动臂式起重机结构设计与关键部件分析

算 Ｇｂ＝１．２３×１０５ Ｎ。
起升钢丝绳的拉力 ＳＱ 为：
ＳＱ ＝φ２ＦＱ／（ａη）
（２）
其中，φ２ 为 起 升 载 荷 动 载 系 数，取 １．３ ｍ；ａ 为 滑
轮组倍率，取２；η 为 滑 轮 组 总 效 率，取 ０．９。 经 计
算 ＳＱ＝２．２６×１０５ Ｎ。
风载荷 ＦＷ 为：
ＦＷ ＝ ＣＷｐＷＡ
矩作用。目前塔式起重机一般使用这２种形式的 臂架 。 ［７－８］ 本文设 计 的 动 臂 式 起 重 机 起 重 臂 采 用
桁架压杆式。
２．２ 起 重 臂 设 计 计 算
２．２．１ 臂 架 所 受 载 荷
作用在吊臂上的外载荷有起升载荷 ＦＱ、吊 臂
自重 Ｇｂ、起升钢丝绳的拉力 ＳＱ、风 载 荷 ＦＷ 、吊 臂 及起升载荷在回转启动、制动时的水平 惯 性 力 ＦＧ 等。由文献［６］中的计算方法，分 别 对 上 述 载 荷 进
０ 引 言
例如，在北京 中 央 电 视 台 新 台 址 及 上 海 环 球 大厦的建设中，使 用 了 数 台 澳 大 利 亚 法 福 克 公 司
动臂式起重 机 又 称 俯 仰 臂 架 塔 机，从 工 业 建 生产的大型 动 臂 塔 式 起 重 机 。 ［４－５］ 本 文 针 对 某 型
筑到民用建筑，从修造船厂到港口码头，从钢结构 动臂式起重机，对 其 结 构 形 式 及 关 键 部 件 起 重 臂
根据方案 ３，可 以 得 到 动 臂 式 起 重 机 布 局 简 图 ，如 图 １ 所 示 。
图 １ 动 臂 式 塔 式 起 重 机 的 总 体 布 局 简 图
１．３ 动 臂 塔 机 工 作 级 别 塔式起重机的工作级别 是 ［５］ 设计人员进 行 结
构和机构设计计 算 的 依 据，参 照 塔 式 起 重 机 工 作 级别的划分标 准［６］，根 据 动 臂 式 起 重 机 的 设 计 要 求 、工 作 状 态 和 环 境 ，选 取 塔 式 起 重 机 利 用 级 别 为 Ｕ４，工作级别为 Ａ４，载荷状态为 Ｑ２，名义载荷谱 系数 ＫＱ 为０．２５０。
衡臂上
位于塔 顶架上
Ｄ 塔身顶升 内爬式 自升式
平衡重
与变幅
Ｅ
独立机构
自动调整
Leabharlann Baidu
相协调
与起重 相协调
不调整
由表 １ 可 以 组 合 出 ４×２×２×２×４＝ １２８种方案。结果显示，有 些 方 案 明 显 不 合 理，如 Ａ３－Ｂ１－Ｃ１－Ｃ－Ｄ２－Ｅ１，这 些 方 案 可 以 直 接 去 掉，下 面主要分析３种有代表性的方案。
对 于 臂 架 根 部 截 面 ，按 （５）式 进 行 整 体 稳 定 性 验 算 ［８］，即
σ
＝
Ｎ Ａφψ
＋１－
１ Ｎ／（０．９ ＮＥｙ
ＣＨｙＭ Ｈｙ ）φωＷｙ
≤
［σ］
（５）
其中，Ｎ 为 吊 臂 根 部 截 面 的 轴 向 力，为 ３．４９×
１０５ Ｎ；φψ 为 桁 架 结 构 系 数，对 于 空 间 桁 架 结 构， φψ ＝１；Ａ 为吊臂根部截面积，为１．１３×１０－２ ｍ２； ＭＨｙ 为由横向载荷引起的吊臂截面上对ｙ 轴的弯
２ 起 重 臂 设 计
２．１ 起 重 臂 结 构 形 式
塔式起重机臂 架 结 构 形 式 有 桁 架 水 平 式、桁
架压杆式及桁架混合式３种。桁架压杆式臂架利
用固定在臂架端部的变幅钢丝绳改变臂架倾角，
使臂架主要承受轴向压力。
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，臂 架 主 要 承 受 轴 向 力 及 弯
行计算，可得 ＦＱ ＝３．４９×１０５ Ｎ。 吊臂自重 Ｇｂ 为：
Ｇｂ ＝ρＳｈｇ ＝４ρ４πｄ２ｈ ｇ
（１）
其中，ρ为臂架弦杆的 密 度，由 于 钢 铁 材 料 的 密 度 相近，取ρ＝７ ９００ｋｇ／ｍ３；ｄ 为 臂 架 弦 杆 的 直 径， 取ｄ＝０．１ｍ；ｈ 为 起 重 臂 长 度，取 ５１．６ ｍ。 经 计
矩，为９．３４×１０５ Ｎ·ｍ；Ｗｙ 为吊臂截面相对于ｙ
轴的抗弯模量，为１．３９６ ＭＰａ；ＮＥｙ 为吊臂对ｙ 轴
的欧拉临界 载 荷，为 ９．５２×１０６ Ｎ；ＣＨｙ 为 横 向 载
荷弯矩系数，取１；φω 为受弯构件侧向屈曲稳 定 性 系 数 ，取 １ 。
臂架材料采用结构用无缝钢管，查得２０钢材料
的抗拉强度为４１０ＭＰａ，屈服强度为２２０ＭＰａ［９］。由
要承受的是剪切 载 荷，故 对 销 轴 的 剪 切 强 度 进 行 校 核 。 ［１０－１２］
