QTZ塔机总体设计

1、2 总体设计2.1 总体参数 型号：QTZ6015； 额定起重力矩：1156千牛·米； 最大起重量：8吨； 工作幅度：2.5米60米； 最大幅度处额定起重量：1.5吨； 起升（独立）高度：45米； 变幅速度不小于：40米/分钟； 最大起升速度不小于：60米/分钟； 回转速度不小于：0.6转/分钟; 最低稳定下降速度不大于：7米/分钟。2.2 总体方案选择塔基类型选择通过对塔机厂的参观和查阅相关资料，本设计采用回转自升式塔式起重机。其优点是轮廓底部尺寸小，要求较小的建筑基地空间，不影响建筑材料的堆放使用；塔身不会转故惯性小，便于改装成附着式塔式起重机，能适应多种形式建筑物的施工需要。由

2、于普通上回转式已经不能满足大高度吊装工作的需要，故本次设计采用自升附着式，即塔身附着在建筑物上，可以随着建筑物的升高而沿着层高逐渐爬升。爬升套架采用外爬式，因为内爬式在工作时司机不能看到起吊过程，操作不便；施工结束后，又要用辅助设备将塔机解体，并吊到地面，费工时。综上所述并考虑经济性、建筑体型、和周围空间等因素的考虑后，选择上回转外部附着塔帽式起重机。 驱动形式起重机的性能和特点在很大程度上取决于驱动装置。本设计采用电力-机械驱动，相比内燃机-驱动更好一些。目前塔式起重机的驱动装置广泛采用起重机和冶金专用的YZR、JZR、YDZ系列电动机。 变幅机构型式根据国内塔机发展和使用情况，采用小车变幅

3、，即通过移动小车实现变幅。工作时吊臂安装在水平位置，小车由变幅牵引机构驱动，沿吊臂轨道移动。这种方案的优点是：安装定位准确，变幅速度快，变幅惯性力没有回转惯性大。 爬升机构根据爬升机构的传动方式不同，自升式塔式起重机的传动方式不同，自升式塔式起重机可分为机械式和液压式爬升机构。其中液压式采用液压油缸顶升，在国内外广泛使用。本次设计为了塔身附着和加节方便，决定采用上回转-外套架爬升上加节式。 吊臂的结构形式吊臂是塔式起重机的主要结构之一。塔式起重机吊臂的结构形式有桁架压杆式，桁架水平式和桁架混合式三种。本吊臂采用塔式起重机常用的桁架水平式吊臂，吊臂的断面制成三角形，弦杆和腹杆均由型钢制成。其中上

4、弦杆为圆管。下两弦杆为方管，兼做载重小车的运行轨道。 塔身的结构型式塔身是起重机最重要的受力勾践之一，有标准节通过高强度螺栓连接而成。标准节主弦杆和腹杆用无缝钢管，截面为正方形，沿塔身高度方向做成等截面结构，整个标准节是一个空间的桁架结构。 其他结构形式塔帽采用前置式；平衡臂采用片式结构；底座节采用法兰盘。2.3 各部分外形尺寸、自重和重心位置 标准节（1） 、标准节结构分析：标准节为标准件在一定程度上可以实现互换。由上图可知，标准节由以下几个部分构成：1）、主弦杆：一共4根；2）、腹杆：横腹杆12根，斜腹杆8根；3）、爬梯：扶杆2根，水平爬杆8根，节距为255mm，连杆为4根分别焊接在扶杆两

5、头；4）、抗扭杆：一共3根，均布于3层水平腹杆上，用于增强标准节的强度；5）、螺栓套：分别焊接在4根主弦杆两头，每头两个，一共16个，用于两头个标准节之间的连接（在螺栓套里套上螺栓实现）；6）顶升块：分别安装在2根主弦杆上，每根2块，在顶升过程中用于支撑横梁。（2） 、标准节是构成塔身的标准件，高度为2.5米，断面尺寸为1.94m×1.94m，其结构简图如下图所示：图2.1（3）、查找网络资料和机械设计手册可以得到设计结果如下表表2.1 标准节各部件规格及重量序号名称横截面尺寸（mm）数量长度 （mm）单位长度理论质量（kg.m）总重量（kg）1主弦杆146104250051.295

