QTZ500塔式起重机总体及顶升套架的设计计算说明书 69页

'设计项目计算与说明结果前言塔式起重机概述塔式起重机发展情况第1章前言1.1塔式起重机概述塔式起重机是一种塔身竖立起重臂回转的起重机械。在工业与民用建筑施工中塔式起重机是完成预制构件及其他建筑材料与工具等吊装工作的主要设备。在高层建筑施工中其幅度利用率比其他类型起重机高。由于塔式起重机能靠近建筑物，其幅度利用率可达全幅度的80%，普通履带式、轮胎式起重机幅度利用率不超过50%，而且随着建筑物高度的增加还会急剧地减小。因此，塔式起重机在高层工业和民用建筑施工的使用中一直处于领先地位。应用塔式起重机对于加快施工进度、缩短工期、降低工程造价起着重要的作用。同时，为了适应建筑物结构件的预制装配化、工厂化等新工艺、新技术应用的不断扩大，现在的塔式起重机必须具备下列特点：1.起升高度和工作幅度较大，起重力矩大。2.工作速度高，具有安装微动性能及良好的调速性能。3.要求装拆、运输方便迅速，以适应频繁转移工地的需要。QTZ500型自升式塔式起重机，其吊臂长50米，最大起重量4吨，额定起重力矩50吨米。是一种结构合理、性能比较优异的产品，比较目前国内外同规格同类型的塔机具有更多的优点，能满足高层建筑施工的需要，可用于建筑材料和构件的调运和安装，并能在市内狭窄地区和丘陵地带建筑施工。整机结构不算太大，可满足中小型施工的要求。本机以基本高度（独立式）36米。用户需高层附着施工，只需提出另行订货要求，即可增加某些部件实现本机的最大设计高度100米，也就是附着高层施工可建高楼32层以上。1.2塔式起重机发展情况塔式起重机是在二次世界大战后才真正获得发展的。战后各国面临着重建家园的艰巨任务，浩大的建筑工程量迫切需要大量性能良好的塔式起重机。欧洲率先成功，1923年成功制成第一台比较完整的塔式起重机，69 在我国，塔式起重机的生产与应用已有40多年的历史，经历了一个从测绘仿制到自行设计制造的过程。20世纪50年代，为满足国家经济建设的需要，中国引进了前苏联以及东欧一些国家的塔式起重机，并进行仿制。1954年仿制民主德国设计的样机，在抚顺试制成功了中国第一台TQ2-6型塔式起重机。随后又仿照前苏联样机，研制了15t与25t塔式起重机，这个时期中国生产与使用的塔式起重机的数量都较少。20世纪60年代，由于高层、超高层建筑的发展，广泛使用了内部爬升式和外部附着式塔式起重机，并在工作机构中采用了比较先进的技术，如直流电机调速、可控硅调速、涡流制动器，在回转和运行机构中安装液力耦合器等。在此时期，中国开始进入了自行设计与制造塔式起重机的阶段。1961年，首先在北京试制成功了红旗-11型塔式起重机，它也是中国最早自行设计的塔式起重机。随后，中国又自行设计制造了TQ-6型等塔式起重机，至1965年全国已有生产厂10余家，生产塔式起重机360多台。这些塔式起重机都是下回转动臂式，可整体托运，能满足六层以下民用建筑施工的需要。20世纪七十年代，塔式起重机服务对象更为广泛。塔式起重机的幅度、起重量和起升高度均有了显著提高。为了满足市场各方面的要求，塔式起重机又向一机多用方向发展。中国塔式起重机进入了技术提高、品种增多的新阶段。1972年中国第一台下回转的轻型轮胎式轨道两用起重机问世；同年为了北京饭店施工，中国又自行设计制造了QT-10型自升式塔式起重机，该机的起重力矩为1600kN·m。这一时期还先后开发了ZT100、ZT120、ZT280等小车变幅自升式塔式起重机、QT-20小车变幅内爬式塔式起重机，QTL16、TQ40、TQ45、TD25、QTG40、QTG60下回转动臂自行架设快装塔式起重机等，其年产量最高超过900台，标志着中国塔式起重机行业进入了一个新的阶段。69 塔式起重机的发展趋势20世纪80年代，中国塔式起重机相继出现了不少新产品，主要有QTZ100、QTZ120等自升式塔式起重机，QT60、QTK60、QT25HK等下回转快装塔式起重机等。这些产品在性能方面已接近国外70年代水平，这一时期的最高年产量达1400台。与此同时，随着改革开放和国际技术交流的增多，为满足建筑施工的需要，也从国外引进了一些塔式起重机，其中有联邦德国的Liebherr、法国的Potain以及意大利的Edilmac等公司的产品。由于这些塔式起重机制造质量较好，技术性能比较先进，极大地促进了中国塔式起重机产品的设计与制造技术的进步。20世纪90年代以后，中国塔式起重机行业随着全国范围建筑任务的增加而进入了一个新的兴盛时期，年产量连年猛增，而且有部分产品出口到国外。全国塔式起重机的总拥有量也从20世纪50年代的几十台截至2000年约为6万台。至此，无论从生产规模、应用范围和塔式起重机总量等角度来衡量，中国均堪称塔式起重机大国。1.3塔式起重机的发展趋势根据国内外一些技术资料的介绍，塔式起重机的发展趋势具体归纳为以下几个方面。1、吊臂长度加长在20世纪60年代初，吊臂长度超过40m的较少，70年代吊臂长度已能做到70m。快速拆装下回转塔式起重机的吊臂长度可达到35m。自升式塔式起重机吊臂是可以接长的，标准臂长一般为30～40m，可以接长到50～60m。重型塔式起重机吊臂则更长。随着塔式起重机设计水平的提高，可以解决由臂长加大带来的一些技术问题，而低合金高强度钢材及铝合金的广泛采用也为加长吊臂提供了非常有利的条件。2、工作速度提高，且能调速69 总体设计概述由于调速技术的进步，混轮组倍率的可变、双速、三速电动机及直流电动机调速的应用，使塔式起重机工作速度在逐渐提高。20世纪50年代生产的塔式起重机工作速度较低，起升速度一般只有20～30m/min，回转速度为0.6～1r/min，变幅速度为30～40m/min，大车行走速度为10～40m/min，而近几年来塔式起重机工作速度已有提高。起升机构普遍做到具有3～4种工作速度，重物起升速度超过100m/min者已经很多，构件安装就位速度可在0～10m/min范围内进行选择，回转速度一般可在0～1r/min之间进行调节，小车牵引和塔式起重机行走大多也有2～3种工作速度，小车牵引速度最快可达60m/min。3、改善操纵条件随着塔式起重机向大型、大高度方向发展，操作人员的能见度越来越差。因此需要在吊臂端部或小车上安装电视摄像机，在操作室利用电视进行操作。有的还采用了双频道的无线电遥控系统，不仅可由地面的操作人员控制吊装，还可以根据事先编排的程序自动进行吊装。4、更多地采用组装式结构为了便于产品更新换代，简化设计制造、使用与管理，提高塔式起重机使用的经济效益，国外塔式起重机专业厂已做到产品系列化、部件模数化。以不同模数塔身、臂架标准节组合成变断面塔身和臂架，这不仅能提高塔身、臂架的力学性能，减轻塔式起重机自重，而且可明显减少使用单位塔架、臂架的储备量，为降低成本、简化管理创造了条件。第2章总体设计2.1概述塔式起重机是工业与民用建筑施工中，完成预制构件及其他建筑材料与工具等吊装工作的主要设备。在高层建筑施工中其幅度利用率比其他类型起重机高。塔式起重机的起升高度、工作幅度和起重力矩都很大，这就要对其受力、稳定性等进行考虑与计算。塔机的主要性能参数包括：起重量、起升高度、幅度、各机构工作速度、重量指标和起重力矩等。这些参数表明了起重机的工作性能和技术经济指标，它是设计塔式起重机的技术依据，也是生产中选择塔式起重机技术性能的依据。69 总体设计方案的确定金属结构安装基础总体设计是机械设计整个过程中最关键的环节之一。它是使设计产品满足技术参数及形式的总构想，决定了机械设计的成败。在总体设计前，应先进行深入细致的调查研究，收集国内外同类机型的相关资料，了解国内外塔机的使用情况，并进行分析比较，然后制定总的设计方案。设计原则应当在保证所设计的机型达到国家有关标准的同时，力求结构合理，技术先进，积极性好，工艺简单，工作可靠。2.2总体设计方案的确定QTZ500型塔式起重机是上回转、水平臂架、液压自升式的结构形式，由金属结构、工作机构和驱动控制系统三部分组成。在进行总体设计时，要综合考虑塔机的强度、刚度、稳定性、各种工况下的外载荷以及塔机的经济性，从而选出合理的设计方案。2.2.1金属结构塔式起重机金属结构部分由塔身，塔头或塔帽，起重臂架，平衡臂架，回转支撑架等主要部件组成。对于特殊的塔式起重机，由于构造上的差异，个别部件也会有所增减。金属结构是塔式起重机的骨架，承受塔机的自重载荷及工作时的各种外载荷，是塔式起重机的重要组成部分，其重量通常约占整机重量的一半以上，因此金属结构设计合理与否对减轻起重机自重，提高起重性能，节约钢材以及提高起重机的可靠性等都有重要意义。1.基础高层建筑施工用的附着式塔式起重机都采用小车变幅的水平臂架，幅度大部分在五十米以上，无须移动作业即可覆盖整个施工范围，因此多采用钢筋混凝土基础。钢筋混凝土基础有多种形式可供选用。对于有底架的固定自升式塔式起重机，可视工程地质条件，周围环境以及施工现场情况选用X形整体基础，四个条块分隔式基础或者四个独立块体式基础。对于无底架的自升式塔式起重机则采用整体式方块基础。X形整体基础的形状及平面尺寸大致与塔式起重机X形底架相似。塔式起重机的X形底架通过预埋地脚螺栓固定在混凝土基础上，此种形式多用于轻型自升式塔式起重机，如图2-1所示。69 2-1X形整体基础长条形基础由两条或四条并列平行的钢筋混凝土底梁组成，其功能犹如两条钢筋混凝土的钢轨轨道基础，分别支承底架的四个支座和由底架支座传来的上部荷载。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凝土基础，如图2-2所示。分块式基础由四个独立的钢筋混凝土块体组成，分别承受由底架结构传来的整机自重及载荷。钢筋混凝土块体构造尺寸视塔机支反力大小基地耐力而定。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，如图2-3所示。2-2长条形基础69 独立式整体钢筋混凝土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联固成整体，并将塔机上部载荷全部传给地基。由于整体钢筋混凝土基础的体形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，因而能确保塔机在最不利工况下均可安全工作，不会产生倾翻事故，如图2-4所示。2-3分块式基础69 2-4独立整体基础1-预埋塔身标准节2-钢筋3-架设箍筋固定式塔式起重机，可靠的地基基础是保证塔机安全使用的必备条件。该基础应根据不同地质情况，严格按照规定制作。除在坚硬岩石地段可采用锚桩地基（分块基础）外，一般情况下均采用整体钢筋混凝土基础。对基础的基本要求有：基础的土质应坚固牢实，要求承载能力大于0.15Mpa；混凝土基础的深度﹥1100毫米，总混凝土方量约16.3立方米，基础重量约39吨；混凝土基础的承受压力不小于8MPa；混凝土基础应根据现场地质情况加工作层或多层钢筋网，钢筋间距约为250毫米；混凝土基础表面应校水平，不平度小于1/500；混凝土基础表面设置排水沟。将底架拼装组合，对准20颗预埋地脚螺栓，将其放置在混凝土基础上，注意垫平垫实，并校平底架上平面，要求不平度小于或等于1/1000，拧紧20颗地脚螺栓。调水平度时用楔形调整块及薄铁板等。69 底架结构塔身结构图2-5塔机设计基础2.