时，其变幅速度比水平臂塔机变幅速度慢，工作效 为形态学矩阵分析中的因素。
率相对 较 低。 但 是 超 高 层 钢 结 构 工 程 占 地 面 积 １．２ 形态学矩阵与方案综合
小，钢结 构 构 件 重，多 数 在 １０～４０ｔ，水 平 臂 塔 机
动臂式塔式起重机的形态学矩阵见表 １
的起重量和起重力矩都不能满足要求 。 ［３］
（１）方 案１。Ａ１－Ｂ１－Ｃ１－Ｄ１－Ｅ１ 是 一 种 下 回 转 型 的 动 臂 式 塔 吊 ，其 重 心 低 ，稳 定 性 好 。 但 是 由 于 塔身 回 转，因 此 转 动 惯 量 较 大，调 速 不 方 便，而 且 所需电动机功率较大。
（２）方 案２。Ａ４－Ｂ１－Ｃ１－Ｄ１－Ｅ１ 是 一 种 内 爬 式 的动 臂 式 塔 吊，其 转 动 惯 量 小，可 以 承 受 较 大 载 荷 ，但 是 由 于 塔 吊 采 用 内 爬 式 ，需 要 依 附 建 筑 物 而 升高，拆 装 麻 烦，并 且 对 建 筑 物 的 承 载 能 力 要 求 较高。
所列。
收 稿 日 期 ：２０１３－０１－０６；修 回 日 期 ：２０１３－０５－２３ 作 者 简 介 ：钟 华 勇 （１９６９－ ），男 ，安 徽 合 肥 人 ，合 肥 工 业 大 学 副 研 究 员 ；
赵 韩 （１９５７－ ），男 ，安 徽 宿 州 人 ，博 士 ，合 肥 工 业 大 学 教 授 ，博 士 生 导 师 ．
（３）
其中，ＦＷ 为 作 用 在 塔 式 起 重 机 和 物 品 上 的 风 载
荷；ＣＷ 为 风 力 系 数，取 １．２；ｐＷ 为 计 算 风 压，为
２４５．２ Ｐａ；Ａ 为 垂 直 于 风 向 的 迎 风 面 积，取
８．３８ｍ２。经计算 ＦＷ ＝２ ４６５．８Ｎ。 吊臂及起升载 荷 在 回 转 启 动、制 动 时 的 水 平
第３６卷 第８期 ２０１３ 年 ８ 月
合 肥 工 业 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＦＥＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－５０６０．２０１３．０８．００３
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１３
建筑到电站建设，动臂塔机都发挥了巨大的作用。 进行分析与设计，使其满足实际使用需求。
由于动臂塔机可 避 免 多 台 塔 机 作 业 的 干 涉，在 非
工作状态下的平衡稳定性优于水平臂塔机，因此， １ 动臂式起重机总体方案
非常适合于建筑行业中 。 ［１－３］ 目前，动臂式 起 重 机 １．１ 功能分解
在国内建筑行业 中 尚 未 得 到 广 泛 应 用，究 其 原 因
从动臂式起重 机 的 总 功 能 出 发，得 到 起 重 机
是动臂式起重机 比 同 吨 位、同 起 重 力 矩 的 水 平 臂 的塔 身 旋 转、起 重 臂 俯 仰、重 物 起 升、塔 身 顶 升 及
塔机的 销 售 价 格 高。 动 臂 式 起 重 机 在 吊 运 重 物 平衡重自动调整 的 基 本 分 功 能，以 这 些 分 功 能 作
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｏｏｍ，ｗｈｉｃｈ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｒｅｌａｔｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｒａｎｅ，ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍ－ ａｎｃｅ ｏｆ ｌｕｆｆｉｎｇ ｂｏｏｍ－ｔｙｐｅ ｃｒａｎｅ．Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｌｏａｄｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｌｕｆｆ－ ｉｎｇ ｂｏｏｍ－ｔｙｐｅ ｃｒａｎｅ，ａ ｔｙｐｅ ｏｆ ｂｏｏｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅ－ ｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｏｏｍ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｏｖｅｒａｌｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｗｅｒ ｃｒａｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｕｆｆｉｎｇ ｂｏｏｍ－ｔｙｐｅ ｃｒａｎｅ；ｂｏｏｍ；ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｅｃｔｉｏｎ；ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｍａｔｒｉｘ；ｓｔａｔｉｃ ｓｔｒｅｓｓ
９０８
合 肥 工 业 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第 ３６ 卷
惯性力 ＦＧ 为：
ＦＧ
＝
ＦＱｎπＲ ３０ｇｔ
＋Ｇ３０ｂｎｇｔπＬ
＋２ａ ２
（４）
其中，Ｒ 为起升载荷到塔机回转中心的距离，取 Ｒ
为５０ ｍ；ｎ 为 塔 机 回 转 机 构 额 定 转 速，取 ｎ 为 ０．５ｒ／ｍｉｎ；ｔ为 回 转 机 构 启 动、制 动 时 间，取ｔ 为 ３ｓ；Ｇｂ 为吊 臂 回 转 部 分 自 重，取 １．２３×１０５ Ｎ； ａ为吊臂根部销轴中心到塔机回转中心的距离， 取０．８ｍ；Ｌ 为吊 臂 的 总 长，取 ５１．６ ｍ。 经 计 算， ＦＧ ＝２．７９×１０４ Ｎ。 ２．２．２ 桁 架 压 杆 式 臂 架 计 算
第８期
钟 华 勇 ，等 ：动 臂 式 起 重 机 结 构 设 计 与 关 键 部 件 分 析
９０７
表 １ 动 臂 式 塔 式 起 重 机 的 形 态 学 矩 阵
分功能
功能解
１
２
３
４
上回转 Ａ 塔身旋转 下回转式
塔帽式
上回转 转柱式
上回转 转盘式
起重臂 Ｂ
俯仰
受压式 起重臂
受弯式 起重臂
位于平 Ｃ 重物起升
（３）方 案３。Ａ４－Ｂ１－Ｃ１－Ｄ２－Ｅ４ 是 一 种 自 升 式 的 动 臂 式 塔 吊 ，其 承 载 能 力 大 ，升 高 时 采 用 液 压 顶 升 机 构 ，操 作 简 单 方 便 。 平 衡 重 是 独 立 的 设 备 ，消 除了平衡重自动调整带来的烦琐及不安全因素。 因 此 ，可 以 采 用 此 方 案 。
动臂式起重机结构设计与关键部件分析
钟华勇， 冯永恺， 赵 韩
（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 ２３０００９）
摘 要：起重臂对动臂式塔式起重机的性能影响重大，直 接 关 系 到 起 重 机 工 作 的 可 靠 性 。文 章 针 对 动 臂 式 起 重机受载情况复杂及安全性要求高 的 特 点，对 某 型 号 动 臂 式 起 重 机 起 重 臂 进 行 了 设 计 计 算 与 有 限 元 静 力 学 分 析 。 计 算 和 分 析 结 果 表 明 ，该 起 重 臂 满 足 使 用 要 求 ，所 得 结 果 为 塔 机 整 体 设 计 和 优 化 提 供 了 参 考 依 据 。 关 键 词 ：动 臂 式 塔 机 ；起 重 臂 ；标 准 节 ；形 态 学 矩 阵 ；静 应 力 中 图 分 类 号 ：ＴＵ７３２ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００３－５０６０（２０１３）０８－０９０６－０４
（５）式计算，σ＝３１．６ ＭＰａ≤［σ］。 由于 材 料 的 屈 服 极 限 为 ２２０ ＭＰａ，所 以 设 计
参数满足使 用 要 求。 根 据 设 计 计 算 结 果，确 定 动
臂 塔 机 的 起 重 性 能 ，见 表 ２ 所 列 。
常 工 作 至 关 重 要 ，在 起 重 臂 的 俯 仰 过 程 中 ，销 轴 主
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｕｆｆｉｎｇ ｂｏｏｍ－ｔｙｐｅ ｃｒａｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
ＺＨＯＮＧ Ｈｕａ－ｙｏｎｇ， ＦＥＮＧ Ｙｏｎｇ－ｋａｉ， ＺＨＡＯ Ｈａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）