6、12.92横腹杆6061219307.99185.03斜腹杆706822739.47172.24爬梯扶杆354224803.0615.25水平爬杆28393501.855.86连接杆28344001.852.97对角平撑606227237.9943.58螺栓套3051612542.49顶升块415.210上封板40.811下封板40.812定位套42.4合计997.1 标准节的总重量： 计算总重量： 底座节（1） 、底座节结构分析：由上图可知底座节由以下几部分组成：1）、立柱：4根；2）、平腹杆：分两层一共八根；3）、斜腹杆：均布于底座节4个侧面上，每个面2根，共8根；4）、抗扭杆：平腹杆，分

7、两层，每层一根；5）、法兰盘：焊接在立柱底部，是底座和混凝土基础连接的桥臂，其结构参考厂家；6）、筋板：焊接在立柱和法兰盘之间，以加强立柱和法兰盘的连接；7）、螺栓套：用于连接底座节和标准节，共8个。（2） 、底座节为塔式起重机基础，用于支撑整个塔机的重量，其结构如图所示：图2.2（3） 、由以上分析并参照机械设计手册可以得出以下结论：表2.2 基础节各组成部分规格尺寸及其重量序号名称横截面尺寸数量长度（mm）单位长度理论质量（kg/m）总质量（kg）1主弦杆146×16480051.29164.12平腹板70×6817949.47135.93斜腹板70×6881

8、59.4761.74对角平撑70×6225379.4748.15法兰盘425.06筋板166.07螺栓套84.0合计444.84）、底座节总重量计算重量：，取吊臂采用水平变幅式吊臂，横截面为等腰直角三角形。采用双吊点型式。上弦杆为无缝钢管，下弦杆为槽钢加封板，腹杆均为钢管，为减轻自重，根据吊臂内力变化，采用变截面式，材料选为Q235。（1）、确定臂长：根据参数指标，该塔机最大幅度为60m，确定吊臂长度（2） 、初定吊点位置（初定的两吊点将吊臂分为L1,L2,L3）: 参考值： 平衡臂凡上回转塔机均需配设平衡臂，其功能是支承平衡重，用以构成设计上所要求的作用方向与起重力矩方向相反的平衡

9、力矩。常用的平衡臂有以下几种结构型式：平面框架式、三角形断面桁架式、矩形截面桁架式。由于平面桁架式平衡臂有两根槽钢或是槽钢拼焊的箱型截面梁组成，适用于要求较长平衡臂重型、超重型自升塔机。本次设计选举该种结构式平衡臂。由于平衡臂长度与起重臂长度之间有一定比例关系。一般可取其比值为0.2-0.35.为了制造及运输方便，平衡臂的长度通常在超出一定值后制成两节，节与节之间用销轴连接。所以平衡臂： 参考同类塔机选取平衡重： 塔帽塔帽是有圆管或角钢组焊接而成的四棱锥结构，是一空间桁架结构。上端通过拉杆使起重臂保持水平，下端用四个销轴与上支座项链。参照同类型塔机塔帽相关参数，估算塔帽重量为： 拉杆（1） 、

10、塔机拉杆如下图所示：图2.11图2.11（2） 、塔机拉杆分析：由上图可知，塔机拉杆分为吊臂拉杆和平衡臂拉杆，下面将会对这两种拉杆进行分析：吊臂拉杆：吊臂拉杆有长短两根。长拉杆：长度为47.3m，材料为热轧钢结构无缝钢管，理论重量为13.903kg/m，拉杆分为7节，每节6.76m，则，。短拉杆长度为21m，材料同长拉杆，分为4节，每节5.25m，。平衡臂拉杆：平衡臂拉杆为两根并排等长的拉杆，长度为11.2m材料为热轧无缝钢管，理论质量为9.914kg/m，分为两节每节5.6m，则（3） 、综上所述，可得下表分析结果： 表2.8 塔机拉杆参数序号名称长度（mm）分节数数量材料理论质量（kg/m

