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摘要
本次設計在參照同類塔式起重機基礎上，對QTZ40型塔式起重機進行總體設計及吊臂的設計。在吊臂設計工程中，采用了有限元法對其進行分析計算，采用了ANSYS10.0軟件進行分析。
按照整機主要性能參數，確定各機構類型及鋼結構型式，主要確定了吊臂的結構參數，并按照吊臂端部加載、跨中加載及根部加載三種工況分析。通過對吊臂作適當的簡化，應用ANSYS10.0軟件建立吊臂有限元模型，施加各工況載荷，進行求解，進而可得各工況下各節(jié)點受力情況及各單元所受軸向力、軸向應力大小及各工況下吊臂的變形撓度大小，并能演示吊臂加載過程的動畫，清晰的展現了各工況下吊臂的受力性能。
通過修改模型參數，對不同模型進行分析比較。由比較不同模型在相同工況下的受力狀況及剛度狀況，綜合分析強度和剛度條件，可得出受力最為合理的一組模型參數，通過對此組參數下模型進行強度及剛度校核，進而獲得吊臂的最終參數結果。
關鍵詞：QTZ40型塔式起重機 吊臂 有限元分析 ANSYS10.0
河北建筑工程學院
畢業(yè)設計（論文）任務書
課題
名稱
QTZ40塔式起重機臂架優(yōu)化設計
系： 機械工程系
專業(yè)： 機械設計制造及其制動化
班級： 機091
姓名： 白冰
學號： 2009307103
起迄日期： 2013年3月25日~ 2013年 6月21日
設計（論文）地點: 綜405
指導教師： 李常勝
輔導教師：
發(fā)任務書日期： 2013年3月 5 日
1、畢業(yè)設計（論文）目的：
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、吊臂的設計、整體穩(wěn)定性計算等內容，為今后步入社會、走上工作崗位打下良好的基礎。
2、畢業(yè)設計（論文）任務內容和要求（包括原始數據、技術要求、工作要求等）：
（1） 設計任務：
① 總體參數的選擇（QTZ40級別）
② 結構形式
（2） 總體設計
① 主要技術參數性能
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） 吊臂的設計和計算
① 吊臂的形式及尺寸（變截面）（雙吊點）
② 吊臂的強度、穩(wěn)定性及剛度驗算
（4） 設計要求
① 主要任務：學生應在指導教師指導下獨立完成一項給定的設計任務，編寫符合要求的設計說明書，并正確繪制機械與電氣工程圖紙，獨立撰寫一分畢業(yè)論文，并繪制有關圖表。
② 知識要求：學生在畢業(yè)設計工作中，應綜合運用多學科的理論、知識與技能，分析與解決工程問題。通過學習、鉆研與實踐，深化理論認識、擴展知識領域、延伸專業(yè)技能。
③ 能力培養(yǎng)要求：學生應學會依據技術課題任務，完成資料的調研、收集、加工與整理，正確使用工具書；培養(yǎng)學生掌握有關工程設計的程序、方法與技術規(guī)范，提高工程設計計算、圖紙繪制、編寫技術文件的能力；培養(yǎng)學生掌握實驗、測試等科學研究的基本方法；鍛煉學生分析與解決工程實際問題的能力。
④ 綜合素質要求：通過畢業(yè)設計，學生應掌握正確的設計思想；培養(yǎng)學生嚴肅認真的科學態(tài)度和嚴謹求實的工作作風；在工程設計中，應能樹立正確的生產觀、經濟觀與全局觀。
⑤ 設計成果要求：
凡給定的設計內容，包括說明書、計算書、圖紙等必須完整，不得有未完的部分，不應出現缺頁、少圖紙現象。
1） 對設計的全部內容，包括設計計算、機械構造、工作原理、整機布置等，均有清晰的了解。對設計過程、計算步驟有明確的概念，能用圖紙完整的表達機械結構與工藝要求，有比較熟練的認識圖紙能力。對運輸、安裝、使用等也有一定了解。
2） 說明書、計算書內容要精練，表述要清楚，取材合理，取值合適，設計計算步驟正確，數學計算準確，各項說明要有依據，插圖、表格及字跡均應工整、清楚、不得隨意涂改。制圖要符合機械機械制圖標準，且清潔整齊。
3） 對國內外塔式起重機情況有一般的了解，對各種塔式起重機有一定的分析、比較能力。
其他各項應符合本資料有關部分提出的要求。
3、畢業(yè)設計（論文）成果要求（包括圖表、實物等硬件要求）：
① 計算說明書一份
