25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计

25TM塔式起重机总体和起升变幅机构 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 I 摘 要 随着当今建筑行业的迅猛发展，在各式起重机械中，塔式起重机具有工作效率高、使用范围广、回转半径大、起升高度高、操作方便以及安装与拆卸比较简单等特点。已成为建筑工地的主要施工机械，它最早出现在西方工业革命的城市建设中，有早期的系缆式桅杆吊演变而来，并随着建筑物结构体系和施工方法的演进，塔机也演变出各种型式和规格，已成为起重机械中的一个重要门类 本次设计内容是确定25TM塔式起重机的总体结构及其组成，完成塔机总体设计和布置及变幅机构设计，掌握零部件设计、控制系统设计，零件设计。25TM塔式起重机的总体结构及其组成可分为金属结构、工作机构和驱动控制系统三部分。金属结构部分由塔身、起重臂架、回转平台、底架、台车架等主要部件组成。工作机构由起升机构、变幅机构、回转机构、行走机构组成。控制系统对工作机构的驱动装置和制动装置实行控制，完成机构的起动、制动、改向、调速等。 首先进行受力分析包括抗倾覆稳定性计算、安装架设稳定性计算等等,接着根据计算的结果选配变幅机构，首先通过计算选取合适的钢丝绳，接着设计卷筒，选取电动机、制动器、联轴器、减速箱等设计。 电气控制系统部分的设计:首先根据塔机的工作性能要求，设计本塔机的电气控制线路，选取相应的电控系统机构部件、电气保护和安全及信号装置等，用电缆将其连接成一个完整的系统，来控制塔机正常工作。 关键词:塔式起重机，变幅机构，钢丝绳 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 II ABSTRACT With the rapid growth of building trades and hoisting machinery, hammer-head crane gradually gains the various services which is the high working efficiency, the widespread using, the large radius of gyration, the high depth of camber, the ease of operation as well as the ease of installment and the disassembling and so on. Having become the main construction machinery in the work site, hammer-head crane appeared earliest in the west urban construction during the Industrial Revolution, and had become the early type of lashing wire rope to hang the evolution, and along with the building structure system and the evolution of job practice, the tower machine also evolves all kinds of patterns and specifications and it is extremely important in the hoisting machinery. This design content determines the 25TM hammer-head crane overall structure and its composition, completes the tower machine system design and arrangement and the amplitude organization design, grasps the spare part design, the control system design, the components design. The 25TM hammer-head crane overall structure and its composition may divide into three parts, the metal structure、the operating mechanism and the actuation control system . The major component of metal structure is partially composed by the tower body, erector beam, rotates the platform, the chassis, and a frame and so on. The operating mechanism is composed by the hold organization, running mechanism. The control system controls the operating mechanism’s drive and the arresting gear implementation. Complete the driving gear, applies the brake ,to change the direction,the velocity modulation and so on. First, carry on the stress analysis including the anti- to overturn stable computation、the installment erects stable computation and so on. Second, depend on the result to select and match the whole amplitude organization. Third, select appropriate steel wire according as the computation, then design a reel, select the electric motor, the brake, the shaft coupling, the decelerator designs and so on. The partial designs of electricity control system is that according to the request of tower machine operating performance, design the tower machine electricity control line, select the corresponding electrically controlled system organization part, the electrical protection and the security and signaler and so on, which finish a system connecting with the electric cable and control the normal foundation of tower machine. Key words: Hammer-head crane, Amplitude organization, Steel wire 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 III 目 录 1 绪论 ............................................................................................................... 