底架结构底架有工字钢焊接成整体框架结构。在四角辐射状安装有四条可拆支腿，该支腿有工字钢焊接成，运输时拆除支腿，以减小运输尺寸。底架上有20个预埋地脚螺栓，规格M36。底架外轮廓尺寸约为4602X4602，高245。3.塔身结构塔身结构也称塔架，是塔机结构的主体，有转与不转之别；并有内塔与外塔之分。塔身结构断面分为圆形断面、三角形断面及方形断面三类。现今国内外生产的塔机均采用方形断面塔身结构。按塔身结构主弦杆材料的不同，这类方形断面塔架可分为：角钢焊接格桁结构塔身，主弦杆为角钢辅以加强筋的矩形断面格桁结构；角钢拼焊方钢管格桁结构塔身及无缝钢管焊接格桁结构塔身。常用的断面尺寸有：1.2m×1.2m，1.3m×1.3m，1.4m×1.4m，1.5m×1.5m，1.6m×1.6m，1.7m×1.7m，1.8m×1.8m，2.0m×底架4602×4602高24569 塔身标准节塔身结构设计要领2.0m。。根据承载能力的不同，同一种截面尺寸，其主弦杆又有两种不同截面之分。主弦杆截面加大的标准节用于下部塔身，主弦杆截面较小的标准节则用于上部塔身。⑴塔身标准节塔身标准节的长度有2.5m，3m，3.33m，4.5m，5m，6m，10m等多种规格，常用的尺寸是2.5m和3m。本次设计采用无缝钢管焊接格桁结构塔身，其中塔身截面尺寸采用1.6m×1.6m，标准节的长度为2.5m。如图2-6所示：图2-6塔身标准节示意图塔身标准节用无缝钢管焊接而成，节高2500。在标准节下部管口处车有定位止口，而另一端则焊有定位凸台，靠相应的接合面定位。上下端各用8个M30的40Cr螺栓联结。各标准节均设有供人上下的爬梯，每三个标准节设置一个休息台。塔身标准节的联接方式有：盖板螺栓联接，套柱螺栓联接，承插销轴联接和瓦套法兰联接。本次设计的QTZ500塔机采用套柱螺栓联接，其特点是：套柱采用企口定位，螺栓受拉，用低合金结构钢制作。适用于方钢管和角钢主弦杆塔身标准节的联接，加工工艺要求比较复杂，但安装速度比较快。⑵塔身结构设计要领1)多层建筑施工用快速安装塔机可根据起升高度和运输条件分别采用整体式塔身、伸缩式塔身或折叠式塔身。QTZ500标准节选用1.6m×1.6m高2.5m腹杆采用20号无缝钢管三角形布置M30的40Cr螺栓联结69 轻、中型自升塔机和内爬式塔机宜采用整体式塔身标准节。附着式自升式塔机和起升高度大的轨道式以及独立式自升塔机宜采用拼装式塔身标准节。拼装式塔机塔身标准节的加工精度要求比较高，制作难度较大，零件多和拼装麻烦。但拼装式塔身标准节的优越性更不容忽视：一是堆放储存占地小，二是装卸容易，三是运输费用便宜，特别是长途陆运和运洋海运，由于利用集装箱装运，其抗锈蚀和节约运费的效果极为显著。QTZ500型塔式起重机为中型自升塔机，综合以上特点，其塔身结构选用整体式塔身标准节。2)为减轻塔身的自重，充分发挥钢材的承载能力，并适应发展组合制式塔机的需要，对于达到40m起升高度的塔机塔身宜采用两种不同规格的塔身标准节，而起升高度达到60m的塔机塔身宜采用3种不同规格的塔身标准节。除伸缩式塔身结构和中央顶升式自升塔机的内塔外，塔身结构上、下的外形尺寸均保持不变，但下部塔身结构的主弦杆截面则须予以加大。3)塔身的主弦杆可以是角钢、角钢拼焊方钢管、无缝钢管式实心圆钢，取决于塔身的起重能力、供货条件、经济效益以及开发系列产品的规划和需要。4)塔身节内必须设置爬梯，以便司机及机工可以上下。在设计塔身标准节，特别是在设计拼装式塔身标准节时，要处理好爬梯与塔身的关系，以保证使用安全及安装便利。爬梯宽度不宜小于500mm，梯级间距应上下相等，并应不大于300mm。当爬梯高度大于5m时，应从高2m处开始装设直径为650-800mm的安全护圈，相邻两护圈间距为500mm。安全护圈之间用3根均布的竖向系条相联。安全护圈应能承受来自任何方向的10kN的冲击力而不折断。当爬梯高度超过10m时，爬梯应分段转接，在转接处加一休息平台。塔身结构选用整体式塔身标准节69 塔身接高问题套架与液压顶升机构爬升架顶升机构套架休息平台应能承受相当于3000N的移动集中载荷。休息平台铺板可用防滑花纹钢板或穿孔板、拉网板制成。休息平台必须设置牢固的护栏，护栏立柱高度应不小于1000mm，立柱间距不宜过大，立柱间应设置水平栏杆，第一道水平栏杆距离铺板高度宜为450mm，立柱底部应设有高度不小于70mm的挡脚板。护栏任何一处应能承受1kN来自任何方向的载荷而不破坏。⑶塔身接高问题在遇到塔身需要接高问题时，应按下述两种不同情况分别处理：1)在额定最大自由高度范围内，根据工程对象需要，增加塔身标准节，使低塔机变为高塔机。2)根据施工需要，增加塔身标准节，使塔身高度略超越固定式塔机的规定最大自由高度。在进行具体接高操作之前，还应制定相关的安全操作规程，以保证拆装作业的安全顺利进行。4.套架与液压顶升机构⑴爬升架爬升架主要由套架，平台，液压顶升装置及标准节引进装置等组成。套架是套在塔身标准节外部。套架用无缝钢管焊接而成，节高4.94米，截面尺寸2.0×2.0米2。外侧设有平台和套架爬升导向装置—爬升滚轮。在套架内侧的下方，还设有支承套架的支块，当套架上升到规定位置时，需将此支块连同套架支托于塔身标准节的踏块上。为便于顶升安装的安全需要特设有工作平台，爬升架内侧沿塔身主弦杆安装8个滚轮，支撑在塔身主弦杆外侧，在爬升架的横梁上，焊上两块耳板与液压系统油缸铰接承受油缸的顶升载荷，爬升架下部有两个杠杆原理操纵的摆动爪，在液压缸回收活塞以及引进标准节等过程中作为爬升架承托上部结构重量之用。⑵顶升机构顶升机构主要由顶升套架、顶升作业平台和液压顶升装置组成，用于完成塔身的顶升加节接高工作。⑶套架69 液压顶升上回转自升塔机要有顶升套架。整体标准节用外套架。外套架就是套架本体套在塔身的外部。套架本身就是一个空间桁架结构。套架用无缝钢管焊接而成，节高4940，截面尺寸2000×2000，外侧设有平台和套架爬升导向装置—爬升滚轮。在套架内侧的下方，还设有支承套架的支块，当套架上升到规定位置时，需将此支块连同套架支托于塔身标准节的踏块上。套架由框架，平台，栏杆，支承踏步块等组成。安装套架时，大窗口应与标准节焊有踏块的方向相反。套架的上端用螺栓与回转下支座的外伸腿相连接，其前方的上半部没有焊腹杆，而是引入门框，因此其弦必须作特殊的加强，以防止侧向局部失稳。门框内装有两根引入导轨，以便与标准节的引入。⑷液压顶升1)按顶升接高方式的不同，液压顶升分为上顶升加节接高、中顶升加节接高和下顶升加节接高和下顶升接高三种形式。上顶升加节接高的工艺是由上向下插入标准节，多用于俯仰变幅的动臂自升式塔是起重机。下顶升加节接高的优点：人员在下部操作，安全方便。缺点是：顶升重量大，顶升时锚固装置必须松开。中顶升加节接高的工艺是由塔身一侧引入标准节，可适用于不同形式的臂架，内爬，外附均可，而且顶升时无需松开锚固装置，应用面比较广。本次设计的QTZ500塔式起重机采用上顶升加节接高。2)按顶升机构的传动方式不同，可分为绳轮顶升机构、轮顶升机构、条顶升机构、丝杠顶升机构和液压顶升机构等五种。绳轮顶升机构的特点是构造简单，但不平稳。链轮顶升机构与绳轮顶升机构相类似，采用较少。齿条顶升机构在每节外塔架内侧均装有齿条，内塔架外侧底部安装齿轮。齿轮在齿条上滚动，内塔架随之爬升或下降。丝杠爬升机构的丝杠装在内塔架中轴线处，或装在塔身的侧面内外塔架的空隙里。通过丝杠正、反转，完成顶升过程。本次设计的QTZ500塔式起重机采用液压顶升机构。液压顶升机构由电动机驱动齿轮油泵，液压油经手动换向阀、平衡阀进入液压缸，使液压缸伸缩，实现塔机上部的爬升和拆卸。其主要优点是构造简单、工作可靠、平稳、安全、操作方便、爬升速度快。本机构另有一套手动操作的爬升吊装装置与顶升液压系统配合工作。液压顶升系统如图2-7所示本次设计采用液压顶升本次设计的QTZ500塔式起重机采用的为上顶升69 回转支承装置2-7液压顶升系统1-电动机2-联轴器3-齿轮泵4-滤油器5-溢流阀6-压力表开关7-压力表8-手动换向阀9-油缸10-平衡阀3)顶升液压缸的布置：顶升接高方式又可分为中央顶升和侧顶升两种。所谓中央顶升，是指挥顶升液压缸布置在塔身的中央，并设上，下横梁各一个。液压缸上端固定在横梁铰点处。顶升时，活塞杆外身，通过下横梁支在下部塔身的托座或相应的腹杆节点上。液压缸的大腔在上，小腔在下压力油不断注入液压缸大腔，小腔中液压油则回入油箱，从而使液压缸将塔式起重机的上部顶起。所谓侧顶升式，是将顶升液压油缸设在套架的后侧。顶升时，压力油不断泵入油缸大腔，小腔里的液压油则回流入油箱。活塞杆外伸，通过顶升横梁支撑在焊接于塔身主弦杆上的专用踏步块间距视活塞有效行程而定。一般取1-1.5m。由于液压缸上端铰接在顶升套架横梁上，故能随着液压缸活塞杆的渐渐外伸而将塔机上部顶起来。侧顶式的主要优点是：塔身标准节长度可适当加大，液压缸行程可以相应缩短，加工制造比较方便，成本亦低廉一些。本次设计的QTZ500塔式起重机采用侧顶式。5.回转支承装置本次设计采用侧顶升69 柱式回转支承滚动轴承式回转支承回转支承简称转盘，是塔式起重机的重要部件，由齿圈、座圈、滚动体、隔离快、连接螺栓及密封条等组成。按滚动体的不同，回转支承可分为两大类：一是球式回转支承，另一类是滚柱式回转支承。⑴柱式回转支承柱式回转支承又可分为：转柱式和定柱式两类。定柱式回转支承结构简单，制造方便，起重回转部分转动惯量小，自重和驱动功率小，能使起重机重心降低。转柱式结构简单，制造方便，适用于起升高度和工作幅度以及起重量较大的塔机。⑵滚动轴承式回转支承滚动轴承式回转支承装置按滚动体形状和排列方式可分为：单排四点角接触球式回转支承、双排球式回转支承、单排交叉滚柱式回转支承、三排滚柱式回转支承。滚动轴承式回转支承装置结构紧凑，可同时承受垂直力、水平力和倾覆力矩是目前应用最广的回转支承装置。为保证轴承装置正常工作，对固定轴承座圈的机架要求有足够的刚度。滚动轴承式回转支承，回转部分固定，在大轴承的回转座圈上，而大轴承的的固定座圈则与塔身（底架或门座）的顶面相固结。设计选用球式回转支承，其优点是：刚性好，变形比较小，对承座结构要求较低。钢球为纯滚动，摩擦阻力小，功率损失小。根据构造不同和滚动体使用数量的多少，回转支承又分为单排四点接触球式回转支承、双排球式回转支承、单排交叉滚柱式回转支承和三排滚柱式回转支承。设计采用单排四点接触球式回转支承，它是由一个座圈和齿圈组成，结构紧凑，重量轻，钢球与圆弧滚道四点接触，能同时承受轴向力、径向力和倾翻力矩。回转支承及回转支承装置简图如图2-8所示。69 平衡臂2-8回转支承及回转支承装置简图1-电动机2-液力耦合器3-制动器4-减速器5-小齿轮6-驱动小齿轮7-单排球式回转支承8-大齿轮9-回转限位器6.平衡臂凡上回转塔机均需配设平衡臂，其功能是支撑平衡重，用以构成设计上所要求的作用方向与起重力矩方向相反的平衡力矩。在小车变幅水平臂架自升式塔机中，平衡臂也是延伸了的转台，除平衡重外，还常在其尾端装设起升机构。起升机构之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端，一则可发挥部分配重作用，二则增大钢丝绳卷筒与塔尖导轮间的距离，以利钢丝绳的排绕并避免发生乱绳现象。常用的平衡臂有以下几种结构型式：（1）平面框架式平衡臂，有两根槽钢纵梁或由槽钢焊成的箱形断面组合梁和系杆构成。