机械结构课程设计(塔吊起重臂结构设计)

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目录一、课程设计目的及要求3二、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L42）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54）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20四、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。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）：900KN·m2）起重量当幅度最大时（Rmax），起重量为1.8t；当幅度R=（Rmin～Rmax/2），起重量为2～5t。3）变幅图1起重机起重臂结构简图4①形式：水平臂架绳索牵引小车变幅；②速度：起重机升降变幅速度为0～30m/min4）吊钩升降速度①起升速度：A、起重量为Rmax起重量的时候为1.5—2m/min；B、起重量为Rmax时为3—50m/min。②空钩下降速度：A、起重量为Rmax时为0—50m/min；B、起重量为Rmax时为0—100m/min。5）回转①半径：50m；②速度：0—0.5r/min；③起制动时间：4s；6）运行（起重机整机行走）①速度：14/min；②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：⑴臂长L:根据回转半径R确定（L-R=1.5～2.0m）；⑵吊挂位置比例长度21L、L：7.0~4.021LL⑶起重机塔架机构：①1l(卷扬滚筒中心距塔机回转中心距离)=550mm；②2l（起重臂支点距塔机回转中心距离）=1300mm；③3l（塔架截面宽度）=1500mm；④4l（起重臂支点距卷扬滚筒中心高度）6500mm；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，ml3.12，2~5.1DEl取8.1DEl列方程：DElRLl2；得：mllRLDEDE5.503.18.1502）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），下弦采用两个箱行截面，每个箱形截面对由两个角钢（或槽钢、钢板等）焊成，兼做小车轨道用（图2）。53）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121301～LH，已知L=50.5m，得：H=1.68～4.21，一般起重臂的截面采用格构式正三角形，故：mBH73.132*2323（在H=1.68～4.21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mllba5.10共6段，如下图。5）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，则悬臂部分的负图2起重臂截面形式6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X—X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7.0~4.021LL。可选5.021LL，根据mLLL5.5021，则L1=16.8m，L2=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：①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②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③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①、③种载荷组合对本起重臂不起控制作用，因此可仅按第②种载荷组合进行设计。3）载荷确定（1）臂架自重和小车移动机构重量①选取臂架自重为4t。②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630KN·m要求。（3）风载荷①臂架受风载荷WFAPCF式中，WC为风力系数，取1.3；WP为计算风压，工作状态取250Pa；A为迎风图3回转平面计算简图图4起升平面计算简图7面积，21AAA，其中A1——前片结构迎风面积（2m），111LAA，1为结构充实率，对于桁架取0.4；A2——后片结构迎风面积（2m），222LAA，2为结构充实率，对于桁架取0.4。AL1或AL2为前后片外形轮廓尺寸，即AL=H·L（图5）计算：2111.298.16*73.1*mLHAL；2223.587.33*73.1*mLHAL；21116.111.29*4.0*mAAL；22223.233.58*4.0*mAAl。——前片对后片的挡风折减系数，与前片桁架充实率1以及两片桁架间隔比B/H有关，根据B/H=1.156以及ω=0.4查表得40.0；2219.203.23*4.06.11mAAA；NAPCF*3.1。假定风载荷沿臂架均匀分布mNLFqw/4.1345.506786风，作用于水平面内。③吊重受风载荷'wF：按额定起重量重力的3%计算。（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）。列方程：405sin:0BAFFF;0AM:021sin5223qlLFlB;0BM:021)(21)(52222232qLLLqLFlLA图5桁架挡风折减系数8由于3l未知，所以有很多解，随意提供一组解：.35sin,10kNFkNFBA内力分析：AB图6臂架自重及小车移动机构重9（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。①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.列方程：0F0sinDABFFF；0AM06.36sin2QLFB；0BM021LFQLA。解得：kNFA28.15，kNFB87.46sin其应力图：如下图图7吊重作用在D处31.5946.8715.2831.5915.28514.94图7吊重作用在D处10②幅度R≤25.3，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：0F0sinCBAFFF；0AM03.18sin2QLFB；0BM0)21(22LFLLQA解得：95.54sin;24.18BAFkNFKN绘制内力图：③最小幅度Rmin=3.3m，所吊货物为5t（即吊重作用在G处，图9）416.47图8吊重作用在C处11Q=(0.38+0.25+5)x1.3=73.19kN.列方程：0F0sinGBAFFF；0AM05.2sin2QLFB0BM0)5.2(22LFLQA解得：kNFkNFBA17.7sin;02.66。绘制内力图：如下图：图9吊重作用在G处12（3）小车轮压对起重臂下弦杆产生的局部弯矩①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=416.47KN·m②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max局M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）分析可知，当有两个或两个以上轮压作用，则当22csx（c为合力作用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kM。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kMM32max局绘制内力图：mKNMMk·92.40738.7063232max局mPML15.116.3692.407'max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点时的内弯矩图剪力图36.6KN36.6KN706.3813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。①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；NqLFsA6786；KNXqLM16925678622做内力图：②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，NFA540，mKNXWLMA2750540内力图如图13.2）吊重在C处的风载荷，计算：W=5tx3%x10000=1500N，NFA1500，mKNXWlMA95.373.2515003.A图12臂架风载荷14内力图如图14：（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。①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。图13吊重在D处的风载荷图14吊重在C处的风载荷15计算：T=0.1*1.8