塔式起重機(jī)吊臂設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　工程建設(shè)有一個顯著的特點——材料用量特別大、質(zhì)量特別重，對于高層建筑或大型的建筑更是明顯。就這一個因素便可以決定在工程建設(shè)中，要提高效率就必須發(fā)展用于運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械。塔式起重機(jī)（以下簡稱塔機(jī)）作為建筑施工現(xiàn)場的主要建筑機(jī)械，因其起升高度大，覆蓋面廣等特點而被廣泛使用于建筑施工現(xiàn)場，擔(dān)負(fù)著主要的垂直運(yùn)輸任務(wù)，塔式起重機(jī)是各種

2、工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用的重要起重設(shè)備 ，吊臂作為塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的主要部件，其設(shè)計計算方法將直接影響整臺塔機(jī)的設(shè)計質(zhì)量和塔機(jī)運(yùn)行的安全可靠性。而隨著塔機(jī)向大型、重載和超高超長的方向發(fā)展，吊臂的設(shè)計尤其顯得重要。</p><p>　　吊臂結(jié)構(gòu)形式選擇桁架水平壓彎式臂架。吊臂的截面采用正三角形。上弦桿用圓管，兩下弦通常采用角鋼焊接而成的方鋼，并兼作載重小車的軌道，腹桿（斜腹桿，水平腹桿）采用圓管。吊臂采用等強(qiáng)度變截面設(shè)

3、計，兩個側(cè)面桁架采用三角式體系，水平桁架采用帶豎桿的三角式體系。需要計算吊臂各種情況所受的風(fēng)載荷，自重時的各種載荷，以及各個受力點的主要受力計算，并進(jìn)行整體的驗算。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】塔式起重機(jī) 吊臂 </p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　塔式起重機(jī)是動臂裝在高聳塔身上部的旋轉(zhuǎn)起重機(jī)。作業(yè)空間

4、大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平輸送及建筑構(gòu)件的安裝。由金屬結(jié)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)和電氣系統(tǒng)三部分組 成。金屬結(jié)構(gòu)包括塔身、動臂和底座等。工作機(jī)構(gòu)有起升、變幅、回轉(zhuǎn)和行走四部分。電氣系統(tǒng)包括電動機(jī)、控制器、配電柜、連接線路、信號及照明裝置等。 </p><p>　　1.2 本論文所要研究的問題</p><p>　　吊臂是屬于塔機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)部分，是除塔身外另一重要受力部分，而且主要的工作單

5、元都在安裝在吊臂上。受力大，受力形式多。在工作中承受著壓力、彎矩，回轉(zhuǎn)時還受到慣性力。而且在有風(fēng)的環(huán)境下還要受到風(fēng)力作用。主要解決的問題是吊臂在各種情況下的受力問題。</p><p>　　2. 吊臂的設(shè)計計算</p><p>　　2.1 吊臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　2. 起重臂的構(gòu)造</p><p><b>　　1.桁架

6、壓桿式臂架</b></p><p>　　桁架壓桿式臂架，臂架在起升平面的受力情況相當(dāng)與一根兩端簡支梁，在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)相當(dāng)于一根懸臂梁。起升平面內(nèi)臂架中間部分通常采用等截面平行弦桿，兩端為梯形。在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，臂架通常做成頂部尺寸小，根部尺寸大的形式。為方便運(yùn)輸、安裝和拆除，以及滿足不同施工對相對塔機(jī)最大工作幅度的不同要求，臂架通常制成若干段臂架節(jié)，其中中部的幾節(jié)制作成可以互換的便準(zhǔn)節(jié)，以實現(xiàn)臂架長度的不同

7、組合。</p><p>　　臂節(jié)之間采用螺栓或銷軸連接。臂架結(jié)構(gòu)的根部和頂部都需要加強(qiáng)，一般采用鋼板代替幅桿體系。</p><p>　　2.桁架水平壓彎式臂架</p><p>　　桁架水平壓彎是臂架亦稱小車變幅式臂架，其截面多為三角形的空間桁架結(jié)構(gòu)，以正三角形最為常見。上弦桿多用圓管、方管（常用角鋼拼成），兩下弦通常采用方管、槽鋼，并兼作載重小車的軌道，腹桿（斜腹桿

8、，水平腹桿）多采用圓管。</p><p>　　同樣，為了方便運(yùn)輸、安裝和拆除，滿足不同的施工對象對塔機(jī)最大工作幅度的不同要求，以及減輕起重臂結(jié)構(gòu)自重，臂架通常制成若干段臂架節(jié)，其中幾節(jié)制作成可以互換的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，以實現(xiàn)臂架長度的不同組合。各種規(guī)格的臂架節(jié)的上、下弦桿和腹桿的截面尺寸根據(jù)其所處的位置受力狀況而有所不同，各臂架節(jié)在整個臂架中的位置是固定的。因此，在安裝時要嚴(yán)格遵守安裝使用說明中的規(guī)定，嚴(yán)禁將臂架節(jié)裝錯位置

