機(jī)械結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)

1、學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書班級(jí):姓名:設(shè)計(jì)題目:機(jī)械結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)（塔吊起重臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）設(shè)計(jì)時(shí)間:到指導(dǎo)老師:評(píng)語:目錄一、課程設(shè)計(jì)目的及要求3二、設(shè)計(jì)題目3三、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)41、起重臂結(jié)構(gòu)方案確定41）起重臂長(zhǎng)度L42）起重臂截面形式根據(jù)受力的構(gòu)造要求而定 43）起重臂截面寬度和高度54）運(yùn)輸單元55）吊點(diǎn)位置確定52、計(jì)算簡(jiǎn)圖及計(jì)算載荷確定61）計(jì)算簡(jiǎn)圖62）載荷組合63）載荷確定63、力計(jì)算及內(nèi)力組合71）臂架內(nèi)力計(jì)算7（1）臂架自重及小車移動(dòng)機(jī)構(gòu)重 7（2）吊重9（3）小車輪壓對(duì)起重臂下弦桿產(chǎn)生的局部彎矩 12（4）風(fēng)載荷作用下的內(nèi)應(yīng)力圖13（5）其他水平力T的作用 142）內(nèi)力組合164、截面

2、選擇和截面驗(yàn)算16（1）單臂驗(yàn)算仃1）上弦172）下弦18（2）腹桿驗(yàn)算18（3）整體穩(wěn)定性驗(yàn)算 佃（4）局部穩(wěn)定性的計(jì)算 20（5）起重臂重量的計(jì)算 20四、設(shè)計(jì)感想：20五、參考文獻(xiàn) 20'、課程設(shè)計(jì)目的及要求機(jī)械結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)是學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)后進(jìn)行的一次比較全面 和系統(tǒng)的訓(xùn)練。通過訓(xùn)練，鞏固和加強(qiáng)對(duì)所學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)知識(shí)的理解， 提高學(xué)生進(jìn) 行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖的能力。自升式塔式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱塔吊），是建筑工地上常用的施工機(jī)械之一。塔吊 設(shè)計(jì)內(nèi)容包括機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、液壓傳動(dòng)、安全裝置等等。由于塔吊的結(jié)構(gòu)用鋼量越 占整機(jī)重量的2/3左右，所以合理地設(shè)計(jì)塔用結(jié)構(gòu)對(duì)于減輕整機(jī)重量、

3、改善機(jī)械 工作性能等具有重大意義。塔吊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括以下部分：起重臂、平衡臂、塔幅、塔身、套架、底座、 附著裝置、工作平臺(tái)及扶梯等。本課程設(shè)計(jì)僅對(duì)給定工作負(fù)載的自升式塔吊的“起重臂”（見圖1）進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。哺中心Ei圖1起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖二、設(shè)計(jì)題目1）起重力矩（起重機(jī)為基本臂長(zhǎng)時(shí)，最大幅度 X相應(yīng)額定起重量）：900KN- m2） 起重量 當(dāng)幅度最大時(shí)（RmaX，起重量為1.8t ;當(dāng)幅度r=（RminRmax，起重量為25t。3）變幅 形式：水平臂架繩索牽引小車變幅； 速度：起重機(jī)升降變幅速度為 030m/mi n4）吊鉤升降速度 起升速度：A、起重量為Rma起重量的時(shí)候?yàn)?.5 2m/

4、min；B 、起重量為Rma時(shí)為350m/min。 空鉤下降速度： A、起重量為RmaX寸為050m/min；B、起重量為 RmaX寸為0 100m/min。5）回轉(zhuǎn) 半徑：50m 速度：0 0.5r/min ； 起制動(dòng)時(shí)間：4s ；6）運(yùn)行（起重機(jī)整機(jī)行走） 速度：14/mi n ； 起制動(dòng)時(shí)間：5s ；7） 起重機(jī)工作制：中級(jí)（中等載荷，載荷系數(shù) Kp=0.250,使用年限15年）；8）結(jié)構(gòu)參數(shù)：經(jīng)查表得：臂長(zhǎng)L:根據(jù)回轉(zhuǎn)半徑R確定（L-R=1.52.0m）；吊掛位置比例長(zhǎng)度L、L2 :丄1=0.40.7L2起重機(jī)塔架機(jī)構(gòu)： h （卷揚(yáng)滾筒中心距塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心距離）=550mm J （起重臂

