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

學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書 班級(jí): 姓名: 設(shè)計(jì)題目:機(jī)械結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)(塔吊起重臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)) 設(shè)計(jì)時(shí)間: 到 指導(dǎo)老師: 評(píng)語: 評(píng)閱成績(jī): 評(píng)閱教師: 目錄1、 課程設(shè)計(jì)目的及要求 32、 設(shè)計(jì)題目 3三、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 1、起重臂結(jié)構(gòu)方案確定 4 1）起重臂長(zhǎng)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(yùn)輸單元 5 5）吊點(diǎn)位置確定 5 2、計(jì)算簡(jiǎn)圖及計(jì)算載荷確定 6 1）計(jì)算簡(jiǎn)圖 6 2）載荷組合 6 3）載荷確定 6 3、力計(jì)算及內(nèi)力組合 7 1）臂架內(nèi)力計(jì)算 7 （1）臂架自重及小車移動(dòng)機(jī)構(gòu)重 7 （2）吊重 9 （3）小車輪壓對(duì)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 164、截面選擇和截面驗(yàn)算 16 （1）單臂驗(yàn)算 17 1）上弦 17 2）下弦 18 （2）腹桿驗(yàn)算 18 （3）整體穩(wěn)定性驗(yàn)算 19 （4）局部穩(wěn)定性的計(jì)算 20 （5）起重臂重量的計(jì)算 204、 設(shè)計(jì)感想： 20五、參考文獻(xiàn) 20一、課程設(shè)計(jì)目的及要求機(jī)械結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)是學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)后進(jìn)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(qiáng)對(duì)所學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)知識(shí)的理解，提高學(xué)生進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖的能力。自升式塔式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱塔吊），是建筑工地上常用的施工機(jī)械之一。塔吊設(shè)計(jì)內(nèi)容包括機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、液壓傳動(dòng)、安全裝置等等。由于塔吊的結(jié)構(gòu)用鋼量越占整機(jī)重量的2/3左右，所以合理地設(shè)計(jì)塔用結(jié)構(gòu)對(duì)于減輕整機(jī)重量、改善機(jī)械工作性能等具有重大意義。塔吊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(tái)及扶梯等。本課程設(shè)計(jì)僅對(duì)給定工作負(fù)載的自升式塔吊的“起重臂”（見圖1）進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 圖1 起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 二、設(shè)計(jì)題目1） 起重力矩（起重機(jī)為基本臂長(zhǎng)時(shí)，最大幅度X相應(yīng)額定起重量）：900KNm2） 起重量 當(dāng)幅度最大時(shí)（Rmax），起重量為1.8t； 當(dāng)幅度R=（RminRmax/2），起重量為25t。3） 變幅形式：水平臂架繩索牽引小車變幅；速度：起重機(jī)升降變幅速度為030m/min4） 吊鉤升降速度起升速度： A、 起重量為>Rmax起重量的時(shí)候?yàn)?.52m/min； B、 起重量為Rmax時(shí)為350m/min?？浙^下降速度： A、 起重量為>Rmax時(shí)為050m/min； B、 起重量為Rmax時(shí)為0100m/min。5） 回轉(zhuǎn)半徑：50m；速度：00.5r/min；起制動(dòng)時(shí)間： 4s；6） 運(yùn)行（起重機(jī)整機(jī)行走）速度： 14/min；起制動(dòng)時(shí)間： 5s；7） 起重機(jī)工作制： 中級(jí)（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：臂長(zhǎng)L:根據(jù)回轉(zhuǎn)半徑R確定（L-R=1.52.0m）；吊掛位置比例長(zhǎng)度：起重機(jī)塔架機(jī)構(gòu)： (卷揚(yáng)滾筒中心距塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心距離)=550mm；（起重臂支點(diǎn)距塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心距離）=1300mm；（塔架截面寬度）=1500mm；（起重臂支點(diǎn)距卷揚(yáng)滾筒中心高度）6500mm；三、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、 起重臂結(jié)構(gòu)方案確定1） 起重臂長(zhǎng)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(gè)箱行截面，每個(gè)箱形截面對(duì)由兩個(gè)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(qiáng)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=1.684.21，一般起重臂的截面采用格構(gòu)式正三角形，故：（在H=1.684.21的范圍內(nèi)，符合）。4）運(yùn)輸單元考慮到運(yùn)輸條件和原材料長(zhǎng)度限制，將重臂做成各個(gè)節(jié)段，即運(yùn)輸單元。各節(jié)段在工廠制成后，運(yùn)到工地，在現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)度為，中間部分每10m一段，兩邊的共6段，如下圖。5）吊點(diǎn)位置確定正確選定吊點(diǎn)位置（B點(diǎn)），對(duì)超重臂設(shè)計(jì)是否合理有很重要的意義。