我们在塔机原有的基础上提出更多更新颖的创意来促进国内塔机业水平的进一步提高，促进动臂塔机在国内的发展。

这就要求我们在塔身、平衡臂、起重臂、上转台，A形架的设计上突破原有的惯性设计思维，运用现代化的设计方法、方式以及设计工具，对设计数据进行有效的优化以及受力的有限元AGLOR分析计算。从而使塔机的生产成本在符合应力要求的前提下大大降低。

关键词：动臂塔式起重机、回转机构、上转台、有限元ALGOR

ABSTRACT

Because the village town turns the beginning of construction, and further expand of the greatly medium small city, and the last horse of various big engineering in the nation. The building industry appeared unprecedented new situation . Under this kind of greatly good situation, the building machine contributing efforts to the building industry the profession also had new of Develop opportunity.

In the meantime, for being in line with the world, the design of tower machine should include the innovation of more renewals to adapt new development opportunity, new of development Challenge .So say, the creative design of tower machine, the combination design of tower machine lifts further up the agenda .Urge the top of the foundation that we originally possessed in the tower machine Put forward heel many creativities to promote the further exaltation of local tower machine industry level .This will beg us in the tower body, tower hat, equilibrium arm, rise heavy arm of design up break original inertial design thinking, usage modern Design method, way and design tool of turn, carry on to the design data effectively excellent turn and be subjected to the ANSYS analysis of dint a calculation .Make thus The production cost of tower machine under the premise that meet at the request of dint consumedly lower.

Keyword:tower crane slewing gear slewing gear finite element

1.绪论

1.1 动臂塔式起重机发展状况

中国塔机始于20世纪50年代。综观50年发展史，我国塔机行业从无到有，从

小到大，逐步形成了较为完整的体系和比较完整的系列型谱，，塔机成为建筑施工中

的关键设备，塔机行业也成为我国发展最快的建筑机械行业之一。我们只用了50年

时间走完了国外发达国家上百年塔机发展的路程，如今中国塔机已经批量走进国际市

场。目前我国已成为世界塔机生产大国，也是世界塔机主要需求市场之一。

近20年来，随着经济的发展，建筑楼群的密集，使塔机的工作空间受限。基于高

层建筑的发展，新制定的领空权许可制度及跨占邻居领地产生的纠纷等因素，迫使人

们改变已有的传统观念，从小车变幅改变为臂架俯仰，为塔机作业创造有利空间，推

动了各种类型动臂塔机的改造和发展，全世界塔机生产厂家在设计时都考虑了这些因

素，研制出了相应的改进型塔机。随着国内大型基础设施建设不断上马，新农村建设

的展开，大中小型塔机将长期看好，大中型企业的并存状况将长期存在。应继续提高

大中型塔机技术含量和质量水平，满足大型重点工程需要，开拓国际市场；整顿提高

中小型塔机，提高塔机的安全可靠性。

根据施工需要，开发多种结构型式的塔机产品，平头式、动臂式塔机近几年得到了快

速发展。动臂式塔机由于臂架可在一定范围内变动，非常适合密集及狭窄地区施工，

有独特的施工特点，因此越来越受到重视。在一些超高层钢结构建筑施工中（如上海

环球金融中心、央视新大厦、国贸三期等）国内已经进口了多台澳大利亚FAIVO 公司

的大型动臂塔机，应该引起生产厂家的重视。

目前，我国塔机性能与现代智能化、数字化控制技术还有很大差距，跟不上市场的需

要。在实验手段上，多数企业不具备对原材料的预处理和配套件的进厂检验能力；在

配套件生产上，企业多，品种重复，生产质量差。特别是液压件、电器件等不过关，

直接影响到主机的质量和可靠性等。

1.2 动臂塔机发展趋势

根据我国塔式起重机的发展形式和市场需求，在产品品种方面预计今后几年塔式

起重机要向大型化(1O00t m )以上的和小型化(40t m )以下的发展；在技术性能方面

要向产品智能化、数字化和机——电——液一体化方向发展；在结构型式方面要发展一机多用的塔机，如吊重、布料、高空作业集为一体等；要加大力度研究解决高性能、高技术含量、高可靠性的塔机，最低限度降低塔机事故率。

