《塔吊塔頂取力裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》11000字（論文）

塔吊塔頂取力裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要伴隨著當(dāng)前我國新型城鎮(zhèn)化的進(jìn)程不斷向前推進(jìn),全國范圍內(nèi)的建筑產(chǎn)品行業(yè)也正如火若焚。塔吊是作為一種大型起重貨物運(yùn)輸裝置,在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)中扮演了十分重要的角色。一方面,塔吊在技術(shù)上具有起升重量大、作業(yè)范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn),對(duì)于提高施工效率、減少勞動(dòng)強(qiáng)度、降低了建設(shè)費(fèi)用、實(shí)現(xiàn)了工程施工機(jī)械化都起著至關(guān)重要的作用,它們是高層建筑施工過程中必不可少的大型起重交通運(yùn)輸裝置。另一方面,塔吊的服務(wù)時(shí)間長(zhǎng),整個(gè)塔吊的服務(wù)管理時(shí)間周期主要包括:塔吊安裝、頂升、使用、維修階段、拆除等管理階段,并且各個(gè)管理階段所需要的操作流程工序冗余、配套工種較多、操作技術(shù)水平要求高、現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境復(fù)雜等諸多原因,導(dǎo)致塔吊在整個(gè)服務(wù)管理階段均呈現(xiàn)高安全、風(fēng)險(xiǎn)的特征。一旦塔吊事故發(fā)生,極易造成群死集體傷亡,進(jìn)而給人們帶來很多的人力物力上的損失及不良的社會(huì)影響。傳統(tǒng)的安全觀念體現(xiàn)為對(duì)于事故的被動(dòng)接納,本質(zhì)上的安全觀念則體現(xiàn)為主動(dòng)地預(yù)防。本文將從塔頂塔吊的取力裝置出發(fā),對(duì)取力裝置進(jìn)行研究,從而使取力裝置能夠滿足施工現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)需求。關(guān)鍵詞:塔吊；取力裝置目錄TOC\o"1-3"\h\u4263摘要 125189目錄 219701緒論 3227841.1研究背景 3217311.2研究目的及意義 4142101.2.1研究目的 4234871.2.2研究意義 4240391.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5208031.3.1國內(nèi)現(xiàn)狀 5303081.3.2國外現(xiàn)狀 68501.4研究方法 6147962材料選擇 7184352.1選材基本原則及要求 7276772.2取力裝置的選材 7103653塔吊塔頂取力裝置設(shè)計(jì) 8313633.1取力裝置設(shè)計(jì)任務(wù) 8111233.1.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 8118493.2塔吊塔頂取力裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 912183.2.1滑輪設(shè)計(jì) 9175623.2.2軸的設(shè)計(jì) 11232303.2.3銷軸設(shè)計(jì) 12309723.2.4吊梁設(shè)計(jì) 1359383.2.5保護(hù)拉板設(shè)計(jì) 14166183.2.6螺栓設(shè)計(jì) 15105344塔吊塔頂取力裝置有限元方法 19104894.1有限元方法及有限元軟件 1914954.1.1有限元理論 1921564.1.2有限元軟件 21272814.2取力裝置有限元分析 2197655制造工藝 24118565.1吊梁制造 245905.1.1焊接方法選擇 24105655.1.2焊縫強(qiáng)度校核 25210516圖紙的繪制及其軟件的使用 27106836.1圖紙的繪制 27266946.2軟件介紹和使用 27268646.2.1CAXACAD電子圖板軟件介紹和使用 27204166.2.2UGNX軟件介紹及使用 28183927結(jié)論與展望 29258957.1結(jié)論 2968917.2展望 301緒論1.1研究背景塔式專用起重機(jī)又可以簡(jiǎn)稱臺(tái)式塔機(jī),別名臺(tái)式塔吊,是一種術(shù)語泛指塔機(jī)使用一個(gè)移動(dòng)臂直接安裝在一個(gè)高聳的結(jié)構(gòu)塔身上部的一種旋轉(zhuǎn)式專用起重機(jī),起源于古代西歐。主要用于對(duì)大型住宅高層建筑施工運(yùn)輸過程中對(duì)建筑物料運(yùn)輸進(jìn)行相對(duì)垂直與橫向水平自動(dòng)運(yùn)輸以及對(duì)住宅建筑物內(nèi)部構(gòu)件安裝進(jìn)行的自動(dòng)安裝。其主要功能包含了主體金屬結(jié)構(gòu),工作原理機(jī)械和電氣系統(tǒng)三個(gè)組成部分。塔式起重機(jī)塔身采用豎直的立式塔身,起重臂被直接安裝在整個(gè)立式塔身的頂部并且塔身可以自由地左右回轉(zhuǎn)360°,形成一個(gè)γ型的實(shí)際工作使用空間,由于它們可以具有較高的有效起重運(yùn)行高度和更大的實(shí)際工作使用空間。目前正朝著輕型、多用、迅捷和易安裝、運(yùn)行方便移動(dòng)靈活的發(fā)展方向快速發(fā)展。