QTZ400塔式起重机臂架设计

QTZ400塔式起重机臂架设计
摘要：本次毕业设计题目是QTZ400塔式起重机臂架设计。

本次设计中主要进行了塔机总体选型，整体稳定性计算，其包括（平衡重计算、风载荷计算以及抗倾覆稳定性计算），臂架结构设计及强度校核，臂架焊接工艺及工装夹具设计。

其焊接工艺应尽可能的减小焊接变形和应力集中，胎具的设计应可靠地保证臂架上的各项技术要求。

最后，联系实际，设计出合理的胎具并确定其结构尺寸。

关键词：QTZ400塔式起重机；总体选型；稳定性计算；强度校核；焊接工艺；胎具
序言
塔式起重机简称塔机，也称塔吊，源于西欧。

具有工作效率高、使用范围广、回转半径大、起升高度高、操作方便以及安装与拆卸比较简便等特点，因而在建筑安装工程中得到了广泛的使用，并成为一种重要的施工机械。

为了适应建筑物结构件的预制装配化、工厂化等新工艺、新技术应用的不断扩大，现在的塔式起重机必须具备下列特点：
（1）起升高度和工作幅度较大，起重力矩大；
（2）工作速度高，具有安装微动性能及良好的调速性能；
（3）要求装拆、运输方便迅速，以适应频繁转移工地之需要。

塔式起重机可以将其分解为金属结构、工作机构和驱动控制系统三个部分。

金属结构是塔式起重机的骨架，它承受着起重机自重以及作业时的各种外载荷，是塔式起重机的主要组成部分，由塔身、塔头或塔帽、起重臂架、平衡臂架、回装支撑架、底架、台车架等主要部件组成。

QTZ400塔式起重机的工作机构有起升机构、变幅机构、回转机构和顶升机构等。

其各机构功能：起升机构主要实现物品的上升与下降；变幅机构改变吊钩的幅度位置；回转机构使起重臂架作3600的回转，改变吊钩在工作平面内的位置；顶升机构使塔机的回转部分升降，从而改变塔式起重机的工作高度。

驱动控制系统是塔式起重机又一个重要的组成部分。

驱动装置用来给各种机构提供动力，最常用的是YZR与YZ系列交流电动机。

控制系统对工作机构的驱动装置和制动装置实行控制完成机构的起动、制动、换向、调速以及对机构工作的安全性实行监控，并及时地将工作情况用各种参量：电流值、电压值、速度、幅度、起重量、起重力矩、工作位置与风速等数值显示出来以使司机在操作时心中有数。

本说明书共分为四章，第一章为塔式起重机的总体设计说明；第二章为总体设计计算，包括风载荷计算、平衡重计算和塔机四种工况下的检验计算；第三章为塔机起重臂的强度校核，第四章为起重臂的工装夹具说明。

其中重点是塔式起重机的总体设计计算以及起重臂的工装夹具的设计。

第1章塔式起重机总体选型
1.1概述
塔式起重机是工业与民用建筑施工中，完成预制构件及其他建筑材料与工具等吊装工作的主要设备。

在高层建筑施工中其幅度利用率比其他类型起重机高。

塔式起重机的起升高度、工作幅度和起重力矩都很大，这就要对其受力、稳定性等进行考虑与计算。

塔机的主要性能参数包括：起重量、起升高度、幅度、各机构工作速度、重量指标和起重力矩等。

这些参数表明了起重机的工作性能和技术经济指标，它是设计塔式起重机的技术依据，也是生产中选择塔式起重机技术性能的依据。

总体设计是机械设计整个过程中最关键的环节之一。

它是使设计产品满足技术参数及形式的总构想，决定了机械设计的成败。

在接受设计任务以后，应进行深入细致的调查研究，收集国内外的同类机械的有关资料，了解当前的国内外塔机的使用、生产、设计和科研的情况，并进行分析比较，制定总的设计原则。

