qtz1000塔式起重機吊臂、起升機構設計及動力特性分析畢業(yè)設計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設計說明書</b></p><p>　　題 目： QTZ80塔式起重機吊臂、起升機構設計</p><p><b>　　及動力特性分析</b></p><p>　　院 （部）： 機電工程學院</p><p>　　專 業(yè)： 機械工程及自動化<

2、/p><p><b>　　班 級： </b></p><p><b>　　姓 名： </b></p><p><b>　　學 號： </b></p><p><b>　　指導教師： </b></p><p>&

3、lt;b>　　完成日期： </b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要II</b></p><p>　　AbstractIII</p><p><b>　　1 概述4</b></p><

4、;p>　　1.1 本文的課題意義4</p><p>　　1.2工程起重機的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀5</p><p>　　1.3課題關鍵問題及難點5</p><p>　　1.4 本文的研究內(nèi)容6</p><p>　　2 起重臂方案設計8</p><p>　　2.1結構形式設計8</p><p

5、><b>　　2.2截面形式8</b></p><p>　　2.3臂架拉桿的構造11</p><p>　　3 起重臂三維建模12</p><p>　　3.1起重臂標準節(jié)建模12</p><p>　　4 起重臂有限元（ANSYS）分析16</p><p>　　4.1 ANSYS的基本

6、使用方法16</p><p>　　4.2 QTZ80點塔式起重機吊臂建模16</p><p>　　4.3 吊臂各部分強度剛度驗算21</p><p>　　4.4計算結果討論28</p><p>　　4.5 塔機模態(tài)分析29</p><p>　　5 起升機構設計33</p><p>　

7、　5.1起升機構的組成布置方式33</p><p>　　5.2起升機構的計算34</p><p><b>　　總 結41</b></p><p><b>　　謝 辭42</b></p><p><b>　　參考文獻43</b></p><p&g

8、t;<b>　　摘 要</b></p><p>　　塔機在我國的基礎設施建設和國民經(jīng)濟發(fā)展中，發(fā)揮著越來越重要的作用。設計的合理與否直接關系到塔機的性能和成本，關系一個企業(yè)的生存與發(fā)展。本文將對QTZ80塔式起重機的起重臂、起升機構的設計做一下詳細說明。</p><p>　　本文對QTZ80塔式起重機起重臂的截面形式，起升機構的電機以及起升機構的各種性能和參數(shù)做出了

9、詳細說明。以三維造型軟件Solid Works 為基礎完成QTZ80型塔式起重機起重臂的三維零件圖的繪制并完成起重臂的裝配，運用ANSYS軟件對QTZ80型塔式起重機起重臂進行了有限元分析,獲得起重臂結構的應力分布，確定起重臂作業(yè)時的危險點，對塔身的剛度和強度進行了驗算，從而判斷該設計的性能是否滿足設計要求，最后又用ANSYS軟件對QTZ80塔機整體進行了模態(tài)分析，得到整個塔機的動力特性。</p><p>　　關

10、鍵詞：三維造型；起重臂；起升機構；有限元；動力特性</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Tower crane in China's infrastructure construction and development of the national economy, playing an increasingly im

11、portant role. Design of reasonable or not directly related to the performance and tower crane costs, a business relationship between the survival and development. This paper will have a detailed description about QTZ80

12、tower crane boom and the rising organization’s design.</p><p>　　In this paper, a detailed explanation will be made about QTZ80 tower crane arm’s cross-section form,the motor of the rising organization and th

13、e rising organization’s various parameters.QTZ80 tower crane arm of the three-dimensional map of parts and completing mapping of the boom assembly is based on Three-dimensional modeling software SolidWorks,gain QTZ80 tow

14、er crane arm’s finite element analysis with ANSYS, gain the boom’s stress distribution to determine the boom operating dangerous point, t</p><p>　　Keywords: three-dimensional modeling; boom; the rising organ

15、ization;finite element;dynamic characteristics</p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　1.1 本文的課題意義</p><p>　　根據(jù)《塔式起重機設計規(guī)范》( GB/ T13752- 92),塔機的設計壽命應在15- 30年間，塔式起重機的破壞主要發(fā)生在塔身、起重臂、平衡

16、壁三大金屬結構上。塔機安裝、使用、拆除的任何一個環(huán)節(jié)上有問題都可能造成事故。影響工期的完成，嚴重的造成人身安全。截至06年上半年三峽工程就有100多建設者獻出了寶貴的生命，[2]北京建筑土程學院的王凱輝等幾名老師對北京地區(qū)的塔式起重機安全事故進行了調(diào)查[3]，得出安全事故比例構成為:塔身折斷或受傷占35.7%起重臂折斷或受傷占28.6%平衡臂折斷或受傷占14.3%，其他占21.4% 。破壞的主要原因有結構設計不合理、制造質量不過關、施工

17、人員操作不規(guī)范、過載、低溫脆性，應力腐蝕和疲勞等。在幾起該類事故中，[4]均看到了臂架腹桿斷面有銹蝕的舊痕，表明原內(nèi)部存在有裂縫，從折斷腹桿取樣發(fā)現(xiàn)，焊縫脫開的腹桿失去承載能力之后，在起吊載荷作用下，引起吊臂各桿件內(nèi)力重新分布致使受壓的腹桿因超載而失穩(wěn)，這些腹桿失穩(wěn)彎折后，起重臂截面高度減小，使該段吊臂失去承載能力而折曲。所發(fā)生的事故多是在焊接過程中的咬邊、焊瘤、夾渣、氣孔、未焊透和裂紋等缺陷造成的。而起重臂設計不</p>

18、<p>　　塔式起重機主要是在循環(huán)變化的載荷或隨機載荷作用下工作，塔臂連接銷釘之間磨損嚴重且沒有得到及時的修整，起重臂臂尖在起吊時重物時撓度過大嚴重影響牽引小車工作性能。據(jù)調(diào)查了解.塔機臂架下弦桿連接銷掉出或造成折臂事故[8]的現(xiàn)象比較普遍并且事故部位多在起重臂兩拉桿之間。 </p><p>　　安裝拆卸人員無塔機安裝拆卸資質，操作人員無起重機操作資格[9]。也是造成塔式起重機事故的主要原因。<