5、支點(diǎn)距塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心距離） =1300mm I （塔架截面寬度）=1500mm J （起重臂支點(diǎn)距卷揚(yáng)滾筒中心高度）6500mm三、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、起重臂結(jié)構(gòu)方案確定1）起重臂長(zhǎng)度L :根據(jù)最大回轉(zhuǎn)半徑，上塔身寬度和構(gòu)造要求而定。已知：R=50m, l2 =1.3m , lDE =1.52 取 lDE =1.8列方程：l2 R Ide ；得:L =R Ide -Ide =501.8 -1.3 =50.5m2）起重臂截面形式根據(jù)受力的構(gòu)造要求而定：本塔吊起重臂截面建議采用格構(gòu)式等三角形形式。上弦和腹桿采用無縫圓鋼 管（可考慮用16Mn），下弦采用兩個(gè)箱行截面，每個(gè)箱形截面對(duì)由兩個(gè)角鋼（或 槽鋼、鋼

6、板等）焊成，兼做小車軌道用（圖2）。3）起重臂截面寬度和高度可根據(jù)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和構(gòu)造的要求而定，初定B=2.0m。高度H按=丄丄，已知L=50.5m，得：H=1.684.21, 般起重臂的 L 3012；'3截面采用格構(gòu)式正三角形，故：H 3 B 3*2 3=1.73m（在H=1.684.212 2的范圍內(nèi)，符合）。4）運(yùn)輸單元考慮到運(yùn)輸條件和原材料長(zhǎng)度限制， 將重臂做成各個(gè)節(jié)段，即運(yùn)輸單元。各 節(jié)段在工廠制成后，運(yùn)到工地，在現(xiàn)場(chǎng)將各節(jié)段用銷軸相連，拼裝成整體的超重 臂，然后再和塔身等其他部件裝配成塔吊。初步選取兩端長(zhǎng)度為，中間部分每10m 一段，兩邊的la lb =10.5m共

7、6段，如下圖。ABD/VVIAAAIla10mm10m10m0吋MME5）吊點(diǎn)位置確定正確選定吊點(diǎn)位置（B點(diǎn)），對(duì)超重臂設(shè)計(jì)是否合理有很重要的意義。吊點(diǎn) 將機(jī)架分為兩個(gè)部分，即懸臂部分 L1和跨中部分L2.起重機(jī)作業(yè)時(shí)懸臂部分將 產(chǎn)生最大負(fù)彎矩，跨中部分將產(chǎn)生最大正彎矩。如果L1過長(zhǎng)，則懸臂部分的負(fù)彎矩大于跨中的正彎矩，截面可能由懸臂部分控制。如果L1過短，則懸臂部分的負(fù)彎矩將比跨中的正彎矩小，截面可能由跨中部分控制。由于起重臂截面往往 設(shè)計(jì)成對(duì)X X軸不對(duì)稱（圖1），因此負(fù)彎矩和正彎矩對(duì)截面從的影響并不相 同,則不能簡(jiǎn)單地按彎矩條件來選擇吊點(diǎn)的合理位置。設(shè)計(jì)時(shí)選取土 = 0.4 0.7L2可

