1机电系统分析与设计专业：机械设计及理论 学院：机械工程与自动化学院 日期：2012 年 11月 2日 2塔式起重机的设计与分析摘要：本论文主要涉及塔式起重机的机械设计和电器原理设计部分。塔式起重机的机械设计是通过理论上的分析计算选出满足生产要求的塔式起重机结构，确定合理的运行参数，或者对确定的部件参数进行验算，并完成施工现场的宏观设计以及塔式起重机的安装。最后进行塔式起重机的保护装置及其电器原理设计。关键词：塔式起重机，驱动装置，可编程控制器塔式起重机是指机身为塔形刚架，能沿轨道行走，配有全围转臂的一种起重机。在大型塔机的塔架下部可通行混凝土运输车辆。是动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机。据记载，第一项有关建筑用塔机专利颁发于 1900 年。1905 年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，1923 年制成了近代塔机的原型样机，同年出现第一台比较完整的近代塔机。1930年当时德国已开始批量生产塔机，并用于建筑施工。塔式起重机由于作业空间大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。由金属结构、工作机构和电气系统三部分组成。金属结构包括塔身、动臂和底座等。工作机构有起升、变幅、回转和行走四部分。电气系统包括电动机、控制器、配电柜、连接线路、信号及照明装置等。1 塔式起重机的机械设计1.1 塔式起重机的设计实例1.1.1 设计原始资料：工程建筑类别为一类高层建筑，抗震设防烈度为 7 度，工程总建筑面积约 9.2 万 m2，包括两层（局部三层）地下室和四层裙楼，其中地下室面积约 4.1 万 m2，裙楼面积约 5.1万 m2。本工程合理使用年限为 50 年，屋面防水等级为二级，地下室防水等级为二级，人防防护等级为六级。塔机基本参数选择为最大载重 10t，最高速度 30m/min，最小/最大工作幅度 4m/70m。1.1.2 塔式起重机的类型移动式塔吊、根据行走装置的不同又可分为轨道式、轮胎式、汽车式、履带式四种。轨道式塔吊、塔身固定于行走底架上，可在专设的轨道上运行，稳定性好，能带负荷行走，工作效率高，因而广泛应用于建筑安装工程。轮胎式、汽车式和履带式塔吊、无轨道装置，移动方便，但不能带负荷行走、稳定性较差，目前已很少生产。固定式塔吊、根据装设位置的不同，又分为附着自升式和内爬式两种，附着自升塔吊、能随建筑物升高而升高，适用于高层建筑，建筑结构仅承受由起重机传来的水平载荷，附着方便，但占用结构用钢多；内爬式起重机在建筑物内部（电梯井、楼梯间） ，借助一套托架和提升系统进行爬升，顶升较繁琐，但占用结构用钢少，不需要装设基础，全部自重及载荷均由建筑物承受。根据此案例选用支腿固定式塔机。1.1.3 塔机的金属结构由起重臂、塔身、转台、承座、平衡臂、底架、塔尖等组成。起重臂构造型式为小车3变幅水平臂架，再往下分又有单吊点、双吊点和起重臂与平衡臂连成一体的锤头式小车变幅水平臂架。单吊点是静定结构，双吊点是超静定结构。锤头式小车变幅水平臂架，装设于塔身顶部，状若锤头，塔身如锤柄，不设塔尖，故又叫平头式。平头式的使结构形式更简单，更有利于受力，减轻自重，简化构造等优点。小车变幅臂架大都采用正三角形的截面。塔身结构也称塔架，是塔机结构的主体。现今塔机均采用方形断面，断面尺寸应用较广的有：1.2m1.2m 、1.4m 1.4m、1.6m1.6m、2.0m2.0m;塔身标准节常用尺寸是2.5m 和 3m。塔身标准节采用的联接方式，应用最广的是盖板螺栓联接和套柱螺栓联接，其次是承插销轴联接和插板销轴联接。标准节有整体式塔身标准节和拼装式塔身标准节，后者加工精度高，制作难，但是堆放占地小，运费少。塔身节内必须设置爬梯，以便司机及机工上下。