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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塔式起重機總體及塔頂優(yōu)化設計 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092 學生姓名： 劉偉 學 號： 2009307226 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 1、塔式起重機概述 塔式起重機簡稱塔機或者塔吊，是一種機身為塔架式結構的全回轉動臂架式起重機。塔式起重機由金屬結構、工作機構和電氣系統(tǒng)三部分組成。金屬結構包括塔身、動臂和底座等。塔機的工作機構有五種：起升機構、變幅機構、小車牽引機構、回轉機構和大車走行機構(行走式的塔機)。電氣系統(tǒng)包括電動機、控制器、配電柜、連接線路、信號及照明裝置等。塔式起重機的作業(yè)空間大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平輸送及建筑構件的安裝。由于塔式起重機能夠靠近建筑物，在高層建筑施工中其幅度利用率比其它類型的起重機要高，可達到全幅度的80%。而普通履帶式、輪胎式起重機的幅度利用率不超過50%，并隨著建筑物高度的增加而急劇減小。因此塔式起重機在高層工業(yè)和民用建筑施工的使用中一直處于領先地位。應用塔式起重機對于加快施工進度、縮短工期、降低工程造價等方面起著重要的作用。 2、塔式起重機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 塔式起重機(簡稱塔吊)是一種塔身直立、起重機臂鉸接在塔帽下部且能夠作360°回轉的起重機,通常用于房屋建筑和設備安裝的場所,具有適用范圍廣、起升高度高、回轉半徑大、工作效率高、操作簡便、運轉可靠等特點。因此它在建筑安裝施工中已經(jīng)得到了廣泛的應用,特別對于高層建筑施工來說,更是一種不可缺少的重要施工機械。 塔式起重機起源于歐洲。據(jù)記載，第一項有關建筑用塔機專利頒發(fā)于1900年。1905年出現(xiàn)了塔身固定的裝有臂架的起重機，1923年制成了近代塔機的原型樣機，同年出現(xiàn)第一臺比較完整的近代塔機。1930年當時德國已開始批量生產(chǎn)塔機，并用于建筑施工。1941年，有關塔機的德國工業(yè)標準DIN8770公布。該標準規(guī)定以吊載(t)和幅度(m)的乘積(tm)一起以重力矩表示塔機的起重能力。 我國的塔機行業(yè)于20世紀50年代開始起步,已有50多年的歷史，經(jīng)歷了一個從測仿制到自行設計制造的過程。 20世紀50年代，為滿足國家經(jīng)濟建設的需要，中國引進了前蘇聯(lián)以及東歐一些國家的塔式起重機，并進行仿制。這個時期中國生產(chǎn)與使用的塔式起重機的數(shù)量較少。 20世紀60年代，由于高層、超高層建筑的發(fā)展，廣泛使用了內(nèi)部爬升式和外部附著式塔式起重機，并在工作機構中采用比較先進的技術，如直流調速、可控硅調速、渦流制動器、在回轉和運行機構中安裝液力偶合器等。在此時期，中國開始進入了自行設計與制造塔式起重機的階段。 20世紀70年代，塔式起重機服務對象更為廣泛。塔式起重機的幅度、起重量合起升高度均有了顯著提高。為了滿足市場各方面的要求，塔式起重機又向一機多用方向發(fā)展。中國塔式起重機進入了技術提高、品種增多的新階段。這一時期還先后開發(fā)了ZT100、ZT120、ZT280等小車變幅自升式塔式起重機、QT-20小車變幅內(nèi)爬式塔式起重機，QTL16、TQ40、TQ45、TD25、QTG40、QTG60下回轉動臂自行架設快裝塔式起重機等，其年產(chǎn)量最高超過900臺，標志著中國塔式起重機行業(yè)進入一個新的階段。20世紀90年代以后，中國塔式起重機行業(yè)隨著全國范圍建筑任務的增加而進入了一個新的興盛時期，年產(chǎn)量連年猛增，而且有部分產(chǎn)品出口到國外。全國塔式起重機的總擁有量也從20世紀50年代的幾十臺截至2000年約為6萬臺。至此，無論從生產(chǎn)規(guī)模、應用范圍和塔式起重機總量等角度來衡量，中國均堪稱塔式起重機大國。 3﹑QTZ40塔式起重機的整體和塔頂簡介 (一) ﹑QTZ40塔式起重機的整體簡介 QTZ40塔式起重機具有起升、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?要。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，也用于港口、貨場的裝卸。 (二) ﹑QTZ40塔式起重機的塔頂簡介 目前，國內(nèi)應用較廣泛的塔機塔頂形式有固定式塔頂和片式塔頂兩種，固定式塔頂?shù)慕Y構形式為空間桁架，其弦桿和腹桿均為實心圓鋼或鋼管，迎風面積和風力系數(shù)小，從而減少了水平風力，甚至可以不考慮風載荷對其的直接影響。片式塔頂為鉸交的結構形式所以其不承受彎矩、只承受軸向壓力，而平衡臂固接于上轉臺，其受力狀況較為復雜，其結構形式要求平衡臂臂架必須做成空間桁架結構，或者用大型型鋼（工字鋼）做成片式結構，用上下兩個鉸點固接于塔機的上轉臺，與上轉臺形成一個固定的結構體。片式塔頂結構簡單、線條流暢、外形美觀大方、受力簡單，塔機架設既方便又省時省力 二、ANSYS介紹 “有限元”這個詞語于1965年首次被提出，經(jīng)過大約40多年的不斷發(fā)展和完善，到今天已經(jīng)廣泛應用于各種不同的工程之中，理論也已經(jīng)相當成熟。有限元思想的核心就是把實際結構離散化，假想地使實際的結構離散為有限數(shù)目個類似結構的個體，然后通過分析這些有限個體的性能來求出滿足實際工程要求的計算結果，從而代替對于具體復雜實際結構的求解。經(jīng)過離散化，應用有限元思想，可以解決很多實際復雜的工程問題，并在理論研究和工程應用兩方面都具有極其重要的實用價值。 1970年，美國著名力學專家、匹茲堡大學教授John Swanson創(chuàng)建了ANSYS公司，通過四十余年的發(fā)展壯大，已經(jīng)逐漸成為全球CAE行業(yè)中最大的公司。在發(fā)展過程中，ANSYS軟件不斷改進提高，性能也不斷增強，可靠性也不斷得到保證，在易用性和適應運行環(huán)境等其他方面也日趨完善，基本上完全能夠滿足當前用戶對于有限元分析軟件的要求，當下，已發(fā)展到了14．0版本。 ANSYS作為一個大型通用軟件，可以廣泛的應用于結構、流體、聲場、熱、耦合場、 電磁場上面，其使用用戶也能夠涵蓋機械、土木建筑、水利、生物、醫(yī)學、能源、航空 航天和交通運輸?shù)雀餍懈鳂I(yè)的不同領域，利用ANSYS軟件，能夠將實際模型置于各種各 樣不同的復雜實際工況之中，準確并合理的分析，優(yōu)化設計，減少實際試驗的物質和人 力投入，提高工作效率，縮短研發(fā)周期從而能夠為提高利潤做出貢獻。使用ANSYS軟件分析，包含以下幾個過程：建立模型、劃分網(wǎng)格、加載和求解、結果后處理。若在實際應用過程中想對其中的某一個步驟進行改動和變化，則依然需要重新完成其中的每一個步驟，無形中浪費了太多的工作時間。針對現(xiàn)實情況，ANSYS提供了APDL參數(shù)化設計語言來處理類似問題，通過APDL語言及UIDL語言或類似VB、VC編程語言開發(fā)應用界面，即可完成在ANSYS中的二次開發(fā)。 二次開發(fā)已經(jīng)在國外得到了很多方面的應用。例如： AlexeyI．Borovkv開發(fā)了兩款軟件，分別應用于散熱器穩(wěn)態(tài)3D熱分析及轉子體剛度不對稱補償。使用者只需面對初始參數(shù)輸入界面，而軟件自動完成建立模型、劃分網(wǎng)格、加載和求解等復雜步驟，還可以在專用軟件中生成符合用戶要求的報告，這一系列開發(fā)，無形中減少了用戶建模的工作量，無疑會提高相當?shù)男?，大大?jié)省了用戶的時間。 而相對而言，國內(nèi)關于ANSYS的二次開發(fā)方面才剛剛起步，在很多方面與國外先進 水平存在相當?shù)牟罹?，但一些高校和科研機構也相應的開發(fā)了很多產(chǎn)品，取得了一定的 研究成果，并在實際應用方面也做出了很大的貢獻。這系列研究和實際大致取得的成果有：針對具體實際工程應用問題而開發(fā)的專用系統(tǒng)，例如水利工程、土木建筑以及機械的結構和優(yōu)化設計；針對商業(yè)化發(fā)展的具體模塊，例如壓力容器自動化分析軟CPV-ANSYS，基于ANSYS的應用柴油機鑄造成型專用軟件等?？傮w而言，國內(nèi)關于二次開發(fā)的研究也已經(jīng)取得了很好的效果，同時也存在發(fā)展的空間，是一個具有相當潛能，大有可為的新興科研項目。 三、本課題的目的（重點及擬解決的關鍵問題） 塔式起重機是指能在一定范圍內(nèi)垂直起升和水平移動物品的機械，具有動作間歇性和作業(yè)循環(huán)性，多用于人力不能完成的任務。塔式起重機(以下簡稱塔機)是一種重要的施工機械,由于具有工作效率高、使用范圍廣、回轉半徑大、起升高度高、操作方便以及安裝與拆卸簡便等優(yōu)點,已成為工程建設中的主要機種之一。自升式塔式起重機的塔頂是塔機的重要組成部分，它以固結或鉸結的形式連接在塔機轉臺上，通過拉桿分別與起重臂和平衡臂相連，承受臂架和其上部件的自重以及吊重、風載等載荷作用而產(chǎn)生彎矩、拉壓力以及剪切力，受力狀況較為復雜。