塔筒纵向焊缝焊接用升降平台的设计(含全套CAD图纸)

本科生毕业论文（设计）
题目：塔筒纵向焊缝焊接用升降平台的设计姓名：
系别：工程系
专业：机械设计制造及其自动化
班级：
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20 年6月18日
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论文（设计）作者签名：日期：年月日
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目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
1绪论 (1)
1.1 课题研究的目的和意义 (1)
1.1.1 世界风塔发展状况 (1)
1.1.2 中国风力发电发展状况 (1)
1.1.3 课题研究的意义 (3)
1.2 升降平台的研究与使用现状 (3)
2 升降平台型式分析与方案选定 (5)
2.1 升降平台的的设计要求 (5)
2.2 升降平台的总体布置 (5)
2.3 升降平台型式综合分析与方案优选 (6)
2.3.1 升降平台型式的综合分析 (6)
2.3.2 升降平台的结构设计 (7)
2.3.3 升降平台的工作原理 (8)
3 传动系统的设计 (9)
3.1 电动机的选择 (9)
3. 2 链传动设计 (10)
3.3 传动轴的设计及校核 (11)
3.4 滚轮的设计 (17)
3.5 联轴器选择 (19)
3.6 平衡配重的设计 (20)
4 总体支架的设计 (22)
4.1 支架立柱设计 (22)
4.2 平台的结构设计及校核 (24)
5 结论 (27)
参考文献 (28)
致谢 (29)
塔筒纵向焊缝焊接用升降平台的设计
摘要
风能是一种清洁的可再生能源，风力发电逐渐成为世界各国重点发展的能源之一，风力发电机的制造业也随之成为新兴的制造产业。

通过对风塔制造过程的研究和学习，完成了风塔纵缝焊接升降平台的设计，包括平台升降系统、驱动系统、配重平衡机构及支架等部分。

设计中采用了链传动的机械升降系统，通过升降装置实现平台高度的调节，满足了不同直径塔筒的纵缝焊接施工要求。

设有配重装置，减小了平台升降时的动力消耗，增加了运动平稳性。

采用单侧支架结构，减小了所占用的车间生产面积。

本设计对于提高产品的质量、提高劳动效率、降低工人的劳动强度以及提高经济效益等都具有十分重要的意义。

关键词：塔筒；埋弧自动焊；纵缝焊接；升降平台
Design of Lifting Platform Which Used for
Welding Longitudinal Seam on Wind Turbine Towers Drum
Abstract
The wind energy is one kind of clean renewable energy source, the wind power generation becomes one kind of key development points all over the world. And wind generators also become the new developing parts of the manufacturing industries.Through the research of w ind turbine towers’ manufacturing process,I have completed the design of the platform lifting which used for welding the longitudinal seam on wind turbine towers.It includes platform lifting system,electric driving system, counterweight system and support. In the design，the platform hight can be adjust by the chain drive system to satisfie the construction request of the longitudinal seal welding on different diameter tower tubes. The counterweight device reduced the power consumption when the platform rises and falls, increase the smoothness of motion of the platform.The unilateral bracket structure reduced the occupied area of theworkshop.This design can improve the quality of products ,reduce the working hours and labor intensity, enhance the econmic effciency and so on.
Key words: wind turbine towers drum；submerged arc welding；longitudinal seam welding；
lifting platform
全套设计加36296518
1绪论
1.1 课题研究的目的和意义
1.1.1世界风塔发展状况
在自然界中，风能是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。