9、，以免發(fā)生重大生產(chǎn)安全事故。</p><p>　　3. 起重臂結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　臂長40米，臂端吊重量0.7噸，最大吊重量3噸。此吊臂采用桁架水平壓彎式臂架，截面采用正三角形。上弦桿用圓管，兩下弦通常采用角鋼焊接而成的方鋼，并兼作載重小車的軌道，腹桿（斜腹桿，水平腹桿）采用圓管。吊臂采用等強(qiáng)度變截面設(shè)計，兩個側(cè)面桁架采用三角式體系，水平桁架采用帶豎桿的三角式體系。</

10、p><p>　　圖2-1 吊臂截面圖</p><p>　　圖2-2 吊臂下軒桿截面圖</p><p>　　吊臂主要部件材料的選用：</p><p>　　表2.1 各種材料許用應(yīng)力表</p><p><b>　　暫取</b></p><p>　　2.1.2 吊臂的主要尺寸<

11、;/p><p>　　表2.2 參照WK43SLC塔機(jī)的主要參數(shù)</p><p>　　表2.3暫定c4007塔機(jī)的主要參數(shù)</p><p>　　圖2-3 吊臂截面尺寸</p><p>　　Lmax-最大幅度 ；B-截面高度；H-截面高度；Q-最大幅度起重量；</p><p>　　Qmax-最大起重量</p>&

12、lt;p>　　2.1.3 吊臂的吊點位置確定</p><p>　　本吊臂長度為40，根據(jù)塔式起重機(jī)設(shè)計規(guī)范，采用雙吊點吊臂設(shè)計。雙吊點的結(jié)構(gòu)可以有效的減輕吊臂的自重。</p><p>　　吊點將臂架分為三部分,由經(jīng)驗公式，初選（如圖1—2）。</p><p>　　圖2- 4 吊點位置 圖2-5 吊臂運(yùn)

13、輸單元</p><p>　　2.1.4 運(yùn)輸單元</p><p>　　考慮到運(yùn)輸條件和原材料長度限制，將起重臂做成各個節(jié)段，即運(yùn)輸單元。見圖（吊臂總裝圖）。各節(jié)段在工廠制成后，運(yùn)到工地，在現(xiàn)場將各節(jié)段用銷軸相連，拼裝成整體起重臂，然后再和塔身等其他部件裝配成塔吊。考慮到標(biāo)準(zhǔn)化，將起重臂中間段做成若干標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，以利加工制造。所以將吊臂劃分為9個運(yùn)輸單元。</p><p&

14、gt;　　圖2-5 吊臂運(yùn)輸單元</p><p>　　2.2 吊臂受力計算</p><p>　　2.2.1 吊臂所受載荷組合</p><p>　　起重機(jī)臂架采用下列三種載荷組合</p><p>　　1.自重+等級吊重+工作狀態(tài)風(fēng)載荷+平穩(wěn)慣性力或其他水平力；</p><p>　　2.自重+最大額定吊重+工作狀態(tài)風(fēng)載

15、荷+急劇慣性力或其他水平力；</p><p>　　3.自重+非工作狀態(tài)風(fēng)載荷+起重小車及吊鉤重。</p><p>　　由于1、3種組合對本起重臂不起控制作用，因此可僅按第②種載荷組合進(jìn)行設(shè)計在和確定。</p><p>　　2.2.2 初估臂架自重和小車移動機(jī)構(gòu)的重量</p><p>　　臂架自重 初估定臂自重為2560kg，變幅機(jī)構(gòu)重26

16、0kg，力矩傳感器裝置重10kg。</p><p>　　∑G=（2560+260+10）*g=28300N</p><p>　　吊臂自重可以看成沿吊臂全長均勻載荷</p><p>　　小車移動機(jī)構(gòu)重量 初估為0.25t</p><p><b>　　吊重</b></p><p>　　包括起重小車、

17、吊鉤及吊重。吊重是移動載荷，起重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，初估起重小車為0.78t。吊鉤重為0.42t。</p><p>　　2.2.3 吊臂所受的風(fēng)載荷</p><p>　　按照我國《塔式起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》（GB/T13752—92）進(jìn)行計算。</p><p><b>　　臂架受風(fēng)載荷</b></p>