內容包括：設計任務要求的選型、設計計算內容、畢業(yè)實習報告等。作到內容完整，論證充分（包括經濟性論證），字跡清楚，插圖和表格正規(guī)（分別進行統一編號）、批準，字數要求不少于2萬字；撰寫中英文摘要；提倡學生應用計算機進行設計、計算與繪圖。
② 圖紙一套
不少于四張零號圖紙量。
4、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/5144—94 塔式起重機安全規(guī)程．
[10] JG/T1 5037—93 塔式起重機分類．
[11] 孫在魯. 塔式起重機應用技術. 北京：中國建材工業(yè)出版社. 2003.
[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] 建設部北京建筑機械綜合研究所中國標準出版社第三編輯室．北京：中國標準出版社.1998．
[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] 范俊祥．塔式起重機．北京：中國建材工業(yè)出版社．2004．
[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．
5、本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內 容
2013.3.25-2013.3.28
2013.3.29-2013.4.13
2013.4.14-2013.4.20
2013.4.21-2013.5.15
2013.5.16-2013.6.5
2013.6.6-2013.6.19
2013.6.20-2013.6.21
熟悉整理資料
方案選擇及總體設計
繪制總圖
臂架設計
繪制臂架裝配及結構圖紙
繪制零件圖紙
準備論文及答辯
教研室審查意見：
教研室主任簽字：
年 月 日
系審查意見：
系主任簽字：
年 月 日
河北建筑工程學院
畢業(yè)實習報告
系 別 機械工程系
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
班 級 機091班
姓 名 白冰
學 號 2009307103
指導教師 李常勝
實習成績
畢業(yè)實習報告
時間過得真快，轉眼大學四年就要過去了，我們大多數人對機械專業(yè)還是不夠了解,然而畢業(yè)設計是我們加深對專業(yè)知識了解的一個很好的渠道。我們懂得的只是一些課本上所學的理論知識，為了讓我們更直接、更深入的了解我們設計的塔式起重機，李老師特地安排我們去了吉林長春的起重機械展銷會進行參觀學習。實習是讓我們把理論與實際結合的最好的方法。這次實習，我們去的是長春國際會展中心。
1.實習目的
畢業(yè)實習是畢業(yè)設計最為關鍵的環(huán)節(jié)之一，是我們理論聯系實際、擴大知識面的一個過程，可以通過實地參觀對塔式起重機設計有一個感性認識，了解機器的實際結構，綜合運用所學理論知識和方法為完成畢業(yè)設計打下了堅實的基礎；同時實習又是鍛煉和培養(yǎng)學生能力及素質的重要渠道，培養(yǎng)我們具有吃苦耐勞的精神，也是我們接觸社會、了解產業(yè)狀況、了解國情的一個重要途徑，逐步實現由學生到社會的轉變，培養(yǎng)我們工作的能力、了解企業(yè)管理的基本方法和技能。培養(yǎng)面對現實問題的正確態(tài)度和獨立地分析解決問題的基本能力；通過實習，認識社會的需要，發(fā)現自身差距，培養(yǎng)銳意創(chuàng)新進取的精神；培養(yǎng)良好的職業(yè)精神，適應畢業(yè)后實際工作的要求。
我此次畢業(yè)設計的題目是：QTZ40塔式起重機臂架優(yōu)化設計。通過畢業(yè)實習，結合畢業(yè)設計深入會展中心的實地參觀與調查，在這個基礎上把所學的專業(yè)理論知識與實踐緊密結合起來，提高實際工作能力與分析能力，以達到學以致用的目的。
2.實習內容
本次畢業(yè)實習，我們跟著李老師從河北省的張家口乘坐火車來到了位于吉林省的長春市。參加在長春國際會展中心舉辦的建筑機械的展銷會。初步了解塔式起重機的整體結構。讓我們能將書本上學到的知識和實際相結合。
