塔式起重机小车的设计.doc

1、塔式起重机课程设计说明书1设计参数2塔式起重机简介2 绳索牵引小车构造及其驱动方式3 运行小车牵引力计算3.1牵引阻力计算4 运行小车牵引力计算4.1牵引阻力计算4.1.1 摩擦阻力W14.1.2坡度阻力W24.1.3 惯性阻力W34.2.1.1 迎风阻力W44.2.1.2 起升绳阻力W54.2.1 选择牵引绳4.2.2 牵引卷筒计算4.2.3.1 卷筒直径的确定4.2.3.2 变幅卷筒其它尺寸的确定4.2.3.3卷筒壁厚计算4.2.3.3 卷筒壁厚强度验算5电动机功率计算5.1 电动机稳定运动功率5.2 按最大起动力矩验算其起动时间5.3 电动机过载校验5.3.1 电动机起动转矩5.3.2

2、电动机发热校验6 钢丝绳在摩擦卷筒上缠绕圈数的确定1设计参数起升机构参数160 KNM则由课本p94,表3-3，取最大起重量：Q=1.5t；最大幅度R=16m；最小起身高度H=18m；工作级别M3；工作速度v=40m/min2塔式起重机简介塔式起重机的变幅机构按机构的运动形式分为臂架摆动式变幅机构（即动臂式）和运行小车式变幅机构（即小车式）。如图4-1所示：a 动臂式 b 小车式图4-1 塔式起重机变幅机构图动臂式变幅机构是通过吊臂俯仰摆动实现变幅的。可用钢丝绳滑轮组和变幅液压缸使吊臂作俯仰运动，塔式起重机一般多用前者。动臂式变幅机构在变幅时物品和臂架的重心会随幅度的改变而发生不必要的升降，耗

3、费额外的驱动功率，而且在增大幅度时由于重心下降，容易引起较大的惯性载荷。所以一般多用于非工作性变幅。动臂式变幅的优点是：具有较大的起升高度，在建筑施工群施工中不容易产生死角，拆卸也比较方便。其缺点是：变幅的有效利用率降低；变幅速度不均匀；没有装设补偿装置时，重物不能做到水平移动，安装就位不便，变幅功率也大。小车式变幅机构是通过移动牵引起重小车实现变幅的。工作时吊臂安装在水平位置，小车有变幅牵引机构驱动，沿着吊臂的轨道（弦杆）移动。小车变幅的优点是：变幅时物料作水平移动，安装就位方便；速度快、功率省；幅度有效利用率大。其缺点是：吊臂承受较大弯矩，结构笨重，用钢量较大。综合以上两种方案的优点，有的

4、塔式起重机同时采用两种变幅方案，吊臂做成两用，即可使小车沿吊臂水平移动，又可将小车固定在臂端实现吊臂的俯仰变幅。本设计QTZ400塔式起重机采用小车式变幅机构。按照小车沿吊臂弦杆行走方式，小车式变幅机构分为自行式和绳索牵引式两类。前者驱动装置直接装在小车上，依靠车轮与吊臂轨道间的附着力，驱动车轮使小车运行，电动滑车沿吊臂弦杆行走就是这类变幅机构的典型例子。由于牵引力受附着力的限制，而且小车自重也比较大，故这种自行式小车变幅机构只适用于小型塔式起重机。绳索牵引式变幅机构的小车依靠变幅钢丝绳牵引沿吊臂轨道运行，其驱动力不受附着力的限制，故能在略呈倾斜的轨道上行走。又由于驱动装置在小车外部，从而使小

5、车自重大为减少，所以适用于大幅度、起重量较大的起重机。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。2 绳索牵引小车构造及其驱动方式1导向轮；2滚轮；3小车架；4起升绳导向滑轮；5横梁图2-2 牵引小车构造图2-2为绳索牵引小车的典型构造。除车架外，它装有行走滚轮、起升绳导向轮等零部件以及用来改变滑轮倍率的销子。变幅钢丝绳穿绕方式如图2-3所示。运行小车由设置在起重臂架上的牵引卷筒驱动。驱动卷筒通常分为普通牵引卷筒和摩擦卷筒两种。前者工作可靠，但牵引卷筒较长，而且要有两根钢丝绳。后者牵引卷筒及钢丝绳长度可减少