根據(jù)塔式起重機(jī)的基本主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式以及其主要使用功能和實(shí)際用途,與其他塔式起重機(jī)械的設(shè)計(jì)類型相比,它們都分別具有以下的主要設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。(1)塔機(jī)必須能夠具有一個(gè)垂直的塔身,并且有的還甚至可以根據(jù)實(shí)際建筑施工中的情況需要來進(jìn)行接高或爬升。從而使其能夠更好的有效適應(yīng)對(duì)各種建筑物結(jié)構(gòu)高度的控制需要。一般來說附著式起升塔機(jī)一般可以通過充分利用整個(gè)塔身的內(nèi)部頂升起降機(jī)構(gòu),調(diào)節(jié)塔身基礎(chǔ)節(jié)的數(shù)量,起升高度一般可達(dá)100m以上,而對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)建筑物的內(nèi)爬式起升塔機(jī),是其它各種類別的起重機(jī)所無法相比的，它可以隨著高層建筑物的升高而提升自身的高度。(2)立式塔機(jī)采用垂直式結(jié)構(gòu)塔身除了可以很好地使其適應(yīng)整個(gè)建筑物的整體高度外,還使得方便地將其非常靠近。在塔身頂部設(shè)置的起重臂,使得起重塔機(jī)的整體起重結(jié)構(gòu)可以呈現(xiàn)直角T形十字或直角Γ形,這樣就能夠做到充分利用起重幅度。(3由于塔機(jī)可以通過采取塔身軌道自行連續(xù)行走的運(yùn)輸方式,可攜帶100%的額定承載負(fù)荷沿著塔身軌道的一定長(zhǎng)度連續(xù)運(yùn)行,從而可以形成一個(gè)連續(xù)運(yùn)輸?shù)妮^大作業(yè)空間路徑,進(jìn)一步大大拓寬了作業(yè)空間區(qū)域,提高了其運(yùn)輸工作效率。REF_Ref17758\r\h[1]本文從塔頂塔吊的取力裝置出發(fā),對(duì)取力裝置進(jìn)行研究,從而使取力裝置能夠滿足施工現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)需求。并保證取力裝置的結(jié)構(gòu)合理和安全要求。1.2研究目的及意義1.2.1研究目的(1)收集整理國內(nèi)外對(duì)于塔吊塔頂取力裝置的相關(guān)文獻(xiàn)資料,深入地分析塔吊塔頂取力裝置的各個(gè)階段和工作流程,掌握各個(gè)階段的關(guān)鍵點(diǎn),為其后續(xù)的研究工作提供了理論依據(jù)。(2)建立塔吊塔頂取力裝置的力學(xué)特征模型,通過對(duì)各個(gè)階段的力學(xué)特征模型進(jìn)行了分析,找出一些可能會(huì)影響取力裝置性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié),并對(duì)其深入地進(jìn)行了分析,為我們后續(xù)的研究工作提供了理論基礎(chǔ)。1.2.2研究意義(1)通過查閱有關(guān)塔吊的設(shè)計(jì)和安全技術(shù)規(guī)程等規(guī)范、有關(guān)文獻(xiàn)資料,搜集并總結(jié)提煉出塔吊的基本參數(shù),較為系統(tǒng)地總結(jié)了塔吊取力裝置的操作流程和其中需要指導(dǎo)和注意的一些關(guān)鍵點(diǎn)。(2)根據(jù)塔吊取力裝置本身的結(jié)構(gòu)以及實(shí)際使用的特性,結(jié)合有限元分析軟件設(shè)計(jì)的研究方法,建立了塔吊取力裝置在不同階段的力學(xué)特點(diǎn)和模型,通過這種模型分析了各個(gè)階段對(duì)取力裝置產(chǎn)生重要影響的關(guān)鍵因素。(3)充分運(yùn)用力學(xué)專業(yè)知識(shí),針對(duì)各種影響塔吊取力設(shè)備的關(guān)鍵點(diǎn)和重要部位,進(jìn)行更加深入而合理的受力分析,能夠?yàn)樗跞×υO(shè)備的安全和監(jiān)控工作提供可靠有效的信息資料庫及技術(shù)基礎(chǔ)。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國內(nèi)現(xiàn)狀目前對(duì)于我國塔式起重機(jī)的自主研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)和其它的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展已經(jīng)具有50多年來的歷史,經(jīng)歷了一個(gè)從使用傳統(tǒng)的塔式測(cè)繪到模具設(shè)計(jì)仿制再到自主設(shè)計(jì)和開發(fā)制造的漫長(zhǎng)過程。20世紀(jì)50年代,為了能夠充分滿足世界各國國民經(jīng)濟(jì)和公共社會(huì)設(shè)施建設(shè)的實(shí)際需求,引進(jìn)前蘇聯(lián)以及當(dāng)時(shí)東歐一些新興地區(qū)和發(fā)達(dá)國家的塔式高空起重機(jī),并對(duì)其進(jìn)行了大量仿制。1954年德國仿制前是由民主德國技術(shù)人員所自行設(shè)計(jì)的專門為德國建筑師一人施工型塔式塔體起重機(jī),我國第一臺(tái)新型TQ2-6型塔式起重機(jī)是在遼寧大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試制成功的。然后又依據(jù)幾年前蘇聯(lián)的原型樣機(jī),研制生產(chǎn)出15T與25T塔式重型起重機(jī),這時(shí)我國目前所正在生產(chǎn)和發(fā)展使用的塔式重型起重機(jī)機(jī)種數(shù)量都比較少。