1 1.1 塔式起重机的发展现状 ........................................................................................1 1.2 研究意义 ...............................................................................................................2 1.3 本设计研究内容....................................................................................................3 2 QT-25TM塔式起重机的总体的确定 ..................................................... 4 2.1 起重机的工作级别的确定 ....................................................................................6 3 起重机稳定性校核 ........................................................................................ 8 3.1 起重机分组 ...........................................................................................................8 3.2 抗倾覆稳定性的校核 ............................................................................................8 3.3 塔式起重机安装架设稳定性 .............................................................................. 15 4 变幅机构的设计 ........................................................................................... 17 4.1 吊臂受力情况 ..................................................................................................... 17 4.2 正常工作变幅力确定 .......................................................................................... 17 4.3 最大变幅力的确定 .............................................................................................. 21 4.4 选钢丝绳 ............................................................................................................. 22 4.5 确定变幅速度 ..................................................................................................... 23 4.6 选卷筒及确定速度 .............................................................................................. 24 4.7 确定滑轮尺寸 ..................................................................................................... 25 4.8 选电动机 ............................................................................................................. 27 4.9 选减速器 ............................................................................................................. 28 4.10 选制动器 ............................................................................................................. 28 4.11 选联轴器 ............................................................................................................. 29 4.12 电动机过载校验.................................................................................................. 30 4.13 机构变幅绳索绕示意图 ...................................................................................... 31 5 电气控制系统的设计 .................................................................................. 