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山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)設計說明書
QTZ63型塔式起重機頂升機構的設計
1.引言
二次世界大戰(zhàn)結束以后，由于許多國家夷為廢墟，龐大而艱巨的家園重建工作，要求建筑施工實現(xiàn)機械化，以加快建設進度。作為建筑機械化主導機械，塔式起重機得以應運而迅猛發(fā)展。
1.1我國塔式起重機行業(yè)發(fā)展概況
我國塔式起重機行業(yè)于20世紀50年代開始起步，1953年由原民主德國引進建筑師-Ⅰ型塔式起重機（Baumeister Ⅰ）,1954年撫順試制成功第一臺2-6t塔式起重機，仿建筑師-Ⅰ型。初名TQ2-6塔式起重機。首次在北京用于大型砌塊民用建筑施工，并取得成功。1965年列入國家生產計劃的沈陽建機廠開始批量生產紅旗Ⅱ-16型塔式起重機。
20世紀80年代隨著改革開放和國際技術交流增多，我國曾先后有原聯(lián)邦德國.法國.意大利及丹麥引進了為數(shù)可觀的塔式起重機產品，特別是1984年由法國POTAIN公司引進的三種機型（H3/36B.F0/23B.GTMR360B）的生產許可證，極大地促進了我國塔式起重機產品設計制造技術的進步。通過消化吸收國外先進技術，對基礎部件，如電動機.電器.回轉支承.傳動機構及安全裝置等進行定點生產，一些生產主機的專業(yè)大廠還進行了相應的技術改造，增設鋼材預處理生產線，從而使國產塔式起重機的質量迅速提高，一些主要機種已達到或接近國外同類產品質量水平。
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進入了一個新的興盛時期，年產量連年猛增，全國塔式起重機總擁有約為10萬臺。塔式起重機出口業(yè)務曾一度極為興旺。至此，無論從生產規(guī)模，應用范圍和塔式起重機總量來衡量，我國均堪稱世界首號塔式起重機大國。
改革開放以來，國民經濟的騰飛和投資規(guī)模的擴大，促進了建筑機械行業(yè)的不斷發(fā)展，為塔機行業(yè)提供了良好機遇和發(fā)展空間。
據有關方面提供的信息：我國西部開發(fā)建設、國家能源建設、煤炭基本建設、油田建設、住宅建設、城市地鐵建設等眾多項目，預計2001～2005年全社會固定資產投資規(guī)模約為60000億元，用于購置建筑機械的費用每年約為700億元左右，其中相當數(shù)額用于購置塔機。
近幾年來，我國的塔式起重機制造行業(yè)發(fā)展速度很快。出現(xiàn)了一大批塔機制造廠家，開發(fā)了系列化塔機產品，實現(xiàn)了產品更新?lián)Q代，積累了不少經驗，市場競爭局面逐漸形成，特別是我國加入WTO以后，國際競爭更趨激烈。為了塔機企業(yè)在競爭中立于不敗之地，必須生產出質優(yōu)價廉的產品。但是我們的塔機企業(yè)與國外先進企業(yè)相比存在一些不足之處，如產品檔次低，質量不夠穩(wěn)定，產品結構單一，更新?lián)Q代速度慢，技術管理與生產管理落后等，因而難以有效地滿足市場不斷變化的需求，也制約了企業(yè)的進一步發(fā)展。
對比國外先進企業(yè)的經驗，經過認真分析，我們認為：其中一個重要的原因是與企業(yè)對標準化工作的重視程度和標準貫徹力度不足有很大的關系。企業(yè)要使產品技術性能的先進性，結構的合理性，操作使用的可靠性得到持續(xù)改進，就必須不折不扣地達到標準的要求，并結合工藝技術的完善和管理水平的提高，使產品的制造成本逐步降低。因此塔機標準的采標、學習和貫徹工作就顯得十分重要。
1.2國外塔式起重機發(fā)展概況
據資料報道，目前生產塔式起重機的國家有：德、法、意、英、西班牙、丹麥、瑞典、南斯拉夫、波蘭、捷克、俄、日等。國外著名塔式起重機工廠生產的塔式起重機多達600多余種型號，擁有塔式起重機的最多的是德國和俄國。
20世紀末20余年國外塔式起重機技術發(fā)展的主要特點是：
(1)組合塔式起重機得到迅速發(fā)展 所謂組合塔式起重機，就是以塔身為核心，按結構和功能特點，將塔式起重機分解為若干部分，并依據系列化和通用化要求，遵循摸數(shù)制原理將各部分劃分并設計成若干模塊。根據參數(shù)要求，選用適當模塊分別組拼成具有不同技術性能特點的塔式起重機，以滿足施工的具體要求。
(2)一些超重型塔式起重機相繼問世 近年來，由于大功率電站.高壩，近海石油轉井平臺.天然氣轉井平臺以及石油化工業(yè)工業(yè)的發(fā)展的需要，對重型和超重型塔式起重機提出了更多更高的要求。目前，幅度70～90m，最大起重量為50～60t,起升高度100～300m的塔式起重機已非罕見?，F(xiàn)今世界最大的超重型塔式起重機當推法國POTAIN廠2005年推出的MD22500型塔式起重機，其最大幅度100m時的起重量為180t,起升高度為99m。
