本科毕业设计机械专业

西安建筑科技大学

本科毕业设计（论文）

题 目 工程机械及构造设计

QTZ1250塔式起重机起重臂设计

学生姓名

学 号 院（系）

专 业

指导教师

时 间 王璞 0606040225 华清学院机械电子工程系 机械设计制造及其自动化 张晓钟 2010年 6 月 5 日

65

摘要

塔式起重机是一种塔身竖立、起重臂回转的起重机械，是现代化工与民用

建筑的主要施工机械之一，其幅度利用率很大。塔式起重机主要结构为塔身、臂架、转台、承座、平衡臂、底架、塔顶，他们构成塔式起重机的金属结构。它具有使用范围广，回转半径大，起升高度高，效率高，操作简便，安装和拆卸方便等特点，目前在我国建筑安装工程中使用非常普遍，尤其在高层建筑和普通民用建筑中，已经成为不可替代的建设机械

塔式起重机臂架的设计是一种钢结构的设计，臂架主要是由上弦杆、下弦

杆、腹杆和拉杆构成，设计时需要考虑到以上各部分的组成结构和具体尺寸、材料等。通过多次计算，最终确保臂架可以顺利完成工作，又节省材料,成本低廉。

关键词：臂架， 拉杆，斜腹杆， 上弦杆， 下弦杆

Abstract

Tower crane is a minus erect, gibbet gyration of the crane machine. It is the one

of the majority machinery in modern chemical industry and civil construction, and has a large utilization rate. Tower crane’s main structure include booms, cantilever, turntable, bearing, balance arms, undercarriage and tower top, they constitute the metal structure. It has many characteristic, such as wide use, large turning radius, hoisting height, high efficiency, easy operation, installation and removal convenient, etc. Currently it is very common in use in construction and installation project, especially in top buildings and normal civil building has become the irreplaceable construction machinery.

Tower crane booms design is a kind of steel structure design. Arms frame is

mainly composed of upper chord, lower chord, abdomen and draw bars. Design should consideration above all parts of the structure and size, material, etc. By repeatedly calculation can ensure that can be successfully completed wok booms and save material, low cost.

Keywords: arm, draw bars, oblique abdomen, upper chord, lower chord.

目录

1 绪论……………………………………………………………………………(7) 2 设计方案………………………………………………………………………(9)

2.1 臂架整体构思……………………………………………………………(9)

2.2 分节问题…………………………………………………………………(9)

2.3 断面型式 ………………………………………………………………(10)

2.4 腹杆布置 ………………………………………………………………(10)

2.5 拉杆选材及结构 ………………………………………………………(11)

2.6 拉杆构造 ………………………………………………………………(11)

2.7 减轻臂架自重的途径…………………………………………………（11）

2.8 最终方案………………………………………………………………（11） 3 主要结构参数设置 …………………………………………………………(12)

3.1 主要结构尺寸 …………………………………………………………(12)

3.1.1 标准节和臂架全长………………………………………………(12)

3.1.2 材料………………………………………………………………(12)

3.1.3 结构尺寸…………………………………………………………(12)

3.2 吊点位置的确定 ………………………………………………………(13)

3.2.1 选择参数计算……………………………………………………(13)

3.2.2 吊点调整…………………………………………………………(14) 4 计算校核 ……………………………………………………………………(16)

4.1 计算 ……………………………………………………………………(16)

4.1.1 截面几何特性 …………………………………………………(16)

4.1.2 垂直载荷产生的力 ……………………………………………(18)

4.2 自重产生的内力………………………………………………………(20)

4.3 动载荷端点处的力 ……………………………………………………(24)

4.4 动载荷在近吊点内产生的力…………………………………………(25)

4.5 其它偏心力矩……………………………………………………………(26)

4.6 水平载荷产生的内力………………………………………………(28)

4.6.1 臂架风载………………………………………………………（28）

4.6.2 重物振动侧向力………………………………………………（31）

4.6.3 重物回转力……………………………………………………（31）

4.6.4 臂架自重惯性力………………………………………………（31）

4.8 校核…………………………………………………………………………（40）

4.8.1 确定许用应力 ………………………………………………………（40）

4.8.2 对拉杆的校核 ………………………………………………………（41）

4.8.3 截面校核 ……………………………………………………………（42）

4.8.4 腹杆校核 ……………………………………………………………（44）

4.8.5 稳定性校核 …………………………………………………………（47） 5 附件设计……………………………………………………………………(51)

5.1 连接部分 ………………………………………………………………(51)

5.1.1 根部 ……………………………………………………………(51)

5.1.2 臂架节之间的连接 ……………………………………………(53)

5.1.3 上弦杆连接部 …………………………………………………(54)

5.2 滑轮选用 ……………………………………………………………(56)

5.3 说明 …………………………………………………………………(57)

5.3.1 拉杆长度 ………………………………………………………(57)

5.3.2 焊接问题 ………………………………………………………(57)

5.3.3 连接件自重 ……………………………………………………(60) 参考文献…………………………………………………………………………(62) 附录……………………………………………………………………………(63) 致谢………………………………………………………………………………(64)