国外塔机由小向大、由轻向重、由单一向多功能、由俯仰变幅臂架向小车变幅臂架向

=600～900N 俯仰变幅臂架发展，工作速度由低向高发展。同时已广泛使用屈服极限s

mm的高强度轻质合金钢制作臂架，聚合材料也被普遍采用以减轻自重，提高工作／2

性能。开始应用自动控制及遥控技术，利用智能微电脑控制的力矩限位器。还采用组合设计方法以少量通用标准部件组合成数量、品种多的塔机来满足多种不同需要的变型塔机。

随着建筑工程量以及建筑形式的多种多样，建筑机械也出现了多种多样的形式，动臂塔式起重机也随之得到广泛应用。

随着经济的发展，建筑楼群的密集，使塔机的工作空间受限。基于高层建筑的发展，新制定的领空权许可制度及跨占邻居领地产生的纠纷等因素,加之许多国家在建筑法规中明文规定，吊装作业不能超出施工的作业领域即臂架不能超出建筑围栏，迫使人们改变已有的传统观念，从小车变幅改变为臂架俯仰，为塔机作业创造有利空间，从建筑行业发展趋势来看，城市愈来愈拥挤，在拥挤的城市里施工唯有动臂式塔机能满足施工要求，动臂式塔机的应用会愈来愈多。若能够将本次毕业设计课题研究成果应用到实际大批生产中去，新型QTD63-630塔机开发成功后，必然增强其市场竞争力。具体表现在：

（1）采用最新平面布置理论将塔式起重机整体布置协调统一。

（2）采用新型安装方法提高了塔机组装及拆卸的速度从而提高效率。

（3）新的安装拆卸方法更加提高了塔机的安全性能。

因此动臂塔式起重机具有其他起重机无法比拟的优越性。

动臂塔机可避免多台塔机作业的干涉，以及在非工作状态的平衡稳定性优于水平臂塔机。

本次毕业设计，我们选择动臂式塔式起重机作为设计的对象，原因是动臂塔式起重机具有其他起重机无法比拟的优越性：

2.整机方案设计

2.1 设计原则和参数

2.1.1工作级别

（一） 起重机的工作级别

1、 载荷状态 Q2

名义载荷谱系数 25.0=r K

2、 利用等级 U5

总的工作循环次数

5105?=N 3、 起重机的工作级别 A5

（二） 结构的工作级别

1、 应力状态 S2

2、 名义应力谱系数 Ks=0.25

应力循环等级 N4

总应力循环次数

5105.2? 3、结构的工作级别 B4

（三）机构的工作级别

1、载荷状态：

起升机构 L2

回转机构 L3

变幅机构 L3

顶升机构 L2

2、利用等级：

起升机构 T4

回转机构 T4

变幅机构 T3

顶升机构 T1

3、工作级别

起升机构 M5

回转机构 M5

变幅机构 M3

顶升机构 M1

总的设计寿命 h=50000

2.2部件方案的确定

根据国内动臂塔机开放中反映出的问题，如结构选择、安全保护、设计技算等特殊要求，进行了分析讨论，最终确定本次设计塔机型号为QTD63的动臂塔机的整机方案。本次塔机设计总体方案确定的关键技术如下：

1、起重臂的臂根铰接点后置回转中心2m

动臂塔机由于臂架仰角为15°~83°，无论是工作状态或非工作状态均需考虑随仰角增大而变大的弯矩，这也是为什么动臂塔机塔身自身高度应按臂架长度来确定的原因。

非工作状态时塔身高度应满足以下条件：

由于臂架自重产生的力矩尽可能小，使较短的平衡臂方向获得的后倾力矩较大，以抵抗暴风侵袭。

臂架仰角也不能过大，以尽量减小臂架的迎风高度。

因此采用臂架臂根处后置2m，既避免了仰角过大容易后倾又可使臂架自重产生的力矩减小。

2、起重臂臂架截面形式及材料

起重臂臂架截面形式采用三角形截面臂架。理由是：其自重轻、腹杆数量少、臂根与臂头节无需改变截面，更重要的原因在于三角形截面臂架形成的构造偏心使轴向压力和臂架自重产生的的弯矩在某些幅度会抵消一部分，减小了臂架的内力。

动臂塔机的臂架主要受压，以结构稳定为主，刚度比强度影响更大，采用高强度合金钢，如果热处理、焊接工艺不恰当，会造成应力集中，使其抗冲击能力下降，另外还要考虑到塔机的生产成本，还有即使强度、刚度均可保证，臂架自重降低过多，在摸个特殊工况是有害的，根据以上分析动臂塔机的臂架采用过高强度的材料是不合适的。因此选用Q345的碳素结构钢。

3、A形架及防倾覆装置

过去A形架的撑杆和拉杆向颈部收缩，前后两面均成三角形或梯形，其好处是顶部的定滑轮组支撑轴或梁较短，但它产生了撑杆或拉杆的侧向水平

分力，杆端支座受力复杂，且增加制造成本，如果两侧的杆件均设计成平

衡，就会克服以上缺点。

仔细分析还会发现两侧平行结构可减小A形架顶点垂直于臂架起升平面的位移，有助于提高臂架的侧向稳定性。

由于A形架顶部横向尺寸变宽，不会使顶部的起升和变幅钢丝绳与顶部结构内侧干涉、擦碰。

A形架顶部横向尺寸变宽，后置的起重臂仰角变大时不会与A形架撑杆的主弦内侧干涉，碰撞。

图2.1

防后倾装置

工作状态起重臂仰角较大时，强风从前方吹来，由于此时回转机构可能处于制动状态，吊钩又是空载，变幅钢丝绳不能承受来自前方的推力，如果臂架自重力矩如果小于前吹风产生的力矩，就会使臂架后倾而失去控制，当阵风骤然停止时，臂架在自重作用下会反弹下坠，可能造成变幅拉杆或钢丝绳受冲击

