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1、 1. 塔式起重機概述 在建筑安裝工程中，能同時完成重物的垂直升降和水平移動的起重機很多，其中應 用最廣泛的是塔式起重機。 塔式起重機具有其他起重機械難以相比的優(yōu)點， 如塔身高，起重臂長，有效作業(yè)面廣，能同時進行起升，回轉行走，變幅等動作，生產效率高； 采用電力操縱，動作平衡，安全可靠；結構相對較為簡單，運轉可靠，保養(yǎng)維修業(yè)較為容易。因此，他是起重機已成為現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑不可缺少的主要施工機械。 塔式起重機工作高度大，一般自升式塔機工作高度可在 100m 左右，特殊用途 的可在 300m 以上。因此塔機的起升機構必須要有較大的容繩量。塔機起升起升 機

2、構的卷筒都采用多層纏繞的方式。塔機分為上回轉塔機（本次設計題目）和下 回轉塔機兩大類。其中前者的承載力要高于后者，在許多的施工現(xiàn)場我們所見到 的就是上回轉式上頂升加節(jié)接高的塔機。按能否移動又分為：行走式和固定式。 固定式塔機塔身固定不轉，安裝在整塊混凝土基礎上，或裝設在條形式 X 形混凝 土基礎上。在房屋的施工中一般采用的是固定式的。 塔機機械通常結構龐大，機構復雜。塔機的工作機構有五種：起升機構（本次設 計題目）、變幅機構、小車牽引機構、回轉機構和大車走行機構 (行走式的塔機 )。 2.專業(yè)課程設計的題目 上

3、回轉自升式塔式起重機起身機構設計 型號： QTZ200 起重力矩（ Kn·m）： 2000 最大幅度 / 起重載荷（ m/KN）： 40/35 最小幅度 / 起重載荷（ m/KN）： 10/200 起升高度（ m）： 162（附著式） 55（固定式） 工作速度（ m/min ）： 6~80（2 繩） 3~40（4 繩） 起重臂長（ m）： 40 平衡臂長（ m）： 20 3.塔式起重機起升機構設計 起重機起升機構用來實現(xiàn)物品的上升與下降。起升機構是任何起重機必須具備的，使物品獲得升降運

4、動的基本組成。起升機構工作的好壞將直接影響整臺起重機的工作性能。 塔式起重機起升機構具有一般起重機起升機構的組成特點。起升機構應具備起升高度大、制動平穩(wěn)、慢速就位、就位準確、起升速度可調等特點。 起升機構的組成和工作原理 起身機構主要由驅動裝置（原動機）、傳動裝置（減速器）、卷筒、滑輪組、取 物裝置（吊鉤組）和制動裝置組成。此外，還可裝設各種輔助裝置，如起升高度限位器，力矩限制器，三圈保護等安全裝置，特別是在中、大噸位起重機上，力矩限制器越來越重要。 其工作原理（如下圖）是原動機經過減速器后驅動卷筒旋轉，使鋼絲繩卷進卷筒或由卷筒放下，從而使吊鉤升降。

5、 1.電動機 2.制動器 3.減速器 4.卷筒 5.滑輪 6.鋼絲 7.吊鉤 塔式起重機多采用單卷筒單軌式的起升機構，起升機構在工作時起動制動頻繁，并且常帶載起動，多采用專用電動機。起升機構的制動器必須是常閉式，這有利于塔機帶載工作時的安全。升降吊鉤時需要打開制動器使電機輸出的動力經聯(lián)軸器和減速器驅動起升卷筒旋轉，收放鋼絲繩帶動吊鉤升降；當升降到預定高度后則停止電機，同時制動器制動使傳動軸減速停止，吊鉤及重物