风力发电逐渐成为世界各国重点发展的能源之一，风力发电机的制造业也随之成为新兴的制造产业。

一、世界风电装机容量快速发展
1.世界风能资源储量丰富
世界风能资源储量十分丰富。

有关人员经过研究发现：按在80米高度处6.9米/秒的风速来计算，全球风能可利用资源量为72万亿千瓦。

即使只成功利用了其中的20%，依然相当于世界能源消费量的总和。

因此，风力发电具有很大的潜力。

2.世界风电装机容量快速增长
1 )风电技术持续发展，成本持续下降
通过产业技术进步，风电的成本也持续下降。

目前，在各种可再生能源之中，风电的成本最低。

国内的风电平均成本为0.50元/( kW·h)，总成本费用已经接近新投资的水电和火电。

最近，世界风能理事会对进一步降低风电成本问题进行了分析研究后，认为风电成本下降，60%依赖于规模化发展，40%依赖于技术进步。

过去的风电成本下降更多的是依据技术进步，以后风电成本进一步下降则更多的是依赖于规模化、系列化和标准化。

世界风能理事会估计到2020年，陆上风机的总体造价还可以下降20%-25%，海上风机的造价可以降低40%以上，发电成本可以同幅下降。

2)世界风电装机容量快速增长
风力发电在可再生能源中是技术相对成熟、成本相对较低的一种，受到各国的普遍重视，装机容量快速增长。

从1996年起，全球累计风电装机连续12年增速超过20%，平均增速达到28.33%。

1.1.2 中国风力发电发展状况
一、我国的风电资源丰富
我国风能资源及其分布我国位于亚洲大陆东部，濒临太平洋，季风强盛，内陆还有许多山系，地形复杂，加之青藏高原耸立我国西部，改变了海陆影响所引起的气压分布和大气环流，增加了我国季风的复杂性。

冬季风来自西伯利亚和蒙古等中高纬度的内陆，那里空气十分严寒干燥，冷空气积累到一定程度，在有利高空环流引导下，就会爆发南下，俗称“寒流”，在此频频南下的强冷空气控制和影响下，形成寒冷干燥的西北风侵袭我国北方各省（直辖市、自治区）。

每年冬季总有多次大幅度降温的强冷空气南下，主要影响我国西北、东北和华北，直到次年春夏之交才消失。

夏季风是来自太平洋的东南风、印度洋和南海的西南风，东南季风影响遍及我国东半壁，西南季风则影响西南各省和南部沿海，但风速远不及东南季风大。

青藏高原地势高亢开阔，冬季东南部盛行偏南风，东北部多为东北风，其他地区一般为偏西风，夏季大约以唐古拉山为界，以南盛行东南风，以北为东至东北风。

我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多公里，还有18000多公里的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。

二、我国风力发电机组设备制造业前景广阔
1、国际国内差距正在缩小
风力发电机组设备制造行业是一个进入壁垒较高的行业。

所以行业集中度非常高，全球十大风电设备商累计占全球市场96%的份额。

仅4家最大风力发电机组设备制造商就掌控了全球市场75%的份额。

国内市场的风力发电机组产品供应商也主要以国际厂商为主，2004年、2005和2006年，国际厂商产品占国内市场份额的比例分别为75.35%、70.59%、58.80%。

根据《国家发展改革委员会关于风电建设管理有关要求的通知》，风电设备国产化率要达到70%以上，不满足设备国产化率要求的风电场不允许建设。

因此，国际风机产业巨头纷纷在中国设立总装厂、配件工厂或是研发中心。

随着未来国内厂商对外方技术的吸收，以及风机制造经验的增加、相关政策的实施、行业标准的制定，可以预期我国风电产业大环境将得到较大改善，技术研发实力将得到提高，技术工人将增加，与国际先进技术的差距将缩小。

2、市场供求状况
在未来很长一段时期内，我国对风力发电设备的需求将持续保持强劲增长态势。

自2003年以来，我国风电装机容量增长迅速，据预测，2011年中国风电装机总量将可能达到1740万千瓦。

随着国家产业政策的大力扶持，以及能源短缺和环境保护压力的持续增大，风力发电技术的逐步成熟和成本的降低，风电行业将保持持续增长态势。

供给方面，风力发电机组整机制造进入壁垒较高，从进入到形成稳定的批量生产能力的时间较长，生产能力的扩大比较缓慢，而且先行的整机制造商已与零部件供应商结成了战略合作伙伴，稳定的订单占据了一定的制造资源，给后来的整机厂进入市场带来了一定的困难，因此形成了暂时的市场供不应求的局面。