绪论

塔式起重机是动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机。作业空间大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。由金属结构、工作机构和电气系统三部分组成。金属结构包括塔身、动臂和底座等。工作机构有起升、变幅、回转和行走四部分。电气系统包括电动机、控制器、配电柜、连接线路、信号及照明装置等。

塔式起重机源于西欧。据记载，第一项有关建筑用塔机专利颁发于1900年。1905年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，1923年制成了近代塔机的原型样机，同年出现第一台比较完整的近代塔机。1930年当时德国已开始批量生产塔机，并用于建筑施工。1941年，有关塔机的德国工业标准DIN8770公布。该标准规定以吊载(t)和幅度(m)的乘积(tm)一起以重力矩表示塔机的起重能力。

我国的塔机行业于20世纪50年代开始起步,相对于中西欧国家由于建筑业疲软造成的塔机业的不景气,我国的塔机业正处于一个迅速的发展时期。

从塔机的技术发展方面来看，虽然新的产品层出不穷，新产品在生产效能、操作简便、保养容易和运行可靠方面均有提高，但是塔机的技术并无根本性的改变。塔机的研究正向着组合式发展。所谓的组合式，就是以塔身结构为核心，按结构和功能特点，将塔身分解成若干部分，并依据系列化和通用化要求，遵循模数制原理再将各部分划分成若干模块。根据参数要求，选用适当模块分别组成具有不同技术性能特征的塔机，以满足施工的具体需求。推行组合式的塔机有助于加快塔机产吕开发进度，节省产品开发费用，并能更好的为客户服务。

塔机分为上回转塔机和下回转塔机两大类。其中前者的承载力要高于后者，在许多的施工现场我们所见到的就是上回转式上顶升加节接高的塔机。按能否移动又分为：走行式和固定式。固定式塔机塔身固定不转，安装在整块混凝土基础上，或装设在条形式X形混凝土基础上。在房屋的施工中一般采用的是固定式的。

塔式起重机的动臂形式分水平式和压杆式两种。动臂为水平式时，载重小车沿水平动臂运行变幅，变幅运动平衡，其动臂较长，但动臂自重较大。动臂为压杆式时，变幅机构曳引动臂仰俯变幅，变幅运动不如水平式平稳，但其自重较小。

塔式起重机的起重量随幅度而变化。起重量与幅度的乘积称为载荷力矩，是这种起重机的主要技术参数。通过回转机构和回转支承，塔式起重机的起升高度大，回转和行走的惯性质量大，故需要有良好的调速性能，特别起升机构要求能轻载快速、重载慢速、安装就位微动。一般除采用电

阻调速外，还常采用涡流制动器、调频、变极、可控硅和机电联合等方式调速。

起重臂构造型式为小车变幅水平臂架，再往下分又有单吊点、双吊点和起重臂与平衡臂连成一体的锤头式小车变幅水平臂架。单吊点是静定结构，双吊点是超静定结构。锤头式小车变幅水平臂架，装设于塔身顶部，状若锤头，塔身如锤柄，不设塔尖，故又叫平头式。平头式的使结构形式更简单，更有利于受力，减轻自重，简化构造等优点。小车变幅臂架大都采用正三角形的截面。

凡是上回转塔机均需设平衡重，其功能是支承平衡重，用以构成设计上所要求的作用方面与起重力矩方向相反的平衡力矩。除平衡重外，还常在其尾部装设起升机构。起升机构之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端，一则可发挥部分配重作用，二则增大绳卷筒与塔尖导轮间的距离，以利钢丝绳的排绕并避免发生乱绳现象。平衡重的用量与平衡臂的长度成反比关系，而平衡臂长度与起重臂长度之间又存在一定比例关系。平衡重的用量相当可观，轻型塔机一般至少要3～4t，重型的要近30t。平衡重可用铸铁或钢筋混凝土制成：前者加工费用高但迎风面积小;后者体积大迎风面大对稳定性不利，但简单经济，故一般均采用这种。通常的做法是将平衡重预制区分成2～3种规格，宽度、厚度一致，但高度加以调整，以便与不同长度臂架匹配使用。

变幅小车是水平臂架塔机必备的部件。整套变幅小车由车架结构、钢丝绳、滑轮、行轮、导向轮、钢丝绳承托轮、钢丝绳防脱辊、小车牵引绳张紧器及断绳保险器等组成。对于特长水平臂架(长度在50m以上)，在变幅小车一侧随挂一个检修吊篮，可载维修有员往各检修点进行维修和保养。作业完后，小车驶回臂架根部，使吊篮与变幅小车脱钩，固定在臂架结构上的专设支座处，其它的零部件还有滑轮，回转支承，吊钩和制动器等。 塔机的工作机构有五种：起升机构、变幅机构、小车牵引机构、回转机构和大车走行机构(行走式的塔机)。