直到1960年,我國才逐步開始進(jìn)入了企業(yè)自行設(shè)計(jì)和開發(fā)制造塔式高空起重機(jī)。1961年首先在中國北京工廠試制成功了一種被命名為中國紅旗-Ⅱ型塔式重形起重機(jī),它也被外界認(rèn)為可能是目前為止我國最早的一種自行設(shè)計(jì)塔式重型起重機(jī)。隨后,我國又陸續(xù)進(jìn)行了自己的研究設(shè)計(jì)和開發(fā)制造了如TQ-6型等塔式專用起重機(jī),直到20世紀(jì)60年代中期，在我國各地均累計(jì)塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)商家10余家,共生產(chǎn)塔式重型起重機(jī)360多臺(tái)。這些塔式起重機(jī)均為下回轉(zhuǎn)動(dòng)臂式，可整體拖運(yùn)，能滿足六層以下民用建筑施工的需要。從20世紀(jì)70年代以來至今起,由于對(duì)塔式建筑物工程施工的不斷需求,我國塔式建筑起重機(jī)已經(jīng)逐步發(fā)展達(dá)到了工業(yè)技術(shù)水平不斷提升和技術(shù)種類不斷增多的新發(fā)展繁榮階段。到1980年,我國塔式重型起重機(jī)相繼進(jìn)入發(fā)展并逐步出現(xiàn)了不少具有創(chuàng)造性的新技術(shù)產(chǎn)品,主要機(jī)型包括QTSOA、QTZl00、QTZl20等自動(dòng)頂升式塔式重型起重機(jī)。這一系列產(chǎn)品的綜合性能基本上都非常接近于國外70年代的產(chǎn)品水平。該生產(chǎn)階段的最大年同期生產(chǎn)設(shè)備容量每年可能會(huì)達(dá)到1400臺(tái)。與此同時(shí),隨著近年我國政治經(jīng)濟(jì)體制改革的深入開放和境內(nèi)國際之間科學(xué)技術(shù)合作交流的日益增多,為了充分滿足我國建筑物工程施工的特殊技術(shù)需要,也從國外直接進(jìn)口引進(jìn)一些塔式建筑起重機(jī),由于國外塔式起重機(jī)的制造工藝質(zhì)量相對(duì)較好,技術(shù)上的性能也相對(duì)先進(jìn),極大地推動(dòng)了我國塔式起重機(jī)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和制造工藝技術(shù)發(fā)展。自從1990年之后,我國塔式起重機(jī)工程行業(yè)伴隨著整個(gè)建筑工程領(lǐng)域的數(shù)量和質(zhì)量的上升和發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的興盛階段,每年生產(chǎn)率連年攀升,并且已經(jīng)有部分產(chǎn)品向國外出口。至此,無論從其主要生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模、應(yīng)用領(lǐng)域以及塔式起重機(jī)的出口總量等幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行衡量,我國可以堪稱塔式起重機(jī)大國。1.3.2國外現(xiàn)狀現(xiàn)今存在我國塔機(jī)制造行業(yè)國際市場(chǎng)中最為紅火的兩個(gè)地區(qū)分別是東歐、亞太,尤其多的是東南亞。目前主要活躍于歐洲國際市場(chǎng)的知名品牌廠商主要產(chǎn)品包括:來自德國的Liebherr,Wolff,Peiner,法國的Potain,BPR,澳大利亞的Favco,芬蘭的Betrox等。這些國際巨頭塔機(jī)廠商們?yōu)榱瞬粩鄶U(kuò)大自己在目前國際上大型塔機(jī)設(shè)備制造業(yè)中所能獨(dú)占的市場(chǎng)份額,無一不非常注重于下大力氣進(jìn)行自己相關(guān)塔機(jī)產(chǎn)品的不斷改良與技術(shù)更新。近年來,國外大型塔機(jī)在各種新能源塔機(jī)產(chǎn)品開發(fā)上,更加受到關(guān)注的是經(jīng)濟(jì)型塔機(jī)的技術(shù)開發(fā),將其產(chǎn)品延伸發(fā)展到塔機(jī)系列化,保證大型塔機(jī)安全正常工作運(yùn)行,并且大型塔機(jī)上已經(jīng)逐漸開始大量應(yīng)用其他的一些高新技術(shù),一些大型塔機(jī)生產(chǎn)廠家根據(jù)自身實(shí)際需求也選擇了專門的技術(shù)設(shè)備,包括塔機(jī)監(jiān)測(cè),診斷,保障系統(tǒng)。國外塔機(jī)十分重視駕駛室的空間處理,為了能提升駕駛員們?cè)谳^長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)正常工作的安全舒適度而重新設(shè)計(jì)并推出了隨機(jī)裝配。在起重機(jī)中一個(gè)很重要的部件是取力裝置。取力器裝置的功能就是將整個(gè)臂架系統(tǒng)提升至工作所需要的高度，以此保證塔吊的生產(chǎn)需要。1.4研究方法(1)文獻(xiàn)綜述法通過參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),總結(jié)分析以結(jié)果為導(dǎo)向使研究更有針對(duì)性,為研究提供理論基礎(chǔ)。(2)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研法通過對(duì)所有大型塔吊工作參與者在施工現(xiàn)場(chǎng)的工作情況分析進(jìn)行深入數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,了解所有塔吊現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)的環(huán)境。