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塔式起重机设计
第一章前言
塔式起重机简称塔机，亦称塔吊，起源于西欧。

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。

1941年，有关塔机的德国工业标准DIN8770公布。

该标准规定以吊载(t)和幅度(m)的乘积(tm)一起以重力矩表示塔机的起重能力。

塔式起重机是我们建筑机械的关键设备，在建筑施工中起着重要作用，我们只用了五十年时间走完了国外发达国家上百年塔机发展的路程，如今已达到发达国家九十年代水平并跻身于当代国际市场。

五十年代初，我国塔机的仿制开始起步生产的是一些小型塔机，六十年代自行设计制造了25TM、40TM、60TM、160TM四种机型，多以摆臂为主；七十年代，随着高层建筑发展，对施工机械提出了新的要求。

于是，160TM附着式、45TM内爬式、120TM自升式等都由我国自己设计并制造；八十年代，国家建设突飞猛进，建筑用最大的的250TM塔机也应运而生。

特别是1984年，首先在北京建工集团建机厂引进世界先进的法国POTAIN（波坦）公司技术并于次年成功试制了FO/23B塔机，这可以说是我国塔机发展史的里程碑，它大大缩缺了我国与国外的差距，使我国塔机发展步入快行道。

本机性能先进，结构合理，操作使用安全可靠．其主要特点是起重高度大，工作幅度宽．塔机上部能借助于液压顶升机构，根据施工的建筑物的增高而相应地升高，使司机操作方便，视野宽并始终保持高清晰．这种塔机广泛地适用于多层和高层民用建筑，多层大跨度工业厂房，以及采用滑模施工的高大烟囱和筒仓等塔型建筑物的施工，也可用于港口，货场的装卸．这种塔机有多种形式．设计正在不断的完善中．此次设计的形式为固定上回转液压顶升自动加节．
产品技术性能含金量不高塔式起重机是建筑机械唯一可移动垂直运输工具，其技术性能高低不仅关乎工程进度，更关系着安全生产。

目前，我国塔机性能基本处于八、九十年代的
机械化水平，与现代国外智能化、数字化控制技术还有很大差距，跟不上市场的需要。

由于可靠性较差，造成机械、电器事故率较高。

代表当代塔机技术性能的全无极调速、PLC控制在发达国家中已十分普及，而在我国充其量在2%；而我国目前刚刚启动，可以说还是空白。

分析原因是用户群的不确定性制约了技术进步。

由于建筑市场繁荣，发展迅速，大量中小建筑企业应运而生，很多新生建筑企业由于缺乏长运规则，资金不雄厚，只得购入技术含量低，一次性投入少的一般塔机或淘汰下来的"二手货"。

这方面，我国法规上还没有明确的限制，或有限制但执行力度也不够，造成购入技术先进，投资大的企业竞争力反而下降；再有陈旧的观念也是制约技术进步的因素，先进的技术，良好的监控系统无疑对保障工程速度、质量和安全生产都会产生积极的效果，同时必不可少地要进行学习或培训已掌握现代技术，这又会引起固有传统观念用户的反感，他们误认为原来的好使、方便。