预计2010年以前，我国风力发电机组市场供给的增长总体上将落后于需求的增长。

2010年以后，有可能出现供求基本平衡、略有短缺的局面。

1.1.3 课题研究的意义
风力发电机的制造过程中，塔筒的焊接是影响进度和质量的一个重要因素。

如何能提高风塔的塔筒的焊接速度及质量，是迫切需要解决的重要问题。

因此，本课题对于塔筒纵向焊缝焊接升降平台的研究具有重要意义。

本课题涉及风塔塔筒纵向焊缝焊接升降平台的设计问题。

对于塔筒是圆柱形并且直径很大（3-4米）的这一情况，焊工在焊接时会有很大的不便。

在纵缝焊接过程中，由于其结构的特殊性，在以前有好多厂家在对钢板卷制后的筒体纵缝外进行埋弧自动焊接时，需要先将焊缝转到上面，然后在其上搭设临时架子，在架子上安放埋弧自动焊接小车，由小车的运动来完成对其下面的纵缝外的焊接。

这种方法的缺点是搭架子费工费时，工效低不方便流水作业，而会导致焊接之后焊缝质量不过关，焊接效率太低，工作人员进行焊接时也具有很大的危险性。

课题要求设计出一台风塔塔筒纵缝焊接平台装置，以满足多种不同规格的风塔制造要求，生产出不同尺寸要求的风塔塔筒，满足企业的生产需要。

这对于保证产品的质量要求、提高劳动效率、降低工人的劳动强度以及降低生产成本、提高经济效益等都具有十分重要的意义。

1.2 升降平台的研究与使用现状
风力发电塔的焊接工艺设计必须以简洁、实用、可靠为原则，并具有良好的可操作性，才能保证施工顺利进行及产品焊接质量。

因此，对焊接的辅助设备要求很高。

在以前，有好多厂家在对钢板卷制后的筒体纵缝外进行埋弧自动焊接时需要先将焊缝转到上面，然后在其上搭设临时架子，在架子上安放埋弧自动焊接小车，由小车的运动完成对其下面的纵缝外的焊接。

这种方法的缺点是搭架子费工费时、工效低，不方便流水作业
，而纵缝焊接升降平台克服了上述缺点，它的升降功能可以适应直径大小不同的筒体，且人员在平台上操作埋弧自动焊接小车，既安全、又方便。

使用这种工装有利于组织流水作业，提高工效。

现在，在激烈的市场竞争要求下，虽然各个厂家基本上都采用了不同的焊接装备来辅助焊接，但是大体上都是采用升降平台来完成焊接辅助。

升降台目前比较成熟的种类有（1）液压缸斜置驱动的剪叉式升降台;（2）丝杠剪叉式升降台（3）垂直丝杠传动的机械式升降平台（4）采用气液联动系统，利用PLC控制技术，用于物品在垂直方向叠放的气－液联动升降平台以及链轮控制的升降平台。

现在国内绝大部分纵缝焊接装置都具有可移动悬臂架、升降平台、电控系统等部分。

2 升降平台型式分析与方案选定
2.1 升降平台的的设计要求
本课题拟设计一种用于风塔塔筒焊接的专用设备，风力发电机的塔筒为圆筒形焊接结构，是在钢板卷筒后采用埋弧自动焊完成纵向焊缝的焊接，然后用环缝埋弧自动焊对接组合成不同长度的塔筒。

在纵向焊缝的焊接过程中，由于焊件结构的特殊性，需采用平台装置进行焊接。

所以要求纵缝焊接用升降平台能够实现垂直移动，能够满足直径
1000<d<4000mm，长度1～3 m范围内各种尺寸规格塔筒的焊接施工要求，能够生产出不同尺寸要求的风塔塔筒来满足企业的生产需要。

初步计划由升降机构、平台、平台护栏、扶梯及电控系统等组成。

根据塔筒的焊接施工要求，所设计的设备应达到以下几点要求：
1) 平台的面积要足够大，满足筒体能在下面进行焊接的要求；
2)平台上升的距离应满足塔筒直径的变化范围。

3)运行平稳可靠，故障率小，平均升降速度:0.017m/s；
在已经有上述设计条件的前提下，对纵向焊缝升降平台的可用程度有着决定性影响的因素有: 电机及减速机的选择；立柱采用的结构形式；为承受住平台运行所需举升台面的重量，断面尺寸为多少；立柱的高度；平台的面积，平台可上升的高度，上升下降活动实现的方式等。