以便于保證本工程課題重點(diǎn)研究項(xiàng)目結(jié)果的科學(xué)實(shí)用性和研究相關(guān)技術(shù)要素的真實(shí)性和可靠性。(3)模型分析法根據(jù)塔吊取力裝置自身的結(jié)構(gòu)及其工作性質(zhì),建立了力學(xué)特點(diǎn)模型,并結(jié)合有限元分析軟件,從而促進(jìn)了結(jié)構(gòu)分析能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)潔和有效的目標(biāo)。以及便于進(jìn)行較為合理的實(shí)證分析。2材料選擇2.1選材基本原則及要求在取力裝置的設(shè)計(jì)過程中，零件材料的選擇也是至關(guān)重要的一個(gè)基本環(huán)節(jié)，材料的好壞直接影響其金屬零件的各項(xiàng)性能，所以正確且合理的選材就十分的重要。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件而言，國家均做了統(tǒng)一規(guī)格要求，我們只需要查閱相關(guān)手冊(cè)即可。選材的一般原則：要看金屬零件在設(shè)計(jì)和制造時(shí)的基本要求，首先，要看金屬零件的工作環(huán)境，比如溫度的變化會(huì)引起金屬零件的變形，只有考慮了零件的工作環(huán)境，我們才能初步確定需要使用的材料。其次，分析其構(gòu)件的工藝性能及力學(xué)性能，材料的工藝性能是選材的一個(gè)核心指標(biāo)，因?yàn)榱慵募庸し椒ú煌?將直接影響其質(zhì)量和性能。然后，在選材時(shí)我們首先考慮到該材料的經(jīng)濟(jì)支出,不僅要考慮該材料的價(jià)格，更要考慮加工零件過程中投入的其他資金。我們可以依據(jù)價(jià)值工程的原理來算出材料的價(jià)值，在對(duì)材料的使用壽命等進(jìn)行一系列比較，便能選出最適合我們的金屬材料。最大可能的降低產(chǎn)品的加工成本。2.2取力裝置的選材參考以上選材原則和要求，對(duì)取力裝置的選材做以下幾點(diǎn)簡(jiǎn)要分析。取力裝置的工作環(huán)境在室外,溫度變化較大,容易接受到大氣和雨水的侵蝕,在選擇材料時(shí)要優(yōu)先選用耐高、低溫的和不易腐蝕的金屬材料。從受力狀態(tài)來分析，取力裝置主要受彎矩影響，容易發(fā)生彎曲變形或脆性斷裂。在選擇材料時(shí)對(duì)金屬材料的強(qiáng)度、剛度等有較高的要求。再從安全性角度分析，適當(dāng)加大各系數(shù)指標(biāo)，如屈服極限、強(qiáng)度極限和疲勞極限等。為了便于取力裝置的安裝，采取焊接的方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定。所以，在選擇材料時(shí)需要考慮材料的焊接性能。考慮以上選材標(biāo)準(zhǔn)和要求，再參考《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》選材規(guī)范，我們規(guī)定部分結(jié)構(gòu)材料如下：滑輪及液力傳動(dòng)軸一般選用45號(hào)大型鋼,因45號(hào)大型鋼主要采用的材料是優(yōu)質(zhì)大型碳素鋼體結(jié)構(gòu)的大型鋼,屬于一種大型機(jī)械工業(yè)使用大型鋼,主要用途適合用于制造各種大型機(jī)械使用零部件,如滾動(dòng)軸的輥類、齒輪、滑輪等。且45號(hào)鋼為中碳鋼,可以直接進(jìn)行淬火加工,其經(jīng)過熱處理后的強(qiáng)度與硬度較高,故特別適宜制作滑輪,用于要求承受力較大及耐磨性能良好的應(yīng)用場(chǎng)合。吊梁、保護(hù)拉板、軸端擋板均選用Q235-B鋼材,因Q235是一種普通建筑結(jié)構(gòu)鋼,屬于工程使用鋼,主要廣泛應(yīng)用作各種鋼構(gòu)件,如三角形鋼、槽鋼、工字鋼、鋼板。且Q235屬于低碳鋼,其可塑性相對(duì)比較高,但它的強(qiáng)度相對(duì)比較低,適宜于拉伸、壓延等加工,如用來制作類型的零件、板材等,故更適宜于制作各種類型的板材。軸套選擇20鋼,因20型軸套主要是用來制造承載能力較小,而對(duì)強(qiáng)度和韌性要求較高的各類機(jī)械部件。且20鋼的價(jià)格在4000元/噸,相比較與45鋼及Q235-B鋼價(jià)格較低,且軸套相比較軸、吊梁等零件受力較小,所以軸套采用20鋼。銷軸采用40Cr，因銷軸是連接取力裝置與塔頂框架的關(guān)鍵部位，所以要其力學(xué)性能要求較其他零件較高。40Cr調(diào)質(zhì)之后的硬度及抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能都遠(yuǎn)優(yōu)于上述鋼材，故選用40Cr來制作銷軸。3塔吊塔頂取力裝置設(shè)計(jì)塔吊取力裝置主要由五部分組成：吊梁部分，保護(hù)拉板部分，銷軸部分，軸套部分，滑輪部分。提升機(jī)構(gòu)通過鋼絲繩連接取力裝置，從而有效控制臂架的高度。使其塔吊達(dá)到其生產(chǎn)需求。3.1取力裝置設(shè)計(jì)任務(wù)3.1.1設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（1）必須符合塔吊取力裝置的基本參數(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)，通過行業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)范來計(jì)算取力裝置的整體結(jié)構(gòu)的完整性合理性（2）設(shè)計(jì)中選擇合適的材料時(shí)，要依據(jù)性能和受力的極限要求選擇最為合適的材料。