3月21號我們在長春市遼寧站輕軌站集合，經過將近一小時車程，我們來到了實習地點——長春國際會展中心。
這是我第一次正式地參觀塔式起重機，看著這些塔機的每一個機構，我對塔機有了初步的認識。李老師給我們介紹了塔機的整體情況和各個機構的特點。
塔式起重機是現代工業(yè)與民用建筑的主要施工機械之一。高層建筑施工中，它的幅度利用率比其他類型起重機高，其幅度利用率可達全幅度的80%。我們這次設計的QTZ40自升式塔式起重機是為滿足高層建筑施工、設備安裝而設計的新型起重運輸機械，性能先進，結構合理，操作使用安全可靠。其主要特點是起升高度大，工作幅度大。塔機上部能借助于液壓頂升機構，根據施工的建筑物的增高而相應的升高，使司機操作方便，視野寬闊并始終保持高清晰。QTZ40塔式起重機有多種形式，設計正在不斷的完善中。此次設計的形式為固定上回轉液壓頂升自動加節(jié)，最大起升高度可達100米（附著狀態(tài)）。隨著更高層建筑的出現，塔式起重機必然朝著更完美的方向發(fā)展。
塔式起重機由金屬結構、工作機構和電氣系統三部分組成。金屬結構包括塔身、動臂和底座等。工作機構有起升、變幅、回轉和頂升四部分。電氣系統包括電動機、控制器、配電柜、連接線路、信號及照明裝置等。 塔式起重機的起升和變幅機構均由電動機、聯軸器、制動器、減速器和卷筒等部件組成。為提高塔機的生產效率，加快吊裝的施工進度，各工作機構均應具備較高的工作速度，并要求啟動和制動過程中都能平緩進行，避免產生急劇沖擊，對金屬結構產生破壞性影響。另外，工作機構與金屬結構之間的關系協調，互不相碰。
起升機構：起升機構是起重機機械的主要機構，用以實現重物的升降運動。起升機構通常由原動機、減速器、卷筒、制動器、鋼絲繩、滑輪組和吊鉤組成。
回轉機構:塔機是靠起重臂回轉來保障其工作覆蓋面的?；剞D運動的產生是通過上、下回轉支座分別裝在回轉支承的內外圈上并由回轉機構驅動小齒輪。小齒輪與回轉支承的大齒圈嚙合，帶動回轉上支座相對于下支座運動。我們設計的QTZ40塔式起重機的回轉機構設成單回轉式，通常由回轉電動機、液力耦合器、回轉制動器、回轉減速器和小齒輪組成。
變幅機構:變幅機構是實現改變幅度的工作機構，用來擴大起重機的工作范圍，提高起重機的生產率。變幅機構由電動機、減速器、卷筒和制動器組成。功率和外形尺寸較小。變幅機構按其構造和不同的變幅方式分為運行小車式和吊臂俯仰式。
塔機都設有安全保護裝置，包括：起升高度限制器、起重量限制器、力矩限制器。
此次我設計吊臂，所以主要了解了吊臂。塔式起重機起重臂簡稱臂架或吊臂，按構造形式可分為：小車變幅水平臂架；俯仰變幅臂架，簡稱動臂；伸縮式小車變幅臂架；折曲式臂架。本次設計采用小車變幅水平臂架，小車變幅水平臂架又概分為三種不同形式：單吊點小車變幅臂架、雙吊點小車變幅臂架和起重機與平衡臂架連成一體的錘頭式小車變幅臂架。單吊點小車變幅臂架是靜定結構，而雙吊點小車變幅臂架則是超靜定結構。雙吊點小車變幅臂架結構自重輕，據分析與同等起重性能的單吊點小車變幅臂架相比，自重均可減輕5%-10%。小車變幅臂架拉索吊點可以設在下弦處，也可設在上弦處，現今通用小車變幅臂架多是上弦吊點，正三角形截面臂架。這種臂架的下弦桿上平面均用作小車運行軌道。塔機臂架的截面形式有三種：正三角形截面、倒三角形截面和矩型截面。小車變幅水平臂架大都采用正三角形截面。小車臂架常用的標準節(jié)長度有6、7、8、10、12m五種，為便于組合成若干不同長度的臂架，除標準節(jié)之外，一般都配有1-2個3-5m長的延長節(jié)，吊臂長50米，采用標準節(jié)長度6米，配有1個2米長的延長節(jié)。
這次設計的QTZ40型塔式起重機是一種采用水平臂架，小車變輻，上回轉的自升塔式起重機，該塔機采用液壓頂升，起升機構采用變頻調速技術，可獲得理想的起升速度及荷重慢就位；回轉機構、牽引機構采用變頻器控制變頻電機帶動行星減速器傳動，實現無級調速。
李老師為我們詳細地講解以后，我對自己的設計又有了更加直觀深入的了解。
3. 實習結果
通過這次參觀實習，我們受益頗多。以下是我在實習參觀時所得出的的一些體會：
1.了解了QTZ40塔式起重機的總體結構，重點對吊臂的結構有了全面的了解；
2.知道了塔機用頂升機構進行頂升時，利用液壓缸的作用把上面的所有機構頂起，然后加入標準節(jié)。
