起重塔机顶升及回转支撑机构设计

摘 要

塔式起重机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。目前，国内推行的新型城镇化无疑会产生大量的建设任务，对塔式起重机的使用会越来越多。对塔机的合理设计将会直接影响塔机的安全、效率及稳定等方面。本次课程设计重点设计计算了QTZ40型塔式起重机的回转机构与顶升系统，回转和顶升是塔机的主要工作动作，通过对各个零部件进行计算、选型，充分保证在安全的前提下塔机的正常运行。利用软件SolidWorks三维软件进行实体造型，先做出三维模型，然后利用三维模型导出二维图纸，提高准确性和效率。

关键字：塔式起重机；QTZ40；回转机构；顶升

I

ABSTRACT

The tower crane is mainly used in the vertical and horizontal transportation of the material and the installation of the building component in the construction of the housing construction.At present,the new urbanization will produce a lot of construction tasks,the use of tower crane more and more.The reasonable design of the tower crane will directly influence the safety,efficiency and stability of tower crane etc.The curriculum design of the key design calculation the QTZ40 tower crane slewing mechanism and lifting system,rotary and lifting is tower crane main action, through calculation,selection,and fully guarantee the normal operation of tower crane under the premise of security for the parts.Using the software SolidWorks 3D software to carry out the solid modeling,the 3D model is first made,then 2D drawings are derived by 3D model, and the accuracy and efficiency are improved.

Keyword: Tower crane; QTZ40; rotary mechanism; jacking

II

目 录

第1章 绪论 ............................................................. 1

1.1 毕业设计背景及意义 ............................................... 1 1.2 塔式起重机的现状及前景 ........................................... 1 1.3 塔式起重机的研究现状 ............................................. 1 1.4 主要研究内容及方法 ............................................... 2 第2章 塔机零件 ......................................................... 3

2.1确定塔式起重机的类型 .............................................. 3 2.2塔机专用零件设计计算 .............................................. 3

2.2.1钢丝绳 ...................................................... 3 2.2.2滑轮及滑轮组 ................................................ 4 2.2.3卷筒 ........................................................ 7 2.2.4吊钩 ........................................................ 9

第3章 塔机载荷及其计算 ................................................ 11

3.1作用在塔机上的载荷 ............................................... 11

3.1.1 起升载荷FQ ................................................ 11 3.1.2 自重载荷Fg ................................................ 11 3.1.3 水平惯性载荷和变幅回转惯性载荷 ............................ 11 3.1.4风载荷FW ................................................... 12 3.1.5实验载荷Ft ................................................. 16 3.2载荷分类及载荷组合 ............................................... 16 第4章 塔机的金属结构 .................................................. 18

4.1 塔身标准节 ...................................................... 18

4.1.1 塔身结构腹杆形式 .......................................... 18 4.1.2 塔身标准节的连接形式 ...................................... 19 4.2起重臂 ........................................................... 19 4.3回转塔身 ......................................................... 21 4.4塔顶 ............................................................. 22

III

4.5平衡臂 ........................................................... 23

4.5.1平衡臂结构的选用 ........................................... 23

第5章 塔机回转支撑机构 ................................................ 25

5.1回转支承 ......................................................... 25

5.1.1塔机回转支承的分类 ......................................... 25 5.1.2回转支承的选用 ............................................. 26 5.1.3回转支座 ................................................... 34 5.1.4回转驱动装置 ............................................... 34

第6章 顶升机构 ........................................................ 40

6.1顶升套架 ......................................................... 41 6.2液压顶升机构 ..................................................... 42 6.3顶升机构的关键零部件 ............................................. 44 6.5顶升的具体实现过程 ............................................... 47 第7章 结论 ............................................................. 48 参考文献 ................................................................ 49 致谢 .................................................................... 50

IV

四川理工学院毕业设计（论文）

第1章 绪论

塔式起重机又称塔机、塔吊。其工作效率高、应用范围广，相比其他起重机，幅度利用率高。

1.1 毕业设计背景及意义

随着国家的快速发展，工业化和现代化是目前的方向。为了达到目的，一定的城市化水平是必须的。而城市化就会伴随大规模的基础建设，塔机等相关的制造业会因此而收益。通过对塔机或塔机部件进行合理的设计计算，可以有效保证塔机的工作安全和稳定运行。随着国内大型基础设施建设不断上马以及新城镇化建设的展开，中国塔机市场将被长期看好。

