【正文】 故傳動(dòng)比 312?i 。 選擇減速器 由于傳動(dòng)比較大，采用兩級(jí)行星輪減速器串聯(lián)，由參考文獻(xiàn) [4]表 2285，選取減速器 ZZ D P 和減速器 ZZ D P 35540，質(zhì)量均為 345kg。為減小總質(zhì)量，低傳動(dòng)比的減速器作為第一級(jí)。 選擇制動(dòng)器 計(jì)算制動(dòng)力矩 由于采用雙電機(jī)對(duì)稱分布，故兩個(gè)制動(dòng)器平分轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)力矩由下式確定： mNnnMM swB ???? （ 337） 選擇制動(dòng)器 由參考文獻(xiàn) [2] 表 3715，選取制動(dòng)器 YW160220，整機(jī)質(zhì)量 23 (kg)。 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)質(zhì)量估計(jì)如下 變幅 機(jī)構(gòu)質(zhì)量估算 lzdzh djspdjq sh mmmmm ???? Kg Kg1 15 9 233 451 746 17? ???? 本章小結(jié) 本章為各個(gè)機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)，須與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。本章對(duì)起升、變幅及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算及關(guān)鍵件的選型，包括鋼絲繩、卷筒、電機(jī)、減速器、制動(dòng)器及各部分間接頭的設(shè)計(jì)，并估算出機(jī)構(gòu)的總重，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。 第 4 章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 吊臂 吊臂為重要的結(jié)構(gòu)件，吊臂的設(shè)計(jì)除了 滿足基本的強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求外還要求進(jìn)行一定的優(yōu)化，使吊臂重與起吊的最大吊重比值盡量減小。吊臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先手算得出初步尺寸，然后在 SAP84 內(nèi)單獨(dú)建模精確分析，根據(jù) SAP84 分析結(jié)果調(diào)整參數(shù)優(yōu)化吊臂結(jié)構(gòu)，得出優(yōu)化后的吊臂尺寸。 吊臂截面及布置尺寸確定 三角形截面為吊臂截面較為優(yōu)化的截面，故吊臂截面選取 倒 三角形截面。 兩根 上弦桿采用結(jié)構(gòu)用無縫鋼管，下弦桿為 工字鋼 ，兼做載重小車的運(yùn)行軌跡。截面尺寸參照同類產(chǎn)品的同時(shí) ， 綜合選取尺寸 b=，大截面高 h1=，小截面高 h2=。 大小 兩截面如圖 41 所示 圖 41 吊臂截面尺寸示意圖 腹桿承受吊臂的剪力，布置腹桿時(shí)須盡量使受壓桿件較短，受拉桿件較長(zhǎng)，一定程度上增大承載能力。腹桿布置是應(yīng)考慮到吊臂通用的問題，截面相同的臂節(jié)的腹桿布置角度盡量相同。 初步腹桿布置如圖 42 所示 圖 42 吊臂 腹桿布置 吊臂桿件初選 由于吊臂長(zhǎng)度及自重很大，受力分析時(shí)須考慮風(fēng)載、回轉(zhuǎn)慣性力及吊臂自重的影響。