50 年代初，我国由仿制塔机开始起步，1954年仿制东德建筑师Ⅰ型塔机；60 年代自行设计制造了25tm、40tm、60tm 几种机型，多以动臂式为主；70 年代，随着高层建筑的增多，对施工机械提出了新的要求，于是，160tm 附着式、45tm内爬式、120tm自升式等塔机相继问世；自上世纪80年代以来，我国塔机行业得到快速发展，尤其近几年，塔机销量持续攀高，2001年行业统计销量9738台，2002年成为世界上首个塔机年产量突破10000台的国家。2004年，由于宏观调控作用以及起重机行业的结构调整，塔机的产销量有所回落，2005、2006年，在经济高速增长的强力拉动下，我国塔机的产销恢复高速增长，2006年销量已超过2万台[1]。

2方案构思

塔式起重机多采用小车变幅水平臂架，小车变幅对工作幅度利用效率较高，结构轻便，安装就位平稳、准确方便，是本设计塔机的首选臂架型式。

2.1臂架整体构思

小车变幅水平臂架分为三种不同的形式：单掉点小车变幅水平臂架（图1），双掉点小车变幅水平臂架（图2）和与起重臂连成一体的锤头式小车变幅水平臂架（图3）。

单吊点小车变幅臂架属于静定结构，双吊点小车变幅臂架属于超静定结构，现今幅度在40米以下的小车臂架多采用单吊点，双吊点小车变幅臂架结构自重较轻，据分析与同等性能的单吊点小车臂架相比自重大约可以减轻5%-10%，锤头式臂架不是太常见。三种臂架的形式如下图

小车变幅臂架拉索可以设在上弦杆也可以设在下弦杆处，现今通用小车臂架多分为上弦吊点，正三角形截面臂架（顶点朝上一边水平接近等边三角形）这种臂架下弦上平面均做小车轨道，小车车轮对下弦杆扭矩作用可以忽略不计，起重臂自身可以平稳放置，便于拆卸运输。

本次毕业设计题目所选的臂架比较长，工作幅度为62米，与同等起重能力的塔式起重机相比工作幅度最长，综合以上考虑拟采用双掉点小车变幅水平臂架较为合适。

2.2分节问题

分节问题是设计臂架需要首先考虑的问题，小车臂架由若干标准节与非标准节组合而成，另外还需要一个首部节，一个尾部节和端头节，端头节配有小车止档缓冲装置，小车牵引绳换向滑轮、起升绳端头固定装置，端头节长度不计入臂架全长。

本次设计臂架工作幅度62米，除去塔身宽度各臂架连接处长度，预设剩余部分全长60米，由若干臂架标注节组成。

2.3断面型式

塔式起重机臂架有三种断面形式，正三角形（图a）、到三角形(图c)和矩形截面(图b)，小车变幅水平臂架大都采用正三角形截面，伸缩式小车变幅臂架可以采用三角形或矩形截面，俯仰变幅机构大都采用矩形截面，到三角形的臂架采用的不太多。

臂架截面尺寸与臂架承载能力，臂架构造、塔顶高及拉杆结构因素有关，截面高度主要受最大起重量和拉杆吊点外悬臂长度影响最大，截面宽度主要与臂架全长有关，臂架越长截面越宽，截面构造与腹杆布置和臂架自重有关，需要综合考虑。

2.4腹杆布置

三角形截面臂架可以采用人字形布置，也可以采用一顺斜置式，腹杆可以分为一顺式、交错对称式和密集布置式。如下

图

当臂架幅度大，下旋杆采用槽钢时，为了提高下旋杆水平面内抗失稳能力和加大承载能力可以采用密集布置式腹杆体系，一顺斜置方式腹杆布置均匀，焊缝不过于集中，而交错对称布置的腹杆体系部分节点焊缝过于集中，综合考虑臂架和腹杆的布置方式后决定本次设计采用交错腹杆布置

2.5杆件选材及结构

正三角形断面双吊点小车变幅水平臂架上吊点上弦杆采用16Mn实心圆杆，考虑到臂架较长，吊重量较大，臂架结构尺寸会很大，自重较大，为了减轻自重量，增大惯性矩以抗弯，上弦杆采用16Mn钢管，下弦杆采用16Mn不等边角钢焊接成，腹杆也为16Mn钢管。

16Mn是旧钢材牌号，新牌号为Q345钢，是低碳合金结构钢，是塔式起重机常用材料，也是钢材中强度较大焊接性能较好的钢材，可以减小臂架结构尺寸，减轻自重、减少部分外载荷，如风载荷。

2.6拉杆构造

小车变幅水平臂架既可以采用柔性拉杆，也可以采用刚性拉杆，拉杆由若干节6-9米长的标准节和若干1-5米的非标准节通过连接板及销轴连接成。圆钢拉杆最为常见，是刚性拉杆，刚性好，在受力较大时不宜采用柔性拉杆所以圆钢拉杆式首选材料

2.7减轻臂架自重的途径

增大塔尖高度，改善受力情况有利于减轻臂架自重，但是塔尖过高又不利于降低整机自重，而且对安装提出了更高的要求。注意吊钩和滑轮的设计，可以减轻自重，最主要的是选择合理的臂架结构尺寸，合理分布受力，经过多次选择计算使得臂架结构趋于最优。