1.2 塔式起重机的现状及前景

经过60多年的努力，中国塔机行业得到了快速发展。尽管市场发展有一定的波动，

但经过多年的积累，塔机行业已经拥有了各类完善的产品型谱。如今，生产企业达到600家左右，我国已成为世界民用塔机的第一生产大国，也是世界塔机第一使用大国。但其集中度偏低 尽管行业体系和产品发展不断完整化，但在整个工程机械行业中，塔机行业的集中度远低于挖掘机、混凝土等主要类别。据2008年统计数据显示，各主要机种集中度分别为，汽车起重机99.5%，履带起重机99%，而塔机仅为28%。 但与红火的市场相比，塔机行业的售后发展还相对滞后。

智能化、数字化等先进技术已经广泛应用于工程机械企业设备中，但在塔机领域的应用并没有系统化。未来如果在塔机控制系统中实施了数字监控，不仅能够做到精确操作，还能够有效降低人力成本，从而增加生产效益。同时，实施数字化后可以实现对施工操作的实时监控，增加了施工的安全系数。而更为重要的是，随着生产厂家、用户等对智能化理念方面的认知和改变，将推动智能化的进一步普及。

1.3 塔式起重机的研究现状

理论方面，目前对于塔式起重机国内外已有相当多的学者在研究，主要集中于塔式起重机的静力学分析、模态分析、瞬态动力学分析、优化设计等

产品方面，中型塔机平头化、大型塔机动臂化的趋势愈加明显。与带塔头、拉杆的水平臂小车变幅式塔机相比，平头塔吊臂的受力状况、连接方式明显不同。立塔后无论是工作和非工作状态，平头塔吊臂和平衡臂上下主弦杆受力状态不变，上弦杆主要受拉，下弦杆主要受压，没有交变应力的影响，其力学模型单一、简明。

动臂式塔机的变幅是改变起重臂角度，起重臂不产生额外的附加力矩，因此塔机的平衡臂可以做得相对较短，变动性很强，所以在相对集中的楼宇尤其是超高楼宇建设中

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第1章 绪论

使用广泛;平头塔机因为无塔顶结构，拆装方便，如果采用模块化结构，更增加了拆装的安全性，在群塔作业工地，平头塔机的作业不容易相互干涉。

1.4 主要研究内容及方法

本次课程设计主要对QTZ40塔机各个部分进行机构设计及材料的选择。根据初始数据重点设计了塔机的回转机构和顶升系统。

充分查阅各种资料，例如《塔式起重机设计规范》和《起重机设计规范》，完成相应的设计计算。然后利用solidworks三维建模软件先进行实体建模，以加深对其结构的认识。最后利用软件导出工程图。

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第2章 塔机零件

2.1确定塔式起重机的类型

根据毕业设计（论文）任务书可知最大/额定起重重量为5t/2t，所设计塔机为轻型塔机。

根据表2-1确定：

表2- 1 塔式起重机分类形式及代号（选自JG/T 5093—1997）

通过任务书可知额度起重力矩为400kn.m，确定所设计塔机其型号为QTZ 40。

2.2塔机专用零件设计计算 2.2.1钢丝绳

钢丝绳是塔机中应用最为广泛的传动挠性件。具有卷绕性好、承载能力大等等优点，因而获得广泛应用。 2.2.1.1材料，制造及分类

由许多直径为0.5-2mm高强钢丝绕编而成。一般采用含碳量为0.5%-0.8%、含硫量不大于0.03%的优质碳素钢。

按其捻绕次数可分为单绕绳、双绕绳和三绕绳。按绕制方法可分为顺绕绳、交绕绳和混绕绳。其中双绕绳的挠性较好，是起重机常用绳。 2.2.1.2钢丝绳的选用

按表2-2确定钢丝绳的形式：（表中D0为卷筒计算直径，d钢丝绳直径）

表2- 2 钢丝绳的使用场合及结构型式

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第2章 塔机零件

由于D0min ≥h·d（h是与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数按表2-4选用。 塔机机构的利用等级表明机构的繁忙程度，我们选择T5。载荷状态表明受载荷的轻重程度，选择L2-中，其名义载荷谱系数km为0.250。（表示经常承受中等载荷，较少承受最大载荷）。其中机构工作级别按表2-3确定：

表2- 3 机构工作级别

系数h按下表：

表2- 4 系数h

已知T5和L2-中，则机构工作等级为M5则根据表2-1可知可选用钢丝绳形式：6X（31）、6X（37）、6W（36）、6T(25)、8T（25）、6×37（此为乘号）。我们选用6×37的形式。 查阅威海市汇丰建设机械厂生产的qtz40塔机和GBT 20118-2006 一般用途钢丝绳标准，选用公称抗拉强度为1770mpa，直径为12.5mm，为防止腐蚀选购用I号甲组镀锌钢丝绳，右旋同向捻，点接触。

