20吨塔式起重机变幅小车及起升吊钩设计中南林业科技大学2011届工学学士学位毕业设计说明书 第 1 页 共 45 页 1 引言1.1 塔式起重机特点说明塔式起重机是一种塔身竖立、起重臂回转的起重机械在工业与民用建筑施工中塔式起重机是完成预制构件及其他建筑材料与工具等吊装工作的主要设备在高层建筑施工中其幅度利用率比其他类型起重机高由于塔式起重机能靠近建筑物，其幅度利用率可达全幅度的80%，普通履带式、轮胎式起重机幅度利用率不超过50%，而且随着建筑物高度的增加还会急剧地减少因此，塔式起重机在高层工业与民用建筑施工的使用中一直处于领先地位应用塔式起重机对于加快施工进度、缩短工期、降低工程造价起着重要的作用同时，为了适应建筑物结构件的预制装配化、工厂化等新工艺、新技术应用的不断扩大，现在的塔式起重机必须具备下列特点：1) 起升高度和工作幅度较大，起重力矩大；2) 工作速度高，具有安装微动性能及良好的调速性能；3) 要求装拆、运输方便迅速，以适应频繁转移工地之需要1.2 塔式起重机发展及机构介绍塔式起重机是在第二次世界大站后才真正获得发展的，战后各国面临着重建家园的艰巨任务，浩大的建筑工程最迫切需要大量性能良好的塔式起重机。
在我国，塔式起重机的生产与应用已有40多年的历史，经历了一个从测绘仿制到自行设计制造的过程塔式起重机不论其技术性能还是构造上有什么差异，总可以将其分解为金属结构、工作机构和驱动控制系统三个部分金属结构是塔式起重机的骨架，它承受着起重机自重以及作业时的各种外载荷，是塔式起重机的主要组成部分，由塔身、塔头或塔帽、起重臂架、平衡臂架、回装支撑架、底架、台车架等主要部件组成，其重量通常占整机重量的一半以上工作机构是为实现塔式起重机不同的机械运动要求而设置的各种机械部分的总称QTZ400塔式起重机的工作机构有起升机构、变幅机构、回转机构和顶升机构等其各机构功能：起升机构主要实现物品的上升与下降；变幅机构改变吊钩的幅度位置；回转机构使李根：20吨塔式起重机变幅小车及起升吊钩设计 第 2 页 共45 页 起重臂架作3600的回转，改变吊钩在工作平面内的位置；顶升机构使塔机的回转部分升降，从而改变塔式起重机的工作高度驱动控制系统是塔式起重机又一个重要的组成部分驱动装置用来给各种机构提供动力，最常用的是YZR与YZ系列交流电动机控制系统对工作机构的驱动装置和制动装置实行控制完成机构的起动、制动、换向、调速以及对机构工作的安全性实行监控，并及时地将工作情况用各种参量：电流值、电压值、速度、幅度、起重量、起重力矩、工作位置与风速等数值显示出来以使司机在操作时心中有数。
1.3 20吨塔式起重机机构说明QTZ400为水平起重臂，小车变幅，上回转自升式多用途塔式起重机，其最大工作幅度为70米，最大起重量为20吨，在最大幅度70米处可吊1吨QTZ400塔式起重机的起升机构由驱动装置、传动装置、制动装置和工作装置四个部件组成驱动装置采用YZR315S-8交流电动机，其功率为85KW，额定转速为724r/min；传动装置按机构布置需要，采用各种减速装置，用来完成转速与力矩的转换的最佳匹配，使电机在满足工作装置要求情况下处于高效最佳工作状态；工作装置由卷筒、钢丝绳、滑轮组与吊钩等所组成，当传动装置驱动卷筒转动时，通过钢丝绳、滑轮组变为吊钩的垂直上下直线运动；制动装置可控制吊装物品的下降速度或使其停止在空中的某一位置，不允许在重力作用下下落由于重力始终作用在被悬吊的物品上，所以起升机构必须选用制动力矩在制动器不松闸时始终作用在制动轮上的常闭式制动器，以策安全回转机构由回转支撑装置和回转驱动装置两部分组成在实现回转运动时，为塔式起重机回转部分提供稳定、牢固的支承，并将回转部分的载荷传递给固定部分的装置称为回转支承装置；驱动塔式起重机的回转部分，使其相对塔式起重机的固定部分实现回转的装置称为回转驱动装置。
