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河北建筑工程學院
畢業(yè)設計（論文）開題報告
課題
名稱
QTZ40塔式起重機——塔身的設計
系 別： 機械工程學院
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 機095
學生姓名： 盛懷江
學 號： 2011407525
指導教師： 李常勝
課題來源
導師課題
課題類別
工程設計
一、論文資料的準備
(一) 塔式起重機概述
塔式起重機是一種塔身樹立起重臂回轉的起重機械，簡稱塔機，也叫塔吊，起源于西歐。具有工作效率高、使用范圍廣、回轉半徑大、起升高度大、操作方便以及安裝與拆卸比較簡便等特點。主要完成在高層建筑施工中預制構件及其他建筑材料與工具等吊裝工作。塔式起重機必須具備下列特點：
① 起升高度和工作幅度較大、起重力矩大；
② 工作速度高，具有安裝微動性能及良好的調(diào)速性能；
③ 要求拆裝運輸方便迅速，以適應頻繁轉移工地的需要。
(二) 國外塔式起重機的發(fā)展現(xiàn)狀
國外塔機發(fā)展的主要代表性國家或地區(qū)有：歐洲、日本、澳大利亞。從20世紀90年代開始，歐洲塔機行業(yè)緩慢復蘇，目前歐洲生產(chǎn)塔機的國家有德國、法國、英國、意大利、俄羅斯、西班牙、瑞典、丹麥等，主要廠家有法國Potain，德國Liebherr、Peiner、Wolff，意大利Comedil，丹麥Kroll,西班牙Comansa。在產(chǎn)量、系列品種、技術水平等方面，德國的Liebherr和法國的Potain在世界上居領先地位，Potain目前在法國、德國、意大利、葡萄牙、中國的工廠生產(chǎn)60多種型號塔機，迄今為止已在全球銷售了超過100000臺塔機，其中被國內(nèi)行業(yè)熟知的FO/23B、H3/36B是我國1984年從Potain引進技術生產(chǎn)的。2003年，Potain為南京長江第三大橋工程提供的MD3600（最大起重力矩為3600tm），是Potain迄今為止建造的最大塔機。
20世紀80年代，日本塔機行業(yè)開始緩慢復蘇，1987年開發(fā)了900t?m級內(nèi)爬式自升塔機，1990年，日本最著名的塔機生產(chǎn)商石川島( IHI)公司開發(fā)了日本國內(nèi)最大的1500t?m級內(nèi)爬式自升塔式起重機－ JCC1500H（最大起重量70t），其在日本大噸位塔機市場中占有份額最高。截至目前，日本內(nèi)爬塔機的主要機型有：80tm級、150tm級、400tm級、450tm級、500tm級、600tm級、900tm級、1500tm級。另外，還開發(fā)了利用鋼結構大樓鋼立柱為塔身的鋼柱塔身內(nèi)爬式塔式起重機，使塔機結構更為簡化，也增加了內(nèi)爬式塔機的新機種。
俄羅斯繼承前蘇聯(lián)傳統(tǒng)，曾經(jīng)也是一個塔機大國，擁有雄厚的開發(fā)和生產(chǎn)實力。1990年 俄羅斯塔機產(chǎn)量達2526臺，在隨后的經(jīng)濟衰退時期，許多俄羅斯塔機制造廠處境困難，停止了生產(chǎn)，到2000年，俄羅斯塔式起重機年產(chǎn)36臺，2001年產(chǎn)量77臺。與1990年相比，產(chǎn)量銳減。前蘇聯(lián)解體后，俄羅斯塔機行業(yè)修改了前蘇聯(lián)塔機設計規(guī)范和技術條件，向ISO標準靠攏。目前，俄羅斯建筑業(yè)復蘇，根據(jù)官方資料，現(xiàn)在俄羅斯的塔機80%超期服役。在過去的幾年里，這些年久失修的塔機，在作業(yè)中時有事故發(fā)生。部分地區(qū)（如莫斯科）法規(guī)已經(jīng)規(guī)定不允許使用這些塔機，塔機的用戶希望購買新的具有現(xiàn)代化裝置的塔機，因此，俄羅斯塔機市場的需求趨旺，在今后幾年里，醞釀著巨大的市場潛力。盡管塔機有需求，但越來越多用戶希望購買國外塔機，俄羅斯的塔機生產(chǎn)企業(yè)面臨巨大的競爭。
