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黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計論文
摘 要
自有人類文明以來,物料搬運便成了人類活動的重要組成部分,距今已有五千多年的發(fā)展歷史。隨著生產規(guī)模的擴大,自動化程度的提高,作為物質搬運重要設備的起重機在現(xiàn)代化生產過程中應用越來越廣,作用越來越大,對起重機的要求越高。科學技術的飛速發(fā)展, 推動了現(xiàn)代設計和制造能力的提高。激烈的國際市場競爭也越來越依賴于技術的競爭,這些都捉使起重機的技術性能進入嶄新的發(fā)展階段。本文根據國內外起重機的新理論、新技術和新動向介紹了新型預應力桅桿的設計。首先介紹了起重機的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢,其次說明了采用預應力結構的優(yōu)點。再次對工作裝置，動力裝置的結構，連接方式，運動方式和受力情況進行了詳細的分析和計算。并對該機械的動力和起升變幅機構進行詳細的設計驗算，最后驗算整機的穩(wěn)定性。
關鍵詞：桅桿起重機；預應力鋼結構；液壓卷揚機；穩(wěn)定性
Abstract
The thing material is carried just becoming the important component of mankind's activities, apart from of today having had the development history of more than 5000 years from having mankind's civilization. Along with the enlargement of production scope, the application of the hoist as the matter to carry important equipment in the modernize production course is more and more wider to the raise of automaticity, and acting on more and more greatly, the development at full speed of high science and technology is got over in the requirement to the hoist, and pushing forward modern(ly) to design and makes the competition of intense international market of the raise of ability also more and more relying on the competition in the technology, present situation as well as development trend that the design of new prestressing force mast firstly introduced the hoist were introduced to this text, article, etc. that the technical characteristics that these are all caught the hoist making enters brand-new(ly) the development stage new theory, new technology and new trend according to the hoist in home and abroad, next explains adopts the merit of prestressing force structure to the work device, the structure of dynamic devices links the method once more, mode of motion and receives energetically the circumstances to have carried on detailed analysis and calculation. Become an organization and carries on the detailed design checking computations, stability of final checking computations whole sets with a liter to the motive force of this machinery.
Key words：Mast derrick；Prestressing force steel structure；Hydraulic pressure hoist；Stability
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 - 1 -
1.1我國起重機新技術的進展與國外發(fā)展動向 - 1 -
1.1.1我國起重機新技術的應用進展 - 1 -
1.1.2國外起重機的發(fā)展動向 - 2 -
1.2預應力技術 - 8 -
1.3相關工作 - 9 -
1.4主要研究內容 - 9 -
第2章WG400桅桿起重機設計計算 - 10 -
2.1符號意義： - 10 -
2.2 計算原則 - 10 -
2.2.1設計主要參數(shù) - 10 -
2.2.2風載荷計算 - 11 -
2.2.3材料許用應力 - 11 -
2.3 62m、72m典型結構計算 - 12 -
2.3.1 62m典型結構計算 - 12 -
