动臂式起重机结构设计与关键部件分析

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合 肥 工 业 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第 ３６ 卷
惯性力 ＦＧ 为：
ＦＧ
＝
ＦＱｎπＲ ３０ｇｔ
＋Ｇ３０ｂｎｇｔπＬ
＋２ａ ２
（４）
其中，Ｒ 为起升载荷到塔机回转中心的距离，取 Ｒ
为５０ ｍ；ｎ 为 塔 机 回 转 机 构 额 定 转 速，取 ｎ 为 ０．５ｒ／ｍｉｎ；ｔ为 回 转 机 构 启 动、制 动 时 间，取ｔ 为 ３ｓ；Ｇｂ 为吊 臂 回 转 部 分 自 重，取 １．２３×１０５ Ｎ； ａ为吊臂根部销轴中心到塔机回转中心的距离， 取０．８ｍ；Ｌ 为吊 臂 的 总 长，取 ５１．６ ｍ。 经 计 算， ＦＧ ＝２．７９×１０４ Ｎ。 ２．２．２ 桁 架 压 杆 式 臂 架 计 算
（３）
其中，ＦＷ 为 作 用 在 塔 式 起 重 机 和 物 品 上 的 风 载
荷；ＣＷ 为 风 力 系 数，取 １．２；ｐＷ 为 计 算 风 压，为
２４５．２ Ｐａ；Ａ 为 垂 直 于 风 向 的 迎 风 面 积，取
８．３８ｍ２。经计算 ＦＷ ＝２ ４６５．８Ｎ。 吊臂及起升载 荷 在 回 转 启 动、制 动 时 的 水 平
（１）方 案１。Ａ１－Ｂ１－Ｃ１－Ｄ１－Ｅ１ 是 一 种 下 回 转 型 的 动 臂 式 塔 吊 ，其 重 心 低 ，稳 定 性 好 。 但 是 由 于 塔身 回 转，因 此 转 动 惯 量 较 大，调 速 不 方 便，而 且 所需电动机功率较大。
（２）方 案２。Ａ４－Ｂ１－Ｃ１－Ｄ１－Ｅ１ 是 一 种 内 爬 式 的动 臂 式 塔 吊，其 转 动 惯 量 小，可 以 承 受 较 大 载 荷 ，但 是 由 于 塔 吊 采 用 内 爬 式 ，需 要 依 附 建 筑 物 而 升高，拆 装 麻 烦，并 且 对 建 筑 物 的 承 载 能 力 要 求 较高。
２ 起 重 臂 设 计
２．１ 起 重 臂 结 构 形 式
塔式起重机臂 架 结 构 形 式 有 桁 架 水 平 式、桁
架压杆式及桁架混合式３种。桁架压杆式臂架利
用固定在臂架端部的变幅钢丝绳改变臂架倾角，
使臂架主要承受轴向压力。
桁架水平式臂架利用沿臂架弦杆运行的起重
小车的移动实现 变 幅，臂 架 主 要 承 受 轴 向 力 及 弯
衡臂上
位于塔 顶架上
Ｄ 塔身顶升 内爬式 自升式
平衡重
与变幅
Ｅ
独立机构
自动调整
相协调
与起重 相协调
不调整
由表 １ 可 以 组 合 出 ４×２×２×２×４＝ １２８种方案。结果显示，有 些 方 案 明 显 不 合 理，如 Ａ３－Ｂ１－Ｃ１－Ｃ－Ｄ２－Ｅ１，这 些 方 案 可 以 直 接 去 掉，下 面主要分析３种有代表性的方案。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｏｏｍ，ｗｈｉｃｈ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｒｅｌａｔｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｒａｎｅ，ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍ－ ａｎｃｅ ｏｆ ｌｕｆｆｉｎｇ ｂｏｏｍ－ｔｙｐｅ ｃｒａｎｅ．Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｌｏａｄｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｌｕｆｆ－ ｉｎｇ ｂｏｏｍ－ｔｙｐｅ ｃｒａｎｅ，ａ ｔｙｐｅ ｏｆ ｂｏｏｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅ－ ｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｏｏｍ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｏｖｅｒａｌｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｗｅｒ ｃｒａｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｕｆｆｉｎｇ ｂｏｏｍ－ｔｙｐｅ ｃｒａｎｅ；ｂｏｏｍ；ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｅｃｔｉｏｎ；ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｍａｔｒｉｘ；ｓｔａｔｉｃ ｓｔｒｅｓｓ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｕｆｆｉｎｇ ｂｏｏｍ－ｔｙｐｅ ｃｒａｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
ＺＨＯＮＧ Ｈｕａ－ｙｏｎｇ， ＦＥＮＧ Ｙｏｎｇ－ｋａｉ， ＺＨＡＯ Ｈａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