载荷而断裂。因此各种正常的工作仰角下，自重力矩应超过风载力矩，否则应限制工作仰角。由此可以看出防后倾装置是非常重要的。

4、固定平衡重

关于配重在变幅时是否要移动或摆动，目前欧洲塔机业已有定论：虽然移动的配重可以抵消动臂产生的静载力矩的20%，但是采用移动配重需要额外的检查及维护保养，成本高，并且研制费用也高。因此它是不必要的，增加的繁琐，不安全因素几乎抵消了其调节塔顶力矩的好处。

5、上转台与平衡臂的布置（简称回转平台）

回转平台上布置A形架，臂根铰点支座，起升和变幅机构，平衡重、配电箱等，其作用和位置与水平臂塔机的塔顶相同，目前动臂塔机回转平台的的支撑方式主要有两种，（1）回转上支座与回转平台合二为一或连接成一个整体，或者是回转平台铰接在三角支架上，三角支架在铰接在上转台上，并在回转平台后部用撑杆支撑在上转台上，由于三角支架要承受全部回转转矩，避免不了扭转产生的冲击载荷，而上转台则要承受交变的集中载荷，因此不如图3所示的结构

传力直接简单，

图2.2形支架式

图2.3

该结构将平衡臂与上转台通过销轴连接为一体，还降低了回转支撑承受到的风载荷力矩，另外上述结构的安装也比较繁琐，特别是回转平台与上转台间的连杆制造比较复杂，对机械加工要求较高，也影响人员通过和回转机构的安装拆卸。

6、塔身标准节的连接采用销轴连接

塔身主要承受其以上起重臂、吊重、吊钩、平衡臂、A形架、配重、上下转台、以及起升、回转和变幅三大机构等的自重以及塔机的吊重和以上各部分产生的

弯矩，塔身标准节的连接直接影响到塔机的整机稳定性。

图2.4塔机示意图

因此塔身标准节的连接形式尤为重要。

塔身标准节采用的连接方式主要有盖板螺栓联接、套柱螺栓联接、销轴联接和瓦套法兰盘连接。其中应用最广的是盖板螺栓联接和套柱螺栓连接，其次销轴联接。高强螺栓连接易造成应力分布不均，容易造成应力集中；高强螺栓需要经常维护，且螺纹外牙和和内牙容易折断和磨损，造成塔机安全事故；高强螺栓连接时需要增加一定的预紧力，而且要不定期的维护检查螺栓是否松动以保持塔机整体稳定。由此会增加塔机在使用过程中的成本和降低塔机的安全性。

而销轴连接制造简单，成本低，不需要进行经常的维护，且销轴不会松动，因此销轴连接方式安全性更高，便于加工，成本低。因此本次设计标准节间采用销轴连接而非高强螺栓连接。

7、动臂自升式塔机可以采用的底架主要有：十字型底架，井字型底架和预埋支腿式

底架。预埋支腿式底架所用的混凝土材料较多，成本较高而且工程量大。十字形底架的塔身危险断面在塔身的根部，这样对塔身的材料要求提高。带撑杆的

十字形底架由于塔身撑杆的位置塔身危险断面由塔身根部移动到撑杆的上支

撑面，同时塔身根部平面对底架的作用载荷得以减小，从而改善底架的受力情况。节省所用的底架混凝土，但占地面积较大，井字形底架具有带支撑的十字形底架的优点，而且可反复利用，降低成本。所以本次设计的动臂自升式塔式起重机选择井字型底架。

3.整体稳定性校核

以上为动臂塔机QTD63整体方案设计中的部分结构，具体各部件设计由小组成员自行决定。

3.1 钢筋混凝土基础的选择

高层建筑施工用地塔机，采用小车变幅水平臂架或动臂变幅臂架，幅度多在50m 以上，无需移动作业范围即可覆盖整个施工范围，因此多采用钢筋混凝土基础。塔机直接坐落在混凝土基础上，通过混凝土基础将整机支反力传给地基，保持塔机稳定运行工作。

钢筋混凝土基础有多种形式可以选择。对于有底架的固定自生塔机，可视工程地质条件、周围环境及施工现场情况选用X形整体式钢筋混凝土基础，条块分隔式钢筋混凝土基础、四个独立块体式钢筋混凝土基础、独立式大块体基础、井字形基础。