3.2塔吊塔頂取力裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析3.2.1滑輪設(shè)計(jì)取力裝置的作用是控制臂架的高度，使其達(dá)到生產(chǎn)需求。則吊起臂架所需的力為：N1=（12000+5818+2500+28737+1634+980+10102+2000+2207+1180）×9.8=658148.4N又因臂架工作時(shí)受風(fēng)壓影響則計(jì)算時(shí)還要加入風(fēng)壓?？芍奂艿南卤砻娣e為S=（19940+38000）×1800=104292000mm2=104.292m2又因臂架系統(tǒng)的高度變化范圍為3.6m-76m，則最大工作風(fēng)壓為N2=7.6×30×104.292=23778.576N則總拉力為N3=658148.4+23778.576=681926.976N根據(jù)了解鋼絲繩最大拉力為80000N，而總拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼絲繩的最大拉力。故采用添加動(dòng)滑輪的方式減小總拉力。如下圖由圖可知，圖中存在兩個(gè)動(dòng)滑輪則總拉力N3變?yōu)樵瓉淼?/4，即N0=681926.976÷4=170481.744N可知鋼絲繩最大拉力為80000N由上面的計(jì)算可知需3根鋼絲繩才能達(dá)到要求。通過UG軟件繪圖可知外切圓的直徑為56mm。即可知滑輪輪槽應(yīng)大于56mm。為保證滑輪能夠滿足生產(chǎn)所需的力學(xué)性能，參照《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》滑輪的直徑選取650mm，寬度為81mm，槽寬為61mm，軸孔直徑為130mm保證滿足滑輪工作時(shí)所給軸帶來的彎矩。確保取力裝置的安全性能達(dá)標(biāo)。除此之外，由于塔吊塔頂取力裝置工作在高空環(huán)境。因此，滑輪需采用嚴(yán)密密封性滑輪，防止高空中的灰塵，雨水等等進(jìn)入滑輪導(dǎo)致滑輪生銹。致使滑輪無法正常工作。如圖3.2.2軸的設(shè)計(jì)由滑輪設(shè)計(jì)可得N0=170481.74N，則軸的力的大小為N0加上滑輪的重力即F=170481.74+（114.6-23）×9.8=171379.42N因滑輪軸為心軸，所以只承受彎矩而不承受扭矩。則滑輪軸的彎矩為M=F×L/2=171379.42×81/2=6940866.51N·mm式中M——軸所受的彎矩，N·mmF——總重力，NL——軸段總長(zhǎng)，mm則抗彎截面系數(shù)為W=0.1d3=0.2×1303mm3=439400mm3式中＝M/W=6940866.51/439400MPa=15.80MPaW——抗彎截面系數(shù)，mm3d——軸端直徑，mm——彎曲應(yīng)力，MPa由上文可知選定軸的材料為45鋼，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,根據(jù)軸的常用材料及其主要力學(xué)性能查表得許用彎曲應(yīng)力=60MPa。因此，＜，故安全，符合設(shè)計(jì)要求。由滑輪設(shè)計(jì)可知軸孔直徑為130mm，滑輪與軸之間為間隙配合。因此軸的直徑應(yīng)比滑輪的軸孔小1~3絲。保證滑輪可以滑動(dòng)。為保證滑輪的定位。還需在軸的兩端加裝軸端和墊圈。并用兩個(gè)螺栓加以固定。保證其裝置穩(wěn)定性。即滑輪裝配如圖3.2.3銷軸設(shè)計(jì)取力裝置安裝在塔頂框架下，吊梁與框架通過銷軸固定，為過盈配合。故銷軸1選取直徑為50mm，長(zhǎng)為145mm。軸端直徑65mm，鍵槽寬度8mm。銷軸2選取直徑為50mm，長(zhǎng)為210mm，軸端直徑65mmm，鍵槽寬度8mm。如圖3.2.4吊梁設(shè)計(jì)塔吊塔頂取力裝置采用的是固定式吊梁，為防止吊梁在工作過程中出現(xiàn)變形，裂紋和異常聲響。選取20mm與8mm鋼板利用焊接的方法制作吊梁。如圖3.2.5保護(hù)拉板設(shè)計(jì)保護(hù)拉板采用板環(huán)式拉力傳感器，主要用于測(cè)量起重機(jī)是否超力矩，起到了保護(hù)滑輪組的作用，且有利于滑輪組的拆卸，從而避免碰撞滑輪組上的關(guān)鍵部位。因此應(yīng)選取12mm和6mm的鋼板制作。如圖3.2.6螺栓設(shè)計(jì)軸和吊梁是由兩個(gè)M16×45螺栓來完成固定的，因要確保連接的安全可靠性，連接螺栓應(yīng)施加相當(dāng)大的預(yù)緊力，同時(shí)螺栓也受傾覆力矩的作用，因此按照受軸向載荷緊螺栓來設(shè)計(jì)研究。螺栓的分布情況為了使每個(gè)螺栓的連接接合面間受力均勻，并且便于加工和裝配。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮以下幾方面的問題：為了使螺栓組的對(duì)稱中心和接合面的形心重合，以此來保證接合面受力比較均勻。接合面的形狀通常都被設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱形狀，如圓形、矩形、多邊形等。螺栓的排列的間距、邊距。布置螺栓時(shí)，各螺栓軸線間以及螺栓軸線和機(jī)體壁間最小距離，都應(yīng)根據(jù)扳手所需活動(dòng)空間的大小來定。綜合考慮其螺栓分布如圖所示：螺栓的計(jì)算單個(gè)螺栓受傾覆力矩時(shí)受力的計(jì)算公式式中：——單個(gè)螺栓所受的力；——每個(gè)螺栓到力矩水平彎矩中心線的距離（mm）；——螺栓到墊片的距離。