19、/p><p>　　在科學研究方面，新的理論、新的計算方法的建立以及新產(chǎn)品的研制，都必須經(jīng)過理論性的計算和實驗來證實其可行性和可靠性。鋼結構在設計合理的條件下，突發(fā)的惡劣天氣也會對鋼結構造成比較嚴重的影響。由于塔機在啟動、制動和進行耦合運動時，機構和結構將承受強烈的沖擊振動，所以就需要準確描述和精確計算塔機結構體系在外激勵下的動態(tài)過程，從而為塔機的設計、生產(chǎn)提供理論上的和實踐上的指導，這對于塔</p>&

20、lt;p>　　機的經(jīng)濟性和安全性都具有非常重要的意義。</p><p>　　1.2工程起重機的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀</p><p>　　塔式起重機簡稱塔機，發(fā)明于20世紀之初的歐洲。1900年有了第一個塔機專利，1905年出現(xiàn)了塔身固定的臂架式起重機，第一次、二次世界大戰(zhàn)后塔機得到快速發(fā)展，近年更是呈現(xiàn)型式多樣、需求旺盛的局面。我國于20世紀50年代從蘇聯(lián)和及歐一些國家引進了塔式起重機，它

21、具有工作效率高、使用范圍廣、回轉半徑大、起升高度高、操作方便以及安裝與拆卸比較簡便等特點，塔機作為建筑工地上的主要機械，在施工中起著關鍵作用，特別是改革開放以來，塔式起重機在建筑場合的應用更加廣泛。從塔式起重機的結構形式和性能看，總的趨勢是向大噸位產(chǎn)品方向發(fā)展，這是因為大噸位塔式起重機在起重大型貨物時有它自己的優(yōu)勢，特別是在現(xiàn)代城市建設和橋梁建設中大噸位起重機起著不可替代的作用；塔式起重機今后的發(fā)展的另一趨勢是設計計算原理的研究和改革。

22、在塔式起重機的結構計算中，仍采用傳統(tǒng)的許用應力計算法。這種方法使用起來比較簡便，但其缺點是對于不同用途、不同工作性質的結構采用同一的安全系數(shù)，而且安全系數(shù)往往偏大或過低 。因此按許用應力法設計的起重機結構，或多消耗金屬材料，或安全程度較低。隨著生產(chǎn)和計算機技術的發(fā)展，試驗研究工作的開展，人們利用計算機來</p><p>　　隨著科學技術的飛速發(fā)展，人們對于塔式起重機性能要求越來越高，不僅要求起重機重量輕、剛性好、

23、作業(yè)空間大，而且要求起重機小車和大車的運行速度高，作業(yè)效率高等要求，更重要的是要求塔機的人性化和智能化。這樣就對起重機的動力學特性提出了更高的要求。隨著起重機大型化，小車和大車等機構的運行速度加快，塔式起重機的安全問題變得越來越明顯，起重機的安全問題現(xiàn)已成為企業(yè)和高校關心的熱點問題。</p><p>　　1.3課題關鍵問題及難點</p><p>　　塔機作為建筑工地上的主要機械，在施工中起

24、著關鍵作用。塔機的三大傳動機構，特別是起升機構工作性能的優(yōu)劣，是衡量塔機技術先進程度的重要標志。起升機構的主要功能是起吊重物，在頻繁的起吊、卸載和變速過程中，起升機構傳動系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的零部件都處在一個較大的交變應力狀態(tài)中，會因疲勞等原因造成其損壞，一旦零件損壞，就會使整個傳動系統(tǒng)失效，其后果就會使吊運在空中的重物突然失控下墜，造成突發(fā)性事故，這種情況在工地上時有發(fā)生。它的發(fā)展和進步依賴并促進相關技術的發(fā)展和進步。對起升機構的改進難點在

25、于如何保證整個起升機構的零部件能夠保持在均等的使用壽命，從而保證塔機的整體的使用壽命得到保證，減少事故的發(fā)生。這就需要在正確的確定塔機起重臂的截面和評估起升機構的零部件的疲勞壽命的前提下，進行正確的有限元建模進而得到較為精確的塔機的動力特性，從而為施工現(xiàn)場的操作制定一個正確的有科學依據(jù)的操作規(guī)程，進而在提高塔機的使用壽命的同時減少以至避免事故的發(fā)生。</p><p>　　金屬結構是塔機的骨架，起結構強度和剛性決定

26、著塔機的工作可靠性和安全性。因此，結構靜態(tài)和動態(tài)分析是塔機設計開發(fā)中一項極為重要的工作。隨著有限元法理論的日益完善和計算機技術的迅速發(fā)展，越來越多的工程技術人員開始采用有限元法對塔機進行結構分析，有限元法成為目前塔機結構分析中最有效的數(shù)值方法。當前國內(nèi)外涌現(xiàn)出了諸如SAP84，ADLNA,ANSYS,NASTRON等著名的有限元分析軟件，它們各具特點。隨著其它有限元分析軟件逐步在我國推廣使用，人們開始嘗試將其它軟件應用于塔機的靜動力分析

27、，其中ANSYS軟件就是一種較好的選擇。</p><p>　　在使用ANSYS時能否正確建模對得到最后的正確結果起著至關重要的作用，因為這不僅僅意味著建模的成功與否，還將作為指導最后的現(xiàn)場施工的依據(jù)，故而這就成為了難點。</p><p>　　1.4 本文的研究內(nèi)容</p><p>　　塔式起重機技術的進步，對試驗技術不斷提出新的要求從而推動了試驗技術的發(fā)展，而試驗技