3.明白了塔機的起升機構和變幅機構是用不同的鋼絲繩分開控制的；
4.認真的觀察了塔身結構的金屬桁架結構空間布置形式，仔細琢磨水平腹桿，立柱，斜腹桿三者之間的鉸接點布置。事實證明，這樣的實物觀察對我以后的有限元模型建立過程中的節(jié)點布置問題是有很大作用的。
4.實習總結
這次畢業(yè)實習進一步鞏固和深化了我們所學的理論知識，彌補了以前理論教學的不足，擴大了我的視野。通過這次畢業(yè)實習使我對所學理論得到了進一步理解、鞏固和深化，培養(yǎng)了我收集資料的能力及提高分析問題和解決問題的能力，也給我的設計帶來了許多靈感。要想搞好設計，就要耐心仔細地查找與設計相關的資料和信息，它要包括設計產品的基本功能、主要結構、應用特點及其發(fā)展前途，市場效益等。此次去天力塔吊租賃公司，使我對塔式起重機有了一個比較感性和直觀的認識。以前也看到一些塔式起重機，但是沒有認真觀察過。對于塔式起重機的印象基本上只停留在課本上的幾個簡單的圖片上。通過本次實習，我對塔式起重機有了一個相對全面的基本認識，培養(yǎng)和鍛煉了我的綜合運用課本所學的基礎理論、基本技能和專業(yè)知識，為接下來的畢業(yè)設計打下一個良好的基礎，也為我畢業(yè)后走上工作崗位打下一定的基礎。總之，在此，感謝老師們給我們帶來這次難得的實習機會，使我學到了很多課本以外的知識，同時也提高了自己的能力，積累 了一些寶貴的經驗,受益匪淺,我在以后的工作中一定會認真努力，格要求自己，飽滿的熱情做好自己的本職工作。
河 北 建 筑 工 程 學 院
本科畢業(yè)設計（論文）
題 目
QTZ40塔式起重機臂架優(yōu)化設計
學 科 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
班 級 機091班
姓 名 白冰
指 導 教 師 李常勝
輔 導 教 師
河北建筑工程學院
畢業(yè)設計（論文）開題報告
課題
名稱
QTZ40塔式起重機臂架優(yōu)化設計
系 別： 機械工程系
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 機091班
學生姓名： 白冰
學 號： 2009307103
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(簡稱塔機)是現代工業(yè)與民用建筑的重要施工機械之一。在高層建筑施工中，它的幅度利用度比其他類型起重機高。塔機由于能靠近建筑物，其幅度利用率可達整體幅度的80％。塔式起重機的變幅及回轉機構是可以同時實現重物在垂直方向和水平方向移動的機構，所以可以擴大起重機的工作范圍，提高生產率。應用塔機對于加快施工速度、縮短工期、降低工程造價能夠起到重要作用。塔式起重機已經成為建筑工程業(yè)必要的技術裝備，成為衡量建筑工程業(yè)生產力水平高下的重要標志之一，成為加快工程建設、確保工程整體質量、降低工程造價、提高社會效益與經濟效益的重要手段。
（二）我國塔式起重機的發(fā)展現狀
塔式起重機在我國的生產與應用已經有50余年的歷史，經歷了以個從測繪仿制到自行設計制造的過程，特別是進入20世紀90年代以后，我國塔式起重機行業(yè)隨著全國范圍建筑任務的增加而進入了一個興盛時期，年產量連年猛增，而且有部分產品出口到國外。
塔機分為上回轉塔機和下回轉塔機兩大類。其中前者的承載力要高于后者，在許多的施工現場我們所見到的就是上回轉式上頂升加節(jié)接高的塔機。按能否移動又分為：走行式和固定式。固定式塔機塔身固定不轉，安裝在整塊混凝土基礎上，或裝設在條形式X形混凝土基礎上。在房屋的施工中一般采用的是固定式的。
現在我國的建筑用塔式起重機已越來越普遍，從普通的多層民用建筑、房地產工程、高層建筑到大型的鐵路工程、橋梁工程、電力工程、水利工程等，到處都有塔機的應用。近20年來，市場的需求，有力的促進了技術的進步，通過研究開發(fā)、技術創(chuàng)新、引進消化，我們的設計手段和配套件生產能力也有了很大的進步，計算機輔助設計、微電子技術、程控語言控制技術都在塔機上得到了應用。當然也不可否認，我國的塔機產品的技術性能、制作質量和品種型號規(guī)格，與發(fā)達國家產品相比，仍然存在較大的差距，特別是基礎零部件的可靠性、電氣元件、液壓元件、工藝安裝、生產設備和檢測手段等，差距更大。這就影響了我們整機產品的質量和可靠性，增加了事故隱患。對此我們絕不可以掉以輕心，要加倍努力、敢于創(chuàng)新、嚴格把關、趕超國際水平。