2.3.2 72m典型結構計算 - 17 -
2.4 桅桿總體計算 - 21 -
第三章液壓卷揚機設計 - 40 -
3.1液壓卷揚機主要技術參數(shù) - 40 -
3.2液壓卷揚機的總體方案設計 - 40 -
3.2.1結構設計 - 40 -
3.2.2傳動設計 - 41 -
3.2.3液壓系統(tǒng)的計算 - 42 -
第4章 結語 - 44 -
參考文獻 - 45 -
致 謝 - 46 -
- 47 -
第1章 緒 論
1.1我國起重機新技術的進展與國外發(fā)展動向
起重機作為一種古老的機械，時至今日，在其承載結構、驅動機構、取物裝置、控制系統(tǒng)及安全裝置等各方而都有了很大的發(fā)展，其設計理論、制造工藝、檢測手段等都逐漸趨于完善和規(guī)范化，并己經成為一種較完善的機械。但由于生產發(fā)展提出新的使用要求，起重機的種類、形式也需要相應地發(fā)展和創(chuàng)新，性能參數(shù)也需要不斷變化與完善。由于現(xiàn)代化設計方法的建立和計算機輔助設計等現(xiàn)代設計手段的應用，使起重機設計思維觀念和方法有了進一步的更新，其它技術領域和相鄰工業(yè)部門不斷取得的新科技成果在起重機上的滲透、推廣應用等，更使起重機的各方面不斷地豐富更新。因此，起重機將向現(xiàn)代化、智能化、更安全可靠方便的方向發(fā)展。
1.1.1我國起重機新技術的應用進展
H型鋼在大型起重機鋼結構中的應用。T型鋼在偏軌箱型主梁起重機上的應用。MC鑄型尼龍材料在起重機鋼絲繩滑輪、伸縮臂導軌等部件中的應用。金屬基鑲嵌型固體自潤滑軸承在冶金起重機吊鉤、盛鋼桶耳柱及大型裝卸橋俯仰臂架回轉鉸處的應用等等。都促成了起重機結構的改進和機械零部件的發(fā)展降低了制造成本,改善了使用性能。
起重機新型硬齒面和中硬齒面減速器、立式減速器、二合一減速器、二環(huán)式減速器；起重機新型徑向棒銷聯(lián)軸器和軸向棒銷聯(lián)軸器；起重機用新型電力液壓塊式制動器、電磁塊式制動器；起重機用臂鉗式制動器、鉗式制動器；起重機新標準吊鉤、車輪、滑輪;起重機用電線滑車、滑接輸電裝置、安全滑觸線；起重機用液力偶合器、自動防風別軌器；MC鑄型尼龍滑輪、齒輪、導向板等等的采用，都為起重機產品的更新和系列改進提供了切實的基礎。
在GT33811- 83中最重要的部分是起重機的工作級別劃分。它包括機械的分級和金屬結構的分級，都和TS04301國際標準完全一致。其基本依據是M finer線性累積損傷理論，即以載荷(應力)與受載(工作)次數(shù)某種相關的關系為基礎決定疲勞設計。形成一種對角線通用的關系，根據這種理論，在不同工作強度(載荷利用率)和不同工作次數(shù)(利用等級)的組合中，有許多符合對角線通用原則的。便可采用同樣的結構或同樣的機械部件。為用較少種類的機械零部件或結構斷而組配成多種規(guī)格、不同起重量、不同工作級別的起重機提供了理論基礎。20世紀70年代德國曼內斯曼德馬克公司在標準鋼絲繩驅動類型起重機和通用起重機中己有了具體采用。20世紀80年代我國起重機設計規(guī)范在對整機及部件設計的計算上明確地做出了規(guī)定。在起重機減速器等部件設計及功率選用的說明中也明確地例舉出折算方法，大大地推廣和強化了此設計思想。
電力驅動起重機各機構的驅動，一般都帶有作為驅動加速富裕力知的一定量的突加載荷方式的作用。多年來歐洲、前蘇聯(lián)和我國在起重機設計中都采用這種啟動理論。自從在起重機的大車、小車運行和旋轉等機構中加入了柔性部件(如液力偶合器)，使這種情況立即得到根木改善。不僅避免了電動機和機構的過載、反向變向的沖擊，就連正常啟動的慣性力也變得極其微小，啟動一也極為平穩(wěn)了。近幾年來，在我國起重機設計理論中提出的這種帶液力偶合器的起重機非位能載荷機構的電動機選擇、啟制動時間計算、相應的偶合器的參數(shù)設計。如偶合器工作圓直徑的確定、充油量的選擇、聯(lián)合工作特性的建立，以及在采用液力偶合器后機構和結構的動載荷計算及其啟、制動過程的動態(tài)設計等。在理論推繹和實測結果分析相結合的基礎上，都獲得了很大的發(fā)展。以起重機設計理論，這對過去基于剛體動力學推演而得的計算體系是一個重要的補充。
為貫徹新的通用橋式起重機國家標準，對于工作級別在M5以上的起重機起升機構，貨物在下降制動前進行電氣調速的設計己進入系列貫標設計中；為改善電動起重機運行性能，在集裝箱起重機中采用地而無線遙控或地而與司機室兩處控制的方式；此外，采用激光防碰撞裝置和非接觸感應式行程開關，裝設故障診斷及故障自動顯示等裝置的通用及專用起重機都相繼出現(xiàn)。
近幾年，一些高等院校在起重機優(yōu)化設計和推廣現(xiàn)代設計方法方而做了許多有成效的工作，如對門式起重機進行了按靜強度、靜剛度、動剛度等多項控制指標的綜合分析優(yōu)化設計，從單機優(yōu)化到系列優(yōu)化設計理論方而的開拓和探索都己進入實用階段。
我國起重機新技術應用很多，取得的成績也相當大，但仍需做大量的推廣工作，特別是與國外發(fā)展水平的差距還很大，我們必須了解世界起重機的發(fā)展趨勢，引進國外先進技術，提高我國起重機的質量。
1.1.2國外起重機的發(fā)展動向
1)大型化、高效率化、無保養(yǎng)化、節(jié)能化、自動化、智能化、集成化和信息化將機械技術和電子技術相結合，將先進的微電子技術、電力電子技術、光纜技術、液壓技術和模糊控制技術等應用到機械的驅動和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化、高效率化和智能化，以適應多批次少批量的柔性生產模式。
2)成套化、綜合化和規(guī)?；瘜⒏鞣N起重機械的單機組合為成套系統(tǒng)，加強生產設備與物料搬運機械的有機結合，提高自動化程度，改善人機系統(tǒng)，通過計算機模擬和仿真尋求參數(shù)與機種的最佳匹配與組合，發(fā)揮最佳效用。