(3)適應都市改建需要的城市塔式起重機應運而生并得到發(fā)展城市鬧市區(qū)改建工廠的特點是，場地狹窄，建筑基地面積??；建筑密度大，道路交通擁塞，塔式起重機回轉障礙多；地質條件差，地下管道多；但道路交通不能中斷，所在地區(qū)銀行、商業(yè)銀行、商業(yè)辦公設施必須繼續(xù)正常營業(yè)。為適應這種都市改建工程的特點，西方某些工廠率先推出400～700 KN·m級的城市塔式起重機。在德國，把這種適應在鬧市施工需要的“城市改建塔式起重機”,簡稱為E Crane、經濟塔式起重機。其特點是：
①采用短平衡臂，便于在建筑密集地區(qū)進行架設、拆除、以避免在回轉過程中與建筑物突出部分發(fā)生矛盾。
②采用尺寸可在4m×4m～6m×6m范圍內進行調節(jié)的X形底架，以利于在人行道上和馬路旁安裝固定。
③塔式起重機的塔尖（塔帽）、轉臺、司機室、起升機構、回轉機構、小車牽引機構、小車、吊鉤滑輪、平衡臂以及臂架根部拼裝成一個擴大組件。安裝后，接通電源即可投入運行。
④運輸方便快捷，一般只需三、四輛重型拖車便可將塔式起重機部件運至工地，并可立即交付安裝。
⑤安裝架設速度快，450～900kN·m級E塔機借助液壓伸縮臂汽車起重機作為安裝輔機，在4～6天內可安裝完成。
⑥采用較完善的調速、操縱系統(tǒng)和電子儀表。
1.3我國塔式起重機產品技術開發(fā)領域
(1)為適應城鎮(zhèn)興建經濟實用住房的需要，應積極發(fā)展工效高.投產便捷可與汽車吊競爭的160～250 kN·m級下回轉快裝塔式起重機的生產。與此同時，還應適當發(fā)展安裝投產均比較簡便的輪胎式輕型塔動兩用起重機。
(2)大力開發(fā)經濟型城市塔式起重機。按額定起重力矩，這類塔式起重機分為三擋；450、600、1000 kN·m，最大幅度45、50、55m。臂端起重量分別為1、1.2、1.8t。主要用于大中城市見縫插針型的中高層或高層建筑的施工。
(3)適應發(fā)展動臂式自升塔式起重機和折曲式兩用臂架自升塔式起重機的生產，以適應塔式起重機出口市場和國內大中城市內某些特定工程和鋼結構高層建筑施工的需要。
(4)積極開發(fā)和完善采用變頻調速系統(tǒng)的起升機構、繼續(xù)完善小車變幅機構、回轉機構，頂升機構，大車走行機構的調速系統(tǒng)，務使加速、減速均能平穩(wěn)地變化，在突然剎車的情況下，無振動沖擊現(xiàn)象。改變轉向時能自動地減速?？傊?，應大力改進完善電控系統(tǒng)和調速系統(tǒng)，以提高塔式起重機工作平穩(wěn)性、安全可靠性和生產效能。
(5)為了開拓塔式起重機出口市場，迎接加入WTO后所面臨的局面，今后推出的塔式起重機新產品必須按ISO有關規(guī)定對一些細部做法加以改進。例如：為防止起升機構卸載后出現(xiàn)的松繩、亂繩現(xiàn)象，應加設排繩機構；改進一些輔助設施（如防護欄、扶梯、踏步、大燈防護罩、司機室活動頂蓋及窗欄、吊臂上的走道板等）的構造設計，完善其功能和固定的可靠性；改進小車變幅綱絲繩斷繩保護裝置，以保證其靈敏和可靠等。
此外，按ISO規(guī)定：塔式起重機大車走行緩沖裝置應通過可靠性實驗，實驗時車速不得小于5m/s；起重力矩在600 KN·m以上的塔式起重機，其懸掛式司機室懸掛高度不得低于20m，司機室內不得設有容易觸發(fā)工傷事故的物件。ISO換規(guī)定：司機室吊頂應平整，不得裝有影響室內凈平頂高度的物件；司機室，門洞必須采用耐火材料制作；司機室內應備有消防器材；全部安全裝置均應附裝壓簧；對司機室的噪聲，操縱臺上的控制裝置等ISO亦均有規(guī)定?？傊狡鹬貦C新產品應力求滿足上述要求。
1.4 塔式起重機的特點
本設計以我國自行生產的QTZ63塔式起重機為例，該機為水平起重臂架，小車變幅，上回轉自升式多用途塔機，其最大工作幅度為50米，最大起重量為6噸，起重力矩符合最新塔式起重機基本參數(shù)。該機的主要特色有：
(1)工作方式多，適用范圍廣。該機有無斜撐固定基礎式、帶斜撐固定基礎式、外墻附著式等工作方式，同時還可以根據需要變換臂長為44m、 38m,以適用于各種不同的施工對象。無斜撐固定獨立的起升高度為37.5m,附著式是在獨立式的基礎上, 增加標準節(jié)和附著裝置而實現(xiàn)的，起升高度可達到140m,特殊訂貨請與廣東業(yè)豪機械制造有限公司聯(lián)系。
(2)工作速度高，調速性能好，工作平穩(wěn)可靠。采用帶有渦流制動器的三速電動機，使得起升機構獲得理想的起升速度及荷重的慢就位。小車牽引機構裝有電磁盤式制動器，使工作機構速度高且制動平穩(wěn)可靠。采用液力偶合器和行星減速器驅動的回轉機構，使得塔機回轉起動、制動平穩(wěn)，就位準確，安全可靠。
(3)引進國外先進技術并國產化了的重量限制器、力矩限制器、高度限位器、幅度限位器、回轉限位器、回轉、牽引機構的制動器具等安全裝置，以及小車防斷繩、防斷軸裝置，使塔機能適用于各種不同的施工環(huán)境，確保塔機工作可靠。
(4)駕駛室采用先進的聯(lián)動臺操縱各機構動作，操作容易，維修簡單。
(5)設計完全符合或優(yōu)于國家標準。
2設計任務書
2.1 產品設計的依據、目的及意義