变幅机构是为了满足物料的装、卸工作位置的要求，充分利用自身的起吊能力（幅度减小能提高起重量），塔式起重机需要经常改变幅度变幅机构则是实现改变幅度的工作机构，并用来扩大塔式起重机的工作范围，提高生产效率QTZ400塔式起重机采用绳索牵引式变幅机构，小车依靠钢丝绳牵引沿吊臂轨道运行，其驱动力不受附着力的限制，故能在略倾斜的轨道上行走又由于驱动装置装在小车外部，从而使小车自重大为减少，所以使用于大幅度、其重量较中南林业科技大学2011届工学学士学位毕业设计说明书 第 3 页 共 45 页 大的起重机在塔式起重机中大都采用绳索牵引式变幅机构，这样既可减轻吊臂载荷，又可以使工作可靠，而且因其驱动装置放在吊臂根部，平衡重也可略为减少1.4 毕业设计目的本设计的目的在于通过对QTZ400塔式起重机工作机构的设计，了解目前塔式起重机的设计过程，熟悉塔式起重机的设计规范，掌握塔式起重机的设计原理、方法，并运用所学知识进行创新和改进设计同时培养工程设计人员的查询资料、查找规范和阅读文献等方面的能力，以适应毕业后从事设计工作2.毕业设计任务2.1设计依据及主要技术指标2.1.1机构工作级别起升机构：M5 变幅机构：M32.1.2工作幅度最大工作幅度：70m 最小工作幅度：3.5m2.1.3起升高度固定式：73m 附着式：180m2.2设计参数2.2.1 最大起重量：20t2.2.2 起升机构参数起重量/速度t/（m/min） ： 12.5/27 25/13.5倍 率：a=8功 率：85kW 李根：20吨塔式起重机变幅小车及起升吊钩设计 第 4 页 共45 页 变幅机构参数速度 （m/min）：20/40功率 （kw） ：133 20吨塔式起重机起升机构设计塔式起重机起升机构的设计及计算主要包括：根据总体设计要求选择合理的结构形式，确定机构的传动布置方案；按给定的整机主要参数（最大额定起重量、起升高度、起升速度等）确定起升机构参数，选择确定机构各起重零部件的结构类型和尺寸；进行机构动力装置的选择计算等。
3.1影响起升机构的主要因素3.1.1滑轮组的倍率塔式起重机起升机构通常都采用单联滑轮组滑轮组的倍率对起升机构的构造有着很大的影响倍率愈大钢丝绳所受的拉力愈小，但由于绕绳量的增加，将使钢丝绳和卷筒长度增加，同时由于滑轮的数目的增多，也加剧了钢丝绳的磨损和疲劳，从而降低了钢丝绳的使用寿命但从另一个方面看，增加倍率，须相应提高卷筒的转速，因此传动比就可以减小，使结构较为紧凑3.1.2卷筒直径卷筒直径应尽量选取最小许用值因为随着卷筒直径的增加，转矩和传动比也将增大，从而引起整个机构的变大但在起升高度较大时，应增加卷筒直径以限制其长度3.1.3联轴器在高速轴上，电机和减速器一般都是通过弹性联轴器相连接在低速轴上，减速器输出轴和卷筒之间的连接多采用滑块或者齿轮联轴器，原因是它们可以传递较大的扭矩，并具有一定的调心性能，有利于安装调整比较3.1.4制动器制动器一般安装在高速轴上，以减小其尺寸通常利用联轴器的半个连接盘兼作制动，而带制动轮的联轴器半盘应安装在减速器轴上这样，即使联轴器损坏，制动器仍能工作目前也有将制动器装在电动机尾部壳体内，制成一个组中南林业科技大学2011届工学学士学位毕业设计说明书 第 5 页 共 45 页 合部件，从而使机构简化紧凑。
