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1、课题来源 导师课题 课题类别 工程设计一、论文资料的准备(一) 塔式起重机概述塔式起重机是一种塔身树立起重臂回转的起重机械，简称塔机，也叫塔吊，起源于西欧。具有工作效率高、使用范围广、回转半径大、起升高度大、操作方便以及安装与拆卸比较简便等特点。主要完成在高层建筑施工中预制构件及其他建筑材料与工具等吊装工作。塔式起重机必须具备下列特点： 起升高度和工作幅度较大、起重力矩大； 工作速度高，具有安装微动性能及良好的调速性能； 要求拆装运输方便迅速，以适应频繁转移工地的需要。(二) 国外塔式起重机的发展现状国外塔机发展的主要代表性国家或地区有：欧洲、日本、澳大利亚。从 20 世纪 90 年代开始，欧
2、洲塔机行业缓慢复苏，目前欧洲生产塔机的国家有德国、法国、英国、意大利、俄罗斯、西班牙、瑞典、丹麦等，主要厂家有法国 Potain，德国Liebherr、Peiner、Wolff，意大利 Comedil，丹麦 Kroll,西班牙 Comansa。在产量、系列品种、技术水平等方面，德国的 Liebherr 和法国的 Potain 在世界上居领先地位，Potain目前在法国、德国、意大利、葡萄牙、中国的工厂生产 60 多种型号塔机，迄今为止已在全球销售了超过 100000 台塔机，其中被国内行业熟知的 FO/23B、H3/36B 是我国 1984 年从Potain 引进技术生产的。2003 年，Po
3、tain 为南京长江第三大桥工程提供的 MD3600（最大起重力矩为 3600tm） ，是 Potain 迄今为止建造的最大塔机。20 世纪 80 年代，日本塔机行业开始缓慢复苏，1987 年开发了 900tm 级内爬式自升塔机，1990 年，日本最著名的塔机生产商石川岛( IHI)公司开发了日本国内最大的 1500tm级内爬式自升塔式起重机 JCC1500H（最大起重量 70t） ，其在日本大吨位塔机市场中占有份额最高。截至目前，日本内爬塔机的主要机型有：80tm 级、150tm 级、400tm 级、450tm级、500tm 级、600tm 级、900tm 级、1500tm 级。另外，还开发
4、了利用钢结构大楼钢立柱为塔身的钢柱塔身内爬式塔式起重机，使塔机结构更为简化，也增加了内爬式塔机的新机种。俄罗斯继承前苏联传统，曾经也是一个塔机大国，拥有雄厚的开发和生产实力。1990年 俄罗斯塔机产量达 2526 台，在随后的经济衰退时期，许多俄罗斯塔机制造厂处境困难，停止了生产，到 2000 年，俄罗斯塔式起重机年产 36 台，2001 年产量 77 台。与 1990 年相比，产量锐减。前苏联解体后，俄罗斯塔机行业修改了前苏联塔机设计规范和技术条件，向 ISO 标准靠拢。目前，俄罗斯建筑业复苏，根据官方资料，现在俄罗斯的塔机 80%超期服役。在过去的几年里，这些年久失修的塔机，在作业中时有事
5、故发生。部分地区（如莫斯科）法规已经规定不允许使用这些塔机，塔机的用户希望购买新的具有现代化装置的塔机，因此，俄罗斯塔机市场的需求趋旺，在今后几年里，酝酿着巨大的市场潜力。尽管塔机有需求，但越来越多用户希望购买国外塔机，俄罗斯的塔机生产企业面临巨大的竞争。近几年国外塔机市场上，一种结构新颖的平头式塔机发展很快，大有流行之势；平头塔机起源于欧洲，叫法源于 flat-toptowercrane 的译名,也有叫无塔头式塔机(toplesstowercrane)的。平头塔机的设计思想及雏形最早可追溯到 20 世纪 60 年代，当时法国 Richier 公司研制的塔机外形已接近于现在的平头塔机，例如其