2.8最终方案

初步方案是采用双吊点水平变幅臂架，断面为正三角形，腹杆密集布置，上弦杆为16Mn钢管，下弦杆由角钢焊接成方港组成，拉杆为刚性拉杆。

3主要结构参数设置

3.1主要结构尺寸

根据总体构思分析，已可以大致确定部分结构尺寸。同时参考同类塔式起重机QTZ80的结构参数，现初步定出如下尺寸。

3.1.1标准节和臂架全长

预设连接处l1=0.3 根部l2=0.6则得出 首部节L1=5+

l1l2

+=5.45m 22

l1

=10.3m 2

中间节L2~L6=10+2

尾部节L7=5+2

l1

=5+0.3=5.3m 2

全长L=L1L2L3L4L5L6L7=62.25m62m 取臂架全长62m端部节不计入臂架

3.1.2材料

16Mn——Q345

上弦杆 两根下弦杆 侧钢架腹杆 水平直腹杆 水平斜腹杆 拉杆

3.1.3结构尺寸

1上弦杆：空心圆钢管 Ø10220（壁厚20） 2下弦杆：两不等边角钢焊接。 型号

壁厚10. 理论截面积：17.172cm2

理论单位面积：13.471kg/m 3侧钢架腹杆.

空心圆钢管.Ø54×4. 4.水平直腹杆.

空心圆钢管. Ø54×4. 5水平斜腹杆.

空心圆钢管. Ø54×4. 6腹杆间距.

l1.25m.

3.2吊点位置的确定 3.2.1选择参数计算

1参数选择[2]



10.27

选取：20.52

30.23

图3-1 双吊点臂架计算简图

图3-2 长拉杆与吊臂接点C的位置

H0约为7.8——8m

为了改善拉杆的受力状况，塔顶高取较大值： H0=8m 2计算

l11L0.276216.74ml22L0.526232.24m l33L0.236214.26m

3.2.2吊点调整

腹杆间隔 ΔT=1.25m.

5.30.35m 尾部节 L7=5.3m除去连接 L7

5.00L7

4 T1.25

在第6节 L610.3m

10.30.310m L6

L106

8 T1.25

3L14.26m

吊点必须设在腹杆焊接节点处见图

C点需在节点处

0.3

L7n1.2514.26m. 当n=7时 20.3

L7n1.255.371.250.15 2

=14.2m14.26m

故C调整在第6节第一个节点处

3L14.2m

B点的调整

2L32.24m

L7L615.6m L510.3m L15.4m L210.3m

1L16.74m

L1L215.7m. L1L2n1.2516.74m

n1

L1L21.2516.95m1L16.74m

故B点确定在第3节第一个节点处。

l116.95m17m

l314.2m

确定l2

l262.0l1l3621714.230.8m

结论：最终将吊点B确定在第3节第1个节点处

l117m

C点在第6节第1个节点处

l314.2ml230.8m

4计算校核

4.1计算

4.1.1截面几何特性

以OO为基准线

断面为等腰三角形A1A2A3

1

A2A3与OO之间的距离为(111)6㎝

2

1. 求面积 1) 圆钢面积

11

A=D2d2 （4-1）

44

D=10.2㎝ d=6.2㎝

11

A1=(D2d2)(10.226.22)

44

=51.50cm2

52cm2

图4-1 三肢杆截面尺寸示意图

2) 两箱型截面面积

(r10)角钢理论截面S=17.172cm2 A2=4×17.172=68.688cm2

4段角钢焊接成两箱型截面钢，如将焊缝计算在内其实际截面积为76.688cm2。 2.截面几何特性参见图4-1 △截面y坐标型心[3]

y0=

y0

y1Ay2A2

A1A2

10651.5676.7.

（4-2）

51.5476.7=46.2㎝=462㎜

y1,y2为其形心到基准线OO之间的距离

IxA2y0mA1y0n （4-3）

2

2

1

IyA2c1c2

2

形心坐标y0=462㎜

y0m46260402mm40.2cm

y0nmny0m1000402598mm75.8cmIxA2y0mA1y0n76.740.251.559.8

2

2

2

2

2

=295188.0㎝4

1

IyA2c1c2

2

WX上

Ix

2

76.7602276120cm4

295188

4738.2cm3 （4-4）

57.25.1

y0n

WX下

Ix295188

6473.4cm3 （4-5） 45.646.5

Wy

Iy70

276120

4348.3cm3总面积 （4-6） 63.5

A1A251.49668.688120.184cm2 rx

Ix

49.6cm （4-7）

A1A2

2

100

cos2==0.71

118.4

c

osβ 见图4-2

4.1.2垂直载荷产生的力

1. 自重

上弦杆自重： 图4-2 三肢杆半截面尺寸

Ø102×20 图4-2 D=0.102m d=0.062m

A1=51.5cm2 全长用工作幅度代替 63m

12

D-d （4-9） 41

=7850×63×3.14×0.10220.0622

4

=2.55t 合为2.6t 下旋杆自重：

角钢理论重量[4] 13.471kg

共4根角钢

G上7850×63××





G下4×62×13.471

=3340.8㎏ 合为3.3t 侧钢架腹杆共200个

1

A=0.05420.04626.28104m2

4

长度：见图4-2

AD=AO2OD2 AB=AO2OD2BD2 AO=1m OD=0.6m BD=1.25×

1

=0.625m 2

l20.620.62521.33m

G侧200Al （4-10）

=200×6.281041.337850 =1311.3㎏

合为

1.3t

图4-3 吊臂三维示意图

水平架腹杆 共50根 A=6.28×104m2 长度 见图3-2 l=1.4m

G水直=50×A×l （4-11） =50×6.2810478501.2 =295.8㎏ 合为0.3t 水平斜腹杆共50根 A=5.14×104m2 长度见图3-2-1 lBE2BC2