对以上问题进行综合分析与计算，确定升降平台的优化目标为:
第一、保证平台运行时的平稳性。

第二、使机构尺寸合理，最大限度利用空间。

第三，保证产品的经济性。

2.2 升降平台的总体布置
初步设计升降平台总体布置由支撑平台的支架、驱动系统、升降机构、平台、平台护栏、扶梯及电控系统等组成。

平台下面应有足够的空间放置筒体，进行焊接。

2.3 升降平台型式综合分析与方案优选
2.3.1 升降平台型式的综合分析
工程设计制造中任何机构或传动形式存在正反两方面的特性，工程技术人员正是在这两个方面寻求平衡点，使有利的优秀的特性发挥的淋漓尽致，同时最大限度克服不利因素。

方案一：地轴丝杠传动升降台。

立柱结构为四立柱径向对称形成两门架，门架上安装承重定滑轮，由配重系统通过承重定滑轮将双层桁架体悬挂在两门架之间;丝杠通过螺母及支承架与双层桁架联接，丝杠上端与门架固定，垂直吊挂，下端从90°换向减速器中获得扭矩。

此结构有效隔离了高速地轴对双层桁架体的振动影响，降低了高速地轴的理论计算难度。

同时丝杠又起到对升降台导向、锁定的作用，简化了其它传动形式对导向、锁紧等司服系统的要求，提高整套设计的可靠性。

丝杠垂直的站立，将旋转运动转换为垂直升降运动，具有传动刚性好，速比、定位精确，可自锁等特点。

但丝杠加工难度大，加工工艺复杂; 根据丝杠升降台对垂直丝杠的使用要求，需要改造普通车床为专业长丝杠车床，车出的丝杠才能达到使用要求，还要配合相应的安装规范，使垂直长丝杠传动达到工业应用水平。

而且4根丝杠安装调试难度大等因素又制约机构传动的实现。

高速地轴传动，传递扭矩小，经济性高。

但参数选定不易把握。

方案二：液压缸斜置驱动的剪叉式升降台
剪叉式升降升降台：是用途广泛的高空作业专用设备。

它的剪叉机械结构，使升降台起升有较高的稳定性，宽大的作业平台和较高的承载能力，使高空作业范围更大、并适合多人同时作业。

它使高空作业效率更高，安全更保障。

剪叉式结构的升降台，在实际使用中存在一些不足:
1.剪叉式结构的升降台结构特殊，平台下面是交叉结构，无法放入筒体，不适合筒体焊接。

2.剪叉式升降台负载不能过大，液压油缸(内设密封圈) 超载的问题目前仍未解决好;
3.大部分液压升降台面都因液压元件长时间受载引起泄漏，导致台面下沉，有的在24小时内就下沉20毫米左右;
4.起动力矩与负载比偏大，从文献[11]中可以看出，其驱动力与负载比变化曲线坡度很陡，起动力很大，能源浪费，当起升角α= 10°时，起动力约为负载的3 倍，而当起升角达到α= 60°以后，起动力才接近于负载;
5.起始高度较高，机构较为庞大，地坑较深，占用空间较多。

方案三：液压升降机
甘锐等[7]设计了一种液压升降机。

平台上升时,其速度可用调速器设定，因调速器的速度负载特性较好,因而确保了上升的平稳性和安全性。

设计还采用了液压单向阀的锁紧回路，当换向阀处于中位时，其H型的中位机既能使泵在不停机的状态下卸载来减少功率消耗，又能使液控单向阀的控制油口接油箱，这样可以利用液压锁的良好密封性能阻止立式液压缸及平台不致因自重或泄漏而下滑，但是液压系统地油路在车间焊接时，容易受到焊接时产生的火花的影响，有很多不安全因素，因此，不宜选取。

方案四：钢丝绳滚筒升降台
钢丝绳滚筒升降平台由T形焊接平台，方形立柱，横梁箱组成，动力系统放置在方形立柱内
，“T”形焊接平台实现升降时，正反转电机带动蜗轮蜗杆减速机，减速机带动卷筒正反转卷绕钢丝绳，钢丝绳正反转通过滑轮组实现对平台的升降。

电机转速，经过减速后使平台得到的升降速度。

此设计的缺点是没有设置配重，增大了电机的驱动功率。

下降运动一启动，会造成平台突然下降的情况，平台运动不稳定。

方案五：链传动升降台
链传动升降台由T形焊接平台，四根方形立柱，传动系统组成，“T”形焊接平台实现升降时，正反转电机带动蜗轮蜗杆减速机转动，使得链轮旋转，链条升降，并通过增设配重机构，减小驱动机功率。