近幾年國外塔機市場上，一種結構新穎的平頭式塔機發(fā)展很快，大有流行之勢；平頭塔機起源于歐洲，叫法源于flat-toptowercrane的譯名,也有叫無塔頭式塔機(toplesstowercrane)的。平頭塔機的設計思想及雛形最早可追溯到20世紀60年代，當時法國Richier公司研制的塔機外形已接近于現(xiàn)在的平頭塔機，例如其X1290和GT系列塔機塔頭較矮，通常不超過4m，只稍稍高于吊臂和平衡臂。但嚴格來講，這些塔機又不同于現(xiàn)在的平頭塔機，盡管塔頭較矮，但還是能區(qū)分出塔頭、平衡臂、拉桿等。真正的平頭塔機誕生于1975年，瑞典Linden公司首次提出平頭塔機的概念，并率先推出了Linden8000平頭塔機模數(shù)系統(tǒng)，不同型號平頭塔機的吊臂可以互換。Linden平頭塔機沒有傳統(tǒng)意義上的塔頭，而且取消了拉桿，上部結構形狀呈水平且均為剛性結構，沒有傳統(tǒng)塔機那種塔頭、平衡臂、吊臂及拉桿之間的鉸接連接方式?？梢哉f，Linden平頭塔機的出現(xiàn)揭開了平頭塔機發(fā)展的序幕。自從Linden公司推出平頭塔機以來在相當長的一段時期內(nèi)沒有被用戶普遍接受，因為人們在內(nèi)心深處已經(jīng)習慣了帶塔頭的塔機，認為塔機帶塔頭是天經(jīng)地義的事，有的甚至認為塔機上沒有塔頭、拉桿,結構不合理、不安全。一直領導世界塔機發(fā)展潮流的波坦和利勃海爾等大公司對平頭塔機最初都不推崇，所以其發(fā)展一直較緩慢。隨著平頭塔機應用領域的不斷擴大，其獨特的優(yōu)點被越來越多的用戶所認可，于是一些制造廠家紛紛涉足平頭塔機的研制，以至于波坦和利勃海爾等大公司也以各種方式推出平頭塔機，由此極大地推動了平頭塔機的發(fā)展。近5年是國外各大塔機制造商相繼推出平頭塔機最集中的時期，也是發(fā)展最快的時期。下面從幾個主要塔機制造公司的情況就可以看出平頭塔機的發(fā)展狀況及態(tài)勢。
國外工程起重機的發(fā)展方向為：發(fā)展超大型起重機，“迷你”起重機大量涌現(xiàn)，伸縮臂結構不斷改進，數(shù)據(jù)總線技術得到應用，靜液壓傳動起重機進入市場，混合起重機得到發(fā)展，汽車起重機也在不斷發(fā)展，隨車起重機產(chǎn)銷量不斷增長。
(三) 我國塔式起重機的發(fā)展趨勢
我國大規(guī)模經(jīng)濟建設已有二十來年的歷史，這二十來年里，大量建筑物的涌現(xiàn)和大型工程的興建，鐵路、公路橋梁的建設，給塔式起重機提供了良好的市場。在十二五期間，我國提出了推行城鎮(zhèn)化建設，我國人口眾多，地大物博，市場需求，市場前景還有一定的空間，
我國的塔式起重機發(fā)展趨勢可以分以下幾個方面：
1 我國塔機產(chǎn)品的品種、型號、規(guī)格應向多樣化發(fā)展，以適應不同工程、不同用戶的需求。
2 適當發(fā)展動臂式自升塔機和折曲式兩用臂架自升塔機的生產(chǎn)，以適應塔機出口市場和國內(nèi)大中型城市內(nèi)某些特定工程和鋼結構高層建筑施工的需要。
3 更多的采用組裝式結構，做到產(chǎn)品系列化，部件模數(shù)化，以不同模數(shù)塔身、臂架標準節(jié)組合成的變斷面塔身和臂架，這不僅能提高塔身、臂架的力學性能，減輕塔式起重機自重，而且可明顯減少使用單位塔架、臂架的儲備量，為單位節(jié)約成本。便于產(chǎn)品更新?lián)Q代，簡化設計制造，提高塔機使用的經(jīng)濟效益。
(四) QTZ40塔式起重機概述