l.221.252=1.733m G水斜=50×A×l

=50×6.28×1041.7337850 （4-12） =427.1㎏

合为0.43t

共计 GG上G下G侧G水直G水侧 =2.55+1.22+1.3+0.3+0.43 =5.8t

4.2 自重产生的内力

1.1G

G8.97t（4-13） L1.15.8

0.103t/m q=

62

建立模型： 按两跨连续梁，中间加有两弹性支座建立模型，如图 4-3

计算载荷[5]： q=

弹性力学公式求解[5]

6

1）（4c)Mc(46B)MB(BA) (4-14)

l

-l(BRBCRC) 2) 12(BC)MC(44BC)MB

6

=(BA) -l(BRBCRC) (4-15)

l

121

其中：MCql30.10314.22 （4-16）

22

14.47tm

11

RAql10.10316.950.88t （4-17）

2211

RBq(l1l2)0.103(16.9530.8) （4-18）

22

=2.46t

11

RCq(l3)0.103(14.230.8) （4-19）

22

=3.05t

113

ql20.10330.82125.4 A（4-20） 2424113

ql10.10317221.08 （4-21） B 2424

拉杆截面选定：

长拉杆OC 16Mn 56 短拉杆OB 16Mn 40 截面积计算

AB2212.56cm2 （4-22） ACrc2.8224.63cm2 （4-23）

2

图4-5长拉杆，短拉杆与臂架连接结构图 预设OB18m OC48.8m OO8m OBOO2OB28218219.6m OCOO2OC248.828249.45m

OO8

0.408 OB19.6OO8

0.1618 sinCOC49.45

sinB

CB

lOB

(4-24)

EABsinB

E: 弹性模量 取为2.0×107t/m2

CB

19.6

1.91103 74

2.01012.56100.408

B

6EICB

（4-25） l31

IIX295188cm43.0103m4

62.01073.01031.91103B0.14 3

17

CC

lOC49.45

74

EACsinC2.01024.63100.1618

=6.2×103

C

6EICl2

3

62.01074.731036.2103 = 3

30.8

=0.12

l

l1l21730.8

23.9m 22

l4 设为7m

将以上数据代入公式2） 可得MB

12(BC)MC(44BC)MB

6

=(BA) -l(BRBCRC)

l

12(0.2210.12)(16.04)(440.2210.12)MB

=

MEMB

6

(21.08125.4)-23.9(0.142.460.0763.05) 23.9q

l2(2) （4-26） 2



ME0.44.48

l4

0.4 l1

0.1543

23.92(0.40.16) 2

=8.85tm

MB4.48tm ME8.85tm

4.3．动载荷在端点处产生的力

动载荷在D处时，支座B不起作用。 见图

图4-6 动载荷在D处受力图

F2max（吊重+吊钩 小车 起升钢丝绳重） 2max：起升动载荷系数 起升动载荷系数的确定 [6] ： 起重机工作级别分类：

根据参考资料[2]查取起重机工作级别分类。选为HC1级 HC1级塔式起重机 2ma=1.3 x

吊重： D点吊重2T 吊钩： 小车 钢丝绳

根据参考资料[2]，将小车重估定为330㎏

合吊钩滑轮组 起升钢丝绳半长 总共估计为500㎏ 合为0.5T F1.3(20.5)3.25t

MCFl33.2514.246.15tm （4-27） MB

l117

（4-28） MC46.1516.41tm

l1l230.817l4

（4-29） MB0.41.416.56tm

l1

ME

4.4 动载荷在近吊点内产生的力

图4-7 动载荷在E处受力图 F1.3(吊重+0.5)t E处设吊重为8t F=1.3×8.5=11.05t

RB=F0.411.054.42t (4-30)

F2

l1(1)(1) (4-31) 611.05

1720.40.60.4 =6

=178.83t/m

B

(4+4BC)MB

6

Bl1(2BRB) (4-32) l1

(440.2210.12)MB

6

178.8317(20.2214.42) 17

5MB63.1233.2 MB5.98t

ME(1)Fl4(10.4)11.05746.41 (4-33) MEMEMB46.415.98 (4-34) =46.41-2.39 =44.02t-m

4.5 其它偏心力矩

1） 起重绳[7]