28、術的發(fā)展又反過來推動著起重運輸機械的技術進步。近年來，在材料學、電子學、化學和計算機技術等方面的研究成果，不斷應用于塔式起重機的設計制造中，使試驗技術達到相當高的水平。新技術的應用不斷解決科學研究和生產(chǎn)實際中出現(xiàn)的新問題，提高產(chǎn)品設計、制造水平，減少事故的發(fā)生將是今后一個時期專業(yè)技術人員所面臨的重要課題。塔式起重機在使用過程中由于磨損等原因會使起重臂臂尖撓度過大進而影響牽引小車工作性能，因此在塔機設計中必須合理控制塔機各部分的剛度使起重

29、臂臂尖撓度在一定的范圍內(nèi)。由于起重臂臂尖撓度是塔機整機變形的綜合結果而塔機各部分結構形狀和連接形式很復雜所受載荷也很復雜不可能進行手工分析和計算。起重臂設計所使用的計算理論和方法對起重臂設計的影響非常大。知名企業(yè)都有自己的科研機構，對起重臂的計算理論、制造工藝等都有深人的研究，有限元等方法的應用，大大減輕了整機的重量。我國許多企業(yè)也使用有限元法對塔機結構進行理論上的分析和塔臂變形的驗算。因而本文主要針對以下幾個方面進行分析。</p

30、><p>　　（1）塔式起重機起重臂在動態(tài)有風情況下的應力與變形</p><p>　　由于塔式起重機工作過程中的幅度、吊重和風向等條件是不斷變化的，本文將對塔機在最大起重量（滿載）、最大幅度、適度超載極限狀態(tài)下的塔臂的應力與變形。工作狀態(tài)風載荷是起重機在正常工作情況下所能承受的最大計算風力。</p><p>　?。?） 塔式起重機起重臂在靜態(tài)無風情況下的應力與變形<

31、;/p><p>　　在有限元求解設置中，實際上可以通過設置一系列載荷，對起重臂不同吊重、不同位置進行加載分析，將起升載荷沿起重臂移動求解，得到單一起升載荷在不同位置時起重臂的應力分布在移動求解中，按塔機設計要求順序加載，在不同工況下對塔臂不同位置進行分析四種對應位置如圖1-1。</p><p>　　圖 1-1 平衡臂各個危險截面示意</p><p>　　本次利用ANSY

32、S軟件為基礎建立了塔機整機有限元模型對該塔式起重機起重臂臂強度剛度進行有限元分析，獲得起重臂結構的應力分布，確定起重臂作業(yè)時的危險點。相比國外塔式起重機都具有質量輕、起重量大、使用壽命精確、零部件更換周期明確等優(yōu)點，隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展塔機的大規(guī)模應用，國外塔機廠商的進入肯定會對國內(nèi)塔式起重機廠家產(chǎn)生沖擊。提高塔式起重機設計水平已迫在眉睫。因此，希望我本人的研究能夠為塔式起重機的發(fā)展進上微薄的力量。</p><p>

33、;<b>　　2 起重臂方案設計</b></p><p>　　2.1結構形式設計 </p><p>　?。?）小車變幅水平臂架</p><p><b>　　特點：</b></p><p>　　應用廣泛，吊載可借助變幅小車沿臂架全長進行水平位移，并能平移準確的進行安裝就位。</p>

34、<p><b>　　分類及特點：</b></p><p>　　單吊點小車變幅臂架，靜定結構，幅度在40米以下多采用。</p><p>　　雙吊點小車變幅臂架，超靜定結構，結構更加穩(wěn)定幅度在50米以上采用。</p><p><b>　　（2）俯仰變幅臂架</b></p><p>　　通過變

35、幅機構繩輪系統(tǒng)進行俯仰變化，從而能避開回轉中遇到的障礙物。</p><p>　?。?）伸縮式小車變幅臂架</p><p>　　能夠避開運行中的障礙物。</p><p><b>　?。?）折曲臂架</b></p><p>　　適用冷卻塔、電視塔以及一些超高層建筑施工需要。</p><p>　　綜上所

36、述，起重臂采用小車變幅臂架，雙吊點。</p><p><b>　　2.2截面形式</b></p><p>　　圖 2-1 平衡臂及其截面形式</p><p><b>　?。?）分類與特點</b></p><p>　　為了使起重臂重量更輕，性能更強，在起重臂的設計中廣泛使用了超高強度鋼材諸于WELDO

37、X960,WELDOX1100等新材料，起重臂截面的設計需要解決板材屈曲的問題，各廠家都研究出了各自的解決辦法，國外知名廠家采用了優(yōu)化的截面形狀，許多公司采用橢圓形吊臂截面的概念，采用橢圓形截面抗扭性能顯著，具有固有的獨特穩(wěn)定性和抗屈曲能力，部分企業(yè)采用大圓弧六邊形截面。目前，橢圓形起重臂的技術其優(yōu)勢很明顯，由于不需采用加勁筋，因而每節(jié)臂截面的變化很小，有利于減輕起重臂的重量，提高起重機的起重能力。但是截面的成型難度大，生產(chǎn)周期長.&l

38、t;/p><p>　　我國幾乎所有雙吊點塔式起重機起重臂截面可以設計成三角形或者矩形如下圖</p><p>　　圖 2-2 常用平衡臂形式</p><p>　　（2） 采用矩形截面結構設計</p><p>　　對于矩形結構（如圖2-2）當塔機提升重物回轉時塔臂受到斜向下的合力的作用，塔臂矩形截面容易變形且矩形結構浪費材料。所以宜采用三角形結構。&

39、lt;/p><p>　　（3）采用三角形截面結構設計</p><p>　　對于正三角形結構，（圖2-2）上弦桿通常采用圓鋼桿，下弦桿由角鋼拼焊成矩形，兼做起重小車的運行軌道。在回轉平面內(nèi)的桁架可看作懸臂梁，承受橫向載荷。</p><p>　　對于倒三角形結構（圖2-2）上弦桿通常是圓鋼管，下弦桿為工字鋼兼作起重小車的運行軌道。臂架根部通過銷軸與塔身連接，臂架上設有吊點通