近幾年來塔頂失穩(wěn)現(xiàn)象多有發(fā)生，并且常常是僅在塔頂部分發(fā)生結構性破壞。由此可見在塔機設計中，塔頂部分是一個較為薄弱的環(huán)節(jié)，其抗過載能力較差，因此有必要對塔頂結構進行分析研究，加強塔頂?shù)膹姸扰c結構的穩(wěn)定性，從而防止塔頂結構部分的破壞。 伴隨著計算機技術的進步,目前國內(nèi)外先進的機械產(chǎn)品設計制造都離不開有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)計算,在工程設計和分析中受到越來越廣泛的重視,其計算結果不僅詳盡,而且更具可靠性。采用有限元分析的方法進行機械產(chǎn)品的設計計算將會極大地提高設計效率、保證其設計質量。設計者只需借助通用有限元軟件建立模型并進行仿真分析,就能真實地反映機械產(chǎn)品的尺寸外形特征和工作過程,并進行各種類型的力學分析,盡早發(fā)現(xiàn)設計缺陷,從而有效地縮短研發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,使產(chǎn)品的結 構和性能更加合理。本論文將應用有限元軟件ANSYS10.0對塔機總體及塔頂結構進行快速校核分析。 重點：塔機總體及塔頂結構的快速有限元校核分析。 四、主要內(nèi)容、研究方法、研究思路 1、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） 塔頂?shù)脑O計和計算 ① 塔頂?shù)慕Y構形式及尺寸 ② 塔頂?shù)脑O計和有限元分析及計算 2、 研究方法 （1）資料的準備 通過上網(wǎng)和畢業(yè)實習，搜集同類已研發(fā)產(chǎn)品相關資料，了解國內(nèi)外塔式起重機總體設計和塔頂?shù)脑O計的已研發(fā)的產(chǎn)品，借鑒這些產(chǎn)品的設計思路為自己的設計做準備。了解所做設計中的標準部件的相關信息，為以后設計做好準備。 （2）參數(shù)確定 根據(jù)所查資料，了解到起重機的相關參數(shù)，和對標準部件的了解，選擇能免租條件的相關零件。根據(jù)傳統(tǒng)設計方法并結合相似的產(chǎn)品結構進行具體的設計，在設計中確定個關節(jié)的合理尺寸和形狀。整體和各個部件的形狀和尺寸確定后，用二維作圖工具（autoCAD等）繪制出個主要部件的圖形圖和總裝圖。明確產(chǎn)品的具體具體設計尺寸和形狀。 3、 研究思路 伴隨著計算機技術的進步,目前國內(nèi)外先進的機械產(chǎn)品設計制造都離不開有限元分析(Finite ElementAnalysis, FEA)計算,在工程設計和分析中受到越來越廣泛的重視,其計算結果不僅詳盡,而且更具可靠性。采用有限元分析的方法進行機械產(chǎn)品的設計計算將會極大地提高設計效率、保證其設計質量。設計者只需借助通用有限元軟件建立模型并進行仿真分析,就能真實地反映機械產(chǎn)品的尺寸外形特征和工作過程,并進行各種類型的力 學分析,盡早發(fā)現(xiàn)設計缺陷,從而有效地縮短研發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,使產(chǎn)品的結構和性能更加合理。本文應用有限元軟件ANSYS10.0對塔頂結構進行快速校核分析。 五、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 塔頂設計 20135.16-2013.6.5 繪制塔頂裝配及結構圖紙 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 六、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． [16] 吳慶鳴，何小新．工程機械設計．武昌：武漢大學出版社.2006． [17]劉佩衡．塔式起重機使用手冊．北京：機械工業(yè)出版社.2002． [18] 張質文，虞和謙等．起重機設計手冊．北京：中國鐵道出版社．1997． [19] 顧迪民．工程起重機．北京：中國建筑工業(yè)出版社．1988． [20] 王金諾，于蘭峰．起重運輸機金屬結構．北京：中國鐵道出版社.2002． [21] The Domestic Reform of Imported Hydraulic Excavators. [22]Computers and Structures 80 (2002) 605–614. 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