無論國內還是國外，塔式起重機在現(xiàn)代化建設中都起作非常重要的地位。它是現(xiàn)代社會進步的一個標志，是人類建設不可缺少的重要設備，它的高效性、安全穩(wěn)定性是塔機行業(yè)較普遍關心和注意的問題。在我國每年因塔機安全方面引起的傷亡事故較多，給不少的家庭和社會造成了嚴重的影響和巨大的損失。為了減少或避免事故的發(fā)生，在塔機整體設計中應綜合考慮各相關參數(shù)，以人為本、安全第一的設計觀點來進行各項設計。
本設計以我國自行生產的QTZ63塔式起重機為例，該機為水平起重臂架，小車變幅，上回轉自升式多用途塔機，其最大工作幅度為50米，最大起重量為6噸，起重力矩符合最新塔式起重機基本參數(shù)。在進行實地測量機器各部件的基礎上繪制機構圖。在保證能恢復原機的前提下拆分機器，拆卸前畫出裝配結構示意圖，在拆卸的過程中不斷修正，注意零件的作用和相互關系，進行零件的測繪并繪制裝配圖，在測繪的過程中，探索其構思過程和設計特點，吸取其技術精華，并對其不足之處進行改善，把自己的設計思想融入其中。
2.2 產品的用途及適用范圍
該塔式起重機適用于高層大樓，居民住宅，高層工業(yè)建筑，大跨度工業(yè)廠房及采用滑模法施工的高大煙囪及筒倉等大型建筑工程中。
2.3 基本技術參數(shù)及性能指標
QTZ63型塔式起重機的技術性能參數(shù)如表2-1所示
表2-1 QTZ63塔型式起重機的技術性參數(shù)
項目
單位
數(shù)值
起重力矩
整機質量（平衡重除外）
kN·m
㎏
630
26186
最大起重量
t
6
頂升速度
m/min
0.69
起升高度
m
37.5
起升速度
m/min
20
最大回轉半徑
m
51.8
頂升機構流量
l/min
10
液壓泵壓力
MPa
20
工作溫度
℃
-20～40
2.4 頂升機構工作原理
首先用起重吊鉤將一個標準節(jié)吊起，使標準節(jié)上端水平斜腹桿中部置于引進小車吊鉤上，然后用吊鉤再吊起一個標準節(jié)，移動變幅小車至適當位置。準備頂升，先將油缸活塞桿縮回，把頂升橫梁兩端的銷軸準確放進標準節(jié)的踏步口正中靠底，拆去下支座與標準節(jié)的全部連接螺栓，然后稍微向上頂升一點套架，再重復調整滾輪間隙至最佳狀態(tài)，同時觀察下支座與標準節(jié)的套管是否能對位比較準，如不準，應適當調整變幅小車位置。對位好后，繼續(xù)頂升套架1.4米左右，使爬升銷軸踏在相應標準節(jié)的踏步上（兩爬升銷軸必須處于水平狀態(tài)并處于同一水平面上，并同時與標準節(jié)踏步貼合）。爬升銷軸踏好后，再縮回液壓缸活塞桿，同時仔細觀察左右爬爪與踏步的貼合情況以及受力構件有無異響、變形等異常情況（此時頂升橫梁還在原踏步內）。確認正常后，使頂升橫梁兩端銷軸進入上面的踏步口中，確定頂升橫梁兩端的銷軸都放進踏步口后，繼續(xù)頂升套架約1.6米，人工通過引進梁和引進小車把引進鉤上的標準節(jié)拉入至套架內塔身已固標準節(jié)正上方。而后，緩慢縮回液壓缸活塞桿，同時使引進的標準節(jié)對正塔身已固標準節(jié)，落好后，（此時頂升橫梁應繼續(xù)放在踏步內）。取下引進小車吊鉤。將剛引進的標準節(jié)與塔身已固標準節(jié)用特制高強度螺栓連接起來，用雙螺母緊固好。至此塔身加一個標準節(jié)的工作已完成，確認正常后，縮回活塞桿，進入上述工作循環(huán)，準備加下一個標準節(jié)的頂升作業(yè)。
2.5 關鍵問題及其解決方案
頂升作業(yè)的關鍵問題就在于一個標準節(jié)的高度為2.8m,而液壓油缸的行程為1.6m,所以需要頂升兩個行程才能加一個標準節(jié)。這就涉及到一個換步的問題，就是在第一次頂升1.4m后，通過爬升銷軸踏在踏步內，平衡臂以及上部重量通過套架和爬升銷軸轉移到塔身標準節(jié)上，所以爬升銷軸的強度以及套架的關鍵尺寸是本設計的重點問題。
2.6 塔式起重機的構造
金屬結構主要包括：基礎節(jié)、塔身標準節(jié)、套架、上下支座、過渡節(jié)、塔帽、起重臂、平衡臂、以及附著裝置等。
2.6.1基礎節(jié)
塔身基礎節(jié)主弦桿用角鋼扣方而成，與其它型材組焊而成的整體框架結構，下端通過法蘭與預埋基礎底架用高強地腳螺栓相連，上端用16件M30高強螺栓與塔身標準節(jié)相連，基礎節(jié)中心線尺寸為：1665×1665×2800。
如圖2-1：
圖2-1 基礎節(jié)
2.6.2塔身標準節(jié)
塔身標準節(jié)主弦桿亦是用角鋼扣方而成，扣方的主弦桿與其它型鋼桿件焊接而成，主弦桿中心線為：1665×1665×2800，每節(jié)之間用16件M30級特制高強螺栓聯(lián)接。如圖3-2：
圖2-2 標準節(jié)
2.6.3套架
套架由套架結構、平臺、欄桿、滾輪總成、爬升銷軸等組成，安裝套架時，開口方向應與標準節(jié)焊有踏塊的方向相反，套架結構安裝前應先裝好滾輪，8套滾輪應裝在規(guī)定的位置。如圖3-3：
圖2-3 套架
2.6.4塔帽