在框架的上平面铺有走道板，走道板的两旁设有防护栏杆。这种平衡臂的特点是结构简单，加工容易。（2）三角形断面桁架式平衡臂，又分正三角形断面和倒三角形断面两种形式。此类平衡臂的构造与起重臂结构构造相似，但较为轻巧，适用于长度较大的平衡臂。从实用上来看，正三角形断面桁架平衡臂不如倒三角形断面桁架式平衡臂。（3）矩形断面格桁结构平衡臂，其特点主要是根部与座在转台上的回转塔架联结成一体，适用于小车变幅水平臂架特长的超重型自升式塔机。根平衡臂结构形式的选用原则为：自重比较轻；加工制造简单，造型美观与起重臂匹配得体。臂长不超过50m，起重力矩不超过1600kN·QTZ500采用平面框架式平衡臂69 塔顶m的自升式塔机，均以采用平面框架式平衡臂较为适宜。重型和超重型自升塔机，则可采用倒三角形或矩形断面格桁结构平衡臂。因此，本设计平衡臂采用平面框架式平衡臂。平衡臂长度与起重臂长度之间有一定的比例关系，一般可取其比值为0.2～0.35。上回转塔机的平衡臂分为前后两节，节间用销轴连接，其根部用销轴与回转塔身相连，尾部通过平衡拉杆与塔顶相连接。平衡重搁置在尾部，起重机构也靠后布置，电控柜靠前方。这样布置平衡效果较好，便于检查、维护和管理。平衡重属于平衡臂系统的组成部分，它的用量甚是可观，轻型塔机一般至少要用3～4t，重型自升式塔机要装有近30t平衡重。因此在设计平衡重过程中，应对平衡重的选材、构造以及安装进行认真考虑并作妥善安排。平衡重一般可分为固定式和活动式两种。活动平衡重主要用于自升式塔机，其特点是可以移动，易于使塔身上部作用力矩处于平衡状态，便于进行顶升接高作业。但是，构造复杂，机加工量大，造价较高。故国内大部分塔机均采用固定式平衡重。平衡重可用铸造或钢筋混凝土制成。铸铁平衡重的构造较复杂，制造难度大，加工费用贵，但体形尺寸较小，迎风面积较小，有利于减少风载荷的不利影响。钢筋混凝土平衡重的主要缺点是体积大，迎风面积大，对塔身结构及稳定性均有不利影响。但是构造简单，预制生产容易，可就地浇注，并且不怕风吹雨淋，便于推广。因此，本次设计的塔式起重机采用钢筋混凝土式平衡重。平衡臂如图2-9所示。2-9平衡臂7.塔顶69 自升塔机塔身向上延伸的顶端是塔顶又称塔幅或塔尖。其功能是承受起重臂拉杆和平衡臂拉杆传来的上部载荷，通过回转塔架转台，轴承座等的结构部件或直接通过转台传递给塔身结构。自升塔机的塔顶有直立截锥柱式、前倾或后倾截锥柱式、人字架式及斜撑式等形式。截锥柱式塔尖实质上是一个转柱，由于构造上的一些原因，低部断面尺寸要比塔身断面尺寸为小，其主弦杆可视需要选用实心圆钢，厚壁无缝钢管或不等边角钢拼焊的矩形钢管，人字架或塔尖部件由一个平面型钢焊接桁架和两根定位系杆组成。这两种型式塔尖的共同特点是构造简单自重轻，加工容易，存放方便，拆卸运输便利。按照一些传统的做法，塔顶通过回转塔架与转台联成一体，司机室设于回转塔架内。这种做法的不利之点是，司机室受回转塔架构造的限制，不易解决好司机视野问题，以及防漏及联结处理等问题。同时，回转塔架主弦杆需要特别加强，需专用焊状胎具，增大造价。此外，安装高度约增大2.5m增加架设困难。因此，采用人字式塔顶，省略回转塔架，将塔顶结构直接坐在转台上，改用设于塔顶一侧的悬挂式司机室以代替装设在回转塔架内的嵌入式司机室的做法受到了欢迎，并得到日益推广。塔顶高度与起重臂架承载能力有密切关系，一般取为臂架长度的1/7-1/10，长臂架应配用较高的塔尖。但是塔尖高度超过一定极限时，弦杆应力下降效果便不显著，过分加高塔尖高度不仅导致塔尖自重加大，而且会增加安装困难需要换用起重能力更大的辅助吊机。因此，设计时，应权衡各方面的条件选择适当的塔顶高度。本次设计采用前倾截锥柱式塔顶，塔帽用无缝钢管焊成，下部有造作平台，顶部有供平衡臂拉索和吊臂刚性拉杆连接用的吊耳及起升钢丝绳穿绕的定滑轮。顶部还设有安全灯和避雷针，避雷针接地的要求必须按下面图示操作，此接地保护材料，安装和维护服务等均不由厂家提供。如图2-10所示。QTZ500塔机采用前倾截锥柱式塔顶断面尺寸为1.36m×1.36m，塔顶高5.945m69 司机室图2-10塔顶结构图8.司机室司机室的使用要求：塔式司机室应能为司机提供一个较舒适的工作空间，不受风雨及沙尘的袭击及捆扰，有良好通风及隔声构造，保证满足劳动卫生要求。司机操作处的噪声不超过70dB。司机室安置在上接架侧边，内有电器操纵控制台，司机驾驶座椅，电压表，空气开关箱，插座，室灯并且根据用户要求佩带风扇，取暖装置。在湿热地区施工的塔机，司机室必须配备电热采暖装置，司机室内小区气候应力争做到：温度20-24度，相对湿度40%-60%，空气流动速度不大于0.1m/s。司机室必须保证有开阔的视野，便于掌握吊装现场实际情况。司机室内照明（距离地板1200mm处）应不低于50Lx，以利于液压吊装施工。上回转自升塔机的司机室有3种不同的布置方式：悬挂于臂架根部附近，固定于塔顶的一侧；设置于塔身的顶部，以塔架结构为骨架，外包薄腹板：设置于转台之上塔架结构内。69 起重臂构造型式分节问题现今天采用的大多是悬挂式司机室而且多设于转台以上臂根一侧。采用这种布设方式的司机室优异之处在于转台的加工制作可另行安排并实现专业化，不受主体结构生产安排的影响，功效高，成本低；在塔机转场运输中司机室可单独装车运输不受钢结构搬运作业的影响，方便、经济，并且不易损坏，在一些性能指标上悬挂式司机室同与塔身结构紧密接触的其他形式司机室相比能较好地满足使用要求。司机室设于回转塔架内部的不利之处：司机室受塔架结构构造的限制，不易解决好司机视野的问题，以及防漏及连接处理等问题。同时回转塔架主弦杆需要特别加强，增大造价。9.起重臂⑴构造型式塔式起重机的起重臂简称臂架或吊臂，按构造型式可分为：小车变幅水平臂架；俯仰变幅臂架，简称动臂；伸缩式小车变幅臂架；折曲式臂架。小车变幅水平臂架，简称小车臂架，是一种承受压弯作用的水平臂架，是各式塔机广泛采用的一种起重臂。其优点是：吊臂可借助变幅小车沿臂架全长进行水平位移，并能平稳准确地进行安装就位。因此此次设计采用小车变幅水平臂架。小车臂架可概分为三种不同型式：单吊点小车臂架，双吊点小车臂架和起重机与平衡臂架连成一体的锤头式小车臂架。单吊点小车变幅臂架是静定结构，而双吊点小车变幅臂架则是超静定结构。幅度在40m以下的小车臂架大都采用单吊点式构造；双吊点小车变幅臂架结构一般幅度都大于50m。双吊点小车变幅臂架结构自重轻，据分析与同等起重性能的单吊点小车变幅臂架相比，自重均可减轻5%-10%。小车变幅臂架拉索吊点可以设在下弦处，也可设在上弦处，现今通用小车变幅臂架多是上弦吊点，正三角形截面臂架。这种臂架的下弦杆上平面均用作小车运行轨道。⑵分节问题臂架型式的选定及构造细部处理取决于塔机作业特点，使用范围以及承载能力等因素，设计时，应通盘考虑作出最佳选择，首先要解决好分节问题。69 截面形式及截面尺度小车臂架常用的标准节间长度有6、7、8、10、12m五种。为便于组合成若干不同长度的臂架，除标准节间外，一般都配设1~2个3~5m长的延接节，一个根部节，一个首部节和端头节。端头节构造应当简单轻巧，配有小车牵引绳换向滑轮、起升绳端头固定装置。此端头节长度不计入臂架总长，但可与任一标准节间配装，形成一个完整的起重臂。本次设计选用标准节长度为6m，另加上3m长的延接节。其示意图见图2-11。图2-11臂架分节⑶截面形式及截面尺度塔机臂架的截面形式有三种：正三角形截面、倒三角形截面和矩形截面。小车变幅水平臂架大都采用正三角形截面，本次设计的QTZ500采用正三角形截面。选用这种方式的优点是：节省钢材，减轻重量，从而节约成本。其尺寸截面形式如图2-12所示。臂架截面尺寸与臂架承载能力、臂架构选用7个6m标准节间，1个6m和1个2m的延接节69 腹杆布置和杆件材料选用吊点的选择与构造2-12臂架截面及其腹杆布置1-水平腹杆2-侧腹杆3-上弦杆4-下弦杆臂架一至五节：B=1020mmH=800mm臂架六至九节：B=1017mmH=800mm造、塔顶高度及拉杆结构等因素有关。截面高度主要受最大起重量和拉杆吊点外悬臂长度影响最大。截面宽度主要与臂架全长有关。设计臂架长度为50m，共分九节。　⑷腹杆布置和杆件材料选用矩形截面臂架的腹杆体系宜采用人字式布置方式，而三角形截面起重臂的腹杆体系既可采用人字式布置方式，也可采用顺斜置式。此两种布置方式各有特点。当采用顺斜置式式，焊缝长度较短、质量不易保证。焊接变形不均匀，节点刚度较差，且不便于布置小车变幅机构。因此本设计选用人字式布置方式。其优点在于，这种布置方式应用区段不受限制，焊缝长度较长，强度易于保证，焊接变形较均匀，节点刚度较好，便于布置小车变幅机构。臂架杆件材料有多种选择可能性。一般情况下，上吊点小车变幅臂架的上弦以选用16Mn实心钢为宜，但造价要高。因此本设计选用20号无缝圆钢管。其特点是：惯性矩、长细比要小，抗失稳能力高。下弦采用等边角钢对焊的箱型截面杆件，经济实用，具有良好的抗压性能。因此上弦杆选用89×8，下弦选用的角钢型号为：75×5，臂间由销轴连接。⑸吊点的选择与构造吊点可分为单吊点和双吊点。其设计原则是：臂架长度小于50m，对最大起吊量并无特大要求，一般采用单吊点结构。若臂架总长在50米以上，或对跨中附近最大起吊量有特大要求应采用双吊点，采用单吊点结构时，吊点可以设在上弦或下弦。吊点以左可看作简支梁，以右可看作悬臂梁。在设计中采用双吊点。10.附着装置腹杆体系采用人字形布方式臂架上弦杆选用20号无缝圆钢管69 附着装置拉杆上、下支座附着装置由一套附着框架，四套顶杆和三根撑杆组成，通过它们将起重机塔身的中间节段锚固在建筑物上，以增加塔身的刚度和整体稳定性．撑杆的长度可以调整，以满足塔身中心线到建筑物的距离限制．通常这个距离以3.5～5m设计。附着装置如图2-13所示。2-13附着装置11.拉杆QTZ630塔式起重机采用双吊点式拉杆结构，拉杆由焊件组成，其材料为16Mn，拉杆节之间用过渡节连接，由受力特性计算出其拉杆点作为位置，其中在平衡臂和吊臂上设有拉板和销轴用来连接用。12.上、下支座上支座上部分别与塔顶、起重臂、平衡臂连接，下部用高强螺栓与回转支承相连接在支承座两侧安装有回转机构，它下面的小齿轮准确地与回转支承外齿圈啮合，另一面设有限位开关。下支座上部用高强螺栓与回转支承连接、支承上部结构，下部四角平面用4个销轴和8个M30的高强螺栓分别与爬升架和塔身连接。2.2.2工作机构塔机工作机构分为5种：起升机构；变幅机构；小车牵引机构；回转机构；大车行走机构。固定式塔机不设大车行走机构。起升机构、变幅机构及小车牵引机构在构造上极为近似，均由电动机、联轴器、制动器、减速器和卷筒等部件组成。QTZ500塔式起重机采用双吊点式拉杆结构,材料为16Mn69 工作机构起升机构为了提高塔机生产率，加快吊装施工进度，无论是起升机构、变幅机构、小车牵引机构、回转机构和大车行走机构均应具备较高的工作速度，并要求从静停到全速运行，或从全速运行转入静停的全过程（即启动和制动过程），都能平缓进行，避免产生急剧冲动，对金属结构产生破坏影响。对于高层建筑施工用的自升塔机来说，由于起升高度大，起重臂长，起重量大，对工作机构调速系统有更高的要求。1.起升机构起升机构是起重机机械的主要机构，用以实现重物的升降运动。