QTZ80塔式起重机机械部分设计.docx
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QTZ80塔式起重机机械部分设计
QTZ80塔式起重机机械部分设计
摘要:
塔式起重机是一种塔身竖立而起重臂回转的起重机械,它具有适用范围广,回转半径大,起升高度较高、效率高、操作简便,安装和拆卸较为方便等特点。
目前在我国建筑安装工程中已得到广泛应用,特别是在高层工业和民用建筑中,已成为一种必不可少的施工机械。
我对QTZ塔式起重机方面的书籍进行参考和了解,结合已学专业基础知识,理解融合,参考相关资料,进行大概的设计。
关键词:
塔式起重机;结构
MechanicalPartoftheQZT80TowerCraneDesign
Abstract:
Towercraneisakindofhoistingmachinerywhosetowerbodystandsupandgibbetrevolves.Ithassomeparticular:
wideapplicability,largeradiusofgyration,higherliftingaltitude,highefficiency,handyoperationandmoreconvenientremoval.Atpresent,ithadbeenusedextensivelyinconstructionfieldengineering,especiallyinhigherlevelindustryandcivilianconstruction.Itbecameakindofrequisiteconstructionmachinery.Iconsultedandlearnedaboutsomebooksontowercrane,combinedsomebackgroundelementaryknowledgeaboutthespeciality,referencerelatedinformationtoThedesign.
Keywords:
towercrane;structure
摘要……………………………………………………………………………1
关键字……………………………………………………………………………1
1前言…………………………………………………………………………1
2方案选择……………………………………………………………………2
2.1基本参数………………………………………………………………2
2.2总机质量………………………………………………………………2
3塔式起重机机构的设计…………………………………………………………3
3.1运行机构………………………………………………………………4
3.1.1运行台车的选择……………………………………………………4
3.1.2运行静阻力计算……………………………………………………4
3.1.3电机的选择…………………………………………………………4
3.1.4制动器………………………………………………………………5
3.2起升机构…………………………………………………………………5
3.2.1起升机构的计算…………………………………………………5
3.2.2吊钩及吊钩组的选择………………………………………………6
3.2.3选取起升钢丝绳……………………………………………………6
3.2.4选择电机……………………………………………………………6
3.2.5制动器的选择………………………………………………………7
4塔式起重机金属结构的设计……………………………………………………7
4.1底架…………………………………………………………………7
4.2塔身标准节………………………………………………………………8
4.2.1标准节结构……………………………………………………8
4.2.2塔身强度校核……………………………………………………8
4.3顶升套架…………………………………………………………………9
4.4回转支撑………………………………………………………………10
4.5回转塔身…………………………………………………………………11
4.6塔顶……………………………………………………………………12
4.7起重臂…………………………………………………………………12
4.8平衡臂…………………………………………………………………13
4.9平衡臂拉杆………………………………………………………………14
