機械結構課程設計(塔吊起重臂結構設計)

1、 學院課程設計說明書 班級: 姓名: 設計題目:機械結構課程設計(塔吊起重臂結構設計) 設計時間: 到 指導老師: 評語: 評閱成績: 評閱教師: 目錄1、 課程設計目的及要求 32、 設計題目 3三、機械結構設計 4 1、起重臂結構方案確定 4 1）起重臂長度L 4 2）起重臂截面形式根據(jù)受力的構造要求而定 4 3）起重臂截面寬度和高度 5 4）運輸單元 5 5）吊點位置確定 5 2、計算簡圖及計算載荷確定 6 1）計算簡圖 6 2）載荷組合 6 3）載荷確定 6 3、力計算及內力組合 7 1）臂架內力計算 7 （1）臂架自重及小車移動機構重 7 （2）吊重 9 （3）小車輪壓對起重臂下弦桿

2、產生的局部彎矩 12 （4）風載荷作用下的內應力圖 13 （5）其他水平力T的作用 14 2）內力組合 164、截面選擇和截面驗算 16 （1）單臂驗算 17 1）上弦 17 2）下弦 18 （2）腹桿驗算 18 （3）整體穩(wěn)定性驗算 19 （4）局部穩(wěn)定性的計算 20 （5）起重臂重量的計算 204、 設計感想： 20五、參考文獻 20一、課程設計目的及要求機械結構課程設計是學生在學習機械設計課程設計后進行的一次比較全面和系統(tǒng)的訓練。通過訓練，鞏固和加強對所學機械結構知識的理解，提高學生進行機械結構設計、計算、繪圖的能力。自升式塔式起重機（簡稱塔吊），是建筑工地上常用的施工機械之一。塔吊設計

3、內容包括機構、結構、液壓傳動、安全裝置等等。由于塔吊的結構用鋼量越占整機重量的2/3左右，所以合理地設計塔用結構對于減輕整機重量、改善機械工作性能等具有重大意義。塔吊的結構設計包括以下部分：起重臂、平衡臂、塔幅、塔身、套架、底座、附著裝置、工作平臺及扶梯等。本課程設計僅對給定工作負載的自升式塔吊的“起重臂”（見圖1）進行結構設計。 圖1 起重機起重臂結構簡圖 二、設計題目1） 起重力矩（起重機為基本臂長時，最大幅度X相應額定起重量）：900KNm2） 起重量 當幅度最大時（Rmax），起重量為1.8t； 當幅度R=（RminRmax/2），起重量為25t。3） 變幅形式：水平臂架繩索牽引小車變

4、幅；速度：起重機升降變幅速度為030m/min4） 吊鉤升降速度起升速度： A、 起重量為Rmax起重量的時候為1.52m/min； B、 起重量為Rmax時為350m/min?？浙^下降速度： A、 起重量為Rmax時為050m/min； B、 起重量為Rmax時為0100m/min。5） 回轉半徑：50m；速度：00.5r/min；起制動時間： 4s；6） 運行（起重機整機行走）速度： 14/min；起制動時間： 5s；7） 起重機工作制： 中級（中等載荷，載荷系數(shù)Kp=0.250，使用年限15年）；8） 結構參數(shù)：經查表得：臂長L:根據(jù)回轉半徑R確定（L-R=1.52.0m）；吊掛位置比例

5、長度：起重機塔架機構： (卷揚滾筒中心距塔機回轉中心距離)=550mm；（起重臂支點距塔機回轉中心距離）=1300mm；（塔架截面寬度）=1500mm；（起重臂支點距卷揚滾筒中心高度）6500mm；三、機械結構設計1、 起重臂結構方案確定1） 起重臂長度L：根據(jù)最大回轉半徑，上塔身寬度和構造要求而定。已知： R=50m，取列方程：；得： 2） 起重臂截面形式根據(jù)受力的構造要求而定：本塔吊起重臂截面建議采用格構式等三角形形式。上弦和腹桿采用無縫圓鋼管（可考慮用16Mn），下弦采用兩個箱行截面，每個箱形截面對由兩個角鋼（或槽鋼、鋼板等）焊成，兼做小車軌道用（圖2）。圖2 起重臂截面形式 3）起重臂