（1）X形整体基础 X形整体基础的形状与平面尺寸大致与塔式起重机X形底架相似，塔机的X形底架通过预埋地脚螺栓固定在混凝土基础上。这种基础不仅起着承上启下的作用将塔机的荷载传给地基，同时还发挥部分压重作用，保证塔机的稳定性。

（2）条块分隔式钢筋混凝土基础长方形基础由两条或4条并列平行的钢筋混凝土低梁组成，其功能犹如两条钢筋混凝土的钢轨轨道基础，分别支承底架的4个支座和由底架支座传上来的上部载荷。如果塔机安装在混凝土砌块人行道上，或是安装在原有混凝土地面上，均可采用这种钢筋混呢凝土基础。

（3）四个独立块体式钢筋混凝土基础这种分块式钢筋混凝土基础由4个独立混凝土块体组成，分别承受有底架结构传来的整机自重及荷载：钢筋混凝土块体构造尺寸视塔机支反力大小及地耐力而定。由于基础仅承受底架传递的垂直力，故可作为中心负荷独立柱基础处理。其优点是：构造比较简单，混凝土及钢筋用量都比较少，造价

便宜。

（4）独立式大块体基础独立式大块体基础适用于无底架固定式自升式塔式起重机。其构造特点是：塔式起重机的塔身结构通过塔身基础节、预埋塔身框架或预埋塔身主角钢等固定在钢筋混凝土基础上，从而使塔身结构与混凝土基础连成一体，并将起重机上部载荷全部传递给地基。由于整体钢筋混凝土基础的体型尺寸是考虑塔式起重机的最大支反力、地基承载力以及压重的需求而选定的，因而能确保塔式起重机在最不利工况下均可安全工作，不会产生倾覆事故。

（5）井字形基础井字形基础底架通过预埋地脚螺栓固定在混凝土基础上。这种基础不仅起着承上启下的作用将塔机的荷载传给地基，同时还发挥部分压重作用，保证塔机的稳定性。

X形整体式钢筋混凝土基础底架的塔身危险断面在塔身的根部，这样对塔身的材料要求提高。带撑杆的X字形底架由于塔身撑杆的位置塔身危险断面由塔身根部移动到撑杆的上支撑面，同时塔身根部平面对底架的作用载荷得以减小，从而改善底架的受力情况。节省所用的底架混凝土，但占地面积较大，井字形底架具有带支撑的十字形底架的优点，而且可反复利用，降低成本。所以本次设计的动臂自升式塔式起重机选择井字型底架。

3.2 钢筋混凝土基础的计算

3.2.1 计算理论

图3.1抗倾翻稳定性计算简图

1.固定式塔式起重机使用的混凝土基础的设计应满足抗倾翻稳定性和强度条件

混凝土基础的抗倾翻稳定性按公式（1）计算

（1）

地面压应力按公式（2）计算

（2）

式中：e—偏心距，即地面反力的合力至基础中心的距离，m ；

M—作用在基础上的弯矩， N·m ；

Fv —作用在基础上的垂直载荷，N

—作用在基础上的水平载荷，N ；

Fg—混凝土基础的重力， N；

—地面计算压应力；；

b—混凝土基础的宽度；m；

h—混凝土的高度，m；

〔〕———地面许用压应力，由实地勘探和基础处理情况确定，一般取

〔〕。

2.计算时按以下四种工况验算

工况说明

1.基本稳定性工作状态、静态、无风

2.动态稳定性工作状态、动态、有风

3.暴风侵袭非工作状态

4.突然卸载工作状态，料斗卸载

3.每种工况的载荷系数

3.2.2 15°固定式基础计算

基本数据见附表1

3.2.2.1工况一. 基本稳定性

1.偏心距e的计算

（1）混凝土基础的重量

b=5.2；

h=1.3；

混凝土基础的密度ρ，ρ=2.32t；

ρ 799215.9N；

（2）起升载荷，

= 21210N

（3）作用在基础上的垂直载荷

=281217.14N

（4）作用在基础上的弯矩M，

）／1000

=829692.8896N·m

0.78m

2.地面压应力计算

（1）方形基础，弯矩方向与基础边长平行。

138167.0708

方形基础，弯矩沿基础对角线方向。图中b= a

．当a c0时，见图3.2.1：

图3.2

根据力平衡和力矩平衡的原则，得出公式：

（e+c）两个公式联合求解得到：

G=

解得

C=3.097m

=77k

基础底面离开基土的面积S，S==0.4739

基础面积A.

A=b b=13.52

S A，

故基础满足稳定性要求。

当c a时，见图3.3

图3.3 根据力平衡和力矩平衡原则，得出公式：

两个公式联合求解得：

根据三角形相似原理，求得

解得