32 5.1 一般技术要求 ..................................................................................................... 32 5.2 负载特点和调速要求 .......................................................................................... 32 5.3 塔机的电气设备.................................................................................................. 33 5.4 塔机的控制设计.................................................................................................. 33 6 总 结 .......................................................................................................... 40 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 IV 7 参考文献 ...................................................................................................... 41 8 致 谢 .......................................................................................................... 42 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 1 1 绪论 1.1 塔式起重机的发展现状 起重机是减轻笨重体力劳动，提高作业效率、实现安全生产的起重运输设备。在国民经济各部门的物质生产和物资流通中，起重机作为关键的工艺设备或重要的辅助机械，应用十分广泛。 我国起重机制造业奠基于20世纪50年代。70年代以来，起重机的类型、规格、性能和技术水平获得很大的发展，除了满足国内经济建设对起重机日益增长的需要外，还向国外出口各种类型的高性能、高水平的起重机。 因此在今后一段的时间里，我国塔式起重机仍处于兴旺时期。根据我国塔式起重机的发展形式和市场需求，在产品品种方面预计今后几年塔式起重机要向大型化(1000tm)以上的和小型化(40tm)以下的发展;在技术性能方面要向产品智能化、数字化和机--电--液一体化方向发展;在结构型式方面要发展一机多用的塔机，如:吊重、布料、高空作业集为一体等;要加大力度研究解决高性能、高技术含量、高可靠性的塔机，最低限度降低塔机事故率。 塔式起重机是建筑施工必不可少的关键设备(是施工企业装备水乎的标志性重要装备之一。我国塔机行业已有近50年的发展史，从无到有、从小到大，逐步形成了比较完整的体系，成为机械行业中增幅最快的新兴行业之一(为国民经济建设提供了有力的装备支持。特别是改革开放20年来通过测绘仿制、设计创新和技术引进，使塔机行业在设计和制造技术、企业管理和市场开拓等方面形成了一个较完整的体系。现全国有300多个生产厂家，取得生产许可证的有241家;年产量9000台左右，今年很有可能突破10000台;产值超亿元、利税超千万的企业已达近十家。就总产量而言，我国已成为世界民用塔机的生产大国，也是世界塔机主要需求市场之一。自1992年到现在，塔机年出口量均大于进口量，年出口金额均大于进口金额，到目前为止年贸易顺差已达800多万美元(在基本上满足国民经济发展需要的前下还可以出口创汇。因此可以说我国塔机行业取得的成绩是骄人的，冷静分析起来我国塔机生产的现状并不乐观。 我国塔式起重机经过五十多年的发展与国外的差距大大缩小，并已成为生产塔式起重机大国。但在总体性能、质量、可靠性方面还存在着较大差距。(1)在产品品种方面:大型、特大型塔机短缺，中、小型品种过剩，并急更新换代。(2)在产品性能方面:智能化、数字化控制技术差距很大，跟不上市场需求，可靠性差，事故率较高。(3)在试验手段方面:试验手段差，多数厂家不具备对原材料的预处理和配套件进厂检验的能力。(4)在产品结构方面:45tm以下的小型塔机产量高、但性能差、更新换代周期长。(5)配套件生产方面:企业多，品种重复，生产质量差，直接影响到主机的质量和可靠性。 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 2 1.2 研究意义 现代工业不仅对起重机的安全和高效提出越来越多的要求，而且随着自动化控制以及计算机管理系统的日益广泛，起重机从单一的搬运工具逐步演变成自动化、柔性化生产中的重要组成部分。今天，计算机控制的自动化起重机在包括钢材待运、造纸、垃圾焚烧发电、飞机制造及维修等各个工业领域发挥着重要作用。 全自动起重机是一门新兴的技术，可以预计，随着自动化控制、计算机等技术的发展，全自动控制起重机技术会飞速的发展。工业制造部门在向高速、高效、连续性生产发展的过程中，也会推动起重机向自动化、可靠性、安全性以及精确性方面不断发展。 起重机械的应用比较广泛的，有多领域都要用到。起重机械的好坏直接影响了生产效率的高低，它的多元化将用于很多方面。1. 一些产品大型化、高速化、耐久化和专用化。2. 系列产品模块化、组合化、化和实用化。3. 通用产品小型化、轻型化、简易化和多样化。4. 产品性能自动化、智能化、集成化和高效化。5. 产品组合成套化、系统化、复合化和信息化。6. 产品设计微机化、精确化、快速化和全面化。7. 产品构造新型化、美观化、宜人化和缘合化。8. 产品制造柔性化、灵捷化、精益化和规模化。 塔式起重机属于机电产品，产品的性能主要体现在电气控制和传动上，在引进国外技术的基础上，不断消化吸收，我国塔式起重机产品的技术先进性应具备: 1.2.1 电子技术的应用 以前国内的技术均是用继电、接触器形式控制，结构复杂，调速精度、可靠性均很差，使用成本也很高。而国外将机构的传动方式进行创新，针对该类产品的特点，使机械、电气充分地融为一体，通过变流技术调节电气参数，达到了调节机构转速的目的。至今仍为国内的主流技术。 1.2.2 调压调速 由于塔式起重机的大惯量特性，要求调速特性柔软。从而产生了力矩电机配合涡流装置的结构形式，中国的塔式起重机应该采用专用控制器提供连续可调电压进行控制，得到理想的特性。该专用控制器应该是针对机构的具体特点量身定做的，集调压、逻辑控制、故障诊断等相关功能于一体。 1.2.3 变频技术的应用 随着电机、电力电子技术的发展，在起重机械上我国应开发变频调速系统，实现重载低速、轻载高速的目的;恒转矩、恒功率调速，充分发挥电机的功能;采用闭环矢量控制，调速范围宽、调速精度高，大大提高塔机的工作效率。 1.2.4 直流调速 由于满足国内外重点、大型工程的需要，应开发能够适应塔机工况的重型直流调速起升机构。采用Siemens 6RA70系列直流调速器，编制完善的逻辑、安全连接图。 