機械結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(塔吊起重臂結(jié)構(gòu)設(shè)計).doc

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學(xué)院 課程設(shè)計說明書 班級: 姓名: 設(shè)計題目:機械結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(塔吊起重臂結(jié)構(gòu)設(shè)計) 設(shè)計時間: 到 指導(dǎo)老師: 評語: 評閱成績: 評閱教師: 目錄 1、 課程設(shè)計目的及要求 3 2、 設(shè)計題目 3 三、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 1、起重臂結(jié)構(gòu)方案確定 4 1）起重臂長度L 4 2）起重臂截面形式根據(jù)受力的構(gòu)造要求而定 4 3）起重臂截面寬度和高度 5 4）運輸單元 5 5）吊點位置確定 5 2、計算簡圖及計算載荷確定 6 1）計算簡圖 6 2）載荷組合 6 3）載荷確定 6 3、力計算及內(nèi)力組合 7 1）臂架內(nèi)力計算 7 （1）臂架自重及小車移動機構(gòu)重 7 （2）吊重 9 （3）小車輪壓對起重臂下弦桿產(chǎn)生的局部彎矩 12 （4）風(fēng)載荷作用下的內(nèi)應(yīng)力圖 13 （5）其他水平力T的作用 14 2）內(nèi)力組合 16 4、截面選擇和截面驗算 16 （1）單臂驗算 17 1）上弦 17 2）下弦 18 （2）腹桿驗算 18 （3）整體穩(wěn)定性驗算 19 （4）局部穩(wěn)定性的計算 20 （5）起重臂重量的計算 20 4、 設(shè)計感想： 20 五、參考文獻(xiàn) 20 一、課程設(shè)計目的及要求 機械結(jié)構(gòu)課程設(shè)計是學(xué)生在學(xué)習(xí)機械設(shè)計課程設(shè)計后進行的一次比較全面和系統(tǒng)的訓(xùn)練。通過訓(xùn)練，鞏固和加強對所學(xué)機械結(jié)構(gòu)知識的理解，提高學(xué)生進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算、繪圖的能力。 自升式塔式起重機（簡稱塔吊），是建筑工地上常用的施工機械之一。塔吊設(shè)計內(nèi)容包括機構(gòu)、結(jié)構(gòu)、液壓傳動、安全裝置等等。由于塔吊的結(jié)構(gòu)用鋼量越占整機重量的2/3左右，所以合理地設(shè)計塔用結(jié)構(gòu)對于減輕整機重量、改善機械工作性能等具有重大意義。 塔吊的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括以下部分：起重臂、平衡臂、塔幅、塔身、套架、底座、附著裝置、工作平臺及扶梯等。 本課程設(shè)計僅對給定工作負(fù)載的自升式塔吊的“起重臂”（見圖1）進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。 圖1 起重機起重臂結(jié)構(gòu)簡圖 二、設(shè)計題目 1） 起重力矩（起重機為基本臂長時，最大幅度X相應(yīng)額定起重量）：900KNm 2） 起重量 當(dāng)幅度最大時（Rmax），起重量為1.8t； 當(dāng)幅度R=（Rmin～Rmax/2），起重量為2～5t。 3） 變幅 ①形式：水平臂架繩索牽引小車變幅； ②速度：起重機升降變幅速度為0～30m/min 4） 吊鉤升降速度 ①起升速度： A、 起重量為>Rmax起重量的時候為1.5—2m/min； B、 起重量為Rmax時為3—50m/min。 ②空鉤下降速度： A、 起重量為>Rmax時為0—50m/min； B、 起重量為Rmax時為0—100m/min。 