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机械结构课程设计塔吊起重臂结构设计

30
2020年4月19日
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课程设计说明书

班级: 姓名:
设计题目:机械结构课程设计(塔吊起重臂结构设计)
设计时间: 到
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目录
一、 课程设计目的及要求 3
二、 设计题目 3
三、机械结构设计 4
1、起重臂结构方案确定 4
1）起重臂长度L 4
2）起重臂截面形式根据受力的构造要求而定 4
3）起重臂截面宽度和高度 5
4）运输单元 5
5）吊点位置确定 5
2、计算简图及计算载荷确定 6
1）计算简图 6
2）载荷组合 6
3）载荷确定 6
3、力计算及内力组合 7
1）臂架内力计算 7
（1）臂架自重及小车移动机构重 7
（2）吊重 9
（3）小车轮压对起重臂下弦杆产生的局部弯矩 12
（4）风载荷作用下的内应力图 13
（5）其它水平力T的作用 14
2）内力组合 16
4、截面选择和截面验算 16
（1）单臂验算 17
1）上弦 17
2）下弦 18
（2）腹杆验算 18
（3）整体稳定性验算 19
（4）局部稳定性的计算 20
（5）起重臂重量的计算 20
四、 设计感想： 20
五、参考文献 20

一、课程设计目的及要求
机械结构课程设计是学生在学习机械设计课程设计后进行的一次比较全面和系统的训练。经过训练，巩固和加强对所学机械结构知识的理解，提高学生进行机械结构设计、计算、绘图的能力。
自升式塔式起重机（简称塔吊），是建筑工地上常见的施工机械之一。塔吊设计内容包括机构、结构、液压传动、安全装置等等。由于塔吊的结构用钢量越占整机重量的2/3左右，因此合理地设计塔用结构对于减轻整机重量、改进机械工作性能等具有重大意义。
塔吊的结构设计包括以下部分：起重臂、平衡臂塔幅、塔身、套架、底座、附着装置、工作平台及扶梯等。
本课程设计仅对给定工作负载的自升式塔吊的“起重臂”（见图1）进行结构设计。
图1 起重机起重臂结构简图

二、设计题目
1） 起重力矩（起重机为基本臂长时，最大幅度X相应额定起重量）：900KN·m
2） 起重量 当幅度最大时（Rmax），起重量为1.8t；
当幅度R=（Rmin～Rmax/2），起重量为2～5t。
3） 变幅
①形式：水平臂架绳索牵引小车变幅；
②速度：起重机升降变幅速度为0～30m/min
4） 吊钩升降速度
①起升速度： A、 起重量为>Rmax起重量的时候为1.5—2m/min；
B、 起重量为Rmax时为3—50m/min。
②空钩下降速度： A、 起重量为>Rmax时为0—50m/min；
B、 起重量为Rmax时为0—100m/min。
5） 回转
①半径：50m；
②速度：0—0.5r/min；
③起制动时间： 4s；
6） 运行（起重机整机行走）
①速度： 14/min；
②起制动时间： 5s；
7） 起重机工作制： 中级（中等载荷，载荷系数Kp0.250，使用年限 ）；
8） 结构参数：经查表得：
⑴臂长L:根据回转半径R确定（L-R=1.5～2.0m）；
⑵吊挂位置比例长度：
⑶起重机塔架机构：
① (卷扬滚筒中心距塔机回转中心距离)=550mm；
②（起重臂支点距塔机回转中心距离）=1300mm；
③（塔架截面宽度）=1500mm；
④（起重臂支点距卷扬滚筒中心高度）6500mm；
三、机械结构设计
1、 起重臂结构方案确定
1） 起重臂长度L：
根据最大回转半径，上塔身宽度和构造要求而定。
已知： R=50m，，取
列方程：；
得：
2） 起重臂截面形式根据受力的构造要求而定：
本塔吊起重臂截面建议采用格构式等三角形形式。上弦和腹杆采用无缝圆钢管（可考虑用16Mn），下弦采用两个箱行截面，每个箱形截面对由两个角钢（或槽钢、钢板等）焊成，兼做小车轨道用（图2）。
图2 起重臂截面形式

3）起重臂截面宽度和高度
可根据强度、刚度、稳定性和构造的要求而定，初定B=2.0m。
高度H按，已知L=50.5m，得：H=1.68～4.21，一般起重臂的截面采用格构式正三角形，故：（在H=1.68～4.21的范围内，符合）。
4）运输单元
考虑到运输条件和原材料长度限制，将重臂做成各个节段，即运输单元。各节段在工厂制成后，运到工地，在现场将各节段用销轴相连，拼装成整体的超重臂，然后再和塔身等其它部件装配成塔吊。初步选取两端长度为，中间部分每10m一段，两边的共6段，如下图。

