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河北建筑工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
課題
名稱
QTZ40塔式起重機(jī)總體及塔身的優(yōu)化設(shè)計(jì)
系 別： 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： 機(jī)095
學(xué)生姓名： 王順民
學(xué) 號(hào)： 2011407524
指導(dǎo)教師： 李常勝
課題來(lái)源
導(dǎo)師課題
課題類別
工程設(shè)計(jì)
一、論文資料的準(zhǔn)備
(一) 塔式起重機(jī)概述
塔式起重機(jī)是一種塔身樹立起重臂回轉(zhuǎn)的起重機(jī)械，簡(jiǎn)稱塔機(jī)，也叫塔吊，起源于西歐。具有工作效率高、使用范圍廣、回轉(zhuǎn)半徑大、起升高度大、操作方便以及安裝與拆卸比較簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。主要完成在高層建筑施工中預(yù)制構(gòu)件及其他建筑材料與工具等吊裝工作。塔式起重機(jī)必須具備下列特點(diǎn)：
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(dòng)性能及良好的調(diào)速性能；
③ 要求拆裝運(yùn)輸方便迅速，以適應(yīng)頻繁轉(zhuǎn)移工地的需要。
(二) 國(guó)外塔式起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外塔機(jī)發(fā)展的主要代表性國(guó)家或地區(qū)有：歐洲、日本、澳大利亞。從20世紀(jì)90年代開始，歐洲塔機(jī)行業(yè)緩慢復(fù)蘇，目前歐洲生產(chǎn)塔機(jī)的國(guó)家有德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、意大利、俄羅斯、西班牙、瑞典、丹麥等，主要廠家有法國(guó)Potain，德國(guó)Liebherr、Peiner、Wolff，意大利Comedil，丹麥Kroll,西班牙Comansa。在產(chǎn)量、系列品種、技術(shù)水平等方面，德國(guó)的Liebherr和法國(guó)的Potain在世界上居領(lǐng)先地位，Potain目前在法國(guó)、德國(guó)、意大利、葡萄牙、中國(guó)的工廠生產(chǎn)60多種型號(hào)塔機(jī)，迄今為止已在全球銷售了超過(guò)100000臺(tái)塔機(jī)，其中被國(guó)內(nèi)行業(yè)熟知的FO/23B、H3/36B是我國(guó)1984年從Potain引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的。2003年，Potain為南京長(zhǎng)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(jī)。
20世紀(jì)80年代，日本塔機(jī)行業(yè)開始緩慢復(fù)蘇，1987年開發(fā)了900t?m級(jí)內(nèi)爬式自升塔機(jī)，1990年，日本最著名的塔機(jī)生產(chǎn)商石川島( IHI)公司開發(fā)了日本國(guó)內(nèi)最大的1500t?m級(jí)內(nèi)爬式自升塔式起重機(jī)－ JCC1500H（最大起重量70t），其在日本大噸位塔機(jī)市場(chǎng)中占有份額最高。截至目前，日本內(nèi)爬塔機(jī)的主要機(jī)型有：80tm級(jí)、150tm級(jí)、400tm級(jí)、450tm級(jí)、500tm級(jí)、600tm級(jí)、900tm級(jí)、1500tm級(jí)。另外，還開發(fā)了利用鋼結(jié)構(gòu)大樓鋼立柱為塔身的鋼柱塔身內(nèi)爬式塔式起重機(jī)，使塔機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化，也增加了內(nèi)爬式塔機(jī)的新機(jī)種。
俄羅斯繼承前蘇聯(lián)傳統(tǒng)，曾經(jīng)也是一個(gè)塔機(jī)大國(guó)，擁有雄厚的開發(fā)和生產(chǎn)實(shí)力。1990年 俄羅斯塔機(jī)產(chǎn)量達(dá)2526臺(tái)，在隨后的經(jīng)濟(jì)衰退時(shí)期，許多俄羅斯塔機(jī)制造廠處境困難，停止了生產(chǎn)，到2000年，俄羅斯塔式起重機(jī)年產(chǎn)36臺(tái)，2001年產(chǎn)量77臺(tái)。與1990年相比，產(chǎn)量銳減。前蘇聯(lián)解體后，俄羅斯塔機(jī)行業(yè)修改了前蘇聯(lián)塔機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)條件，向ISO標(biāo)準(zhǔn)靠攏。目前，俄羅斯建筑業(yè)復(fù)蘇，根據(jù)官方資料，現(xiàn)在俄羅斯的塔機(jī)80%超期服役。在過(guò)去的幾年里，這些年久失修的塔機(jī)，在作業(yè)中時(shí)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(jī)，塔機(jī)的用戶希望購(gòu)買新的具有現(xiàn)代化裝置的塔機(jī)，因此，俄羅斯塔機(jī)市場(chǎng)的需求趨旺，在今后幾年里，醞釀著巨大的市場(chǎng)潛力。盡管塔機(jī)有需求，但越來(lái)越多用戶希望購(gòu)買國(guó)外塔機(jī)，俄羅斯的塔機(jī)生產(chǎn)企業(yè)面臨巨大的競(jìng)爭(zhēng)。
