1、1学院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 指导老师: 评语: 评阅成绩: 评阅教师: 2目录1、课程设计目的及要求 32、设计题目 3三、机械结构设计 41、起重臂结构方案确定 41）起重臂长度 L 42）起重臂截面形式根据受力的构造要求而定 43）起重臂截面宽度和高度 5 4）运输单元 55）吊点位置确定 52、计算简图及计算载荷确定 61）计算简图 62）载荷组合 63）载荷确定 63、力计算及内力组合 71）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
2、载荷作用下的内应力图 13（5）其他水平力 T 的作用 142）内力组合 164、截面选择和截面验算 16（1）单臂验算 171）上弦 172）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 204、设计感想： 20五、参考文献 203一、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。通过训练，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） ，是建筑工地上常用的施工机械之一。塔吊设计内容包括机构、结构、液压传动、安全装置等等
3、。由于塔吊的结构用钢量越占整机重量的 2/3 左右，所以合理地设计塔用结构对于减轻整机重量、改善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。 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）：900KNm2）起重量 当幅度最大时（Rmax） ，起重量为 1.8t；当幅度 R=（RminRmax/2） ，起重量为 25t。3）变幅图 1 起重机起重臂结构简图4形式：水平臂架绳索牵引小车变幅；速度：起重机升降变幅速
4、度为 030m/min4）吊钩升降速度起升速度： A、 起重量为Rmax 起重量的时候为 1.52m/min；B、 起重量为 Rmax 时为 350m/min。空钩下降速度： A、 起重量为Rmax 时为 050m/min；B、 起重量为 Rmax 时为 0100m/min。5）回转半径：50m；速度：00.5r/min；起制动时间： 4s；6）运行（起重机整机行走）速度： 14/min；起制动时间： 5s；7）起重机工作制： 中级（中等载荷，载荷系数 Kp=0.250，使用年限 15 年） ；8）结构参数：经查表得：臂长 L:根据回转半径 R 确定（L-R=1.52.0m） ；吊挂位置比例长
5、度 ：21L、 7.041起重机塔架机构： (卷扬滚筒中心距塔机回转中心距离)=550mm；1l （起重臂支点距塔机回转中心距离）=1300mm；2 （塔架截面宽度）=1500mm；3l （起重臂支点距卷扬滚筒中心高度）6500mm；4三、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ml3.1225.1DEl 8.1DEl列方程： ；ERl2得： mlLD.03.802）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
6、箱行截面，每个箱形截面对由两个角钢5（或槽钢、钢板等）焊成，兼做小车轨道用（图 2） 。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=1.684.21，一般起重臂1230L的截面采用格构式正三角形，故： （在mBH73.12*3H=1.684.21 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，然后再和塔身等其他部件装配成塔吊。初步选取两端长度为，中间部分每 10m 一段，两边的 共
7、6 段，如下图。mlba5.105）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图 2 起重臂截面形式6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 XX 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7.04
8、21L5.021LmL5.021L1=16.8m，L 2=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） 。2）载荷组合起重臂结构计算采用下列三种载荷组合：自重+等级吊重 +工作状态风载荷（风向平行臂架）+ 平稳惯性力或其他水平力自重+最大额定吊重 +工作状态风载荷（风向垂直臂架）+ 急剧惯性力或其他水平力自重+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、种载荷组合对本起重臂不起控制作用，因此可仅按第种载荷组合进行设计。3）
9、载荷确定（1）臂架自重和小车移动机构重量选取臂架自重为 4t。选取小车移动机构重量为 0.5t。（2）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630KNm 要求。 （3）风载荷臂架受风载荷 WFAPCFw图 3 回转平面计算简图 图 4 起升平面计算简图7式中， 为风力系数，取 1.3； 为计算风压，工作状态取 250Pa；A 为迎WCWP风面积， ，其中 A1前片结构迎风面积（ ） ， ，21A 2m11L为结构充实
10、率，对于桁架取 0.4；A2后片结构迎风面积（ ） ，1 2， 为结构充实率，对于桁架取 0.4。 AL1 或 AL2 为前后片外形轮廓22LA尺寸，即 AL=HL（图 5）计算： ； ；211 1.98.6*73.mLHA 223.587.*.1mLHA； 。240240l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 1B/H 有关，根据 B/H=1.156 以及 =0.4 查表得 ；.；221 9.03.*46.mA NAPCFW6789.205*3.。假定风载荷沿臂架均匀分布 ，作用于水平面内。mNLqw/4.15.0678风吊重受风载荷 ：按额定起重量重力的 3%计算
11、。wF（4）其他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） ，并且按所吊货物为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） 。图 5 桁架挡风折减系数8列方程： ;405sin:0BAF: ;M
12、213qlLl: B 021)()(32 qLlA由于 未知，所以有很多解，随意提供一组解：3l .35sin,kNFkBA内力分析：AB9（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，所以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。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 6 臂架自重及小车移动机构重10列方程： ；0F0sinDABF；AM
13、6.32QL。B1A解得： ， 其应力图：如下图kNFA28.15kNFB87.4sin幅度 R25.3，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： ；0F0sinCBAF；AM3.182QLB)(2A解得： KN95.4sin;24.18AFkN图 7 吊重作用在 D 处31.5946.8715.2831.5915.28514.94图 7 吊重作用在 D 处11绘制内力图：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： ；0F0