设计原则应当在保证所设计的机型达到国家有关标准的同时，力求结构合理，技术先进，积极性好，工艺简单，工作可靠。

制定设计总则以后，接下来便可以编写设计任务书，在调研的基础上运用所学的知识，确定总体设计方案。

本次课题设计的是QTZ400塔式起重机，其结构形式为上回转平衡臂架液压自升式。

1.2总体选型原则
1.2.1起重机的工作级别
塔式起重机的工作级别与它的利用等级（工作频繁程度）和载荷状态（受载荷的轻重和频繁程度）有关。

根据使用状态由GB/T 13752-92《塔式起重机设计规范》P60附录C表C1选取本次设计的QTZ400自升式建筑用塔机的利用等级为U4(经常轻负荷使用)，载荷状态为Q2（中-有时起吊额定载荷，一般起吊中等载荷），起升等级为HC2，工作级别为A4,名义载荷谱系数Km=0.25。

1.2.2机构工作级别
根据GB/T 13752-92《塔式起重机设计规范》规定：机构的工作级别按机构的利用等级和载荷状态分为六级：M1- M6。

机构的利用等级按机构工作总时间分为六级：T1- T6。

机构工作总时间规定为机构在设计寿命期内处于运转的总小时数，它仅作为机构零件的设计基础，而不能视为保用期。

机构的载荷状态表明机构受载的轻重程度，按载荷谱系数分为三级：L1- L3。

如下表1-1
表1-1工作机构级别[1]
注：T―机构利用等级；L―机构载荷状态；
M―机构工作级别；Km―名义载荷谱系数
1.3 QTZ400塔机的主要性能参数
1.3.1主要技术性能表
表1-2主要技术性能表
1.3.2主要机构性能参数
表1-3主要机构性能参数表
1.4 QTZ400塔式起重机结构
QTZ400塔式起重机由金属结构、机构传动、液压顶升、电气装置、以及安全保护装置等组成，各部分结构及特点简介如下：
起重臂用两根起重臂拉杆与塔帽连接，其根部与上转台销轴连接，平衡臂则用两根平衡臂拉杆与塔帽相连，其根部与上转台销轴连接。

起升机构设在平衡臂中后部，回转机构布置在回转上转台的右侧，左侧是司机室，变幅小车和吊钩由设在位于起重臂位于臂根处的变幅机构牵引，由起重臂纵轴线做水平往复运动。

塔身高度由底架、基础节、加强节、标准节、半节的高度组成，独立式高度由12节塔身节组成，（包括3个基础节和1个加强节），最大起升高度120m 时，由54节塔身节组成，同时有6道附着装置。

附着予埋件埋于事先计划好的附着高度位置，以便用附着撑杆将塔身附着于建筑物上。

塔身加强节上部对角线方向有四个可拆卸耳板，四根斜撑杆上面用销轴与耳板连接下面与底架耳座连接。

顶升机构由顶升套架和液压顶升装置两部分组成，顶升套架为框架式空间钢结构件，用销轴与半节相连，其后侧装有液压顶升装置的顶升油缸及顶升横梁，液压泵站放置在套架工作平台上，顶升时顶升横梁顶在塔身的踏步上在油缸的作用下，套架连同半节下转台以上部分沿塔身轴心线上升，油缸顶升两次，可引入一个标准节。

起升高度不超过30米时，采用独立式，大于30米时采用附着式，附着时不论任何情况下，上部悬臂部分不得大于22米。

独立高度时基础节三节，加强节一节，标准节八节，附着时可根据需要增加标准节和附着装置。

1.5 QTZ400塔式起重机结构选型
塔机结构包括：地基基础、底架、压重、塔身基础节、撑杆、塔身标准节、回转平台、顶升套架、驾驶室、塔尖和拉杆、起重臂、平衡臂和平衡重。

1.5.1地基基础
高层建筑施工用的附着式塔式起重机都采用小车变幅的水平臂架，幅度大部分在五十米以上，无须移动作业即可覆盖整个施工范围，因此多采用钢筋混凝土基础。