近幾年國(guó)外塔機(jī)市場(chǎng)上，一種結(jié)構(gòu)新穎的平頭式塔機(jī)發(fā)展很快，大有流行之勢(shì)；平頭塔機(jī)起源于歐洲，叫法源于flat-toptowercrane的譯名,也有叫無(wú)塔頭式塔機(jī)(toplesstowercrane)的。平頭塔機(jī)的設(shè)計(jì)思想及雛形最早可追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)法國(guó)Richier公司研制的塔機(jī)外形已接近于現(xiàn)在的平頭塔機(jī)，例如其X1290和GT系列塔機(jī)塔頭較矮，通常不超過(guò)4m，只稍稍高于吊臂和平衡臂。但嚴(yán)格來(lái)講，這些塔機(jī)又不同于現(xiàn)在的平頭塔機(jī)，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(jī)誕生于1975年，瑞典Linden公司首次提出平頭塔機(jī)的概念，并率先推出了Linden8000平頭塔機(jī)模數(shù)系統(tǒng)，不同型號(hào)平頭塔機(jī)的吊臂可以互換。Linden平頭塔機(jī)沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的塔頭，而且取消了拉桿，上部結(jié)構(gòu)形狀呈水平且均為剛性結(jié)構(gòu)，沒(méi)有傳統(tǒng)塔機(jī)那種塔頭、平衡臂、吊臂及拉桿之間的鉸接連接方式?？梢哉f(shuō)，Linden平頭塔機(jī)的出現(xiàn)揭開了平頭塔機(jī)發(fā)展的序幕。自從Linden公司推出平頭塔機(jī)以來(lái)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)沒(méi)有被用戶普遍接受，因?yàn)槿藗冊(cè)趦?nèi)心深處已經(jīng)習(xí)慣了帶塔頭的塔機(jī)，認(rèn)為塔機(jī)帶塔頭是天經(jīng)地義的事，有的甚至認(rèn)為塔機(jī)上沒(méi)有塔頭、拉桿,結(jié)構(gòu)不合理、不安全。一直領(lǐng)導(dǎo)世界塔機(jī)發(fā)展潮流的波坦和利勃海爾等大公司對(duì)平頭塔機(jī)最初都不推崇，所以其發(fā)展一直較緩慢。隨著平頭塔機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多的用戶所認(rèn)可，于是一些制造廠家紛紛涉足平頭塔機(jī)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(jī)，由此極大地推動(dòng)了平頭塔機(jī)的發(fā)展。近5年是國(guó)外各大塔機(jī)制造商相繼推出平頭塔機(jī)最集中的時(shí)期，也是發(fā)展最快的時(shí)期。下面從幾個(gè)主要塔機(jī)制造公司的情況就可以看出平頭塔機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r及態(tài)勢(shì)。
國(guó)外工程起重機(jī)的發(fā)展方向?yàn)椋喊l(fā)展超大型起重機(jī)，“迷你”起重機(jī)大量涌現(xiàn)，伸縮臂結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，數(shù)據(jù)總線技術(shù)得到應(yīng)用，靜液壓傳動(dòng)起重機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)，混合起重機(jī)得到發(fā)展，汽車起重機(jī)也在不斷發(fā)展，隨車起重機(jī)產(chǎn)銷量不斷增長(zhǎng)。
(三) 我國(guó)塔式起重機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
我國(guó)大規(guī)模經(jīng)濟(jì)建設(shè)已有二十來(lái)年的歷史，這二十來(lái)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(shè)，給塔式起重機(jī)提供了良好的市場(chǎng)。在十二五期間，我國(guó)提出了推行城鎮(zhèn)化建設(shè)，我國(guó)人口眾多，地大物博，市場(chǎng)需求，市場(chǎng)前景還有一定的空間，
我國(guó)的塔式起重機(jī)發(fā)展趨勢(shì)可以分以下幾個(gè)方面：
1 我國(guó)塔機(jī)產(chǎn)品的品種、型號(hào)、規(guī)格應(yīng)向多樣化發(fā)展，以適應(yīng)不同工程、不同用戶的需求。
2 適當(dāng)發(fā)展動(dòng)臂式自升塔機(jī)和折曲式兩用臂架自升塔機(jī)的生產(chǎn)，以適應(yīng)塔機(jī)出口市場(chǎng)和國(guó)內(nèi)大中型城市內(nèi)某些特定工程和鋼結(jié)構(gòu)高層建筑施工的需要。
3 更多的采用組裝式結(jié)構(gòu)，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(biāo)準(zhǔn)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(xué)性能，減輕塔式起重機(jī)自重，而且可明顯減少使用單位塔架、臂架的儲(chǔ)備量，為單位節(jié)約成本。便于產(chǎn)品更新?lián)Q代，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造，提高塔機(jī)使用的經(jīng)濟(jì)效益。