塔帽是由角鋼，方管、鋼板等組焊成的斜錐體，上端通過拉桿使起重臂與平衡臂保持水平，下端用16支M30×100螺栓與回轉塔身連接，為了安裝吊臂拉桿和平衡臂拉桿，在塔頂上部設有工作平臺和滑輪組。
2.6.5起重臂
起重臂是組合式可變結構,共分九節(jié)。起重臂上、下弦桿都是用兩條角鋼拼焊而成的方管，整個臂架為三角形截面，節(jié)與節(jié)之間用銷軸連接，拆裝方便，為了提高起重性能，減輕吊臂的重量，吊臂采用雙吊點變截面空間桁架結構，在起重臂第一節(jié)放置小車牽引機構，在小車上設置有吊籃，便于安裝與維修，臂架根部第一節(jié)與回轉塔身用銷軸連接。為了保證起重臂水平，在第二節(jié)、第六節(jié)臂設有兩吊點，通過這兩點與塔帽連接。
起重臂在組裝時，必須嚴格按照每節(jié)臂上序號標記組裝，不允許錯位或隨意組裝，起重臂最長為50米，根據施工要求也可以組裝成44米臂長和38米臂，其中變44米臂長時，拉桿吊點位置不變；變38米臂長時拉桿吊點位置也不變。兩組起重臂拉桿上端通過特制的銷軸與塔帽耳板連接，其下端通過特制銷軸分別與起重臂上弦桿的吊點銷孔連接而將起重臂懸掛為水平形式。
50米臂組裝順序：1+2+3+4+5+6+7+8+9
44米臂組裝順序：1+2+3+4+5+6+7+9
38米臂組裝順序：1+2+3+4+5+6+9
2.6.6平衡臂
平衡臂為工字鋼及角鋼組焊而成的結構，分兩節(jié)，用耳板銷軸連接，平衡臂上設有欄桿及過道，尾部設置工作平臺，平衡臂的一端用兩根特制的銷軸與回轉塔身相連，另一端組合剛性拉桿同塔帽相連，尾部裝有平衡重和起升機構，起升機構本身有獨立的底座，用四根銷軸平衡在平衡臂上，平衡重的重量隨吊臂長度改變而變化，50米臂時為13噸，44米臂時為12噸，38米臂時為11噸。平衡臂拉桿分兩組，通過特制的銷軸分別將塔帽和平衡臂尾部的拉桿耳板連接，將平衡臂掛至水平位置。
2.6.7上支座
上支座上部用16個M30×100高強度螺栓與回轉塔身底部的法蘭板連接，下部用36個M24高強度螺栓與回轉支承內圈連接，在上支座兩側對稱地安裝兩套回轉機構，安裝在它下部的小齒輪準確地與回轉支承外齒圈嚙合。
2.6.8下支座
下支座是上部通過回轉支承與上支座連接，下部與塔身標準節(jié)和套架連接的金屬結構，它主要是由鋼板拼焊而成的，它的上部平面用36個M24高強度螺栓與回轉裝置的外齒圈連接，支承上部結構，下部四個支腳和四角平面分別用16套M30×100高強度螺栓與套架連接，用16套M30級高強度螺栓與塔身連接。
2.6.9回轉塔身
回轉塔身是用角鋼扣方而成的主弦桿與其它形鋼組焊而成的,上端用法蘭與塔帽連接,下端通過法蘭與上支座連接。
2.6.10駕駛室
駕駛室為外掛式，其下部通過支承槽鋼與上支座連接，如有特別要求，還可在司機室上部通過拉桿斜拉在塔帽主弦桿上，以使司機室更穩(wěn)固。
2.7工作機構
工作機構包括：起升機構、小車牽引機構及液壓頂升機構等裝置，分別簡介如下
2.7.1起身機構
QTZ63塔式起重機采用了YZTD225L2-4/8/32三速帶渦流制動電機，通過帶制動輪的聯(lián)軸器帶動變速箱再驅動卷筒獲得三種繩速，根據吊重再選擇不同的滑輪倍率。當選用2繩時，速度可達到10、40、80米/分三種；若選用4繩時，則速度達到5、20、40米/分三種。這樣對于不同的起吊重量有不同速度，以充分滿足施工要求。為達到啟動和制動迅速又平穩(wěn)，在電動機的另一端帶有渦流制動器。在變速箱的輸入軸聯(lián)軸器上裝有YWZ315/45型液壓推桿制動器，起升機構不工作時，制動機構永遠處在制動位置。在卷筒軸另一端裝有高度限位器，高度取位器可根據實際需要的高度進行調整。
2.7.2回轉機構
回轉機構由兩臺YZR132M-6/2.2kw電機驅動。經液力偶合器帶動小齒輪,從而帶動塔機上部的起重臂、平衡臂等左右回轉，其速度為0.62rpm，由于采用液力偶合器聯(lián)結，因此塔機在起動和制動中平穩(wěn)無沖擊。內置式電磁停止器可對塔機起重臂作精確定位，使得物品就位準確。
2.7.3小車牽引機構
小車牽引機構是載重小車變幅的驅動裝置，由YDEJ132S-4/8二速電機驅動，經由液力推動制動器，擺線針輪減速器帶動卷筒，通過鋼絲繩（6×19-7.7-170-I-甲-鍍-右交GB1102-74）使載重小車以20/40米/分的速度在臂架軌道上來回變幅運動。兩牽引繩均一端纏繞后固定在卷筒上，另一端則固定在載重小車上，變幅時靠繩的一收一放來保證載重小車正常工作。
3.設計計算說明書
3.1頂升機構液壓系統(tǒng)的確定
1）頂升力的計算
頂升力按頂升部件的總重力和頂升過程中的摩擦阻力計算。摩擦阻力和風阻力可取為被頂升部件總重力的10％～20％。
上回轉塔式起重機的頂升力
(3.1)
式中 —頂升部件總重力;這里 ;
—附加載荷影響系數(shù)，通常取;
—頂升力與回轉軸線的夾角。
起重機的頂升力F隨塔身的接高而變化，即從逐漸向增大，頂升力和回轉軸線的夾角
得頂升機構在最大負載。
2）頂升速度和功率
塔式起重機的頂升工作不頻繁，因此頂升速度底。設計設計時，主要考慮安全性，可取,下放速度不宜大于頂升速度。
頂升功率
(3.2)
式中η—頂升機構的機械效率，η?。?