8、選b =0.5，根據(jù)L!LL2=50.5m，貝U Li=16.8m，L2=33.7m，如圖 1。2、計(jì)算簡(jiǎn)圖及計(jì)算載荷確定1）計(jì)算簡(jiǎn)圖圖4起升平面計(jì)算簡(jiǎn)圖根據(jù)總體布置確定臂架的計(jì)算簡(jiǎn)圖。在回轉(zhuǎn)平面（即水平平面）內(nèi)，作為懸 臂梁計(jì)算（圖3）;在起升平面（即豎直平面）內(nèi)，作為伸臂梁計(jì)算（圖 4）。r*1圖3回轉(zhuǎn)平面計(jì)算簡(jiǎn)圖2）載荷組合起重臂結(jié)構(gòu)計(jì)算采用下列三種載荷組合： 自重+等級(jí)吊重+工作狀態(tài)風(fēng)載荷（風(fēng)向平行臂架）+平穩(wěn)慣性力或其他水 平力 自重+最大額定吊重+工作狀態(tài)風(fēng)載荷（風(fēng)向垂直臂架）+急劇慣性力或其 他水平力 自重+非工作狀態(tài)風(fēng)載荷（風(fēng)向平行臂架）+起重小車及吊鉤重。由于第、種載荷組合對(duì)

9、本起重臂不起控制作用，因此可僅按第種載荷 組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。3）載荷確定（1）臂架自重和小車移動(dòng)機(jī)構(gòu)重量 選取臂架自重為4t。 選取小車移動(dòng)機(jī)構(gòu)重量為0.5t。（2）吊重包括起重小車、吊鉤及吊重。吊重是移動(dòng)載荷，其中起重小車重量和吊鉤重 量是沿臂架移動(dòng)但數(shù)值不變的載荷，初選起重小車重量為0.38t，吊鉤重量為0.25t，所吊貨物是沿臂架移動(dòng)且數(shù)值變化的載荷，其數(shù)值的變化滿足起重力矩 630KN m 要求。（3）風(fēng)載荷臂架受風(fēng)載荷FwFw =CwPvA式中，Cw為風(fēng)力系數(shù)，取1.3;P為計(jì)算風(fēng)壓，工作狀態(tài)取250Pa A為迎風(fēng)面積，A = A+HA2，其中A1 前片結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積（m2 ），AOiAl

10、!，焙,為結(jié)構(gòu)充實(shí)率，對(duì)于桁架取0.4； A2后片結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積（m2），Aq2AL2，灼2為結(jié)構(gòu)充實(shí)率，對(duì)于桁架取0.4 （圖5）HH桁架擋風(fēng)折減系數(shù)Ali或Al2為前后片外形輪廓尺寸，即 Al=H L= 1.73*16.8 = 29.1m2;代2 二 H * L2 = 1.73* 33.7 = 58.3m2 ;2 2Ai =嗎* Ali =0.4*29.1 =11.6m; A?=先* A2 =0.4* 58.3 =23.3m。前片對(duì)后片的擋風(fēng)折減系數(shù)，與前片桁架充實(shí)率!以及兩片桁架間隔比B/H有關(guān)，根據(jù)B/H=1.156以及3 =0.4查表得 =0.40 ;A 二 A A =11.6 0.4

11、* 23.3 = 20.9m2 ; FW = "PWA = 1.3* 250.20.9 = 6786N o假定風(fēng)載荷沿臂架均勻分布q風(fēng)二艮=6786二134.4N/m，作用于水平面內(nèi)。L 50.5 吊重受風(fēng)載荷Fw :按額定起重量重力的3%計(jì)算。（4）其他水平力作用在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，除風(fēng)載荷外，還有回轉(zhuǎn)慣性力以及起吊時(shí)由于鋼絲繩傾斜引起的水平力等，可近似地取T=0.1Q （Q為吊重），并且按所吊貨物為1.8t和5t分別計(jì)算。3、內(nèi)力計(jì)算及內(nèi)力組合1）臂架內(nèi)力計(jì)算首先求出各種載荷作用下的臂架和塔身連接處的支反力和吊索內(nèi)里，繪出臂架的軸力 N、剪力Q、和力矩M圖。（1）臂架自重及小車移動(dòng)機(jī)構(gòu)