受軸向靜載荷螺栓的強(qiáng)度根據(jù)上式可以確定，在距離中心線最遠(yuǎn)處的螺栓承受的力最大，即 由于工作載荷過大導(dǎo)致預(yù)緊力太小的情況，此時(shí)就會(huì)在接合面出現(xiàn)縫隙的情況，該情況是絕對(duì)不可以發(fā)生的。應(yīng)使剩余預(yù)緊力＞0來確保連接面的緊密性。一般連接，當(dāng)工作載荷發(fā)生變化時(shí)，=（0.6-1.0）F.因此螺栓的總拉力Q等于剩余預(yù)緊力與工作拉力F的代數(shù)和。即 因此其危險(xiǎn)截面的的拉伸強(qiáng)度因素是： 式中：Q——總拉力；——螺栓的危險(xiǎn)截面直徑（取螺栓小徑）；——螺栓材料的許用應(yīng)力。根據(jù)所提供的數(shù)據(jù)螺栓的規(guī)格為：10.9級(jí)標(biāo)準(zhǔn)螺栓，直徑16mm，長(zhǎng)度45mm。查閱課本《機(jī)械設(shè)計(jì)》（高等教育出版社，濮良貴、陳國定、吳立言主編，第十版）表（5-9)得：屈服強(qiáng)度=900Mpa，表（5-10）得S=2.5，按GB/T5387-2000，螺栓公稱直徑取M16，螺距P=2mm，小徑=15.65mm。螺栓材料許用應(yīng)力如下計(jì)算所示：=900/2.5=360Mpa。將上面的數(shù)據(jù)帶入上式中得：=53242.384N則總拉力Q小于螺栓滿足的最大值，取消殘余預(yù)緊力，所以可以確定工作拉力F為總拉力Q的1/2。對(duì)一般連接用的鋼制螺栓連接的預(yù)緊力：對(duì)于碳素鋼螺栓來說，；對(duì)于合金鋼螺栓來說，。式中：——螺栓材料的屈服強(qiáng)度；——危險(xiǎn)截面的面積，。查表得=96.13N。接合面的強(qiáng)度計(jì)算為了有效防止接合面受力最大處出現(xiàn)裂縫或者被壓碎，所以要求受載后的接合面的擠壓應(yīng)力的最大值低于吊梁最弱的材料的許用值，即 式中：——接合面在受載荷之前由于預(yù)緊力而產(chǎn)生的擠壓力，；——接合面有效面積，；——因?yàn)榧虞d的作用而在地面接合面處產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力的最大值，且；——吊梁的相對(duì)剛度，；——螺栓的相對(duì)剛度，查機(jī)械設(shè)計(jì)課本可得金屬墊片值是0.2到0.3，這里取0.2；——吊梁接合面材料的許用應(yīng)力。接合面的許用應(yīng)力見表所示。可查這里的許用應(yīng)力是螺栓材料屈服強(qiáng)度的80%，即=0.8。（2）預(yù)緊力的校核 式中：——施加的預(yù)緊力；——螺栓需要的最大預(yù)緊力。 式中：——扭矩扳手的扭緊系數(shù)，這里取1.6；——螺栓中的殘余預(yù)緊力，=0.6；——螺栓相對(duì)剛度，這里取0.158；0.65——考慮外力作用位置差異系數(shù)；——接合面處因變形引起的預(yù)緊力損失，其值為 式中：——全部連接件的彈性形變之和，其值為 ——鋼的彈性系數(shù)，這里取1.6。計(jì)算得=444100N4塔吊塔頂取力裝置有限元方法4.1有限元方法及有限元軟件4.1.1有限元理論有限元設(shè)計(jì)方法理論是當(dāng)前最有效的一種數(shù)學(xué)理論化和計(jì)算分析方法,在當(dāng)今各種各樣需要深刻解決的復(fù)雜性和實(shí)際電子工程設(shè)計(jì)問題中已經(jīng)逐漸得到了十分廣泛的實(shí)際應(yīng)用。由于工業(yè)現(xiàn)代化和計(jì)算機(jī)電子科學(xué)信息技術(shù)的快速進(jìn)步與不斷飛速發(fā)展以及相關(guān)有限元計(jì)算理論的進(jìn)一步發(fā)展完善,有限元計(jì)算方法以及仿真器在模擬技術(shù)研究中所取得的一些相關(guān)技術(shù)理論研究成果也越來越多地用于切合實(shí)際的解決問題,因此也日益受到了專家學(xué)者和專業(yè)工程師們的廣泛青睞。有限元方法具有以下幾種特性:(1）對(duì)于復(fù)雜幾何構(gòu)型的適應(yīng)性由于每一種單元均有著不同的大小和形狀,在空間中以一定的點(diǎn)、面、體等形式出現(xiàn),例如是四面體、五面體及六個(gè)正方面體雖然它們的外型不同,但均被認(rèn)為是一種屬于三維的單元。各種單位之間的聯(lián)接方式還有多種不同的形式。所以,從某些意義上來說,在實(shí)際工作時(shí)碰到的各類復(fù)雜的結(jié)構(gòu)均都可以通過利用有限元的思想,將其離散成若干個(gè)微小的單元體(2）對(duì)于各種物理問題的可適用性在一個(gè)有限元函數(shù)理論中,對(duì)于函數(shù)所有的需要滿足對(duì)應(yīng)的每個(gè)方程和其形式都一定是任意的,對(duì)于每一函數(shù)單元所有的需要滿足對(duì)應(yīng)的每個(gè)方程和其形式都不一定存在任何限制。所以,盡管最早它只是為了用來研究和幫助解決橡膠線性和粘彈性的流體應(yīng)力力學(xué)分析這個(gè)重要問題,才逐漸性地開始研究發(fā)展了新型有限元分析方法,但由于這些新型有限元分析方法的廣泛和普適性,很快就被廣泛應(yīng)用于用來研究和幫助解決橡膠彈塑性力學(xué)問題、黏彈性的塑性力學(xué)問題、熱傳導(dǎo)性力學(xué)問題等等。并且我們不僅可以通過綜合利用函數(shù)有限元的耦合方法分析來精確解釋多種場(chǎng)論中函數(shù)之間相互作用耦合的各種物理數(shù)學(xué)問題,進(jìn)行函數(shù)求解后的耦合,從而對(duì)其結(jié)果進(jìn)行精確有效的耦合分析。