起升机构通常由原动机、减速器、卷筒、制动器、钢丝绳、滑轮组和吊钩组成。本次设计的起升机构由一合三速电动机驱动，电动机型号F225-4/8/32N=15/15/3.7KW,n=1400/700/144rpm。通过弹性联轴节与ZQ500型圆柱齿轮变速箱驱动起升卷筒，本机构采用液力推杆制动器。起升速度由电控三速电动机实现其“两快一慢”的动作，本机构还备有高度限位装置，避免起升时卷筒发生过卷现象，通过调整高度限位装器行程开关的碰块的位置，以实现吊钩在最大高度时，起升机构断电，保护高度限位的安全。高度限位器只是一种安全装置，不允许用来作工作装置使用。其简图如图2-14所示。2-14起升机构简图1-三速电机2-联轴器3-液力推杆制动器4-ZQ500圆柱齿轮减速器5-卷筒6-高度限位器⑴起升机构的传动方式69 起升机构的传动方式起升机构的减速器起升机构的制动器机械传动：其动力是由发动机经机械传动装置传至起升机构起升卷筒，同时也传至其它工作机构，由于集中驱动，为保证各机构独立运动，整机的传动比较复杂。起升机构的调速困难、操作麻烦、但工作可靠。电力传动：由直流或交流电动机通过减速器带动起升卷筒。直流电动机传动的机械特性适合起升机构工作要求，调速性能好，但直流电的获得较为困难。交流电机传动由于能直接自电网取得电流，结构简单、机组重量轻。液压传动：有高速液压马达传动和低速大扭矩液压马达传动。前者重量轻、体积小、容积效率高。后者传动零件少，起、制动性能好，但容积效率较低，易影响机构转速，体积与重量较大。综上，考虑经济性、工作情况、工作效益等，本次设计采用电力传动。⑵起升机构的减速器起升机构的减速器通常有以下几种：圆柱齿轮减速器、蜗轮减速器、行星齿轮减速器。圆柱齿轮减速器效率高，功率范围大，使用普遍，但体积大。蜗轮减速器的尺寸小，传动比大，重量轻，但效率低，寿命短。行星齿轮减速器包括摆线针轮行星减速器和少齿差行星减速器，具有结构紧凑、传动比大、重量轻等特点，但价格较贵。比较上述性能，选用圆柱齿轮减速器。⑶起升机构的制动器起升机构的制动器可布置在高速轴上，也可布置在低速轴上。制动器布置在高速轴上时，所需制动力矩小，但制动时冲击较大，通常采用块式制动器。布置在低速轴上的制动器，所需制动力矩较大，通常采用带式制动器或点盘式制动器。本设计将制动器布置在高速轴上，采用块式制动器。⑷滑轮组倍率在起升机构中，滑轮倍率装置是为了使起升机构的起重能力提高一倍，而起升速度会降低一倍，这样起升机构能够更加灵活地满足施工的需要。塔式起重机一般都为单联滑轮组，故倍率a等于承载分支数Z。起升速度有6种，见表2-1。表2-1起升特性参数表QTZ500采用电力传动的起升机构69 滑轮组倍率回转机构回转电动机液力耦合器倍率a=2a=4起重量（t）空钩220.81844速度(m/min)68346.534173.3四倍率与二倍率转化方便、快捷，变换倍率的方法如下：将上滑轮6用销轴与吊钩滑轮组7的两滑轮的杆交点连接起来，此时即为四倍率状态；拔出销子，上滑轮6上升到载重小车4处固定后，就变为二倍率状态。2.回转机构塔机是靠起重臂回转来保障其工作覆盖面的。回转运动的产生是通过上、下回转支座分别装在回转支承的内外圈上并由回转机构驱动小齿轮。小齿轮与回转支承的大齿圈啮合，带动回转上支座相对于下支座运动。回转机构由一台双速电动机驱动，经过力偶合器至行星齿轮减速机到主动小齿轮，再驱动回转支承大齿轮。本机构由于采用了液力偶合器联结，使其运转平稳，冲击惯性小，进而改善了塔机的工作状况。回转机构设成双回转式，通常由回转电动机、液力耦合器、回转制动器、回转减速器和小齿轮组成。⑴回转电动机回转电动机是整机的传动分流装置的一个传动元件，其选择由起重机的总动力源决定。⑵液力耦合器液力耦合器作用：一是软化传动特性，使输入和输出之间有微小转差，这样电动机起动力矩不至于一下输入到减速器，产生过大冲击；二是当有两台回转电动机同时并联工作时，可以协调其负载比较平衡，不至于转得快的负载很大，转得慢的负载很轻。⑶制动器69 制动器减速器回转制动器选用常开式。回转制动在回转过程中不允许使用，但回转工作完成后，一定要打开制动器。制动器选择单片电磁制动器。⑷减速器减速器是回转机构的关键组成部分，既要减速，又要承受小齿轮轴传来的集中反力。回转机构的安装要求很紧凑，多用行星齿轮减速器，而且多极减速。综上，回转机构由一台单速电动机驱动，动力经液力耦合器至行星齿轮减速器到小齿轮，在驱动回转支承大齿轮，为使回转定位准确，本机构中装有一套单片电磁制动器以实现回转止动，该装置只适用于在回转电动机停止工作后，起重臂旋转动作停止时使用。回转机构简图如图2-15所示。图2-15回转机构简图1-双速电动机2-液力偶合器3-Xx4-100型行星齿轮减速器4-驱动小齿轮5-单排四点接触球式回转支承6-回转大齿轮3.变幅机构为了满足物料装卸工作位置的要求，充分利用自身的起吊能力，塔式起重机需要经常改变幅度。变幅机构则是实现改变幅度的工作机构，并用来扩大塔式起重机的工作范围，提高生产率。变幅机构由电动机、减速器，卷筒和制动器组成，功率和外形尺寸较小。变幅机构按其构造和不同的变幅方式分为运行小车式和吊臂俯仰式。采用圆柱齿轮减速器69 变幅机构本设计采用小车变幅，绳索牵引式小车变幅可使工作可靠，减轻起重臂载荷，而且因其驱动装置放在吊臂根部，平衡重也可略为减少。⑴驱动卷筒的型式有普通牵引卷筒和摩擦卷筒。采用普通牵引卷筒，工作可靠，但牵引卷筒较长，而且要有两根钢丝绳，采用铸造卷筒。后者牵引卷筒及钢丝绳长度可减少一半，但必须装设张紧导向轮且需经常调整牵引绳张力，以保证摩擦卷筒能正常工作。本次设计采用普通卷筒。⑵电动机变幅机构因有两个速度，则应选用双速电机。⑶减速器卷筒的传动机构可采用普通标准卷扬机，为使机构尺寸更紧凑，本机构采用行星摆线针轮减速器。⑷制动器制动器小车牵引机构采用电磁铁制动器，使起、制动平稳，可靠。本次设计的变幅机构由一台双速电动机经带制动器的联轴节至摆线针轮减速机驱动卷筒。卷筒两端都固定有变幅钢丝绳的端头，无论变幅小车走到最外端或最里端，卷筒的放绳端都应有3～4圈的钢丝绳未放完。在放出和卷回的两根钢丝绳之间的卷筒上，应保留有3～4圈钢丝绳的光卷筒。当工作一段时间，钢丝绳被拉长而挠度过大时，可用变幅小车的螺栓将钢丝绳收紧。变幅机构及钢丝绳的缠绕方式如图2-16所示。变幅机构简图69 安全保护装置限位开关又称限位器图2-16变幅机构及钢丝绳缠绕简图1-变幅卷筒2-摆线针轮减速机3-制动器4-电动机2.2.3安全保护装置安全装置是塔式起重机必不可少的关键设备之一，其作用是防止误操作和违章操作，以避免由误操作或违章操作所导致的严重后果。塔式起重机的安全装置可分为限位开关、断电装置、钢丝绳防脱装置、风速计、紧急安全开关、安全保护音响信号。1.限位开关又称限位器。其功能主要有以下几种：⑴吊钩行程限位开关。用以防止吊钩行程超越极限，以免碰坏起重机臂架结构和出现钢丝绳乱绳现象。⑵回转限位开关。用于限制塔式起重机的回转角度，防止扭断或损坏电缆。凡是不装设中央集电环的塔式起重机，均应配置回转限位开关。⑶小车行程限位开关。用以使小车在到达臂架头部或臂架根端之前停车，防止小车越位事故的发生。2.起升高度限制器为了防止起升卷筒过卷而拉断钢丝绳，工程起重机均装设有起升高度限制器。起升高度限制器组要有重锤式和螺杆式。重锤式高度限制器优点是结构简单，使用方便；缺点是用钢丝绳悬挂，重锤经常与起升钢丝绳摩擦。螺杆式高度限制器常用于小车变幅式塔式起重机，这种限制器装有两个限位开关，还可以做双向控制。3.起重量限制器起重量限制器只控制或只显示起重机的极限载荷。在正常的起重机作业中，起升钢丝绳的合力R对转轴的力矩M=R69 起升高度限制器起重量限制器力矩限制器风速仪钢丝绳防脱装置a与弹簧力N对转轴的力矩M=Nb相平衡,而弹簧的变形量较小，当超载时，弹簧产生较大的变形，撑杆打开限位开关，使起升机构停止工作，起限制超载的作用。4.力矩限制器力矩限制器主要有传感器装置，吊臂长度检测装置，吊臂仰角检测装置，运算系统及显示部分和执行机构所组成。力矩限制器通过检测装置当时的吊臂长度和吊臂对水平面的倾角，并输入到运算系统内，计算出当时的工作幅度，然后根据相应的“幅度-起重量特性曲线”计算出当时允许起升的最大载荷，并以此作为额定值。装设在变幅液压缸上的传感器装置测得反应总力矩的信号，送入运算系统内，经过计算后得出起升载荷的实际值。当实际值大于额定值时，起重机已处于危险工作状态，这时力矩限制器会发出声响和灯光警报。5.风速仪风荷是塔式起重机的基本载荷，风荷与风速有关，还会随高度升高而增大。因此，风速仪是一种极其重要的安全预警装置，对每台自升式塔式起重机均是必备之物。风速仪应安装在塔机顶部至吊具最高位置间的不挡风处。6.钢丝绳防脱装置GB5144《塔式起重机安全规程》规定：滑轮、起升卷筒及动臂式塔机的变幅卷筒应设有钢丝绳防脱装置，该装置与滑轮或卷筒侧板最外缘的间隙不得超过钢丝绳直径的20%。除此之外还有许多电子安全装置，用以保证工人工作的安全，使他们在安全、舒适的环境下工作。7.电子安全装置塔机上采用的电子安全装置主要有三种：电子力矩限制器、电子作业区域限制器和电子防止护撞系统。目前因价性比关系（价格性能比），仅在少数塔机上应用。2.3总体设计原则2.3.1整机工作级别69 电子安全装置总体设计原则整机工作级别机构工作级别塔式起重机的工作级别与它的利用等级（工作频繁程度）和载荷状态（受载荷的轻重和频繁程度）有关。根据使用状态由GB/T13752-92《塔式起重机设计规范》P60附录C表C1选取本次设计的QTZ500自升式建筑用塔机的利用等级为U4(经常轻负荷使用)，载荷状态为Q2（中-有时起吊额定载荷，一般起吊中等载荷），起升等级为HC2，工作级别为A4,名义载荷谱系数Km=0.25。2.3.2机构工作级别根据GB/T13752-92《塔式起重机设计规范》规定：机构的工作级别按机构的利用等级和载荷状态分为六级：M1-M6。机构的利用等级按机构工作总时间分为六级：T1-T6。机构工作总时间规定为机构在设计寿命期内处于运转的总小时数，它仅作为机构零件的设计基础，而不能视为保用期。机构的载荷状态表明机构受载的轻重程度，按载荷谱系数分为三级：L1-L3。由参考书目【1】P31表2-1-3及GB/T13752-92《塔式起重机设计规范》P77附录L表L1取定起升机构、回转机构、变幅机构、顶升机构的工作级别为如表2－2所示：表2-2工作机构级别起升机构回转机构变幅机构顶升机构Km=0.25Km=0.50Km=0.25Km=0.25T4L2M4T4L3M3T3L2M3T1L2M1T―机构利用等级；L―机构载荷状态；M―机构工作级别；Km―名义载荷谱系数2.3.3主要技术性能参数塔机的基本参数有：幅度、起升高度、额定起升载荷、轴距、轮距、起重机重量、尾部回转半径和工作速度。塔机的工作速度有：额定起升速度、最低稳定速度、变幅速度、额定回转速度以及行走速度。塔机的主要性能参数如下：1.额定起重力矩50tm2.最大工作幅度50m，最小工作幅度2m3.最大起重量4t，最小起重量0.85t69 主要技术性能参数平衡臂与平衡重的计算4.起升高度固定式36m附着式100m5.回转速度0.36m/min,0.47m/min6.小车运行速度21m/min,42.5m/min7．