5） 回轉(zhuǎn) ①半徑：50m； ②速度：0—0.5r/min； ③起制動時間： 4s； 6） 運行（起重機整機行走） ①速度： 14/min； ②起制動時間： 5s； 7） 起重機工作制： 中級（中等載荷，載荷系數(shù)Kp=0.250，使用年限15年）； 8） 結(jié)構(gòu)參數(shù)：經(jīng)查表得： ⑴臂長L:根據(jù)回轉(zhuǎn)半徑R確定（L-R=1.5～2.0m）； ⑵吊掛位置比例長度： ⑶起重機塔架機構(gòu)： ① (卷揚滾筒中心距塔機回轉(zhuǎn)中心距離)=550mm； ②（起重臂支點距塔機回轉(zhuǎn)中心距離）=1300mm； ③（塔架截面寬度）=1500mm； ④（起重臂支點距卷揚滾筒中心高度）6500mm； 三、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 1、 起重臂結(jié)構(gòu)方案確定 1） 起重臂長度L： 根據(jù)最大回轉(zhuǎn)半徑，上塔身寬度和構(gòu)造要求而定。 已知： R=50m，，取 列方程：； 得： 2） 起重臂截面形式根據(jù)受力的構(gòu)造要求而定： 本塔吊起重臂截面建議采用格構(gòu)式等三角形形式。上弦和腹桿采用無縫圓鋼管（可考慮用16Mn），下弦采用兩個箱行截面，每個箱形截面對由兩個角鋼（或槽鋼、鋼板等）焊成，兼做小車軌道用（圖2）。 圖2 起重臂截面形式 3）起重臂截面寬度和高度 可根據(jù)強度、剛度、穩(wěn)定性和構(gòu)造的要求而定，初定B=2.0m。 高度H按，已知L=50.5m，得：H=1.68～4.21，一般起重臂的截面采用格構(gòu)式正三角形，故：（在H=1.68～4.21的范圍內(nèi)，符合）。 4）運輸單元 考慮到運輸條件和原材料長度限制，將重臂做成各個節(jié)段，即運輸單元。各節(jié)段在工廠制成后，運到工地，在現(xiàn)場將各節(jié)段用銷軸相連，拼裝成整體的超重臂，然后再和塔身等其他部件裝配成塔吊。初步選取兩端長度為，中間部分每10m一段，兩邊的共6段，如下圖。 5）吊點位置確定 正確選定吊點位置（B點），對超重臂設(shè)計是否合理有很重要的意義。吊點將機架分為兩個部分，即懸臂部分L1和跨中部分L2.起重機作業(yè)時懸臂部分將產(chǎn)生最大負(fù)彎矩，跨中部分將產(chǎn)生最大正彎矩。如果L1過長，則懸臂部分的負(fù)彎矩大于跨中的正彎矩，截面可能由懸臂部分控制。如果L1過短，則懸臂部分的負(fù)彎矩將比跨中的正彎矩小，截面可能由跨中部分控制。由于起重臂截面往往設(shè)計成對X—X軸不對稱（圖1），因此負(fù)彎矩和正彎矩對截面從的影響并不相同，則不能簡單地按彎矩條件來選擇吊點的合理位置。設(shè)計時選取。可選，根據(jù)，則L1=16.8m，L2=33.7m，如圖1。 2、 計算簡圖及計算載荷確定 1） 計算簡圖 根據(jù)總體布置確定臂架的計算簡圖。在回轉(zhuǎn)平面（即水平平面）內(nèi)，作為懸臂梁計算（圖3）；在起升平面（即豎直平面）內(nèi)，作為伸臂梁計算（圖4）。 圖3 回轉(zhuǎn)平面計算簡圖 圖4 起升平面計算簡圖 2） 載荷組合 起重臂結(jié)構(gòu)計算采用下列三種載荷組合： ①自重+等級吊重+工作狀態(tài)風(fēng)載荷（風(fēng)向平行臂架）+平穩(wěn)慣性力或其他水平力 ②自重+最大額定吊重+工作狀態(tài)風(fēng)載荷（風(fēng)向垂直臂架）+急劇慣性力或其他水平力 ③自重+非工作狀態(tài)風(fēng)載荷（風(fēng)向平行臂架）+起重小車及吊鉤重。 由于第①、③種載荷組合對本起重臂不起控制作用，因此可僅按第②種載荷組合進行設(shè)計。 3） 載荷確定 （1） 臂架自重和小車移動機構(gòu)重量 ①選取臂架自重為4t。 ②選取小車移動機構(gòu)重量為0.5t。 （2） 吊重 包括起重小車、吊鉤及吊重。吊重是移動載荷，其中起重小車重量和吊鉤重量是沿臂架移動但數(shù)值不變的載荷，初選起重小車重量為0.38t，吊鉤重量為0.25t，所吊貨物是沿臂架移動且數(shù)值變化的載荷，其數(shù)值的變化滿足起重力矩630KNm要求。 （3）風(fēng)載荷 ①臂架受風(fēng)載荷 式中，為風(fēng)力系數(shù)，取1.3；為計算風(fēng)壓，工作狀態(tài)取250Pa；A為迎風(fēng)面積，，其中A1——前片結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積（），，為結(jié)構(gòu)充實率，對于桁架取0.4；A2——后片結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積（），，為結(jié)構(gòu)充實率，對于桁架取0.4。AL1或AL2為前后片外形輪廓尺寸，即AL=HL（圖5） 圖5 桁架擋風(fēng)折減系數(shù) 計算：；； ；。 ——前片對后片的擋風(fēng)折減系數(shù)，與前片桁架充實率以及兩片桁架間隔比B/H有關(guān)，根據(jù)B/H=1.156以及ω=0.4查表得； ；。 假定風(fēng)載荷沿臂架均勻分布，作用于水平面內(nèi)。 ③吊重受風(fēng)載荷：按額定起重量重力的3%計算。 （4）其他水平力 作用在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，除風(fēng)載荷外，還有回轉(zhuǎn)慣性力以及起吊時由于鋼絲繩傾斜引起的水平力等，可近似地取T=0.1Q（Q為吊重），并且按所吊貨物為1.8t和5t分別計算。 3、 內(nèi)力計算及內(nèi)力組合 1）臂架內(nèi)力計算 首先求出各種載荷作用下的臂架和塔身連接處的支反力和吊索內(nèi)里，繪出臂架的軸力N、剪力Q、和力矩M圖。 （1）臂架自重及小車移動機構(gòu)重 作用在臂架豎直平面內(nèi)是數(shù)值不變的固定載荷。臂架自重可假定沿長度方向均勻分布q=40N/50.5m=99.01N/m，小車移動機構(gòu)重量可假定為集中載荷（圖6）。 列方程：; :; : 由于未知，所以有很多解，隨意提供一組解： B A 內(nèi)力分析： 圖6 臂架自重及小車移動機構(gòu)重 （2） 吊重 吊重計算公式為 Q=（起重小車重+吊鉤重+所吊貨物重）動載系數(shù) 動載系數(shù)是考慮到起吊貨物時，起升機構(gòu)起動和制動所產(chǎn)生的振動和沖擊的影響載系數(shù)，取1.3. 由于吊重是移動載荷，所以首先對以下三種工況可能對臂架產(chǎn)生的最不利影響，進行內(nèi)力分析。 ①最大幅度Rmax=50m，所吊貨物為1.8t（即吊重作用在D處，圖7） Q=(0.38+0.25+1.8)x1.3=31.59kN. 圖7 吊重作用在D處 列方程： ； ； 。 解得：， 其應(yīng)力圖：如下圖 圖7 吊重作用在D處 514.94 15.28 31.59 46.87 15.28 31.59 ②幅度R≤25.3，所吊貨物為5t（即吊重作用在C處，圖8） Q=(0.38+0.25+5)x1.3=73.19kN. 列方程： ； ； 解得：KN 繪制內(nèi)力圖： 圖8 吊重作用在C處 416.47 ③最小幅度Rmin=3.3m，所吊貨物為5t（即吊重作用在G處，圖9） Q=(0.38+0.25+5)x1.3=73.19kN. 列方程： ； 解得：。繪制內(nèi)力圖：如下圖： 圖9 吊重作用在G處 （3）小車輪壓對起重臂下弦桿產(chǎn)生的局部彎矩 ①吊重5t在距塔身中心25.3m時，下弦桿中AB段的局部彎矩M局。（如圖8） M局=416.47KNm ②由于吊重在臂架上是移動的，因此還必須找出校車在AB段產(chǎn)生最大的局部彎矩的位置，計算出 設(shè)每個輪子壓力為P=73.2/2=36.6KN，作用在AB節(jié)間（可先視為簡支梁）上（圖10） 分析可知，當(dāng)有兩個或兩個以上輪壓作用，則當(dāng)（c為合力作用點至最近的輪壓之距。設(shè)C=12m）時，K截面的局部彎矩最大，即最大彎矩。由于臂架的AB段實際上不是簡支梁而是連續(xù)梁，所以可近似地取 36.6KN 繪制內(nèi)力圖： 706.38 36.6KN 剪力圖 彎矩圖 因為最大彎矩點和C點相差不大，所以可偏安全地可取吊重在C點時的內(nèi)力值。 （4） 風(fēng)載荷作用下的內(nèi)應(yīng)力圖 風(fēng)載荷垂直臂架作用時，臂架的計算簡圖近似為懸臂梁。 ①臂架風(fēng)載荷 將風(fēng)載荷視為沿臂架全長均勻分布的載荷，并作出內(nèi)力圖（如下圖） 計算，q=134.4N/m ； ； 做內(nèi)力圖： 圖12 臂架風(fēng)載荷 A ②吊重的風(fēng)載荷 分別作出吊重距塔身中心50.5m處及25.3處風(fēng)載荷作用下的內(nèi)力圖 1) 吊重在D處的風(fēng)載荷，計算： W=1.8tx3%x10000=540N， ， 內(nèi)力圖如圖13. 2） 吊重在C處的風(fēng)載荷，計算： W=5tx3%x10000=1500N， ， . 內(nèi)力圖如圖14： 圖13 吊重在D處的風(fēng)載荷 圖14 吊重在C處的風(fēng)載荷 （5） 其他水平力T的作用 分別作出吊重在塔身中心50m及25m處其他水平作用下的內(nèi)力圖。 ①作出吊重在塔身中心50m其他水平作用下的內(nèi)力圖。此時貨物重1.8t。 計算：T=0.1*1.8*10000=1800N；；。 內(nèi)力圖如圖15. 圖15 在D處其他水平力 ②作出吊重在塔身中心25m處其他水平作用下的內(nèi)力圖。此時貨物重5t。 計算： T=0.1*5*10000=5000N；； 內(nèi)力圖如圖16. 圖16 在C處其他水平力 2）內(nèi)力組合 把上述計算結(jié)果填入下表： 備注：軸力N：拉力為“+”，壓力為“-”； 起升平面內(nèi)彎矩，以下弦受拉為“+”； 起升平面內(nèi)剪力，以發(fā)現(xiàn)的順時針方向為“+”； 回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎矩、剪力“+”“-” 都可能產(chǎn)生； M單位：kNm；Q單位：kN；N單位：kN 附表1 序 號 載荷 內(nèi)力 截面 A B C M M Q Q N M M Q Q N M M Q Q N 1 臂架自重小車移動機構(gòu)重 0 +10.0 -181 -115.7 0 0 +100 -7.8 -181. 2.1 吊 重 Q在D 0 -15.3 -243 -514.9 0 0 -321 -15.28 -243 2.2 Q在C 0 +18.2 -284 0 0 0 +416 0 -284 2.3 Q在G 0 +66.0 -37.2 0 0 0 +118 -7.17 -37.2 3.1 風(fēng) 載 荷 臂架風(fēng)載荷 -169 +6.79 -32 +1.69 -68 +3.28 3.2 吊重風(fēng)載 Q在D -127 +0.54 -8.8 +0.54 -13.5 +0.54 3.3 Q在C -37.9 +1.5 0 0 0 0 4.1 其他水平力 Q在D -90 +1.8 -30.2 +1.8 -45 +1.8 4.2 Q在C -250 +5 0 0 0 0 按以下三種情況作臂架內(nèi)力組合： 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2 序 號 載荷 內(nèi)力 截面 A B C M M Q Q N M M Q Q N M M Q Q N 內(nèi)力組合 吊重在D 0 -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G 0 0 +76.02 0 -218.6 -115.7 0 0 0 0 +217.8 0 -14.97 0 -218.6 4. 截面選擇和截面驗算 起重臂材料：建議選用Q235鋼或Q345鋼； 起重臂的材料：起重臂是采用型材經(jīng)過焊接、螺栓連接而成的，所以材料選用Q235鋼； 附表3 鋼種 屈服極限 計算強度R(MPa) 拉伸、壓縮和彎曲 剪切 端面擠壓 碳鋼 220 210 125 315 230 220 130 330 240 230 135 345 250 240 140 360 260 250 145 375 270 260 150 390 ... ... .. ... 鋼種的材料參數(shù)表 銷軸材料：建議選用40Cr鋼（【σ】=420MPa；【τ】=244MPa）。 起重臂為格構(gòu)式空間結(jié)構(gòu)，主要內(nèi)力有軸力N、彎矩（Mx、My）、剪力（Qx 、Qy）可偏安全的按格構(gòu)式偏心受壓構(gòu)件計算。 （1） 單臂驗算 根據(jù)臂架的受力分析，臂架在吊點的外伸部分，上弦桿為軸心拉桿，下弦桿為軸心壓桿。