v—頂升速度（m/s）.v取0.0115
得
3）液壓油缸的選型計算
為適應不同液壓設備的需要，液壓設計有不同的壓力級，一般根據液壓設備的工作性質確定液壓系統(tǒng)的壓力。
表3-1 按主機類型選擇執(zhí)行元件工作壓力
主機類型
機床
農業(yè)機械
小型工程機械
工程機械輔助機構
液壓機
中、大型挖掘機
重型機械
起重機運輸機
磨床
組合機床
龍門刨床
拉床
工作壓力P(Mpa)
≤2
3～5
≤8
8～10
10～18
20～32
根據上表暫選20Mpa作為初定液壓系統(tǒng)的壓力。
圖3-1 油缸直徑示意圖
(3.3)
式中P—油缸壓強 這里
D—油缸直徑
要使所選油缸產生的推力能完成頂升過程，則必須，
可推出
根據液壓傳動表來確定活塞桿的直徑
表3-2 液壓缸活塞桿直徑推薦值
活塞桿受力情況
受拉伸
受壓強,工作壓力P1(MPa)
P1≤5
5＜P1≤7
P1＞7
活塞桿直徑d
(0.1～0.5)d
(0.5～0.55)d
(0.5～0.7)d
0.7d
由上表即可知活塞桿直徑d與缸筒直徑D成d=0.7D的關系
按GB2348—80將這些圓整成就近標準值時得：;;
根據上面數(shù)據選擇工程液壓缸，型號為 HSG L01-125/90E-1 121-1600×1920
液壓油缸的流速q：
(3.4)
式中 D—液壓缸直徑(m)
—頂升速度(m/s)
得
4）液壓泵的確定
液壓缸在頂升過程中最大工作壓力為,
如取進油回路上的壓力損失為0.8MPa，則液壓泵的最大工作壓力為：
液壓泵向液壓缸提供的最大流速為8.46l/min，若回路中泄露按液壓缸輸入
10％估計,則液壓泵要提供的流速為：
；
根據以上壓力和流速的數(shù)據查閱產品目錄，確定最后用16GY14-1B液壓泵。該泵的總效率為左右，則液壓泵驅動電動機所需要的功率為：
； （3.5）
式中—液壓泵的最大工作壓力；
—液壓泵的最大流速；
根據此數(shù)值查閱電動機產品目錄，選定Y132S-4型電動機，其額定功率為5.5 kw。
5）閥類元件及輔助元件的確定
根據液壓系統(tǒng)的工作壓力和通過各個閥類元件和輔助元件的實際流量，可選出這些元件的型號和規(guī)格，列于表3-3中
3-3 液壓元件表
元件名稱
估計通過的最大流速l/min
型號
額定流速l/min
額定壓力
MPa
高壓柱塞泵
9.306
16GY14-1B
24
20
高壓溢流閥
10
YF-L32H
32
25
壓力表開關
—
K-6B
—
—
安全閥
10
AXQF-E10B
10
25
三位四通換向閥
10
34DY-15BY
15
25
低壓溢流閥
10
Y-10B
10
25
平衡閥
10
YF3-E10B
10
25
6）液壓系統(tǒng)原理圖及工作過程
圖3-2 液壓系統(tǒng)原理圖
液壓頂升系統(tǒng)的工作，主要是靠安裝在套架內側面的一套液壓油缸、泵、閥和油壓系統(tǒng)來完成。當需要頂升時，由起重吊鉤吊起標準節(jié)送進引入架，拆去塔身標準節(jié)與下支座的16個M36的連接螺栓，開動電機使液壓缸工作，頂升上部結構之后借助操縱爬升銷軸支持上部重量，收回活塞，再次頂升，這樣兩次工作循環(huán)可接一標準節(jié)。液壓頂升過程的液壓動力是這樣傳遞的，當Y132S-4型5.5kw的電機開動時，帶動油泵，輸出20MPa的油壓和10l/min流量液壓動力。油泵供出的高壓油進入手動三位四通換向閥，中間裝有一支Y-60壓力表，便于觀察油壓讀數(shù)，手動換向閥為的是控制油液的進油和回油的方向，然后手動換向閥的液壓油經過平衡閥送到油缸中去進行油缸的伸縮頂升工作。工作油缸的高壓腔接有平衡閥，主要是防止起重機在自升過程中，由于油路系統(tǒng)故障引起起重機超速下降。
3.2塔式起重機頂升機構的設計
過程作簡單的描述如圖3-3：（1）將頂升橫梁兩端的軸頭放入踏步的半圓槽內；（2）啟動動液壓系統(tǒng)使活塞桿伸出，找正塔機頂部的平衡；繼續(xù)啟動液壓系統(tǒng)直至兩個爬升銷軸能擔在上面一個踏步上；（3）將兩個爬升銷軸推進同時操縱換向閥停止頂升而后轉為活塞桿收縮，直到頂升橫梁兩端的軸頭能放入上面一個踏步的槽內為止；（4）再次使油缸活塞桿伸出，直到塔身上方恰好有能裝入一個標準節(jié)的空間。然后引入標準節(jié)，由以上過程可以看出：標準節(jié)踏步、頂升橫梁和爬升銷軸等件在塔機的頂升過程起關鍵作用。
圖3-3頂升機構簡圖
1）標準節(jié)踏步的設計
工作過程如下：外套架上端以銷軸連接下支座，標準節(jié)上焊接塔步，液壓油缸安裝在外套架的橫梁上。油缸產生的推力通過頂升橫梁作用在塔步上，靠反作用力將套架及套架以上部件向上抬起，超過標準節(jié)一半的高度后，靠爬升銷軸卡在塔步上，將套架固定。油缸縮回帶動頂升橫梁跨在上一個塔步上，取下爬升銷軸繼續(xù)頂升。當下支座和已安裝的標準節(jié)之間的空間足以放下一個標準節(jié)時，在外套架外部引入標準節(jié)，并與下一節(jié)標準接連接緊固。下面以QTZ63塔式起重機為例， 進行頂升機構的受力分析：
踏步的計算包括踏步焊縫剪應力和踏步與頂升橫梁軸頭的接觸應力的計算兩部分；
（1）計算焊縫剪應力：踏步類似于建筑結構中的牛腿，圖4是QTZ63塔s式起重機踏步的結構尺寸和受力分析簡圖，從受力簡圖上可以看到，載荷Q對焊縫產生剪切應力之外，還應該考慮軸頭中心到主肢的距離e產生的彎距對焊縫的影響，用下面的公式來計算焊縫的當量剪切應力:
; (3.6)
式中：Q —單踏步承受的頂升重量，;
e —軸頭中心到焊縫型心的距離,112mm
hf —焊縫高度，240mm
lm —焊縫長度，14mm
—焊縫許用剪切應力，101.2MPa.
圖3-4踏步結構尺寸和受力圖
得，可以滿足要求。
（2）踏步接觸應力計算：根據材料力學的公式，不同直徑的半圓柱體產生的接觸應力
, （3.7）
其中：，—分別是軸頸和踏步的接觸面圓弧部半徑，，，
Q—為單踏步承受的頂升重量，;
E—彈性模量，;
L—接觸面寬度，28mm;
踏步材料：Q235A，許用接觸應力 .