钢筋混凝土基础有多种形式可供选用。

对于有底架的固定自升式塔式起重
机，可视工程地质条件，周围环境以及施工现场情况选用X形整体基础，四个条块分隔式基础或者四个独立块体式基础。

对于无底架的自升式塔式起重机则采用整体式方块基础。

本次设计我采用的是X型整体基础。

X型整体基础的形状及平面尺寸大致与塔式起重机X型底架相似，塔式起重机的X型底架通过预埋地脚螺栓固定在混凝土基础上。

此种形式多用于轻型自升式塔式起重机，如图1-1。

图1-1 X型整体式钢筋混凝土基础
此外，底架四周边框用无缝钢管使用螺钉连接固定，以增加其稳定性。

1.5.2 支撑架
底架与塔身之间应设计支撑架，以提高塔机的整体稳定性。

1.5.3 塔身
塔身是塔机结构的主体，支撑着塔机上部分的重量和载荷的重量。

从结构类型式可分为空间桁架结构和薄壁圆筒结构两种。

按受力特点分为以承受轴向力为主的旋转塔身和受压、弯、扭转作用的不旋转塔身。

塔身结构截面分为圆形截面、三角形截面及方形截面三类。

现今国内外生产的塔机均采用方形截面塔身结构。

按塔身结构主弦杆材料的不同，这类方形截面塔架可分为：角钢焊接桁架结构塔身，主弦杆为角钢辅以腹杆的矩形截面桁架结构；角钢拼焊方钢管桁架结构塔身及无缝钢管焊接桁架结构塔身。

塔身标准节的截面尺寸规格有：1.2m×1.2m，1.3m×1.3m，1.4m×1.4m，1.5m×1.5m，1.6m×1.6m，1.7m×1.7m，1.8m×1.8m，2.0m×2.0m。

根据承载能力
的不同，同一种截面尺寸，其主弦杆又有两种不同截面之分。

主弦杆截面较大的标准节用于下部塔身，主弦杆截面较小的标准节则用于上部塔身。

塔身标准节的长度尺寸有2.5m，3m，3.33m，4.5m，5m，6m，10m等多种规格，常用的尺寸是2.5m和3m。

本塔机采用桁架结构塔身，其中塔身截面尺寸采用1.4m×1.4m，标准节的长度为2.5m。

如图1-2。

塔身标准节的联接方式有：盖板螺栓联接，套柱螺栓联接，承插销轴联接和瓦套法兰联接。

本塔机采用套柱螺栓联接，其特点是：套柱采用子口定位，螺栓夹紧，用低合金结构钢制作。

适用于方钢管和角钢主弦杆塔身标准节的联接，加工工艺要求比较复杂，但安装速度比较快。

图1-2 塔身标准节
1.5.4 司机室
上回转自升塔机的司机室有3种不同的布置方式：悬挂于臂架根部附近，固定于塔顶的一侧；设置于塔身的顶部，以塔架结构为骨架，外包薄腹板：设置于转台之上塔架结构内。

本塔机采用的是悬挂式司机室而且多设于转台以上臂根侧。

采用这种布置方式的司机室优点在于转台的加工制作可另行安排并实现专业化，不受主体结构的影响，功效高，成本低；在塔机转场运输中司机室可单独装车运输不受钢结构搬运作业的影响，方便、经济，并且不易损坏。