1

F (估计值) 41

=11.052.76t

4

令T1

e10.45m

e1为起重绳对臂架截面中心的距离

M1T1e12.760.451.24tm （4-35）

2） 小车拉绳

T20.0511.050.55t 0.55为估算系数

e2为小车拉绳到臂架截面中心的距离 （估算）

M2T2e20.550.40.22tm （4-36）

3） 小车惯性力

11

T3F 为估算系数

771

T311.051.59t

7

e30.4m

M3T3e31.590.4 =0.64tm 4） 离心力：（在D处计算最大值）

T4(QG)n2a/900n2y (4-38) a为工作幅度 63m QG1.3(20.5)3.25 n 为回转速度 0.6r/min y 为起升高度 46m

T43.250.6263/9000.6246 =73.71/(900-16.56)=0.08t e40.45m

M4T4e40.080.450.036tm (4-39) 5) 绳子倾斜

（D处） 预设倾斜20 《参考塔式起重机设计规范》 20

H2max(20.5) =3.25×1.6/46 =0.11t

1.6

46

图4-8 吊绳在D点时的结构图

4.6 水平载荷产生的内力 4.6.1风载臂架

参考 《塔式起重机设计规范》[6]和《起重机械》[7]得风载荷

PWCKnqA (4-41) C：风力系数 Kn： 风压高度系数

q： 计算风压 A: 迎风面积 对于由型钢制成的平面积桁架， C=1.6

对于在工作状态下的计算风压[8]，内地为150，沿海为250，计算中取为250 对于在工作状态下的风压高度系数，可以不考虑 故 C=1.6 q=250 Kn=1 q250kg/m20.025t/m2 臂架迎风面积： A=wA1

A1A1上A1下A1侧腹 （4-42） =62×0.102×0.3+0.14×62×0.5+200×0.045×0.3 =1.89+4.3+2.7 =8.89m2

由于是两片桁架并列

AA上A下A侧腹

=0.08×62+0.14×62+200×0.06×1 =26.64m2

单位面积风载荷（载面长度） WPW/LCKnqA/L =1.6×1×0.025×25.64/62 =0.0165t/m 总风力

PW0.016562

=1.02t

图4-9 风载示意图 风载臂架产生的力矩[2]

12

MAW(l1l2l3) （4-43）

2

1

=0.0165×(1730.914.2)2

2

=31.82t-m 1

MEW(l1l2l3l4)2 (4-44)

2

1

=0.0165×(1730.914.27)

2

=25.05t-m

1

MBW(l2l3)2 (4-45)

2

1 =0.0165×((30.914.2)2) 2

=16.78t-m 12 MCWl3 (4-46) 2

1 =0.0165×14.22 2

=1.66t-m

4.6.2 风载重物 （D处）

 PWCqAKn （4-49）

系数含义同前

根据参考资料[2-6]

 得出 CW1.2 Kn1 q0.025t/m

根据起升高度 得出重物迎风面积 A2m2

 WCWqA (4-50)

=0.025×1.2×2=0.06t

风载重物产生的力矩

MAW(l1l2l3) （4-51） =0.06×（17+30.8+14.2）

=3.72t-m

MBW(l2l3) (4-52) =0.06×(30.8+14.2)

=2.70t-m

MEW(l1l2l3l4) (4-53) =0.06×(17+30.8+14.2-7)

=3.30t-m

MCWl3 (4-54) =0.06×14.2

=0.85t-m

 RAAW20.060.12t (4-55)

4.6.3 重物振动侧向力 （D处）

小车选重为0.35t

产生的力矩：

MA0.35(l1l2l3) （4-56） =0.35×(17+30.8+14.2)

=21.7t-m

MB0.35(l2l3) (4-57) =0.35×(30.8+14.2)

=15.75t-m

MC0.35l3 (4-58) =0.35×14.2

=4.79t-m

ME0.35(l1l2l3l4) (4-59) =0.35×(17+30.8+14.2-7)

=19.25t-m

4.6.4重物回转 （D处）

查阅参考资料[6]得出工作幅度为63m，最大起重量为10t，小车制动时间为9秒

t09秒 回转速度为0.6r/min R:63m

惯性力 pgQG2Rn （4-60） g30t0

Q+G=1.3(2+0.5)=3.25t 3.250.663 pg 10309

=0.14t

产生力矩：

MApg(l1l2l3) （4-61）

=0.14×（17+30.8+14.2）

=8.68t-m

MBpg(l2l3) (4-62) =0.14×(30.8+14.2)

=6.3t-m

MCpgl3 (4-63) =0.14×14.2

=1.99t-m

MEpg(l1l2l3l4) (4-64) =0.14×(17+30.8+14.2-7)

=7.7t-m

4.6.5臂架自重惯性力 （跨中） pgGn0r （4-65） g30t0

r: (跨中幅度) r =31.5m 8.73.140.631.5 pg 10309

=0.2t

G: 自重

产生力矩：

MApg(l1l2l3) (4-66) =0.2×（17+30.8+14.2）

=12.4t-m

MBpg(l2l3) (4-67) =0.2×（30.8+14.2）

=9.0t-m

MCpgl3 (4-68) =0.2×14.2

=2.84t-m

MEpg(l1l2l3l4) (4-69)