从塔机的技术发展方面来看，虽然新的产品层出不穷，新产品在生产效能、操作简便、保养容易和运行可靠方面均有提高，但是塔机的技术并无根本性的改变。

塔机的研究正向着组合式发展。

所谓的组合式，就是以塔身结构为核心，按结构和功能特点，将塔身分解成若干部分，并依据系列化和通用化要求，遵循模数制原理再将各部分划分成若干模块。

根据参数要求，选用适当模块分别组成具有不同技术性能特征的塔机，以满足施工的具体需求。

推行组合式的塔机有助于加快塔机产吕开发进度，节省产品开发费用，并能更好的为客户服务。

塔机分为上回转塔机和下回转塔机两大类。

其中前者的承载力要高于后者，在许多的施工现场我们所见到的就是上回转式上顶升加节接高的塔机。

按能否移动又分为：走行式和固定式。

固定式塔机塔身固定不转，安装在整块混凝土基础上，或装设在条形式X形混凝土基础上。

在房屋的施工中一般采用的是固定式的。

塔式起重机的动臂形式分水平式和压杆式两种。

动臂为水平式时，载重小车沿水平动臂运行变幅，变幅运动平衡，其动臂较长，但动臂自重较大。

动臂为压杆式时，变幅机构曳引动臂仰俯变幅，变幅运动不如水平式平稳，但其自重较小。

为了确保安全，塔式起重机具有良好的安全装置，如起重量、幅度、高度和载荷力矩等限制装置，以及行程限位开关、塔顶信号灯、测风仪、防风夹轨器、爬梯护身圈、走道护栏等。

司机室要求舒适、操作方便、视野好和有完善的通讯设备。

第二章总体设计
第一节概述
总体设计一般由技术负责人主持进行，在接受设计任务以后，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，力求结构合理，技术先进，经济性好，工艺简单，工作可靠。

制定设计总则以后，便可以编写设计任务书，在调研的基上运用所学的知识，从优选择确定总体方案，保证设计的成功。

第二节总体方案的设计
上回转塔机是回转支撑在塔身顶部的起重机．尽管其设计型号有各种各样，但其基本结构大体相同。

整台的上回转塔机主要由金属结构，工作机构，液压顶升系统，电气控制系统及安全保护装置等几大部分组成。

金属结构
塔式起重机金属结构部分由：塔身，塔头或塔帽，起重臂架，平衡臂架，回转支撑架等主要部件组成．对于特殊的塔式起重机，由于构造上的差异个别部件也会有所增减．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．其重量通常占整机重量的一半以上．
本次设计采用X形整体钢筋混凝土基础．这种形式适用于有底架固定式自升塔式起重机．它的形状与平面尺寸大致与塔式起重机X形底架相似塔式起重机的X形底架通过预埋地脚螺栓固定在混凝土基础上。

这种基础不仅起着承上启下的作用将塔机的荷载传给地基，同时发挥部分压重作用，保证塔机的稳定性。

混凝土外轮廓尺寸约为5000×5000×1500mm（长×宽×高），密度为2.4t／m3，总重为90t．基础表面平整．
1.底架结构
塔机底架结构水塔身的结构特点及爬升方式而异。

小车变幅水平臂架自升塔机采用的底架结构可分为：十字行底架，带撑杆的十字行底架，带撑杆的井字行底架，带撑杆的水平框架式杆件拼装底架，和塔身偏置式底架。

本设计采用十字型底架，由一根通长的纵梁和铰装在纵梁中部的两根活动短梁组成，这种底架可直接固定在混凝土基础之上。

优点：无需特殊的预埋地脚螺栓，通过调整活动短梁的张开角度可分别构成3.4×3.4，4×4，以及5×5的底架，混凝土基础块可根据施工底盘特点采用方行混凝土墩变成长方形混凝土墩。

基础节位于十字底梁中心位置，有四根撑杆为两端焊有连接耳板的无缝钢管，上下连接耳板用销轴分别与底节和十字底梁四角的耳板连接，撑杆可使危险截面上移。

2.塔身结构
塔式起重机的塔身是塔机结构的主体，支撑着塔机上部的重量和载荷的重量．从结构形式可分为空间桁架结构和薄壁圆筒结构．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．
上回转塔机的塔身固定不旋转，但可以顶升接高.通常由多个标准节组成．标准节，就
是一段上，宽，高都统一的塔身．这样便于用工装制作，具有互换性．标准节的长度有2.5m 、3m等多种规格．它主要由四根主弦杆，三个水平框架，其间有斜腹杆，上下有连接套等
组成一空间结构．
主弦杆要承受压力和拉力，其合成力矩来平衡起重力矩和附加力矩；水平腹杆和斜腹杆用于传递扭矩和水平剪力；连接螺栓传递各节之间的拉力．上回转塔机的塔身以受弯为主，受压为辅，这是其突出的结构特点．因此塔身必须结实，有足够的强度，刚度和局部失稳的
储备．
3.1塔身结构断面形式
塔身结构断面分为圆形断面、三角形断面及方形断面三类。