臂架在簡支桁架區(qū)，上弦桿為軸心壓桿，下弦桿為軸心拉桿。 1） 上弦 用公式計算出可能出此案的最大拉力和最大壓力。對最大拉力進行強度驗算，對最大壓力進行穩(wěn)定性驗算。 ； 臂架本身最大的軸向力； 所以截面C處最大的軸向壓力： ； 。 2) 下弦 用公式計算出可能出現(xiàn)的最大拉力和最大壓力，并找出相應(yīng)的局部彎矩。 ； ； 。 整體強度驗算：。 （2）腹桿驗算 臂架的腹桿按軸心壓桿計算，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求，對格構(gòu)式壓彎機構(gòu)的腹桿，按照實際剪力確定內(nèi)力。 平面12和平面13上的腹桿載荷承受的作用。 將最大的分解成沿平面12和平面13上的內(nèi)力： ， 式中，由于截面是正三角形，故 腹桿受力：，其中=2m, 根據(jù)合理組合表可知：； ； 。 圖17 起重機截面 由于23平面腹桿承受的Q力小，故其驗算略。 （3） 整體穩(wěn)定性驗算 彎矩作用下的平面的整體穩(wěn)定性，臂架在起升和回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的整體穩(wěn)定性，按單向彎曲構(gòu)建驗算并滿足以下穩(wěn)定性條件。 式中：N臂架的軸向壓力，N=745.6KN； M臂架的組合彎矩，； ； A臂架的毛截面，A=157.348； W毛截面的截面系數(shù)，W=893.17； ； 。 =151.88MPa<。 （4） 局部穩(wěn)定性的計算 起重臂截面選用型材，不用進行局部穩(wěn)定性的驗算。 （5） 起重臂重量的計算 G=截面理論重量*L=105.09kg/m*50.5m=5307kg=5.3t； 和最初估計的4t有點差距，但也相差不大。 四、設(shè)計感想： 這次課程設(shè)計可謂困難重重，絞盡腦汁，不過總算在規(guī)定時間的內(nèi)完成了任務(wù)。 在為期兩個星期的時間里，我翻遍了《機械結(jié)構(gòu)設(shè)計》、《機械設(shè)計課程設(shè)計》《材料力學(xué)》《機械手冊》等書，反復(fù)計算，設(shè)計方案，繪制草圖，對著AutoCAD N天N夜……當(dāng)然，在這期間還是得到周圍同學(xué)的細(xì)心提點與耐心指導(dǎo)。 一個人在兩星期內(nèi)完成這次設(shè)計不可謂不艱辛，然而，我卻從這兩星期內(nèi)學(xué)到了許多大學(xué)階段都沒學(xué)到的關(guān)鍵內(nèi)容，而且在實踐中運用，更是令我印象深刻，深切體會到機械結(jié)構(gòu)力學(xué)的重要性，塔式起重機在我們的身邊到處都是，但是自己一個大學(xué)生不知道其中的道理、不會做一個基礎(chǔ)的簡單的設(shè)計是不是很失敗。 雖然同學(xué)們都發(fā)牢騷，說結(jié)構(gòu)學(xué)這門課程根本沒有學(xué)，即使給了范例樣板公式也不會用，但最后下來還是不錯的做完了，而且自己還學(xué)到了不好的東西。更值得一提的是只有挑戰(zhàn)才能發(fā)展自己，那些自己學(xué)過的東西，反復(fù)運用只能在有限的范圍內(nèi)是自己更能靈活，更熟悉，而不能更上一個層次。 確實，設(shè)計過程中給了很多的數(shù)據(jù)，看了好幾遍設(shè)計題目仍是一頭霧水，不知從何入手，最后還是按照老師給的樣板一步一步的做下去......前面的還挺容易，畢竟自己也學(xué)過材料力學(xué)，可是做驗算的時候給的公式好長，也不會用，經(jīng)過同學(xué)之間的商量，最后終于搞定了。這次課程設(shè)計讓我知道了學(xué)海無涯，只要敢于接受挑戰(zhàn)，肯定能發(fā)展自己。 最后感謝老師！ 五、參考文獻(xiàn) 1、 龍鎮(zhèn)宇主編--《機械設(shè)計》--機械工業(yè)出版社--2002.7； 2、 劉鴻文主編--《材料力學(xué)》--高等教育出版社--2007.1； 3、 張鳳山，董宏光編著--《塔式起重機的構(gòu)造與維修》--2006.4； 4、 范軍翔主編--《塔式起重機》--中國建材工業(yè)出版社--2004.8；