40、過鋼絲繩或剛拉桿與他冒頂部連接。</p><p>　?。?）截面采用三角形結構的優(yōu)越性</p><p>　　采用倒三角形（圖 2-2）提升小車需要卡在工字鋼上，對工字鋼的材料要求和焊接要求比較高且成本較高。采用正三角形 （圖2-2）小車可以卡在A B邊上設計結構比較簡單且安全可靠。</p><p>　　采用正三角形C處吊點的設計比較容易，當采用倒三角形時 D E

41、桿件還需要另外的附加結構。</p><p><b>　?。?）腹桿布置</b></p><p>　　表2-1 腹桿布置比較</p><p>　　選b 主要從受力來考慮，b受力好</p><p><b>　　腹桿展開圖</b></p><p>　　a

42、 b c</p><p>　　圖 2-3 腹桿展開圖</p><p><b>　　分類：</b></p><p>　　a一順式 腹桿布置均勻，焊縫不過于集中 </p><p>　　b交錯對稱式焊縫過于集中

43、 </p><p>　　c密集布置式 當臂架幅度大，下弦采用槽鋼時用</p><p>　　正三角截面起重臂的腹桿體系采用人字式布置方式，加工方便，便于布置小車變幅機構，腹桿體系為三角形，對于三角形結構，上弦桿使用圓鋼管，下弦桿由角鋼拼焊成，兼作起重小車的運行軌道。在回轉平面內(nèi)的桁架可看作是懸臂梁，承受橫向載荷。倒三角結構上弦桿通常是圓鋼管，下弦桿位工字鋼兼

44、作起重小車的運行軌道。臂架根部通過銷軸與塔身聯(lián)接，臂架上設有吊點通過鋼絲繩或鋼拉桿與塔帽頂部連接。為便于安裝運輸和組成不同長度臂架，吊臂一般分成若干段，由根部節(jié)、端部節(jié)、和若干標準節(jié)組成，各節(jié)間通過螺栓和銷軸聯(lián)接。</p><p>　　桁架式水平臂架大都采用正三角截面，故此處選用如圖a所示的正三角截面。</p><p>　　2.3臂架拉桿的構造</p><p>　　

45、俯仰變幅臂架一般使用鋼絲繩拉索，而小車變幅臂架既可以使用鋼絲繩拉索，也可以使用鋼拉桿。鋼拉桿一般采用扁鋼板、實心圓鋼或者厚壁無縫鋼管制成。拉桿也可以分成若干段，各段通過連接板及銷軸鏈接而成。</p><p><b>　　吊點選擇與構造</b></p><p>　　臂架總長在50 m以上應采用雙吊點。</p><p>　　（1）柔性拉桿（或稱鋼絲

46、繩拉桿）</p><p>　　使用時間較長后，鋼絲繩會產(chǎn)生自身變形，導致起重臂向下傾斜，所以需經(jīng)常檢驗、更換，提高了生產(chǎn)成本。</p><p><b>　　（2）剛性組合拉桿</b></p><p>　　一次性投入，降低了生產(chǎn)成本；另外，能夠克服柔性拉桿帶來的負面影響。剛性組合拉桿可分為：扁鋼拉板、實心圓鋼拉桿、厚壁無縫鋼管拉桿、角鋼對焊方形斷

47、面空腹拉桿。</p><p>　　暫定為實心圓鋼拉桿，雙吊點。</p><p><b>　　3 起重臂三維建模</b></p><p>　　3.1起重臂標準節(jié)建模</p><p>　　進入如圖3-1所示的SolidWorks建模頁面,選擇一個繪圖平面進行臂節(jié)建模</p><p>　　圖 3-1 S

48、olidWorks繪圖界面</p><p>　　如下圖所示分別繪出第一節(jié)到第四節(jié)起重臂進而繪出剩余的幾節(jié)并裝配成起重臂裝配圖</p><p>　　圖3-2 第一節(jié)起重臂</p><p>　　圖3-3 第二節(jié)起重臂</p><p>　　圖3-4 第三節(jié)起重臂</p><p>　　圖3-5 第四節(jié)起重臂</p>

49、<p>　　圖3-6 起重臂裝配圖</p><p>　　4 起重臂有限元（ANSYS）分析</p><p>　　4.1 ANSYS的基本使用方法 </p><p>　　有限元分析是對物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）的模擬，是真實情況的數(shù)值近似。通過對分析對象劃分網(wǎng)格，求解有限個數(shù)值來逼近和模擬真實環(huán)境的無限個未知量。</p><p>

50、　　ANSYS分析過程包含以下三個主要步驟</p><p>　　創(chuàng)建有限元模型：1.施加載荷及載荷選項、設定約束條件。2.求解。查看結果：（1）查看分析結果。（2）檢驗結果（分析是否正確）具體如圖4-1</p><p>　　圖 4-1 ANSYS分析流程圖</p><p>　　4.2 QTZ80點塔式起重機吊臂建模</p><p>　　由于回

51、轉支承等實體部件相對塔機整體結構而言幾何尺寸較小，而剛度較大、質量較為集中，當對塔機結構進行整體分析時，可以將回轉支承結構等實體部件采用來梁單元進行等效，使塔機的整體整體分析中只包含梁單元，避免了具有不同節(jié)點自由度的梁單元和板殼單元的聯(lián)接問題。另外，一般塔機都具有幾百甚至幾千根桿件，只輸入數(shù)據(jù)文件已經(jīng)很大，如果在同時分析回轉機構的板殼結構，更將大大增大數(shù)據(jù)文件，甚至超出了計算機的工作能力。在作完整體分析之后，再將整體分析中得到的等效單元

52、的節(jié)點力作為外載荷，采用板殼單元單獨分析回轉機構。</p><p>　　根據(jù)設計規(guī)范的規(guī)定，塔機必須工作在材料彈性范圍內(nèi)，且對一般的中小型塔機的分析不必考慮非線性因素，只考慮線性分析。</p><p>　　ANSYS提供了多種梁桿單元，在塔機分析中以梁單元為主，桿單元用的很少，而且可用梁單元代替。塔機是一種空間結構，ANSYS軟件提供的常用彈性三維梁單元有BEAM4、BEAM44、BEAM