吊點(diǎn)將機(jī)架分為兩個(gè)部分，即懸臂部分L1和跨中部分L2.起重機(jī)作業(yè)時(shí)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(zhǎng)，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(jì)成對(duì)XX軸不對(duì)稱（圖1），因此負(fù)彎矩和正彎矩對(duì)截面從的影響并不相同，則不能簡(jiǎn)單地按彎矩條件來選擇吊點(diǎn)的合理位置。設(shè)計(jì)時(shí)選取。可選，根據(jù)，則L1=16.8m，L2=33.7m，如圖1。2、 計(jì)算簡(jiǎn)圖及計(jì)算載荷確定1） 計(jì)算簡(jiǎn)圖根據(jù)總體布置確定臂架的計(jì)算簡(jiǎn)圖。在回轉(zhuǎn)平面（即水平平面）內(nèi)，作為懸臂梁計(jì)算（圖3）；在起升平面（即豎直平面）內(nèi)，作為伸臂梁計(jì)算（圖4）。圖3 回轉(zhuǎn)平面計(jì)算簡(jiǎn)圖圖4 起升平面計(jì)算簡(jiǎn)圖2） 載荷組合起重臂結(jié)構(gòu)計(jì)算采用下列三種載荷組合：自重+等級(jí)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、種載荷組合對(duì)本起重臂不起控制作用，因此可僅按第種載荷組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。3） 載荷確定（1） 臂架自重和小車移動(dòng)機(jī)構(gòu)重量選取臂架自重為4t。選取小車移動(dòng)機(jī)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(dòng)載荷，其中起重小車重量和吊鉤重量是沿臂架移動(dòng)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(dòng)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)載荷臂架受風(fēng)載荷式中，為風(fēng)力系數(shù)，取1.3；為計(jì)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(shí)率，對(duì)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(shí)率，對(duì)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(jì)算：； ；。前片對(duì)后片的擋風(fēng)折減系數(shù)，與前片桁架充實(shí)率以及兩片桁架間隔比B/H有關(guān)，根據(jù)B/H=1.156以及=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)。吊重受風(fēng)載荷：按額定起重量重力的3%計(jì)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(shí)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(jì)算。3、 內(nèi)力計(jì)算及內(nèi)力組合1）臂架內(nèi)力計(jì)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(dòng)機(jī)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(zhǎng)度方向均勻分布q=40N/50.5m=99.01N/m，小車移動(dòng)機(jī)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：BA 內(nèi)力分析：圖6 臂架自重及小車移動(dòng)機(jī)構(gòu)重 （2） 吊重吊重計(jì)算公式為Q=（起重小車重+吊鉤重+所吊貨物重）動(dòng)載系數(shù)動(dòng)載系數(shù)是考慮到起吊貨物時(shí)，起升機(jī)構(gòu)起動(dòng)和制動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊的影響載系數(shù)，取1.3.由于吊重是移動(dòng)載荷，所以首先對(duì)以下三種工況可能對(duì)臂架產(chǎn)生的最不利影響，進(jìn)行內(nèi)力分析。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514.9415.2831.5946.8715.2831.59幅度R25.3，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(duì)起重臂下弦桿產(chǎn)生的局部彎矩吊重5t在距塔身中心25.3m時(shí)，下弦桿中AB段的局部彎矩M局。（如圖8） M局=416.47KNm由于吊重在臂架上是移動(dòng)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(jì)算出設(shè)每個(gè)輪子壓力為P=73.2/2=36.6KN，作用在AB節(jié)間（可先視為簡(jiǎn)支梁）上（圖10）分析可知，當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上輪壓作用，則當(dāng)（c為合力作用點(diǎn)至最近的輪壓之距。設(shè)C=12m）時(shí)，K截面的局部彎矩最大，即最大彎矩。由于臂架的AB段實(shí)際上不是簡(jiǎn)支梁而是連續(xù)梁，所以可近似地取36.6KN繪制內(nèi)力圖：706.3836.6KN剪力圖彎矩圖 因?yàn)樽畲髲澗攸c(diǎn)和C點(diǎn)相差不大，所以可偏安全地可取吊重在C點(diǎn)時(shí)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(shí)，臂架的計(jì)算簡(jiǎn)圖近似為懸臂梁。臂架風(fēng)載荷將風(fēng)載荷視為沿臂架全長(zhǎng)均勻分布的載荷，并作出內(nèi)力圖（如下圖）計(jì)算，q=134.4N/m ； ； 做內(nèi)力圖：圖12 臂架風(fēng)載荷A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(jì)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(jì)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。作出吊重在塔身中心50m其他水平作用下的內(nèi)力圖。此時(shí)貨物重1.8t。 計(jì)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(shí)貨物重5t。