12、重作用在臂架豎直平面內(nèi)是數(shù)值不變的固定載荷。臂架自重可假定沿長(zhǎng)度方向均勻分布q=40N/50.5m=99.01N/m，小車移動(dòng)機(jī)構(gòu)重量可假定為集中載荷 （圖6）。列方程：、F =0: FA FBsin： =5 40;1 2、MA =0 ：33 -FBsin： L2 ?ql2 =0;1212' Mb =0: 5(L2-l3)FaL2 ?q(L-L2)2-2qL；=0由于13未知，所以有很多解，隨意提供一組解： Fa =10kN,FB sin> = 35kN.5KNq = 990.1N/mk 1 1111 V k V V?3TLBA內(nèi)力分析：j 5KNq=99.01N/m*10KN

13、右臨5KN KN13.72：'圖6臂架自重及小車移動(dòng)機(jī)構(gòu)重1 15.77.04 Fs/kN(4I M/kn *m（2）吊重 吊重計(jì)算公式為Q=（起重小車重+吊鉤重+所吊貨物重）x動(dòng)載系數(shù)動(dòng)載系數(shù)是考慮到起吊貨物時(shí)，起升機(jī)構(gòu)起動(dòng)和制動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊的 影響載系數(shù)，取1.3.由于吊重是移動(dòng)載荷，所以首先對(duì)以下三種工況可能對(duì)臂架產(chǎn)生的最不利影 響，進(jìn)行內(nèi)力分析。最大幅度Rmax=50m,所吊貨物為1.8t （即吊重作用在D處，圖7）二 M a = 0- FBsin £L2 亠 Q 36.6 = 0 ；v M B =0QLFaL2 =0。31.59幅度R<25.3，所吊貨物

14、為5t （即吊重作用在C處，圖8）Q=（0.38+0.25+5）x1.3=73.19kN.最小幅度Rmin=3.3m，所吊貨物為5t （即吊重作用在G處，圖9）列方程：a F =0Fa Fb s i nFq =0 ；二.M a = 0-FBsin : L2 Q 18.3 =0 ；' M B =01-QJL) FaL2=0Q=(0.38+0.25+5)x1.3=73.19kN.列方程：、F =0Fa Fb s i nFg = 0 ；二.M a = 0-Fbsi nL2 Q 2.5 = 0' M B =0-Q(L2 -2.5) FaL2 =0解得：Fa =66.02kN； Fpsi

15、n - =7.17kN。繪制內(nèi)力圖：如下圖:FBsin7J7BJ口 FG=73佔(zhàn)1L2=337L-50AFs/kN圖9吊重作用在G處（3）小車輪壓對(duì)起重臂下弦桿產(chǎn)生的局部彎矩 吊重5t在距塔身中心25.3m時(shí)，下弦桿中AB段的局部彎矩M局。（如圖 8）M 局=416.47KN m 由于吊重在臂架上是移動(dòng)的，因此還必須找出校車在 AB段產(chǎn)生最大的局 部彎矩的位置，計(jì)算出M局max設(shè)每個(gè)輪子壓力為P=73.2/2=36.6KN,作用在AB節(jié)間（可先視為簡(jiǎn)支梁） 上（圖10）分析可知，當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上輪壓作用，則當(dāng)（c為合力作用點(diǎn)2 2至最近的輪壓之距。設(shè) C=12m）時(shí)，K截面的局部彎矩最大，即

16、最大彎矩 Mk。由于臂架的AB段實(shí)際上不是簡(jiǎn)支梁而是連續(xù)梁，所以可近似地取B局maxM局max =2Mk = 2 706.38 =407.92KN m3 3L'=M 局 maxP407.9236.6=11.15m因?yàn)樽畲髲澗攸c(diǎn)和C點(diǎn)相差不大，所以可偏安全地可取吊重在 C點(diǎn)時(shí)的內(nèi)力值。（4）風(fēng)載荷作用下的內(nèi)應(yīng)力圖風(fēng)載荷垂直臂架作用時(shí)，臂架的計(jì)算簡(jiǎn)圖近似為懸臂梁。臂架風(fēng)載荷將風(fēng)載荷視為沿臂架全長(zhǎng)均勻分布的載荷，并作出內(nèi)力圖（如下圖） 計(jì)算，q=134.4N/m ；qLFsa = qL =6786N；M2= 6786X25=169KN分別作出吊重距塔身中心50.5m處及25.3處風(fēng)載荷作用下