53、188和BEAM189，它們都有各自的特點，能滿足不同的分析要求，常用梁單元主要性質見下表</p><p>　　表 4-1 梁單元特性</p><p>　　塔機結構中有許多較短的桿件，如塔身接頭、吊臂接頭等都屬于深梁，用普通梁單元建模會帶來較大的誤差，所以塔機分析軟件應使用BEAM188單元（線性梁單元）或BEAM189單元（二次梁單元），通常采用BEAM188單元即可。BEAM188和B

54、EAM189單元均以Timoshenko梁理論為基礎，其形函數(shù)中撓度和截面轉動各自獨立插值，并考慮了剪切變形的影響。</p><p>　　BEAM188單元支持截面定義功能，使用者可使用截面定義命令（SECTYPE、SECDATA）方便的定義截面形狀，并可在圖形用戶界面下繪制已定義的假面圖形(SECPLOT)，以檢查截面定義的正確性。因為BEAM188單元具有塔機分析所要求的功能，因此，在塔機分析中使用BEAM1

55、88單元即可得到滿意的結果。</p><p>　　4.2.1 主梁的有限元建模</p><p><b>　　1、定義單元類型</b></p><p>　　GUI:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete </p><p>　　單元類型選擇Be

56、am 2node 188。</p><p><b>　　2、定義材料屬性</b></p><p>　　GUI:Main Menu>Preprocessor>Material props> Material models</p><p>　　>Structural>linear>Elastic>Isotr

57、opic</p><p>　　彈性模量EX： 2.06e11Pa;</p><p>　　泊松比PRXY： 0. 3；</p><p>　　密度DENS： ；</p><p><b>　　3、創(chuàng)建模型</b></p><p>　　第一步，確定主梁各個節(jié)點的空間位置，然后在

58、有限元中創(chuàng)立關鍵點，具體做法如下</p><p>　　GUI:Main Menu>Preprocessor>modeling>Create>Keypoints </p><p>　　創(chuàng)建完后的起重臂的關鍵點,創(chuàng)建完點后，主梁由幾種不同的材料焊接而成，連接關鍵點前先設置材料的截面形式，步驟如下：</p><p>　　GUI:Main Menu&

59、gt;Preprocessor>Sections>Beam>Common Sections</p><p>　　定義材料的截面，□鋼型號分別為：</p><p>　　□109×109×10、□97×97×8、□87×87×8</p><p><b>　　◎鋼型號分別為：</

60、b></p><p>　　◎60×4、50×4、45×4、36×3</p><p><b>　　鋼型號為：</b></p><p><b>　　50×50×5</b></p><p><b>　　鋼型號為：</b>

61、;</p><p><b>　　φ60</b></p><p>　　然后用線將各點按照主梁各桿件的連接方法依次按照其截面形式連接（圖4-5）</p><p>　　GUI:Main Menu>Preprocessor>modeling>lines</p><p>　　然后要對模型進行網(wǎng)格的劃分。</

62、p><p>　　GUI:Main Menu>Preprocessor>Meshing>Meshtool…</p><p>　　圖 4-2 劃分網(wǎng)格完成圖</p><p>　　4.2.2 施加約束</p><p>　　圖 4-3 施加約束</p><p>　　4.2.3 施加載荷</p>&l

63、t;p><b>　　1．施加風載荷</b></p><p><b>　　計算風載荷公式</b></p><p>　　(N) (4-1)</p><p><b>　　式中:</b></p><

64、p>　　-----作用在塔式起重機上和物品時上的風載荷（,），N；；</p><p><b>　　----風力系數(shù)；</b></p><p>　　----計算風壓，=250pa;</p><p>　　A----提示起重機或物品垂直于風向的迎峰面積，；</p><p><b>　　(4-2)</b&g

65、t;</p><p>　　----前片結構的迎風面積（）,;</p><p>　　----后片結構的迎風面積（）,；</p><p>　　-----兩片相鄰桁架的前片對后片的擋風折減系數(shù)。</p><p>　　作用在塔機上的風載荷為：</p><p>　　起吊物品的風載荷為： </p><p&

66、gt;　　作用在塔機上的風載荷為：</p><p>　　2．施加額定起重重量</p><p>　　分別施加各個截面處的額定起重重量</p><p>　　4.3 吊臂各部分強度剛度驗算</p><p>　　4.3.1吊臂根部截面變形、應力</p><p>　　圖 4-4吊臂根部截面變形</p><p&

67、gt;　　圖 4-5吊臂根部截面應力</p><p>　　風載荷作用下的變形、應力</p><p>　　圖 4-6風載荷作用下的變形</p><p>　　圖 4-7風載荷作用下的應力</p><p>　　4.3.2 吊臂根部到第一個吊點之間的跨中截面</p><p>　　圖 4-8吊臂根部到第一個吊點之間的跨中截面變形

68、</p><p>　　圖 4-9吊臂根部到第一個吊點之間的跨中截面應力</p><p>　　4.3.3 第一個吊點截面</p><p>　　圖 4-10第一個吊點截面變形</p><p>　　圖 4-11 第一個吊點截面應力</p><p>　　4.3.4 第一個吊點到第二個吊點之間的跨中截面</p>&

69、lt;p>　　圖 4-12第一個吊點到第二個吊點之間的跨中截面變形</p><p>　　圖 4-13 第一個吊點到第二個吊點之間的跨中截面應力</p><p>　　4.3.5第二個吊點截面</p><p>　　圖 4-14 第二個吊點截面變形 </p><p>　　圖 4-15 第二個吊點截面

70、應力 </p><p>　　4.3.6最大幅度截面</p><p>　　圖 4-16最大幅度截面變形</p><p>　　圖 4-17 最大幅度截面應力</p><p><b>　　4.4計算結果討論</b></p><p>　　將上述結果總結列表如下：</p><p>　