3)模塊化、組合化、系列化和通用化為了降低制造成本、提高通用化程度，可采用模塊組合的方式，用較少規(guī)格的零部件和各種模塊組成多品種、多規(guī)格和多用途的系列產品，充分滿足各類用戶的需要;也可使單件小批量生產的方式改換成具有相當批量和規(guī)模的模塊生產，實現(xiàn)高效率的專業(yè)化生產。
4)新理論、新方法、新技術和新手段進一步應用計算機技術，不斷提高產品的設計水平與精度;開展對輪式起重機載荷變化規(guī)律、動態(tài)特性和疲勞特性等的研究，全面采用極限狀態(tài)設計法、概率設計法、優(yōu)化設計和可靠性設計等，利用CAD提高設計效率與質量；與計算機輔助制造系統(tǒng)相銜接，實現(xiàn)產品設計與制造一體化。
5)小型化、輕型化、簡易化和多樣化采用新結構、新部件、新材料和新工藝提高產品性能，如結構方面采用薄壁型材和異型鋼，減少結構的拼接焊縫；采用各種高強度低合金鋼新材料，提高承載能力，改善受力條件，減輕自重并增加外形美觀；在機構方面開發(fā)新型傳動零部件，簡化機構，以焊代鑄，采用機電儀一體化技術，提高使用性能和可靠性;在電控方面開發(fā)性能好、成本低、可靠性高的調速系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。
1.重點產品大型化、高速化、耐久化和專用化
目前世界上最大的浮游起重機起重量6500t，最大的履帶起重機起重量3000t，最大的橋式起重機起重量1200t，自動化立體倉庫堆垛起重機最大運行速度達240m /m ins'〕。
工業(yè)生產方式和用戶需求的多樣性，使專用起重機的市場不斷擴大，品種也不斷更新，以特有的功能滿足特殊的需要，發(fā)揮出最佳的效用。冶金專用起重機，防爆、防腐、絕緣起重機和鐵路、船舶、車輛專用起重機的功能不斷增加，性能不斷提高，適應性比以往更強。德國德馬格公司研制出一種飛機維修保養(yǎng)專用起重機，在國際市場上打開了銷路。這種起重機跨度大，起升高度大，停準精度高。在起重小車下面安裝有可伸縮回轉的維修平臺，可到達飛機任一部位。隨著世界核電站的迅速發(fā)展，核電站專用起重機也得到相應發(fā)展，如反應堆室內的環(huán)形橋式起重機在放射性環(huán)境中工作，用于起吊壓力容器頂蓋及堆內構件等危險載荷，要求可靠性高，安全性好，能自動精確定位和緩慢下放物品等，并有多種保護裝置和特殊安全裝置。
2.系列產品模塊化、組合化、標準化和實用化
許多起重機是成系列成批量的產品，采用系統(tǒng)多目標整體優(yōu)化方法進行起重機系列設計已成為發(fā)展重點，通過全面考慮性能、成本、工藝、生產管理、制造批量和使用維護等多種因素對系列主參數(shù)進行合理匹配，以達到改善整機性能，降低制造成本，提高通用化程度，用較少規(guī)格數(shù)的零部件組成多品種、多規(guī)格的系列產品，充分滿足用戶需求。
用模塊化設計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整機設計方法，將起重機上功能基本相同的構件、部件和零件制成有多種用途，有相同聯(lián)接要素和可互換的標準模塊，通過不同模塊的組合，形成不同類型和規(guī)格的起重機。對起重機進行改進，只需針對某幾個模塊。設計新型起重機，只需選用不同模塊重新進行組合。由于提高了通用化程度，可使單件小批生產的產品改換成具有相當批量的模塊生產，實現(xiàn)高效率的專業(yè)化生產，降低制造成本。能以較少的模塊形式，組合成多品種多規(guī)格的起重機，滿足市場需求，增加競爭能力。
3.通用產品小型化、輕型化、簡易化和多樣化
有相當批量的起重機是在一般的車間倉庫使用，要求并不很高，工作并不十分繁重。如何提高這些起重機的適用性，降低益，要求起重機盡量降低外形高度，簡化結構，減制造成本，是市場競爭能否獲勝的關鍵?？紤]綜合效小自重和輪壓，也可使整個建筑物高度下降，建筑結構輕型化，降低造價和使用維護費用。因此電動葫蘆橋式起重機和輕型梁式起重機會有更快的發(fā)展，并將大部分取代中小噸位一般用途橋式起重機。
用戶的需求性促進了起重機的多樣性。起重機的系列參數(shù)范圍進一步擴大，功能選擇進一步增加，一機多用產品進一步得到發(fā)展，以增強應變能力。在一般使用場合采用無線遙控操作的比例也將逐步增多。
4.產品性能自動化、智能化、集成化和高效化
起重機的更新和發(fā)展，很大程度上取決于電氣傳動與控制的改進。將自動化技術和機械傳動技術相結合，將先進的微電子技術、電力電子技術、光纜通訊技術、液壓技術、模糊控制技術應用到機械的驅動和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化和半自動化。使起重機組成的物料搬運系統(tǒng)具有更高的柔性，以適應未來多批次少批量的柔性生產模式。
大型高效起重機的新一代電氣控制裝置已發(fā)展為全電子數(shù)字化控制系統(tǒng)。主要由全數(shù)字化控制驅動裝置、可編程序控制器PLC、故障診斷及數(shù)據管理系統(tǒng)、數(shù)字化操縱給定檢測等設備組成。它賦于起重機以信息功能，可進行信息傳遞、處理及動力控制，大大提高了綜合自動化水平。目前控制方面重點發(fā)展吊具防偏防搖技術，取物裝置自動取、卸物技術，位置檢測及自動位置控制技術，故障自診斷監(jiān)控技術等。
電氣傳動方面重點開發(fā)以微處理機為核心的高性能電氣傳動裝置，使起重機具有優(yōu)良的調速和靜動特性，可進行操作的自動控制、自動顯示與記錄，起重機運行的自動保護與自動檢測，復雜條件下的遠距離遙控等，以適應自動化生產的需要。
