某塔式起重機的機構設計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u31440某塔式起重機的機構設計計算案例 1183971.1頂升機構設計 1146551.1.1型式 168931.1.2頂升工況 1220371.1.3頂升力的計算 2161191.1.4頂升速度和功率計算 3175221.1.5頂升機構液壓系統的確定 315492塔式起重機頂升機構的設計 71.1頂升機構設計1.1.1型式本次設計選用液壓式爬升機構，采用液壓油缸頂升。爬升方式采用外套架爬升上加節式。1.1.2頂升工況考慮到當塔機處于爬升工況時，最理想的是頂升的重力越小越好，且回轉支承以上的零部件對頂升作用點的不平衡力矩為零，即：···········································（2-57）式中，——爬升時的前傾力矩；——爬升時的后傾力矩。設：為吊臂一側固定零部件引起的力矩；：為變幅小車在不同位置時，起升載荷引起的力矩；：為平衡臂一側固定零部件引起的力矩；：為平衡重引起的力矩，則：··········································（2-57）上式中，隨著變幅小車位置不同而變化，當塔機在最不利的工況（如滿載）下時，可以視為不變力矩，即：。當塔機處于最有利的非工作狀態時，僅僅是變幅小車的和吊鉤組所引起的力矩。而如果變幅小車處于最小幅度處(如靠近塔身時)，則可以略去不計。綜上所述，時2-57可以簡化為：···············································（2-57）在自升式塔式起重機的設計過程中，通常將平衡重設計為可移動的，所以可以由變化，當平衡重離頂升作用點最近時，，反之，當平衡重離頂升作用點最遠時，。又由于通常在設計過程中，，所以在式2-57中，必須取最小值，即：或··························（2-58）通過上述分析可知，在考慮爬升機構的爬升工況時，必須盡量使回轉支承以上的固定零部件引起的力矩總和等于平衡重引起的最小力矩。此外，爬升機構在頂升時，應無起升載荷，無其它附件載荷，且平衡重應盡量移到靠近頂升作用點的地方，以滿足公式2-58。同時要注意，在爬升時，回轉支承以上的重心位置應與頂升作用點重合。由第一部分對總體的設計計算可知：，∴∴故平衡重離頂升作用點最近的距離為：。1.1.3頂升力的計算對上回轉式塔式起重機，頂升力可按下式計算：··············································（2-59）式中，——附加載荷影響系數，通常取：；——回轉支承以上重力之和，取=123554.6——頂升力與回轉軸線的夾角，取：。∴1.1.4頂升速度和功率計算目前，國產塔機的爬升速度為：，取：頂升功率的計算公式如下式所示：············································（2-60）式中，——爬升機構id機械效率，取：。∴1.1.5頂升機構液壓系統的確定1）液壓油缸的選型計算為適應不同液壓設備的需要，液壓設計有不同的壓力級，一般根據液壓設備的工作性質確定液壓系統的壓力表3-1按主機類型選擇執行元件工作壓力主機類型機床農業機械小型工程機械工程機械輔助機構液壓機中、大型挖掘機重型機械起重機運輸機磨床組合機床龍門刨床拉床工作壓力P(Mpa)≤23～5≤88～1010～1820～32根據上表暫選20Mpa作為初定液壓系統的壓力。