11、）重心位置（m）总重量（kg）1吊臂长拉杆47.371108×5.513.90459.36728.22吊臂短拉杆2141108×5.513.90459.363233平衡臂拉杆11.22273×6123.259.36123.2合计1174.4套架 自升式塔式起重机的构造比普通上回转塔式起重机增加了一个套架和一套顶升装置。套架只要有套架结构、上下工作平台及装在套架上的液压顶升机构等组成。在套架的设计中一般是按自重力矩调整为零来考虑。 改塔机标准节截面尺寸为：1.94m1.94m，高度为2500mm，故取套架截面尺寸为2.5m2.5m，高度为5300mm。参照塔机厂同类

12、型塔机套架相关参数，估计套架的质量为 回转塔身（1） 、回转塔身在出厂前会先与塔帽通过连接板焊接在一起，塔身的具体结构如下： 图2.12（2） 、回转塔身结构分析： 由上图可知，回转塔身主要由以下几个部分组成：1）、主弦杆：主要用于连接塔帽并支撑起塔帽、吊臂和平衡臂的作用，长度为1500mm，每根弦杆由两根型号的角钢焊接而成；2）、加强腹杆和加强肋板：加强腹杆焊接于主弦杆的上部，增加回转塔身上部的强度以支撑起吊臂和平衡臂，加强肋板焊接于加强腹板上，以进一步增强回转塔身上部的强度；3）、横、斜腹杆：各8根，采用热轧结构无缝钢管，对称分布于塔身各个侧面上；4）、爬梯：采用无缝钢管；5）、铰支板1用

13、于连接平衡臂，铰支板2用于连接吊臂，对其强度和韧性要求较高，所以材料可以采用Q235加高温回火处理；6）、法兰盘和肋板：用于连接回转塔身和上支座，具体结构尺寸参考厂家的相关产品。（3）、由以上分析，并参照塔机厂同类型塔机套架相关参数，估计套架的质量为塔机各部分重量及到回转中心的距离 为了方便设计与计算，之前设计过程中未涉及到的部分零件的重力及其到回转中心的距离均参照塔机厂家QTZ6015相关参数设计。QTZ6015型塔机各部件重力及其到回转中心的距离和弯矩如下表所示（以吊臂一侧为正）：表2.9 塔机各部分重量及其到回转中心的距离和弯矩序号部件名称到回转中心的距离（m）自重（N）弯矩（N.m）1

14、底座节0490002标准节019746003顶升套架02800004下支座01900005回转支承0525006上支座0861007回转塔身01500008塔帽0.32000060009司机室1.84500810010吊臂29.471100209034011平衡臂-8.6722130-191867.112吊臂长拉杆24.276620160667.413吊臂短拉杆9.57323030911.114平衡臂拉杆-5.562460-13677.615力矩限制器0.8120096016平衡重-13.77203000-279531017配电箱-12.5430003762018起升机构-12.5422000

15、-27588019回转机构05000020变幅机构1240004800021顶升装置-1.06000-600022电气系统-35000-1500023起重量限制器0.321063合计657670-915073.22.4起重特性曲线力矩限制器安装位置，及其全力矩中心位置示意图：图2.13力矩限制器的类型 本次设计采用固定式塔帽，力矩限制器弓形板设于塔帽前弦杆，属于前倾式，根据参考文献【1】，取X=1.11a（式中：a为吊臂根部到回转中心的距离），由于之前对塔帽以及回转塔身进行结构分析所得的数据可知：a=600+300=900mm，则X=999mm。起重机特性曲线中直线与曲线焦点的确定因为额定起重

16、力矩为：1150KN.m，当吊臂最大起重量时，其允许的最大起吊幅度为，则：，即：,所以：。全力矩基准标定值M标因为额定起重力矩即为全力矩基准标定值，则有：2.5平衡重计算由前面的计算可知，G小车=300kg,G吊钩组=160kg。Qmax=8000kg.对平衡重的计算有两个原则，本次设计按原则2计算：塔机的各个部件（除可移动部分外）对顶升作用点的力矩，如下表所示：表2.9序号部件名称重量（kg）重心距作用点距离（m）对顶升块作用点力矩（kg.m）1吊臂711029.42091602吊臂长拉杆66224.2716066.743吊臂短拉杆3239.573091.114变幅机构4001248005司