吊臂在吊重平面及吊重側(cè)面的力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖 43所示 圖 43 吊臂整體在吊重面及側(cè)面力學(xué)簡(jiǎn)化模型 吊臂回 轉(zhuǎn)平面內(nèi)受力分析 對(duì)于回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，吊臂受吊重的水平偏擺力 aP 、風(fēng)載荷 wP 的 作用。等效受力圖如下 圖4– 所示： 圖 4– 4 吊臂在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的受力圖 顯然，是吊臂根部 的 截面所受彎矩最大，為 1( 0 ) ( )2H y a w i itM P L P P L?? ? ? (41) 式中 aP — — 吊重的水平偏擺力， t a n 4 1 .5 t a n 4 0 .1 0 5aQP P t t? ? ? ? ?； L —— 吊臂幅度， mL 60? ； wP —— 作用于吊臂上的風(fēng)力， C q A? ? ?； 其中體型系數(shù) ?C ，風(fēng)壓值 )(250 Paq? ； 迎風(fēng)面 mLhA ??????? ? ； 故 tP w 5 ????? ； i? —— 切向慣性力的動(dòng)載系數(shù)， ?? ； 所以得計(jì)算結(jié)果 tmtLPLPM waHy 21???????? 得吊臂根部主弦桿力為： taMN 4914 ?????。 初定下弦桿截面為 工字 鋼 25B,尺寸為 mm10118250 ?? ，得到截面參數(shù)如所示。計(jì)算出下弦桿應(yīng)力為 117Mpa。 表 4– 1 下弦桿截面參數(shù) 下弦桿 面積 mm2 截面慣性矩 mm4 工字鋼 25B 4900 吊臂起升平面內(nèi)受力分析 對(duì)于 QTZ6015型塔機(jī)起升平面內(nèi)為單拉索靜定結(jié)構(gòu)，起升平面內(nèi)主要載荷為 吊重 QP 和吊臂自重 gP ，根據(jù)同類型塔機(jī)比較，初定吊臂自重 gP 為 15 噸，對(duì)于起升載荷 QP 取 8 噸，對(duì)應(yīng)幅度為 15 米。 是吊臂根部截面所受彎矩最大，為 1( 0 ) 2H x g Q QM P L P L?? (42) 代入相應(yīng)參數(shù)得出 mtMHx ?? 345 ，初定截面為圓鋼 φ 140，計(jì)算出前拉索應(yīng)力為 134 Mpa，滿 足許用應(yīng)力。 初定 上 弦桿截面為 圓鋼 φ 100，得到截面參數(shù)如所示。 表 4– 2 上弦桿截面參數(shù) 上弦桿 面積 mm2 截面慣性矩 mm4 φ 140 1 ( 2 )AhhAA? ?上 下上 (43) 根據(jù)上下弦桿面積分配原則，吊臂截面高度為 1540mm。計(jì)算出截面中心線離地面距離為 。 2121 )(2 hhAhAI ??? 上下 (44) 計(jì)算出吊臂截面慣性矩為 mm4，得出上弦桿受力為 噸，下弦桿受力為 噸，上弦桿應(yīng)力為 ，下弦桿應(yīng)力為 。 下弦桿平面外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力為 117Mpa，平面內(nèi)應(yīng)力為 ，總應(yīng)力為 ，滿足許用應(yīng)力。 同理可以計(jì)算出其他臂節(jié)上下主弦截面，其結(jié)果如 表 4– 所示。 表 4– 3 吊臂 初步設(shè)計(jì) 吊臂節(jié)號(hào) 上主弦尺寸材料 下主弦尺寸材料 腹桿尺寸材料 自重 t 18 Ф 140/Q345 25B/Q345 Ф 50 5/Q235 此時(shí)危險(xiǎn)截面為 大 截面 根部截面 1和小截面根部截面 3，受力情況如表 43 所示 危險(xiǎn)截面 工況一 工況二 工況三 截面 1 223MPa/ 截面 3 吊臂桿件有限元分析 首先，按照初步選定的桿件尺寸在 SAP84 內(nèi)對(duì)吊臂建模，模型如 圖 45 所示 圖 45SAP84 吊臂模型 吊臂加載時(shí)，將吊臂自身的回轉(zhuǎn)慣性力等效在重物的 y向偏擺上，按照規(guī)定吊重最大偏角 4176。 