德國的起重機，采用激光裝置查找起吊物的重心位置，依靠超聲波傳感器引導取物裝置抓取貨物。大車和小車運行采用編碼軌系統(tǒng)測定路徑，起升高度采用恒定張緊的測量索和角度發(fā)生器測定。起重機采用磁場變換器或激光達到高精度定位。英國的起重機上安裝了近場感應系統(tǒng)，可避免起重機之間的互相碰撞。采用無線遙控時載重稱量也能在遠控發(fā)射機上顯示。起重機上還裝有微機自診斷監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能提供大部分常規(guī)維護檢查內容，如鋼絲繩狀況，減速器油溫油位，車輪軸承溫度，起重機載荷、應力和振動情況，制動器摩擦襯片的壽命及溫度狀況等。德國近年為解決起重機吊具的防搖控制，開發(fā)了模糊邏輯電路的控制技術。用神經信息技術和模糊技術來尋找開始加速的最佳時刻，將有經驗司機防搖實際操作的數(shù)據輸入系統(tǒng)，實現(xiàn)最優(yōu)控制。模糊控制方式能確定實施自動工作的控制指令，將人們主觀上的模糊量通過模糊集合進行數(shù)字化定量，再利用微處理機實現(xiàn)像熟練司機一樣的自如操作，取得了更高的效率和安全性。最近國外的起重機專家們估計，將有20%一30%的起重機需要安裝自動化系統(tǒng)。
5.產品組合成套化、系統(tǒng)化、復合化和信息化
在起重機單機自動化的基礎上，通過計算機把各種起重運輸機械組成一個物料搬運集成系統(tǒng)，通過中央控制室的控制，能與生產設備有機結合，能與生產系統(tǒng)協(xié)調配合。這類起重機自動化程度較高，具有信息處理功能，可將傳感器檢測出來的各種信息實施存貯、運算、邏輯判斷、變換等處理加工，進而向執(zhí)行機構發(fā)出控制指令。這類起重機還具有較好的信息輸入輸出接口，實現(xiàn)信息全部、準確、可靠地在整個物料搬運系統(tǒng)中的傳輸。
起重機通過系統(tǒng)集成，能形成不同機種的最佳匹配和組合，取長補短，發(fā)揮最佳效用。目前重點發(fā)展的有工廠生產搬運自動化系統(tǒng)，商業(yè)貨物配送集散系統(tǒng)，集裝箱裝卸搬運系統(tǒng)，交通運輸和郵電部門行包貨物的自動分揀與搬運系統(tǒng)等。
生產工程機械的美國卡特皮勒公司金屬結構廠購置了一條以橋式起重機為主的物料自動搬運系統(tǒng)，用以鋼板噴丸處理、自動切割和出入庫的自動裝卸運輸作業(yè)，比原先采用單機操作工作效率提高65%。日本東芝洪川崎工廠采用由全自動橋式起重機組成的物料輸送系統(tǒng)來搬運柔性加工線上的夾具和工件，為機床運送毛坯或將加工好的零件送到下一工序或倉庫。這些在空間移動的搬運起重機代替了過去通常在地面行駛的自動導向搬運車，使車間地面面積得到充分利用。
6.產品設計微機化、精確化、快速化和全面化
隨著電子計算機技術的廣泛應用和系統(tǒng)工程、優(yōu)化工程、價值工程、可靠性工程、創(chuàng)造工程和人機工程等現(xiàn)代設計理論的不斷發(fā)展，促使許多跨學科的現(xiàn)代設計方法出現(xiàn)，使起重機的設計進入創(chuàng)新、高質量、高效率的新階段。目前，計算機輔助設計(CAD)已逐步深入到設計的各個階段和設計工作所涉及的各個領域。不僅能利用計算機運算速度快、計算精度高、存儲信息量大和邏輯推理能力強等優(yōu)點代替人工進行方案選擇、計算分析與繪圖，而且還能通過人機交互，最大限度地發(fā)揮設計人員的創(chuàng)造力和經驗。美國、德國、日本等一些起重機公司都廣泛應用CAD，徹底拋棄了傳統(tǒng)的圖板。并且還與計算機輔助工藝規(guī)劃(CAPP)和計算機輔助制造(CAM)相銜接，做到了無圖化生產。
起重機是在復雜工況下工作的大型結構系統(tǒng)，其動態(tài)性能受多種因素影響，運動參數(shù)與載荷不能用一個簡單的數(shù)學模型描述。以往多以靜態(tài)設計為主，局限性很大。國內外近年來在起重機設計中采用了動態(tài)仿真設計新方法，用計算機對機構與結構在各種工況下承受載荷進行運動狀態(tài)及隨時間變化過程的仿真模擬，得到仿真輸出參數(shù)和結果，以此來估計和推斷實際運行的各種數(shù)據。
人機工程學把起重機、人和作業(yè)環(huán)境作為整個系統(tǒng)來研究，創(chuàng)造一種人與起重機最佳相互作用狀態(tài)。人機工程學在起重機上的應用主要體現(xiàn)在司機室的設計，包括司機室的合理布置，減輕司機疲勞和提高工作效率的措施，加強環(huán)境保護，減少灰塵和廢氣污染，減少司機室的振動和噪聲等。
隨著起重機的高速化和大型化，還需進一步深入開展對起重機載荷變化規(guī)律、動態(tài)特性和疲勞特性的研究。進一步開展對起重機整機及零部件的可靠性試驗研究，提供起重機新的設計方法和數(shù)據。極限狀態(tài)設計、優(yōu)化設計、可靠性設計、有限元法、模塊化設計、反求工程設計、疲勞設計和健壯設計會更深入全面地得到應用。
7.產品構造新型化、美觀化、宜人化和綜合化
結構方面采用薄壁型材和異型鋼，減少結構的拼接焊縫，提高抗疲勞性能。采用各種高強度低合金鋼新材料，提高承載能力，改善受力條件，減輕自重和增加外形美觀。橋式類型起重機橋架大多采用箱形四梁結構，主梁與端梁采用高強度螺栓聯(lián)接，便于加工、運輸與安裝。
在機構方面進一步開發(fā)新型傳動零部件，簡化機構?！叭弦贿\行機構由于結構緊湊、拆裝方便、調整簡單并運行平穩(wěn)，將成為起重機運行機構的主流，減速器殼體、卷筒及滑輪等的制造都以焊代鑄，能減輕自重、增加承載能力和改善加工制造條件。減速器齒輪采用硬齒面，以減小體積，提高承載能力，增加使用壽命。
在電控方面開發(fā)性能好、成本低、可靠性高的調速系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，發(fā)展半自動和全自動操縱。采用機、電、儀、液一體化技術，提高使用性能和可靠性，增加起重機的功能。有專家指出，未來的起重機驅動技術，由于變頻調速系統(tǒng)越來越多地得到應用，交流鼠籠電動機將會重新受到重視并被廣泛采用。今后會更加注重起重機的安全性，研制新型安全保護裝置和故障自動顯示裝置，并重視司機工作條件的改善。
8.產品制造柔性化、靈捷化、精益化和規(guī)?；?