5塔式起重机其他零部件………………………………………………………14
5.1变幅钢丝绳……………………………………………………………14
5.2起重量限制器…………………………………………………………15
5.3起重力矩限制器…………………………………………………………16
5.4司机室……………………………………………………………………17
6吊钩换倍率原理…………………………………………………………………17
6.1二倍率变四倍率的转换方法…………………………………………18
6.2四倍率变二倍率的转换方法…………………………………………18
7标准节加工工艺………………………………………………………………19
7.1焊接前的处理……………………………………………………………19
7.1.1校正………………………………………………………………19
7.1.2下料、酸洗淋化……………………………………………20
7.1.3喷丸…………………………………………………………20
7.1.4密封处理……………………………………………………20
7.2焊接工艺……………………………………………………………20
7.2.1焊接设备参数选择…………………………………………20
7.2.2焊接缺陷危害及其防止措施………………………………21
7.3焊接后的处理……………………………………………………22
8总结………………………………………………………………………22
参考文献……………………………………………………………………23
致谢…………………………………………………………………………23
附录…………………………………………………………………………24
1前言
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。
工作机构主要包括:
起升机构、回转机构、小车牵引机构、台车行走驱动机构等;起升机构是塔式起重机中最重要、最基本的机构,是以间歇,重复工作方式,将重物通过其中吊钩或其他吊具悬挂在承载构件(如钢丝绳、链条)上进行起升、下降,或起升与运移的机械设备。
主要安装在塔式起重机的起重臂上。
其主要组成部分有:
电机、变速箱、制动器、卷筒、底架、轴承座和安全装置等。
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的减少。
因此塔式起重机在高层工业和民用建筑施工的是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。
塔式起重机(简称塔机)采用方钢,起重高度通过增减标准节调节,现在市场上的塔式起重机品种众多,但是离不开一个规律,其起重量大的起重机,吊臂长、覆盖范围大、布料半径大、同时标准节相应的强度高,塔身设计高度也高。
长沙城东正当发展之际,各种高层建筑群即将拔地而起,急需开发满足现阶段施工要求的塔机。
根据我对现阶段武广区域的现状的实地考察发现该区域现在正在发展之初,高层建筑少,且地势平坦,施工时无其他建筑的阻碍,因此布料半径相对较大,起升量大,塔身高度高,安全配置高的塔式起重机能满足施工要求。
我所设计的TC5015塔机为QTZ80塔机的一种,大胆加入自己的思路和想法,初步预测标准节的主弦杆和腹杆采用方形钢。
由于本人水平有限,真诚希望各位老师提出修改意见和方案。
2方案选择
参考《塔式起重机驾驶员》,TC5015塔机为水平起重臂,小车变幅,上回转自升多用途塔机,采用行走式底架,起升机构可实现二四倍率变换。
司机室独立外置,视野好,内部空间大,给操作者创造良好的工作环境。
2.1基本参数
额定起重力矩800KN·m,最大变幅50m,最大幅度处的起重量1500kg。
2.2总机质量
参考《非标准机械设计手册》表3-9选取塔式起重机的工作级别A4。
塔式起重机总质量及各部件的质量可根据《非标准机械设计手册》公式3-12求得总质量:
m=aR
(1)
上回转,水平臂架塔机a取0.36,R为幅度50m,Cp额定起重量1.5t,起升高度H为60m。
故m=0.36×50×
=92.34t。
塔身m1=0.15m=0.15×92.34t=13.851t
转台m2=0.1m=0.1×92.34t=9.234t
臂架m3=0.08m=0.08×92.34t=7.3872t
平衡重m4=0.15m=0.15×92.34t=13.851t
平衡臂m5=0.07m=0.07×92.34t=6.4638t。
整体设计图如下:
图1塔式起重机整机图