起升特性参数表见表2-3：表2-3起升特性参数表倍率a=2a=4起重量（t）空钩220.81844速度(m/min)68346.534173.38.顶升速度0.5m/min9.电机功率25.3kw10.塔机自重8.4t11.配重8.4t12.整机重量33.4t2.4平衡臂与平衡重的计算上回转塔式起重机应按塔身受载最小的原则确定平衡重的质量。平衡重的设计要求：满载工作时，塔身承受的前倾弯矩接近于空载非工作状态时塔身的后倾弯矩。工作状态的前倾弯矩为：吊臂自重引起弯矩M1、吊臂拉杆引起弯矩M2、变幅机构引起弯矩M3及最大起重力矩Mmax之和减去平衡臂引起弯矩M4、起升机构引起弯矩M5、平衡重引起弯矩M6，即：M=M1+M2+M3+Mmax-M4-M5-M6非工作状态时的后倾弯矩为：平衡臂引起弯矩M4、起升机构引起弯矩M5、平衡重引起弯矩M6之和减去吊臂自重引起弯矩M1、吊臂拉杆引起弯矩M269 及变幅机构引起弯矩M3，即：M*=M4+M5+M6-M1-M2-M3由M=M*得：M1+M2+M3+Mmax-M4-M5-M6=M4+M5+M6-M1-M2-M3即M6=0.5Mmax+M1+M2+M3-M4-M5QTZ630塔式起重机参照同类型塔基，取各部件参数如下：表2-4塔式起重机各部件对塔身的中心力矩序号名称重量（t）坐标X（m）力矩（tm）1起升机构1.406-9.425-13.251552回转机构0.18154003变幅机构0.07486.10.4560974液压顶升机构0.6059-1-0.60595平衡臂拉杆0.34974-4.96-1.73471046变幅小车0.14666507.3337回转限位装置0.00466-0.825-0.00384458平衡重G-11.5-11.5G9吊钩组0.133506.6510吊臂拉杆10.198727.0041.392吊臂拉杆20.5339819.912510.63311第一节臂0.17149.958.554第二节臂0.30745.9514.110第三节臂0.32539.9512.969第四节臂0.30733.9510.425第五节臂0.33327.959.2940.40621.958.91269 第六节臂第七节臂0.46015.957.336第八节臂0.4069.954.036第九节臂0.3323.951.311吊臂总计3.376.94712平衡臂1.606-6.5865-10.57791913塔帽1.0050014塔身标准节7.01090015塔身基础节0.56020016物品0.855042.517底架0.90420018套架1.9290019司机室0.28480020上接架0.510021下接架0.9280022斜撑0.48880023上接盘1.12400总计25.85+G119.738-11.5G根据参数代入公式得：M6=0.556.483+76.947+12.025+0.456-10.578-13.252=93.867tm取平衡重为8t，平衡臂长为L，则L=93.867/8=11.733m平衡臂与起重臂的长度比为：11.733/50=0.2347由参考书目2-p91-表3-4-1,一般高层建筑施工用塔基，平衡臂与起重臂的长度比0.15-0.35，知道满足设计。2.5起重特性曲线在臂长为50米时，起重量均按最大幅度50米时起重力矩为42.5吨米计算。69 起重特性曲线由上表可知,在幅度为50米时，物品、小车、吊钩及钢丝绳对塔身中心的力矩:M=42.5+7.333+6.65+4.725=61.208tm（1）幅度为R时，物品、小车、吊钩及钢丝绳对塔身中心的力矩：M=(Q+0.37386)(R-0.95)（2）由以上两式得：Q=M/(R-0.95)-0.37386（3）满载时Q=4t，求得：满载时幅度R=14.944m其中：Q——起重量（t）M——最大起重力矩（tm）R——幅度（m）计算各幅度时起重量并列于下表2-5：表2-5吊臂在各幅度时的起重量臂长（m）50幅度（m）2-14.94151617181920a22443.793.523.293.082.902.73幅度（m）21222324252627a221.981.9042.582.442.312.202.091.991.90幅度（m）28303234363840a21.811.671.541.421.321.231.1541.821.671.531.421.311.221.14幅度（m）4244464850a21.081.010.950.890.8441.060.990.930.870.82起重特性曲线如图2-17所示：（a=2,a=4）续表69 起重特性曲线塔机风力计算图2-17起重特性曲线2.6塔机风力计算塔式起重机一般都是在露天工作，因此必须考虑风载荷的作用，并认为风载荷是可沿任意方向作用的水平力。塔式起重机风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风载荷两类。工作状态风载荷是指塔式起重机在正常工作情况下所能承受的最大计算风力，又分为正常工作状态和工作状态最大风载荷两种。非工作状态风载荷是塔式起重机在非工作状态时所受的最大计算风力(如暴风产生的力)。根据GB/T13752-92《塔式起重机设计规范》-p7-4.2.2.1.2之规定，参照参考书目1-p15-表1-3-969 工作工况Ⅰ风载荷方向与起重臂方向垂直（GB3811-83）风压选择如表2-6所示。表2-6风压选择序号适应情况风压Pa1正常工作状态计算风压，用于计算结构的疲劳强度和发热验算1502工作状态最大计算风压，用于计算结构的强度、刚度、稳定性和整体抗倾翻稳定性2503非工作状态计算风压，用于计算结构的强度、刚度、稳定性和整体抗倾翻稳定性0-20m80020-40m11002.6.1工作工况Ⅰ风载荷方向与起重臂方向垂直。1.平衡臂风力计算2-18工作工况Ⅰ示意图1）风力系数选取根据GB/T13752-92《塔式起重机设计规范》-p8-4.2.2.1.3-b之规定，平衡臂可视为两片平行平面桁架组成的空间结构，其整体结构的风力系数可取为单片结构的风力系数，护栏为管结构，由表8，CW取1.4。2）由平衡臂的设计尺寸计算迎风面积根据GB/T13752-92《塔式起重机设计规范》-p8-4.2.2.1.4-b之规定，对于两片并列等高型式相同的结构，考虑前片对后片的挡风作用，总迎风面积为：69 A=A1+ηA2式中：A1——前片结构的迎风面积，A1=ω1A11，m2；A2——后片结构的迎风面积，A2=ω2A12，m2；η——两片相邻桁架前片对后片的挡风折减系数，与前片桁架充实率ω1及两片桁架间隔比ls/h有关，按表10选取则结构迎风面积A=A1+ηA2=ω1A11+ηω2A12已知：A1=A2=ωA0A0=Lh=11.523×1.005=11.581m2ls=1.22m,ls/h=1.22/1.005≈1由表9、表10选取ω=0.3η=0.57代入得，A=0.3×11.581+0.57×0.3×11.581=5.455m23）风力计算根据GB/T13752-92《塔式起重机设计规范》-p7-4.2.2.1.1之规定，风力计算公式:FW=CWpWA式中：FW——作用在塔式起重机上和物品上的风载荷（FW1，FW2），N；CW——风力系数；pW——计算风压，Pa；A——垂直于风向的迎风面积，m2。已知：CW=1.4；pW=250Pa；A=5.455m2代入得，FW=1.4×250×5.455=1909.25NXC=-6.5865m2.起升机构风力计算起升机构迎风面积按实体计算，则可知结构充实率ω=1A取其近似值A=1×1.09×0.6=0.654m2CW=1.2pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×0.654=196.2NXC=-9.425m3.平衡重风力计算平衡重迎风面积按实体计算，可知结构充实率ω=1FW=1909.25NFW=196.2NF=765N∑FW=2870.75N69 A由平衡重尺寸取其近似值A=1×1.25×2.04=2.55m取C=1.2p=250Pa代入得，F=1.2×250×2.55=765NX=-11.5m平衡臂及其上构件合计∑FW=1909.25+196.2+765=2870.75N∑MKW=1909.25×6.5865+196.2×9.425+765×11.5=23221.96NmXC=-23221.96/2870.75=-8.09m4.起重臂风力计算本次设计的QTZ500塔式起重机的起重臂的结构形式为：上弦杆为无缝圆管，下弦杆为角钢焊合箱形截面管，腹杆为圆管的三角形节面空间结构，此工况下受侧向风力作用。三角形截面空间结构的风载荷按其垂直于风向的投影面积所受风力的1.25倍计算。已知：结构充实率ω=0.4A=0.4×0.8×50=16m2CW=1.3pW=250Pa代入得，FW=1.25×1.3×250×16=6500NXC=23.32m5.牵引机构风力计算牵引机构迎风面积按实体计算轮廓外形已知：结构充实率ω=1A取其近似值A=1×0.43×0.486=0.21m2CW=1.2pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×0.21=63NXC=6.1m起重臂及其上构件合计∑FW=6500+63=6563N∑MKW=6500×23.32+63×6.1=151964.3NmFW=6500N∑FW=6563N69 XC=151964.3/6563=23.155m6.塔顶风力计算三角形截面空间结构的风载荷按其垂直于风向的投影面积所受风力的1.25倍计算。已知：结构充实率ω=0.3A取其近似值A=0.3×0.5×5.945×1.36=1.213m2CW=1.2pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×1.25×1.213=454.875NXC=0m7.上下支座风力计算上下支座迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1A取其近似值A=1×0.41×（1.5+2.0）=1.435mCW=1.2pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×1.435=430.5NXC=0m8.塔身风力计算塔身为型钢制成的桁架结构，已知：结构充实率ω=0.35,挡风折减系数η=0.64A取其近似值A=A+ηA=0.35×（1+0.64）×1.6×36=33.06mCW=1.2pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×33.06=9918NXC=0m2.6.2工作工况Ⅱ风载荷方向与起重臂方向平行。1.平衡臂风力计算1）已知：结构充实率ω=0.3A取其近似值A=0.3×2.232×1.18=0.821m2FW=454.875NFW=430.5NFW=9918NFW=287.35N69 工作工况Ⅱ风载荷方向与起重臂方向平行CW=1.4pW=250Pa代入得，FW=1.4×250×0.821=287.35N2-19工作工况Ⅱ2.