在激烈的市場競爭條件下，要提高起重機的市場占有率，確保起重機的高性能高質量，并不斷推出新產品，生產企業(yè)必須具備市場變化的適應能力和快速反應能力。包括提高生產效率，提高和保持產品質量的一致性，降低生產成本，縮短生產周期，加速產品的更新?lián)Q代等。生產制造的柔性化是使工藝裝備與工藝路線能適用于生產各種產品的需要，從適應當前單品種大批量生產方式向多品種小批量生產方式的轉變。生產制造的靈捷化是使產品生產與推向市場的準備時間縮為最短，使企業(yè)機制能靈活轉向。生產制造的精益化是使生產過程勞動生產率不斷提高，保持產品質量穩(wěn)定，強調企業(yè)各部門相互密切合作。良好的生產機制和管理機制是企業(yè)發(fā)展的前提。
起重機制造時廣泛采用計算機輔助工藝規(guī)劃(CAPP)、計算機輔助制造(CAM)和柔性制造系統(tǒng)(FMS)。采用擠壓成型、沖壓成型、精密鑄造等少、無切削工藝，采用光電跟蹤切割技術、焊接機器人技術。充分利用加工中心和全自動數(shù)控機床，提高加工制造的自動化水平。制造手段的現(xiàn)代化是保持質量穩(wěn)定，提高勞動生產率的前提。
美國、德國和日本的起重機大公司生產自動化程度都很高，廣泛全面采用了CAM，并對制造質量嚴格控制。如德國德馬格公司生產橋式起重機主梁時，鋼板都先經過預處理，并采用光電跟蹤激光切割。吊運鋼板采用真空吸盤，確保板材不變形。腹板和蓋板焊接時采用液壓裝置對蓋板加壓，確保腹板與蓋板能充分貼緊，提高主梁的承載能力和剛度。為保證質量，每條焊縫都打上焊工的工號，責任到人。由于提高了制造的自動化程度，德馬格公司制造一根起重量5t的主梁只需約20個工時，端梁為14個工時，整臺起重機100多個工時便可完成，大大縮短了交貨周期。
1.2預應力技術
預應力技術最早應用于實腹鋼梁中，對它的研究也較深人與廣泛。前蘇聯(lián)中央建筑結構科研院在50年代就對預應力梁在彈性階段受力過程與計算進行研究與模型試驗。以后，HHCrpenewaiA教授又對梁在塑性階段的受力與計算方法進行了理論與試驗探討，而AB I'ernmepn二教授則對預應力階段梁的塑性受力及整體穩(wěn)定進行了研究。1948年美國愛握華大學對7根同一截面的預應力實腹梁進行試驗研究。梁由張拉變形7%一10%的T型截面與張拉0一7%的翼緣板兩部分按不同組合在張拉態(tài)下焊接而成。由于彈性變形產生的預應力效應使預應力梁的承載力與非預應力梁相比最大的可提高78%。50年代我國西安冶金學院陳叔陶教授等對12m跨度的各式預應力吊車梁進行過技術分析，得出撐桿式實腹梁在用鋼量及制造加工量都是最經濟的結論。同期哈爾濱工業(yè)大學的鐘善桐教授也對裝配式預應力鋼梁進行過計算及試驗研究。
根據研究成果，不少預應力實腹梁應用于各種工程。比較大型的是前蘇聯(lián)庫茨涅斯克的托密河公路橋及羅斯托夫的頓河公路橋.兩橋均為5跨連續(xù)實腹鋼梁橋，最大跨度達147 m,節(jié)約鋼材分別為9%及17.8%。德國蒙塔堡的3跨連續(xù)公路橋中跨為50.4 m,節(jié)約鋼材33%。我國也在太原鋼鐵廠試用了少量預應力實腹吊車梁，可惜有的研究項目未能付諸工程實踐。
1.3相關工作
由于該機械為處于研究階段，國內還沒有該施工機械，所以利用國內的分析資料，查找相關的國外資料，對桅桿起重機以及預應力技術進行進一步的了解。
參照一些相關的書籍和手冊進行設計計算。
最后用計算機繪圖，進行論文的整理。
1.4主要研究內容
1.基于桅桿起重機的特點以及預應力結構的優(yōu)點進行分析計算并對整機的穩(wěn)定性進行了詳細計算。
2.進行了25噸液壓卷揚機的設計計算
第2章WG400桅桿起重機設計計算
2.1符號意義：
G 自重
Q 吊重 剪力
預緊力
P 作用力
N 軸向力
M 力矩 彎矩
對x—x軸彎矩
對y—y軸彎矩
準風壓值
S 鋼絲繩牽引力
G 索具重量
風載荷
q 均布載荷
F 面積
橫性矩
W 截面模量
D、d 直徑
L、l 長度
H、h 高度
動載荷系數(shù)
k 偏載增重系數(shù)
n 安全系數(shù)
σ 拉、壓彎曲應力計算應力
許用應力
許用壓應力
許用彎曲應力
許用剪應力
軸向力產生的應力
彎曲產生的應力
τ 剪應力
β拖拉繩與地面的理論夾角β≤
α滑輪組與桅桿中心的夾角α≤
f 摩擦系數(shù)
m
以上符號是常用意義的，如有特殊意義的，在計算公式中另加說明
2.2 計算原則
2.2.1設計主要參數(shù)
1、起重量 400t
2、桅桿高度 62m / 72m
3、桅桿分節(jié)數(shù)： 9節(jié)（9.8m 5節(jié)；6m 1節(jié)；4m 1節(jié)； 6.5m 1節(jié)（頂節(jié)）；6.5m1節(jié)（底節(jié)））
1、 中間最大斷面 2000×2100 (mm)
2、 兩端斷面 頂節(jié)：1800×1900 (mm)，底節(jié)：1800×1900 (mm)
3、 滑輪組懸掛偏心距1：＝865mm
4、 滑輪組懸掛偏心距2：＝835mm,（小軸?起吊小重量用）
5、 拖拉繩系點偏心距 ＝830mm
6、 直立桅桿時滑輪組最大張角α≤12度
10、 盤上均勻分布m＝8根拖拉繩，每根拖拉繩預拉力＝，拖拉繩與地面夾角β≤