Fig.1Towercranecompletemachine
3塔式起重机机构的设计
塔式起重机的工作机构主要有:
起升机构、回转机构、变幅机构、小车牵引机构及大车行走机构。
起升机构、变幅机构及小车牵引机构均由电动机、联轴器、制动器、减速器及卷筒等部件构成。
为了提高塔式起重机的生产率,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、回转机构还是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,或从全速运行到静停的全部过程,都应平缓进行,避免产生剧烈冲击,对金属结构产生破坏性影响。
3.1运行机构
运行机构用于支撑本身及载荷的重量,并使塔机前后运动。
运行装置采用有轨运行,用钢制车轮支撑在钢轨上,并沿其运行。
用四台台车支承,其中两台主动台车(电机驱动),两台主动台车,分别成对角布置,每台台车采用两个钢制车轮。
电机通过减速器将转矩通过齿轮传给行走轮。
3.1.1运行台车的选择
塔机总质量m=92.34t,最大起重量6t,运行总质量为98.34t,运行总压力为G=98340×9.8=963732N。
由8个钢轮支承着,假设这些里平均分布,由《非标准机械设备设计手册》表6-38取钢轮直径D=500mm。
3.1.2运行静阻力计算
(1)有轨运行摩擦力
由《非标准机械设备设计手册》公式4-28,摩擦阻力为:
F1=G
c=w·G
(2)
阻力系数w由《非标准机械设备设计手册》表4-15确定为0.0075。
故F1=0.0075×963732N=7228N。
(2)坡道阻力
由《非标准机械设备设计手册》有公式,坡道阻力Fγ=Gsinγ,参考经验,建筑塔式起重机sinγ=0.01,故Fγ=963732×0.01=9637N。
总运行阻力F=F1+Fγ=7228N+9637N=16865N。
3.1.3电机的选择
由《非标准机械设备设计手册》公式4-30,电机静功率为
Pat=F·v/(1000×η0)(3)
加速阶段消耗的功率:
Pn=∑mv2/(1000·tn)+Jon2/(91200·tn)(4)
参考资料Jon2/(91200·tn)为∑mv2/(1000·tn)的20%,故
Pn=1.2∑mv2/(1000·tn)(5)
由《非标准机械设备设计手册》公式4-31有:
Pm≥(Pat+Pn)/(m·λms)=[F·v/(1000×η0)+1.2∑mv2/(1000·tn)]/λms(6)
V为运行速度参考表4-16取1m/s;
η0为机构总效率取0.8;
∑m为运行部分总质量98.34t;
tn为加速时间参考表4-16取4s;
λms为平均启动转矩倍数,绕线式异步电机取1.7。
Pm≥36Kw,电机采用S4工作制,《查机械设计课程设计手册》表12-7选用YZR280M-8电机。
3.1.4制动器
运行机构制动器采用常闭式,先减速后制动。
3.2起升机构
起升机构用于实现货物的升降,是塔机中不可缺少的机构,有一个起升机构就可完成整个起升工作。
通常是以省力的钢丝绳滑轮组作为执行机构。
起升机构的传动形式一般有电动机通过联轴器、齿轮减速器带动卷绳筒。
在高速轴上装有制动器,一便将货物停止与悬空状态。
参考《非标准设计手册》图4-11设计如图2的滑轮组结构。
图2四倍率变换示意图
Fig2Quadrupleratevariesthesketchmap
3.2.1起升机构的计算
钢丝绳的最大静拉力:
此时起升质量为最大Cp=6t,滑轮组处于四倍率工作状态,即q=4。
根据《非标准机械设备设计手册》公式4-13有:
Fmax=Q/(q·a·ηhη1η2…)=Cp·g/(q·a·ηhη1η2…)(7)
钢丝绳卷入筒内的根数a=1;
η1、η2为卷绳筒及导向滑轮的效率,查《非标准机械设备设计手册》表4-8取0.98;
ηh为滑轮组效率,查《非标准机械设备设计手册》表4-8取0.97。
设置两个导向轮,故Fmax=(6000×9.8)/(4×1×0.97×0.983)=16101.5N。
3.2.2吊钩及吊钩组的选择
根据《非标准机械设备设计手册》表6-1吊钩材料选择等级为M,材料为DG20,屈服点为235MPa,有较好的冲击韧性。
根据最大起重量为6t,查表选取工作级别人M4,钩号为4,采用单钩。
3.2.3选取起升钢丝绳
由《非标准机械设备设计手册》公式4-16有
dmin=C
(8)
C为选择系数,根据实际情况由《非标准机械设备设计手册》表4-9,C=0.09。
dmin=0.09×
=11.4mm。