1.5.5 起重臂
1. 构造形式
塔式起重机臂架的结构型式有三种：桁架压杆式、桁架水平式、桁架混合式。

本塔机采用小车变幅水平臂架，简称小车臂架，是一种承受压弯作用的水平臂架，是各式塔机广泛采用的一种起重臂。

其优点是：吊臂可借助变幅小车沿臂架全长进行水平位移，并能平稳准确地进行安装就位。

小车变幅臂架是上弦吊点，正三角形截面臂架，这种臂架的下弦杆上平面用作小车运行轨道。

2.臂架的分节
小车臂架常用的标准节间长度有6m、7m、8m、10m、12m五种。

为便于组合成若干不同长度的臂架，除标准节间外，一般都配设1~2个3~5m长的延接节，一个根部节，一个首部节和端头节。

端头节构造应当简单轻巧，配有小车牵引绳换向滑轮、起升绳端头固定装置。

此端头节长度不计入臂架总长，但可与任一标准节间配装，形成一个完整的起重臂。

本塔机选用标准节长度为6m，另加上3m 长的延接节。

3.臂架截面形式及截面尺寸
塔机臂架的截面形式有三种：正三角形截面、倒三角形截面和矩形截面。

小车变幅水平臂架大都采用正三角形截面，本塔机采用正三角形截面。

选用这种方式的优点是：节省钢材，减轻重量，从而节约成本。

本次设计的臂架结构尺寸为：
底面宽度为980mm，高度为800mm；
4. 腹杆布置和杆件材料选用
本塔机选用人字式布置方式。

其优点在于，这种布置方式应用区段不受限制，焊缝长度较长，强度易于保证，焊接变形较均匀，节点刚度较好，便于布置小车变幅机构。

一般情况下，上吊点小车变幅臂架的上弦以选用16Mn实心钢为宜，但造价要高。

因此本设计选用20号无缝圆钢管。

其特点是：截面尺寸大，强度有所提高。

下弦采用等边角钢对焊的箱型截面杆件，经济实用，具有良好的抗压性能。

因此上弦杆选用Φ76无缝钢管，下弦杆选用的方管结构尺寸为：80×80，臂间由销轴连接。

5.吊点的选择与构造
吊点可分为单吊点和双吊点。

本次设计臂架长度为42m，对最大起吊量并无特大要求，一般采用单吊点结构。

采用单吊点结构时，吊点可以设在上弦或下弦，其位置设置在臂架总长的55%—60%之间。

吊点以左可看作简支梁，以右可看作悬臂梁。

在设计中采用单吊点。

1.5.6塔顶
自升塔机塔身向上延伸的顶端是塔顶又称塔幅或塔尖。

其功能是承受起重臂拉杆和平衡臂拉杆传来的上部载荷，通过回转塔架转台，轴承座等的结构部件或直接通过转台传递给塔身结构。

自升塔机的塔顶有直立截锥柱式、前倾或后倾截锥柱式、人字架式及斜撑式等形式。

截锥柱式塔尖实质上是一个转柱，由于构造上的一些原因，低部断面尺寸要比塔身断面尺寸为小，其主弦杆可视需要选用实心圆钢，厚壁无缝钢管或不等边角钢拼焊的矩形钢管，塔尖部分由平面型钢焊接桁架组成。

这种型式塔尖的特点是构造简单自重轻，加工容易，存放方便，拆卸运输便利。

塔顶高度与起重臂架承载能力有密切关系，一般取为臂架长度的1/7-1/10，长臂架应配用较高的塔尖。

但是塔尖高度超过一定极限时，弦杆应力下降效果便不显著，过分加高塔尖高度不仅导致塔尖自重加大，而且会增加安装困难需要换用起重能力更大的辅助吊机。

因此，设计时，应权衡各方面的条件选择适当的塔顶高度。

本塔机采用前倾截锥柱式塔顶，塔帽用无缝钢管焊成，下部有操作平台，顶部有供平衡臂拉索和吊臂刚性拉杆连接用的吊耳及起升钢丝绳穿绕的定滑轮。

1.6 QTZ400塔式起重机机构选型
塔机工作机构包括：起升机构；变幅机构；小车牵引机构；回转机构；。

起升机构：位于平衡臂尾部，用于驱动重物安全、平稳、快速地运送到指定高度。

变幅机构：位于起重臂根部，用于改变重物中心与塔机回转中心间的距离，驱动重物沿臂架水平移动到指定幅度。

回转机构：位于回转平台上表面，驱动重物平稳转动到指定位置，用于实现重物重心绕塔机回转中心在水平面内的转动。

顶升机构：位于回转平台上，用于实现塔身高度随建筑物的升高而升高。

1.6.1起升机构
QTZ400塔式起重机的起升机构采用了YZTD225－4/8/32－15/15/3.5KW三速电机，通过带制动轮弹性柱销联轴器带动减速箱，再驱动卷筒，使卷筒获得三种不同的工作速度，从而使起重机获得轻载高速和重载低速的性能。

起升机构不工作时，制动轮始终处在制动位置。

在卷筒轴末端装有一个多功能限位器，当重物达到最高位置或最低位置时，起升机构能自动停车，但允许向相反方向运行，如图1-3所示。

图1-3起升机构简图
1-三速电机 2-联轴器 3-液力推杆制动器
4-ZQ500圆柱齿轮减速器 5-卷筒 6-高度限位器
1.起升机构的传动方式
机械传动：其动力是由电机驱动起升机构起升卷筒，也传至其它工作机构。