11、桅桿自重 71.76噸(62m)、82.05噸(72m)
12、索具重20t (包括跑繩、定、動滑輪組)
13、每節(jié)預應力7t
14、卷揚機牽引力是選用2臺25噸液壓卷揚機配套使用（11－12）滑輪組，跑繩為雙抽頭
15、吊裝時風力最大不得超過五級
2.2.2風載荷計算
參照《建筑結構設計載荷》，吊裝過程中風力大于五級停止吊裝，故基本風壓值按五級風計算。對于蒲式五級風基本風壓值：
—6.4～11.4 kg/ ?。?0 kg/
2.2.3材料許用應力
A、整體穩(wěn)定安全系數(shù)：n=1.6
σ＝+2100 kg/(206Mpa)
B、局部穩(wěn)定安全系數(shù)
＝（0.8～0.85）×n＝1.28～1.36
C、板的安全系數(shù)
＝1.5
當δ＝4～20mm ＝2100 kg/(206Mpa)
當δ＞20～40mm ＝1866 kg/(183Mpa)
D、軸的安全系數(shù)
＝1.6～2
＝2500 kg/(245Mpa)
(d＞100~300)
2.3 62m、72m典型結構計算
2.3.1 62m典型結構計算
1711
圖1.結構圖
1、計算荷重
P=(Q+g)×k
=（1.1×400+20）×1.1
=506 t
式中：－動載荷系數(shù)； k －偏載增量系數(shù)；
g －索具總量； Q －起吊重量
對桅桿的壓力
=-7×7
=-7×7
=438.73 t
2、滑輪組跑繩受力
=
=
=27.5 t
式中：f－滑動摩擦系數(shù)f=1.04 ； －滾動摩擦系數(shù)； =1.02
兩根跑繩的拉力： S=2×27.5 t=55 t
對桅桿的壓力==55 t
3、拖拉繩受力
=
=
=
式中：γ－風纜繩每米長的重力；γ=5.479kg/m；－滾動摩擦系數(shù)=1.02
－單根風纜繩的重量； －風纜繩受負載張力
=
=
=137.66 t
對桅桿的壓力
=-7×7
=-7×7
=68.32?t
4、桅桿自重
通過實體精確建模（solidworks）計算得到桅桿自重： ＝71.76 t
重心位置：距下鉸點33m
5、風載計算（參考《建筑結構設計載荷》）
桅桿高度 62m，排子和道木高度共1m，沿桅桿每米高度的風壓q（kg/m）：
式中:
n－風載系數(shù) 取n=1.3
－體形系數(shù) 取=1.5
－風壓高度系數(shù)
B－風振系數(shù) 取B=1.6
－基本風壓值對于蒲式五級風為6.4~11.49.取=10
－桅桿斷面寬度取=2.1m
－高度系數(shù)
風壓計算結果
離地高度m
10
20
30
40
50
60
70
80
kz
1.0
1.26
1.46
1.54
1.64
1.72
1.79
1.85
q(N/m)
590
750
870
910
970
1020
1060
1100
表1
5、力學模型
圖2.力學模型
6、強度計算結果(理論)
1） 通過對O點（下鉸點）取力矩平衡可以求得：風繩拉力 Pt = 113 t
2） X、Y兩個方向的載荷平衡可以算得：O點的反力為Rox =0.5t Roy=625t
3） 彎矩與剪力計算：
模型：
圖3
彎矩圖：單位（N?M）
圖4
剪力圖：單位(N)
圖5
2.3.2 72m典型結構計算
圖6.結構圖
1、計算荷重
P=(Q+g)×k
=（1.1×400+20）×1.1
=506 t
式中：－動載荷系數(shù)； k －偏載增量系數(shù)；
g －索具總量； Q －起吊重量
對桅桿的壓力
=-7×7
=-7×7
=438.73 t
2、滑輪組跑繩受力
=
=
=27.5 t
式中：f－滑動摩擦系數(shù)f=1.04 ； －滾動摩擦系數(shù)； =1.02
兩根跑繩的拉力： S=2×27.5 t=55 t
對桅桿的壓力==55 t
3、拖拉繩受力
=
=
=
式中：γ－風纜繩每米長的重力；γ=5.479kg/m；－滾動摩擦系數(shù)=1.02
－單根風纜繩的重量； －風纜繩受負載張力
=
=
=137.66 t
對桅桿的壓力
=-7×7
=-7×7
=68.32?t
4、桅桿自重
通過實體精確建模（solidworks）計算得到桅桿自重： ＝82.05 t
重心位置：距下鉸點38.6m
5、風載計算（參考《建筑結構設計載荷》）
桅桿高度 72m，排子和道木高度共1m，沿桅桿每米高度的風壓q（kg/m）：
式中:
n－風載系數(shù) 取n=1.3
－體形系數(shù) 取=1.5
－風壓高度系數(shù)
B－風振系數(shù) 取B=1.6
－基本風壓值對于蒲式五級風為6.4~11.49.取=10
－桅桿斷面寬度取=2.1m
－高度系數(shù)
風壓計算結果
離地高度m
10
20
30
40
50
60
70
80
kz
1.0
1.26
1.46
1.54
1.64
1.72
1.79
1.85
q(N/m)
590
750
870
910
970
1020
1060
1100
表2.
5、力學模型
6、強度計算結果(理論)
1）通過對O點（下鉸點）取力矩平衡可以求得：風繩拉力 Pt = 111 t
2）X、Y兩個方向的載荷平衡可以算得：O點的反力為Rox = 3.5t Roy=621t
3）彎矩與剪力計算：
模型：
圖8.