=0.2×（17+30.8+14.2-7）

=11.0t-m

1 自重摆角

摆角20

qqsin20

=0.1591×sin20

=0.1591×0.035

=0.0056t/m

产生的力： RAqL (4-70) =0.056×62

=0.03472

产生的力矩： (l1l2l3)2

MAq （4-71） 2

=0.0056×1/2×（17+30.8+14.2）2

=10.76t-m (l2l3)2

MBq （4-72） 2

=0.0056×1/2×（30.8+14.2）2

=5.67t-m l MCq3 （4-73） 22

=0.0056×1/2×14.22

=0.56t-m 1 MEq(l1l2l3l4)2 (4-74) 2

=0.0056×1/2×552

=8.47t-m

2 摆角重物 （D处）

QQsin2o

=3.25×sin20

=0.11t

产生的力：

RAQA0.112m2

=0.22t

产生的力矩：

MAQ(l1l2l3) (4-75) =0.11×(17+30.8+14.2)

=6.82t-m

MBQ(l2l3)

=0.11×(30.8+14.2)

=4.95t-m

MCQl3 (4-77) =0.11×14.2

=1.56t-m

MEQ(l1l2l3l4) (4-78) =0.11×(17+30.8+14.2-7)

=6.05t-m

3 重物倾斜

前面已经算出倾斜所产生水平力H=0.11t

产生的力矩：

MAH(l1l2l3) （4-79） =0.11×（17+30.8+14.2）

=6.82t-m

MBH(l2l3) (4-80) =0.11×(30.8+14.2)

=4.95t-m

MCHl3 （4-81）

=0.11×14.2

=1.56t-m

MEH(l1l2l3l4) (4-82) =0.11×(17+30.8+14.2-7)

=6.05t-m

4.7 内力计算

1 自重

图4-10 自重受力图

MC15.6t-m MB7.92t-m

VC为CD段自重

 VC=LCDql3q

=14.2×0.1591

=2.25t-m

臂架受力分析如图 3-10所示

对B点取矩得[9] 112 VCVC(MCMBql2) （4-83） l22

112 VCVC(MCMBql2) l22

11(15.67.920.159130.82) 30.82

=4.94t

拉杆C点拉力与臂架C点的压力 =2.25+

SCVC1 (4-84) sinc

49.45 8

=29.79t-m =2.19×

NCVC1 (4-85) cosc

=2.19×48.8/8

=29.40t

AB段

图4-11 AB段受力图

VB为BC段对AB段产生的内力

 VBVBVB

对A点取矩 ，可以算出VB VBl1（4-86） (MBMCql22) l222

130.92

(7.9215.60.1591) =30.82

121 VB(MBMCql1) （4-87） l12

11(7.9215.60.1591172) 172

=0.03t =

 VBVBVB

=2.2+0.03=2.23t

VB也可以按对A点取矩计算 30.82

MBMC) (4-88) VB30.8(VB30.8q2

30.82

7.9215.6 VB30.82.230.80.15912

=3.88t VA11（4-89） (q30.82MC) l22

11(0.159130.8215.6) 30.82

=1.94t

B点拉杆拉力及臂架压力 =

SBVB119.6 (4-90) 2.23sinB8

=5.46t NBVB1182.23 (4-91) tanB8

=5.01t

2 动载荷在D处

图4-12 动载荷在D处受力图

QQ2max(20.5) (4-92) =3.25t VCQL3.25624.48t (4-93) l2l330.914.2

VAVCQ=4.48-3.25=1.23t (4-94) 拉杆拉力及臂架压力[8] SCVC1 (4-95) sinc

49.45 8

=27.69t =4.48×

NCVC1 (4-96) tanc

48.8 8

=27.33t

3 动载荷在E处

=4.48×

图4-13 动载荷在E处受力图

动载荷在E处时MB=5.98-m Q=1.3×(8+0.5)=11.05t VBQMBMB (4-97) l2l1

5.985.984.97t 30.917 =0.4×11.05×

VAQ(l1l4)11.05(177)5.98 (4-98) l117

=6.15t

B点拉杆拉力及臂架压力 SBVB1 （4-99） sinc

19.6=12.18t 8 =4.97×

NBVB1 （4-100） tanc

18=11.20t 8 =4.97×

4 动载荷在B点处

根据以上计算已经可以确定：截面B不是应力最大的截面，B,C两截面的计算应力小于A,E两截面，故此处不再对B截面进行计算

5 内力表

表 4-2 水平载荷产生的内力汇总

力汇总，现在已知各危险截面应力，可以开始校核

4.8 校核

4.8.1 确定许用应力 

[3]

1 选用材料为 16Mn 新牌号为Q345，属于低碳合金结构钢，屈服极限

s0.2345Mpa

2 确定安全系数 查阅《机械设计手册》

[6]

[4]

可以得16Mn屈服极限为345Mpa查阅参考资料

p704705.表18,19按组B选取安全系数Kn Kn1.34 3确定许用应力： 

s

K



345

257.5Mpa （4-101）1.34

许用剪应力：



257.5148.7Mp

3

3

a

（4-102）

端面（磨平顶紧）承压许用应力

cd1.51.5257.5386.3MPa 焊缝： 对接焊缝分1 ，2 ，3级

1,2级257.6Mpa  3级=0.8 材料许用应力 



2

0.8焊2

4.8.2 对拉杆的校核[10]