得;
從計算上來看，計算應力小于許用應力，因此，不會有變形的可能。
2）頂升橫梁的載荷及強度計算
除去踏步之外，在塔機頂升時，頂升橫梁也是一個也是一個核心的受力件。圖3-5是QTZ63塔機的頂升橫梁的結構圖：
圖3-5頂升橫梁結構圖
自升式塔機在頂升時，應使各部件的重心在落在頂升中心線上。通過計算配重的重量和調整吊重的位置來保證。經計算，QTZ63塔式起重機的頂升包含以下部件：塔頂、平衡臂、平衡重、起升機構、平衡臂拉桿、司機室、起重臂、起重臂拉桿、變幅機構、載重小車、吊鉤、上轉臺、回轉支承、回轉機構、下轉臺、半節(jié)、電氣系統(tǒng)、標準節(jié)（共兩節(jié)）、套架、液壓系統(tǒng)等?？傊亓?。由于液壓油缸中心線是傾斜的，載荷G會產生水平分力，經計算，油缸中心線傾斜的最大角度為3.8度，水平載荷Gy=G×tan(3.8)=13.656KN。由于頂升橫梁上的油缸支腳間距為100，應將載荷分解為兩個相同的數(shù)值，單支腳垂直載荷，水平載荷.
圖3-6是頂升橫梁的主視圖
圖3-6 頂升橫梁主視圖
其中的集中載荷和通過頂升橫梁作用在兩端的塌步上。從圖上可以看出，我們需要校核A—A和B—B兩斷面應力，B—B斷面的剪切應力和兩端軸頸的接觸應力。
根據材料力學的公式，經計算A—A和B—B兩斷面的彎距
；
圖3-7為頂升橫梁的A-A斷面圖，可以用積分的方法計算出該斷面的截面特性：
圖3-7頂升橫梁A-A面斷面圖
慣性距
抵抗距
圖3-8是頂升橫梁的B-B斷圖面，同樣可以用積分的方法計算該斷面的截面特性：
圖3-8 頂升橫梁B-B面斷面圖
慣性距
抵抗距
由此可計算出兩斷面的應力：
應力疊加后
;
;
頂升橫梁的材料為Q235A, 按載荷組合B計算許用應力，
許用抗壓彎應力: ;
許用剪切應力: ；
可見，頂升橫梁的強度滿足要求。
軸頸斷面接觸應力：
（3.8）
其中：，—分別是軸頸和踏步的接觸面圓弧部半徑，，，
P—和的合力, ;
E—彈性模量，;
L—接觸面寬度，;
得；
按材料力學最基本的擠壓計算方法:
（3.9）
其中：R—為接觸面半徑，；
L—為接觸面寬度，；
P—為和的合力, ;
得；
軸頸材料：30調質，許用接觸應力；
可見，無論用哪一種方法計算軸頸接觸應力均能滿足要求。
3）爬升銷軸的設計
爬升銷軸放入踏步內的簡圖如下
圖3-9 爬升銷軸受力簡圖
這是一個懸臂梁，其中的集中載荷 P為踏步作用在爬升銷軸上的力?？梢钥闯觯?
A-A斷面受彎距最大，需要計算A—A斷面的彎曲應力和剪切應力：
銷軸A—A斷面的彎距;
銷軸直徑50mm,面積.
抵抗距 .
由此可以計算，銷軸剪切應力;
彎曲應力;
銷軸材料： 40Cr調質處理，; ;
所以銷軸滿足要求。
4）頂升套架的設計
QTZ63外套架式液壓自升式塔式起重機的頂升過程：將起重臂調整到正前方向（與引進梁同向），并把要加的塔身節(jié)按此方向在地面排好。吊起一個塔身節(jié)掛在引進梁小吊鉤上，這時卸下下轉臺與塔身節(jié)之間的高強度螺栓。將頂升橫梁兩端的軸頭放入踏步的槽內，開動液壓系統(tǒng)使活塞桿伸出20～30 mm,使下轉臺與塔身節(jié)結合面剛剛分開。同時，要使回轉電磁制動器起作用以保證起重臂不再左右擺動。將爬升銷軸抽出后操縱液壓系統(tǒng)使活塞桿繼續(xù)伸出，直至頂升橫梁兩端軸頭能擔在上面一個踏步上時，將兩個爬升銷軸推進同時操縱換向閥停止頂升而后轉為活塞桿收縮，此時爬升銷軸應可靠地放在踏步上，直到頂升橫梁兩端的軸頭能放入上面一個踏步的槽內為止，然后再次使油缸外伸（軸頭離開踏步后馬上將爬升銷軸抽出）直到塔身上方有能裝入一個塔身節(jié)的空間。這時將掛在引進梁外端的塔身節(jié)引入套架內與塔身對正螺栓孔，然后縮回油缸至上下塔身節(jié)連接面接觸，用高強度螺栓將兩塔身節(jié)連接牢固，將引進吊鉤拉至最外端，然后油缸繼續(xù)縮回，使下轉臺落在新加的塔身節(jié)上，用高強度螺栓連接牢固。至此，完成了一次頂升過程。
套架中液壓油缸型號選定以及頂升橫梁、爬升銷軸、滾輪等關鍵件定位尺寸的確定，首先應先知道以下幾個尺寸：
（1）標準節(jié)高度H=2800mm；（2）踏步圓弧中心與標準節(jié)上下兩平面的距離h1=470、h2=930；（3）標準節(jié)水平斜腹桿上平面到標準節(jié)上平面的距離A=125mm和水平斜腹桿的高度尺寸B=50mm（4）下轉臺底面到水平腹桿下底面（引進梁上平面）的距離D=265mm；（5）引進梁上平面到引進吊鉤內腔的距離E=308mm；（6）頂升橫梁軸頭與油缸支座中心距F=3mm；（7）踏步外沿上平面到踏步底面的距離T=140mm；（8）踏步槽（頂升橫梁軸頭）半徑R=30mm。因為標準節(jié)踏步位置要與套架協(xié)調定位，為防止踏步與高強度螺栓干涉，所以確定踏步圓弧中心與標準節(jié)上下兩平面的距離h1、h2還需要：①連接套長度G=130mm；②選用的高強度螺栓長度J=320mm、螺母厚度K=20mm；③踏步圓弧中心到踏步上下兩平面的距離M=160mm、N=120mm。設計可分四步來進行：
引進梁
標準節(jié)
上支座 頂升橫梁
圖3-10 頂升機構關鍵尺寸
確定液壓油缸行程和安裝距
先根據已知尺寸計算出引進標準節(jié)需要的最小空間L,
L=E-D+(A+B)+H+30=3048
30—為引進時兩標準節(jié)的間距
L也就是液壓油缸的兩次行程至少要頂升的距離，根據L可以確定需要的液壓油缸的最小行程Pmin:
Pmin = L － H/2 ＋ Q =1593mm
同時，因為上下兩層滾輪的間距越大，套架整體受力越好，所以可根據上滾輪最高不能超過標準節(jié)的上平面的原則，再由尺寸3048 mm確定上滾輪橫梁的位置，初定上滾輪橫梁距離套架頂部橫梁3268 mm。
確定爬升銷軸的位置
確定爬升銷軸位置的原則是：①在頂升換步時與頂升橫梁軸頭不干涉；②盡量地便于在套架主肢上生根定位。
在塔機正常狀態(tài)時，爬升銷軸應在踏步附近。如果爬升銷軸在踏步槽上方，那么在第一次頂升時就會減少頂升高度，造成第一次頂升完畢換步時頂升橫梁銷軸低于踏步槽，無法進行第二次頂升。由此可以看出爬升銷軸應低于踏步槽或與踏步槽同一位置。如果低于踏步槽，這樣在第一次頂升時就會增加油缸行程，但是不應超過油缸的最大行程。即踏步槽和爬升銷軸的最小中心距Umin 為0，最大中心距Umax為：
;
由于爬升銷軸只在第一次頂升縮回油缸時將爬升銷軸放入踏步內起支撐上部重量的作用，所以在本設計中將爬升銷軸的位置與踏步槽中心定為0。即在第一次頂升的時候頂兩個踏步間的距離為1400mm.由于油缸的行程為1600mm,所以能滿足要求。
為防止在連接高強度螺栓時踏步干涉，所以上下兩層踏步的極限位置是：兩塔身節(jié)連接后上層踏步上平面至少低于高強度螺栓下端面一個螺母厚度； 下層踏步底面至少高于連接套上平面一條高強度螺栓長度。即：
;
所以準節(jié)上踏步圓弧中心距離標準節(jié)上平面 , 的尺寸合乎要求，無須重新定位。
根據平臺定位原則確定上層平臺距離套架上水平腹桿1100mm,上下兩平臺間距為2000。這樣人站在上下平臺上便于操作。
4.使用說明書
4.1頂升作業(yè)
第一步：先將要加的幾個標準節(jié)吊至塔身引入的方向一個個依次排列好，然后將大臂旋轉至引進橫梁的正上方，打開回轉制動開關，使回轉處于制動狀態(tài),用吊鉤吊起一個標準節(jié)，放到引進橫梁的吊鉤上。這時塔式起重機的上部重心落在頂升油缸上的鉸點位置上，最后卸下轉臺與塔身標準節(jié)的8 個M30的連接螺栓，將頂升橫梁兩端的軸頭放入塔身的踏步槽內。
第二步：開動液壓系統(tǒng)使活塞桿伸出20～30mm。使下支座與塔身標準節(jié)結合面剛剛分開，然后將爬升銷軸抽出后操縱液壓系統(tǒng)使活塞桿繼續(xù)伸出，大約頂升1.4米左右，使爬升銷軸能準確的放入踏步槽內。
第三步：這時操縱液壓的換向閥，使活塞桿收縮，使頂升橫梁的兩端軸頭能放在上一個踏步槽內，繼續(xù)操縱液壓系統(tǒng)頂升1.6米左右，使塔身上方剛好能裝一個標準節(jié)的空間。
第四步：將一節(jié)標準節(jié)通過引進橫梁人工拉到塔身的正上方，對準標準節(jié)的螺栓連接孔，先將標準節(jié)下方的螺栓連接好。然后，縮回活塞桿至上、下標準節(jié)接觸吻合后，用8個M30的高強度螺栓將標準節(jié)和下支座按一定的予緊力連接可靠。即完成一個標準節(jié)的加節(jié)過程。
4.2頂升過程的注意事項
（1）頂升過程中必須利用回轉制動器將吊鉤鎖住，嚴禁吊臂回轉，保證起重臂與引入塔身標準節(jié)的方向一致。
（2）加完一個塔身標準節(jié)后，若需吊臂回轉，起吊下一塔身標準節(jié)，則必須使塔身各弦桿和下支座至少有一個4套M30高強度螺栓相連接。
4.3液壓頂升系統(tǒng)的維護和保養(yǎng)
（1）使用液壓油嚴格按潤滑表中的規(guī)定進行加油和換油，并清洗油箱內部。
（2）溢流閥的壓力調整后，不得隨意更動，每次進行爬升之前，應用油表檢查其壓力是否正常。
（3）應經常檢查各部管接頭是否緊固嚴密，不準有漏油現(xiàn)象。濾油器要經常檢查有無堵塞，檢查安全閥在使用后調整值是否變動。
（4）油泵、油缸和控制閥，如發(fā)現(xiàn)滲漏應及時檢修。
（5）組裝和大修初次起動油泵時，應檢查入口和出口是否接反，轉動方向是否正確。吸油管是否漏氣，然后用手試轉，最后在規(guī)定轉速內起動和試運轉。
（6）在冬季起動時，要開開停停往復數(shù)次，待油溫上升和控制閥動作靈活后再正式使用。
4.4一般說明
（1） 起重機必須符合設計圖紙規(guī)定的基礎上工作。
（2） 起重機的操作人員必須經過訓練，了解機械的構造和使用，必須熟知機械的保養(yǎng)和安全操作規(guī)程，非安裝、維護人員未經許可不得攀登塔機。
（3） 起重機正常工作氣溫為－20℃～+40℃，風速低于6級。
（4） 起重機每轉移一次工地重新安裝后，必須進行空載、靜載、動載試驗后方能進行吊裝作業(yè)，其靜載試驗吊重為額定載荷的125%，動載試驗吊重采用額定載荷的110%。
（5）在夜間工作時，除塔機本身備有照明外，施工現(xiàn)場必須備有充分的照明設備。
（6） 司機室內禁止存放潤滑油，油棉紗及其它易燃易爆物品。冬季用電爐取暖更要注意防火。
（7） 起重機必須有良好的電氣接地措施，防止雷擊，遇有雷雨，嚴禁在底架的附近走動。
（9）塔機應定機定人，專機專人負責制。非機組人員不得進入司機室和擅自操作，在處理電氣事故時，必須有專職人員二人以上。
4.5 起重機的塔身升、降作業(yè)說明
（1） 在整個塔身升、降作業(yè)過程中，必須有專人指揮；專人照管電源；專人操縱液壓系統(tǒng)；專人照管頂升橫梁，塔身踏步和爬爪；專人緊固螺栓；專職司機操作塔機。非有關作業(yè)人員不得登機。
（2） 升、降工作應在白天進行，若遇特殊情況，需在夜間工作時，必須備有充足的照明設備。