(三)我國塔式起重機的發(fā)展趨勢
我國大規(guī)模經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。在未來我國要全面進行城鎮(zhèn)化，塔式起重機會在我國得到很廣泛的應用。因此塔式起重機的發(fā)展對國家的建設有至關重要的作用。建設我國的塔式起重機發(fā)展趨勢可以分以下幾個方面：
1、吊臂長度加長
在六十年代初，吊臂長度超過40m的較少，七十年代吊臂長度已能做到70m，快速拆裝下回轉塔式起重機的吊臂長度可達35m。自升式塔式起重機吊臂是可以接長的，標準臂長一般為30—45m，可以接長到50—60m。重型塔式起重機吊臂則更長。吊臂加長可帶來更好的技術經濟效果。隨著塔式起重機設計水平的提高，能解決由臂長加大帶來的一些技術問題(如安裝和運輸問題)。低合金高強度鋼材及鋁合金的廣泛采用亦為加長吊臂提供了非常有利的條件。
2、工作速度提高，且能調速
由于調速技術的進步，滑輪組倍率可變，雙速、三速電動機及直流電動機調速的應
用，使塔式起重機工作速度在逐漸提高。起升機構普遍做到至少具有3種工作速度，重
物起升速度超過100m／min者也很多。構件安裝就位速度可在0---10m／min范圍內進行
選擇?；剞D速度一般可在0---1r／min之間進行調節(jié)。小車牽引和塔式起重機行走大多也有2-3種工作速度，小車牽引速度最快可達60m／min。
3、改善操縱條件
隨著塔式起重機向大型、大高度方向發(fā)展，操縱人員的能見度愈來愈差。因此需要
在吊臂端部(動臂變幅)或小車上(小車變幅)安裝電視攝象機，在操作室利用電視進行操作。有的還采用了雙頻道的無線電遙控系統，不但可由地面的操作人員控制吊裝；還可根據事先編排的程序自動進行吊裝。
4、更多地采用組裝式結構
為了便于產品的更新換代，簡化設計制造、使用與管理，提高塔式起重機使用的經濟效益，國外塔式起重機專業(yè)廠已做到產品系列化，部件模數化。以不同模數塔身，臂架標準節(jié)組合成變截面塔身和臂架，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，為降低成本，簡化管理創(chuàng)造了條件。
（四)國外塔式起重機的發(fā)展現狀以及趨勢
1、組合塔機或稱模塊塔機：所謂組合塔機，就是以塔身結構為核心，按結構和功能特點，將塔機分解為若干部分，并依據系列化和通用化要求，遵循模數制原理將各部分劃分并設計成若干模塊。根據參數要求，選用適當模塊分別組成具有不同技術性能特點的塔機，以滿足施工的具體要求。
2、一些超重型塔機相繼問世：近年來由于大功率電站、高壩、近海石油鉆井平臺、天然氣鉆井平臺以及石油化工業(yè)發(fā)展的需要，對重型和超重型塔機提出了更多更高的要求。如今，幅度70～90m、最大起重量50～60t、起升高度100～300m的塔機已非罕見。
3；適應都市改建需要的城市塔機應運而生，并得到發(fā)展，其特點是：采用短平衡臂、可在4m×4m～6m×6m尺寸范圍內進行X形底架、運輸方便快捷、安裝架設速度快、采用較完善的調速、操縱系統和電子儀表。
近年來，隨著塔式起重機技術的發(fā)展，塔式起重機型號規(guī)格不斷完善，性能、質量不斷提高，塔式起重機除滿足其安全、可靠、高效的基本性能外，越來越趨向于智能和綠色。下面著重介紹最新的幾點技術發(fā)展趨勢。
（1）設計方法精確化。
計算機技術的深化發(fā)展，改變了塔式起重機的設計理念。有限元技術、疲勞分析、動力學仿真分析的廣泛應用，使塔式起重機的設計計算、受力分析更精確，塔式起重機零部件結構設計更加合理；一些實力強大塔式起重機制造商，都有自己超強的設計能力，他們利用優(yōu)勢，開發(fā)塔式起重機參數化設計專用軟件，使塔式起重機設計進一步的向最優(yōu)化方向推進，有效地提高塔式起重機產品的安全性、可靠性、節(jié)能效果，同時大大縮短產品的開發(fā)周期，提升競爭能力。
（2）零部件模塊化。