电力传动：由直流或交流电动机通过减速器带动起升卷筒。

直流电动机传动的机械特性适合起升机构工作要求，调速性能好，但直流电的获得较为困难。

交流电机传动由于能直接自电网取得电流，结构简单、机组重量轻。

液压传动：有高速液压马达传动和低速大扭矩液压马达传动。

前者重量轻、体积小、容积效率高。

后者传动零件少，起、制动性能好，但容积效率较低，易影响机构转速，体积与重量较大。

综上，考虑经济性、工作情况、工作效益等，本次设计采用电力传动。

2.起升机构的减速器
起升机构的减速器通常有以下几种：圆柱齿轮减速器、蜗轮减速器、行星齿轮减速器。

圆柱齿轮减速器效率高，功率范围大，使用普遍，但体积大。

蜗轮减速器的尺寸小，传动比大，重量轻，但效率低，寿命短。

行星齿轮减速器包括摆线针轮行星减速器和少齿差行星减速器，具有结构紧凑、传动比大、重量轻等特点，但价格较贵。

比较上述性能，选用圆柱齿轮减速器。

3.起升机构的制动器
起升机构的制动器可布置在高速轴上，也可布置在低速轴上。

制动器布置在高速轴上时，所需制动力矩小，但制动时冲击较大，通常采用块式制动器。

布置在低速轴上的制动器，所需制动力矩较大，通常采用带式制动器或点盘式制动器。

本设计将制动器布置在高速轴上，采用块式制动器。

4.滑轮组倍率
在起升机构中，滑轮倍率装置是为了使起升机构的起重能力提高一倍，而起升速度会降低一倍，这样起升机构能够更加灵活地满足施工的需要。

塔式起重机一般都为单联滑轮组，故倍率a等于承载分支数Z。

起升速度有6种，见表1-4。

表1-4起升特性参数表
四倍率与二倍率转化方便、快捷，变换倍率的方法如下：将上滑轮6用销轴与吊钩滑轮组7的两滑轮的杆交点连接起来，此时即为四倍率状态；拔出销子，上滑轮6上升到载重小车4处固定后，就变为二倍率状态。

1.6.2 回转机构
回转机构安装在上支座的一侧，行星齿轮减速机带动回转小齿轮，从而带动置于塔机上部的回转塔身、起重臂等作左右回转，速度为0.62r/min，回转制动器为常闭式，在不工作时当风速大于6级风以上，回转部分应能随风转动(下班打开离合器)。

回转支承QW型单排球式，大小齿轮啮合传动比是λ=142/17=8.35，模数m=10，回转支承的代号为QW1250.32。

回转机构通常由回转电动机、液力耦合器、回转制动器、回转减速器和小齿轮组成。

1.回转电动机
回转电动机是整机的传动分流装置的一个传动元件，其选择由起重机的总动力源决定。

2.液力耦合器
液力耦合器作用：一是软化传动特性，使输入和输出之间有微小转差，这样电动机起动力矩不至于一下输入到减速器，产生过大冲击；二是当有两台回转电动机同时并联工作时，可以协调其负载比较平衡，不至于转得快的负载很大，转得慢的负载很轻。

3.制动器
回转制动器选用常开式。

回转制动在回转过程中不允许使用，但回转工作完成后，一定要打开制动器。

制动器选择单片电磁制动器。

4.减速器
减速器是回转机构的关键组成部分，既要减速，又要承受小齿轮轴传来的集中反力。

回转机构的安装要求很紧凑，多用行星齿轮减速器，而且多极减速。

综上，回转机构由一台单速电动机驱动，动力经液力耦合器至行星齿轮减速器到小齿轮，在驱动回转支承大齿轮，为使回转定位准确，本机构中装有一套单片电磁制动器以实现回转止动，该装置只适用于在回转电动机停止工作后，起重臂旋转动作停止时使用。

回转机构简图如图1-4 所示。

图1-4回转机构简图
1-双速电动机 2-液力偶合器
3-行星齿轮减速器 4-驱动小齿轮
5-单排四点接触球式回转支承 6-回转大齿轮
1.6.3 变幅机构
为了满足物料装卸工作位置的要求，充分利用自身的起吊能力，塔式起重机需要经常改变幅度。