6、就可以停止在空中完成起升運功。 起升機構的常見驅動及驅動方案的選擇 起重機起升機構常見的驅動型式按動力裝置的不同可分為內燃機驅動、 電力驅動、復合驅動。 1.內燃機驅動 內燃機經由機械傳動裝置驅動起升卷筒，屬于集中驅動。這種驅動方式的優(yōu)點是具有自身獨立的能源，機動靈活，適用于流動作業(yè)的流動式起重機。為保證各機 構的獨立運動， 整機的傳遞系統(tǒng)復雜笨重。 由于內燃機不能逆轉， 不能帶載啟動，需依靠傳遞環(huán)節(jié)的離合器實現(xiàn)啟動和換向。這種驅動方式調速困難，操作麻煩，屬于淘汰類型。目前只在現(xiàn)有少數(shù)履帶起重機的鐵路起重機上應用。 2.電動機驅動 電動機經機械傳動

7、裝置驅動起升卷筒，屬于分別驅動。直流電動機的機械特性適 合起升機構工作要求，調速性能好，但獲得直流電源較困難，機動性較差。 在大型的工程起重機上，常用內燃機和直流電機實現(xiàn)直流傳動。交流電動機驅動能 直接從電網取得，操縱簡單，維護容易，機組重量輕，工作可靠，在電動機起升機構中被廣泛采用。常用于塔式起重機、橋式起重機、龍門起重機等。 3.復合驅動 常見有內燃機 -電力復合驅動、內燃機 -液壓（液力）復合驅動。這種驅動型式兼有內燃機驅動和電力驅動二者的優(yōu)點，常用于履帶式和輪胎式起重機。 由于本次課程設計為上回轉自升式塔式起重機 QTZ200 需要獲得幾個

8、不同的起升速度，鑒于電動機驅動的調速可調性且調速范圍大調速穩(wěn)定等特點，且相對與復合驅動結構更簡單，價格更低廉，故選用電動機驅動即可滿足使用要求。 起重機起升機構的布置方案 起重機常見的布置有展開式布置、同軸線布置、其它布置等。 展開式布置 電動機與卷筒并列是大多數(shù)起重機的展開式布置型式。電動機通過二級標準齒輪減速 器帶動卷筒。 同軸線布置 電機與卷筒成同軸線布置，行星減速器安裝于卷筒內。這種布置十分緊湊，便于機構 的布置，但是維修稍微不便。 其它布置型式 起重機還有雙卷筒式， 采用液壓油馬達直聯(lián)卷筒驅動等型式。 但不多見于塔式起重

9、機。 綜合考慮本次課程設計的的各項參數(shù)需要獲得不同速度且調速范圍比較大且穩(wěn)定故可 選用展開式布置。為了獲得較寬的調速可選用電動機驅動。電動機與減速器之間采用 彈性柱銷聯(lián)軸器來補償安裝位置誤差， 且能彌補雙電機排列結構位置過于緊湊的不足， 使機構布置均勻美觀。為了使制動器在制動時受到的扭矩比較小，使制動更加準確快 速，故安裝在減速器的高速軸上。同時為了美觀可安裝于減速去高速軸另一端的輸出 軸上。同時起重機起升機構的制動器既是制動裝置又是安全裝置，故應選用常閉制動 器。 鋼絲繩的穿繞 采用不同門數(shù)的滑輪組和不同的穿繞方式，可得到不同的起

10、重滑輪組倍率。由于本次 課題 QTZ200起重機最大載荷為 200kN（20t）故采用兩門滑輪組，倍率為 4 以獲得較合理的擴力比。（鋼絲繩與滑輪組纏繞如下圖） 卷筒與減速器的聯(lián)接方式 起升卷筒與減速器的聯(lián)結方式：卷筒軸的右端支承在球面滾動軸承上，其左端與末級開式齒輪傳動的大齒輪通過螺栓和抗剪套筒聯(lián)結起來。 4.起

11、升機構的設計計算 起升機構的設計計算，是在根據總體設計的要求選擇合理的結構型式和確定機構傳動布置方案后，按給定的整機參數(shù)確定起升機構的參數(shù)（最大額定起重量、起升高度、起升速度等），進行動力裝置的選擇計算，確定或設計確定各起重零部件的類型和尺寸。 設計技術參數(shù) 型號： QTZ200 起重力矩（ Kn·m）： 2000 最大幅度 / 起重載荷（ m/KN）： 40/35 最小幅度 / 起重載荷（ m/KN）： 10/200 起升高度（ m）： 162（附著式） 55（固定式） 工作速度（ m/min ）： 6~80（2 繩） 3