71、　表 4-2 各截面工況應力位移</p><p>　　4.4.1強度計算討論</p><p>　　討論金屬結構材料采用Q235鋼，其屈服極限為載荷組合Ⅱ結構強度許用應力為：</p><p>　　根據(jù)《起重機設計規(guī)范GB3811-83》，桁架結構強度滿足要求。</p><p>　　4.4.2靜剛度計算討論</p><p>

72、;　　按照《起重機設計規(guī)范GB3811-83》，起重機主梁跨中垂直靜撓度許用值滿足要求。</p><p>　　根據(jù)文獻《起重機機械設計制造新工藝與質量驗收標準》，起重機的水平剛度規(guī)定，起重機跨中在水平方向引起的變形應力不大于s/2000，這里均符合要求。</p><p>　　4.5 塔機模態(tài)分析</p><p>　　模態(tài)分析是用來確定結構的振動特性的一種技術，這些振

73、動包括：固有頻率、振型、振型參與系數(shù)（即在特定方向上某個振型在多大程度上參與了振動）等。模態(tài)分析是所有動態(tài)分析類型的最基礎的內(nèi)容。</p><p>　　ANSYS模態(tài)分析的過程由4個主要步驟組成：</p><p><b>　?。?）.建模。</b></p><p>　?。?）.選擇分析類型和分析選項。</p><p>　

74、?。?）.施加邊界條件并求解。</p><p><b>　　（4）.評價結果。</b></p><p><b>　　4.5.1 建模</b></p><p>　　建模過程主要在預處理器中進行，包括定義單元類型，單元實常數(shù)，材料參數(shù)及幾何模型。建模過程需要注意以下兩點：</p><p>　　必須定義密

75、度（DENS）.</p><p>　　只能使用線性單元和線性材料，非線性性質將被忽略。</p><p><b>　　其操作為：</b></p><p>　　GUI:Main Menu>Preprocessor>Material props> Material models</p><p>　　>S

76、tructural>linear>Elastic>Isotropic</p><p>　　彈性模量EX： 2.06e11MPa；</p><p>　　泊松比PRXY： 0.3；</p><p>　　密度DENS： </p><p><b>　　定義單元類型：</b></p><

77、p>　　GUI:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete </p><p>　　單元類型選擇Beam 2node 188。</p><p>　　在ANSYS環(huán)境下確定塔機個節(jié)點坐標，之后連線，建立塔機模型。</p><p>　　4.5.2 選擇分析類型和分析選項</p>

78、<p>　　這一步要選擇模態(tài)分析類型、模態(tài)提取選項和模態(tài)擴展選項等。選擇模態(tài)分析類型，可選擇Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis命令，在彈出【New Analysis】對話框中選擇【Model】單選按鈕即可。</p><p>　　選擇模態(tài)提取選項的步驟如下：</p><p>　?、?選擇Main Menu

79、>Solution>Analysis Type> Analysis Option 命令。</p><p>　?、?在【Mode extraction method】單選列表框中選擇【Block Lanczos】模型提取方法；在【No.of modes to extract】文本中輸入模態(tài)提取數(shù)目10。單擊OK按鈕即可。</p><p>　　選中【Expand mode s

80、hapes】后面的Yes復選框。</p><p>　　4.5.3 網(wǎng)格劃分、施加邊界條件并求解</p><p>　　網(wǎng)格劃分如圖4-18，施加邊界條件的基本操作和靜力分析相同，因為振動被假定為自由振動，所以外部載荷將被忽略。</p><p>　　圖4-18 塔機整體劃分網(wǎng)格</p><p>　　選擇Main Menu>Solution&

81、gt;Current LS 即可進行求解。</p><p>　　4.5.4 評價結果</p><p>　　這一步的操作主要在通用后處理中進行。顯示固有頻率可選擇Main Menu>General Postoroc >Results Summary 命令，列表顯示各個模態(tài)。</p><p>　　在【No. of modes to extract】文本中輸入

82、模態(tài)提取數(shù)目為6時：</p><p>　　***** INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE *****</p><p>　　SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE</p><p>　　1 0.97383E-01 1 1

83、 1</p><p>　　2 0.14724 1 2 2</p><p>　　3 0.15252 1 3 3</p><p>　　4 0.16418 1

84、 4 4</p><p>　　5 0.29529 1 5 5</p><p>　　6 0.41795 1 6 6</p><p>　　隨著模態(tài)提取數(shù)目的增加，可以得到結構的不同頻率，可以為

85、下面機構的設計作為參考，并使機構設計中固有頻率盡量遠離塔機結構的固有頻率，以避免塔機結構和機構固有頻率接近而發(fā)生共振。</p><p>　　由振動理論可知,對于塔機這樣一個多自由度系統(tǒng)而言,低階固有頻率對系統(tǒng)的動力響應貢獻較大,而高階固有頻率影響較小,所以對塔機系統(tǒng)而言只要提取其低階固有頻率就能很好反映系統(tǒng)動力特性。</p><p>　　起升機構對應2種轉速的頻率為0.95Hz 或1.78

86、Hz，起升機構的頻率較第二階相差較遠，故滿足設計要求，由于風載的頻率在0. 25 Hz 左右變化與第一階振型的頻率相差很遠, 可不考慮其對塔機的影響。</p><p><b>　　5 起升機構設計</b></p><p>　　5.1起升機構的組成布置方式</p><p>　　塔式起重機的起升機構通常由電動機、制動器、減速器、卷筒、鋼絲繩、滑輪組

87、及吊鉤等零部件組成。如下圖所示</p><p>　　圖 5-1 起升機構布置示意圖</p><p>　　電動機采用交流異步電動機；制動器應是常閉式，并采用塊式制動器其上裝有電磁鐵作為自動松閘裝置，并與電動機相連鎖，即電動機通電時松閘，電動機斷電時上閘，以保證起升機構的正常工作和安全可靠；減速器采用圓柱齒輪減速器，效率高，功率范圍大，已經(jīng)標準化，但體積重量較大，可選用帶減速器的電動機以解決這