17、的內(nèi)力圖1）吊重在D處的風(fēng)載荷，計(jì)算：W=1.8tx3%x10000=540N，F(xiàn)a =54 0!，M a =WL =540X50 =27KN *m 內(nèi)力圖如圖13.2）吊重在C處的風(fēng)載荷，計(jì)算：W=5tx3%x10000=1500N，F(xiàn)a -1500N ，M a =Wl3 =1500X25. 37.95KN *m.內(nèi)力圖如圖14:ARAW=540NL = 50mMAU/卜Ji1!11*iM/KN-m1IIl!1I1l>11111弋.-一J一J1r圖13吊重在D處的風(fēng)載荷圖14吊重在C處的風(fēng)載荷(5)其他水平力T的作用 分別作出吊重在塔身中心50m及25m處其他水平作用下的內(nèi)力圖。作出吊

18、重在塔身中心50m其他水平作用下的內(nèi)力圖。此時(shí)貨物重1.8t計(jì)算：T=0.1*1.8*10000=1800N ; FA=1800N ; M A =1.8*50 =90KN m。T=1800NX/KN作出吊重在塔身中心25m處其他水平作用下的內(nèi)力圖。此時(shí)貨物重5t計(jì)算：T=0.1*5*10000=5000N ； FA =5000N ； M A = 5* 50 = 250KN m圖16在C處其他水平力2）內(nèi)力組合把上述計(jì)算結(jié)果填入下表:備注：軸力N :拉力為“ + ”，壓力為“-”；起升平面內(nèi)彎矩Mx，以下弦受拉為“ +”；起升平面內(nèi)剪力Qx，以發(fā)現(xiàn)的順時(shí)針方向?yàn)椤?+”；回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎矩My、剪

19、力Qy “ + ”“ -”都可能產(chǎn)生;M單位：kN m； Q單位：kN; N單位：kN附表1序號(hào)載荷 內(nèi)力 截面ABCMXMyQ xQyNM xMyQXQyNM xMyQxQyN1臂架自重小車移動(dòng) 機(jī)構(gòu)重0+10.0-181-115.700+100-7.8-181.2.1吊 重Q在D0-15.3-243-514.900-321-15.28-2432.2Q在C0+ 18.2-284000+4160-2842.3Q在G0+66.0-37.2000+118-7.17-37.23.1風(fēng)載荷臂架風(fēng)載荷-169+6.79-32+1.69-68+3.283.2吊重 風(fēng)載Q在D-127+0.54-8.8+0.

20、54-13.5+0.543.3Q在C-37.9+1.500004.1其他水平 力Q在D-90+1.8-30.2+1.8-45+1.84.2Q在C-250+50000按以下三種情況作臂架內(nèi)力組合：吊重在 D: 1+2.1+3.1+3.2+4.1;吊重在 C： 1+2.2+3.1+3.3+4.2;吊重在G: 1+2.3。并填入下表：附表2序 號(hào)載荷 內(nèi)力 截面ABCMXMyQ xQyNMxMyQXQyNMxMyQ xQyN內(nèi)吊重在D0-286-5.3+9.13-745.6-630.6-1650+4.020-2.21-126.5-23.1+5.6-745.6力吊重在C0-457+28.24+13.2

21、9-465.4-115.7-320+1.690+516.5-68-7.8+3.28-465.4組吊重在G00+76.020-218.6-115.70000+217.80-14.970-218.6合4.截面選擇和截面驗(yàn)算起重臂材料：建議選用 Q235鋼或Q345鋼；起重臂的材料：起重臂是采用型材經(jīng)過焊接、螺栓連接而成的，所以材料選用Q235鋼；附表3鋼種屈服極限計(jì)算強(qiáng)度R(MPa)拉伸、壓縮和彎曲剪切端面擠壓碳鋼220210125315230220130330240230135345250240140360260250145375270260150390鋼種的材料參數(shù)表銷軸材料：建議選用40Cr