QTZ40塔式起重機為按照最新標準JG/T5037-93《塔式起重機分類》設計的加強型塔式起重機，該QTZ40自升式塔吊為上回轉、水平臂架、小車變幅、液壓自升 式多用途塔吊。起重力矩400KN.m，最大起重量4T，獨立架設時最大起升高度可達29米，加附著最大起升可達120米，最大幅度分46.8米、42米 和50米。
QTZ40塔式起重機充分利用成組技術、組合設計技術及有限元分析技術，以“塔式起重機微機設計平臺”為工具設計的國內(nèi)最新型的起重運輸機械。QTZ40塔吊為水平臂架、小車變幅、上回轉液壓頂升式起重機。最大有效幅度47m。是該種機型國內(nèi)唯一達到此幅度的塔機。塔機獨立使用時，起升高度27.8m，附著起升高度為120m（2倍率）。該機各項速度指標均達到或優(yōu)于國家標準。
該機自重（不含配重及附著裝置）21.46噸，總裝機容量25.82KW，該機參數(shù)先進，性能優(yōu)良可靠，造型美觀，質(zhì)量精良，結構簡單實用，設有先進的安全裝置，維修方便，使用安全，價格合理，是廣大中小建筑企業(yè)理想的建筑施工機械。
QTZ40塔吊布置合理，外型美觀，司機室獨立側置，視野好，給操作者創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境。使用方便，維修簡單，是廣大建筑施工企業(yè)理想的建筑施工機械。具有起升、回轉、變幅、頂升四種工作機構，可單獨或復合動作，可以獲得較高的工作效率。頂升機構用于塔身接高或降塔。起升機構采用多速電機，有快速、中速和 慢就位多種速度，充分滿足用戶各種工況的需要。起重臂可左、右作540度全回轉，回轉、變幅靈活可靠，起吊就位準確，可滿足建筑施工中垂直及水平運輸?shù)男枰?。該機設有起重量限制器、力矩限制器、起升高度限制器、幅度限位器和回轉限制器等安全保護裝置齊全，靈敏可靠，確保塔機正常工作。另外，還設有休息平臺、護欄等安全保護設施。司機室獨立側置，造型美觀，視野開闊，內(nèi)部空間大，操作方便。該機適用性好，廣泛用于中高層以下的各類工業(yè)與民用建筑和滑模施工的吊裝，可用于港口、貨場的裝卸。
二、本課題的目的（重點及創(chuàng)新點）
本次畢業(yè)設計是對機械專業(yè)學生在畢業(yè)前的一次全面訓練，目的在于鞏固和擴大學生在校所學的基礎知識和專業(yè)知識，訓練學生綜合運用所學知識分析和解決問題的能力。是培養(yǎng)、鍛煉學生獨立工作能力和創(chuàng)新精神的最佳手段。畢業(yè)設計要求每個學生在工作過程中，要獨立思考，刻苦鉆研，有所創(chuàng)新、解決相關技術問題。通過畢業(yè)設計，使學生掌握塔式起重機的總體設計、塔身的設計、整體穩(wěn)定性計算等內(nèi)容，為今后步入社會、走上工作崗位打下良好的基礎。
隨著市場競爭的日益激烈，降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量及縮短產(chǎn)品開發(fā)周期已經(jīng)成為企業(yè)生存和發(fā)展的關鍵。塔式起重機尤其是大噸位的塔機，其施工高度高，塔身成本占總成本的比重較大，通過塔身的結構優(yōu)化，降低塔身重量是降低塔式起重機成本的關鍵之一。
傳統(tǒng)的設計方法，一般是根據(jù)經(jīng)驗選定塔身的截面尺寸、主弦桿和腹桿的截面面積以及節(jié)距等參數(shù)，然后進行校核，這樣設計的塔身, 結構自重偏大，材料的利用率低， 成本高，經(jīng)濟效益不好。
塔機結構現(xiàn)正經(jīng)歷從傳統(tǒng)設計到現(xiàn)代設計方法的過程。傳統(tǒng)設計計算復雜、耗時，不利于在激烈市場競爭中縮短設計周期，提高設計質(zhì)量。計算機輔助設計、優(yōu)化設計和有限元法等現(xiàn)代設計方法受到塔機科技人員越來越廣泛的重視。