起升机构风力计算起升机构迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1A取其近似值A=1×1.13×0.68=0.768mCW=1.2pW=250P代入得，FW=1.2×250×0.768=230.4N3.平衡重风力计算平衡重迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1A由平衡重尺寸取其近似值A=1×1.33×2.04=2.713m2CW=1.2pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×2.713=813.9N平衡臂及其上构件合计∑FW=287.35+230.4+813.9=1331.65N4.起重臂风力计算n片型式尺寸相同，且间隔相等的并列结构在纵向风力作用下，总迎风面按下式计算：A=（1-ηn）ω1A1/（1-η）式中：A1=0.4×1.1×0.8/2=0.176m2结构充实率ω1=0.4η=0.4则A=（1-0.4）×0.4×0.176/（1-0.4）=0.117m2已知：CW=1.3FW=230.4NFW=813.9N∑FW=1331.65NFW=38.1N69 pW=250Pa代入得，FW=1.3×250×0.117=38.1N5.牵引机构风力计算牵引机构迎风面积按实体计算轮廓外形。已知：A取其近似值A=1×0.947×0.43=0.407m2CW=1.2pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×0.407=122.1N起重臂及其上构件合计∑FW=38.1+122.1=160.2N6.塔顶风力计算已知：结构充实率ω=0.3A取其近似值A=0.3×1.36×5.945×0.5=1.213m2风力系数CW=1.2计算风压pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×1.25×1.213=454.793N7.上下支座风力计算上下支座迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1A取其近似值A=1×0.41×(1.5+2.0)=1.435m2风力系数CW=1.2计算风压pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×1.435=430.5N8.塔身风力计算FW=9918NFW=122.1N∑FW=160.2NFW=454.793NFW=430.5N69 工作工况Ⅲ风载荷方向与起重臂方向平行（吊臂与平衡臂旋转45°）图2-20工作工况Ⅲ2.6.3工作工况Ⅲ风载荷方向与起重臂方向平行（吊臂与平衡臂旋转45°）。1.平衡臂风力计算1）已知：结构充实率ω=0.3A取其近似值A=0.3×2.232×1.18=0.821m2CW=1.4pW=250Pa代入得，FW=1.4×250×0.821=287.35N2.起升机构风力计算起升机构迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1A取其近似值A=1×1.13×0.68=0.768mCW=1.2pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×0.768=230.4N3.平衡重风力计算平衡重迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1A由平衡重尺寸取其近似值A=1×1.33×2.04=2.713m2CW=1.2pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×2.713=813.9N平衡臂及其上构件合计∑FW=287.35+230.4+813.9=1331.65NFW=287.35NFW=230.4FW=813.9N∑FW=1331.65N69 4.起重臂风力计算n片型式尺寸相同，且间隔相等的并列结构在纵向风力作用下，总迎风面按下式计算：A=（1-ηn）ω1A1/（1-η）式中：A1=0.4×1.1×0.8/2=0.176m2结构充实率ω1=0.4η=0.4则A=（1-0.4）×0.4×0.176/（1-0.4）=0.117m2已知：CW=1.3pW=250Pa代入得，FW=1.3×250×0.117=38.1N5.牵引机构风力计算牵引机构迎风面积按实体计算轮廓外形。已知：A取其近似值A=1×0.947×0.43=0.407m2CW=1.2pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×0.407=122.1N起重臂及其上构件合计∑FW=38.1+122.1=160.2N6.塔顶风力计算已知：结构充实率ω=0.3A取其近似值A=0.3×1.36×5.945×0.5=1.213m2风力系数CW=1.2计算风压pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×1.25×1.213=454.793N7.上下支座风力计算上下支座迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1A取其近似值A=1×0.41×(1.5+2.0)=1.435m2风力系数CW=1.2计算风压pW=250Pa代入得，FW=1.2×250×1.435=430.5N8.塔身风力计算FW=122.1N∑FW=160.2NFW=454.793NFW=430.5NFW=11901.6N69 非工作工况Ⅳ风载荷方向与起重臂方向平行在此种工况下，风对着矩形截面空间结构对角线方向吹，矩形截面边长比为1：1＜2，风载荷取为风向着矩形边长作用时的1.2倍，即FW=1.2×9918=11901.6N2.6.4非工作工况Ⅳ风载荷方向与起重臂方向平行。2-21非工作工况Ⅳ非工作工况下的风压0-20m800Pa；20-40m1100Pa，此种状态下，风对塔机的作用方向与工作工况Ⅱ相同。1.平衡臂风力计算1）已知：结构充实率ω=0.3A取其近似值A=0.3×2.232×1.18=0.821m2CW=1.4pW=1100Pa代入得，FW=1.4×1100×0.821=1264.34N2.起升机构风力计算起升机构迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1A取其近似值A=1×1.13×0.68=0.768mCW=1.2pW=1100Pa代入得，FW=1.2×1100×0.768=1073.76N3.平衡重风力计算平衡重迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1A由平衡重尺寸取其近似值A=1×1.33×2.04=2.713m2CW=1.2pW=1100PaFW=1264.34NFW=1073.76NFW=3581.16N∑FW=5919.26N69 代入得，FW=1.2×1100×2.713=3581.16N平衡臂及其上构件合计∑FW=1264.34+1073.76+3581.16=5919.26N4.起重臂风力计算n片型式尺寸相同，且间隔相等的并列结构在纵向风力作用下，总迎风面按下式计算：A=（1-ηn）ω1A1/（1-η）式中：A1=0.4×1.1×0.8/2=0.176m2结构充实率ω1=0.4η=0.4则A=（1-0.4）×0.4×0.176/（1-0.4）=0.117m2已知：CW=1.3pW=1100Pa代入得，FW=1.3×1100×0.117=167.31N5.牵引机构风力计算牵引机构迎风面积按实体计算轮廓外形。已知：A取其近似值A=1×0.947×0.43=0.407m2CW=1.2pW=1100Pa代入得，FW=1.2×1100×0.407=537.24N起重臂及其上构件合计∑FW=167.31+537.24=704.55N6.塔顶风力计算已知：结构充实率ω=0.3A取其近似值A=0.3×1.36×5.945×0.5=1.213m2风力系数CW=1.2计算风压pW=1100Pa代入得，FW=1.2×1100×1.25×1.213=2001.45N7.上下支座风力计算上下支座迎风面积按实体计算。已知：结构充实率ω=1A取其近似值A=1×0.41×(1.5+2.0)=1.435m2风力系数CW=1.2FW=167.31NFW=537.24N∑FW=704.55NFW=2001.45NFW=1894.2N0～20mFW=17632N20～36mFW=19395.2N69 整机的抗倾翻稳定性计算风压pW=1100Pa代入得，FW=1.2×1100×1.435=1894.2N8.塔身风力计算塔身为钢管制成的桁架结构，已知：结构充实率ω=0.35，A取其近似值A=A+ηA=33.06m，风力系数CW=1.2计算风压0～20mpW=800Pa20～36mpW=1100Pa代入得，0～20mFW=1.2×800×33.06×20/36=17632N20～36mFW=1.2×1100×33.06×16/36=19395.2N2.7整机的抗倾翻稳定性起重机抗倾翻稳定性是指起重机在自重和外载荷作用下抵抗翻倒的能力，保证起重机具有足够的抗倾覆稳定性，是起重机设计中的基本要求之一。塔式起重机重心高，工作半径大，而支撑轮廓尺寸又相对较小，一旦失去稳定就可能造成重大“倒塔”事故。要对塔式起重机工作状态的抗倾翻稳定性，非工作状态的抗倾翻稳定性，安装、拆除时的抗倾翻稳定性进行验算。根据《塔式起重机设计规范GB/T13752-92》，塔式起重机抗倾翻稳定性应按下表所列工况进行校核。表2-7验算工况工况说明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，料斗卸载注：起重臂能随风回转的塔式起重机，工况3的风向由平衡重吹向起重臂方向。表中各工况的稳定条件规定为，塔式起重机极其部件的位置，载荷的数值和方向取最不利组合条件下，包括自重载荷在内的各项载荷对倾翻边的力矩代数和大于零（即∑M大于零），则认为该塔式起重机是稳定的。起稳定力矩的符号为正，起倾翻作用的力矩符号为负并乘以1.1-1.2的增大系数。校核时，各项载荷应根据GB/T13752-92《塔式起重机设计规范》-p12-4.3.2-表13之规定，乘以相应的载荷系数。M=143.708tm69 工作工况Ⅰ验算基本稳定性，工作状态，静态无风2.7.1工作工况Ⅰ验算基本稳定性，工作状态，静态无风。1.平衡臂部分（平衡臂、起升机构、平衡臂拉杆、平衡重）M=1.606×（6.59+2.3）+1.406×（9.43+2.3）+0.34974×（4.96+2.3）+8×（11.5+2.3）=14.277+16.492+2.539+110.4=143.708tm2.起重臂部分（吊臂、变幅机构、载重小车、吊臂拉杆、吊钩及钢丝绳、物品）M=3.3×（23.32-2.3）+0.075×（6.1-2.3）+0.1467×50+1.392+10.633-0.7327×2.3+1.5×0.133×50+1.5×0.85×50+1.5×0.0942×50=69.366+0.285+7.335+10.34+80.79=168.116tm3.