12、~40（4 繩） 起重臂長（ m）： 40 平衡臂長（ m）： 20 機構工作級別 塔式起重機的工作級別是設計人員進行結構、機構設計計算的依據。一臺好的塔式起重機設計應充分 考慮機器的使用條件，這樣設計出來的機器在安全和壽命方面才有可能較為接近實際的要求。 列出了 我國《塔式起重機設計規(guī)范》（ GB/T13752 ―― 1992）規(guī)定的塔式起重機工作級別的劃分標準。從表中 可以看出根據其使用條件中的兩個最主要特征因素“載荷狀態(tài)” （以名義載荷譜系數(shù)表征）和“利用級 別”（以塔式起重機總的工作循環(huán)數(shù)表征）分為 A1~A6

13、 共六個工作等級，目的是為了合理設計、制造 和使用；塔式起重機，提高零部件的三化“水平”，以取得較好的經濟指標。 利用等級 塔式起重機的“利用等級 U”用來表明在其有效壽命期間使用的頻繁程度。 表 2－ 1 塔式起重機工作級別的分類 載荷情況 名義載荷譜 利用等級 系數(shù) Km U0U1 U2 U3 U4 U5 Q1――輕 A1 A2 A3 A4 Q2――中 A1 A2 A3 A4 A5 Q3――重 A3 A4 A5 A6 A2

14、 A1 表 2－ 2 塔式起重機的利用等級 利用等級 工作循環(huán)數(shù) Nt 說明 U1 X 10000 U2 X 10000 不經意地使用 U3 U4 X 100000 經常清閑地使用 U5 5 X 10000 經常中等地使用 型號 QTZ200 塔式起重機起升機構一般可視為經常中等地使用，利用等級按表 2-2 可取為 U5. 載荷狀態(tài) 塔式起重機的“載荷狀態(tài)”是表示塔式起重機受載的

15、輕重繁忙程可憑經驗按表 2－ 3 中的說明選擇一種合適的載荷狀態(tài)級別。 表 2－ 3 塔式起重機的載荷狀態(tài) 載荷狀態(tài) 名義載荷譜系數(shù) Km 說明 Q1――輕 很少承受額定載荷，一般承受輕微載荷 Q2――中 有時承受額定載荷，一般承受中等載荷 Q3――重 經常承受額定載荷，一般承受較重載荷 型號 QTZ200塔式起重機有時起升額定載荷， 一般起升中等載荷， 因此載荷狀態(tài)取為： Q2-中，名義載荷譜系數(shù)取為： Km=.機構的工作級別取為 M5。 （1）吊具自重 表 3-1 吊具自重與起重量的關系 起重

16、量（ 104 N） 吊具重 q 3~8 ~20  2% % 22~50 3% 型號 QTZ200塔式起重機起升載荷在 125~200Kn之間，故吊具重 （2）電機接電持續(xù)率 塔式起重機起升機構電機接電持續(xù)率一般可取為 JC%=50，每小時起動次數(shù)可取為Z=150次。 起升機構零部件的設計計算 吊鉤的選擇 起升吊鉤的生產已標準化，塔式起重機吊鉤規(guī)定采用 20 號鉤，根據本次設計的用途和最大額定起重 20000Kg ，選擇吊鉤的形式和規(guī)

17、格為鍛造長柱單鉤。 起升機構滑輪組倍率及效率的確定 塔式起重機起升機構滑輪組倍率一般取為ａ =2 起升機構的倍率與額定起重量有一定的關系，參考下表 起重量與滑輪組倍率關系表 額定起重量 Q/t 3 5 8 12 16 25 40 65 100 倍率ａ 2 3 4~6 6 6~8 8~10 10 12~16 17~20 QTZ200 型起重機最大額定起升重量為 20t ，根據實際情況取ａ =4。 鋼絲繩的選擇 按正常工作狀態(tài)選鋼絲繩。