(3）推導(dǎo)過程的嚴(yán)密性有限元方程的推導(dǎo)是建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)思想和理論基礎(chǔ)上:以積分為形式的變分原理和加權(quán)剩余法。若原問題的數(shù)學(xué)模型之間沒有任何誤差,那么單元個(gè)數(shù)就會(huì)越多(也就是說單元大小和尺寸就會(huì)越小)和插值函數(shù)的階次就會(huì)越高,則有限元方法的理論求解將會(huì)越來越接近真正的求解。(4）適合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的高效性由于許多有限元代數(shù)分析方程中的最簡(jiǎn)單元素如位移、場(chǎng)積和函數(shù)都認(rèn)為是矩陣可以被簡(jiǎn)單地將其表述出來成為統(tǒng)一的一個(gè)矩陣代數(shù)形式,這就是說,對(duì)于能夠求解復(fù)雜性和實(shí)際中的工程物理問題的矩陣方法也同樣可以將其總結(jié)出來成為對(duì)矩陣的一個(gè)代數(shù)分析方程。由于個(gè)人電腦的各種工作系統(tǒng)性質(zhì)和功能特點(diǎn),其中所具有的包括機(jī)械化、程序化等不可編程數(shù)學(xué)功能,它們都已經(jīng)可以被很好的廣泛應(yīng)用來達(dá)到對(duì)該類數(shù)學(xué)問題的統(tǒng)計(jì)處理和分析求解。因此,隨著應(yīng)用現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)以及對(duì)復(fù)雜數(shù)值電子計(jì)算應(yīng)用手段和設(shè)計(jì)方法的不斷持續(xù)改進(jìn),利用電子有限元計(jì)算技術(shù)的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用來正確處理大型復(fù)雜電子工程設(shè)計(jì)問題已經(jīng)逐漸變得愈加必要。4.1.2有限元軟件隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和有限元理論的不斷進(jìn)步和發(fā)展,當(dāng)前全球各國己經(jīng)研發(fā)了大量的適用于不同類型工程問題而又功能強(qiáng)勁的通用有限元分析軟件。比如:UG、AbAQUS、ANSYS、COMSOLMULTIPHYSICS、SAP系列等。根據(jù)本文研究?jī)?nèi)容的要求,本文選擇UG有限元分析軟件進(jìn)行建模。REF_Ref12286\r\h[1]UG(Unigraphicsnx),這是公司SIEMENSPlMSOFTWARE公司自主開發(fā)和生產(chǎn)出品的一個(gè)適合專門從事工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和工程師的服務(wù)器軟件解決系列方案,它為廣大中國用戶的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其在生產(chǎn)過程加工整個(gè)生產(chǎn)流程中環(huán)節(jié)提供了一種完全數(shù)字化的產(chǎn)品造型和高可驗(yàn)證性的技術(shù)手段。UG針對(duì)廣泛行業(yè)用戶的各種虛擬主機(jī)器件開發(fā)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和軟件生產(chǎn)工藝的不同需求,并且充分考慮滿足了各種產(chǎn)品專業(yè)化和工業(yè)化的開發(fā)需求,提供了多年行業(yè)實(shí)踐和應(yīng)用驗(yàn)證的虛擬軟件開發(fā)解決模式方案。這使它采用了一個(gè)基于交互式的的CAD/CAM(用于計(jì)算機(jī)圖形輔助設(shè)計(jì)與應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形輔助軟件制造)的操作系統(tǒng),它功能強(qiáng)大,可以很容易地用來實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜的圖形實(shí)體和軟件造型。主要的業(yè)務(wù)功能范圍包括:大型工業(yè)零件設(shè)計(jì),產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工程仿真,確認(rèn)和設(shè)計(jì)優(yōu)化,CNC零件加工,模具設(shè)計(jì)。4.2取力裝置有限元分析利用UG對(duì)取力裝置進(jìn)行有限元分析過程的步驟主要包括以下三步：（1）建立有限元模型（2）加載求解（3）查看求解結(jié)果取力裝置正常工作時(shí)作用在其上的力較為集中。支撐滑輪的軸為關(guān)鍵部位。利用UG軟件進(jìn)行有限元分析，其整個(gè)過程不考慮慣性與阻尼的阻礙。保證靜載荷不變，靜力學(xué)分析其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移與應(yīng)變亦或其他因素的受力。通過以上操作分析，得出軸部分最大應(yīng)力值、最大變形量數(shù)值及安全系數(shù)，與規(guī)定的數(shù)值值相比較。得出取力裝置是否滿足設(shè)計(jì)方案的要求。通過有限元分析確定軸上較容易出現(xiàn)危險(xiǎn)的地方，與實(shí)際工作情況下出現(xiàn)危險(xiǎn)情況的地方是否一致。首先，通過軟件創(chuàng)建各部分的結(jié)構(gòu)模型。然后，需要在其零部件模型各部位輸入各種載荷數(shù)值和相應(yīng)的參數(shù)值。