现今国内外生产的塔机均采用方形断面塔身结构，本设计的塔机亦是方形断面。

这类方形断面分为：角钢焊接格桁结构塔身，主弦杆为角钢铺以加强筋的矩形的断面格桁结构；角钢拼接方钢管格桁结构塔身及无缝钢管焊接格桁结构塔身。

本次设计采用角钢拼接方钢管格桁结构塔身。

其中1.6m×1.6m为本次设计的塔身截面尺寸。

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。

主弦杆截面加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。

常用的尺寸是2.5m和3m。

3.2塔身结构腹杆
塔身结构腹杆采用角钢或无缝钢管制成,腹杆可焊装于角钢主弦杆内侧或外侧.斜腹杆和水平腹杆可采用同一规格,腹杆有多种布置方式,有三角形，Ｋ字型等多种布置形式．腹杆体系的不同会影响塔身的扭转刚度和弹性稳定性．本次设计主弦杆采用方钢管，其原因如下：对角线撑杆，水平腹杆，斜腹杆以及连接套都要与主弦杆相连，方钢管的接触面积大，安全性较大，连接套的焊缝等不易开缝．腹杆采用Ｋ字型布置．优点是：避免将斜腹杆与对角线撑杆，水平腹杆，连接套同时连接在主弦杆上，致使结构性变差．采用Ｋ字型布置后斜腹杆与中间的水平腹杆连接主弦杆的Ａ位置处，结构性较好．滑梯置于起重机结构内部，与水平面呈90°角，故为直梯．直立梯两撑杆间宽度不小于300mm；梯级间隔为250—300mm；踏杆直径不小于16mm．
3.3塔身标准节的联接
塔身标准节的联接方式有：盖板螺栓联接、套柱螺栓连接、承插销轴联接、插板销轴联接和瓦套法兰盘联接。

4.1套架
套架本身就是一个空间桁架结构。

套架有框架，平台，栏杆。

支承踏块组成等组成。

安装套架时，大窗口应与标准节焊有踏块的方向相反。

套架的上端用螺栓与回转下支座的外伸腿相连接，其前方的上半部没有焊腹杆，而是引入门框，因此其弦必须作特殊的加强，以防止侧向局部失稳。

4.2 顶升机构
1）.顶升接高方式的不同，可分为上顶升加节接高、中顶升加节接高和下顶升加节接高和下顶升接高三种形式。

2）.顶升机构的传动方式不同，可分为绳轮顶升机构、轮顶升机构、条顶升机构、丝杠顶升机构和液压顶升机构等五种。

3）.顶升液压缸的布置，顶升接高方式又可分为中央顶升和侧顶升两种。

5.回转支撑装置
5.1 柱式回转支撑又有定柱式和转动式两类
5.2
滚动轴承式回转支撑回转部分固定，在大轴承的回转座圈上，而大轴承的固定座圈则于塔身（底架或门座）的顶面相固结。