（3） 只準在4級風以下進行頂升作業(yè)。如在作業(yè)過程中，突然遇到風力加大，必須停止工作，并緊固連接螺栓，使下塔身連接為一體。
（4） 頂升前必須放松電纜，使電纜放松長度略大于總的爬升高度。
（5） 升、降過程中，應把回轉部分緊緊剎住，嚴禁回轉及其它作業(yè)。
（6） 在升、降過程中，如發(fā)現(xiàn)故障，必須立即停車檢查，非經查明真相和故障排除，不得繼續(xù)進行作業(yè)。
（7） 每加高一節(jié)標準節(jié)，必須先把該節(jié)與塔身連接好后，方可繼續(xù)加高下一個標準節(jié)，只能拆該節(jié)與塔身及下支座的連接螺栓。不得提前拆卸塔身的其它大螺栓。
（8） 兩個爬爪因一定時間內不用產生銹蝕或運輸碰撞等原因，很可能不能自動恢復到水平狀態(tài)，故在加進或拆除標準節(jié)時，必須事先對兩爬爪進行仔細檢查。
（9） 塔身加高過程中兩爬爪是自然翻過踏步的。而在塔身下降過程中，當頂升油缸收缸時應拉起爬爪以避過踏步。當頂升油缸需要換步時再用爬爪支承踏步。
（10） 頂升橫梁的兩端頂升銷，必須是兩端放入踏步內，且與踏步良好地貼合。
（11） 每次升降作業(yè)前后，必須認真做好準備工作和收尾工作，應對液壓系統(tǒng)進行檢查，作空載試車，檢定安全壓力，特別在頂升以后，各連接螺栓應按規(guī)定的預緊力緊固，不得松動，爬升套架滾輪與塔身標準節(jié)的間隙應調整好，操作桿應回到中間位置，液壓系統(tǒng)的電源應切斷等。
4.6起重機的操作
必須嚴格執(zhí)行ZBJ80012-89《塔式起重機操作使用規(guī)程》的有關規(guī)定，司機必須是按勞動人事部門有關規(guī)定進行考核并取得合格證者。
（1）司機必須在得到指揮信號后，方可進行操作，操作前必須鳴笛，操作時要精神集中。
（2） 司機必須嚴格按起重機性能表中規(guī)定的幅度和起重量進行工作，不許超載使用。
（3） 起重機不得斜吊物品，并禁止用于拔樁等到類似的作業(yè)。
（4） 工作中塔梯上嚴禁有人，并不得在工作中進行調整或維修機械等作業(yè)。
（5） 工作時嚴禁閑人走近臂架活動范圍以內。
（6） 液壓系統(tǒng)安全閥的數(shù)值、電氣系統(tǒng)保護裝置的調整值及其它機構，結構部件的調整值（如制動器、限位開關等），均不允許隨意更動。
（7） 有兩臺以上塔機工作時，要根據工程特點注意相互間的位置，并采用不同標高的方法，以避免塔機的起重臂，平衡臂相互碰撞，以及與建筑物碰撞。
（8） 起重機作業(yè)完畢后，回轉機構松閘，吊鉤升起。
5標準化審核報告
QTZ63塔式起重機頂升機構的設計已基本完成，現(xiàn)具備全套圖紙和一些基本數(shù)據，根據有關規(guī)定，對其進行標準化審查，結果如下：
（1）設計圖紙和文件
圖紙和文件所用的編號原則符合以下標準和有關規(guī)定：
GB/T17710—1999 數(shù)據處理校驗系統(tǒng)；
JB/T 5054.8—1991 產品圖樣既涉及文件通用和借用件管理辦法；
JB/T 5054.4—2000 產品圖樣及設計文件編號原則；
JB/T 8823—1998 機械工業(yè)企業(yè)計算機輔助管理信息分類編碼導則。
（2）產品圖樣及設計文件符合以下標準和有關規(guī)定：
GB/T 10609.1—1989 技術制圖 標題欄；
GB/T 10609.2—1989 技術制圖 明細欄；
GB/T 14689—1993 技術制圖 圖紙幅面和格式；
GB/T 17825.2—1999 技術制圖 比例；
GBN/T 17825.10—1999 CAD文件管理 基本格式；
JB/T 5054.6—2000 產品圖樣及設計文件 更改辦法。
結論
近年來，隨著建設工程規(guī)模不斷擴大、高層建筑的日益增多，液壓自升式塔式起重機已經廣泛應用于建筑施工中。但是塔機的機械事故和安全事故也時有發(fā)生，從事故分析來看發(fā)生在安裝和拆卸過程中的比例比較大，縱觀事故原因，主要是操作不當引起的，但是結構尺寸設計不合理和預防措施不完善也是原因之一。為使設計者和使用者對塔機的頂升有更深的了解，避免事故的發(fā)生，本設計就QTZ63型塔式起重機的頂升機構做了研究和設計，根據頂升機構所承受的載荷，確定了頂升機構的液壓系統(tǒng)，最終選定16GY14-1B液壓泵，該泵確保頂升機構能穩(wěn)定的實現(xiàn)頂升作業(yè)，
頂升機構機械部分是塔式起重機的設計中一個重要的環(huán)節(jié)，設計時充分全面地計算載荷，精確的計算受力件踏步、頂升橫梁、爬升銷軸的應力。能夠保證塔式起重機的正常使用和安裝拆卸，結構比較合理，安全可靠，通過校核。能夠保證塔式起重機安全、穩(wěn)定的實現(xiàn)頂升加節(jié)過程，保證施工的安全。
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致謝
本文是在王七斤老師的悉心指導下完成的，四年來老師在學習和生活中給予了諄諄教誨和無微不至的關懷，尤其是在論文的選題、實驗設計及實施、數(shù)據處理和論文完成過程等方面都傾注了老師大量的心血，畢業(yè)之際，特向恩師致以誠摯謝意。
另外，在畢業(yè)之際，特向四年來從各方面給予我關懷和幫助的工程技術學院的各位老師，同學致意誠摯的謝意。
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