爬梯宽度不宜小于 500mm，梯步间距不大于 300mm，每 500mm 设一护圈。当爬梯高度超过 10m 时，梯子应分段转接，在转接处加设一道休息平台。塔尖的功能是承受臂架拉绳及平衡臂拉绳传来的上部荷载，并通过回转塔架、转台、承座等的结构部件式直接通过转台传递给塔身结构。自升塔顶有截锥柱式、前倾或后倾截锥柱式、人字架式及斜撑架式。凡是上回转塔机均需设平衡重，其功能是支承平衡重，用以构成设计上所要求的作用方面与起重力矩方向相反的平衡力矩。除平衡重外，还常在其尾部装设起升机构。起升机构之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端，一则可发挥部分配重作用，二则增大绳卷筒与塔尖导轮间的距离，以利钢丝绳的排绕并避免发生乱绳现象。平衡重的用量与平衡臂的长度成反比关系，而平衡臂长度与起重臂长度之间又存在一定比例关系。平衡重的用量相当可观，轻型塔机一般至少要 34t，重型的要近 30t。平衡重可用铸铁或钢筋混凝土制成：前者加工费用高但迎风面积小; 后者体积大迎风面大对稳定性不利，但简单经济，故一般均采用这种。通常的做法是将平衡重预制区分成 2 3 种规格，宽度、厚度一致，但高度加以调整，以便与不同长度臂架匹配使用。1.1.4 塔机的零部件每台塔机都要用许多种起重零部件，其中数量最大，技术要求严而规格繁杂的是钢丝绳。塔机用的钢丝绳按功能不同有：起升钢丝绳，变幅钢丝绳，臂架拉绳，平衡臂拉绳，小车牵引绳等。钢丝绳的特点是：整根的强度高，而且整根断面一样大小，强度一致，自重轻，能承受震动荷载，弹性大，能卷绕成盘，能在高速下平衡运动，并且无噪声，磨损后其外皮会产生许多毛刺，易于发现并便于及时处置。钢丝绳通常由一股股直径为0.3 0.4mm 细钢丝搓成绳股，再由股捻成绳。塔机用的是交互捻，特点是不易松散和扭转。就绳股截面形状而言，高层建筑施工用塔机以采用多股不扭转钢丝绳最为适宜，此种钢丝绳由两层绳股组成同，两层绳股捻制方向相反，采用旋转力矩平衡的原理捻制而成，受力时自由端不发生扭转。塔机起升钢丝绳及变幅钢丝绳的安全系数一般取为 56,小车牵引绳和臂架拉绳的安全系数取为 3,塔机电梯升降绳安全系数不得小于 10。钢丝绳的安全系数是不可缺少的安全储备系数，绝不可凭借这种安全储备面擅自提高钢丝绳的最大允许安全荷载。由于钢丝绳的重要性，必须加强对钢丝绳的定期全面检查，贮存于干燥面封闭的、有木地板或沥青混凝土地面的仓库内，以免腐蚀，装卸时不要损坏表面，堆放时要竖立安置。对钢丝绳进行系统润滑可以提高使用寿命。变幅小车是水平臂架塔机必备的部件。整套变幅小车由车架结构、钢丝绳、滑轮、行轮、导向轮、钢丝绳承托轮、钢丝绳防脱辊、小车牵引绳张紧器及断绳保险器等组成。对于特长水平臂架(长度在 50m 以上)，在变幅小车一侧随挂一个检修吊篮，可载维修有员往各检修点进行维修和保养。作业完后，小车驶回臂架根部，使吊篮与变幅小车脱钩，固定4在臂架结构上的专设支座处。其它的零部件还有滑轮，回转支承，吊钩和制动器等。1.1.5 塔吊基础设计计算取塔吊最大倾覆力矩，在非工作状态（HS）时：Mmax=1766KNm，计算简图 1 如下：图 11、x 方向，受力简图 2 如下：图 2 以塔吊中心 O 点为基点计算：M=Mmax=1766KNm,M2=2Rb*4.5设 M=M2，则 Rb=198KN，根据单桩承载力设计值 Rb10600KN。（满足要求）2、Y 方向，受力简图 3 如下：5图 3以塔吊中心 O 点为基点计算：M=Mmax=1766KNm,M2=2Rb*5.25设 M=M2，则 Rb=168KN，根据单桩承载力设计值 Rb10600KN。（满足要求）3、Z 方向，受力简图 4 如下：图 4以塔吊中心 O 点为基点计算：M=Mmax=1766KNm,M2=Rb*7.258设 M=M2，则 Rb=244KN，根据单桩承载力设计值 Rb10600KN。