塔身部分（塔顶、上下支座、回转机构、回转支承、司机室、套架、塔身）M=(1.005+1.438+0.18154+0.5+0.2848+1.929+0.5393×13+0.5602)×2.3=12.9094×2.3=29.6917tm4.基础部分M=39×2.3=89.7tm∑M=M1+M3+M4-1.2M2=143.708+29.6917+89.7-1.2×168.116=61.3605tm＞0此工况下，塔机稳定可靠。2.7.2工作工况Ⅱ验算动态稳定性，工作状态，动态有风。1.平衡臂部分（平衡臂、起升机构、平衡臂拉杆、平衡重）M1=143.708tm2.起重臂部分（吊臂、变幅机构、载重小车、吊臂拉杆、吊钩及钢丝绳、物品）M2=3.3×（23.32-2.3）+0.075×（6.1-2.3）+0.1467×50+1.392+10.633-0.7327×2.3+1.3×0.133×50+1.3×M=168.116tmM=29.6917tmM=89.7tm∑M=61.3605tm＞0此工况下，塔机稳定可靠M1=143.708tmM2=157.344tmM3=29.6917tmM4=89.7tm69 工作工况Ⅱ验算动态稳定性，工作状态，动态有风0.85×50+1.3×0.0942×50=69.366+0.285+7.335+10.34+70.018=157.344tm3.塔身部分（塔顶、上下支座、回转机构、回转支承、司机室、套架、塔身）M3=29.6917tm4.基础部分M4=89.7tm5.惯性载荷塔式起重机或起重小车与缓冲器碰撞时，作用在结构上的碰撞载荷Fc按缓冲器吸收的动能计算，碰撞瞬间之前塔式起重机或起重小车的运行速度取为0.7～1.0倍最大正常工作速度。在设有可靠的自动减速控制装置时取小值。碰撞载荷Fc可按刚体运动模型计算（不考虑悬吊物品的影响），并乘以弹性振动载荷系数φ7考虑系统弹性振动的影响。对于塔式起重机常用的弹簧缓冲器，可取φ7为1.25；对其他缓冲器，按其性能φ7在1.25～1.6之间选取。本设计中碰撞瞬间之前起重小车的运行速度取为0.8倍最大正常工作速度，弹性振动载荷系数φ7取为1.25。6.坡度载荷考虑支承面倾斜，沉陷产生的载荷。7.风载荷M=454.793×39+9918×18=196260.927Nm=19.626tm∑M=M1-1.2M2+M3+M4-1.2M7=143.708-1.2×157.344+29.6917+89.7-1.2×19.626=50.7357tm＞0此工况下，塔机稳定可靠。2.7.3非工作工况Ⅲ暴风侵袭，非工作状态，风向由平衡臂吹向起重臂，有向后翻的倾向。1.平衡臂部分（平衡臂、起升机构、平衡臂拉杆、平衡重）M1=1.606×（6.59-2.3）+1.406×（9.43-2.3）+0.34974×（4.96-2.3）+8×（11.5-2.3）M=19.626tm∑M=50.7357tm＞0此工况下，塔机稳定可靠M1=91.445tmM2=117.5796tmM3=29.6917tmM4=69 非工作工况Ⅲ暴风侵袭，非工作状态，风向由平衡臂吹向起重臂，有向后翻的倾向工作工况Ⅳ=6.89+10.025+0.93+73.6=91.445tm2.起重臂部分（吊臂、变幅机构、载重小车、吊臂拉杆、吊钩及钢丝绳）M2=3.3×（23.32+2.3）+0.075×（6.1+2.3）+0.1467×50+1.392+10.633+0.7327×2.3+0.133×50+0.0942×50=84.546+0.63+7.335+13.7086+11.36=117.5796tm3.塔身部分（塔顶、上下支座、回转机构、回转支承、司机室、套架、塔身）M3=29.6917tm4.基础部分M4=89.7tm5.风载荷M5=(2001.45×39+17632×10+19395.2×28)×1.2=(78056.55+176320+543065.6)×1.2=956930.58Nm=95.693tm∑M=-1.2M1+M2+M3+M4+M5=-1.2×91.445+117.5796+29.6917+89.7+95.693=222.9303tm＞0此工况下，塔机稳定可靠。2.7.4工作工况Ⅳ突然卸载，工作状态，料斗卸载，有向后翻的倾向。1.平衡臂部分（平衡臂、起升机构、平衡臂拉杆、平衡重）M1=91.445tm2.起重臂部分（吊臂、变幅机构、载重小车、吊臂拉杆、吊钩及钢丝绳、物品）M2=3.3×（23.32+2.3）+0.075×（6.1+2.3）+0.1467×50+1.392+10.633+0.7327×2.3-0.2×0.133×50-0.2×0.85×50-0.2×0.0942×50=84.546+0.63+7.335+13.7086-10.772=95.4476tm3.塔身部分（塔顶、上下支座、回转机构、回转支承、司机室、套架、塔身）M3=29.6917tm4.基础部分89.7tmM5=95.693tm∑M=222.9303tm＞0此工况下，塔机稳定可靠M1=91.445tmM2=95.4476tmM3=29.6917tmM4=89.7tmM5=10.732tm∑M=81.5541tm＞0此工况下，塔机稳定可靠69 突然卸载，工作状态，料斗卸载，有向后翻的倾向固定基础稳定性计算M4=89.7tm5.风载荷M5=10.732tm∑M=-1.2M1+M2+M3+M4-1.2M5=-1.2×91.445+95.4476+29.6917+89.7-1.2×19.626=81.5541tm＞0此工况下，塔机稳定可靠。2.8固定基础稳定性计算固定式塔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。根据《塔式起重机设计规范GB/T13752-92》-p13-4.6.3规定，混凝土基础的抗倾翻稳定性的验算公式为：e=(M+F×h)/(F+F)≤b/3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，Nm；Fv——作用在基础上的垂直载荷，N；Fh——作用在基础上的水平载荷，N；Fg——混凝土基础的重力，N；h——混凝土基础的高度，m；b——混凝土基础的宽度，m；已知：h=1.1mb=3.85mFv=25.12t=25.12×104NFg=39t=39×10NFh=F平衡臂+F起重臂+F塔顶+F塔身+F支座=230.4+160.286+454.793+7140.96+430.5=8416.939NFhh=8416.939×1.1=9258.6329NmM物品=42.5×104NmM风=1331.808×36.509+160.286×36.4+454.793×37.982+9918×18+184.5×36.147+246×37.669=48622.978+5834.41+17273.948+178524+6669.122+9266.574Nm=222431.032Nme=1.02<1.28基础稳定69 套架的稳定性校核套架所受载荷和弯矩的计算M=M物品+M风=42.5×104+22.24×10=64.74×10Nm代入得：e=（64.74×10+0.809×10）/（25.12×10+39×10）=1.02<3.85/3=1.28经计算，可知基础稳定。第3章顶升套架的设计3.1套架的稳定性校核3.1.1顶升时，套架所受载荷和弯矩的计算当顶升时，塔机处于空载状况：构件名称重量（Kg）力矩（N.m）平衡臂1606-106000起升机构1406-167310平衡臂拉杆350-19590吊臂拉杆732.7115680变幅机构74.774600平衡重8000-943040载重小车146.66293.32吊钩13366500一个标准节53910780起重臂3300769390塔顶10050上下支架14380上接盘11240回转机构181.540司机室284.80总计20321.47-268696.68所以套架所受载荷为：F=203214.7N；所受弯矩为：M=-268696.68N.m套架所受载荷为：F=203214.7N所受弯矩为：M=-268696.6869 套架简化示意图求计算长度，轴力N和弯矩为方便校核套架稳定性，合理的简化其腹条的分布，使之规则化，其简化示意图如下所示：图3-1套架简化示意图3.1.2计算长度，轴力N和弯矩套架的支承情况如下图所示：图3-2套架的支承情况示意图其中；。所以，69 求计算长度求轴力N和弯矩（1）求计算长度查《起重机运输机金属结构》表5—2得：时，受压构件的长度系数；时，受压构件的长度系数；所以，时，受压构件的长度系数；所以，。（2）求轴力N和弯矩：套架的质量为，产生的弯矩为0；液压顶升机构的质量为，产生的弯矩为。所以，=228563.7（N）3.1.3截面几何特征计算：（1）主弦杆：110x110x10，求面积：式中：为主弦杆外径，即=110mm；为主弦杆内径，即=110mm-2x10mm=90mm所以，N=228563.7N69 截面几何特征计算求面积求惯性矩，和回转半径，腹杆截面几何特征求惯性矩，和回转半径，=4.103cm（2）腹杆：腹杆截面积式中：为腹杆外径，即=57mm；为腹杆内径，即=57mm-2x5mm=47mm；所以，。（3）截面几何特征：所有分肢的截面面积之和A：69 单肢长细比抗弯模量（4）单肢长细比：（5）抗弯模量：由于格构件布置可保证不发生屈曲，则；套架绕y轴的弯矩为=。由于套架不受横向载荷，所以；根据套架受力情况可知端部弯矩不等的折算系数为：。所以《起重运输机金属结构》上公式5—75C简化为：式中：由于，由查《起重运输机金属结构》表3—26得：，用插值法可算出：所以修正系数：69 计算修正系数顶升油缸的选型计算=0.2所以，所以套架整体稳定性有保证。3.2顶升油缸的选型计算图3-3油缸直径示意图顶升油缸的大小可由计算得到，顶升油缸的大小直接影响油缸的工作能力，也影响塔机的顶升、进节能否进行，故须对其进行正确的选型。选用P=16Mpa的油缸。3.2.1缸筒内径(缸径)的计算QTZ50塔机上部重量（包含配重量）为G吨（即G×10000N）；套架整体稳定性有保证G=22.86t69 缸筒内径(缸径)的计算塔机上部重量计算油缸内径D由于平衡臂质量为1.606吨；起升机构为1.406吨；平衡臂拉杆为0.35吨；吊臂拉杆为0.7327吨；变幅机构为0.07477吨；平衡重为8吨；载重小车为0.14666吨；吊钩为0.133吨；液压顶升机构为0.606吨；起重臂为3.3吨；塔顶为1.005吨；上下支架为1.438吨；上接盘为1.124吨；回转机构为0.18154吨；司机室为0.2848吨；一个标准节为0.539吨；套架为1.929吨。即：G=1.606+1.406+0.35+0.7327+0.07477+8+0.14666+0.133+0.606+3.3+1.005+1.438+1.124+0.18154+0.2848+0.539+1.929=22.86（t）油缸横截面上产生的推力为F；（见图3-3）P=16Mpa要使所选油缸产生的推力能完成顶升过程，则必须F＞G，即，可推出D＞==28.22=28.22×4.78=134.93mm其中：P——油缸产生的压强Mpa（N/平方mm）；G——塔机上部重量t（10000N）；D——油缸内径mm。