平衡臂选用角钢组焊而成的平面桁架，臂长12.076米。

分为前后两节。

自升塔机塔身向上延伸的顶端是塔顶。

自升塔机的塔顶有直立截锥柱式，前倾或后倾截锥柱式，人字架式及斜撑架式等形式。

6.司机室
悬挂式司机室，设于转台之上臂根一侧。

在塔机转场运输中，司机室可单独装车运输，不受刚结构搬运作业的影响，方便，经济，并且不易损坏，在性能指标上能较好的满足使用要求。

司机室的使用要求：塔式司机室应能为司机提供一个较舒适的工作空间，不受风雨及沙尘的袭击及捆扰，有良好通风及隔声构造，保证满足劳动卫生要求。

7.起重臂
塔式起重机臂架的结构形式有三种：桁架压杆式，桁架水平式和桁架混合式．上回转塔机大多数是小车变幅式，故本次设计采用桁架水平式臂架利用沿臂架弦杆运行的起重小车的移动实现变幅．
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．臂架截面尺寸与臂架承载能力，臂架构造，塔顶高度及拉杆结构等因素有关．截面高度主要受最大起重量和拉杆吊点外悬臂长度的影响最大．截面宽度主
要与臂架全长有关．臂架越长，截面宽度应越宽．上弦杆，斜腹杆和水平腹杆采用无缝钢管和角钢．两根下弦杆为槽钢或方管．其设计原则是：臂架长度小于50m，对最大起吊量并无特大要求，一般采用单吊点结构．若臂架总长在50m以上，或对跨中附近最大起吊量有特大要求应采用双吊点采用单吊点结构时，吊点可以设在上弦或下弦．在条件相同情况下，从提高吊臂的承载能力出发吊点宜设在下弦；从减小臂端垂度出发吊点宜设在上弦．
8.附着装置
附着装置是由一套附着框架，四套顶杆和三根撑杆组成，通过它们将起重机塔身的中间节段锚固在建筑物上，以增加塔身的刚度和整体稳定性．撑杆的长度可以调整，以满足塔身中心线到建筑物的距离限制．通常这个距离以3.5～5m设计．附着装置如图
图2-5 附着装置
二．工作机构
塔式起重机都设有起升，回转，变幅等工作机构。

为提高塔机的生产效率，加快吊装施工进度，各工作机构均应具备较高的工作速度，并要求启动和制动工程中都能平缓进行，避免产生急剧冲击，对金属结构产生破坏性影响。

1.起升机构
起升机构是起重机机械的主要机构，用以实现重物的升降运动。

起升机构通常由远动机、减速器、卷筒、制动器、离合器、钢丝绳、滑轮组和吊钩等组成。

起升机构示意图如图2-6所示。

1.1起升机构的传动方式
按照起重机的传动方式不同，起升机构有机械传动，电力-机械传动（简称电力传动），和液压-机械传动（简称液压传动）等形式。

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，故在电力传动的起升机构上被广泛采用。

机械传动.其动力由发动机经机械传动装置传至起升机构起升卷筒,同时也传至其它工作机构.由于集中驱动,为保证各机构的独立运动,整机的传动比较复杂.起升机构的调速困难、操作麻烦，但工作可靠。

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，本次设计的塔机起升机构采用电力传动。

1.2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，但价格教贵。

1.3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，但制动时冲击教大，通常采用块式制动器。

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

将制动器布置在高速轴上，采用块式制动器
图2-6 起升机构示意图
1.4滑轮组倍率
塔式起重机一般都为单联滑轮组，故倍率α等于承载分支数Z ．起升速度有6种，见下表
表2－1 起升速度表
四倍率与二倍率转化方便，快捷．如图2-7所示。

123
图2－7 起升钢丝绳缠绕示意图
将滑轮3用销轴与滑轮1，2的杆交点联接起来，此时
即为四倍率状态；拔出销子，滑轮3上升到虚线位置
固定后，就变为二倍率状态．
2.回转机构
塔机是靠起重臂回转来保障其工作覆盖面的。

回转运动的产生是通过上、下回转支座分别装在回转支承的内外圈上并由回转机构驱动小齿轮。

小齿轮与回转支承的大齿圈啮合，带动回转上支座相对于下支座运动。

回转机构设成双回转式，通常由回转电动机、液力偶合器、回转制动器、回转减速器和小齿轮组成。

2.1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所决定。

2.2液力偶合器
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，可以协调其倍率
α=4 α=2 起升量 (t) 3 1.9
0.97 6 速度 （m/min ） 32.7
51.8 100 16.3
负载比较平衡，不至于转的快的负载很大，而转的慢的负载教轻。

2.3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。

2.4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，而且多级减速。

综上，回转机构由一台单速电动机驱动，动力经液力偶合器至行星齿轮减速器到小齿轮，在驱动回转支承大齿轮，为使回转就位准确，本机构中装有一套单片电磁制动器以实现回转止动，该装置仅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。

图2—4所示为回转机构简图。

7
6
5 4
3
2
1
1.回转电动机 5.小齿轮
2.液力偶合器 6.回转支承
3.制动器 7.联轴器
4.回转减速机
图2－7 回转机构示意图
回转机构有单回转和双回转之分，单回转机构由一台回转电动机带动，承受单向力。

