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導師課題 課題類別 工程設計 （一）塔式起重機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 塔式起重機是現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑的重要施工機械之一。在高層建筑施工中，它的幅度利用度比其他類型起重機高。塔機由于能靠近建筑物，其幅度利用率可達整體幅度的80％。塔式起重機的變幅及回轉機構是可以同時實現(xiàn)重物在垂直方向和水平方向移動的機構，所以可以擴大起重機的工作范圍，提高生產率。應用塔機對于加快施工速度、縮短工期、降低工程造價能夠起到重要作用。塔式起重機已經成為建筑工程業(yè)必要的技術裝備，成為衡量建筑工程業(yè)生產力水平高下的重要標志之一，成為加快工程建設、確保工程整體質量、降低工程造價、提高社會效益與經濟效益的重要手段。 塔機是在第二次世界大戰(zhàn)后才真正獲得發(fā)展的。戰(zhàn)后各國面臨著重建家園的艱巨任務，浩大的建筑工程量迫切需要大量性能良好的塔式起重機。自塔式起重機在建筑施工中顯露身手并逐漸成為工程機械一個重要分支以來，已經有50余年歷史，其間利經了曲折復雜的發(fā)展階段。70年代末，由于種種原因，國外塔式起重機制造業(yè)陷入了低谷，不少中小工廠紛紛停業(yè)或轉產，僅少數(shù)大廠得以維持。直至80年代末才呈現(xiàn)逐漸復蘇態(tài)勢，1994年為復蘇年頭，復蘇勢頭最好的國家為德國。據(jù)有關資料介紹，在塔機制造業(yè)鼎盛的70年代，西德?lián)碛懈魇剿C48500臺，80年代總量減至1/3，而近幾年，東西德合并，基建規(guī)模擴大，塔機產量上升，現(xiàn)有塔機近40000臺，其中半數(shù)機齡不足5年。 我國的塔機行業(yè)于20世紀50年代開始起步,相對于中西歐國家由于建筑業(yè)疲軟造成的塔機業(yè)的不景氣, 我國的塔機業(yè)正處于一個迅速的發(fā)展時期。到20世紀90年代以后，塔式起重機行業(yè)隨著行業(yè)建筑任務的增加而進入了新興時期，年產量連年猛增，而且也有部分產品出口到了國外。全國塔式起重機的擁有總量也從20世紀50年代的幾十臺到2000年的60000臺左右。至此，無論從生產規(guī)模、應用范圍、塔式起重機總量等各個角度來衡量，我國都可以稱為塔式起重機大國。 從塔機的技術發(fā)展方面來看，雖然新的產品層出不窮，新產品在生產效能、操作簡便、保養(yǎng)容易和運行可靠方面均有提高，但是塔機的技術并無根本性的改變。塔機的研究正向著組合式發(fā)展。所謂的組合式，就是以塔身結構為核心，按結構和功能特點，將塔身分解成若干部分，并依據(jù)系列化和通用化要求，遵循模數(shù)制原理再將各部分劃分成若干模塊。根據(jù)參數(shù)要求，選用適當模塊分別組成具有不同技術性能特征的塔機，以滿足施工的具體需求。推行組合式的塔機有助于加快塔機產品開發(fā)進度，節(jié)省產品開發(fā)費用，并能更好的為客戶服務。 當前塔機的發(fā)展具有如下一些特點和趨勢： 1、吊臂長度加長 在六十年代初，吊臂長度超過40m的較少，七十年代吊臂長度已能做到70m，快速拆裝下回轉塔式起重機的吊臂長度可達35m。自升式塔式起重機吊臂是可以接長的，標準臂長一般為30—45m，可以接長到50—60m。重型塔式起重機吊臂則更長。吊臂加長可帶來更好的技術經濟效果。隨著塔式起重機設計水平的提高，能解決由臂長加大帶來的一些技術問題(如安裝和運輸問題)。低合金高強度鋼材及鋁合金的廣泛采用亦為加長吊臂提供了非常有利的條件。 2、工作速度提高，且能調速 由于調速技術的進步，滑輪組倍率可變，雙速、三速電動機及直流電動機調速的應 用，使塔式起重機工作速度在逐漸提高。起升機構普遍做到至少具有3種工作速度，重物起升速度超過100m／min者也很多。構件安裝就位速度可在0---10m／min范圍內進行選擇?；剞D速度一般可在0---1r／min之間進行調節(jié)。小車牽引和塔式起重機行走大多也有2-3種工作速度，小車牽引速度最快可達60m／min。 3、改善操縱條件 隨著塔式起重機向大型、大高度方向發(fā)展，操縱人員的能見度愈來愈差。因此需要 在吊臂端部(動臂變幅)或小車上(小車變幅)安裝電視攝象機，在操作室利用電視進行操作。有的還采用了雙頻道的無線電遙控系統(tǒng)，不但可由地面的操作人員控制吊裝；還可根據(jù)事先編排的程序自動進行吊裝。 