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 3 1.2.5 PLC技术的应用 塔机控制系统越来越复杂、用户要求越来越高、使用寿命要长。因此，PLC技术是满足起重机械的复杂控制的最好选择。也使用户的使用成本达到最低，得到用户的满意。 随着实用自动化技术的发展，机械、电气、计算机技术、智能技术、人将达到最佳的结合，使设备更安全、操作更舒适、性能更出色。将塔式起重机械的控制技术做到国内首创、国际领先的地位是当今社会的重要任务。因此，自动化技术的理解、应用将是我们的发展、创新之源。 1.3 本设计研究内容 起重机由承载结构、驱动机构、取物装置、控制系统及安全装置等方面组成，其设计理论、制造工艺、检测手段等都逐渐趋于完善和化，并已经成为一种较完善的机械。但由于生产发展提出新的使用要求，起重机的种类、形式也需要相应地发展和创新，性能参数也需要不断变化与完善。本课题主要研究25TM塔式起重机总体和变幅机构，电气控制系统的设计。首先塔机稳定性及支腿尺寸的确定，变幅机构设计中要分析吊臂受力情况，确定最大变幅力，选钢丝绳，确定变幅速度，选卷筒以及速度的确定，选电机、减速器、制动器、联轴器等。以及电气控制系统的设计中的电气原理、电气设备及控制线路。 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 4 2 QT-25TM塔式起重机的总体方案的确定 为了适应六层以下民用建筑工地施工的需要，要求设计架设速度快，拆卸运输方便的小型塔式起重机，设计参数如下: 表2-1 设计参数 1.25 2.5 起重重量(t) 20 10 工作半径(m) 23 36 吊钩有效高度(m) 表2-2 工作速度 起升 28米/分 (慢就位 7米/分) 回转 0.8转/分 (全回转) 变幅 1米/秒 行走 25米/分 表2-3 塔机各部件重量、重心及重力矩表 序号 部件名称 自重G(t) R(m) H(m) MM(T-m) iiHR (T-m) 1 2.5/1.25 10/20 36/23 25/25 90/29 吊重 2 0.76 6/11 29.5/23 4.6/8.4 22.4/17.5 起升臂架 3 2.82 1 11 2.82 31 塔身 4 4.84 -0.57 1.2 -2.8 5.8 回转平台 5 1.5 -0.7 1.8 -1.1 2.7 液压架设 6 8 -2.1 1.8 -16.8 14.4 配重 7 4.4 0 0.5 0 2.2 底座 采用下回转机构，整体塔身和吊臂，省略了其它专门机构辅助设备，抛锚，加快了整机使用周转率。可任选绳索滑轮组折叠和液压连杆折叠的方法，环境温度-20,40?。 QT-25塔式起重机适用于中小城市量大面广的六层民用建筑施工需要，起身、变幅、回转和行走四大机构各有自己的特点且不重复，采用两种整机拖运方案，给用户多了选择余地。 本机架设才用了先进安全可靠的双缸液压快速架设整体塔身和吊臂，架设过程大部 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 5 分不会碰地，所需空间小，不需要辅助吊车，简化了架设程序，节省了劳动力，适应了 当今建设速度快，周期短的要求。 本机液压架设、支脚尺寸、轮压及起重高度特征曲线采用了先进，快速的计算机来 代替手工计算，大大的节省了时间。 对可靠性，这个在建筑行业十分重要的质量指标，本机也采用了足够的措施来保证 可靠性。 表2-4 QT-25塔机技术性能表 20 10 幅度R(m) 1.25 2.5 起重重量Q(t) 23 36 起升高度H(m) 滑轮组倍率 起升用2 变幅用7 8 总 体 配重(t) 3×2.8 轮距×轮距 15.476 最大轮压(T/只) 427 最小轮压(T/只) A4 工作级别 28 起升速度 速度 (m/min) 7 就位速度 YZ160L-6 型号 11 功率(kw) 电动机 转速 953 ,1(min) 起升机构 型号 QJR-D280-16?C JB/T 8905.2-1999 减速器 16 传动比 钢丝绳 6W(19)-12-170-?-光-右交GB 1102-74 型号 YWZ-200/25 型号 制动器 最大制动 20kg-m 力矩 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 6 变幅型式 动臂式工作性变幅 2.7 变幅速度(m/min) XWKYZ5.5-8180-47 型号 减速器 59 传动比 YZ160M1-6 型号 5.5 功率(kw) 电动机 转速 933 ,1变幅机构 (min) YWZ-200/25 型号 2 个数 制动器 最大制动 20kg-m 力矩 变幅 6W(19)-12-170-?-光-右交GB 1102-74 钢丝绳型 号 牵引 6W(19)-12-170-?-光-右交GB 1102-74 注:以上各栏未标注数量均为一 以上钢丝绳的国标为GB1102-74 2.1 起重机的工作级别的确定 2.1.1 起重机的利用等级确定 表2-5 利用等级 利用等级 总的工作循环次数 N 附注 5经常轻闲的使用 2.5×10U 4 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 7 2.1.2 起重机的载荷状态 表2-6 载荷状态 载荷状态 说明 名义载荷谱系数K p 0.25 有时起升额定载荷，一般起升中等载荷 Q-中 2 2.1.3 起重机工作级别的划分 表2-7 塔式起重机工作级别的分类 载荷情况 名义载荷谱利用等级 UUU系数K U U U 035P241 0.125 A A A AQ-轻 32411 0.250 AA A A AQ-中 352412 0.500 A AAQ-重 A A A 3563241 由于利用等级 U，载荷状态 Q-中。所以取起重机的工作级别A。 424 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 8 3 起重机稳定性校核 3.1 起重机分组 由于塔机重心高，工作不频繁，以及场地经常变换，取为? 注(?是重心高、工作不频繁以及场地经常变更的起重机)。 3.2 抗倾覆稳定性的校核 起重机抗倾覆稳定性应按下所列工况在最不利的载荷组合下进行，若包括起重机自重在内的各项载荷对倾覆边的力矩之和大于或等于零(?M?0)，则认为起重机是稳定的。计算时规定起稳定作用的力矩符号为正，使起重机倾覆的力矩符号为负。 考虑到各种载荷对稳定性的实际影响，在进行起重机抗倾覆稳定性校核时各载荷应分别乘载荷系数。如下表所示 表3-1 载荷系数 水平惯性 自重载 工况 起升载荷 力(包括风载荷 说明 荷 吊重) 1.基本稳定 1.5 0 0 性(静态无 风) 2.动态稳定 风压 1.3 1.0 1.0 性(动态有 Pw2(250Pa) 1.0 风) 风压 -0.2 0 1.0 3.突然卸载 Pw2(250Pa) 风压 0 0 1.2 4.