双回转机构承受双向力，回转机构可能不同步。

3 变幅机构
变幅机构是实现改变幅度的工作机构，用来扩大起重机的工作范围，提高起重机的生产率。

变幅机构由电动机、减速器，卷筒和制动器组成，功率和外形尺寸教小。

变幅机构按其构造和不同的变幅方式氛围运行小车式和吊臂俯仰式。

本设计采用小车变幅。

绳索牵引式小车变幅可使工作可靠，减轻起重臂载荷，而且因其驱动装置放在吊臂根部，平衡重也可略为减少。

3.1驱动卷筒的型式
有普通牵引卷筒和摩擦卷筒。

采用普通牵引卷筒，工作可靠，但牵引卷筒教长，而且要有两根钢丝绳，采用铸造卷筒。

3.2电动机
变幅机构因有两个速度则应选用双速电机。

3.3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。

卷筒的传动机构可采用普通标准卷扬机，为使机构尺寸更紧凑，本机构采用行星摆线针轮减速器。

3.4制动器小车牵引机构采用电磁铁制动器，使起、制动平稳可靠。

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。

图2—8 为小车变幅机构简图。

关于变幅机构的结构设计将在第三章机构设计中重点细述。

三.安全保护装置及控制器
1）安全保护装置
①起升高度限制器为了防止起升卷筒过卷而拉断钢丝绳，工程起重机均装设起升高度限制器，起升高度限制器，起升高度限制器主要有重锤式和螺杆式；重锤式高度限制器优点是结构简单，使用方便．缺点是用钢丝绳悬挂，重锤经常与起升钢丝绳摩擦；螺杆式高度限制器常用于小车变幅式塔式起重机．这种限制器装两个限位开关还可以作双向控制．
②起重量限制器只控制或只显示起重机的极限载荷．在正常的起重机作业中，起升钢丝
绳的合力R转轴的矩M
1＝R×a与弹簧力N对转轴O的力矩M
2
=N*b相平蘅，而弹簧的变形量较
小．当超载时，弹簧产生较大的变形，撑杆打开限位开关，使起升机构停止工作，起限制超载的作用．
③力矩限制器
力矩限制器主要由传感器装置，吊臂长度检测装置，吊臂仰角检测装置运算系统以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的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映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报警．
2）控制电器
①手动控制电器
塔式起重机各个工作机构的控制都要通过驾驶员人力操纵控制器完成的。

通用的手动控制器主要有：万能转换开关，主令控制器和联动控制器；1）万能转换开关主要用于交流380v，5 0Hz以及以下和直流220v以及以下电路，用作电器控制线路，电器测量仪表电路的转换，以及5.5kw以下异步电动机直接启动，转向和多速电机的控制。

其操作频率不大于20次/n，机械寿命达106次，常用于轻型塔机中传动系统起升机构和变幅机构控制。

2）主令控制器用于频繁地按顺序转换主电路或控制电路接线的开关电器。

塔机上主要用凸轮控制器来控制绕线电机的转子串电阻调速。

它是介于电阻器和电动机之间一个关键性开关，用于接入或切出电阻器的电阻，使电机获得所需要的机械特性；也用于控制电机的正反转，以实现如起升和下放等特定工作要求。

3）联动控制器是新一代起重机控制装置，便携式联动控制用快装塔机驾驶室联动台用于大中型塔机。

②电磁操纵器件
主要包括交流接触器和电磁起动器，后者主要是由前者构成。

接触器可远距离操纵电动机的启停或反转；由于它能分断过载数倍的额定电流，频繁通断时具有足够的热稳定性，起重机上常用来切换定子电路以完成换向和切换外加电阻。

③保护控制器件主要有断路器，熔断器，热继电器和热过载继电器。

④其他电器设备1）电缆卷筒用于卷绕后盘状储存2）中央集电环当为了避免电缆由于回转失控造成扭断事故，应利用回转支承以及回转台结构空间设置中央集电环，通过集电环向上送电。

第三节设计原则
起重机的工作级别
塔式起重机划分工作级别可作为设计人员进行设计计算的依据,此外还作为技术参数依据提供用户参考.。