变幅机构则是实现改变幅度的工作机构，并用来扩大塔式起重机的工作范围，提高生产率。

变幅机构由电动机、减速器，卷筒和制动器组成，功率和外形尺寸较小。

变幅机构按其构造和不同的变幅方式分为运行小车式和吊臂俯仰式。

本塔机采用小车变幅，小车牵引机构装在起重臂第一节内的，是载重小车变幅的动力装置。

它由YDEJ100L－4/8极2.4/1.5KW－B3电机，通过减速机带动卷筒，使载重小车以20、40m/min的速度在轨道上水平移动实现幅度转变。

卷筒末端设有一个多功能限位器。

变幅机构及钢丝绳的缠绕方式如图1-5所示。

变幅机构简图
图1-5 变幅机构及钢丝绳缠绕简图
1-变幅卷筒 2-摆线针轮减速机 3-制动器 4-电动机
1.7安全装置
安全装置是塔式起重机必不可少的关键设备之一，其作用是防止误操作和违章操作，以避免由误操作或违章操作所导致的严重后果。

塔式起重机的安全装置可分为限位开关、断电装置、钢丝绳防脱装置、风速计、紧急安全开关、安全保护音响信号。

1 零位保护
联动操纵台在停止时手柄自动复零。

2 主电路电气保护
总电源短路保护，各机构电机的短路、过载、过流保护，起升具有断相、缺相、三相电流不平衡度超过15%保护。

2 接地保护
各电器元件与控制箱、联动操纵台都良好接地。

3 断路器保护
在各控制回路、照明、信号灯、通风机电路中都装有断路器作短路保护。

4 电笛
在准备开机前，须先用电笛通知现场人员，电笛安装在电控柜上，由操纵台的按钮控制。

5 声光报警
当起重机起重力矩超过额定值的80%或起重量超过额定值的80%时，会自动接通闪光蜂鸣器，对司机声光报警。

当起重量或起重力矩达到额定值时，则红色指示灯亮，要求司机立即解除危险工作。

6 障碍指示灯
当塔机高度高于50米时，为了不使起重机和其它物体不发生碰撞，在塔机顶部和起重臂前端各装有一个红色障碍灯以指示高度位置，注意在晚间停机后，应接通障碍电源。

7 电源指示装置
在联动操纵台上装有电源指示灯，启动电源后指示灯应明亮，说明电源已接通。

电源电压值应在380v±5%，供电频率在50
H的情况下塔机才能正常工作。

Z
8 高度、幅度、回转限位
高度幅度回转限位是多功能限位器将卷筒的转动圈数或回转角度记录下来。

当转至给定的位置时，记忆凸轮使微动开关切换，实现塔机终止运行。

9.力矩限制器
力矩限制器主要有传感器装置，吊臂长度检测装置，吊臂仰角检测装置，运算系统及显示部分和执行机构所组成。

力矩限制器通过检测装置当时的吊臂长度和吊臂对水平面的倾角，并输入到运算系统内，计算出当时的工作幅度，然后根据相应的“幅度-起重量特性曲线”计算出当时允许起升的最大载荷，并以此作为额定值。

装设在变幅液压缸上的传感器装置测得反应总力矩的信号，送入运算系统内，经过计算后得出起升载荷的实际值。

当实际值大于额定值时，起重机已处于危险工作状态，这时力矩限制器会发出声响和灯光警报。

10. 风速仪
风荷是塔式起重机的基本载荷，风荷与风速有关，还会随高度升高而增大。

因此，风速仪是一种极其重要的安全预警装置，对每台自升式塔式起重机均是必备之物。

风速仪应安装在塔机顶部至吊具最高位置间的不挡风处。

11.钢丝绳防脱装置
GB5144《塔式起重机安全规程》规定：滑轮、起升卷筒及动臂式塔机的变幅卷筒应设有钢丝绳防脱装置，该装置与滑轮或卷筒侧板最外缘的间隙不得超过钢丝绳直径的20%。

除此之外还有许多电子安全装置，用以保证工人工作的安全，使他们在安全、舒适的环境下工作。

12.电子安全装置。