88、一問題；卷筒、鋼絲繩、滑輪組及吊鉤等在下面的具體計算中根據(jù)需要具體選用。</p><p>　　5.2起升機構的計算</p><p>　　5.2.1起升機構工作級別</p><p>　　1、載荷狀態(tài) </p><p>　　2、利用等級 </p><p>　　3、工作級別 </p&g

89、t;<p>　　4、起升等級 </p><p>　　5.2.2主要性能參數(shù)：</p><p>　　起升速度： 高速： </p><p><b>　　低速： </b></p><p>　　5.2.3鋼絲繩的選擇：</p><p>　　按正常工作狀態(tài)選擇鋼絲繩

90、：</p><p>　　鋼絲繩的最大靜拉力： =(N) （5-1）</p><p>　　式中：-----最大起升載荷。</p><p>　　-----滑輪組及導向滑輪總效率</p><p>　　=0.9750.95=0.923</p><p>　　-----最大起重量</p&

91、gt;<p>　　----釣鉤組重（由表5-2）</p><p>　　------滑輪組倍率</p><p>　　則 ===21978.33 N</p><p>　　計算鋼絲繩直徑：； （5-2）</p><p>　　式中：-----鋼絲繩最小直徑，mm；</p><p

92、>　　------選擇系數(shù)（）、見表2-2；</p><p>　　------鋼絲繩最大靜拉力,N。</p><p>　　得出：=14.08 mm。取d=14.5 mm</p><p>　　故選用鋼絲繩不得小于上述計算值，所以選擇鋼絲繩規(guī)格為6X19-14.5-1770-?-甲鍍右交。</p><p>　　5.2.4 卷筒設計</

93、p><p><b>　　1．主要參數(shù)確定</b></p><p>　　（1）卷筒直徑的計算</p><p>　　卷筒最小直徑：= （5-3） =261 mm （見表2-7）</p><p>　　式中：-----與機構工作級別和鋼絲繩機構相關的參數(shù)

94、；</p><p>　　-----鋼絲繩直徑。</p><p>　?。?）卷筒長度及卷繞層數(shù)的確定 </p><p>　　設定鋼絲繩全部卷入時需繞3層，最大起升高度時繞入卷筒的繩長；</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　=202595.21mm</p>

95、<p>　　式中：H-----起重機最大起升高度，mm；</p><p>　　-----滑輪組倍率；</p><p>　　-----附加安全系數(shù)，?。?lt;/p><p>　　H-----其升級最大起升高度，mm；</p><p>　　-----卷筒計算直徑（鋼絲繩截面中心距）。</p><p>　　在卷筒上

96、繞4層時能繞入的繩長：</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　式中：-----實際選取卷筒

97、直徑；</p><p>　　-----實際選取鋼絲繩直徑；</p><p>　　n-----鋼絲繩的卷繞層數(shù)，通常取n=36層，</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中：L-----卷筒繞繩量；</p><p>　　Z-----每層圈數(shù)；</p>&

98、lt;p><b>　　取Z=71</b></p><p>　　則卷筒繞繩部分的長度為：</p><p>　　(mm) （5-6）</p><p>　　5.2.5 電動機功率的確定</p><p>　　1．電動機功率的確定</p><p>　?。?）計算電動機靜功率</p>

99、<p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中：-----起升載荷；</p><p>　　-----額定起升速度；</p><p>　　-----機構總傳動效率。</p><p><b>　　初選電動機：</b></p><p>　　根據(jù)塔機類

100、型、用途、機構工作級別、作業(yè)特點以及電動機的工作特性，同時為了滿足電動機啟動和不過熱要求，所選電動機應滿足下式；</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　式中：-----電動機額定功率；</p><p>　　-----起升靜功率；</p><p>　　-----穩(wěn)定負載平均系數(shù)，與接電持續(xù)JC

101、有關，見表4-5</p><p>　　初步設計時，JC值及Z值按表4-6選取，取JC=%,Z=150</p><p>　　高速起吊最大重量時： </p><p>　　初選電動機：選用YTS型自制動籠型塔機起升三相異步變極電動機，型號為：， 額定功率。</p><p><b>　　2．電動機過載校驗</b></p&

102、gt;<p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式中：-----基準接電持續(xù)率時的電動機額定功率；</p><p>　　-----電動機臺數(shù)；</p><p>　　------電動機轉矩的允許過載倍數(shù)，（=2）；</p><p>　　-----考慮電壓降及轉矩允差以及靜載荷實驗超載的系數(shù)，

103、（繞線異步電動機取=2.2）；</p><p>　　-----起升載荷；</p><p>　　-----額定起升速度；</p><p>　　-----機構總傳動效率。</p><p><b>　　高速起吊：</b></p><p><b>　　低速起吊：</b></p&

104、gt;<p><b>　　故過載校驗合格。</b></p><p>　　3．電動機發(fā)熱校核：</p><p>　　(kW) （5-10）</p><p>　　式中：-----基準接電持續(xù)率時的電動機額定功率,kW；</p><p>　　-----機構總傳動效率；

105、</p><p>　　----電動機額定轉速r/min；</p><p><b>　　----系數(shù)。 ；</b></p><p>　　-----起升機構最不利工作循環(huán)的等效平均阻力矩。</p><p><b>　　按下式近似計算：</b></p><p>　　其中：-----

106、系數(shù),取0.68；</p><p>　　------起升機構的靜阻力矩，。</p><p>　　其中： -----起升載荷；</p><p>　　-----機構總傳動效率；</p><p>　　------滑輪組倍率；</p><p>　　----卷筒計算直徑，</p><p><b>

107、;　??；</b></p><p>　　-----減速器傳動比。</p><p><b>　　高速起吊：</b></p><p><b>　　低速起吊：</b></p><p><b>　　故發(fā)熱校核合格。</b></p><p>　　5.2.