（满足要求）1.2 塔式起重机的基本机构介绍本案例中采取固定支腿式塔式起重机，其基本结构如下图 5、6 所示图 5 塔式起重机基本结构1-固定基础；2-固定支腿；3-附着装置；6图 6 塔式起重机基本结构4-顶升机构；5-下支座；6-上支座；7-回转机构；8-回转塔身；9-司机室；10-变幅机构；11-载重小车；12-吊钩；13-起重臂；14-起重臂拉杆；15-塔顶；16-平衡臂拉杆；17-平衡臂；18-平衡重；19-起升机构；20-电控柜；21-塔身1.3 塔式起重机参数选择1、整机性能参数表 1 整机性能参数起升机构M5机构工作级别变幅机构M4最大起升高度 54m额定起重力矩 2500kNm最小/最大工作幅度 4m/70m最大起重量 10t平衡重 21t2、起升机构性能参数指标表 2 起升机构性能参数指标最大牵引力 35000N7规格35x7-18-1870钢丝绳 最大线速度200 m/min转速47.27 r/min卷筒绳容量400m（5 层）型号YZP280M-8功率55kW电机转速735 r/min减速机速比 15.55YWZ3 -315/90-16制动器制动力矩1800Nm3、变幅机构性能参数指标表 3 变幅机构性能参数指标最大牵引力 12089N规格619-9.3-1770-右交最大线速度75 m/min钢丝绳长度绳140m 绳83m卷筒 转速36r/min型号YEJ132S-4B5功率5.5kW电机转速1440 r/min减速机速比 43制动力矩 75Nm4、起重特性表 表 4 起重特性表幅度 4 20 22.3 28 30 35 38 4082倍率起重重量 6 6 6 6 6 6 6 64倍率起重重量 10 10 10 9.21 8.49 7.05 6.38 5.99幅度 45 50 53 55 60 63 65 702倍率起重重量 5.33 4.67 4.34 4.14 3.7 3.46 3.32 34倍率起重重量 5.16 4.5 4.17 3.97 3.53 3.29 3.15 2.83塔式起重机作为一种成熟的工程设备，其设计规范和标准早已完善给出，因此在本例中可以参考以下规范：塔式起重机设计规范 GBT137521992；塔式起重机技术条件 GBT94621999；起重机设计规范 GBT3811-2008。1.4 塔式起重机的部件计算和校核一、电动机功率的确定需要进行以下三个步骤1、计算电动机的静功率（1）(KW)601QjFP式中： 起升载荷 N， ， 为起升载重， 为吊钩组重0FdGdG， Gd%5.2kwp额定起升速度 m/min；由设计要求可知V min/23V机构总传动效率8.094.927.0机卷导组 故电机的静功率为： kwvFPQj .61062、初选电动机9（2）50.KWEjPG因此选择型号：YZP280M-8表 5 电机参数（YZP280M-8） 标称功率 55kW 起动转矩倍数（1Hz） 1.52额定电流 121A 最大转矩倍数（50Hz） 2.9额定转矩 714 Nm 转动惯量 1.65 额定转速 735 r/min 重量 592kg3、电动机过载能力校验（3）601QEjMHFP式中： 基准接电持续时电动机的额定功率（ kw）E电动机转矩的允许过载倍数； =机构总传动效率；MH考虑电压降及转矩允差以及静载试验超载的系数（绕线异步电机取 2.1）最大起升载荷； 电动机台数； 额定起升速度，m/min；QFv当基准接电持续率 时，电动机的额定功率 ；%40cJ kwPE54、电动机发热校核（4）95rmEzTnPK式中：基准接电持续率时电动机的额定功率， =55kw；EPEP机构总传动效率 ， =0.828；系数， ；ZK85.01/Z起重机构最不利工作循环的等效平均阻力矩，rTiaDFmQr2其中，最大起升载荷 N；Q10卷筒计算直径，