17、机室4501.88106塔帽14000.34207顶升装置6001.06008配电箱300-12.54-37629平衡臂2213-8.67-19186.7110起升机构2200-12.54-2758811平衡臂拉杆123-5.56-683.8812电气系统380-5-190013平衡重-13.77合计181827.26原则2：小车在最大幅度处起吊相应额定起重量时对回转中心产生的前倾力矩和小车在根部不吊重时对回转中心产生的后倾力矩之比为1.21.4，即：1.21.4,由以上原则2有：)+)+29060+20060+97.260+150060 )+)+1252321.3，则=20300kg2.6塔

18、机整机重量及其重心位置确定塔机各部件重量及其势能和对回转中心的力矩塔机各部分重量及其势能和对回转中心的力矩表2.10序号部件名称纵坐标（m）横坐标（m）自重（N）弯矩（N.m）势能（N.m）1底座节0.4004900019602标准节23.000197460045415803顶升套架49.00028000013720004下支座51.8101900009843905回转支承51.860525002722656上支座52.91086100455555.17回转塔身53.9101500008086508塔帽56.890.320000600011378009司机室52.001.84500810023

19、400010吊臂54.9129.4711002090340390410111平衡臂54.91-8.6722130-191867.1121515812吊臂长拉杆59.3624.276620160667.4392963.213吊臂短拉杆59.369.57323030911.1191732.814平衡臂拉杆59.36-5.562460-13677.6146025.615力矩限制器59.360.812009607123216平衡重55.10-13.77203000-27953101118530017配电箱55.10-12.5430003762016530018起升机构55.10-12.5422000-

20、275880121220019回转机构51.8105000025905020变幅机构59.361240004800023744021顶升装置48.80-1.06000-600029280022电气系统56.50-35000-1500028250023起重量限制器55.200.32106311592合计657670-915073.229375595塔机整机重量及其重心位置的确定 由上表可以知道，塔机整机重量（包括平衡重，不包括蝙蝠小车及吊钩装置等可移动重量）为：657670（N）。塔机整机重心位置：C=-915073.2657670=-1.39（m）塔机的重心高度：H=2937559565767

21、0=44.67（m）2.7混凝土基础的计算混凝土基础的外形尺寸如图所示：图2.14混凝土基础长、宽：6000mm6000mm，高1700mm混凝土的基础的重量：Q=176.26t2.8整机抗倾覆稳定性计算抗倾覆稳定计算的意义及方法 塔式起重机重心高，工作半径大，而支撑轮廓尺寸又相对较小；一旦失去稳定就可能造成重大“倒塔”事故。因此，保持其稳定性具有极其重要的意义。根据塔式起重机设计规范GB/T 1375292的规定，必须对塔式起重机的工作状态的抗倾覆稳定性，非工作状态的抗倾覆稳定性，安装、抗倾覆稳定性进行验算。他是其踪迹的抗倾覆稳定性验算，是在对无奈定性最不利的载荷组合条件下进行的。若包括塔式

22、起重机自重和齐声载荷在内的各项载荷对倾覆边（相对稳定侧）的力矩数和大于零（M>0），则认为塔式起重机是稳定的。在计算式，规定对起稳定作用的力矩符号为正、起倾覆作用的力矩符号为负。另外，考虑到各种载荷对稳定性的实际影响程度，在计算每一种工况下的稳定性是，均给各项再和乘以相应的载荷系数，如下表：表2.11载荷系数序号工况自重载荷起升载荷惯性载荷或碰撞载荷风载荷说明1基本稳定性1.01.5002动态稳定性1.01.31.01.0风压3突然卸载1.0-0.201.0风压4暴风侵袭1.0001.2风压5安装架设稳定性1.01.01.251.0风压3 塔身结构设计3.1塔身结构设计特点塔身结构主要参

23、数独立起升高度（以吊钩位置为准）：45m；附着起升高度（以吊钩位置为准）：157.5m；独立式塔身包括一个底座节（高0.7m）和18个标准节（每节高2.5m）；附着式塔身包括一个底座节（高0.7m）和63个标准节（每节高2.5m）；标准节横截面尺寸：1940mm1940mm；标准节通过M36，粗牙，性能等级为10.9级的螺栓连接；塔身底部无倾斜塔机简图图3.13.2塔机自重产生的轴向力及后倾力矩塔机自重对塔身校核面产生的轴向压力对于独立式塔身结构，在校核时，主要对塔身根部A-A截面和掉鼻根部铰点B-B截面进行校核。对于附着式塔身结构，在校核时，主要对顶部一刀附着装置处C-C截面和吊臂根部铰点B