18、<p>　　式中 ——風(fēng)力系數(shù)，臂架為三角形結(jié)構(gòu)，取1.3；</p><p>　　——計算風(fēng)壓，工作狀態(tài)取250Pa;</p><p><b>　　A——迎風(fēng)面積。</b></p><p><b>　　A=</b></p><p>　　其中 ——前片結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積，（），，為結(jié)構(gòu)充實率，對于

19、桁架取0.4；</p><p>　　——后片結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積，（），為結(jié)構(gòu)充實率，對于桁架取0.4；</p><p>　　或為前后外形輪廓尺寸，即(圖1—4)。</p><p>　　—為前片對后片的擋風(fēng)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(guān)，查表得本塔吊=取0.40。</p><p>　　圖2—5 桁架擋風(fēng)折簡系數(shù)</p&g

20、t;<p>　　由上所述，在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，本塔吊起重臂風(fēng)載荷</p><p><b>　　吊重受風(fēng)載荷</b></p><p>　　按額定起重量重力的3%計算，且不得小于500N，由于各種工況吊重不同所以吊重風(fēng)載分工況分別進(jìn)行計算。</p><p><b>　　其他水平力</b></p><

21、p>　　作用在臂架回轉(zhuǎn)平面內(nèi)R除風(fēng)載荷外，還有回轉(zhuǎn)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8t和1.5t分別計算。</p><p>　　2.2.4 吊臂自重及小車變幅機(jī)構(gòu)自重產(chǎn)生的內(nèi)力</p><p><b>　　1. 選擇工況</b></p><p>　　由于吊重是移動載荷，

22、因此首先要確定小車在什么位置是臂架所產(chǎn)生的內(nèi)力為最大。以下三種工況可能對臂架產(chǎn)生最不利的影響：</p><p>　　工況1 最大幅度所吊貨物為0.7t，（即吊重作用在D處，2—6）</p><p>　　工況2 幅度R<=20 m，所吊貨物為1.5t，（即吊重作用在E處，圖2—7）。</p><p>　　工況3 最小幅度R=3m,所吊貨物為3t，（即吊重作用

23、在G處，圖2—8）。</p><p>　　圖2—6 吊重在D處 圖2—7吊重在E處</p><p>　　圖2—8 吊重在G處</p><p><b>　　計算的截面為：</b></p><p>　　1，吊臂根部截面A；</p><p>　　2，根部到第一個吊

24、點的截面 E；</p><p>　　3，第一個吊點到第二個吊點的截面F；</p><p>　　4，第二個吊點的截面C。</p><p>　　各截面圖2-9所示：</p><p>　　圖2-9 吊臂計算截面位置</p><p>　　在起升平面內(nèi)（即豎直平面內(nèi)）作為伸臂梁計算，如下圖示：</p><p&

25、gt;　　圖2-10 起升平面計算簡圖</p><p>　　在回轉(zhuǎn)平面（即水平平面）內(nèi)，作為懸臂梁計算，如圖2-11所示：</p><p>　　圖2-11 回轉(zhuǎn)平面計算簡圖</p><p>　　載荷組成：自重+吊重+工作狀態(tài)風(fēng)載（風(fēng)向垂直吊臂）+其他慣性力。</p><p>　　計算中忽略離心力的影響，因為塔式起重機(jī)的工作級別為A4，所以不驗

26、算鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。</p><p>　　2. 自重載荷引起的內(nèi)力計算</p><p>　　雙吊點吊臂為一次超凈定結(jié)構(gòu)，解除多余約束，得到靜定組合，如圖2—12所示。</p><p>　　圖2—12 吊臂計算簡圖</p><p>　　由疊加原理，B點豎向位移，（為臂架自重載荷在</p><p>　　B點產(chǎn)生的豎直位移

27、，為未知力X1產(chǎn)生的豎直位移。）</p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　式中 、、—吊臂根部鉸點到第一吊點、第一吊點到第二吊點、第二吊點到吊臂端部最大幅度處的距離</p><p>　　拉桿BF和CF的截面積</p><p>　　拉桿BF和CF與吊臂間的夾角</p><p&g

28、t;　　q —臂架自重均布載荷</p><p>　　拉桿BF和CF的長度。</p><p>　　吊臂在自重載荷作用下的內(nèi)力，就是自重載荷q單獨(dú)作用下的內(nèi)力和單獨(dú)作用產(chǎn)生的內(nèi)力之和。吊臂上到根部鉸點距離為x的任一點彎矩為：</p><p><b>　　支反力：</b></p><p><b>　　軸向力：AB