圖3-1油缸直徑示意圖(3.1)式中P—油缸壓強這里D—油缸直徑要使所選油缸產生的推力能完成頂升過程，則必須，可推出根據液壓傳動表來確定活塞桿的直徑表3-2液壓缸活塞桿直徑推薦值活塞桿受力情況受拉伸受壓強,工作壓力P1(MPa)P1≤55＜P1≤7P1＞7活塞桿直徑d(0.1～0.5)d(0.5～0.55)d(0.5～0.7)d0.7d由上表即可知活塞桿直徑d與缸筒直徑D成d=0.7D的關系按GB2348—80將這些圓整成就近標準值時得：;;根據上面數據選擇工程液壓缸，型號為HSGL01-125/90E-1121-1600×1920液壓油缸的流速q：(3.4)式中D—液壓缸直徑(m)—頂升速度(m/s)得4）液壓泵的確定液壓缸在頂升過程中最大工作壓力為,如取進油回路上的壓力損失為0.8MPa，則液壓泵的最大工作壓力為：液壓泵向液壓缸提供的最大流速為8.46l/min，若回路中泄露按液壓缸輸入10％估計,則液壓泵要提供的流速為：；根據以上壓力和流速的數據查閱產品目錄，確定最后用16GY14-1B液壓泵。該泵的總效率為左右，則液壓泵驅動電動機所需要的功率為：；（3.5）式中—液壓泵的最大工作壓力；—液壓泵的最大流速；根據此數值查閱電動機產品目錄，選定Y132S-4型電動機，其額定功率為5.5kw。5）閥類元件及輔助元件的確定根據液壓系統的工作壓力和通過各個閥類元件和輔助元件的實際流量，可選出這些元件的型號和規格，列于表3-3中3-3液壓元件表元件名稱估計通過的最大流速l/min型號額定流速l/min額定壓力MPa高壓柱塞泵9.30616GY14-1B2420高壓溢流閥10YF-L32H3225壓力表開關—K-6B——安全閥10AXQF-E10B1025三位四通換向閥1034DY-15BY1525低壓溢流閥10Y-10B1025平衡閥10YF3-E10B10256）液壓系統原理圖及工作過程圖3-2液壓系統原理圖液壓頂升系統的工作，主要是靠安裝在套架內側面的一套液壓油缸、泵、閥和油壓系統來完成。當需要頂升時，由起重吊鉤吊起標準節送進引入架，拆去塔身標準節與下支座的16個M36的連接螺栓，開動電機使液壓缸工作，頂升上部結構之后借助操縱爬升銷軸支持上部重量，收回活塞，再次頂升，這樣兩次工作循環可接一標準節。液壓頂升過程的液壓動力是這樣傳遞的，當Y132S-4型5.5kw的電機開動時，帶動油泵，輸出20MPa的油壓和10l/min流量液壓動力。油泵供出的高壓油進入手動三位四通換向閥，中間裝有一支Y-60壓力表，便于觀察油壓讀數，手動換向閥為的是控制油液的進油和回油的方向，然后手動換向閥的液壓油經過平衡閥送到油缸中去進行油缸的伸縮頂升工作。工作油缸的高壓腔接有平衡閥，主要是防止起重機在自升過程中，由于油路系統故障引起起重機超速下降。2塔式起重機頂升機構的設計過程作簡單的描述如圖3-3：（1）將頂升橫梁兩端的軸頭放入踏步的半圓槽內；（2）啟動動液壓系統使活塞桿伸出，找正塔機頂部的平衡；繼續啟動液壓系統直至兩個爬升銷軸能擔在上面一個踏步上；（3）將兩個爬升銷軸推進同時操縱換向閥停止頂升而后轉為活塞桿收縮，直到頂升橫梁兩端的軸頭能放入上面一個踏步的槽內為止；（4）再次使油缸活塞桿伸出，直到塔身上方恰好有能裝入一個標準節的空間。