选用钢丝绳标记为：6×37-12.5-177-I-甲镀-右同GBT 20118-2006

2.2.2滑轮及滑轮组

滑轮是用来改变挠性件（钢丝绳）运动方向并平衡挠性件分支拉力的承载零件。组成滑轮组，达到省力或增速的目的。 2.2.2.1滑轮

1.滑轮分为定滑轮、动滑轮、滑轮组、导向滑轮和平衡滑轮。

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根据加工方法的不同，可分为铸造滑轮和焊接滑轮。铸造滑轮一般选用铸铁和铸钢，优点是工艺性好，容易加工。但其强度低而且比较脆，一般用在次要的地方。而铸钢滑轮的强度和冲击韧性比较高，但工艺性差。在轻型和中型工作类型的起重机上课采用铸铁滑轮，在重型和特重型的起重机上采用铸钢滑轮。当滑轮直径D≥800mm时，一般采用焊接滑轮。其特点三重量轻，能有效减少倾翻力矩和塔机重量。 具有通过前面和后面的计算可知，对本毕业设计应采用铸铁滑轮。

滑轮的主要尺寸为滑轮槽底部直径D（即滑轮名义尺寸）。按公式（2-1）可知：

Dmin ≥h·d=18×12.5=225mm （2-1）

为了与钢丝绳直径12.5mm匹配，查阅GBT 27546-2011 起重机械 滑轮国家标准取225mm。

图2- 1 滑轮的结构形式

通过查阅GBT 27546-2011 起重机械 滑轮国家标准选用可知所选滑轮详细参数为： 钢丝绳直径d=12.5mm，槽底半径r的基本尺寸为7mm、铸造极限偏差为+0.30mm，槽高H=22.5mm，槽宽W=28mm，铸造轮缘宽B=40mm。其代表具体如图2-1。 2.滑轮的效率

钢丝绳绕过滑轮运动时，需要同时克服自身的僵性阻力和滑轮轴承的摩擦阻力，引起功的损耗。

僵性阻力：钢丝绳的僵性阻力三指当改变钢丝绳曲率半径时，由于绳内钢丝之间和绳股之间相对滑移产生的摩擦阻止其曲率改变的特性。

由于钢丝绳有一定的僵性，当其绕入滑轮时不能像绝对柔性体那样立刻接受滑轮的曲率。同样，绕出滑轮时也不能立刻恢复原有的直线状态，使得绕入和绕出的两个分支各自形成某种过渡曲线，分别和滑轮的切线方向偏离一个距离e1和e2。又因绕入滑轮时，钢丝绳内的摩擦和弹性均阻碍她沿滑轮弯曲，而绕出时，钢丝绳内的摩擦任然是阻碍其伸直，但弹性却促使其伸直，导致e1 ≥e2。显而易见，钢丝绳的僵性阻力使绕入

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第2章 塔机零件

分支力臂增大，绕出分支力臂减少，要使滑轮旋转，必须增大绕出分支的拉力。 设两分支拉力拉力相差为W1,由平衡条件： S1(R+e1)=(S1+W1)(R-e2） （2-2） e1+e2 W1= R-e ·S1=λ·S1 2（2-3）

λ为钢丝绳僵性阻力系数，一般钢丝绳取λ=0.0055~0.006，S1为钢丝绳绕入分支张

力。

滑轮轴承摩擦阻力W2

滑轮轴承内的摩擦阻力

F是由钢丝绳对轴承产生的正压力引起的：

F= μ·N （2-4） 假定钢丝绳绕入和绕出端拉力近似相等为S1 ，忽略自重，则：

α N=2S1 ·sin2 （2-5） W2克服正压力N所引起的摩擦阻力矩： Dd W2 · =F· 22 （2-6） 推出： α2μdS1·sin2 2μdS1 W2 = =（2-7） DD 一般取包角α=180度，d为滑轮轴承直径。 可知总阻力：

2μd W=W1+W2=(λ+D ）S1=k·S1 （2-8）

k为滑轮阻力系数，一般滑动轴承为0.05，滚动轴承为0.02。

在实际计算中，为简便计算，对于所有的滑轮都取相同的效率。即：采用滑动轴承时η=0.96，采用滚动轴承时η=0.98。 2.2.2.2滑轮组

1滑轮组的种类、倍率、效率

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d=μ·N·2 =μ·2·S1·sinα2 d·2

第2章 塔机零件

滑轮组按构造形式可分为单联滑轮组和双联滑轮组。其中塔机采用带有导向滑轮的单联滑轮组。起升机构，变幅机构等采用的都是省力滑轮组。

悬挂物品钢丝绳分支数Z与引入卷筒的钢丝绳分支数之比称为滑轮组的倍率。对于

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单联滑轮组，倍率α等于承载分支数Z，于双联滑轮组，倍率α等于承载分支数Z的一半。