29、段</b></p><p><b>　　BC段</b></p><p>　　由吊重引起的臂架內(nèi)力</p><p>　　3. 工況1載荷內(nèi)力計算 </p><p>　　在最大幅度起吊額定載荷，計算簡圖如圖1—10所示：</p><p>　　圖2—13 工況一起吊平面計算簡圖</p

30、><p>　　吊臂B點的豎直位移，應(yīng)該等于由起升載荷單獨(dú)作用所引起的B點豎直位移和由未知力單獨(dú)作用所引起的B點的豎直位移之和。</p><p><b>　　根據(jù)力法方程：</b></p><p><b>　　，即。</b></p><p><b>　　根據(jù)計算，有</b></

31、p><p>　　吊臂在起升載荷作用下的內(nèi)力，就是起升載荷單獨(dú)作用下的內(nèi)力和由單獨(dú)作用產(chǎn)生的內(nèi)力之和。吊臂上到根部鉸點距離為z的任一點彎矩為：</p><p><b>　　支反力：</b></p><p><b>　　拉桿拉力：</b></p><p><b>　　軸向力： AB段</b&

32、gt;</p><p><b>　　BC段</b></p><p>　　在工況1下，起升平面內(nèi)由臂架自重載荷和起升載荷共同作用所引起的臂架內(nèi)力為以上兩種情況下載荷單獨(dú)作用所引起的臂架內(nèi)力的疊加。</p><p><b>　　即：</b></p><p><b>　　回轉(zhuǎn)平面內(nèi)：</b

33、></p><p>　　計算簡圖如下圖2—14所示</p><p>　　圖2—14 回轉(zhuǎn)平面計算簡圖</p><p>　　圖中 —為均部風(fēng)載荷</p><p>　　—為其他水平力，包括回轉(zhuǎn)慣性力、鋼絲繩傾斜水平力等其它水平力</p><p><b>　　—為吊重受風(fēng)載荷</b></

34、p><p>　　在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)吊臂上到根部鉸點距離為z任一點彎矩為</p><p>　　式中 L—起重臂最大回轉(zhuǎn)半徑</p><p>　　4． 工況2內(nèi)力計算</p><p>　　吊重在E處，在跨中位置起吊載荷,計算由吊重引起的臂架內(nèi)力，計算簡圖如圖1—12所示：</p><p>　　圖2—15 工況二起吊平面計算簡圖&l

35、t;/p><p><b>　　由力法方程：，即。</b></p><p><b>　　根據(jù)計算，有</b></p><p>　　式中 a—第一個吊點B到臂架跨中E的距離</p><p>　　b—臂架跨中E到第二個吊點C的距離</p><p>　　在工況二下，吊臂到根部鉸點距

36、離為z的任一點彎矩為</p><p><b>　　支反力：</b></p><p><b>　　拉桿拉力：</b></p><p><b>　　軸向力：</b></p><p><b>　　AB段</b></p><p><b

37、>　　BC段</b></p><p>　　工況二載荷引起的內(nèi)力和自重載荷引起臂架的內(nèi)力疊加，得工況二臂架內(nèi)力公式：</p><p><b>　　即 </b></p><p><b>　　回轉(zhuǎn)平面內(nèi)：</b></p><p>　　計算簡圖如下圖2—15所示</p>&

38、lt;p>　　圖2—16 工況二回轉(zhuǎn)平面臂架內(nèi)力計算簡圖</p><p>　　在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)吊臂上到根部鉸點距離為z任一點彎矩為：</p><p>　　5. 工況3內(nèi)力計算 </p><p>　　吊重在G處，在最小幅度起吊載荷，計算簡圖如圖2—17所示：</p><p>　　圖2—17 工況三起吊平面計算簡圖</p>&l

39、t;p><b>　　由力法方程：，即。</b></p><p><b>　　根據(jù)據(jù)計算，有</b></p><p>　　式中 a—臂架根部A到起吊載荷G的距離</p><p>　　b—起吊點G到第一吊點B的距離</p><p>　　在工況三下，吊臂到根部鉸點距離為z的任一點彎矩為：<

40、;/p><p><b>　　支反力：</b></p><p><b>　　拉桿拉力：</b></p><p><b>　　軸向力：</b></p><p><b>　　AB段</b></p><p><b>　　BC段<

41、/b></p><p>　　工況三載荷引起的內(nèi)力和自重載荷引起臂架的內(nèi)力疊加，得工況二臂架內(nèi)力公式：</p><p><b>　　即 </b></p><p><b>　　回轉(zhuǎn)平面內(nèi)：</b></p><p>　　計算簡圖如下圖1—15所示</p><p>　　圖2—