最后，用力學(xué)分析模塊指令對(duì)其部位進(jìn)行具體分析，從而獲得一系列的試驗(yàn)結(jié)果。通過對(duì)比，甄選出符合我們?cè)O(shè)計(jì)要求的試驗(yàn)方案。在通過有限元軟件分析以后，得出軸的實(shí)際受力情況，并生成受力圖。如圖所示。從軟件中得出軸的最大變形量，查閱相應(yīng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，進(jìn)行結(jié)果比對(duì)。與設(shè)計(jì)時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行比較，若不滿足規(guī)定要求則需進(jìn)行修改或重新制定設(shè)計(jì)方案。取力裝置在有限元分析后，查閱相關(guān)結(jié)構(gòu)件的最大變形量值進(jìn)行對(duì)比。最終的軸部件都在應(yīng)力變形的安全范圍內(nèi)，由此得出其有較高的抗彎曲能力。分析軸的等效應(yīng)力圖，可得在極限載荷下其結(jié)構(gòu)的變形量仍在合理的范圍內(nèi)。有限元軟件分析，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，使其結(jié)構(gòu)受力分布效果大大增加，證實(shí)了現(xiàn)實(shí)中取力裝置在遭遇極端受力情況下，仍然可以保證其整體結(jié)構(gòu)的安全性。說明取力裝置實(shí)際使用效果和設(shè)計(jì)的理想效果基本相符合。5制造工藝隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，建筑施工對(duì)塔吊的安全性能，使用性能要求更高。塔吊結(jié)構(gòu)焊接工藝對(duì)塔吊保證產(chǎn)品質(zhì)量起著重要作用。下面，就塔吊結(jié)構(gòu)焊接工藝的關(guān)鍵問題作了探討并提出解決方案。在塔吊結(jié)構(gòu)中，占有最高的比例的結(jié)構(gòu)就是焊接結(jié)構(gòu)，其直接影響塔吊的使用安全，焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，用或不用填充材料，使焊件達(dá)到結(jié)合的一種加工工藝方法。因此焊接工藝是塔吊結(jié)構(gòu)制造工藝的重點(diǎn)。取力裝置的制造也采用焊接的方法。5.1吊梁制造5.1.1焊接方法選擇因吊梁的鋼板的厚度較厚且均為垂直關(guān)系，所以選取三角焊的焊接方法較為合適。三角焊：是指將兩塊\t"/item/%E8%A7%92%E7%84%8A/_blank"金屬\t"/item/%E8%A7%92%E7%84%8A/_blank"垂直連接在一起的過程。這些焊縫通常被稱為Tee接頭——兩個(gè)相互\t"/item/%E8%A7%92%E7%84%8A/_blank"垂直的金屬片，或Lap接頭--兩片重疊并在邊緣\t"/item/%E8%A7%92%E7%84%8A/_blank"焊接的金屬片。焊縫的形狀是美觀的三角形，根據(jù)焊工的技術(shù)，焊縫可以有\(zhòng)t"/item/%E8%A7%92%E7%84%8A/_blank"凹面，\t"/item/%E8%A7%92%E7%84%8A/_blank"平面或\t"/item/%E8%A7%92%E7%84%8A/_blank"凸面。5.1.2焊縫強(qiáng)度校核角焊縫受力比較復(fù)雜，通過查閱表明角焊縫破壞通常發(fā)生在沿45°截面如圖角焊縫的有效厚度he，即：he=0.7hf。有效截面面積為有效厚度he與焊縫計(jì)算長(zhǎng)度Lw的乘積。則有——拉（壓）應(yīng)力，N/mm2——剪切應(yīng)力，N/mm2將進(jìn)一步分解為應(yīng)力、：——角焊縫抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2——角焊縫的強(qiáng)度增大系數(shù)通過對(duì)取力裝置上吊梁的分析可知：焊縫只承受剪切應(yīng)力。即可以開始對(duì)焊縫的強(qiáng)度進(jìn)行校核。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：he=0.7hf=5.6mmLw=144mmNy=171379.42N則有=212.524N/mm2，再有因?yàn)榈趿褐皇芗羟辛λ岳瓑毫榱?。則可得出焊縫在遭遇極端受力情況下，仍然可以保證其整體結(jié)構(gòu)的安全性。保證焊縫的穩(wěn)定安全。滿足其生產(chǎn)需求。6圖紙的繪制及其軟件的使用6.1圖紙的繪制取力裝置的設(shè)計(jì)，所需要繪制的圖紙包括二維平面零件圖、二維平面裝配圖、三維零件造型圖、三維裝配圖，我們使用到CAXACAD電子圖板、AUTOCAD、UGNX10.0繪圖軟件，它們能夠幫助我們快速繪制圖紙、零件的裝配和對(duì)圖紙進(jìn)行修改。6.2軟件介紹和使用6.2.1CAXACAD電子圖板軟件介紹和使用CAXA電子圖板是我國近年來使用廣泛的一款計(jì)算機(jī)繪圖軟件。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，得到了較為廣泛的使用。比如，在機(jī)械、基建或微量工程行業(yè)等均得到了十分廣泛的使用。它的出現(xiàn)讓設(shè)計(jì)變得更加方便和快捷。電腦繪圖和傳統(tǒng)手工繪圖相比較，電腦繪圖方便我們后期對(duì)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的修改，節(jié)省了我們手工繪圖的時(shí)間，降低了設(shè)計(jì)任務(wù)量。CAXA電子圖板的功能有很