6、X1290 和 GT 系列塔机塔头较矮，通常不超过 4m，只稍稍高于吊臂和平衡臂。但严格来讲，这些塔机又不同于现在的平头塔机，尽管塔头较矮，但还是能区分出塔头、平衡臂、拉杆等。真正的平头塔机诞生于 1975 年，瑞典 Linden 公司首次提出平头塔机的概念，并率先推出了 Linden8000 平头塔机模数系统，不同型号平头塔机的吊臂可以互换。Linden 平头塔机没有传统意义上的塔头，而且取消了拉杆，上部结构形状呈水平且均为刚性结构，没有传统塔机那种塔头、平衡臂、吊臂及拉杆之间的铰接连接方式。可以说，Linden 平头塔机的出现揭开了平头塔机发展的序幕。自从 Linden 公司推出平头塔机以
7、来在相当长的一段时期内没有被用户普遍接受，因为人们在内心深处已经习惯了带塔头的塔机，认为塔机带塔头是天经地义的事，有的甚至认为塔机上没有塔头、拉杆,结构不合理、不安全。一直领导世界塔机发展潮流的波坦和利勃海尔等大公司对平头塔机最初都不推崇，所以其发展一直较缓慢。随着平头塔机应用领域的不断扩大，其独特的优点被越来越多的用户所认可，于是一些制造厂家纷纷涉足平头塔机的研制，以至于波坦和利勃海尔等大公司也以各种方式推出平头塔机，由此极大地推动了平头塔机的发展。近 5 年是国外各大塔机制造商相继推出平头塔机最集中的时期，也是发展最快的时期。下面从几个主要塔机制造公司的情况就可以看出平头塔机的发展状况及态
8、势。国外工程起重机的发展方向为：发展超大型起重机， “迷你”起重机大量涌现，伸缩臂结构不断改进，数据总线技术得到应用，静液压传动起重机进入市场，混合起重机得到发展，汽车起重机也在不断发展，随车起重机产销量不断增长。(三) 我国塔式起重机的发展趋势我国大规模经济建设已有二十来年的历史，这二十来年里，大量建筑物的涌现和大型工程的兴建，铁路、公路桥梁的建设，给塔式起重机提供了良好的市场。在十二五期间，我国提出了推行城镇化建设，我国人口众多，地大物博，市场需求，市场前景还有一定的空间，我国的塔式起重机发展趋势可以分以下几个方面：1我国塔机产品的品种、型号、规格应向多样化发展，以适应不同工程、不同用户的
9、需求。2适当发展动臂式自升塔机和折曲式两用臂架自升塔机的生产，以适应塔机出口市场和国内大中型城市内某些特定工程和钢结构高层建筑施工的需要。3 更多的采用组装式结构，做到产品系列化，部件模数化，以不同模数塔身、臂架标准节组合成的变断面塔身和臂架，这不仅能提高塔身、臂架的力学性能，减轻塔式起重机自重，而且可明显减少使用单位塔架、臂架的储备量，为单位节约成本。便于产品更新换代，简化设计制造，提高塔机使用的经济效益。(四) QTZ40 塔式起重机概述QTZ40 塔式起重机为按照最新标准 JG/T5037-93塔式起重机分类设计的加强型塔式起重机，该 QTZ40 自升式塔吊为上回转、水平臂架、小车变幅、
10、液压自升 式多用途塔吊。起重力矩 400KN.m，最大起重量 4T，独立架设时最大起升高度可达 29 米，加附着最大起升可达 120 米，最大幅度分 46.8 米、42 米 和 50 米。QTZ40 塔式起重机充分利用成组技术、组合设计技术及有限元分析技术，以“塔式起重机微机设计平台”为工具设计的国内最新型的起重运输机械。QTZ40 塔吊为水平臂架、小车变幅、上回转液压顶升式起重机。最大有效幅度 47m。是该种机型国内唯一达到此幅度的塔机。塔机独立使用时，起升高度 27.8m，附着起升高度为 120m（2 倍率） 。该机各项速度指标均达到或优于国家标准。该机自重（不含配重及附着装置）21.46
11、 吨，总装机容量 25.82KW，该机参数先进，性能优良可靠，造型美观，质量精良，结构简单实用，设有先进的安全装置，维修方便，使用安全，价格合理，是广大中小建筑企业理想的建筑施工机械。QTZ40 塔吊布置合理，外型美观，司机室独立侧置，视野好，给操作者创造了良好的工作环境。使用方便，维修简单，是广大建筑施工企业理想的建筑施工机械。具有起升、回转、变幅、顶升四种工作机构，可单独或复合动作，可以获得较高的工作效率。顶升机构用于塔身接高或降塔。起升机构采用多速电机，有快速、中速和 慢就位多种速度，充分满足用户各种工况的需要。起重臂可左、右作 540 度全回转，回转、变幅灵活可靠，起吊就位准确，可满足