24、-B截面进行校核。塔机各部件自重及其对塔身中心线之矩表3.1序号部件名称至回转中心的距离（m）自重（N）弯矩（N.m）1底座节0490002标准节019746003顶升套架02800004下支座01900005回转支承0525006上支座0861007回转塔身01500008塔帽0.32000060009司机室1.84500810010吊臂29.471100209034011平衡臂-8.6722130-191867.112吊臂长拉杆24.276620160667.413吊臂短拉杆9.57323030911.114平衡臂拉杆-5.562460-13677.615力矩限制器0.812096016平

25、衡重-13.77203000-279531017配电箱-12.5430003762018起升机构-12.5422000-27588019回转机构05000020变幅机构1240004800021顶升装置-1.06000-600022电气液压系统-35000-1500023起重量限制器0.321063合计657670-914209.2塔机对吊臂根部铰点B-B截面的轴向压力：+=1.1(4000+71100)+22000+22130+2460+203000+3000+6620+3230+20000+120+210+4500=369880N 当塔机为独立式时，塔机对塔身根部A-A截面的轴向压力=36

26、9880+15000+5000+8610+5250+19000+28000+6000+109718+4900=659100N附着式时塔机对顶部附着装置C-C截面的轴向压力=369880+15000+5000+8610+5250+19000+28000+6000+10976=641036N自重载荷产生的后倾力矩由上表可知：3.3计算工况吊臂工况I 吊臂在最大起吊幅度处，起吊额定起重量Q=1.5t，即为吊臂的工况I：式中：q吊钩组及50%铅垂部分钢丝绳重量，取：q=0.253+0.0332=0.2862t 起升动载荷系数，取：=1.25； 变幅小车冲击系数，取：=1.1； G变幅小车及50%垂直铅

27、垂部分钢丝绳重量，G=0.308+0.0332=0.3412t 吊臂工况II当吊臂起吊最大重量，且变幅小车运行到起吊幅度时的工况，即为吊臂工况II，则有：计算工况机器方位列表计算工况机器方位汇总 表3.23.4塔身截面内力计算及内力组合独立式内力计算塔身B-B截面内力计算1） 工况2，方位1图3.2A轴向力计算B惯性载荷计算 塔机各部分因旋转产生的惯性力，只计算回转切向惯性力，取塔机回转速度为0.8r/min，转速邮0加速到0.8r/min需4s。基本公式1：（吊臂和平衡臂惯性力用3.3式计算）由上式3.2可计算得到以下部件的惯性力及其产生的惯性矩，见表3.3序号部件名称质量（kg）R（m）惯

28、性力（N）惯性力矩（N.m）1塔帽20000.312.63.782回转塔身15000003司机室4501.817.0130.6184变幅机构40012100.81209.65吊臂长拉杆66224.27337.48188.76吊臂短拉杆3239.5764.9621.27平衡臂拉杆246-5.56-28.7159.78电气系统5000009起升重物800012.521002625010起升机构2200-12.54-579.37265.0211平衡重20300-13.77-5870.15180831.98表3.3基本公式2：起重臂的惯性载荷：4478.3N 179172N.m平衡臂的惯性载荷：292.78N 340.21N，=306188.78N.mC风载：D水平力：=5347.8+340.21=5688.01NE倾覆力矩：对于B-B截面，由于风载荷惯性力产生的倾覆力矩很小，为了简化计算，在计算时忽略不计。F扭矩：Mn=2） 工况2，方位2图3.3A轴向力=369880+11768.8=381648.8NB风载虽然风向方位与工况1不同，但是大小相同即C惯性力惯性力大小与方位1相同即D水平力E倾覆力矩F扭矩Mn=3） 非工作工况图3.4A轴向力B风载由总体设计部分表1.15，有：C惯性力此时塔机处于飞工作状态