5）吊点位置确定
正确选定吊点位置（B点），对超重臂设计是否合理有很重要的意义。吊点将机架分为两个部分，即悬臂部分L1和跨中部分L2.起重机作业时悬臂部分将产生最大负弯矩，跨中部分将产生最大正弯矩。如果L1过长，则悬臂部分的负弯矩大于跨中的正弯矩，截面可能由悬臂部分控制。如果L1过短，则悬臂部分的负弯矩将比跨中的正弯矩小，截面可能由跨中部分控制。由于起重臂截面往往设计成对X—X轴不对称（图1），因此负弯矩和正弯矩对截面从的影响并不相同，则不能简单地按弯矩条件来选择吊点的合理位置。设计时选取。可选，根据，则L1=16.8m，L2=33.7m，如图1。
2、 计算简图及计算载荷确定
1） 计算简图
根据总体布置确定臂架的计算简图。在回转平面（即水平平面）内，作为悬臂梁计算（图3）；在起升平面（即竖直平面）内，作为伸臂梁计算（图4）。
图3 回转平面计算简图
图4 起升平面计算简图

2） 载荷组合
起重臂结构计算采用下列三种载荷组合：
①自重+等级吊重+工作状态风载荷（风向平行臂架）+平稳惯性力或其它水平力
②自重+最大额定吊重+工作状态风载荷（风向垂直臂架）+急剧惯性力或其它水平力
③自重+非工作状态风载荷（风向平行臂架）+起重小车及吊钩重。
由于第①、③种载荷组合对本起重臂不起控制作用，因此可仅按第②种载荷组合进行设计。
3） 载荷确定
三、 臂架自重和小车移动机构重量
①选取臂架自重为4t。
②选取小车移动机构重量为0.5t。
四、 吊重
包括起重小车、吊钩及吊重。吊重是移动载荷，其中起重小车重量和吊钩重量是沿臂架移动但数值不变的载荷，初选起重小车重量为0.38t，吊钩重量为0.25t，所吊货物是沿臂架移动且数值变化的载荷，其数值的变化满足起重力矩630KN·m要求。
（3）风载荷
①臂架受风载荷

式中，为风力系数，取1.3；为计算风压，工作状态取250Pa；A为迎风面积，，其中A1——前片结构迎风面积（），，为结构充实率，对于桁架取0.4；A2——后片结构迎风面积（），，为结构充实率，对于桁架取0.4。AL1或AL2为前后片外形轮廓尺寸，即AL=H·L（图5）
图5 桁架挡风折减系数

计算：；；
；。
——前片对后片的挡风折减系数，与前片桁架充实率以及两片桁架间隔比B/H有关，根据B/H=1.156以及ω=0.4查表得；
；。
假定风载荷沿臂架均匀分布，作用于水平面内。
③吊重受风载荷：按额定起重量重力的3%计算。
（4）其它水平力
作用在回转平面内，除风载荷外，还有回转惯性力以及起吊时由于钢丝绳倾斜引起的水平力等，可近似地取T=0.1Q（Q为吊重），而且按所吊货物为1.8t和5t分别计算。
3、 内力计算及内力组合
1）臂架内力计算 首先求出各种载荷作用下的臂架和塔身连接处的支反力和吊索内里，绘出臂架的轴力N、剪力Q、和力矩M图。
（1）臂架自重及小车移动机构重
作用在臂架竖直平面内是数值不变的固定载荷。臂架自重可假定沿长度方向均匀分布q=40N/50.5m=99.01N/m，小车移动机构重量可假定为集中载荷（图6）。
列方程：;
:;
:
由于未知，因此有很多解，随意提供一组解：
B
A

内力分析：
图6 臂架自重及小车移动机构重

（2） 吊重
吊重计算公式为
Q=（起重小车重+吊钩重+所吊货物重）×动载系数
动载系数是考虑到起吊货物时，起升机构起动和制动所产生的振动和冲击的影响载系数，取1.3.
由于吊重是移动载荷，因此首先对以下三种工况可能对臂架产生的最不利影响，进行内力分析。
①最大幅度Rmax=50m，所吊货物为1.8t（即吊重作用在D处，图7）
Q=(0.38+0.25+1.8)x1.3=31.59kN.