4、更多地采用組裝式結構 為了便于產品的更新?lián)Q代，簡化設計制造、使用與管理，提高塔式起重機使用的經 濟效益，國外塔式起重機專業(yè)廠已做到產品系列化，部件模數(shù)化。以不同模數(shù)塔身，臂 架標準節(jié)組合成變截面塔身和臂架，不僅能提高塔身、臂架的力學性能，減輕塔式起重 機自重，而且可明顯減少使用單位塔架，臂架的儲備量，為降低成本，簡化管理創(chuàng)造了 條件。 （二）ANSYS介紹 有限單元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是50年代首先在連續(xù)體力學領域--飛機結構靜、動態(tài)特性分析中應用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛的應用于求解熱傳導、電磁場、流體力學等連續(xù)性問題。有限元思想的核心就是把實際結構離散化，假想地使實際的結構離散為有限數(shù)目個類似結構的個體，然后通過分析這些有限個體的性能來求出滿足實際工程要求的計算結果，從而代替對于具體復雜實際結構的求解。經過離散化，應用有限元思想，可以解決很多實際復雜的工程問題，并在理論研究和工程應用兩方面都具有極其重要的實用價值。 ANSYS作為一個大型通用軟件，廣泛應用于結構、流體、聲場、熱、耦合場、電磁場上面，利用ANSYS軟件，能夠將實際模型置于各種各樣不同的復雜實際工況之中，準確并合理的分析，優(yōu)化設計，減少實際試驗的物質和人力投入，提高工作效率，縮短研發(fā)周期從而能夠為提高利潤做出貢獻。使用ANSYS軟件分析，包含以下幾個過程：建立模型、劃分網格、加載和求解、結果后處理。若在實際應用過程中想對其中的某一個步驟進行改動和變化，則依然需要重新完成其中的每一個步驟，無形中浪費了太多的工作時間。針對現(xiàn)實情況，ANSYS提供了APDL參數(shù)化設計語言來處理類似問題，通過APDL語言及UIDL語言或類似VB、VC編程語言開發(fā)應用界面，即可完成在ANSYS中的二次開發(fā)。 二、本課題的目的（重點及擬解決的關鍵問題） 畢業(yè)設計是對機械專業(yè)學生在畢業(yè)前的一次全面訓練，目的在于鞏固和擴大學生在校所學的基礎知識和專業(yè)知識，訓練學生綜合運用所學知識分析和解決問題的能力。是培養(yǎng)、鍛煉學生獨立工作能力和創(chuàng)新精神之最佳手段。畢業(yè)設計要求每個學生在工作過程中，要獨立思考，刻苦鉆研，有所創(chuàng)新、解決相關技術問題。通過畢業(yè)設計，使學生掌握塔式起重機的總體設計、吊臂的設計、整體穩(wěn)定性計算等內容，為今后步入社會、走向工作崗位打下良好的基礎。 塔機臂架作為塔機的工作裝置,在塔機產品的設計內容中處于核心地位, 采用有限元分析的方法進行塔機臂架的設計計算將會極大地提高設計效率、保證其設計質量。我們只需借助通用有限元軟件建立模型并進行仿真分析,就能真實地反映機械產品的尺寸外形特征和工作過程,并進行各種類型的力學分析,盡早發(fā)現(xiàn)設計缺陷,從而有效地縮短研發(fā)周期,降低生產成本,使產品的結構和性能更加合理。 三、主要內容、研究方法、研究思路 1、主要內容 （1） 設計任務： ① 總體參數(shù)的選擇（QTZ40級別） ② 結構形式 （2） 總體設計 ① 主要技術參數(shù)性能 ② 設計原則 ③ 平衡重的計算 ④ 塔機的風力計算 ⑤ 整機傾翻穩(wěn)定性的計算 （3） 吊臂的設計和計算 ① 吊臂的形式及尺寸（變截面）（雙吊點） ② 吊臂的強度、穩(wěn)定性及剛度驗算 （4） 設計要求 ① 主要任務：學生應在指導教師指導下獨立完成一項給定的設計任務，編寫符合要求的設計說明書，并正確繪制機械與電氣工程圖紙，獨立撰寫一份畢業(yè)論文，并繪制有關圖表。 ② 知識要求：學生在畢業(yè)設計工作中，應綜合運用多學科的理論、知識與技能，分析與解決工程問題。通過學習、鉆研與實踐，深化理論認識、擴展知識領域、延伸專業(yè)技能。 ③ 能力培養(yǎng)要求：學生應學會依據(jù)技術課題任務，完成資料的調研、收集、加工與整理，正確使用工具書；培養(yǎng)學生掌握有關工程設計的程序、方法與技術規(guī)范，提高工程設計計算、圖紙繪制、編寫技術文件的能力；培養(yǎng)學生掌握實驗、測試等科學研究的基本方法；鍛煉學生分析與解決工程實際問題的能力。 ④ 綜合素質要求：通過畢業(yè)設計，學生應掌握正確的設計思想；培養(yǎng)學生嚴肅認真的科學態(tài)度和嚴謹求實的工作作風；在工程設計中，應能樹立正確的生產觀、經濟觀與全局觀。 ⑤ 設計成果要求： 凡給定的設計內容，包括說明書、計算書、圖紙等必須完整，不得有未完的部分，不應出現(xiàn)缺頁、少圖紙現(xiàn)象。 1） 對設計的全部內容，包括設計計算、機械構造、工作原理、整機布置等，均有清晰的了解。對設計過程、計算步驟有明確的概念，能用圖紙完整的表達機械結構與工藝要求，有比較熟練的認識圖紙能力。對運輸、安裝、使用等也有一定了解。 2） 說明書、計算書內容要精練，表述要清楚，取材合理，取值合適，設計計算步驟正確，數(shù)學計算準確，各項說明要有依據(jù)，插圖、表格及字跡均應工整、清楚、不得隨意涂改。制圖要符合機械機械制圖標準，且清潔整齊。 3） 對國內外塔式起重機情況有一般的了解，對各種塔式起重機有一定的分析、比較能力。 2、 研究方法 （1）資料的準備 通過上網和畢業(yè)實習，搜集同類已研發(fā)產品相關資料，了解國內外塔式起重機總體設計和起升系統(tǒng)的設計的已研發(fā)的產品，借鑒這些產品的設計思路為自己的設計做準備。了解所做設計中的標準部件的相關信息，為以后設計做好準備。 （2）參數(shù)確定 根據(jù)所查資料，了解到起重機的相關參數(shù)，和對標準部件的了解，選擇能免租條件的相關零件。根據(jù)傳統(tǒng)設計方法并結合相似的產品結構進行具體的設計，在設計中確定個關節(jié)的合理尺寸和形狀。整體和各個部件的形狀和尺寸確定后，用二維作圖工具（autoCAD等）繪制出各主要部件的圖形圖和總裝圖。明確產品的具體設計尺寸和形狀。 3、 研究思路 伴隨著計算機技術的進步,目前國內外先進的機械產品設計制造都離不開有限元分析(Finite ElementAnalysis, FEA)計算,在工程設計和分析中受到越來越廣泛的重視,其計算結果不僅詳盡,更具可靠性。采用有限元分析的方法進行機械產品的設計計算將會極大提高設計效率、保證其設計質量。設計者只需借助通用有限元軟件建立模型并進行仿真分析,就能真實地反映機械產品的尺寸外形特征和工作過程,并進行各種類型的力學分析,盡早發(fā)現(xiàn)設計缺陷,從而有效地縮短研發(fā)周期,降低生產成本,使產品的結構和性能更加合理。本文應用有限元軟件對塔機總體及臂架結構進行快速校核分析。 四、總體安排和進度（包括階段性工作內容及完成日期） 2013.3.25-2013.3.28 熟悉整理資料 2013.3.29-2013.4.13 方案選擇及總體設計 2013.4.14-2013.4.20 繪制總圖 2013.4.21-2013.5.15 臂架設計 2013.5.16-2013.6.5 繪制塔身裝配及結構圖紙 2013.6.6-2013.6.19 繪制零件圖紙 2013.6.20-2013.6.21 準備論文及答辯 五、主要參考文獻 [1] 哈爾濱建筑工程學院主編.工程起重機.北京：中國建筑工業(yè)出版社 [2] 董剛、李建功主編.機械設計.機械工業(yè)出版社 [3] 機械設計手冊.化學工業(yè)出版社（5冊） [4] GB/T9462—1999 塔式起重機技術條件 [5] GB/T13752—1992 塔式起重機設計規(guī)范 [6] GB5144—1994 塔式起重機安全規(guī)程 [7] 邢靜忠．ANSYS應用實例與分析．科學出版社．2006． [8] 劉坤．ANSYS有限元方法精解．國防工業(yè)出版社．2005． [9]GB/T9462—1999 塔式起重機設計條件． [10] GB/T13752—1992 塔式起重機設計規(guī)范． [11] GB/T5144—1994 塔式起重機安全規(guī)程 [12]劉鴻文．材料力學．北京：高等教育出版社．2002． [13]李柱，徐振高．互換性與測量技術．北京：高等教育出版社．2002． [14] 張東升．機械零件及建筑機械．重慶：重慶大學出版社.2003． [15] 現(xiàn)行建筑機械規(guī)范大全．北京：中國建筑工業(yè)出版社.1995． [16] 吳慶鳴，何小新．工程機械設計．武昌：武漢大學出版社.2006． [17]劉佩衡．塔式起重機使用手冊．北京：機械工業(yè)出版社.2002． [18] 張質文，虞和謙等．起重機設計手冊．北京：中國鐵道出版社．1997． [19] 顧迪民．工程起重機．北京：中國建筑工業(yè)出版社．1988． 指導教師意見： 指導教師簽名： 日期： 教研室意見： 教研室主任簽名： 日期： 系意見： 系領導簽名： 日期： 系蓋章