保守計(jì)算。 選取臂端輕載、額定工況 、 根部重載 3 個(gè)幅度下吊重驗(yàn)算，即 R=60m、 40m、 3 種幅度，同時(shí)考慮到重物在 x、 y 向的偏擺。 載荷種類取 9 種，見表 44 所示 表 44 吊臂驗(yàn)算載荷種類 其中，自重一項(xiàng) 須 乘以起升 沖擊 系數(shù) 1? ，取 ?? ， 吊重須 乘以起升動(dòng)載系數(shù) 2? ,取 ?? 。 載荷組合取 7 種，其中在 R=、 40m及 60m三 種幅度下各取兩種載荷組合，再加上靜載試驗(yàn)，即基本臂長(zhǎng)最大處取額定載荷的 。 SAP84 內(nèi)分析，可得出桿件所受軸力、 12平面內(nèi)剪力與彎矩、 13平面內(nèi)剪力與彎矩及扭矩，強(qiáng)度校核公式如下 ? ? nWMWMAF sN ??? ????? ???? 31 3121 21 （ 45） 腹桿穩(wěn)定性校核如下 載荷種類號(hào) 載荷 載荷種類號(hào) 載荷 1 自重（包括起升、變幅等） 6 R=40mQ=， y向偏擺 2 吊臂風(fēng)載 7 R==8t， x向偏擺 3 R=60mQ=， x向偏擺 8 R==8t， y向偏擺 4 R=60mQ=， y向偏擺 9 靜態(tài)試驗(yàn) 5 R=40mQ=， x向偏擺 — — ? ? nAF sN ???? ??? （ 46） 初步計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，靠近塔身處弦桿自身所受彎矩產(chǎn)生應(yīng)力較大且初步選取的桿件尺寸留的余量小，如果桿件材料不變的情況下，吊臂質(zhì)量將增大很多，將達(dá)到 20t左右，同時(shí)配重達(dá)到 30t 左右，且此時(shí)由于吊臂自重的影響僅是增加桿件尺寸對(duì)受力情況的改善不大?；谝陨锨闆r，為減輕吊臂重量，吊臂采用下屈服極 限MPas 735?? 的合金結(jié)構(gòu)鋼 40Mn2,， 相應(yīng)的許用應(yīng)力 ? ? M P 4 ??? 此時(shí)吊臂桿件尺寸可相應(yīng)地減小，最終吊臂桿件尺寸如表 45 所示 表 45 吊臂桿件最終尺寸 吊臂節(jié)號(hào) 上弦尺寸 /材料 下弦尺寸 /材料 腹桿尺寸 /材料 自重 t 1~3 14016/40Mn2 25B/40Mn2 8510/Q235 4~6 14016/40Mn2 25B/40Mn2 6510/Q235 7~8 14016/40Mn2 25B/Q390 5410/Q235 需要補(bǔ)充的是底腹桿均采用 1054?? 的無縫鋼管，各個(gè)危險(xiǎn)截面上下弦桿校核結(jié)果如表 46 所示 表 46 吊臂各個(gè)危險(xiǎn)截面上下弦桿強(qiáng)度校核 桿件 NFN/ mNM ?? /21 mNM ?? /31 MPa/? 危險(xiǎn)工況 截面 1 上弦桿 4 截面 1 下弦桿 4226 4 截面 2 上弦桿 2 截面 2 下弦桿 2650017 1348 2 截面 3 上弦桿 2 截面 3 下弦桿 2 各個(gè)危險(xiǎn) 截面受壓側(cè)腹桿穩(wěn)定性及強(qiáng)度校核結(jié)果如表 47 及表 48 所示 表 47 吊臂各個(gè)危險(xiǎn)截面?zhèn)雀箺U強(qiáng)度校核 桿件 NFN/ mNM ?? /21 mNM ?? /31 MPa/? 截面 1 側(cè)腹桿 截面 2 側(cè)腹桿 截面 3 側(cè)腹桿 表 48 吊臂各個(gè)危險(xiǎn)截面受 拉 腹桿 強(qiáng)度 校核 桿件 NFN/ mNM ?? /21 mNM ?? /31 MPa/? 