故取D=140mm。3.2.2速度比的选择压力MPa1012.5—2020速度比1.331.46；22由于P=20MPa，所以选=2。3.2.3活塞杆直径计算（1）计算活塞杆直径d一般按液压缸往复运动速度比D=140mmd=100mm69 活塞杆直径计算强度验算计算，再按表6—4—12圆整至标准值，计算式为：所以，d==98.99（mm）；圆整取d=100mm。再查《起重机设计手册》，表6—4—10得：d=100mm符合条件。（2）强度验算查《起重机设计手册》，表6—4—17得：最大推力。液压缸负载力F=Gx10=22.86x10=228.6KN=小于最大推力N，满足条件。活塞杆工作时，一般主要受轴向抗压作用力，因此活塞杆的强度验算可按直杆拉压公式计算，即其中。选活塞杆材料为45钢，查《机械设计手册》得：，取n=5，故=120MPa。将以上数据代入公式得：故：所选d=100mm满足条件。（3）稳定性验算当活塞杆直径与液压缸安装长度之比为1：10以上时，活塞杆容易出现不稳定状况，产生纵向弯曲破坏，这时必须进行受压稳定性计算。通常计算时把液压缸整体看成一个和活塞杆截面相等的杆件，采用欧拉公式计算出临界压缩载荷，再代入压杆稳定公式进行计算。所选d=100mm满足条件69 稳定性验算欧拉公式为：式中，E——材料的弹性模数，对钢而言；J——活塞杆截面惯性矩，L——液压缸安装长度查《机械设计手册》表17—6—4，由于液压缸安装方式为两端铰接，所以由欧拉公式确定的（其中安全系数）计算得又μ——长度折算系数，由于液压缸安装方式为两端铰接，所以μ=1.所以，压杆稳定公式为式中：F——液压缸最大负载力；——安全系数，一般取3.5～5，本设计取=3.5所以，＞符合条件。3.2.4油缸壁厚及外径计算液压缸壁厚和外径由强度条件确定。（1）缸筒壁厚的计算假设此缸筒为薄壁缸筒：稳定性可靠69 油缸壁厚及外径计算缸筒壁厚的计算缸筒外径计算液压顶升其他元件选型式中，——液压缸的耐压试验压力，由于p=16MPa，所以=1.5p=24MPa。——缸筒材料的许用应力，，45钢为脆性材料，所以，取安全系数n=5，所以代入公式，由于，所以满足薄壁条件，假设成立。（2）缸筒外径计算缸筒外径为：计算所得为标准值，所以=168mm综上所述，选取液压缸的型号为HSGK-140/100E-1521。查《起重机设计手册》，表6—4—17得：最大行程取1400mm。3.3液压顶升其他元件选型液压顶升机构由一台单速电动机带动齿轮泵，经过手动换向阀，从而实现油缸的往返行程，完成顶升过程。69 滤油器的选择电动机的选择液压顶升原理图1-电动机2-联轴器3-齿轮泵4-滤油器5-溢流阀6-压力表开关7-压力表8-手动换向阀9-油缸10-平衡阀3.3.1滤油器的选择：油缸流量的计算：查《起重机设计手册》，表6—6—13得：选择滤油器为PZU-400×20DC。3.3.2电动机的选择：油缸顶升时所需功率式中：—顶升速度，取v=0.5米/分—折算后的液压缸负载重量，其中为摩擦系数，取0.1；为安全系数，取1.8.代入数据得：代入数据得：=3.77kw查《机械设计手册》表35.1—5选择电动机Y132M2-6其转速为960r/min,额定功率为5.5KW，符合条件。3.3.3齿轮泵的选择：（1）所需排量的计算：由于油缸流量为式中：为齿轮泵排量，单位为n为电动机转速，也为齿轮泵转速。代入上式得：（2）齿轮泵的选择：查《机械设计手册》表17—5—6选择齿轮泵的型号为：CB※-E。所选滤油器为PZU-400×20DC选择电动机Y132M2-6选择齿轮泵的型号为：CB※-E管子内径69 齿轮泵的选择管路的选择管子内径d的计算管子壁厚的计算3.3.4管路的选择（1）管子内径d的计算。查《机械设计手册》表17—8—1得：公式：式中：；V=代入上式得：圆整取d=18mm。（2）管子壁厚的计算。查《机械设计手册》表17—8—1得：公式：式中：P—工作压力；—许用应力，此处选为钢管，查《机械设计手册》表17—8—1：，n取6，，所以。所以，查《机械设计手册》表17—8—2，选择的油路为钢管，钢管外径取22mm，壁厚取2mm，内径d为18mm，通径为15mm，管接头联接螺纹。3.3.5溢流阀的选择：查《机械设计手册》表17—7—3：由于管的通径为15mm，工作压力为16MPa，由此选择溢流阀的型号为：DBDH15G10。3.3.6手动换向阀的选择：查《机械设计手册》表17—7—198：由于管的通径为15mm，工作压力为16MPa，由此选择手动换向阀的型号为：4WMM16Y10-10。d=18mm管子壁厚壁厚=2mm选择溢流阀的型号为：DBDH15G10选择手动换向阀的型号为：4WMM16Y10-10选液压油的型号为：夏季为YA-N46液压油，冬季为10号液压油69 溢流阀的选择手动换向阀的选择液压油的选择压力表的选择压力表开关的选择联轴器的选择3.3.7液压油的选择：由于工作压力为16MPa，结合塔机的工作环境大约在5～40度之间，所选液压泵为齿轮泵，查《起重机设计手册》表6—2—17：选液压油的型号为：夏季为YA-N46（30号）液压油，冬季为10号液压油。3.3.8压力表的选择:由于工作压力为16MPa,查《机械设计手册》表23.8—76选择压力表为Y-100,量程为0-25MPa。3.3.9压力表开关的选择根据所选压力表和工作压力:查《机械设计手册》选择压力表开关为:MS2A20/315。3.3.10联轴器的选择：电动机的转矩，为电动机角速度，即，代入数据得，,查《机械设计手册》表16—2—188，选择联轴器型号为:JQ-25。3.3.11平衡阀的选择参考《塔式起重机使用手册》选择平衡阀的型号为By101。3.4结论本次QTZ500塔式起重机顶升套架的设计符合要求。压力表为Y-100压力表开关为:MS2A20/315M20×1.5mm选择联轴器型号为:JQ-25选择平衡阀的型号为By10169 平衡阀的选择结论第四章毕业设计小结毕业设计是针对我们机械专业学生在毕业前的一次全面训练，目的在于巩固和扩大我们在校的基础知识和专业知识，使两者能给好的结合起来，同时训练我们综合运用所学知识分析和解决问题的能力。启发学生的思维，拓宽学生的视野。一转眼间紧张而忙碌的毕业设计结束了，在这样的紧张生活氛围中，在老师的耐心辅导下，同时经过自己的不懈努力，终于完成了这次任务繁重的毕业设计。69 毕业设计使我们把理论与实际联系起来，使我们认识到自己的不足，在设计中我们运用学过的多门学科，是那些知识在实际中得到了运用，使我们进一步了解了那些理论，有了更深的印象。在设计中遇到了不少问题，但通过老师的辅导和自己的努力问题不断得以解决，在毕业设计过程中，个人的设计和老师的辅导是相辅相成的，这样可以启发学生的思维，拓宽我们的视野，并且在设计中深深体会到了作为一名设计工作者的辛苦和执着，提高了我们的综合运用所学知识和查阅各种资料的能力，使我们受益匪浅，我努力使设计达到了毕业设计任务书中的要求，这样不仅仅是解决了设计中的难题，更重要的是通过一次次的解决难题来弥补了自己学习上的不足之处，这样又学到了许多新的知识，为自己即将走上工作岗位，，可以说是打下了一个扎实的基础，通过这次毕业设计，我对自己又有了一个新的认识，我确信自己在新的工作岗位上一定会尽自己的一份力，发自己的一份热，迎接工作中的种种挑战。在此，请允许我向曾经给与我无微不至的关怀、支持和帮助的老师说一声：“老师，您辛苦了！”毕业设计是大学四年中最合实际的一次理论和实践相结合的过程，是对我们四年大学生活中所学知识的检查，同时也是四年所学知识的综合运用于提高，也是为我们将来走向社会能更好的适应社会工作的一次大练兵。因此，毕业设计对我们个人而言意义是十分深远的。虽然设计任务顺利完成了，但是由于时间仓促，而且设计任务较为繁重，因此，在设计中的各个环节必有许多不足之处，不可能做得十分细致，难免会有这样或那样的错误和漏洞，在这还请老师给予理解和原谅，并欢迎老师和同学批评指正并提出宝贵意见。最后，让我再次向耐心辅导和给予我们支持的毕业设计辅导老师以及给予我很大帮助的同学表示最衷心的感谢！69 致谢很感慨，我的毕业设计终于接近尾声了。由于经验不足，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及同学的支持，想要完成这个设计是难以想象的。尽管中间有着许多地方不完美，但却是我自己不断地查阅资料、思考和动手的结果。感谢李常胜、戴美魁老师对我的指导和教诲。特别是李老师，他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是李老师仍然细心地纠正其中的错误。你丰富的专业知识，严谨的学习态度以及详细的修改意见给了我很大的启发。唯一遗憾的是我的实践经验太少，刚开始的时候做的不太全面，问的问题也不多，不过随着设计的进行，我的知识也丰富了。感谢周久富、丁耿华同学，从开始到最后的将近半年的时间里我们都在一起并肩作战，一起查资料，一起讨论问题，一起修改错误，一起学习。最后，要感谢我的母亲和我的亲人们。他们一直是我的坚强后盾，无论何时何地，都有亲切的鼓励与温暖的关心，让我在任何时候都不放弃希望，坚强前行！69 从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，最后，在这里请再次接受我诚挚的谢意！主要参考文献【1】董刚　李建功　潘风章主编　《机械设计》（第3版）　北京：机械工业出版社　199869 【2】张质文，虞和谦等.起重机设计手册.北京：中国铁道出版社.1997.【3】《机械设计手册》（第1卷）（新版）机械设计手册编委会编著　北京：机械工业出版社　2004.8【4】《机械设计手册》（第2卷）（新版）机械设计手册编委会编著　北京：机械工业出版社　2004.8【5】成大先主编《机械设计手册》（第4版）北京：化学工业出版社　2002【6】顾迪民主编《工程起重机》（第2版）北京：中国建筑工业出版社　1988【7】刘品主编《互换性与测量技术基础》（第2版）哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社　2001【8】徐灏主编《机械设计手册》（第2版）　北京：机械工业出版社　2000【9】曹双寅主编《工程结构设计原理》　南京：东南大学出版社　2002【10】刘鸿文主编《材料力学Ⅰ》（第4版）高等教育出版社【11】《QTZ50塔式起重机使用说明书》【12】张青张瑞军编著《工程起重机结构与设计》北京：化学工业出版社，2008.7【13】中华人民共和国国家标准GB/T　13752-92　《塔式起重机设计规范》　北京：中国标准出版社　1993【14】范俊祥主编《塔式起重机》中国建材工业出版社【15】许镇宇、邱宣怀主编：《机械零件》人民教育出版社【16】刘佩衡主编《塔式起重机使用手册》北京：机械工业出版社，2002【17】中国建设部《钢结构设计规范》2003.12【18】黄靖远龚剑霞贾延林《机械设计学》北京工业出版社，2002【19】GB/T　75144-1994《塔式起重机安全规程》　【20】孙在鲁著《塔式起重机应用技术》北京：中国建材工业出版社，2003.569'