暴风侵袭 Pw3(800Pa) 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 9 3.2.1 工况1:无风静载(无水平惯性力) G,G，1.5F (3-1) 10q (3-2) ，，，，M,Gb，c,1.5FR,b,010qmax 式中: G---------塔式起重机自重，包括配重、臂架、塔身、回转平台(变幅、回转、液0 压架设、起升、电器箱等机构)、底座等重量 kN F----------起升载荷，kN q R-------最大工作幅度，m max b------------轨距之半，m c------------塔机重心离回转中心距离 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 10 图3-1 静态、无风工况稳定性计算简图 ，，，，G,1.0，7.6，28.2，48.4，15，80，44,223.2kN 0 M,Gb，c,1.5FR,b，，，，10qmax ,223.2，1.5，0.7,1.5，12.520,1.5，，，， ，，,144.1kN,m,0 所以工况1安全。 3.2.2 工况2:动态、有风(稳定回转运行时) G,G，1.3F,144.1，1.3，12.5,160.35kN 20q 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 11 M,G(b，c),1.3F(R,b)20qmax (3-3) ,F,h,F,h,F,h,0p2w11w22 式中: Fw作用在塔式起重机机上的风力，kN; 1--------- F,C,P,A,1.6，250，22.8,9.12kN w1w1w21 Fw-------作用在起升载荷上的风力，kN; 2 F,C,P,A,1.15，250，2.5,0.72kN w2w2w22 F--------作用在起升载荷上的离心力，kN;178N p h----------Fw作用线至轨道面的垂直距离，m; 11 h----------起重臂架端部至轨道面的垂直距离，m 2 图3-2 动态、有风工况稳定性计算简图 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 12 G,G，1.3F,223.2，1.3，25,255.7kN 20q M,G(b，c),1.3F(R,b),F,h,F,h,F,h 20qmaxp2w11w22 =223.2×(1.5+0.7)-1.3×12.5(20-1.5)-0.178×23-9.12×12-0.72×23 =60(kN?m)>0 所以工况2安全。 3.2.3 工况3:突然卸载 突然卸载或吊重突然脱落时，结构产生振动，作用于起重臂架端部有一向上的力。 塔机在该力的作用下会向后方倾覆。 G,G，F,60，12.5,72.5kN 30q M,Gd,0.2F(R，b),Fh (3-4) 30qmaxw 式中: F---------作用在塔式起重机上的风力，kN;9.12 w R-------最大工作幅度，m; max G---------塔式起重机自重(包括配重、臂架、塔身、回转平台(变幅、回转、液0 压架设、起升、电器箱等机构)、底座等重量)，kN; F---------起升载荷，kN; q h-----------风力作用点的高度，m; d-----------塔机重心离后倾覆边的距离，m; b-----------塔机回转中心离后倾覆边的距离，m; 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 13 图3-3 突然卸载工况稳定性计算简图 G,G，F,223.2，25,248.2kN 30q M,Gd,0.2F(R，b),Fh (3-5) 30qmaxw M,Gd,0.2F(R，b),Fh 30qmaxw =223.2×0.8-0.2×12.5(20+1.5)-9.12×12 =15(kN?m)>0 所以工况3安全。 3.2.4 工况4:暴风侵袭，非工作状态下 G,G,223.2kN 40 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 14 ,M,Ge,1.2F,h (3-6) 40w3 式中: G--------塔式起重机自重(包括配重、臂架、塔身、回转平台(变幅、回转、液压0 架设、起升、电器箱等机构)、底座等重量)，kN; e-----------塔式起重机重心离前倾翻边的距离，m; F--------作用在塔式起重机上的风力，kN; w3 F,1.6，800，22.8,29.2kN w3 ,----------风力作用点的高度，m h 图3-4 暴风侵袭工况稳定性计算简图 G,G,223.2kN 40 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 15 ,M,Ge,1.2F,h,223.2，2.2,1.2，29.2，12,70.8kN,m,0 40w3 所以工况4安全。 3.3 塔式起重机安装架设稳定性 下回转塔式起重机在架设过程中，为保证塔身竖立时起重机的整体稳定性，必须满足下列不等式: Gd,kGb (3-7) 12 式中: G-------塔式起重机固定部分的自重，kN; 1 G-------塔式起重机架设时被提升部分的自重，kN; 2 Gd---------离前倾翻边的距离，m; 1 Gb---------离前倾翻边的距离，m; 2 k----------考虑重量估计误差和起制动惯性力的超载系数，一般取k=1.2 图3-5 架设稳定性验算简图 kGb,1.2，28.2，1.8,60.91kN,m 2 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 16 ，， Gd,48.4，44，0.7,64.68kN,m1 在不考虑臂架的情况下，现在的臂架是起稳定作用的 当臂架和塔身提kGb,Gd21 起时，重向支腿方向移动，故这种情况是满足架设稳定性的，架设是安全的。 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 17 4 变幅机构的设计 4.1 吊臂受力情况 图4-1 吊臂受力简图 4.2 正常工作变幅力确定 4.2.1 参数的确定 Gb,760kg,7600N m,1.92m n,0.8rpm L,18.5m 计算得出β=12，β=38，β=64 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 18 4.2.2 作用在吊臂上的风力 W,CKqAsin, (4-1) Bh 式中 C--------风力系数，与结构物的体型、尺寸等有关，取C=1.6 K------风压高度变化系数，取K=1 hh q---------计算风压 2q=0.6q，q=150(N/m) ?? ，，A,&A1,,毛截面积 (4-2) 1 式中 &-------结构的充实率，取&=0.4 η--------衍架结构的挡风折减系数η，取η=0.4 所以 2，，，，A,&A1，,,0.4，18.5，0.61，0.4,6.2m 1 W,CKqAsin,,1.6，1，90，6.2sin,,89.8sin,N bh 表4-1 吊臂上风力 β 12 38 64 185.6 549.7 802.4 W b 4.2.3 作用在吊重上的风力 Wq,CKqAsin, (4-3) qh 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 