6、一半，但必须装设张紧导向轮，且需经常调整牵引绳张力，以保证摩擦卷筒能正常工作。由于牵引力受限制，摩擦卷筒一般只用于小型塔式起重机上。1、3、4、5导向滑轮；2卷筒；6运行小车；7变幅钢丝绳图2-3 变幅绳穿绕方式卷筒的传动机构可采用普通标准卷扬机。为了使尺寸更紧凑，目前已广泛采用行星摆线针轮和渐开线齿轮的少齿差减速器传动，而且在卷筒轴端部装有用蜗杆或链轮带动的幅度指示器及限位器，以确保工作安全。为了变幅时能保证重物作水平移动，起升绳的终端不能固定在运行小车上，而必须固定在起重臂架的端部，有起升绳固定在起重臂头部的绕法和起升绳固定在起重臂根部的绕法。后者起重绳需要较长，但由于在起重臂端部引出的起

7、升绳起了支承起重臂的作用，使水平臂架受力性能改善。3 运行小车牵引力计算运行小车式计算主要包括：牵引阻力计算，牵引绳最大张力计算，电动机功率计算。3.1牵引阻力计算运行小车沿着起重臂上的轨道行走时产生的阻力主要有：摩擦阻力W1，坡度阻力W2，惯性阻力W3，迎风阻力W4，起升绳阻力W5，牵引绳下垂引起的阻力W6。4 运行小车牵引力计算运行小车式计算主要包括：牵引阻力计算，牵引绳最大张力计算，电动机功率计算。4.1牵引阻力计算运行小车沿着起重臂上的轨道行走时产生的阻力主要有：摩擦阻力W1，坡度阻力W2，惯性阻力W3，迎风阻力W4，起升绳阻力W5，牵引绳下垂引起的阻力W6。4.1.1 摩擦阻力W1主

8、要包括车轮沿轨道的滚动摩擦阻力、车轮轴承中的摩擦阻力和车轮轮缘与轨道的摩擦阻力等，按下式计算: FQ=1.51000x9.8=14700N W1 = （FQ+Fg）(d/D+2f/D) K0 =（1.510009.8+367.5）（0.0150.035+20.0003）/0.1361.8 224.4N式中：Q额定起重量（见课本p92，表4-1）取12t；Fg小车自重，（见课本p92，表4-2）取FP=2.5%FQ=147002.5%=367.5N f 车轮滚动阻力系数（cm），f=0.0250.04，此处取=0.03cm；D 车轮直径，D=0.136m；K0附加阻力系数，K0=1.52.0。4

9、.1.2坡度阻力W2起重臂由于承受载荷后变形而产生坡度。其阻力按下式计算：W2=(FQ+Fg )Ka =(1.510009.8+367.5)0.002 30N 4.1.3 惯性阻力W3惯性阻力主要塔机回转时小车和重物的离心力，分别按下式计算：W3=(FQ+Fg)/gv/t0 =15067.5/9.80.66/1.32 =769NW3=(FQ+Fg)n2R/900 =15067.5/0.66270/900 512NW3=W3+W3 =769+512 =1281N 式中 v 小车运行速度，按最大速度取v =0.66m/s； t0小车起动时间（s），t0=v/a=1.32s，a为加速度，a n塔式起

10、重机的回转速度，取最大回转速度n=0.66 r/min； R工作幅度，m。4.2.1.1迎风阻力W4风作用在小车和载荷上引起的阻力，按下式计算： W4 = q0A= 2505=1250 （N） 式中 q0工作风压，按工作状态下最大的计算风压q0=0.613vw2,取q0=250N/m2；A重物和小车的迎风面积，依据结构设计估取A=5m2。4.2.1.2 起升绳阻力W5起升绳阻力与起升绳所绕过的动滑轮和定滑轮及载荷有关。如图4-4所示，当小车向右移动时起升滑轮组中各分支张力为： 图4-4 牵引小车行走阻力S1=S2/, S2=S3/, S3=S4/，。即S2=S1, S3=S1, S4=S13，