在国内建筑行业 中 尚 未 得 到 广 泛 应 用，究 其 原 因
从动臂式起重 机 的 总 功 能 出 发，得 到 起 重 机
是动臂式起重机 比 同 吨 位、同 起 重 力 矩 的 水 平 臂 的塔 身 旋 转、起 重 臂 俯 仰、重 物 起 升、塔 身 顶 升 及
塔机的 销 售 价 格 高。 动 臂 式 起 重 机 在 吊 运 重 物 平衡重自动调整 的 基 本 分 功 能，以 这 些 分 功 能 作
矩，为９．３４×１０５ Ｎ·ｍ；Ｗｙ 为吊臂截面相对于ｙ
轴的抗弯模量，为１．３９６ ＭＰａ；ＮＥｙ 为吊臂对ｙ 轴
的欧拉临界 载 荷，为 ９．５２×１０６ Ｎ；ＣＨｙ 为 横 向 载
荷弯矩系数，取１；φω 为受弯构件侧向屈曲稳 定 性 系 数 ，取 １ 。
臂架材料采用结构用无缝钢管，查得２０钢材料
的抗拉强度为４１０ＭＰａ，屈服强度为２２０ＭＰａ［９］。由
（５）式计算，σ＝３１．６ ＭＰａ≤［σ］。 由于 材 料 的 屈 服 极 限 为 ２２０ ＭＰａ，所 以 设 计
参数满足使 用 要 求。 根 据 设 计 计 算 结 果，确 定 动
臂 塔 机 的 起 重 性 能 ，见 表 ２ 所 列 。
常 工 作 至 关 重 要 ，在 起 重 臂 的 俯 仰 过 程 中 ，销 轴 主
第３６卷 第８期 ２０１３ 年 ８ 月
合 肥 工 业 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＦＥＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－５０６０．２０１３．０８．００３
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１３
０ 引 言
例如，在北京 中 央 电 视 台 新 台 址 及 上 海 环 球 大厦的建设中，使 用 了 数 台 澳 大 利 亚 法 福 克 公 司
动臂式起重 机 又 称 俯 仰 臂 架 塔 机，从 工 业 建 生产的大型 动 臂 塔 式 起 重 机 。 ［４－５］ 本 文 针 对 某 型
筑到民用建筑，从修造船厂到港口码头，从钢结构 动臂式起重机，对 其 结 构 形 式 及 关 键 部 件 起 重 臂
（３）方 案３。Ａ４－Ｂ１－Ｃ１－Ｄ２－Ｅ４ 是 一 种 自 升 式 的 动 臂 式 塔 吊 ，其 承 载 能 力 大 ，升 高 时 采 用 液 压 顶 升 机 构 ，操 作 简 单 方 便 。 平 衡 重 是 独 立 的 设 备 ，消 除了平衡重自动调整带来的烦琐及不安全因素。 因 此 ，可 以 采 用 此 方 案 。
第８期
钟 华 勇 ，等 ：动 臂 式 起 重 机 结 构 设 计 与 关 键 部 件 分 析
９０７
表 １ 动 臂 式 塔 式 起 重 机 的 形 态 学 矩 阵
分功能
功能解
１
２
３
４
上回转 Ａ 塔身旋转 下回转式
塔帽式
上回转 转柱式
上回转 转盘式

起重臂 Ｂ
俯仰
受压式 起重臂
受弯式 起重臂
位于平 Ｃ 重物起升
要承受的是剪切 载 荷，故 对 销 轴 的 剪 切 强 度 进 行 校 核 。 ［１０－１２］
所列。
收 稿 日 期 ：２０１３－０１－０６；修 回 日 期 ：２０１３－０５－２３ 作 者 简 介 ：钟 华 勇 （１９６９－ ），男 ，安 徽 合 肥 人 ，合 肥 工 业 大 学 副 研 究 员 ；
赵 韩 （１９５７－ ），男 ，安 徽 宿 州 人 ，博 士 ，合 肥 工 业 大 学 教 授 ，博 士 生 导 师 ．
动臂式起重机结构设计与关键部件分析
钟华勇， 冯永恺， 赵 韩
（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 ２３０００９）
摘 要：起重臂对动臂式塔式起重机的性能影响重大，直 接 关 系 到 起 重 机 工 作 的 可 靠 性 。文 章 针 对 动 臂 式 起 重机受载情况复杂及安全性要求高 的 特 点，对 某 型 号 动 臂 式 起 重 机 起 重 臂 进 行 了 设 计 计 算 与 有 限 元 静 力 学 分 析 。 计 算 和 分 析 结 果 表 明 ，该 起 重 臂 满 足 使 用 要 求 ，所 得 结 果 为 塔 机 整 体 设 计 和 优 化 提 供 了 参 考 依 据 。 关 键 词 ：动 臂 式 塔 机 ；起 重 臂 ；标 准 节 ；形 态 学 矩 阵 ；静 应 力 中 图 分 类 号 ：ＴＵ７３２ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００３－５０６０（２０１３）０８－０９０６－０４
对 于 臂 架 根 部 截 面 ，按 （５）式 进 行 整 体 稳 定 性 验 算 ［８］，即
σ
＝
Ｎ Ａφψ
＋１－
１ Ｎ／（０．９ ＮＥｙ
ＣＨｙＭ Ｈｙ ）φωＷｙ
≤
［σ］
（５）
其中，Ｎ 为 吊 臂 根 部 截 面 的 轴 向 力，为 ３．４９×
１０５ Ｎ；φψ 为 桁 架 结 构 系 数，对 于 空 间 桁 架 结 构， φψ ＝１；Ａ 为吊臂根部截面积，为１．１３×１０－２ ｍ２； ＭＨｙ 为由横向载荷引起的吊臂截面上对ｙ 轴的弯
算 Ｇｂ＝１．２３×１０５ Ｎ。
起升钢丝绳的拉力 ＳＱ 为：
ＳＱ ＝φ２ＦＱ／（ａη）
（２）
其中，φ２ 为 起 升 载 荷 动 载 系 数，取 １．３ ｍ；ａ 为 滑