計(jì)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(jì)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(shí)針方向?yàn)椤?”； 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(hào)載荷內(nèi)力截面ABCMMQQNMMQQNMMQQN1臂架自重小車移動(dòng)機(jī)構(gòu)重0+10.0-181-115.700+100-7.8-181.2.1吊重Q在D0-15.3-243-514.900-321-15.28-2432.2Q在C0+18.2-284000+4160-2842.3Q在G0+66.0-37.2000+118-7.17-37.23.1風(fēng)載荷臂架風(fēng)載荷-169+6.79-32+1.69-68+3.283.2吊重風(fēng)載Q在D-127+0.54-8.8+0.54-13.5+0.543.3Q在C-37.9+1.500004.1其他水平力Q在D-90+1.8-30.2+1.8-45+1.84.2Q在C-250+50000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(hào)載荷內(nèi)力截面ABCMMQQNMMQQNMMQQN內(nèi)力組合吊重在D0-286-5.3+9.13-745.6-630.6-1650+4.020-2.21-126.5-23.1+5.6-745.6吊重在C0-457+28.24+13.29-465.4-115.7-320+1.690+516.5-68-7.8+3.28-465.4吊重在G00+76.020-218.6-115.70000+217.80-14.970-218.64. 截面選擇和截面驗(yàn)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(jì)算強(qiáng)度R(MPa)拉伸、壓縮和彎曲剪切端面擠壓碳鋼220210125315230220130330240230135345250240140360260250145375270260150390.鋼種的材料參數(shù)表銷軸材料：建議選用40Cr鋼（【】=420MPa；【】=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(jì)算。（1） 單臂驗(yàn)算根據(jù)臂架的受力分析，臂架在吊點(diǎn)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(jiǎn)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(jì)算出可能出此案的最大拉力和最大壓力。對(duì)最大拉力進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，對(duì)最大壓力進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)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(jì)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(qiáng)度驗(yàn)算：。（2）腹桿驗(yàn)算臂架的腹桿按軸心壓桿計(jì)算，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對(duì)格構(gòu)式壓彎?rùn)C(jī)構(gòu)的腹桿，按照實(shí)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(jī)截面由于23平面腹桿承受的Q力小，故其驗(yàn)算略。（3） 整體穩(wěn)定性驗(yàn)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(yàn)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(jì)算起重臂截面選用型材，不用進(jìn)行局部穩(wěn)定性的驗(yàn)算。（5） 起重臂重量的計(jì)算G=截面理論重量*L=105.09kg/m*50.5m=5307kg=5.3t；和最初估計(jì)的4t有點(diǎn)差距，但也相差不大。四、設(shè)計(jì)感想：這次課程設(shè)計(jì)可謂困難重重，絞盡腦汁，不過總算在規(guī)定時(shí)間的內(nèi)完成了任務(wù)。在為期兩個(gè)星期的時(shí)間里，我翻遍了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)材料力學(xué)機(jī)械手冊(cè)等書，反復(fù)計(jì)算，設(shè)計(jì)方案，繪制草圖，對(duì)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(diǎn)與耐心指導(dǎo)。一個(gè)人在兩星期內(nèi)完成這次設(shè)計(jì)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(shí)踐中運(yùn)用，更是令我印象深刻，深切體會(huì)到機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)的重要性，塔式起重機(jī)在我們的身邊到處都是，但是自己一個(gè)大學(xué)生不知道其中的道理、不會(huì)做一個(gè)基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)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(huì)用，但最后下來還是不錯(cuò)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(yùn)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(gè)層次。確實(shí)，設(shè)計(jì)過程中給了很多的數(shù)據(jù)，看了好幾遍設(shè)計(jì)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(yàn)算的時(shí)候給的公式好長(zhǎng)，也不會(huì)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(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)-機(jī)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(jī)的構(gòu)造與維修-2006.4；4、 范軍翔主編-塔式起重機(jī)-中國建材工業(yè)出版社-2004.8；