综上所述，起升机构的设计应在保证满足塔式起重机主要工作性能的同时，尽可能地使机构工作可靠，结构简单，自重轻和维护保养方便等3.2起升机构的载荷特点①.物品起升和下降时，在驱动机构中钢丝绳拉力产生的扭矩方向不变②.物品悬挂系统由挠性钢丝绳组成，物品惯性引起的附加转矩一般不超过静转矩的10%，对机构影响不大③.机构起动或制动时，只有电动机输出轴到制动器之间的零件承受较大的动载荷，齿轮传动和其他低速轴零件所受的动载荷不大3.3 起升机构起重零部件的选择计算3.3.1吊钩起重吊钩生产目前已经标准化，一般根据用途和最大额定起重量选择吊钩的形式和规格，必要时需进行强度校核3.3.1.1吊钩的选型吊钩是塔式起重机上应用最普遍、最通用的基本吊具，常与滑轮组的动滑轮组合成吊钩组作起重机上的取物装置依据QTZ400额定起重量和及参数，选用A型—短钩，材料为20钢[19]3.3.1.2吊钩基本尺寸吊钩的主要尺寸是由钩孔直径D来决定的：D≈（30～35） Q =35× =156.5mm （3-1） 取155mm。
式中FQ——额定起重量 （t）其他尺寸：h/D≈1.0～1.2 S≈0.75Dl1≈(2～2.5)h l2≈0.5h尺寸如图3-1所示：李根：20吨塔式起重机变幅小车及起升吊钩设计 第 6 页 共45 页图3-1 钩身主要尺寸简图3.3.1.3吊钩强度计算如图2所示吊钩在额定载荷FQ作用下，钩身1-2、3-4截面及钩柱螺纹根部均为危险截面计算时，吊钩载荷为额定起重量1.钩身水平断面Ａ－Ａ吊钩按曲梁理论计算，其钩身部分应力最大的断面为某点的应力为：Ａ－Ａ和Ｂ—Ｂ因此这两个断面为危险断面（如图3-2） 图3-2 钩身断面强度计算图 中南林业科技大学2011届工学学士学位毕业设计说明书 第 7 页 共 45 页 —吊钩承受的计算载荷，kN；FA —A-A断面面积，F6152mm2A=；D —钩孔直径，mm2；h —梯形断面高度，mm；e1、e2—断面形心距内、外边缘的距离， e1=b1+2b2b1+b×h23=114+2´45170114+45×3=73mm；e2=170-e1=97mm。
KA—曲梁断面A-A的形状系数对于梯形断面 (3-2)(3-3)李根：20吨塔式起重机变幅小车及起升吊钩设计 第 8 页 共45 页KA=ìéüb1-b2D2hù(+h)ú(1+)-(b1-b2)ý-1 íêb2+(b1+b2)hîëh2Dûþ2R0式中，b1、b2为梯形断面的大小边长 通常取D=h；b1=0.67h；b2=0.4b1，则KA»0.1其他符号见图 3-22.钩身垂直断面Ｂ－ＢＢ－Ｂ断面虽然受力不如Ａ－Ａ断面大，却是吊索强烈磨损的部位随着断面面积减小，承载能力下降，应按实际磨损的断面尺寸计算危险的受力情况使当系物吊索分支的夹角ａ较大时，吊索每分支受力为： p==FQ2cosa20´1000´9.82´cos45°=138.6kN （ 3 - 4）分解此力，偏心拉力为Psina=FQ2tanamax=20´1000´9.82´tan45°=196kN；切力为Pcosa=FQ2=6´1000´9.82=196kN偏心拉力产生与A-A断面相似的受力情况按amax=45°考虑，B—B。