图7 吊重作用在D处

列方程： ；
；

。
解得：， 其应力图：如下图
图7 吊重作用在D处
514.94
15.28
31.59
46.87

15.28
31.59

②幅度R≤25.3，所吊货物为5t（即吊重作用在C处，图8）
Q=(0.38+0.25+5)x1.3=73.19kN.
列方程： ；
；

解得：KN

绘制内力图：
图8 吊重作用在C处
416.47

③最小幅度Rmin=3.3m，所吊货物为5t（即吊重作用在G处，图9）
Q=(0.38+0.25+5)x1.3=73.19kN.
列方程： ；

解得：。绘制内力图：如下图：

图9 吊重作用在G处
（3）小车轮压对起重臂下弦杆产生的局部弯矩
①吊重5t在距塔身中心25.3m时，下弦杆中AB段的局部弯矩M局。（如图8）
M局=416.47KN·m
②由于吊重在臂架上是移动的，因此还必须找出校车在AB段产生最大的局部弯矩的位置，计算出
设每个轮子压力为P=73.2/2=36.6KN，作用在AB节间（可先视为简支梁）上（图10）
分析可知，当有两个或两个以上轮压作用，则当（c为合力作用点至最近的轮压之距。设C=12m）时，K截面的局部弯矩最大，即最大弯矩。由于臂架的AB段实际上不是简支梁而是连续梁，因此可近似地取
36.6KN
绘制内力图：
706.38
36.6KN
剪力图
弯矩图

因为最大弯矩点和C点相差不大，因此可偏安全地可取吊重在C点时的内力值。
（4） 风载荷作用下的内应力图
风载荷垂直臂架作用时，臂架的计算简图近似为悬臂梁。
①臂架风载荷
将风载荷视为沿臂架全长均匀分布的载荷，并作出内力图（如下图）
计算，q=134.4N/m ；
；
做内力图：
图12 臂架风载荷
A

②吊重的风载荷
分别作出吊重距塔身中心50.5m处及25.3处风载荷作用下的内力图
9） 吊重在D处的风载荷，计算：
W=1.8tx3%x10000=540N，
，

内力图如图13.
2） 吊重在C处的风载荷，计算：
W=5tx3%x10000=1500N，
，
.
内力图如图14：
图13 吊重在D处的风载荷

图14 吊重在C处的风载荷

（5） 其它水平力T的作用
分别作出吊重在塔身中心50m及25m处其它水平作用下的内力图。
①作出吊重在塔身中心50m其它水平作用下的内力图。此时货物重1.8t。
计算：T=0.1*1.8*10000=1800N；；。 内力图如图15.
图15 在D处其它水平力

②作出吊重在塔身中心25m处其它水平作用下的内力图。此时货物重5t。
计算： T=0.1*5*10000=5000N；；
内力图如图16.
图16 在C处其它水平力

2）内力组合
把上述计算结果填入下表：
备注：轴力N：拉力为“+”，压力为“-”；
起升平面内弯矩，以下弦受拉为“+”；
起升平面内剪力，以发现的顺时针方向为“+”；
回转平面内的弯矩、剪力“+”“-” 都可能产生；
M单位：kN·m；Q单位：kN；N单位：kN
附表1

序
号
载荷
内力
截面
A
B
C
M
M
Q
Q
N
M
M
Q
Q
N
M
M
Q
Q
N
1
臂架自重小车移动机构重
0

+10.0

-181
-115.7

0

0
+100

-7.8

-181.
2.1
吊
重
Q在D
0

-15.3

-243
-514.9

0

0
321

-15.28

-243
2.2
Q在C
0

+18.2

-284
0

0

0
+416

0

-284
2.3
Q在G
0

+66.0

-37.2
0

0

0
+118

-7.17

-37.2
3.1
风
载
荷
臂架风载荷

-169

+6.79

-32

+1.69

-68

+3.28

3.2
吊重风载
Q在D

-127

+0.54

-8.8

+0.54

-13.5

+0.54

3.3
Q在C

-37.9

+1.5

0

0

0

0

4.1
其它水平力
Q在D

-90

+1.8

-30.2

+1.8

-45

+1.8

4.2
Q在C

-250

+5

0

0

0

0

按以下三种情况作臂架内力组合：
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
号
载荷
内力
截面
A
B
C
M
M
Q
Q
N
M
M
Q
Q
N
M
M
Q
Q
N
内力组合
吊重在D
0
-286
-5.3
+9.13
-745.6
-630.6
-165
0
+4.02
0
-2.21
-126.5
-23.1
+5.6
-745.6
吊重在C
0
-457
+28.24
+13.29
-465.4
-115.7
-32
0
+1.69
0
+516.5
-68
-7.8
+3.28
-465.4
吊重在G
0
0
+76.02
0