根据要求查《塔式起重机驾驶员》表5-2,选取6X(19)-12.5-140-I-光-右交GB1102-74,结构形式为6X(19),公称抗拉强度为1400MPa,I号光面钢丝制成的直径为12.5mm右旋交互捻,外粗式线接触钢丝绳。
3.2.4选择电机
起升机构的电动机工作制接近3S工作制,可不用考虑启动电流对电机发热的影响。
由《非标准机械设备设计手册》公式4-19有:
Pat=Qv/(1000·η·m)(9)
V为额定起升速度选为0.33m/s;η为机构效率,根据参考定为0.85,m为电机个数取1。
Pat=(6000×9.8×0.33)/(1000×0.85×1)=22.8Kw。
由《非标准机械设备设计手册》表4-7选取电机型号为YZR225M-6。
验算电机过载能力:
由《非标准机械设备设计手册》公式4-20有:
Pn≥H·Q·v/(m·λM·1000·η)(10)
由《非标准机械设备设计手册》表6-13,转矩过载系数λM取2.8,
所选电机为绕线电机,静载实验超载系数H取2.1;
故Pn≥2.1·6000·9.8·0.33/(1·2.8·1000·0.85)=17.12Kw。
查《机械设计课程设计手册》表12-7,所选电机当FC=60%时的功率最小为26Kw,满足上式。
3.2.5制动器的选择
参考《非标准机械设备设计手册》起升机构的制动器应选择由弹簧压力和闭合的常闭式制动器,送闸的方式有电磁控制。
4塔式起重机金属结构的设计
塔式起重机的金属结构是整台塔式起重机的支撑架,其设计制造的好坏直接关系到整台塔式起重机的使用性能和寿命,也关系到建筑工人的生命和财产安全,因而金属结构是塔式起重机的关键组成部分。
4.1底架
底架由运行机构、基节、撑杆、压重构成。
台车之间轮距及轨距都为5m,共8个行走轮。
在底架下面有16个螺栓孔,通过它与台车相连,连接基础节和平面底架的斜撑杆是主要的传力构件,两端销轴与基础节和平面底架相联。
其中,基节设有供人休息的平台。
本行走式塔式起重机各单元都有是采用销轴和高强度螺栓连接。
查《工程材料》选取35Cr。
它和特性和用途为:
用在磨损用很大冲击负荷下工作的重要零件,调质后有良好的综合性能,是应用广泛的调质钢。
行走部分整体结构图如下:
图3塔式起重机行走部分
Fig.3Thewalkingoftowercrane
4.2塔身标准节
4.2.1标准节结构
塔身是塔机主要的承载构件,主要承受轴向力和双向弯矩,在回转时还要承受转矩,上回转塔机塔身不转。
塔身采用正方形截面的衍架结构,主弦杆采用由角钢拼接的方钢,腹杆采用方钢管。
塔身由一定长度的标准节组成,标准节之间采用套柱螺栓连接形式,采用8个螺栓连接。
腹杆之间有三角形缀条维持稳定性,缀条采用角钢。
各塔身节内均设有供人休息的平台和供人上下的爬梯。
参考《塔式起重机驾驶员》选择标准节总体结构为:
长3m,外形截面为2m×2m。
每两个塔身标准节之间用8个10.9级M36高强度螺栓连接牢固(预紧力矩2400N·m。
标准节结构图如下:
图4标准节
Fig.4Bodyofthetower
标准节材料选用Q390低合金高强度方形高强结构钢,查清华大学出版社,朱张校主编的《工程材料》,表3-6,得Q390高强钢的成分与机械性能,见附录5。
以Mn为主要的合金元素,除了产生较强的固溶强化效果外,还提高了钢的强度和韧性。
加入少量的铌可起到一定的析出硬化作用,从而提高钢的强度和韧性。
综合性能好:
强度高、高韧性、良好的焊接性能和冷成型性能、低的冷脆转变温度和良好的耐腐蚀性能。
可用于车辆、起重机、矿山设备、电站、桥梁等承受动荷的结构、机械零件、建筑机构、一般金属结构件,热轧或正火状态使用,可用于—40℃以下寒冷地区的各种结构。
4.2.2塔身强度校核
以塔身的最下端为计算截面,此处的受垂直向下的力最大,
Fmax=(m1+m2+m3+m4+m5+Cp)g
=(13851+9234+7387+13851+6464+6000)×9.8
=556512.6N
单根主弦杆受力为
FN=Fmax/4=139128N=139.1KN
标准节主弦杆为方钢形式,钢厚10mm,外形尺寸240×240。
A=140×10×4+π(502-402)=8424mm2。
主弦杆的稳定性系数为w=0.976。
σ=FN/(w·A)=139128N/(0.976×8424mm2)=16821792.5Pa=16MPa[σ]取550MPa,σ<[σ],故主弦杆强度满足要求。
4.3顶升套架
爬升架主要由爬升架结构、平台、爬梯及液压顶升系统、塔身节引进装置等组成。