以链轮取代丝杠，以框式结构取代剪叉式结构的新型升降台，采用链轮结构避免了丝杠加工难度大，加工工艺复杂;多根丝杠安装调试难度大等问题。

框架结构取代剪叉式结构，增强了平台的负载能力，避免了剪式平台机构无法放置平台的缺陷，也没有液压油路，是施工现场十分干净，避免了焊接时火花接触油路的危险。

由上面综合分析可得，采取链传动式升降台，比较适合进行塔筒纵向焊缝焊接。

2.3.2 升降平台的结构设计
一、初步设计方案
根据升降台的工作性质，以及升降台的各种功能要求，初步设计采用链传动升降台的形式，但是计划如下：
1.受到车间空间的限制，所以决定采用单排支架的形式；
2.受到筒体直径的要求，平台的伸出长度应至少达到2.2米；
3.为使平台升降轻便，增设配重平衡机构，并设计在平台与支架之间采用滚轮连接的方式；
4.电机、减速器、均设在链轮轴处，电机经减速机减速后，通过链轮旋转，带动平台运动。

5.选择可正反转的电机，实现平台上升或下降不同方向的运动。

二、具体设计方案
具体设计工作如下:
两根槽钢立柱代替方案五中的四根方形立柱，径向组成左右两个门架，两门架通过承重轴加上链轮将配重及升降台本体挂起。

这样整个升降台与另一边的配重通过门架组成一个可上下相对运动的体系，由于电动机可以正反转，电动机经过减速机减速，再由减速机带动主轴转动，使得链轮转动，使得链条实现上下运动，从而实现平台的升降运动。

2.3.3 升降平台的工作原理
上述的设计方案中，纵缝焊接升降平台的工作原理如下：
将需焊接的筒体放在台车的滚架上使其纵缝在上面，由轨道推入“T”形焊接平台下面，将“T”形焊接平台升降到合适的位置上使焊接自动小车焊头与纵缝对正，焊接小车纵向运动便可完成对纵缝的埋弧自动焊接。

重复操作便可流水作业。

3 传动系统的设计
3.1 电动机的选择
电机采用正反转电机， 可以实现正反转，可以改变主轴的旋转方向。

从而改变平台的上升和下降。

减速机采用蜗轮蜗杆减速机具有传动比大， 适于低速重载， 传动平稳， 具有自锁性等优点。

驱动机选择
设备传动功率流由图3-1 表示
图 3-1 设备传动系统原理图
1. 电机;
2. 联轴器;
3. 减速机;
4. 联轴器;
5. 减速机;
6. 联轴器;
7. 轴承
8. 链轮
9. 轴承
1. 计算传动效率
传动总效率:
123456789ηηηηηηηηηη= （3 – 1）
式中：
η1——电动机传动效率 0.775
η2——联轴器传动效率，1
η3——减速机传动效率，0.605
η4——联轴器传动效率，1
η5——减速器传动效率，0.605
η6——联轴器传动效率，1
η7——轴承1传动效率，0.99
η8——轴承2传动效率，0.99
η9——滚子链传动效率，0.97
经计算得：η= 0.115
2. 计算电机功率
上升台面所需举升力:
()123f F G G F G K
=++-⨯ （3 –2） 1G : 平台自身重量,8370N
2G : 外加载荷的重量, 3300N
3G ：配重的重量, 9835N
f F ：摩擦力, 2425N
K : 动荷系数，按1.5估算
计算得：F = 6390 (N )
电机功率 P = FV
η× 310-
（3 – 3）
式中：
V =0.0173m/s
经计算得：P = 0.961(kW )
因此选用Y100L-6 电机，其额定功率P 电=1. 5 kW ，转速n = 940 r/min ，
3. 2 链传动设计
1.确定计算功率
查文献[9] 中表9-6，选择工况系数A K =1.4，图9-13，主动链轮齿数系数Kz=1.44
选取Kp=1(单排链)
ca P =
A Z K K P Kp
⨯ （3 – 4） P = 0.961(kW )
经计算得：ca P =0.242 kW
2. 选择链条型号并确定链轮齿数 根据Pca 和n=1.56 r/min 查文献[9]中图9-11，可选20-A ，查表9-1，链条节距为p=31.75mm 由于设计时规定平台移动速度为0.0173m/s ，
所以根据公式
601000
z n p V ⨯⨯=⨯ （3 – 5） 得出链轮齿数z=21比较合适
3.确定润滑方式
由V=0.0173m/s ，和链条号为20-A ，查文献[9]图9-14可知应采用滴油润滑
4.计算压轴力Fp
有效圆周力为：
Fe=1000P
V
（3 –6）
P = 0.961(kW )
V=0.0173m/s
经计算得Fe =6937(N)
链轮垂直布置，KFp=1.05，
则压轴力为
Fp= KFp⨯Fe （3 – 7）经计算得：Fp =7284（N）
取安全系数K=8
查文献[9]中表9-1 得20A型号链条，抗拉载荷为86.7KN
Fmax=Fp⨯8=58.270(KN)<86.8KN
链条满足要求。