模塊化的設計可能增加少量的制造成本，但其不僅可以提高產量和質量，還可以降低管理成本，也相應地降低了用戶的購置成本。如A機型和B機型有許多的結構件（如標準節(jié)和起重臂節(jié)、平衡臂節(jié)）是通用的，那么用戶就可以少購買通用的結構件，交錯使用這些可能閑置的通用件，從而減少購置成本。因此，模塊化設計是塔式起重機發(fā)展的必然趨勢，國際上許多的塔式起重機制造商如Liebherr、Potain、Terex、Wolffkran等都是模塊化設計的典范。
（3）控制智能化。
隨著數字化、集成化、智能化技術的高速發(fā)展，高可靠、低能耗、微型化、集成化、
數字化的各種液壓、機電及電氣元件在塔式起重機上得到普遍應用，使傳動和控制系統體積小、重量輕、結構緊湊。在控制手段上，無級調速、安全監(jiān)控系統、遠程維護系統、故障自動診斷系統等廣泛應用，實現了塔式起重機操作過程的自動控制、自動顯示與記錄、遠距離遙控等，保證了塔式起重機的安全使用和實時監(jiān)控，減少了控制的故障點，提高了塔式起重機的可靠性，大幅提升了塔式起重機行業(yè)的管理水平。
（4）制造綠色化。
國外塔式起重機在設計時就充分考慮零部件的通用性、模塊化，因此零部件集約化程度高，適合批量化生產。批量化零部件從原材料前處理、下料、焊接、機加、裝配、到涂裝都采用生產流水線，這樣既提高了材料的利用率、零部件通用性、產品質量和美觀，又便于管理、減少污染、節(jié)約成本。Liebherr、 Zoomlion、 Potain等公司都有成熟的生產流水線。如，Zoomlion現已擁有了標準節(jié)生產線、涂裝流水線，其他流水線在陸續(xù)建設中。
（5）在產品開發(fā)中落實實驗驗證。
實驗是新產品驗證最直接的方法，是提高產品可靠性和安全性最主要的檢驗手段。產品的可靠性和安全性主要是由零部件決定的，是零部件安全性和可靠性的綜合體現。零部件的可靠性和安全性高，產品的可靠性和安全性自然就高。因此，大型塔式起重機制造廠商，投入大量的財力物力，建設自己的實驗場，如Potain的結構和機構實驗場在上世紀80年代就已經基本建成，共占地17萬m2，擁有各種實驗臺架百余種，產品需經過真實而嚴酷的工況驗證合格才能出廠。Zoomlion目前正在建設自己的塔式起重機專用實驗基地。
（五) QTZ40型塔式起重機的簡單介紹及其市場前景
QTZ40塔吊又叫QTZ40塔式起重機，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。
該機屬于快裝塔機和城市塔機，用于中小城市公用建筑、學校建筑和多層住宅的施
工建設。以基本高度（獨立式）36米。如果用戶需要高層附著施工，只需提出另行訂貨需求，即可增加某些部件實現本機的最大設計高度100m，也就是附著高層施工，可建32層以內的高樓。
近年來，隨著建設工程量的不斷擴大，起重安裝工程量也越來越大，尤其是現代化大型石油、化工、冶煉、電站及高層建筑的安裝作業(yè)逐年增加，因此，對工程起重機特
別是大規(guī)模的起重機需求日益增加，隨著當代科學技術的發(fā)展，各種新技術、新材料、新工藝、新結構在工程起重機上得到廣泛的應用，所有這些因素都有力的促進了工程起重機的發(fā)展。目前中小城市居民樓建設主要以10層以內的為多，而我們的產品QTZ500型塔式起重機主要針對城市12層以內高樓的建設以及設備安裝工作，適合當前市場的需要，因此設計生產這一型號的塔式起重機是可行的。
ANSYS介紹
“有限元”這個詞語于1965年首次被提出，經過大約40多年的不斷發(fā)展和完善，到今天已經廣泛應用于各種不同的工程之中，理論也已經相當成熟。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。
ANSYS作為一個大型通用軟件，廣泛應用于結構、流體、聲場、熱、耦合場、電磁場上面，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。針對現實情況，ANSYS提供了APDL參數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、本課題的目的（重點及擬解決的關鍵問題）