短拉杆 40 在B截面处 AB=12.56cm2 Fb12.185.4617.64t B B

FB

FA

17.64t176.4



12.56cm212.56104m2

=140.4Mpa B

长拉杆 56 在截面C处 AC24.63cm2 c FC29.7927.6957.48t =574.8KN

FC

AC

574.8103574.8

10MPa c

24.6310424.63

=233.4Mpa c257.5Mpa

长拉杆强度足够

4.8.3 三截面校核

A截面：

根据内力汇总表 A截面处 MX0 My90.1tm NB21.03t 根据截面几何特性。

WX上4738.2cm3 WX下6473.4cm3

Wy4348.3cm3

总面积 A=120.184cm2

WX下4738.2cm34738.2106m3

WX上6473.4cm36473.4106m6Wy4348.3cm4348.310m

3

6

3

MXMyNB

 

WX下WyA

102.4610421.4610466

1010 =0+ 64

4348.31068.6910

=252.8Mp 25.7Mp 故认为强度足够

E截面：

根据内力汇总表 MX49.8tm

My40.65tm NB21.03t

上弦杆壁厚为 20m.查阅《机械设计手册》。可知。Q345（16Mn）钢在

[4]

或壁厚>16-20时，屈服极限为345Mpa



s345

kn1.34

=242Mpa （4-104）



MXMyNB

(WX下WX上) （4-105） 

WX下WyA

49.910450.3310421.4610466

1010  664

4738.2104348.310120.18410

=105Mpa+115.7Mpa17.9Mpa=238.6Mpa 242 Mpa 故E处截面强度足够

B截面处

根据内力汇总表： MX26.44t-m My66.02t-m NB21.46t

B处的许用应力与E相同 =242Mpa

MXMyNB

 

WX下WyA

26.4410466.0210421.46104661010106 =664

4738.2104348.310120.18410

=55.8 Mpa+151.8 Mpa+17.9 Mpa =225.5 Mpa

242 Mpa

故B截面处强度足够

A.B.E三处截面应力都小于其许用应力，三处截面强度足够

根据参考资料[6]。臂架可以不进行局部强度校核，上弦圆钢管壁厚20㎜。直径100㎜壁厚与直径比很大。 可忽略局部应力集中

4.8.4 腹杆校核

1 风载

图4-14 三肢杆截面结构图

风载系数1.3 计算风压25kg/m2 AF620.1026.32m2 pw1.3×25×6.32=205.4 Mpa

风载对上弦杆最底部弯矩M

d

Mpw205.45.1104.54kg/cm

2

2 小车振动载荷

小车在截面E处吊重8T，吊钩滑轮组为0.5T，动载荷冲击系数1.3 小车振动取为载荷的1/10[2]

1

p1.3(80.5)

10

=1.11t =1110

M1047.510.27kg d102M

S1p111010.271120.27kg11.2KN

d

S2S3F 侧钢架腹杆共有4根焊于一点

图4-15 三肢杆半截面结构图

Fcos1sos241110201.5

0.6

1.171.17

cos2

1.33

cos1

图4-16 侧腹杆半截面结构图

F

111

（4-108） (1110201.5)

4cos1cos2

11.171.33

 =1371.5

40.61.17

=726.8㎏ 7.3KN

图4-17 吊臂单元结构图

S2S37.1KN S111.2KN 3 载荷

最大应力截面E处 Gmsx11.05t

1.38

1.51

1.381.511

 N110.5

0.71.384

=59.5KN 载荷对腹杆产生内力最大

TG110.5KN cos2

Nmax59.57.166.6KN 腹杆截面积 A(R2r2) =5.15cm2

Nmax66.6103

129.3 Mpa

A5.15104

腹杆强度足够

4.8.5 稳定性校核[8]

AB段 NB21.46t

WX上4738.2cm3 WX下6473.4cm3

Wy4348.2cm3

rx

IX294347.2

49.5cm A120.2

ry

IyA



247320

45.4cm

120.2

1002

)0.7092 cos2(

118.7

图4-18 三肢杆半截面结构图

腹杆都为544 A=6.28cm2 腹杆总面积 A3A36.2818.84cm2 lABl117m

确定细长比

查阅参考资料[6] 附表H 确定计算长度系数 考虑到非保向力作用是21 41 计算长度系数 1234 11 塔身设定宽度为2.4m 半长为1.2m

图4-19 塔机结构简图

l117m lG171.218.2m连接销 连接销长=0.4m l1/l2=17/30.9=0.55

l117170.91 按表H7查取 lG18.20.418.6

B处惯性矩与C处惯性矩相同 （对X轴 Y轴 都相同） I

故 XB11

XC

SB17.54t （见前） SC57.48t （拉杆校核） NB21.03t NC61.14t

NC61.1461.14

0.73 (4-110)

NCNB61.1421.0382.17

查表H7 得出：

31.51（偏大值） 1234=1.51 y

l1

Vy



1.5117

（4-111） 54.758 2

46.910