22、鋼【】=420MPa；【t】=244MPa)起重臂為格構(gòu)式空間結(jié)構(gòu)，主要內(nèi)力有軸力N、彎矩(Mx、My )、剪力(Qx 、Qy)可偏安全的按格構(gòu)式偏心受壓構(gòu)件計(jì)算。裁面軌/ 型號(hào)倉(cāng)面硼2 zm理論重量 kg/mlx cn4Wx上弦1鋼 ，二 1078,5S1.623490,62549.063下狡n不等邊角枇12,5/539.42430,948312,0437(33綴條G鋼管5.994.6221.14'7,42157,35105,09745.80393,17(1)單臂驗(yàn)算根據(jù)臂架的受力分析，臂架在吊點(diǎn)的外伸部分，上弦桿為軸心拉桿，下弦桿 為軸心壓桿。臂架在簡(jiǎn)支桁架區(qū)，上弦桿為軸心壓桿，下

23、弦桿為軸心拉桿。1)上弦用公式Fns二皿仝'計(jì)算出可能出此案的最大拉力和最大壓力。對(duì)最大拉H 3力進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，對(duì)最大壓力進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。Fns ¥ 二需=125.86KN ； 臂架本身最大的軸向力Fn =745.6KN ； 所以截面C處最大的軸向壓力：Fn怡牛745.125.86=787醐丁 二= 787.型 二 100.325MPa 十=230MPa （合適）； A 78.5cm149.7KN63.56MPa :： =135MPa（合適）。3A 3* 78.5cm22）下弦用公式FNX =缶-罟寺計(jì)算出可能出現(xiàn)的最大拉力和最大壓力，并找出相應(yīng)的局部彎矩Mjb。l217.8

24、 x 126.5 ± 745.6FNxmax374.75kN ；2*1.7323=374.75 =95.側(cè)卩& ： ； =230MPa（合適）；A 39.424=Qx149.7KN 2 =12.66MPa : =135MPa（合適）。3A 3* 39.424cm2整體強(qiáng)度驗(yàn)算：=Qx149.7KN2 =9.5MPa :：. =135MPa（合適）。A 157.348cm2（2）腹桿驗(yàn)算臂架的腹桿按軸心壓桿計(jì)算，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對(duì)格構(gòu)式壓彎?rùn)C(jī)構(gòu) 的腹桿，按照實(shí)際剪力確定內(nèi)力。平面12和平面13上的腹桿載荷承受Qy的作用。將最大的Qy分解成沿平面12和平面13上的內(nèi)力:J

25、3式中，由于截面是正三角形，故 COS -2腹桿受力：FNXG-QXjQXl二.需，其中1 =2m，根據(jù)合理組合表可知：Qxmax -149.7kN ；匚 149.7KN * 2F nxgF00.01KN ；.-1.7-由于23平面腹桿承受的Q力小，故其驗(yàn)算略。(3) 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算彎矩作用下的平面的整體穩(wěn)定性，臂架在起升和回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的整體穩(wěn)定性, 按單向彎曲構(gòu)建驗(yàn)算并滿足以下穩(wěn)定性條件。AW（1 晉）_【】式中：N臂架的軸向壓力，N=745.6KN ；M 臂架的組合彎矩，M 二 M2 M2 二 217& 126.5 251.87kN *m ；A臂架的毛截面，A=157.348cm2 ；3W毛截面的截面系數(shù)，W=893.17cm ；:軸心壓桿的穩(wěn)定性系數(shù)，二0.5 ；M1175.745KN1 一2A叫自皿.34893.171*217.8kN1一0.5* 1175.7讐2.693*106KN 丿225N、.歐拉臨界力,1102二 EA 314 * 210* 10 *157.348 = 2.69