18、PQ +q 鋼絲繩的最大靜拉力 : Smax = a ×η PQ 為額定起重量： PQ =200Kn q 為吊具重，由于最大起升高度為 162m，故鋼絲繩的重量也應該計入，為簡便計算故 q=5Kn 滑輪組倍率ａ =4 滑輪組效率 η= PQ q 200 5 所以 Smax = η 56.1( Kn) a 4 0.97 根據最大靜拉力選擇鋼絲繩，則有： 計算鋼絲繩徑： d rmin = c × smax C 為鋼絲繩選擇系數(shù)，按 M5 的工作級別查《機械設計

19、手冊》有： 機構工作級別 : M5 所以 drmin = c smax 0.1 56101 24(mm) 故選用鋼絲繩徑不得小于上述計算值 ,所以選擇鋼絲繩規(guī)格為： 鋼絲繩公稱直徑 |d/mm: 24 型號為： 6W19-24-175-I 滑輪組選擇 滑輪組的倍率ａ =4 選用的滑輪計算直徑為 D1min 2 =h d 繩輪比系數(shù) h2 查表 4-1 表 4-1 繩輪比系數(shù) 機構工作級別 卷筒 滑輪 M1～M3 14 16 M4 16 18 M5 18 20 M6 2

20、0 M7 25 M8 25 28 由起升機構工作級別為 M5，查表得 h2=18 鋼絲繩直徑 d=16mm D1min=h2d= 20 24 480(mm) 對滑輪組做適當?shù)姆糯?，查表?D1=500mm 卷筒的主要尺寸選擇計算 （a）卷筒的最小直徑為： D1min=h1d 繩輪比系數(shù) h1 查表 4-1 得 h1 =18 鋼絲繩直徑 d=24mm 卷筒的最小直徑為： D1min=h1d= 20 24 480( mm) 由于塔式起重機起升高度大，于是將 D1min 放大到 D1min=500mm

21、，目的是為了減少卷筒長度。 （b）卷筒長度計算 卷筒長度 L 按多層繞卷筒計算 L = 1.1( H α+ s+ z0πD1 )d πm(D +dm) 起重機起升高度 H=162m 滑輪組倍率ａ =4 附加安全圈數(shù) Z0= 卷筒的計算直徑 D1= 鋼絲繩在卷筒上的卷繞層數(shù) m=7 鋼絲繩直徑 d= 卷筒至吊臂端的距離 s=60m 則 1.1(H α s z0 πD1 )d 1.1 (162 4 60 1.5 3.14 0.5) 0.024 L dm) 3.14 7 (0.476

22、 1.325( m) πm( D 0.024 7) （c）卷筒的強度校核 卷筒的壁厚可取為： δ= d 由于卷筒的長度和直徑比 L ≤3D ,故為短卷筒，按短卷筒只校核壓應力： σ Smax = A A ≤ σ c 1 2 δt [ c ] 層或 層以上時 1 多層卷繞系數(shù) A1 當卷繞層數(shù)為是 4 4 A = 應力減少系數(shù) A2 一般取為，即 A2 =

23、 δ=d =24mm Smax= 故 σ Smax 56100 129.86( ) A1A2 δ 2.0 0.75 24 Mp c 24 t 卷筒的材料為 ZGD270-500， S 270Mp 所以 [σc ]= s 2 270/ 2 135(Mp ) 滿足 σ ≤[σ ]，故校

24、核合格。 c c 起升機構傳動裝置的設計計 起升機構功率計算 塔式起重機起升機構滿載穩(wěn)定工作的靜功率： v = k ' v0 k ' λ =1 + (m 1) e1 鋼絲繩的卷繞層數(shù) m=7 λ取 卷筒槽底直徑 D= 鋼絲繩直徑 d= 機構總效率 η 0.89  Ne = PQ v (KW) 60000η PQv 計算得到 Ne = =59（ KW） 60000η 根據相對結合律 JC%=

25、40選擇電機： N JC = K電 N e K 電是考慮起重機并不總是按最低載荷情況工作的折減系數(shù)， 對于中級工作的塔式起重機起升機構， K 電=~，這里我們取為 故 NJC （ ） K電 N e 0.9 59 53.1 KW 初選電機型號為： YZRDW280M 其參數(shù)如下： 極數(shù)： 4/8 額定功率（ Kw） 55/55 額定電流（ A） 108/725 轉速（ r/min ） 1415/725 最大轉矩位數(shù) 起升機構電動機的過載校核 對于起升機構的電動機， 要求能在有電壓損失， 最大轉