42、18 工況二回轉(zhuǎn)平面臂架內(nèi)力計算簡圖</p><p>　　在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)吊臂上到根部鉸點距離為z任一點彎矩為：</p><p>　　至此 三種工況臂架任一點內(nèi)力計算公式推導(dǎo)完畢。</p><p>　　工況 1 ：R=40 Q=0.7 q=0.33 </p><p>　　圖2-19 計算工況1</p><p>

43、;　　FQ= =1.25×0.7+0.33=1.205t=11809</p><p><b>　　所以：</b></p><p>　　代入數(shù)據(jù)計算得： X1=29473</p><p>　　Mc=0 14.4 FQ = X1sinθc×28.7+ NA×40.6</p><p>　　所以：

44、 NA=12168 </p><p>　　Y=0 Nc= NA+ FQ—X1cosθc=31006 </p><p>　　剪力 QA= —12168 QE= —12168</p><p>　　QF=17350 Qc=18838</p><p>　　彎矩 MA=0

45、 ME=18838×14.6=271267</p><p>　　MF=17350×13=225550 MC=12168×20.3=247010</p><p>　　軸力 NAC = X1cotθB + NccotθC =227717 NBC =217045</p><p><b>　　工況 2

46、</b></p><p>　　R=20 Q=1.5 t q=0.33 t </p><p>　　圖2-20 計算工況2</p><p>　　FQ=φQ+q=1.25×1.5+0.33=20205t=21609 </p><p>　　Mc=0 14.6 FQ = X1sinθc×28.

47、7+ NA×40.6</p><p><b>　　NA=24503 </b></p><p>　　Y=0 Nc= NA+ FQ—X1cosθc=27058 </p><p>　　ME=24053×14.6=35743</p><p>　　剪力： QAE =24503 </p>

48、<p>　　QDE =27731 </p><p>　　軸力： NAC =56809 </p><p>　　NBC =217045</p><p><b>　　工況3</b></p><p>　　R=3 m Q=3 q=0.33 </p><p>　　圖2-21 計算工況

49、3</p><p>　　FQ=φQ+q=1.25×3+0.33=4.08t=39984 </p><p>　　Mc=0 37.6 FQ = X1cosθc×28.7+ NA×40.6</p><p>　　所以： NA=74850 </p><p>　　Nc=101234—74850—X1sinθc=15711

50、</p><p>　　剪力： QAE=74850 </p><p><b>　　3.總結(jié)與展望</b></p><p><b>　　3.1 工作總結(jié)</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計是對我們四年的學(xué)習(xí)的一個總結(jié)。在這做畢業(yè)設(shè)計的3個月的時間里，感受很深。發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)要離開這學(xué)習(xí)生活了四年的大學(xué)校

51、園了。希望畢業(yè)設(shè)計能給這美好的四年畫上個美好的句號。</p><p>　　雖然這次設(shè)計困難是很多的，但是通過在網(wǎng)上查找資料，在圖書館借閱相關(guān)書籍，還有老師很同學(xué)的知道幫助下，還是基本完成了。在這里很感謝幫助我的人。這此設(shè)計的計算部分基本是套用經(jīng)典公式的，不是很懂原理。這說明我的力學(xué)學(xué)的不夠扎實。以后一定要加強(qiáng)這方面的學(xué)習(xí)。</p><p>　　最后發(fā)現(xiàn)檢驗知識是否學(xué)的好還是得靠實踐。這次的

52、畢業(yè)設(shè)計就是一次非常好的實踐，能讓我知道自己的不足。這讓我提高很多。并且在設(shè)計的過程中學(xué)習(xí)到了很多的新知識，新技能。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]姚振綱．劉祖華．建筑結(jié)構(gòu)試驗．上 海 ：同濟(jì)大學(xué)出版社 ，2000 ．</p><p>　　[2]范俊祥．塔式起重機(jī)．北京：中國建材工業(yè)出版社2004

53、． </p><p>　　[3]李家寶．結(jié)構(gòu)力學(xué)．北京：高等教育出版社，1999．</p><p>　　[4]盧耀祖．鄭惠強(qiáng) ．機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 ．上海：同濟(jì)大學(xué)版社，2004． </p><p>　　[5]金忠謀．材料力學(xué)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．</p><p>　　[6]劉佩衡．塔式起重機(jī)使用手冊．北京：中國機(jī)械工業(yè)出版社 ，200

54、2． </p><p>　　[7]塔式起重機(jī)設(shè)計規(guī)范GB/T 13752 - 99 ．中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993． </p><p>　　[8]濮良貴．紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計（第七版）高等教育出版社，2006．</p><p>　　[9]劉鴻文．材料力學(xué)．高等教育出版社（第四版），2005．</p>