19 表4-2 吊重上风力 β 12 38 64 130(N) 166.5(N) 260(N) qW q 4.2.4 回转时吊臂的离心力 2Gbn，，P,2m，Lcos, (4-4) b1800 22Gbn760,10,0.8，，，，P,2m，Lcos,,2，1.92，18.5，cos, b18001800 表4-3 吊臂的离心力 β 12 38 64 59(N) 50(N) 32(N) P b 4.2.5 回转时吊重的离心力 2，，Q，qn，，Pq,m，Lcos, (4-5) 900 表4-4 吊重的离心力 β 12 38 64 Pq 178(N) 188(N) 175(N) 4.2.6 起升绳拉力 Q，qS, (4-6) aη,ι 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 20 ,,,Lsinh,,1, (4-7) ILsintg,,,,,,Lcos,m，,, ,,,Lsin,1, (4-8) dLsintg,,,,,,Lcos,,, 表4-5 起升绳拉力 β 12 38 64 S 6720(N) 8710(N) 1344(N) d 0.82(m) 1.3(m) 1.55(m) l 4(m) 3.9(m) 3.5(m) 3.38(m) 3.8(m) 2.72(m) l 1 4.2.7 变幅力 1，，,,，， (4-9) T1,Q，q，0.5GbLcos,，W，Ph2,SdPql 表4-6 变幅力 β 12 38 64 T1 73050(N) 74079(N) 67480(N) 转换到变幅滑轮 处的变幅力T= 86450(N) 76030(N) 86830(N) T1×l/l1 所以 T,T,86830N max64 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 21 4.3 最大变幅力的确定 4.3.1 稳定回转时起升重物的最大变幅力 1' (4-10) ，，，，，，,,T,,Q，,q，0.5GbLcos,，Wp，Pbh1，Wq，Pqh2,,Sdmax222l 式中 φ--------动载系数，取φ=1.163 22 表4-7 最大变幅力的确定 β 12 38 64 81250(N) 86290(N) 78640(N) T' max 转换到变幅滑轮 处的变幅力 96150(N) 88560(N) 101200(N) 1''T,T， maxI1 所以 T,T',101200N max64 4.3.2 变幅与起升机构同时工作的最大变幅力 1，， T",,,,Q，,q，0.5,GbLcos,，Wbh1，Wqh2,,Sd (4-11) max2212l 式中 φ--------吊臂自重动载系数，取φ=0.95 11 T’T’,T’’T’与式子做比较明显 ，故取 maxmaxmaxmax 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 22 4.4 选钢丝绳 4.4.1 钢丝绳型号 钢丝绳和起升机构用钢丝绳都选用6W(19)-12-170-?-光-右交GB 变幅机构用 1102-74。 4.4.2 校核 Fp,nS (4-11) max 式中 Fp--------所选钢丝绳的破断拉力，取Fp=100000N n----------安全系数，取n=5 T' max (4-12) ,Smaxa,,　　22 aa---------变幅滑轮组倍率，取=7 22 ,,---------变幅滑轮组的效率，取=0.94 　　22,---------导向滑轮的效率，取=0.98 , T' 101200max S,,,15690Nmax,,　a7*0.94*0.98　22 nS,15690，5,78450N max Fp,nS所以 合格 max 4.4.3牵引绳型号 牵引绳的拉力 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 23 10210025 S,，4，,163200N2.7223 选6W(19)-16-170-?-光-右交GB 1102-74 取Fp=183000N 因为Fp=183000N,163200N 所以合格 4.5 确定变幅速度 当臂架从起始量12?转到64?的情况下。 4.5.1 臂架转过的角度 , ,,,65 4.5.2 角速度 ?α2,,， (4-13) ,T360w T,100sT--------变幅所需要的时间，取 ww ,652,,，,0.0113(1/s) 　100360 4.5.3 速度 ,,,,0.0113，4,0.045 m/s 1 4.5.4 绕入卷筒的速度 ,,a，,,7，0.045,0.316 m/s a 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 24 4.6 选卷筒及确定速度 4.6.1 变幅时绕入卷筒的钢丝绳长度 L,Va，T,0.316，100,31.6m w绳 D,hd (4-14) 0min 式中 D---------按钢丝绳中心计算的卷筒最小直径(mm) 0min h---------------与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，取h=16 d---------------钢丝绳直径(mm) D,16，12,192mm 0min 取D=315mm 4.6.2 卷筒长 L,,绳,,L,，3t (4-15) 0,,,D1,, D,0.315,0.012,0.327m 1 t=1cm 0所以选用光面卷筒 L,,31.6,,绳,,L,，3t,，3，1,33.8cm,, 0,,,D3.14*0.327,,1,, 取 L,400mm 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 25 4.6.3 卷筒转速 V600.316*60,1an,,,19.2min ,D,0.315 4.7 确定滑轮尺寸 D,hd 0min 式中 D--------按钢丝绳中心计算的滑轮的最小卷绕直径(mm) 0min h--------------与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，取h=18 d--------------钢丝绳的直径 D=18×12=216mm 0min 联系实际情况选取D=300mm 0 表4-8 滑轮轮缘尺寸(如图4-2所示) A B C m S R r r1 R1 R2 钢丝绳 直径 40 28 25 8 10 8 4 2.5 16 8 11,14 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 26 图4-2滑轮的槽形图 表4-9 滑轮机构尺寸(如图4-3所示) A型 B3 D5 D6 B B4 D7 S2 滚动轴承代号 A1型 A2型 宽度 100 45 60 6212 NF212 22 60 86 110 6 图4-3 滑轮示意图 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 27 4.8 选电动机 TV,,,a, P (4-15) 1000a,2 式中 η----------机构总效率，取η=0.91 a--------变幅滑轮组倍率，取a=7 22 T-- ---正常工作时最大变幅力 MAX TV86830*0.316,,,aP,,,4.2kw ,1000a1000*7*0.912 所以选择型号为YZ160M1-6的起重机用三相异步电动机，其技术性能和参数如表4-10所示。 