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我們在校所學的基礎知識和專業(yè)知識，訓練我們綜合運用所學知識分析和解決問題的能力。是培養(yǎng)、鍛煉我們獨立工作能力和創(chuàng)新精神之最佳手段。畢業(yè)設計要求我們在設計過程中，要獨立思考，刻苦鉆研，有所創(chuàng)新，解決相關技術問題。
塔機臂架作為塔機的工作裝置,在塔機產品的設計內容中處于核心地位, 采用有限元分析的方法進行塔機臂架的設計計算將會極大地提高設計效率、保證其設計質量。我們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)現設計缺陷,從而有效地縮短研發(fā)周期,降低生產成本,使產品的結構和性能更加合理
通過畢業(yè)設計，使我們掌握塔式起重機的總體設計，吊臂的設計，整體穩(wěn)定性計算，有限元分析等內容，為今后步入社會、走上工作崗位打下良好的基礎。通過此次設計使我們獲得基本塔機結構設計，理論聯系實際，擴大知識面；同時也是鍛煉和培養(yǎng)自身能力及素質的重要渠道，也是我們逐步實現由學生到社會的轉變，培養(yǎng)我們初步擔任技術工作的能力、初步了解企業(yè)管理的基本方法和技能，體驗企業(yè)工作的內容和方法。
三、主要內容、研究方法、研究思路
(一)主要內容
（1） 設計任務：
① 總體參數的選擇（QTZ40級別）
② 結構形式
（2） 總體設計
① 主要技術參數性能
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） 吊臂的設計和計算
① 吊臂的形式及尺寸（變截面）（雙吊點）
② 吊臂的強度、穩(wěn)定性及剛度驗算
(二)研究方法
① 類比法：參考國內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臂架進行優(yōu)化設計。
(三) 研究思路
塔式起重機的機構是有起升機構、回轉機構、小車變幅機構、行走機構四大傳動機
構組成，另外還要重點注意該機的金屬結構，塔機的金屬結構又分為塔身、臂架、平衡臂、塔頂、以及頂升套架。我們應該不僅設計好塔機的機構，更重要的也要設計好塔機的金屬結構，所以我們這次設計分塊分工完成。
我負責設計的部分是塔式起重機金屬結構中臂架的優(yōu)化設計，臂架是由若干個臂架標準節(jié)組成的，所以我以臂架標準節(jié)節(jié)為單位進行參數化設計，提出參數化模型，并利用三維制圖軟件制成三維圖，并利用有限元分析軟件對塔式起重機進行動力學和靜力學分析，以對結果進一步優(yōu)化設計。
四、總體安排和進度（包括階段性工作內容及完成日期）
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 臂架設計
2013.5.16-2013.6.5 繪制臂架裝配及結構圖紙
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] 成大先．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
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[15] 建設部北京建筑機械綜合研究所中國標準出版社第三編輯室．北京：中國標準出版不 社.1998．
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[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] 范俊祥．塔式起重機．北京：中國建材工業(yè)出版社．2004．
[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．
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。
設計題目： （宋體，三號）
姓 名：
班級學號：
指導教師：
設計題目： （宋體，三號）
姓 名：
班級學號：
指導教師：
目 錄
第1章 前言··········································································1
1.1 概述················································································1
1.2 發(fā)展趨勢··········································································1
第2章 總體設計····································································2
2.1 概述············································································2
2.2 確定總體設計方案····························································2
2.3 總體設計原則·································································29
2.4 平衡臂與平衡重的計算······················································30
2.5 起重特性曲線·································································32
2.6 塔機風力計算································································33
2.7 整機的抗傾覆穩(wěn)定性計算···················································43
2.8 固定基礎穩(wěn)定性計算························································49
第3章 吊臂的設計計算························································50
3.1 分析單吊點與雙吊點的優(yōu)缺點··············································50
3.2 吊臂吊點位置選擇···························································51
3.3 吊臂結構參數參數···························································52
3.4 有限元模型建立過程的幾點簡化···········································53
3.5 吊臂結構的有限元分析計算·················································54
3.6 計算結果分析································································69
3.7吊臂強度校核············································v···················76
3.8 吊臂穩(wěn)定性校核······························································76
畢業(yè)設計小結······································································87
致謝··················································································88
參考文獻············································································89
附：英文原文
英文翻譯
畢業(yè)實習報告