108、6 減速器的選擇</p><p>　　1.傳動裝置傳動比的確定：</p><p>　　起升機構的傳動比根據(jù)電動機的轉速和卷筒的轉速由下式確定</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中 -----電動機額定轉速，r/min;</p><p>　　-----卷筒轉速，

109、可由下式確定</p><p><b>　?。╮/min）</b></p><p>　　其中 -----起升速度，m/min;</p><p>　　-----滑輪組倍率；</p><p>　　-----卷筒計算直徑，m,。</p><p><b>　　2.校核</b></

110、p><p>　　減速器輸出軸上的阻力為：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　其中：-----鋼絲繩的最大靜拉力。</p><p>　　------起升動載系數(shù)。</p><p>　　----卷筒計算直徑，。</p><p>　　減速器輸出軸上

111、的許用扭矩為：</p><p>　　最大許用尖鋒載荷： </p><p><b>　　〈 </b></p><p>　　表明滿足尖鋒載荷要求，故所選減速器合格。</p><p><b>　　總 結</b></p><p>　　畢業(yè)設計是一次綜合運用大學四年所學知識來解決實際

112、問題的過程。他充分鍛煉了我們運用所學知識和自學的能力，是理論聯(lián)系實踐的過程。在設計過程中用到了很多軟件，如用AutoCAD、CAXA軟件對塔身進行二維繪圖，用Solid Works軟件對起重臂進行三維建模，用ANSYS軟件對起重臂和塔機整體進行三維建模并進行有限元分析。在設計的過程中，鍛煉了我們運用所學軟件并進行舉一反三解決實際問題的能力，使自己的能力得到進一步的提升。</p><p>　　本說明書完成了對QTZ

113、80塔式起重機起重臂、起升機構設計的說明。而且運用ANSYS軟件對起重臂及塔機的總體性能進行了受力和模態(tài)分析。保證了起重臂結構的強度和剛度都能滿足使用要求。</p><p>　　在設計過程中遇到了很多問題。如在選擇起升機構電機時，不知該選擇哪種型號的電動機；ANSYS軟件應用不熟練，起重臂受力無法正確進行分析；CAD和CAXA繪圖過程中錯誤百出等。最后經(jīng)過多方面查資料和老師、同學的幫助，這些問題都得到了很好地解決

114、。這使我充分認識到團隊力量的強大，為以后參加工作的團隊合作積累了經(jīng)驗。</p><p>　　總而言之，這次畢業(yè)設計使我收獲很大，也是我走向工作崗位干好工作的一個良好的奠基石。</p><p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　本文是在尊敬的老師的精心指導和細心關懷下完成的。</p><p>　　在本文的方

115、案提出、修改，系統(tǒng)設計的整個過程中，自始至終都得到了王老師的精心指導。王老師的知識淵博、嚴謹細致、一絲不茍以及高度的責任感給我留下了深刻的印象，并將使我銘記終生。在論文結束之際，我謹向老師致以最衷心的感謝！</p><p>　　經(jīng)過兩個多月的工作，我的畢業(yè)設計圓滿畫上了句號。這兩個月來，通過學習、研究塔式起重機和ANSYS的相關資料，學到了很多知識。這段歷程不僅僅是單純的設計過程，更重要的是一個獨立工作能力的鍛煉

116、過程。從開始進入課題到論文的順利完成，有很多可敬的師長、同學朋友給了我無形的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！</p><p>　　在本文結束之際，四年的大學生生活也即將宣布結束，在四年的大學生活里，機電學院的老師們給予了我無私的教導，有了他們的幫助，使我少走了很多的彎路，受益匪淺，在此一并向大學期間所有關心、支持、幫助我的老師和同學表示衷心的感謝！在即將畢業(yè)之際，祝他們一路順風、事業(yè)有成。</p>

117、<p><b>　　參考文獻</b></p><p>　?。?］張宏梅編譯.工程機械文摘集粹[J]. 日本塔式起重機制造,2006:4.</p><p>　?。?］成大先.機械設計圖冊.北京:化學工業(yè)出版社,2001.</p><p>　?。?］王凱輝，顧美麗等.塔式起重機的事故分析及研究[J].建筑機械,1999:45-47.<

118、;/p><p>　?。?］王贊芝,王國安.塔機起重臂彎折事故分析[J]. </p><p>　?。?］徐克晉.金屬結構[M].北京:機械工業(yè)出版社,1982.</p><p>　?。?］王進.基于有限元法的塔式起重機鋼結構疲勞壽命研究[J].建筑機械械.2006.</p><p>　?。?］孟憲頤,張 朋. 李梅山.在用塔式起重機金屬結構剩余壽命

119、的估算[J].建筑機械.1998. </p><p>　?。?］張自力,李剛.塔機水平臂折臂事故分析[J].建筑機械.2006.11(上半月刊).</p><p>　?。?］肖和云,孟 濱.一起塔式起重機事故的原因分析[J].起重運輸機械.2006.</p><p>　?。?0］于海峰,周永江.風雪中的輕鋼結構[J].2006年學術交流會論文.</p&

120、gt;<p>　　［11］廖希亮,陳清奎.計算機繪圖與三維造型[M].機械工業(yè)出版社.2002.</p><p>　?。?2］《建筑起重機械標準匯編 塔式起重機與施工升降機篇》[S].北京：中國標準出版社. 2006.7.</p><p>　?。?3］《中國機械工業(yè)標準匯編》起重機械卷（上、中、下）[M].北京：中國標準出版社.2002.2.</p><p

121、>　?。?4］《鋼結構設計手冊》[S] .《鋼結構設計手冊》編寫組.</p><p>　　［15］《工程起重機》第二版[M].高等學校工程機械專業(yè)教材.</p><p>　?。?6］陳瑋璋，顧迪民.起重機金屬結構.人民：教徒出版社，1986.</p><p>　　［17］《機械零件設計手冊》修訂版[S] .國防工業(yè)出版社出版.</p><p