表4-10 YZ、YZR系列起重机及冶金三相异步电动机技术参数 40% S3 型号 额定功率额定电流-1转速/r?min 效率/% 功率因数/cosΨ /kw /A YZ160 5.5 12.5 933 80.6 0.83 M1-6 堵转转矩转动惯量堵转电流最大转矩额定转矩 型号 重量/kg 2额定转矩额定电流/kg?m YZ160 2.0 4.9 2.0 0.0114 119 M1-6 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 28 4.9 选减速器 4.9.1 起升机构的传动比 nm i, (4-16) 0n 式中 n--------电动机额定转速，r/min m n----------卷筒转速，取n=19.2 r/min n933mi,,,47 0n19.2 根据传动比及电动机的功率选型号为XWKYZ5.5-8180-47的摆线针减速器。 4.10 选制动器 4.10.1 制动力距 M,,M' (4-17) BMAX T'D,MAX1M', (4-18) MAX2ai2 式中 T'M'------最大变幅力 换算到制动器轴上的最大力距 maxMAX i--------------制动器与卷筒轴的传动比，取i=49 D-----------卷筒计算直径，m 1 β--------------制动安全系数，取β=1.75 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 29 T'D,1MAXM',MAX2ai2 101200*0.327*0.91, 2*7*49 ,44N,m M,,M',1.75，44,76.8N,m MAXB 所以选型号为YWZ200/25的电力液压块式制动器，其技术性能和参数如表4-11 所示。 表4-11 制动器技术性能 制动器型号 制动制动制动电力液压推动器 轮直转距 瓦退 重量 /N?m 径距型号 额定工作补偿电动重量 D/mm /mm kg 推力 行程 行程 机功 率 KW YWZ200/25 200 200 0.7 YT1-25 250 20 15 0.06 21 42.7 4.11 选联轴器 PW (4-19) T,9550KKKK,TCWZTnn 式中 P、n---分别为驱动功率和转速，取P=5.5kw n=933r/min WW K----------工作情况系数，取K=2 K--------动力机系数，取K=1 WW K--------启动系数，取K=1 ZZ 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 30 K--------温度系数，取K=1 TT PWT,9550KKKKCWZTn 5.5,9550，2，1，1，1 933 ,113N,m,Tn ,630N,m 所以选型号为LZZ2的带制动轮弹性柱销齿式联轴器，其外形及主要尺寸如图4-4 所示。 图4-4 LZZ2带制动轮弹性柱销齿式联轴器的外形及主要尺寸 4.12 电动机过载校验 ,THamax,,P (4-20) JCZ,1000,am2 式中 P-------基准接电持续率时的电动机额定功率，kw JC 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 31 Z--------电动机台数 m ---------电动机转距的允许过载倍数 , H----------系数，取H=1.54 TvHamaxP,,JC,,Z1000am2 1.54101200*0.316,, 1*1.751000*0.91*7 ,4.5kw 4.13 机构变幅绳索绕示意图 图4-5 变幅绳索绕示意图 1(定滑轮组 2.动滑轮组 3.变幅卷筒 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 32 5 电气控制系统的设计 塔式起重机电气系统在工作过程中担负着控制、传动、照明以及各种安全保护和报警工作。塔机的工作特点是断续工作、频繁启动、制动;运行过程中有明显的振动和冲击;有时会过负载;工作环境多灰尘，环境温度变化范围大。这些工作特点，都对电器系统提出了特殊的要求。塔机对电气系统的要求集中体现在GB 9462-1999《塔式起重机技术条件》、GB 5144-94《塔式起重机安全规范》和GB 10057-88《塔式起重机检验规则》等国家标准中。 5.1 一般技术要求 (1)无特殊要求的塔机，应采用380V、50Hz的三相交流电源，电动机和电器上允许的电压波动范围不超过?10%。 型和湿热(TH)型，并(2)电气设备元件应根据使用环境不同来选择干热(TA) 符合工作类型及工作制的要求。 (3)电气系统中应有可靠的自动保护装置。 (4)主电路和控制电路对地绝缘不得小于0.5MΩ，起重机主体、电机底座、所有的电气设备的金属外壳和导线的金属护管都应可靠接地，接地电阻不大于4Ω，重复接地不大于10Ω。 (5)电气接连应接触良好，防止振动松脱。导线线束应用卡子固定，以防摆动。 (6)电气柜应有门锁，门内应有原理图或布线图，操作指示和警告标志等。 5.2 负载特点和调速要求 5.2.1 起重机的负载特点 设计或选择传动方案时必须首先考虑传动对象负载的特点。塔机的各个工作机构的负载都可以近似认为是恒转矩负载，除启动时因为有摩擦转矩的存在使得总负载转矩变大以外，在运行和调速过程中，机构的负载转矩均不随电动机转速的变化而变化。其中，起升机构负载属于位能性负载，上升时起阻碍运动的作用，下降时起帮助运动的作用，其负载特征曲线位于一、四象限。由于机构传动效率的影响，起升机构实际负载特性是位能负载转距T与机构摩擦转距的叠加，如果传动系统效率为，则提升重物时总负载,L 转距T= T/η;下放重物时总负载转距T= Tη。机构 的传动效率一般在0.85,0.9之dLLr 间，因此，在相同起重量的条件下，下放重物时机构总负载转距约为提升时总负载转距的0.72,0.81倍。 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 33 5.2.2 调速要求 与其他调速系统比较，起重机传动控制系统是调速要求比较粗的传动系统，对传动控制系统的要求主要保证机构能停稳、停准。因此，低调速要求的起重机或工作机构只要求有电制动措施以完成停车前的降速，但对系统可靠性和安全性要求较高。 5.2.3 塔机工作机构的驱动方式和调速方案 调速方案采用绕线转子电机串可变电阻驱动。是目前小型塔机起升机构普遍采用的控制方案，该调速系统具有价格低、操作、控制、维护、保养简单是特点，适合小型塔机控制需要。不足之处是效率低，调速范围小，在空载或轻载情况下，几乎没有调速效果。 5.3 塔机的电气设备 塔机的工作性能是否优秀，在很大程度上取决于其设备的电气设备是否先进，性能是否优良，质量是否可靠。