6、截面寬度和高度可根據(jù)強度、剛度、穩(wěn)定性和構造的要求而定，初定B=2.0m。高度H按，已知L=50.5m，得：H=1.684.21，一般起重臂的截面采用格構式正三角形，故：（在H=1.684.21的范圍內，符合）。4）運輸單元考慮到運輸條件和原材料長度限制，將重臂做成各個節(jié)段，即運輸單元。各節(jié)段在工廠制成后，運到工地，在現(xiàn)場將各節(jié)段用銷軸相連，拼裝成整體的超重臂，然后再和塔身等其他部件裝配成塔吊。初步選取兩端長度為，中間部分每10m一段，兩邊的共6段，如下圖。5）吊點位置確定正確選定吊點位置（B點），對超重臂設計是否合理有很重要的意義。吊點將機架分為兩個部分，即懸臂部分L1和跨中部分L2.起重機

7、作業(yè)時懸臂部分將產生最大負彎矩，跨中部分將產生最大正彎矩。如果L1過長，則懸臂部分的負彎矩大于跨中的正彎矩，截面可能由懸臂部分控制。如果L1過短，則懸臂部分的負彎矩將比跨中的正彎矩小，截面可能由跨中部分控制。由于起重臂截面往往設計成對XX軸不對稱（圖1），因此負彎矩和正彎矩對截面從的影響并不相同，則不能簡單地按彎矩條件來選擇吊點的合理位置。設計時選取?？蛇x，根據(jù)，則L1=16.8m，L2=33.7m，如圖1。2、 計算簡圖及計算載荷確定1） 計算簡圖根據(jù)總體布置確定臂架的計算簡圖。在回轉平面（即水平平面）內，作為懸臂梁計算（圖3）；在起升平面（即豎直平面）內，作為伸臂梁計算（圖4）。圖3 回轉

8、平面計算簡圖圖4 起升平面計算簡圖2） 載荷組合起重臂結構計算采用下列三種載荷組合：自重+等級吊重+工作狀態(tài)風載荷（風向平行臂架）+平穩(wěn)慣性力或其他水平力自重+最大額定吊重+工作狀態(tài)風載荷（風向垂直臂架）+急劇慣性力或其他水平力自重+非工作狀態(tài)風載荷（風向平行臂架）+起重小車及吊鉤重。由于第、種載荷組合對本起重臂不起控制作用，因此可僅按第種載荷組合進行設計。3） 載荷確定（1） 臂架自重和小車移動機構重量選取臂架自重為4t。選取小車移動機構重量為0.5t。（2） 吊重 包括起重小車、吊鉤及吊重。吊重是移動載荷，其中起重小車重量和吊鉤重量是沿臂架移動但數(shù)值不變的載荷，初選起重小車重量為0.38t

9、，吊鉤重量為0.25t，所吊貨物是沿臂架移動且數(shù)值變化的載荷，其數(shù)值的變化滿足起重力矩630KNm要求。 （3）風載荷臂架受風載荷式中，為風力系數(shù)，取1.3；為計算風壓，工作狀態(tài)取250Pa；A為迎風面積，其中A1前片結構迎風面積（），為結構充實率，對于桁架取0.4；A2后片結構迎風面積（），為結構充實率，對于桁架取0.4。AL1或AL2為前后片外形輪廓尺寸，即AL=HL（圖5）圖5 桁架擋風折減系數(shù) 計算：； ；。前片對后片的擋風折減系數(shù)，與前片桁架充實率以及兩片桁架間隔比B/H有關，根據(jù)B/H=1.156以及=0.4查表得；。假定風載荷沿臂架均勻分布，作用于水平面內。吊重受風載荷：按額定起