塔身是塔式起重機的重要組成部分,利用有限元軟件ANSYS對QTZ40塔式起重機塔身進行工作及非工作狀態(tài)分析計算，得到了塔身工作及非工作狀態(tài)總位移分布云圖、各種狀態(tài)下塔身當量應力分布云圖；根據(jù)分析結果對其結構進行了有限元分析法設計，有效控制了可能出現(xiàn)的危險，增強了設備的安全性。
三、主要內(nèi)容、研究方法、研究思路
(五) 主要內(nèi)容
（1） 設計任務：
①總體參數(shù)的選擇（QTZ40級別） ②結構形式
（2） 總體設計
①主要技術參數(shù)性能 ②設計原則 ③平衡重的計算 ④塔機的風力計算 ⑤整機傾翻穩(wěn)定性的計算
（3） 塔身的設計和計算
①塔身的結構形式及尺寸 ②塔身的設計和有限元分析及計算
(六) 研究方法
①類比法：參考國內(nèi)同類型塔式起重機設計；
②有限元分析法：利用有限元分析軟件對塔身進行設計計算。
(七) 研究思路
在畢業(yè)設計時,當我們收到設計任務書時首先對研究對象進行細致的調(diào)查, 收集國內(nèi)外有關資料并通過對資料的調(diào)研、加工與整理了解國內(nèi)外的使用、生產(chǎn)、設計和科研情況，并進行分析比較，制定設計原則。設計原則應當保證所設計的機型符合有關的方針政策。
在畢業(yè)設計工作中，通過掌握正確的設計思想，綜合運用多學科的理論、知識與技能在認真的科學態(tài)度和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L下分析并解決設計中遇到的問題。先通過整體參數(shù)的計算來確定塔式起重機的設計方案，同時了解不同塔式起重機結構的差別。再逐步確定各個裝置的結構及具體尺寸，也應參考同類機型的設計，來確定本次塔式起重機整體設計的最終結構及尺寸，最后運用有限元分析法對塔式起重機的塔身進行計算和分析。
四、總體安排和進度（包括階段性工作內(nèi)容及完成日期）
2013.3.25-2013.3.28 熟悉整理資料
2013.3.29-2013.4.13 方案選擇及總體設計
2013.4.14-2013.4.20 繪制總圖
2013.4.21-2013.5.15 塔身設計
2013.5.16-2013.6.5 繪制塔身裝配及結構圖紙
2013.6.6-2013.6.19 繪制零件圖紙
2013.6.20-2013.6.21 準備論文及答辯
五、主要參考文獻
[1] 哈爾濱建筑工程學院主編.工程起重機.北京：中國建筑工業(yè)出版社
[2] 董剛、李建功主編.機械設計.機械工業(yè)出版社
[3] 機械設計手冊.化學工業(yè)出版社（5冊）
[4] GB/T9462—1999 塔式起重機技術條件
[5] GB/T13752—1992 塔式起重機設計規(guī)范
[6] GB5144—1994 塔式起重機安全規(guī)程
[7] 邢靜忠．ANSYS應用實例與分析．科學出版社．2006．
[8] 劉坤．ANSYS有限元方法精解．國防工業(yè)出版社．2005．
[9]GB/T9462—1999 塔式起重機設計條件．
[10] GB/T13752—1992 塔式起重機設計規(guī)范．
[11] GB/T5144—1994 塔式起重機安全規(guī)程
[12]劉鴻文．材料力學．北京：高等教育出版社．2002．
[13]李柱，徐振高．互換性與測量技術．北京：高等教育出版社．2002．
[14] 張東升．機械零件及建筑機械．重慶：重慶大學出版社.2003．
[15] 現(xiàn)行建筑機械規(guī)范大全．北京：中國建筑工業(yè)出版社.1995．
指導教師意見：
指導教師簽名： 日期：
教研室意見：
教研室主任簽名： 日期：
系意見：
系領導簽名： 日期：
系蓋章
課題來源：導師課題、社會實踐、自選、其他
課題類別：工程設計、施工技術、新品開發(fā)、軟件開發(fā)、科學實驗、畢業(yè)論文。