截面 1 側(cè)腹桿 123 11 截面 2 側(cè)腹桿 18956 12 15 截面 3 側(cè)腹桿 27012 74 19 其中，腹桿材料均用 Q235，許用 應(yīng)力 ? ? M P aM P a ??? 。所以腹桿強(qiáng)度符合要求。 吊臂在臂端吊重時(shí)，變形位移最大，如圖 46 所示 圖 46 吊臂變形 其中，最大變形出現(xiàn)在臂端，最大位移達(dá)到 。 平衡臂及配重 平衡臂截面及布置尺寸確定 平衡臂總長(zhǎng) 20m，由 6m 長(zhǎng)的臂節(jié) 1及 14m 長(zhǎng)的臂節(jié) 2組成。臂節(jié) 1采用兩工字鋼作為弦桿，兩弦桿間焊接腹桿，在腹桿上鋪設(shè)鐵絲網(wǎng)，用以供人行走及布置起升機(jī)構(gòu)等；臂節(jié) 2類比吊臂臂節(jié)，腹桿布置仍遵循盡量縮短受壓桿件的原則，臂節(jié) 臂節(jié) 2腹桿布置如圖 45所示 a)平衡臂臂節(jié) 1 腹桿布置 b)平衡臂臂節(jié) 2 軸心展開圖 圖 45 平衡臂臂節(jié)腹桿布置 桿件尺寸確定完后，可得出臂架自重如下 Kgm Kgm pbpb 67 7221 ?? 配重計(jì)算 根據(jù)空載時(shí)的后傾力矩和滿載時(shí)的前傾力矩 “ 四六開 ” 的原則確定平衡配重，其中滿載時(shí)是指基本臂長(zhǎng)時(shí)起吊額定起重量，計(jì)算如下 `)( )()( ???? ?????dbqtphzphbqtphzphbdz hqhq MMMM MMMMMMM （ 44） 式中： qM —— 塔機(jī)工作狀態(tài)下的前傾力矩； hM —— 塔機(jī)非工作狀態(tài)下的后傾力矩； dbM —— 吊臂自重產(chǎn)生的彎矩，取重心 R=30m, dbM =2902021 mN? dzhM —— 額定吊重產(chǎn)生的彎矩， dzhM =1380000 mN? phbM —— 平衡臂產(chǎn)生的彎矩， mNGGM pbpbp h b ???? 7 2 8 0 2 2717 21 qtM —— 起升機(jī)構(gòu)等其他重量產(chǎn)生的彎矩，取 R=12m, mNM qt ?? 240000 pzhM —— 配重產(chǎn)生的彎矩，取 mR 19? mNM q ?? 698400 mNM h ?? 465600 綜上，可確定配重為 平衡臂有限元分析 首先，按照初步 選定的桿件尺寸在 SAP84 內(nèi)對(duì)平衡臂建模，模型如圖 46 所示 圖 46 SAP84 平衡臂模型 按初始桿件尺寸分析發(fā) .臂節(jié) 1弦桿強(qiáng)度 校核時(shí)，應(yīng)力余量較小，須進(jìn)行調(diào)整，臂節(jié) 2斜腹桿采用 1085?? ,兩個(gè)臂節(jié)底腹桿均采用 1054?? ,，調(diào)整后平衡臂弦桿及拉桿最終尺寸如表 44 所示 表 44 平衡臂桿件調(diào)整后尺寸 臂節(jié) 拉桿 1 拉桿 2 臂節(jié) 1弦桿 臂節(jié) 2 上弦 臂節(jié) 2下弦 1 120/Q345 24b/Q390 2 150/Q390 12015/Q390 20/ 塔身 的設(shè)計(jì) 塔身與塔帽的截面本次設(shè)計(jì)取為相同的截面，塔帽為連接吊臂與平衡臂的過渡，塔身為整機(jī)重量及吊重的支承結(jié)構(gòu)件，兩者的設(shè)計(jì)及校核極為重要。塔帽與塔身均為壓彎構(gòu)件，整體穩(wěn)定性的校核相比于其他構(gòu)件較為重要。在塔身校核時(shí)，風(fēng)載的影響較大。塔帽與吊臂及平衡臂的鉸接處及塔身根部受力嚴(yán)重，需要加強(qiáng)。 截面及腹桿布置尺寸確定 類比市場(chǎng)上 QTZ6015 塔機(jī)，塔身與塔帽截面尺寸可取相同，塔均取為長(zhǎng)