10、重量重力的3%計算。（4）其他水平力作用在回轉平面內，除風載荷外，還有回轉慣性力以及起吊時由于鋼絲繩傾斜引起的水平力等，可近似地取T=0.1Q（Q為吊重），并且按所吊貨物為1.8t和5t分別計算。3、 內力計算及內力組合1）臂架內力計算 首先求出各種載荷作用下的臂架和塔身連接處的支反力和吊索內里，繪出臂架的軸力N、剪力Q、和力矩M圖。（1）臂架自重及小車移動機構重作用在臂架豎直平面內是數(shù)值不變的固定載荷。臂架自重可假定沿長度方向均勻分布q=40N/50.5m=99.01N/m，小車移動機構重量可假定為集中載荷（圖6）。列方程：; :; : 由于未知，所以有很多解，隨意提供一組解：BA 內力分析

11、：圖6 臂架自重及小車移動機構重 （2） 吊重吊重計算公式為Q=（起重小車重+吊鉤重+所吊貨物重）動載系數(shù)動載系數(shù)是考慮到起吊貨物時，起升機構起動和制動所產生的振動和沖擊的影響載系數(shù)，取1.3.由于吊重是移動載荷，所以首先對以下三種工況可能對臂架產生的最不利影響，進行內力分析。最大幅度Rmax=50m，所吊貨物為1.8t（即吊重作用在D處，圖7）Q=(0.38+0.25+1.8)x1.3=31.59kN.圖7 吊重作用在D處列方程： ； ； 。解得：， 其應力圖：如下圖圖7 吊重作用在D處514.9415.2831.5946.8715.2831.59幅度R25.3，所吊貨物為5t（即吊重作用在

12、C處，圖8）Q=(0.38+0.25+5)x1.3=73.19kN.列方程： ； ； 解得：KN繪制內力圖：圖8 吊重作用在C處416.47最小幅度Rmin=3.3m，所吊貨物為5t（即吊重作用在G處，圖9）Q=(0.38+0.25+5)x1.3=73.19kN.列方程： ； 解得：。繪制內力圖：如下圖： 圖9 吊重作用在G處（3）小車輪壓對起重臂下弦桿產生的局部彎矩吊重5t在距塔身中心25.3m時，下弦桿中AB段的局部彎矩M局。（如圖8） M局=416.47KNm由于吊重在臂架上是移動的，因此還必須找出校車在AB段產生最大的局部彎矩的位置，計算出設每個輪子壓力為P=73.2/2=36.6KN

13、，作用在AB節(jié)間（可先視為簡支梁）上（圖10）分析可知，當有兩個或兩個以上輪壓作用，則當（c為合力作用點至最近的輪壓之距。設C=12m）時，K截面的局部彎矩最大，即最大彎矩。由于臂架的AB段實際上不是簡支梁而是連續(xù)梁，所以可近似地取36.6KN繪制內力圖：706.3836.6KN剪力圖彎矩圖 因為最大彎矩點和C點相差不大，所以可偏安全地可取吊重在C點時的內力值。（4） 風載荷作用下的內應力圖風載荷垂直臂架作用時，臂架的計算簡圖近似為懸臂梁。臂架風載荷將風載荷視為沿臂架全長均勻分布的載荷，并作出內力圖（如下圖）計算，q=134.4N/m ； ； 做內力圖：圖12 臂架風載荷A吊重的風載荷分別作出

14、吊重距塔身中心50.5m處及25.3處風載荷作用下的內力圖1) 吊重在D處的風載荷，計算： W=1.8tx3%x10000=540N， ， 內力圖如圖13.2） 吊重在C處的風載荷，計算： W=5tx3%x10000=1500N， ， .內力圖如圖14：圖13 吊重在D處的風載荷圖14 吊重在C處的風載荷（5） 其他水平力T的作用分別作出吊重在塔身中心50m及25m處其他水平作用下的內力圖。作出吊重在塔身中心50m其他水平作用下的內力圖。此時貨物重1.8t。 計算：T=0.1*1.8*10000=1800N；。 內力圖如圖15.圖15 在D處其他水平力作出吊重在塔身中心25m處其他水平作用下的

15、內力圖。此時貨物重5t。計算： T=0.1*5*10000=5000N； 內力圖如圖16.圖16 在C處其他水平力 2）內力組合把上述計算結果填入下表：備注：軸力N：拉力為“+”，壓力為“-”； 起升平面內彎矩，以下弦受拉為“+”； 起升平面內剪力，以發(fā)現(xiàn)的順時針方向為“+”； 回轉平面內的彎矩、剪力“+”“-” 都可能產生； M單位：kNm；Q單位：kN；N單位：kN附表1序號載荷內力截面ABCMMQQNMMQQNMMQQN1臂架自重小車移動機構重0+10.0-181-115.700+100-7.8-181.2.1吊重Q在D0-15.3-243-514.900-321-15.28-2432.