11、。S3+S4+S5+S6=S1(2+3+4+5) =FQ S1=FQ/(2+3+4+5)故作用在小车上的阻力：W5=S1-S7 =S1(1-6) =FQ/(2+3+4+5)(1-6) =1.510009.8(1-9.53)/(1+0.95)0.95 1163.5N式中 滑轮的效率，取=0.954.2.1.3 牵引绳下垂度引起的阻力W6牵引绳下垂引起的阻力按下式计算： W6 =q1l2/(8h)=q1l(3050)(46)q1l53.750=925N 式中 q1牵引绳单位长度自重，3.7N/m h牵引绳的垂度，一般取为l/30l/50 l钢丝绳自由悬垂部分长度，m。4.2.2 牵引绳最大张力作用

12、在小车上的最大运行阻力W为上述阻力之和，按下式计算：W=W1+W2+W3+W4+W5+W6 （4-7）=224.4+30+1281+1250+1163.5+925=4842.9 （N）牵引绳的最大张力S（在驱动轮绕入端），按下式计算： S=W/1 =(W1+W2+W3+W4+W5+W6)/ =4842.9/0.95 5097.8N 式中 滑轮的效率，取=0.954.2.3 选择牵引绳在牵引小车式变幅机构设计中，牵引绳用最大工作拉力法设计如下： d=C=0.095 =15.3mm 式中 d钢丝绳最小直径，mm；C选择系数（mm/），初选公称抗拉强度为1770MPa的钢丝绳，查表2-2取C=0.0

13、95；S钢丝绳最大工作静拉力，S=25922N选用钢丝绳型号为：16 NAT 6X19+NF 1770 ZS 190 GB3811-20063。4.2.4 牵引卷筒计算4.2.4.1 卷筒直径的确定卷筒用于缠绕钢丝绳，使小车进行变幅行走，考虑到小车变幅时，钢丝绳的绕入与绕出会使钢丝绳产生脱绳，故选用曲面卷筒即可，其直径及长度的确定是由钢丝绳尺寸来设计选取（参考公式3-18），其最小值Dmin应满足： Dminhd =1616 =256mm 式中 Dmin 按钢丝绳中心计算的卷筒的最小卷绕直径，mm； h 与机构工作级别和钢丝绳机构有关的系数，由课本p37表2-7选用h=16； d钢丝绳直径，d

14、=16m。 查起重机设计手册JB/T 9006.11999卷筒直径系列取直径D=280mm3。4.2.4.2 变幅卷筒其它尺寸的确定 多层绕光面卷筒的绕绳部分长度为： L0=Zd式中 钢丝排列不均匀系数，=1.1； Z直接缠绕在卷筒面上钢丝绳圈数； d钢丝绳直径，mm。设多层卷绕钢丝绳各层的直径分别为：D1、D2、D3Dn，共绕n层，每层为Z圈，则卷筒的绕绳量为L=Z（D1+D2+D3+Dn）已知D1=D+d D2=D+3d D=D+5d Dn=D+(2n-1)d代入 L=Z（D1+D2+D3+Dn）=Zn(D+nd） 故而 Z=l/n(D+nd）钢丝绳的卷绕层数n不宜过大，否则变幅速度变化太

15、大，通常取n=3根据变幅幅度和机构要求取定L=250m，则钢丝绳在卷筒上缠绕圈数为： Z=l/n(D+nd） =250/3.143(0.28+30.016) 27层则多层缠绕卷筒绕绳部分的长度为： L0=Zd =1.12716 475mm，取为L0=475mm。4.2.4.3卷筒壁厚计算卷筒壁厚一般先按经验公式初步确定，然后进行强度校核。对于铸铁卷筒：=0.02D+(6-10)mm铸钢或焊接卷筒： dmm 式中: 卷筒壁厚，mm; D卷筒直径，mm； d钢丝绳直径，mm。由于目前铸造工艺的要求壁厚不宜过小，对于铸铁卷筒12mm,铸钢卷筒15mm，焊接卷筒7-8mm。此处卷筒选用铸铁HT200，