(四) QTZ40塔式起重機(jī)概述
QTZ40塔式起重機(jī)為按照最新標(biāo)準(zhǔn)JG/T5037-93《塔式起重機(jī)分類》設(shè)計(jì)的加強(qiáng)型塔式起重機(jī)，該QTZ40自升式塔吊為上回轉(zhuǎn)、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(dú)立架設(shè)時(shí)最大起升高度可達(dá)29米，加附著最大起升可達(dá)120米，最大幅度分46.8米、42米 和50米。
QTZ40塔式起重機(jī)充分利用成組技術(shù)、組合設(shè)計(jì)技術(shù)及有限元分析技術(shù)，以“塔式起重機(jī)微機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)”為工具設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)最新型的起重運(yùn)輸機(jī)械。QTZ40塔吊為水平臂架、小車變幅、上回轉(zhuǎn)液壓頂升式起重機(jī)。最大有效幅度47m。是該種機(jī)型國(guó)內(nèi)唯一達(dá)到此幅度的塔機(jī)。塔機(jī)獨(dú)立使用時(shí)，起升高度27.8m，附著起升高度為120m（2倍率）。該機(jī)各項(xiàng)速度指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
該機(jī)自重（不含配重及附著裝置）21.46噸，總裝機(jī)容量25.82KW，該機(jī)參數(shù)先進(jìn)，性能優(yōu)良可靠，造型美觀，質(zhì)量精良，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，設(shè)有先進(jìn)的安全裝置，維修方便，使用安全，價(jià)格合理，是廣大中小建筑企業(yè)理想的建筑施工機(jī)械。
QTZ40塔吊布置合理，外型美觀，司機(jī)室獨(dú)立側(cè)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(jiǎn)單，是廣大建筑施工企業(yè)理想的建筑施工機(jī)械。具有起升、回轉(zhuǎn)、變幅、頂升四種工作機(jī)構(gòu)，可單獨(dú)或復(fù)合動(dòng)作，可以獲得較高的工作效率。頂升機(jī)構(gòu)用于塔身接高或降塔。起升機(jī)構(gòu)采用多速電機(jī)，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(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)、變幅靈活可靠，起吊就位準(zhǔn)確，可滿足建筑施工中垂直及水平運(yùn)輸?shù)男枰?。該機(jī)設(shè)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(zhuǎn)限制器等安全保護(hù)裝置齊全，靈敏可靠，確保塔機(jī)正常工作。另外，還設(shè)有休息平臺(tái)、護(hù)欄等安全保護(hù)設(shè)施。司機(jī)室獨(dú)立側(cè)置，造型美觀，視野開闊，內(nèi)部空間大，操作方便。該機(jī)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(chǎng)的裝卸。
二、本課題的目的（重點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)）
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)機(jī)械專業(yè)學(xué)生在畢業(yè)前的一次全面訓(xùn)練，目的在于鞏固和擴(kuò)大學(xué)生在校所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決問(wèn)題的能力。是培養(yǎng)、鍛煉學(xué)生獨(dú)立工作能力和創(chuàng)新精神的最佳手段。畢業(yè)設(shè)計(jì)要求每個(gè)學(xué)生在工作過(guò)程中，要獨(dú)立思考，刻苦鉆研，有所創(chuàng)新、解決相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握塔式起重機(jī)的總體設(shè)計(jì)、塔身的設(shè)計(jì)、整體穩(wěn)定性計(jì)算等內(nèi)容，為今后步入社會(huì)、走上工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。
隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guān)鍵。塔式起重機(jī)尤其是大噸位的塔機(jī)，其施工高度高，塔身成本占總成本的比重較大，通過(guò)塔身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低塔身重量是降低塔式起重機(jī)成本的關(guān)鍵之一。
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行校核，這樣設(shè)計(jì)的塔身, 結(jié)構(gòu)自重偏大，材料的利用率低， 成本高，經(jīng)濟(jì)效益不好。