26、差率時能起吊 125%的額定起重 HPQ v 量，因此應按下式進行過載校核： N ≥ (KW) λZ 60000η 最大起升載荷 PQ=205000N 物品的起升速度 v=24m/min 機構的總效率 0.89 基準接電持續(xù)率時，電機的允許過載倍數(shù)，按下表選擇 額定功率（ KW） 最大轉矩 / 額定轉矩（ λ） ≤5.5 ≥5.5 -11 ≥11 由于電機功率為 55KW，故選擇 λ = 考慮電壓損失，最大轉差率時的系數(shù) H=（異步電動機） 機構的驅動電機數(shù)目 Z=1 故： HPQ v

27、 55(KW ) 滿足。 44(KW ) N λ 60000η Z 起升機構電動機的發(fā)熱校核 電動機的容量選擇要求在額定工況工作時， 電動機不出現(xiàn)過熱， 按下式計算平均功率， 校核 NJC ≥NS: NS =G  PQ v 60000ηZ 靜態(tài)負載平均系數(shù) G 對于工程起重機常取 G= 其余系數(shù)同（ 2）中數(shù)值 PQ v N S = G =（KW）滿足 N JC ≥N S ，故校核合格。 60000ηZ 傳動裝置的傳動比計算 起升機構的傳

28、動比按電動機的轉速 n1 和卷筒的轉速 n2 確定。卷筒轉速為： n2 =  v0 α πD1 額定起升速度 v0=24m/min 卷筒的計算直徑 D1= 滑輪組倍率 α= 4 起升機構總傳動比為： i = n1 = πD1n1 n2 v0α 取四個起升速度分別為： v0=24m/min v1=16 m/min v2=12 m/min v3=32 m/min 分別計算： i0=12 i1=24 i2=16 i3=48 為了獲得以上傳動比，故可采用滑移齒輪來進行變速。

29、滑移齒輪是在軸上可以移動的，它所傳遞的扭距是傳到軸上的，用滑鍵或花鍵連接，齒輪嚙合實現(xiàn)變速。由 于卷筒通過開式齒輪與減速箱相連，開式齒輪的傳動比 i=3.故減速箱里齒輪傳動比應滿足： i0=6 i1=12 i2=8 i3=48 起動時間校核 起升機構起動時間校核按下式進行： nm PQ D 2 ts = 1.15G D 2 1 m + 2 2 ) 375(M m M s ) ( m η αi

30、電機轉速 nm=725r/min 電機額定轉矩 M m 1.5 9550 N 1181( ) nm N ? m 起升機構的靜阻力矩 M s PQ D1 864.7 (N ?m) 2αηi 電動機的飛輪矩 Gm D 2 m 4gJm 880( N ? m2 ) 代入解得 t s=在 2-5s 之間滿足。 制動時間校核 （a）制動器

31、的選擇 選擇時應先計算機構所需的制動力矩 M。制動力矩按下式估算： M 1.23 9550 N 875.3N ? m nm 制動力矩 M B = M β β是制動安全系數(shù)，塔式起重機起升機構可取為 . 故 M B β 1.5 857.3 1313 N ? m M 查表選擇電磁塊式制動器，制動轉矩 （b）制動時間校核 制動時間校核按下式進行： nB 2 1.15G D 2 2 PQ D 1 t

32、 B = m mi B η 2 2 η ) ( B + i 375(M B M BS) α 制動輪轉速 nB=725r/min 制動力矩 MB=1400N·m 靜載荷在制動時所需的制動力矩 M BS PQD1 = 724N ? m 代入式子解得 tB 在 2-5s 之間滿足。 2αi = 參考文獻 劉佩衡，塔式起重機使用手冊，北京：中國機械工業(yè)出版社， 2002 顧迪民，工程起重機，中國建筑工業(yè)出版社， 1988 起重機設計手冊編寫組，起重機設計手冊，機械工業(yè)出版社， 1980