16、故其壁厚=0.02D+(6-10)=20mm4.2.4.4 卷筒壁厚强度验算卷筒工作时，由于受钢丝绳最大拉力Smax的作用，卷筒壁厚主要承受钢丝绳缠绕箍紧所产生的压缩应力，以及扭转和弯曲应力。当卷筒长度小于3倍直径（L）时，弯曲和扭转应力一般不超过压缩应力的10%，因此可以略去不计，只按压缩应力进行强度校核。为计算卷筒截面上的压应力，在壁厚为的卷筒上取宽度为绳槽节距t的圆环，并将其切开，如图3-6所示。由于远远小于D，可以认为圆环截面上的压应力为： 则卷筒壁厚上的压应力为： ct=Smax 则卷筒上的壁厚应为： c=Smax/(t) =25922/（2016） 81MPa c c=100MPa

17、 式中:t 绳槽节距，对于光面卷筒t=d。 c 卷筒材料的许压应力 。对钢 c=s/2（）；对铸铁 此处材料为QT450-10，其 c=s/2 =310/2 =155PMa 多层卷绕时，卷筒所受的压力不是随卷绕层数而成倍地增加。考虑到上层钢丝绳对下层钢丝绳的压紧，使下层钢丝绳在径向产生弹性变形而使筒壁上应力有所减少这一因素，并将其用应力增加系数A。5电动机功率计算电动机按稳定运动功率进行初选。稳定运动时作用在驱动轮上的力矩按下式计算：M=W1+W2+W3+W4+W5+W6 =2(224.4+30+1281+1250+1163.5+925)2=4842.9 0.9529201.5Nm式中：2驱动

18、轮和传动机构的效率约取为0.95R驱动轮的半径，R =0.2m。5.1 电动机稳定运动功率 P=Mn/9550 =9201.519.7/9550 =10.7kw （4-13）式中：n驱动轮转速，n=v/(D+d) =40/3.14(0.28+0.016) 43r/min选用YZR180L8电动机，其额定功率当FC=25%时为13Kw，满载转速为700r/min4，从而可以估算出机构的总传动比：i=nm/n =700/19.7 =35.5式中：nm电动机额定转速，r/min。5.2 按最大起动力矩验算其起动时间变幅机构在起动阶段，要使原来静止的质量开始运动，这时电动机的起动力矩Tq除了克服静阻力

19、矩Tj外，还有一部分用来克服运动质量的惯性阻力矩Tg，即 Tq=Tj+Tg （N）静阻力矩Tj按下式计算：Tj=FjD/(2i) =2423.10.28/(235.50.95) 10.1（Nm） 其中 Fj小车运行静阻力（N）； D车轮踏面直径，m； I 减速器的传动比； 机构传动效率。惯性阻力矩Tg为：Tg= Jnm/(9.55tq)式中 ：nm电动机额定转速，nm=700r/min；tq起动时间，s； J 机构运动质量换算到电动机轴上的总转动惯量，kgm2 ,按下面计算公式； J=1.15（Jd+JL）+FQ(D+d)2/(4gi2) =2.11kgm g 重力加速度，g=9.8m/s2。

20、因此，可有： tq =0.534s电动机平均启动转矩Tq，由表5-9选取：Tq=1.7 T25=1.7Nm其中N25为JC25%时的电动机功率，n25为电动机的额定转速1。由起重机设计手册推荐电动机起动时间为，故所选电动机满足起动时间要求3！5.3 电动机过载校验5.3.1 电动机起动转矩电动机起动转矩应满足下式： JC（Fj4）D/(2iZm) （4-15）=23.2（Nm） JC 基准接电持续率时电动机的起动转矩，Nm； 4 迎风阻力（N）；D 车轮踏面直径，D =0.136m； i 机构总传动比，i=35.5； 传动机构总效率，取； Zm电动机个数，；Fj小车运行静阻力（N），按下式计算

21、：Fj= W1+W2+W5+W6 =224.4+30+1163.5+925= 2342,.6（N）其中W1摩擦阻力（N）；W2坡度阻力（N）；W5起升绳阻力（N）；W6牵引绳下垂度引起的阻力（N）。5.3.2 电动机发热校验小车变幅机构电动机发热校验采用GB/T 1375292推荐的方法近似计算如下：Kz=1-Z/1000 =1-150/1000 =0.85式中Z为电动机每小时折算起动次数，查表5-6得Z=1501； Tre最不利工作循环的等效静阻力矩，按下式取近似值： Tre=TjKG=43.980.85=10.2 （Nm）式中 KG系数，对小车变幅机构KG=0.670.79，取KG=0.7