彎矩圖：單位（N?M）
圖9
剪力圖：單位(N)
圖10
2.4 桅桿總體計算
圖11.吊裝計算簡圖
－拖拉繩系點偏心距＝830.84mm
－滑輪組系點偏心距＝865mm(835)
－拖拉繩系點至滑輪組系點垂直距離＝1422.63mm
h －桅桿頂部至拖拉繩系點距離h＝323.73mm
－滑輪組系點至截面Ⅱ－Ⅱ距離242.10mm
－滑輪組系點至截面Ⅲ－Ⅲ距離1626.10mm
－滑輪組系點至截面Ⅳ－Ⅳ距離17298.37mm
－滑輪組系點至截面Ⅴ－Ⅴ距離28329.05mm
－滑輪組系點至截面Ⅵ－Ⅵ距離58297.06mm
H－滑輪組系點至桅桿底部鉸的高度61421.10mm
－拖拉繩系點至截面Ⅱ－Ⅱ距離1664.73mm
－拖拉繩系點至截面Ⅲ－Ⅲ距離3048.73mm
－拖拉繩系點至桅桿高度2／3截面Ⅳ－Ⅳ距離18721mm
－拖拉繩系點至桅桿高度1／2截面Ⅴ－Ⅴ距離29751.68mm
－拖拉繩系點至截面Ⅵ－Ⅵ距離59719.69mm
－拖拉繩系點至桅桿底部鉸的高度62843.73mm
β －拖拉繩與地面的理論夾角β≤
α －滑輪組與桅桿中心線的夾角α≤
－拖拉繩與桅桿垂直截面的理論夾角=β+α≤
1、桅桿底部截面以上自重
=66.8 t
對桅桿的壓力
=
=
=65.8 t
2、桅桿中部截面以上自重
＝35.88t
對桅桿的壓力
=
=
=35.33 t
3、桅桿2/3高度截面以上計算自重
＝23.92 t
對桅桿的壓力
=
=
=23.55 t
4、桅桿（Ⅲ－Ⅲ）截面以上計算自重
＝7.55 t
對桅桿的壓力
=
=
=7.43 t
5、桅桿（Ⅱ－Ⅱ）截面以上計算自重
＝5.10 t
對桅桿的壓力
=
=
=5.02 t
6、桅桿（Ⅰ－Ⅰ）截面以上計算自重
＝4.67t
對桅桿的壓力
=
=
=4.60 t
7、桅桿底部截面（Ⅵ－Ⅵ）的正壓力及彎矩
=
=t
=
＝
＝13.74t.m
8、桅桿中部截面（Ⅴ－Ⅴ）的正壓力及彎矩
＝
＝445.50+95.78×sin+33.30+12×12×sin+49.18
=647.88t
式中：－桅桿中部截面以上自重＝33.30t
＝
＝
＝145.52t.m
9、桅桿高度2／3截面（Ⅳ－Ⅳ）的正壓力及彎矩
＝
＝445.50+95.78×sin+22.20+12×12×sin+49.18
=636.78t
式中：－桅桿2/3高度截面以上計算自重＝22.20t
＝
＝
＝194.03t.m
10、桅桿（Ⅲ－Ⅲ）截面正壓力及彎矩
＝
＝445.50+95.78×sin+7.01+12×12×sin+49.18
＝621.59t
式中： －桅桿（Ⅲ－Ⅲ）截面以上計算自重＝7.01t
＝
＝
＝262.95t.m
11、桅桿（Ⅱ－Ⅱ）截面正壓力及彎矩
＝
＝506+95.78×sin+4.73+12×12×sin+49.18
＝619.31t
式中： －桅桿（Ⅱ－Ⅱ）截面以上計算自重＝4.73t
＝
＝
＝269.04t.m
12、桅桿（Ⅰ－Ⅰ）截面正壓力及彎矩
＝
＝506+95.78×sin+4.34+12×12×sin+49.18
＝618.92t
式中： －桅桿（Ⅰ－Ⅰ）截面以上計算自重＝4.34t
＝
＝
＝157.80t.m
＝
＝452.37×0.9848×0.865+42.54-157.80
＝385.36+42.54-157.80
＝270.10t.m
13、桅桿頂部標高中心點的彎矩
＝
＝
＝39.79t.m
＝
＝
＝119.89t.m
14、桅桿豎立內力分析及計算
桅桿自重 ＝71.76 t
跑繩重量 ＝11t
假設桅桿豎立時：
方案1、后背T力與桅桿軸線夾角大于25.5度時（利用輔助桅桿平底立起此桅桿）
方案2、吊車抬頭24m桅桿與地面夾角為27.49度，桅桿底部與后背錨坑距離應大于150m。
本計算按方案1考慮桅桿受力，T力為最大時的核算結果
1） 計算T力及支座反力、
A、對A點取矩
式中：－桅桿頭部的集中載荷＝2.5t
－定滑輪的重量＝2.5t
q＝＝1.226t/m
代入
T＝
＝146.34t
B） 對B點取矩：
＝
＝
＝21.56t
C)
＝
＝
＝132.08t
2） 在均勻載荷q單獨作用下：
＝
＝
（注釋：加上2個彎矩與受力圖）
3） 在集中力P及單獨作用下：
P＝＝5t
=2.5t
＝
＝
（注釋：加上2個彎矩與受力圖）
4） 在起吊力T造成的偏心彎矩單獨作用下：
＝＝
5） 將2、3、4式中的M疊加：
對（）段取導數(shù)
z=
=
=
=18.12m
=
=
=201.34t.m
對（）段取彎矩.由于豎立桅桿時是屬于外伸簡支梁.故在z=l處
==
=
=328.34t.m
根據剪力圖疊加圖得知. 在B的左端
==
=
=28.81t.m
15、風載荷計算（參考《建筑結構設計載荷》）
桅桿高度 62m
排子和道木高度共1m
a) 沿桅桿每米高度的風壓q（kg/m）
q=
式中:
n-風載系數(shù) 取n=1.3
-體形系數(shù) 取=1.5
-風壓高度系數(shù)
B-風振系數(shù) 取B=1.6
-基本風壓值對于蒲式五級風為6.4~11.49.取=10
-桅桿斷面寬度取=1.9m
高度系數(shù)
風壓計算表
離地高度
10
20
30
40
50
60
70
80
1.0
1.26
1.46
1.54