塔机的顶升运动主要靠此部件完成。
顶升油缸安装在爬升架后侧的横梁上(预装平衡臂的一侧),液压泵站放在液压缸一侧的平台上,爬升架内侧有16个导向的滚轮,顶升时滚轮支于塔身主弦外侧,起导向支承作用。
为了便于顶升安装和安全需要,在爬升架中部和上部位置设有平台,并在引进梁上也设有平台。
顶升时工作人员站在平台上,操作液压系统,完成顶升、引入塔身节和固定塔身螺栓等工作。
材料选用Q235B。
爬升架结构图如下所示:
图5爬升架
Fig.5Climbandwithstand
承压截面的选择
Fmax=(m2+m3+m4+m5+Cp)g
=(9234+7387+13851+6464+6000)×9.8=420772.8N
FN=Fmax/4=105193.2N=105.2KN。
根据式5-23,截面面积需满足A≥FN/φ[σ],
查《工程材料》φ[σ]取375MPa,则
A≥105193/375000000=0.000280515m2=280.52mm2
套架腹杆为方钢形式,钢厚10mm,外形尺寸150×150mm。
A=150×10×2+130×10×2=5600mm2>280.52mm2。
4.4回转支承
回转支承包括下支座、回转支承、上支座、回转机构共四部分。
见图6。
下支座为整体箱形结构,下支座下部分别与塔身节或套架相连,上部与回转支承外圈和下平面通过高强螺栓连接。
上支座为板壳结构,其左右两侧焊有安装回转机构的法兰盘。
上支座的四方设有工作平台,右侧工作平台的前端,焊有司机室连接的支耳,后方设有安装回转限位器的支座和安装电笛的支板。
上支座的平面通过8个10.9级的M36高强度螺栓与回转塔身相连接。
下支座、回转支承、上支座所用的8.8级M30的高强螺栓、其预紧扭矩是否达到900N·m,它是用双螺母拧紧防松的。
其中双螺母中防松螺母预紧力矩应稍大于900N·m。
联接上、下支座的回转支承,是塔式起重机的重要部件。
由齿圈、座圈、滚动体、隔离块、联接螺栓及密封条等构成。
按滚动体的不同,回转支承可分为两大类。
一类是球式回转支承,另一类是滚柱式回转支承。
同滚柱式回转支承相比,球式回转支承具有刚性比较好,变形比较小,对承座结构要求比较低,造价较低等优点。
另外,钢球与跑道的接触角度以及接触应力的分布均与理论计算分析相符合。
钢球为纯滚动,摩擦力矩小,功率损失小。
由于上述一系列优点,在此,选择采用球式回转支承。
其中的单排四点接触式回转支承由一个座圈和一个齿圈组成,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。
故予以采用。
图6回转支承
Fig.6Turnroundandsupport
4.5回转塔身
回转塔身为整体框架结构,上端面分别有安装起重臂和平衡臂的耳板,通过销轴分别与起重臂和平衡臂相联接,上面用四根销轴与塔顶相连。
在回转塔身的横梁上安装有起重量限位器,用以限制最大起重量。
用8件10.9级的M36高强螺栓和16件10级的M36高强度螺母(双螺母防松)将回转塔身与上支座紧固。
(螺栓的预紧力矩为2400N·m。
尤其是双螺母中的防松螺母力矩应稍大于2400N·m。
)
图7回转塔身
Fig.7Turnthebodyofthetowerround
4.6塔顶
塔顶为四棱锥形结构,由于其位置在塔机的最顶端,故俗称塔帽。
塔顶顶部有拉板架和起重臂拉板,通过销轴分别与起重臂、平衡臂相连,为了安装方便,塔顶上部设有工作平台,工作平台通过螺栓与塔顶连接。
塔顶上部设有起重钢丝绳导向滑轮和安装起重臂拉杆用滑轮,塔顶后侧下部设有力矩限制器,并设有带护圈的扶梯,塔顶下端有四个耳板,通过四根销轴与回转塔身相连。
组装前在地面上先把塔顶上的平台、栏杆、扶梯以及力矩限制器装好,为安装平衡臂方便,在塔顶的后侧左右各装上一根平衡臂拉杆。
塔顶的结构如图8:
图8塔顶结构
Fig.8Structureoftopofthetower
4.7起重臂
起重臂总成包括起重臂、起重臂拉杆、载重小车和变幅机构。
起重臂由多节组成。
各节两端的连接尺寸相同,节与节之间用销轴联接。
臂架截面型式与尺寸,应根据强度、刚度、稳定性条件,以及构造等要求来确定。
对这里选取正三角形截面,截面宽度与回转塔身相配合为1.4m。
起重臂斜腹杆和水平腹杆采用无缝钢管,上、下弦杆为方管,用角钢焊接,因为下弦杆要兼作牵引小车的运行轨道,故两下弦杆表面
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