22、0； Tj 小车运行机构静阻力矩（Nm），6 钢丝绳在摩擦卷筒上缠绕圈数的确定若驱动卷筒采用摩擦卷筒时，为了避免牵引绳在驱动卷筒上打滑，驱动卷筒的绕入端张力和绕出端张力之比值必须满足下式： S/S0e2n 故必须保证的缠绕圈数为： n=(logS-logS0)/(2loge)= 2.24式中 S驱动轮绕入端张力（牵引绳的最大张力）； S0驱动轮绕出端张力，S0=Tm/(D+d)=1431/(0.28+0.016) 4834 N钢丝绳与卷筒的摩擦系数，此处因光面卷筒故取=0.09。 光面卷筒或绳轮u0=0.084-0.1 半圆形槽卷筒或绳轮 u0=4u0/ 带直线楔形槽卷筒或绳轮u0=u0/si

23、n（/2）为楔形槽楔型角 满足钢丝绳在摩擦卷筒上的不打滑条件。结 论通过对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，这次毕业设计应用到大学所学的机械设计知识，对该塔式起重机的起升机构和吊钩进行了优化设计，达到了一定的效果。 这一次的课程设计，我不仅仅学到了专业知识，更使我懂得如何做事。其实每一次的课程设计都是在教会我怎么样做事情，它告诉我完成一件事情，光靠团队的人数是没有任何优势的，关键在于团队之中是否有优秀的骨干去引领这个团队完成这件事情。但可惜的是，每次都没有，而本来并不优秀也不

24、是骨干的我无奈成为了矮子军里的姚明，我只好在无限的感慨中奋力完成课程报告。在大多数老师的眼里，机械类的电力拖动问题是个老大难问题，不仅仅老，知识体系庞大，最主要是难，在学生中就变得更甚，在我们队伍取到题目的初期甚至出现少部分同学短暂的晕厥现象，因此我要加强学习。参考文献1 范俊祥塔式起重机M.北京：中国建材工业出版社2004.2 黄大巍，李风等现代起重运输机械M.北京：化学工业出版社.2006.3 起重机设计手册编写组起重机设计手册M.北京：机械工业出版社，1980.4 成大先机械设计手册（第四版）（第1卷）M.北京：化学工业出版社，2002.5 吴宗泽，罗圣国机械设计课程设计手册M.北京:高

25、等教育出版社，2006.6 刘长生，郑哲文金属结构的设计与制造M长沙:湖南科技出版社，2003.7 郑文纬，吴克坚机械原理M北京:高等教育出版社，2001.8 陈道难，盛汉中起重机课程设计（第二版）M北京:冶金工业出版社，2000.9 郑江，许瑛机械设计M北京:中国林业出版社，2006.10 单圣涤工程索道M北京:中国林业出版社，2000.11 陈道难，过玉卿等起重运输机械M北京:冶金工业出版社，2005.12 高秀华，王云超等金属结构M北京:化学工业出版社，2006.13 王曙光，徐铭等AutoCAD 2007中文版机械制图案例教程M北京:清华大学出版社，2007.14 孟晓平，曲秀全.工程

26、机械设计基础M哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2007.15 胡总武，顾迪民.起重机设计计算M北京:北京科学技术出版社，1989.16 孙在鲁塔式起重机应用技术M北京:中国建材工业出版社，2003.17 GB/T 3811-1983 起重机设计规范.S国家标准局.1983发布.1984实施.18 成大先.机械设计手册：弹簧起重运输件五金件.M北京:化学工业出版社，2004.19 塔式起重机设计规范（GB/T 13752-92）北京:中国标准出版社.1984.20 成大先.机械设计手册：减（变）速器电机与电器.M北京:化学工业出版社，2004.21 张国瑞等.塔式起重机M北京:机械工业出版社，1991.22 起重机设计规范（GB3811-83）北京:中国标准出版社.1984.23 王金诺，于蓝峰起重运输机械金属结构M北京:中国铁道出版社，2002.24 山东建筑工程学院编起重运输机械.北京:中国建筑工业出版社.1979.25 严大考，郑兰霞起重技术.郑州:郑州大学出版社.2003.