然后引入標準節，由以上過程可以看出：標準節踏步、頂升橫梁和爬升銷軸等件在塔機的頂升過程起關鍵作用。1）標準節踏步的設計工作過程如下：外套架上端以銷軸連接下支座，標準節上焊接塔步，液壓油缸安裝在外套架的橫梁上。油缸產生的推力通過頂升橫梁作用在塔步上，靠反作用力將套架及套架以上部件向上抬起，超過標準節一半的高度后，靠爬升銷軸卡在塔步上，將套架固定。油缸縮回帶動頂升橫梁跨在上一個塔步上，取下爬升銷軸繼續頂升。當下支座和已安裝的標準節之間的空間足以放下一個標準節時，在外套架外部引入標準節，并與下一節標準接連接緊固。下面以QTZ63塔式起重機為例，進行頂升機構的受力分析：踏步的計算包括踏步焊縫剪應力和踏步與頂升橫梁軸頭的接觸應力的計算兩部分；（1）計算焊縫剪應力：踏步類似于建筑結構中的牛腿，圖4是QTZ63塔s式起重機踏步的結構尺寸和受力分析簡圖，從受力簡圖上可以看到，載荷Q對焊縫產生剪切應力之外，還應該考慮軸頭中心到主肢的距離e產生的彎距對焊縫的影響，用下面的公式來計算焊縫的當量剪切應力:;(3.6)式中：Q—單踏步承受的頂升重量，;e—軸頭中心到焊縫型心的距離,112mmhf—焊縫高度，240mmlm—焊縫長度，14mm—焊縫許用剪切應力，101.2MPa.圖3-4踏步結構尺寸和受力圖得，可以滿足要求。（2）踏步接觸應力計算：根據材料力學的公式，不同直徑的半圓柱體產生的接觸應力,（3.7）其中：，—分別是軸頸和踏步的接觸面圓弧部半徑，，，Q—為單踏步承受的頂升重量，;E—彈性模量，;L—接觸面寬度，28mm;踏步材料：Q235A，許用接觸應力.得;從計算上來看，計算應力小于許用應力，因此，不會有變形的可能。2）頂升橫梁的載荷及強度計算除去踏步之外，在塔機頂升時，頂升橫梁也是一個也是一個核心的受力件。圖3-5是QTZ63塔機的頂升橫梁的結構圖：圖3-5頂升橫梁結構圖自升式塔機在頂升時，應使各部件的重心在落在頂升中心線上。通過計算配重的重量和調整吊重的位置來保證。經計算，QTZ63塔式起重機的頂升包含以下部件：塔頂、平衡臂、平衡重、起升機構、平衡臂拉桿、司機室、起重臂、起重臂拉桿、變幅機構、載重小車、吊鉤、上轉臺、回轉支承、回轉機構、下轉臺、半節、電氣系統、標準節（共兩節）、套架、液壓系統等。總重量。由于液壓油缸中心線是傾斜的，載荷G會產生水平分力，經計算，油缸中心線傾斜的最大角度為3.8度，水平載荷Gy=G×tan(3.8)=13.656KN。由于頂升橫梁上的油缸支腳間距為100，應將載荷分解為兩個相同的數值，單支腳垂直載荷，水平載荷.圖3-6是頂升橫梁的主視圖圖3-6頂升橫梁主視圖其中的集中載荷和通過頂升橫梁作用在兩端的塌步上。從圖上可以看出，我們需要校核A—A和B—B兩斷面應力，B—B斷面的剪切應力和兩端軸頸的接觸應力。根據材料力學的公式，經計算A—A和B—B兩斷面的彎距；圖3-7為頂升橫梁的A-A斷面圖，可以用積分的方法計算出該斷面的截面特性：圖3-7頂升橫梁A-A面斷面圖慣性距抵抗距圖3-8是頂升橫梁的B-B斷圖面，同樣可以用積分的方法計算該斷面的截面特性：圖3-8頂升橫梁B-B面斷面圖慣性距抵抗距由此可計算出兩斷面的應力：應力疊加后;;頂升橫梁的材料為Q235A,按載荷組合B計算許用應力，許用抗壓彎應力:;許用剪切應力:；可見，頂升橫梁的強度滿足要求。