16、2Q在C0+18.2-284000+4160-2842.3Q在G0+66.0-37.2000+118-7.17-37.23.1風載荷臂架風載荷-169+6.79-32+1.69-68+3.283.2吊重風載Q在D-127+0.54-8.8+0.54-13.5+0.543.3Q在C-37.9+1.500004.1其他水平力Q在D-90+1.8-30.2+1.8-45+1.84.2Q在C-250+50000按以下三種情況作臂架內力組合：吊重在D：1+2.1+3.1+3.2+4.1；吊重在C：1+2.2+3.1+3.3+4.2；吊重在G：1+2.3。并填入下表：附表2序號載荷內力截面ABCMMQQN

17、MMQQNMMQQN內力組合吊重在D0-286-5.3+9.13-745.6-630.6-1650+4.020-2.21-126.5-23.1+5.6-745.6吊重在C0-457+28.24+13.29-465.4-115.7-320+1.690+516.5-68-7.8+3.28-465.4吊重在G00+76.020-218.6-115.70000+217.80-14.970-218.64. 截面選擇和截面驗算起重臂材料：建議選用Q235鋼或Q345鋼；起重臂的材料：起重臂是采用型材經過焊接、螺栓連接而成的，所以材料選用Q235鋼；附表3鋼種屈服極限 計算強度R(MPa)拉伸、壓縮和彎曲剪

18、切端面擠壓碳鋼220210125315230220130330240230135345250240140360260250145375270260150390.鋼種的材料參數(shù)表銷軸材料：建議選用40Cr鋼（【】=420MPa；【】=244MPa）。起重臂為格構式空間結構，主要內力有軸力N、彎矩（Mx、My）、剪力（Qx、Qy）可偏安全的按格構式偏心受壓構件計算。（1） 單臂驗算根據(jù)臂架的受力分析，臂架在吊點的外伸部分，上弦桿為軸心拉桿，下弦桿為軸心壓桿。臂架在簡支桁架區(qū)，上弦桿為軸心壓桿，下弦桿為軸心拉桿。1） 上弦用公式計算出可能出此案的最大拉力和最大壓力。對最大拉力進行強度驗算，對最大壓力

19、進行穩(wěn)定性驗算。；臂架本身最大的軸向力；所以截面C處最大的軸向壓力：；。2) 下弦用公式計算出可能出現(xiàn)的最大拉力和最大壓力，并找出相應的局部彎矩。；。整體強度驗算：。（2）腹桿驗算臂架的腹桿按軸心壓桿計算，根據(jù)鋼結構設計規(guī)范要求，對格構式壓彎機構的腹桿，按照實際剪力確定內力。平面12和平面13上的腹桿載荷承受的作用。將最大的分解成沿平面12和平面13上的內力：，式中，由于截面是正三角形，故腹桿受力：，其中=2m,根據(jù)合理組合表可知：； 。圖17 起重機截面由于23平面腹桿承受的Q力小，故其驗算略。（3） 整體穩(wěn)定性驗算彎矩作用下的平面的整體穩(wěn)定性，臂架在起升和回轉平面內的整體穩(wěn)定性，按單向彎曲構建驗算并滿足以下穩(wěn)定性條件。式中：N臂架的軸向壓力，N=745.6KN；M臂架的組合彎矩，；A臂架的毛截面，A=157.348；W毛截面的截面系數(shù)，W=893.17；。=151.88MPa。（4） 局部穩(wěn)定性的計算起重臂截面選用型材，不用進行局部穩(wěn)定性的驗算。（5） 起重臂重量的計算G=截面理論重量*L=105.09kg/m*50.5m=5307kg=5.3t；和最初估計的4t有點差距，但也相差不大。四、設計感想：這次課程設計可謂困難重重，絞盡腦汁，不過總算在規(guī)定時間的內完