12、建筑施工中垂直及水平运输的需要。该机设有起重量限制器、力矩限制器、起升高度限制器、幅度限位器和回转限制器等安全保护装置齐全，灵敏可靠，确保塔机正常工作。另外，还设有休息平台、护栏等安全保护设施。司机室独立侧置，造型美观，视野开阔，内部空间大，操作方便。该机适用性好，广泛用于中高层以下的各类工业与民用建筑和滑模施工的吊装，可用于港口、货场的装卸。 二、本课题的目的（重点及创新点）本次毕业设计是对机械专业学生在毕业前的一次全面训练，目的在于巩固和扩大学生在校所学的基础知识和专业知识，训练学生综合运用所学知识分析和解决问题的能力。是培养、锻炼学生独立工作能力和创新精神的最佳手段。毕业设计要求每个学生
13、在工作过程中，要独立思考，刻苦钻研，有所创新、解决相关技术问题。通过毕业设计，使学生掌握塔式起重机的总体设计、塔身的设计、整体稳定性计算等内容，为今后步入社会、走上工作岗位打下良好的基础。随着市场竞争的日益激烈，降低成本、提高产品质量及缩短产品开发周期已经成为企业生存和发展的关键。塔式起重机尤其是大吨位的塔机，其施工高度高，塔身成本占总成本的比重较大，通过塔身的结构优化，降低塔身重量是降低塔式起重机成本的关键之一。传统的设计方法，一般是根据经验选定塔身的截面尺寸、主弦杆和腹杆的截面面积以及节距等参数，然后进行校核，这样设计的塔身, 结构自重偏大，材料的利用率低， 成本高，经济效益不好。塔机结构
14、现正经历从传统设计到现代设计方法的过程。传统设计计算复杂、耗时，不利于在激烈市场竞争中缩短设计周期，提高设计质量。计算机辅助设计、优化设计和有限元法等现代设计方法受到塔机科技人员越来越广泛的重视。塔身是塔式起重机的重要组成部分,利用有限元软件 ANSYS 对 QTZ40 塔式起重机塔身进行工作及非工作状态分析计算，得到了塔身工作及非工作状态总位移分布云图、各种状态下塔身当量应力分布云图；根据分析结果对其结构进行了有限元分析法设计，有效控制了可能出现的危险，增强了设备的安全性。三、主要内容、研究方法、研究思路(五) 主要内容（1） 设计任务：总体参数的选择（QTZ40 级别） 结构形式（2） 总
15、体设计主要技术参数性能 设计原则 平衡重的计算 塔机的风力计算 整机倾翻稳定性的计算（3） 塔身的设计和计算塔身的结构形式及尺寸 塔身的设计和有限元分析及计算(六) 研究方法类比法：参考国内同类型塔式起重机设计；有限元分析法：利用有限元分析软件对塔身进行设计计算。(七) 研究思路在毕业设计时,当我们收到设计任务书时首先对研究对象进行细致的调查, 收集国内外有关资料并通过对资料的调研、加工与整理了解国内外的使用、生产、设计和科研情况，并进行分析比较，制定设计原则。设计原则应当保证所设计的机型符合有关的方针政策。在毕业设计工作中，通过掌握正确的设计思想，综合运用多学科的理论、知识与技能在认真的科学
16、态度和严谨的工作作风下分析并解决设计中遇到的问题。先通过整体参数的计算来确定塔式起重机的设计方案，同时了解不同塔式起重机结构的差别。再逐步确定各个装置的结构及具体尺寸，也应参考同类机型的设计，来确定本次塔式起重机整体设计的最终结构及尺寸，最后运用有限元分析法对塔式起重机的塔身进行计算和分析。四、总体安排和进度（包括阶段性工作内容及完成日期）2013.3.25-2013.3.28 熟悉整理资料2013.3.29-2013.4.13 方案选择及总体设计2013.4.14-2013.4.20 绘制总图2013.4.21-2013.5.15 塔身设计2013.5.16-2013.6.5 绘制塔身装配及结构图纸2013.6.6-2013.6.19 绘制零件图纸2013.6.20-2013.6.21 准备论文及答辩五、主要参考文献1 哈尔滨建筑工程学院主编.工程起重机.北京：中国建筑工业出版社2 董刚、