軸頸斷面接觸應力：（3.8）其中：，—分別是軸頸和踏步的接觸面圓弧部半徑，，，P—和的合力,;E—彈性模量，;L—接觸面寬度，;得；按材料力學最基本的擠壓計算方法:（3.9）其中：R—為接觸面半徑，；L—為接觸面寬度，；P—為和的合力,;得；軸頸材料：30調質，許用接觸應力；可見，無論用哪一種方法計算軸頸接觸應力均能滿足要求。3）爬升銷軸的設計爬升銷軸放入踏步內的簡圖如下圖3-9爬升銷軸受力簡圖這是一個懸臂梁，其中的集中載荷P為踏步作用在爬升銷軸上的力。可以看出，A-A斷面受彎距最大，需要計算A—A斷面的彎曲應力和剪切應力：銷軸A—A斷面的彎距;銷軸直徑50mm,面積.抵抗距.由此可以計算，銷軸剪切應力;彎曲應力;銷軸材料：40Cr調質處理，;;所以銷軸滿足要求。4）頂升套架的設計QTZ63外套架式液壓自升式塔式起重機的頂升過程：將起重臂調整到正前方向（與引進梁同向），并把要加的塔身節按此方向在地面排好。吊起一個塔身節掛在引進梁小吊鉤上，這時卸下下轉臺與塔身節之間的高強度螺栓。將頂升橫梁兩端的軸頭放入踏步的槽內，開動液壓系統使活塞桿伸出20～30mm,使下轉臺與塔身節結合面剛剛分開。同時，要使回轉電磁制動器起作用以保證起重臂不再左右擺動。將爬升銷軸抽出后操縱液壓系統使活塞桿繼續伸出，直至頂升橫梁兩端軸頭能擔在上面一個踏步上時，將兩個爬升銷軸推進同時操縱換向閥停止頂升而后轉為活塞桿收縮，此時爬升銷軸應可靠地放在踏步上，直到頂升橫梁兩端的軸頭能放入上面一個踏步的槽內為止，然后再次使油缸外伸（軸頭離開踏步后馬上將爬升銷軸抽出）直到塔身上方有能裝入一個塔身節的空間。這時將掛在引進梁外端的塔身節引入套架內與塔身對正螺栓孔，然后縮回油缸至上下塔身節連接面接觸，用高強度螺栓將兩塔身節連接牢固，將引進吊鉤拉至最外端，然后油缸繼續縮回，使下轉臺落在新加的塔身節上，用高強度螺栓連接牢固。至此，完成了一次頂升過程。套架中液壓油缸型號選定以及頂升橫梁、爬升銷軸、滾輪等關鍵件定位尺寸的確定，首先應先知道以下幾個尺寸：標準節高度H=2800mm；（2）踏步圓弧中心與標準節上下兩平面的距離h1=470、h2=930；（3）標準節水平斜腹桿上平面到標準節上平面的距離A=125mm和水平斜腹桿的高度尺寸B=50mm（4）下轉臺底面到水平腹桿下底面（引進梁上平面）的距離D=265mm；（5）引進梁上平面到引進吊鉤內腔的距離E=308mm；（6）頂升橫梁軸頭與油缸支座中心距F=3mm；（7）踏步外沿上平面到踏步底面的距離T=140mm；（8）踏步槽（頂升橫梁軸頭）半徑R=30mm。因為標準節踏步位置要與套架協調定位，為防止踏步與高強度螺栓干涉，所以確定踏步圓弧中心與標準節上下兩平面的距離h1、h2還需要：①連接套長度G=130mm；②選用的高強度螺栓長度J=320mm、螺母厚度K=20mm；③踏步圓弧中心到踏步上下兩平面的距離M=160mm、N=120mm。設計可分四步來進行：引進梁標準節上支座頂升橫梁圖3-10頂升機構關鍵尺寸確定液壓油缸行程和安裝距先根據已知尺寸計算出引進標準節需要的最小空間L,L=E-D+(A+B)+H+30=304830—為引進時兩標準節的間距L也就是液壓油缸的兩次行程至少要頂升的距離，根據L可以確定需要的液壓油缸的最小行程Pmin:Pmin=L－H/2＋Q=1593mm同時，因為上下兩層滾輪的間距