3.3 传动轴的设计及校核
1.计算轴的功率
1.50.512345678
Pηηηηηηηη
=⨯⨯（3 –8）η1——电动机传动效率0.775
η2——联轴器传动效率，1
η3——减速机传动效率，0.605
η4——联轴器传动效率，1
η5——减速器传动效率，0.605
η6——联轴器传动效率，1
η7——轴承1传动效率，0.99
η8——轴承2传动效率，0.99 经计算得：P=0.086(KW) n=1.56 r/min
T=9550
P
n
（3 – 9） 经计算得：T =508(N.m) 2.计算压轴力Fp 有效圆周力为：
Fe=1000
P
V
（3 – 10） 经计算得：Fe =4797.7(N) 链轮垂直布置，KFp=1.05，
则压轴力为Fp= KFp Fe=5037.6（N ） 3.初步确定轴的最小直径 选取轴的材料为40Cr ，调质处理 根据文献[9]表15-3中 取0A =97
min d =0
A （3 – 11） P=0.086(KW) n=1.56 r/min
min d =39.8（mm ）
于是取d=40mm 4.轴的结构设计，联轴器 初步拟定轴的结构：
1.在轴上需要安装联轴器来传递扭矩。

2.为了达到使平台实现升降的运动功能，需要在轴上安装链轮来带动链条升降，为了使轴能够自由转动，需要安装两个轴承，初步设计在链轮两侧。

因此，初步设计轴的结构如图3-2所示。

图3-2 轴的结构示意图
①Ⅰ-Ⅱ轴段的设计
因为已经确定了最小直径为40mm，所以在Ⅰ-Ⅱ段之间的轴径选择40mm，
长度暂取65mm。

轴承Ⅰ选择：
因为链轮不承受轴向力，只承受径向力，即Fa
Fr
=0
初步计算当量动载荷P:
P=fp(XFr+YFa) （3 –12）
查文献[9]表13-6，fp=1.2
P=1.2 Fr （3 –13）Fr=5037.6(N)
经计算得：P =6045 (N)
L'h=20⨯300⨯24=144000(h)
n=1.56 r/min
（3 –13）
C =14.26(KN)
查文献[10]中515页和522页
根据轴径d=40mm，C=14.26(KN)
选取型号UCP208，带座外球面球轴承有底座，比较好固定。

②链轮装在Ⅱ-Ⅲ段，依靠轴肩定位，轴肩高度h>0.07d，故取Ⅱ-Ⅲ段轴径取d=42mm，长度初定为55mm，在链轮左端和轴承之间采用套筒进行定位。

③在Ⅲ-Ⅳ段上，轴肩高度h>0.07d，故取Ⅲ-Ⅳ段轴径取d=45mm，长度初定为120mm，并且要放置一对轴承。

轴承Ⅱ选择：由于轴径选择为45mm，带座外球面球轴承有底座，比较好固定，从而选择UCP209。

轴承Ⅱ校核：
因为链轮不承受轴向力，只承受径向力，即Fa
Fr
=0
初步计算当量动载荷P:
P=fp(XFr+YFa) （3 – 12）按照表13-6，fp=1.2
所以P=1.2⨯Fr=6045 (N)
L'h=20⨯300⨯24=144000(h)
（3 – 13）经计算得：C =14.26(KN)。