-218.6
-115.7
0
0
0
0
+217.8
0
-14.97
0
-218.6

4. 截面选择和截面验算
起重臂材料：建议选用Q235钢或Q345钢；
起重臂的材料：起重臂是采用型材经过焊接、螺栓连接而成的，因此材料选用Q235钢；
附表3
钢种
屈服极限
计算强度R(MPa)
拉伸、压缩和弯曲
剪切
端面挤压

碳钢
220
210
125
315
230
220
130
330
240
230
135
345
250
240
140
360
260
250
145
375
270
260
150
390
...
...
..
...
钢种的材料参数表

销轴材料：建议选用40Cr钢（【σ】=420MPa；【τ】=244MPa）。

起重臂为格构式空间结构，主要内力有轴力N、弯矩（Mx、My）、剪力（Qx
、Qy）可偏安全的按格构式偏心受压构件计算。

五、 单臂验算
根据臂架的受力分析，臂架在吊点的外伸部分，上弦杆为轴心拉杆，下弦杆为轴心压杆。臂架在简支桁架区，上弦杆为轴心压杆，下弦杆为轴心拉杆。
1） 上弦
用公式计算出可能出此案的最大拉力和最大压力。对最大拉力进行强度验算，对最大压力进行稳定性验算。
；
臂架本身最大的轴向力；
因此截面C处最大的轴向压力：
；
。
2) 下弦
用公式计算出可能出现的最大拉力和最大压力，并找出相应的局部弯矩。
；
；
。
整体强度验算：。
（2）腹杆验算
臂架的腹杆按轴心压杆计算，根据钢结构设计规范要求，对格构式压弯机构的腹杆，按照实际剪力确定内力。
平面12和平面13上的腹杆载荷承受的作用。
将最大的分解成沿平面12和平面13上的内力：
，
式中，由于截面是正三角形，故
腹杆受力：，其中=2m,
根据合理组合表可知：；
； 。

图17 起重机截面

由于23平面腹杆承受的Q力小，故其验算略。
（3） 整体稳定性验算
弯矩作用下的平面的整体稳定性，臂架在起升和回转平面内的整体稳定性，按单向弯曲构建验算并满足以下稳定性条件。

式中：N臂架的轴向压力，N=745.6KN；
M臂架的组合弯矩，；
；
A臂架的毛截面，A=157.348；
W毛截面的截面系数，W=893.17；
；
。

=151.88MPa<。
（4） 局部稳定性的计算
起重臂截面选用型材，不用进行局部稳定性的验算。
（5） 起重臂重量的计算
G=截面理论重量*L=105.09kg/m*50.5m=5307kg=5.3t；
和最初估计的4t有点差距，但也相差不大。
四、设计感想：
这次课程设计可谓困难重重，绞尽脑汁，不过总算在规定时间的内完成了任务。
在为期两个星期的时间里，我翻遍了《机械结构设计》、《机械设计课程设计》《材料力学》《机械手册》等书，重复计算，设计方案，绘制草图，对着AutoCAD N天N夜……当然，在这期间还是得到周围同学的细心提点与耐心指导。
一个人在两星期内完成这次设计不可谓不艰辛，然而，我却从这两星期内学到了许多大学阶段都没学到的关键内容，而且在实践中运用，更是令我印象深刻，深切体会到机械结构力学的重要性，塔式起重机在我们的身边到处都是，可是自己一个大学生不知道其中的道理、不会做一个基础的简单的设计是不是很失败。
虽然同学们都发牢骚，说结构学这门课程根本没有学，即使给了范例样板公式也不会用，但最后下来还是不错的做完了，而且自己还学到了不好的东西。更值得一提的是只有挑战才能发展自己，那些自己学过的东西，重复运用只能在有限的范围内是自己更能灵活，更熟悉，而不能更上一个层次。
确实，设计过程中给了很多的数据，看了好几遍设计题目仍是一头雾水，不知从何入手，最后还是按照老师给的样板一步一步的做下去......前面的还挺容易，毕竟自己也学过材料力学，可是做验算的时候给的公式好长，也不会用，经过同学之间的商量，最后终于搞定了。这次课程设计让我知道了学海无涯，只要敢于接受挑战，肯定能发展自己。
最后感谢老师！

五、参考文献
3、 龙镇宇主编--《机械设计》--机械工业出版社-- .7；
4、 刘鴻文主编--《材料力学》--高等教育出版社-- .1；
5、 张凤山，董宏光编著--《塔式起重机的构造与维修》-- .4；
6、 范军翔主编--《塔式起重机》--中国建材工业出版社-- .8；