归属于塔机电气设备的主要有:电动机、电缆和电缆卷线器、各电控系统的结构件等。 5.3.1 电动机 塔式起重机各个工作机构驱动用电动机应具备以下特征:(1)能适应频繁、短时工作制要求;(2)启动转矩大;(3)启动容易，启动电流小;(4)过载能力大;(5)适应露天、恶劣天气作业环境。因此，根据设计要求及《塔式起重机设计规范》(GB 13752-1992)规定，本塔机起升机构选用YZ、YZR系列起重机及冶金三相异步电动机，型号为YZ160L-6。变幅机构选用YZ、YZR系列起重机及冶金三相异步电动机，型号为YZ160M1-6，符合(GB 755)和电动机的有关标准。 5.3.2 电缆和电缆卷线器 塔机上的电缆选用铜芯橡皮绝缘重型橡胶套电缆。其特点是，能承受较大的机械外力而不致被破坏。电缆卷筒安装在底架上，通过一套专用的传动装置来带动，与起重机大车行走机构同步运行。 5.3.3 电控系统的结构部件 其电控系统主要由电源行走控制箱、回转小车电控箱、小车回转电阻箱、联动操作台、被控电动机及风速传感器、障碍灯、行走限位开关辅助电器等组成。用连接电缆将其连接成一个有机的系统，完成操纵塔机工作的目的。 5.4 塔机的控制设计 5.4.1 传统的塔式起重机的控制现状 塔式起重机是我们建筑机械的关键设备，在建筑施工中起着重要作用，我们只用了 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 34 五十年时间走完了国外发达国家上百年塔机发展的路程，如今已达到发达国家水平并跻身于当代国际市场。随着高层建筑发展，对施工机械提出了新的要求。于是，160TM附着式、45TM内爬式、120TM自升式等都由我国自己设计并制造;八十年代，国家建设突飞猛进，建筑用最大的250TM塔机也应运而生.进入九十年代，现代化进程不断加快，国内外市场对塔机要求越来越高，众多城市大型建筑、水利、电力、桥梁等不断增加，市场的要求加快了新产品开发的力度，先后有400TM、900TM水平臂和300TM动臂式塔机。90年代开发生产的塔机产品技术性能均显著提高，起升机构采用三速电机驱动、涡流制动、电动换挡减速箱，变幅回转采用双速电机液力联轴节驱动，或采用变频调速，有多种速度，工作平稳生产效率高。安全装置齐全，动作灵敏可靠，装有防止误操作和野蛮操作装置，可杜绝安全事故。 随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前，该技术己进入了成熟稳定的发展应用阶段。可编程序控制 在塔式起重机器PLC引入到交流电气传动系统后，使传动系统性能发生了质的变化。实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度。 由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势，适合发展大起重重量的起重机。 塔式起重机PLC控制系统与传统的塔式起重机控制系统相比较，具有以下优点: (1)使用方便 (2)具有良好的动态调整性能 (3)极大提高了系统的稳定性、可靠性 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 35 5.4.2 塔机的PLC控制流程图 图5-1 塔机的PLC程序流程图 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 36 5.4.3塔机的PLC外部接线图 图5-2 塔机的PLC外部接线图 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 37 5.4.4 塔机的PLC梯形图 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 38 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 39 图5-3 塔机PLC梯形图 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 40 6 总 结 这是一次综合学习机械设计、电气设计及控制系统设计的一般方法的过程，我们了解和掌握了常用机械零部件、机械传动装置或简单机械的设计过程和进行方式,同时培养了正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力,特别是总体设计和零部件设计的能力。这是对即将走上工作岗位的我们进行的一次参与解决实际问题的设计。经过这次毕业设计，我深深的体会到严谨，认真，仔细是一个机械工程技术人员所必须具备的素质。 由于我们本次设计的时间有限，收集的资料有限，以及自己的能力所限，本人设计的25TM塔式起重机总体和起升变幅机构在很多方面与实际要求较远。在机械部分，没有很好考虑到塔机所用零部件的经济性以及选材的合理性。在电气部分，由于对塔机控制知识不是特了解，因此在设计电气控制系统部分采用简单PLC控制，以此满足简单的起升机构和变幅机构的工作性能要求。 由于本人的水平及所学知识有限，设计中难免有错漏和不足之处请老师们指正、批评。 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 41 7 参考文献 [1] 石殿钧.工程起重机械[M].北京:水利电力出版社，1987.11 [2] 成大先.机械设计手册.单行本.弹簧.起重运输件.五金件[M].北京:化学工业出版社， 2004.1 [3] 成大先.机械设计手册.单行本.常用工程材料[M].北京:化学工业出版社，2004.1 ] 成大先.机械设计手册.第二卷[M].北京:机械工业出版社，2005.9 [4 [5] 成大先.机械设计手册.第三卷[M].北京:机械工业出版社，2005.9 [6] 范俊祥.塔式起重机[M].北京:中国建材工业出版社，2004.7 [7] 张质文.起重机设计手册[M].北京:中国铁道出版社，1997.1 [8] 成大先.机械设计手册.单行本.减(变)速器?电机与电器[M].北京:化学工业出版 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Oceans 97 MTS/IEEE Conference proceedings, 2:1230-1236 25TM塔式起重机总体和起升变幅机构设计 42 8 致 谢 四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从设计题目的选定到设计说明的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。 感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在设计即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到设计的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意～ 同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。