滑轮组的效率直接由表2-5、2-6查阅：

牵引绳由动滑轮引出：

表2- 5 钢丝绳滑轮组的效率

牵引绳由定滑轮引出：

表2- 6 钢丝绳滑轮组的效率

2.2.3卷筒

卷筒是卷绕和容纳钢丝绳的部件。通过对钢丝绳的收放，可把原动机的驱动力传递给钢丝绳，并将原动机的回转运动变为直线运动。

卷筒的形式一般为圆柱形，特殊要求的也有圆锥形和曲线形。起重机主要采用圆柱形卷筒。按钢丝绳在卷筒上卷绕层数可分为单层卷绕卷筒和多层卷绕卷筒。其中单层卷绕卷筒通常切有螺旋形绳槽，槽节距比钢丝绳直径稍大。多层卷绕卷筒容绳量大。多采用不带螺旋槽的光面卷筒，卷筒两端带有侧板以防钢丝绳侧向滑移。

铸造卷筒一般采用不低于HT200的灰铸铁铸造，重要的卷筒不低于QT450-10的球墨铸铁铸造。铸钢卷筒较少采用。焊接卷筒主要用于大直径卷筒，多用Q235。小直径也可采用无缝钢管制造。

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第2章 塔机零件

本次设计选用铸造单层卷绕卷筒。 2.2.3.1确定卷筒的尺寸

卷筒的直径是卷筒最重要的尺寸，单层卷绕卷筒D为卷筒槽低尺寸，名义尺寸D： Dmin ≥h·d=18×12.5=225mm （2-8） 查阅JB/T 9006.1-1999 起重机用铸造卷筒 直径和槽形,选择直径D为250mm。槽形为标准槽形，如图2-2：

图2- 2 螺旋槽卷筒的槽尺寸

钢丝绳直径12.5mm，槽底半径R为7mm、极限偏差+0.20，P1=15.0mm，H1=5.0mm，R1=0.8mm。

单层卷绕有槽卷筒的长度计算Lz：

Lz=L0+L1+2L2 （ 2-9） L0是固定钢丝绳端头所需要的长度，L1是筒两端空余部分的长度，L2是卷筒上车螺旋绳槽部分的长度。推得：

Ha Lz=（πD +Z0)t+L1+2L2 （ 2-10）

1 上式中H是起重机最大起升高度mm，D1是卷筒的计算直径（钢丝绳截面中心距D+d），Z0是钢丝绳附加安全圈数，一般取1.5~3圈。a是倍率，由于本塔机起重量不大，选2倍率。则：

Lz=（30000×2）/（π×（250+12.5）)×15+3×15+2L2=1200mm 2.2.3.2卷筒壁厚的计算

卷筒壁厚先按照经验公式计算：

铸铁卷筒：δ=0.02D+（6~10) (2-11) 既，δ=0.02×250+8=13mm，注意对于铸铁卷筒δ>12mm，铸钢卷筒δ>15mm。

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2.2.3.3卷筒强度校核

要计算卷筒上的压应力，要在壁厚为δ的卷筒上取宽度为绳槽的节距t的圆环，然后将其切开。但是因为δ远远小于D，认为圆环截面上的正应力ζ是均匀分布的。

ζc·δ·t=Smax

Smax

则： ζc=δ·t ≤[ζc] (2-12) 式中 Smax为钢丝绳的最大拉力，N； t为绳槽节距；

δ

为卷筒壁厚；

ζb/5，ζb为抗压强度极限。

[ζc] 对于铸铁来说等于

由于最大起重重量为5T，则估算ζc=50000/（13×13）=295mpa，铸铁抗压能力约为490mpa。满足强度条件。

2.2.4吊钩

塔式起重机上主要使用锻造短柱单钩。吊钩除承受物品重量外，还要承受起升机构起动与制动时的冲击载荷作用，故要求制造吊钩的材料应有较高的机械强度与冲击韧性，以保证其不会发生突然断裂。其外形如图2-3。