14、sinGBAFAM5.2QLB).(2A解得： 。绘制内力图：如下图：kNFkNA17.sin;02.6416.47图 8 吊重作用在 C 处12（3）小车轮压对起重臂下弦杆产生的局部弯矩吊重 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 =416.47KNm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 ax局设每个轮子压力为 P=73.2/2=36.6KN，作用在 AB 节间（可先视为简支梁）上（图 10）图 9 吊重作用在 G 处13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2
15、sx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，所以可近似地取kMk32max局绘制内力图：mKNMk 92.40738.623max局 PL159407局因为最大弯矩点和 C 点相差不大，所以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。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 ； ； NqLFsA678 KNXqLM16925782弯矩图剪力图36.6KN36.6KN706.3814做
16、内力图：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1)吊重在 D 处的风载荷，计算：W=1.8tx3%x10000=540N， NFA540mKNXWLM27内力图如图 13.2）吊重在 C 处的风载荷，计算：W=5tx3%x10000=1500N， FA150.mKNXWlM95.37.23内力图如图 14：A图 12 臂架风载荷15（5）其他水平力 T 的作用分别作出吊重在塔身中心 50m 及 25m 处其他水平作用下的内力图。作出吊重在塔身中心 50m 其他水平作用下的内力图。此时货物重 1.8t。计算：T=0.1*1.8*10000=1800
17、N； ； 。 NFA180mKNMA905*8.1图 13 吊重在 D 处的风载荷图 14 吊重在 C 处的风载荷16内力图如图 15.作出吊重在塔身中心 25m 处其他水平作用下的内力图。此时货物重 5t。计算： T=0.1*5*10000=5000N； ； NFA50mKNMA250*内力图如图 16.2）内力组合把上述计算结果填入下表：图 16 在 C 处其他水平力图 15 在 D 处其他水平力17备注：轴力 N：拉力为“+” ，压力为“- ”；起升平面内弯矩 ，以下弦受拉为“+” ；xM起升平面内剪力 ，以发现的顺时针方向为“+” ；Q回转平面内的弯矩 、剪力 “+”“-” 都可能产生
18、；yyM 单位：kNm；Q 单位：kN；N 单位：kN附表 1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 24.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，所以材料序号载荷内力截面A B CMXMYQ Q N MXMYQ Q N MXMYQ Q N1 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 -
19、243 -514.9 0 0 -321 -15.28 -2432.2 Q 在 C 0 +18.2 -284 0 0 0 +416 0 -2842.3 Q 在 G 0 +66.0 -37.2 0 0 0 +118 -7.17 -37.23.1 风载荷臂架风载荷 -169 +6.79 -32 +1.69 -68 +3.283.2 吊重风载Q 在D-127 +0.54 -8.8 +0.54 -13.5 +0.543.3 Q 在C-37.9 +1.5 0 0 0 04.1 其他水平力Q 在D-90 +1.8 -30.2 +1.8 -45 +1.84.2 Q 在C-250 +5 0 0 0 0序号载荷内
20、力截面A B CMXMYQ QYN MXMYQ Q N MXMYQ QYN内力组合吊重在D0 -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G0 0 +76.02 0 -218.6 -115.7 0 0 0 0 +217.8 0 -14.97 0 -218.618选用 Q235 钢；附表 3计算强度 R(MPa)钢种 屈服
21、极限拉伸、压缩和弯曲剪切 端面挤压220 210 125 315230 220 130 330240 230 135 345250 240 140 360260 250 145 375270 260 150 390碳钢. . .销轴材料：建议选用 40Cr 钢（【】=420MPa；【】=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。（1）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
22、能出此案的最大拉力和最大压力。对最大3NXNSFHM拉力进行强度验算，对最大压力进行稳定性验算。钢种的材料参数表19；KNHMFXNS86.12573.臂架本身最大的轴向力 ；F.74所以截面 C 处最大的轴向压力： kNFHMNXNS 6.78.1256.743；)(20325.105.7862max 合 适PaPacKAFN 。1*3149合 适Q2)下弦用公式 计算出可能出现的最大拉力和最大压力，并32NyxNxFBMHF找出相应的局部弯矩 。jb；kNx 75.436.25.173.*8ma ；)(20.94合 适MPaPaAF。1361.2 合 适cKNQX 整体强度验算： 。)(5
23、5.9348.572 合 适PacmX （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。yQ将最大的 分解成沿平面 12 和平面 13 上的内力：yQ，cos2132XX式中，由于截面是正三角形，故 ,23cos腹杆受力： ，其中 =2m,HlQFXNXG312l根据合理组合表可知： ；kNX7.49max； KNXG01.73.12*4920。)(2308.169.502 合 适MPaPacmKNAFNXG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
24、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。 】【 )1(NWMA式中：N 臂架的轴向压力，N=745.6KN；M 臂架的组合弯矩， ；mkNMxx 87.251.68.2172；1等 效 弯 矩 系 数 ，A 臂架的毛截面，A=157.348 ；2cmW 毛截面的截面系数， W=893.17 ；3；0.5，轴 心 压 杆 的 稳 定 性 系 数图 17 起重机截面21。KN10*2.6931057.48*2.3.4EA2 N欧 拉 临 界 力 ， kcmkcKWMA 632 10*93.2745*7.89157*.0)1(=151.8
25、8MPa 。合 适Pa23（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，反复计算，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
26、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，但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，反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1、龙镇宇主编-机械设计- 机械工业出版社-2002.7 ；2、刘鴻文主编-材料力学- 高等教育出版社-2007.1 ；3、张凤山，董宏光编著-塔式起重机的构造与维修-2006.4；224、范军翔主编-塔式起重机- 中国建材工业出版社-2004.8；