1.64
1.72
1.79
1.85
q(kg/m)
59
75
87
91
97
102
106
110
q(t/m)
0.059
0.075
0.087
0.091
0.097
0.102
0.106
0.110
表3
=
=2.97t
=
=2.458t
=
=7.75t.m
=
=43.72t.m
=
=37.60t.m
=
=8.56t.m
=
= 4.80t.m
=
=4.12t.m
16、桅桿強度及穩(wěn)定性校核
a) 截面強度特性
Ⅰ) Ⅵ－Ⅵ截面
＝＝147.03
＝＝＝588.11
＝0
＝0
==
=
=
=
=
＝＝＝
＝
＝
＝
＝＝＝
＝＝＝66.96
＝＝＝71.94
＝＝93.85
＝＝87.36
Ⅱ) Ⅳ－Ⅳ、Ⅴ－Ⅴ截面
＝＝147.03
＝＝＝588.11
＝0
＝0
==
=
=
=
=
＝＝＝
＝
＝
＝
＝＝＝
Ⅲ) Ⅲ-Ⅲ截面
＝＝147.03
＝＝＝588.11
＝0
＝0
==
=
=
=
=
＝＝＝
＝
＝
＝
＝＝＝
Ⅳ) Ⅱ-Ⅱ截面
＝＝147.03
＝＝＝768.11
＝0
＝0
==
=
角鋼的慣性矩
=
=
=
=
=
=
=
＝＝＝
＝
＝
＝
＝＝＝
Ⅴ) Ⅰ-Ⅰ截面
＝＝147.03
＝＝＝768.11
＝0
＝0
==
=
角鋼的慣性矩
=
=
=
=
=
=
=
＝＝＝
＝
＝
＝
＝＝＝
截面幾何特性表
截面
（）
（）
（）
（）
（）
Ⅰ-Ⅰ
768.11
Ⅱ-Ⅱ
768.11
Ⅲ-Ⅲ
588.11
Ⅳ-Ⅳ、Ⅴ-Ⅴ
588.11
Ⅵ-Ⅵ
588.11
表4
典型截面內力表
截面
N（t）
(t.m)
(t.m)
(t.m)
標高(m)
備注
Ⅰ-Ⅰ
618.92
270.10
4.12
274.22
Ⅱ-Ⅱ
619.31
269.04
4.80
273.84
Ⅲ-Ⅲ
621.59
262.95
8.56
271.51
Ⅳ-Ⅳ
636.78
194.03
37.60
231.63
Ⅴ-Ⅴ
647.88
145.52
43.72
189.24
Ⅵ-Ⅵ
676.62
13.74
7.75
21.49
豎立桅桿剪力
按方案1考慮結果
豎立桅桿彎矩
表5
B） 強度校核
按公式：
Ⅰ-Ⅰ截面
Ⅱ-Ⅱ截面
Ⅲ-Ⅲ截面
Ⅳ-Ⅳ截面
Ⅴ-Ⅴ截面
Ⅵ-Ⅵ截面
均小于許用應力
c) 整體穩(wěn)定性計算
1、彎矩作用主平面內（x－x軸）按鋼結構設計規(guī)范（TJ17-74）第48條計算
ξ=
==0.418
式中:
F=315.36
=
=77.5cm
==0.451
式中:
－對y軸最小慣性矩＝
－對y軸最大慣性矩＝
==0.448
式中:
－對x軸最小慣性矩＝
－對x軸最大慣性矩＝
m===0.769
根據桅桿的支承形式查《起重機設計手冊》P424頁
＝1.01
u＝1
故 ＝＝＝52.52m
λ=
===72.1cm
==72.8
=
=
=74.2
式中:
－主桿單肢的截面積
－腹桿單肢的截面積
對于16Mn鋼（見TJ17－74附表21）
＝
＝
＝87
式中:
－16Mn鋼的屈服點＝3300
查附表21：
＝0.531
代入：
＝＝2159.4（211.8MPa）
Ⅱ 彎矩作用在主平面內（y－y）軸。按鋼結構（TJ17－74）第39頁計算知
＝
式中：
N＝361.6t
＝101.46t.m
F＝A＝315.36
＝
＝
根據查附表21得：
＝0.688
＝
＝2159.1（211.8MPa）
兩種計算略大于，單位超過的5％,故許可.
第三章液壓卷揚機設計
卷揚機是起重機起升系統(tǒng)主要設備之一。液壓卷揚機 結構緊湊，傳動平穩(wěn)，調整范圍大，操縱簡單，易于安裝。它即可與起重機配套，又可獨立使 用。是一個很值得開發(fā)的產品，為此我們進行 了250kN液壓卷揚機的設計工作 。
3.1液壓卷揚機主要技術參數(shù)
主要技術參數(shù)
起重機起升量為400t。假設總重量為500t，12個動定滑輪組成滑輪組，倍率為24,有：
[S]=1020240*0.82/4.5=27.65t
S＝500／（24）=20.8t
12個動定滑輪組成滑輪組，倍率為24。單繩負荷F=208kN，單繩速度V= 1.3m/s。
查機械設計手冊選取雙互捻鋼絲繩，直徑為46mm。
3.2液壓卷揚機的總體方案設計
250 kN液壓卷揚機負載較大，這就要求卷揚機的工作運行及制動必須安全可靠，而且傳動系 統(tǒng)結構要緊湊，操縱要方便，這就給設計工作帶來一定的難度。
3.2.1結構設計
設計卷揚機首先要確定卷筒直徑，因為它直接影響卷揚機的結構及轉速。經計算與結構分析，我們確定鋼絲繩直徑d=46mm， 卷筒直徑Dz=(12.5～27.3)d=860mm，卷筒的計算直徑D計=920 mm。卷筒采用多層繞有槽卷筒，根據選擇的卷筒，所需的繞繩量：
式中：——提升的最大高度，
——滑輪組倍率24
——附加的安全圈數(shù)，取3圈；
——卷筒的計算直徑,
卷筒每層繞的圈數(shù)：
式中： —鋼絲繩在卷筒上的層數(shù)，取15
—鋼絲繩的直徑,
多層繞卷筒的長度為：
式中：為鋼絲繩排列不均系數(shù)。
卷筒外護壁直徑為：
卷筒的總長度?。?
3.2.2傳動設計
卷筒直徑確定后，可以進行卷揚機的轉速計算。由技術參數(shù)所知，卷揚機在全載時的線 速度