塔機(jī)結(jié)構(gòu)現(xiàn)正經(jīng)歷從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)到現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的過(guò)程。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜、耗時(shí)，不利于在激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元法等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法受到塔機(jī)科技人員越來(lái)越廣泛的重視。
塔身是塔式起重機(jī)的重要組成部分,利用有限元軟件ANSYS對(duì)QTZ40塔式起重機(jī)塔身進(jìn)行工作及非工作狀態(tài)分析計(jì)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(dāng)量應(yīng)力分布云圖；根據(jù)分析結(jié)果對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析法設(shè)計(jì)，有效控制了可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)，增強(qiáng)了設(shè)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(shè)計(jì)任務(wù)：
①總體參數(shù)的選擇（QTZ40級(jí)別） ②結(jié)構(gòu)形式
（2） 總體設(shè)計(jì)
①主要技術(shù)參數(shù)性能 ②設(shè)計(jì)原則 ③平衡重的計(jì)算 ④塔機(jī)的風(fēng)力計(jì)算 ⑤整機(jī)傾翻穩(wěn)定性的計(jì)算
（3） 塔身的設(shè)計(jì)和計(jì)算
①塔身的結(jié)構(gòu)形式及尺寸 ②塔身的設(shè)計(jì)和有限元分析及計(jì)算
(六) 研究方法
①類比法：參考國(guó)內(nèi)同類型塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)；
②有限元分析法：利用有限元分析軟件對(duì)塔身進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
(七) 研究思路
在畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí),當(dāng)我們收到設(shè)計(jì)任務(wù)書時(shí)首先對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行細(xì)致的調(diào)查, 收集國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料并通過(guò)對(duì)資料的調(diào)研、加工與整理了解國(guó)內(nèi)外的使用、生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和科研情況，并進(jìn)行分析比較，制定設(shè)計(jì)原則。設(shè)計(jì)原則應(yīng)當(dāng)保證所設(shè)計(jì)的機(jī)型符合有關(guān)的方針政策。
在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作中，通過(guò)掌握正確的設(shè)計(jì)思想，綜合運(yùn)用多學(xué)科的理論、知識(shí)與技能在認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)下分析并解決設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題。先通過(guò)整體參數(shù)的計(jì)算來(lái)確定塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)了解不同塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的差別。再逐步確定各個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)及具體尺寸，也應(yīng)參考同類機(jī)型的設(shè)計(jì)，來(lái)確定本次塔式起重機(jī)整體設(shè)計(jì)的最終結(jié)構(gòu)及尺寸，最后運(yùn)用有限元分析法對(duì)塔式起重機(jī)的塔身進(jìn)行計(jì)算和分析。
四、總體安排和進(jìn)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(shè)計(jì)
2013.4.14-2013.4.20 繪制總圖
2013.4.21-2013.5.15 塔身設(shè)計(jì)
2013.5.16-2013.6.5 繪制塔身裝配及結(jié)構(gòu)圖紙
2013.6.6-2013.6.19 繪制零件圖紙
2013.6.20-2013.6.21 準(zhǔn)備論文及答辯
五、主要參考文獻(xiàn)
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指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
指導(dǎo)教師簽名： 日期：
教研室意見(jiàn)：
教研室主任簽名： 日期：
系意見(jiàn)：
系領(lǐng)導(dǎo)簽名： 日期：
系蓋章
課題來(lái)源：導(dǎo)師課題、社會(huì)實(shí)踐、自選、其他
課題類別：工程設(shè)計(jì)、施工技術(shù)、新品開發(fā)、軟件開發(fā)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)論文。