1.吊钩的主要尺寸由钩孔直径D决定。对于单钩：

D≈（30~35）√Cp

上式中

Cp为额定起重量，2T。则D=32×√2=45mm。

其他尺寸

各个部分的比例：

h/D≈1.0~1.2、S≈0.75D、l1≈（2~2.5）h、l2≈0.5h 则：h=45mm、S=34mm、l1=100mm、l2=23mm。

吊钩底部的截面从等强度考虑应该比吊钩侧边截面小，但其工作时磨损较大，两个截面一般取相同尺寸。

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第2章 塔机零件

图2- 3 吊钩钩身主要尺寸

2.将起升滑轮组中的的滑轮与吊钩联系在一起的装置称为吊钩夹套。一般有分为长型和短型两种。一般的，长型夹套采用较多。在吊钩的尾部上的螺母与横梁之间设有推力球轴承，但当吊钩自重较大的时候，最好是采用带球面垫的自位推力轴承，可以使转动吊钩更加轻便，轴承的受力也更加均匀。

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第3章 塔机载荷及其计算

3.1作用在塔机上的载荷 3.1.1 起升载荷FQ

起升载荷是指起升机构工作时，处于升降运动中的所有质量的重力（以N计）。包括允许起升的最大物品重力、取物装置（下滑轮组、吊钩、吊梁、抓斗、容器、起重电磁铁等）的重力、悬挂挠性件以及其他处于升降中的设备的重力。起升钢丝绳的质量按起升高度计算，其重力的50%作为起升载。但一般当起升高度大于50m时，才考虑钢丝绳的自重。

起升动载系数θ2：当起升质量突然离地起升和下降制动时，起升载荷将对结构（铅垂方向）和传动机构产生附加的动载荷。起升载荷要乘φ2。其值一般在1.05-1.25之间。与起升等级、起升速度、系统刚度和机构控制系统有关。可按下式计算：

θ2=1+0.35v=1+0.35×1/3=1.12 （3-1） 在此我们取一个较大值1.3，当仅计算额度起重载荷2T时的起重载荷FQ： FQ=2000×9.8×1.3=25480N

3.1.2 自重载荷Fg

由于任务书已给出自重9T，考虑塔机启动制动影响，自重载荷应乘冲击系数θ1=0.9-1.1：

Fg =9000×9.8×1.1=97020N

3.1.3 水平惯性载荷和变幅回转惯性载荷

塔式起重机的运行机构在起动或制动时，其自身质量及起升质量会产生水平惯性载荷Fmt，计算时，假设起升质量固定在起重臂端部或变幅小车上。考虑系统在加速或减速过程中弹性振动使载荷增大的影响，可给由于传动系统起动或制动而产生的惯性载荷乘以弹性振动载荷系数φ5予以考虑（但不大于主动车轮与钢轨间的粘着力），即 Fmt=θ（ 5mQ+mG)ɑ （3-2） mQ-：起升载荷质量

mG：塔式起重机的自重载荷质量

θ5：弹性振动载荷系数，1.0---2.0。当猛烈起动或制动，并考虑金属结构弹 性振动时取1.5。

?：运行机构（ 大车或小车）的平均加（ 减）速度及相应的加（ 减）速度时间，见表3-1。

表3- 1 运行机构加（减）速度ɑ及相应的加（减）速度时间t的推荐值

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第3章 塔机载荷及其计算

由于本次设计为固定式，已知小车的变幅速度为30m/min，即0.5m/min： Fmt=1.3×2600×0.19=642.2N

塔式起重机回转机构起、制动时，所产生的变幅惯性载荷及回转惯性载荷的计算载荷与运行机构类似，按下式计算： ω Fmg=θ5mεR=θ5mt R （3-3） 0 m：旋转部分的质量 ε：回转的角加速度 ω：旋转质量的角速度 t0 :驱动装置起、制动时间 R:质量中心的旋转半径

3.1.4风载荷FW

塔式起重机一般都是在露天工作，因此必须考虑风载荷的作用。并认为风载荷是可沿任意方向作用的水平力。一般将塔式起重机风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风载荷两类。

其中，工作状态风载荷是指塔式起重机在正常工作情况下所能承受的最大计算风力。又分为正常工作状态风载荷FW1和工作状态最大风载荷FW2两种。非工作状态风载荷FW3是塔式起重机在非工作时所受的最大计算风力。 ⑴风压PW的计算

PW=0.613νW2 （pa） （3-4） νW为风速 m/s。

PW1是正常工作状态计算风压，用于选择电动机功率的阻力计算和机械零部件的疲劳强度和发热验算，一般取150pa；PW2是工作状态最大计算风压，用于计算机构零件

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和金属结构的强度、刚度和稳定性，验算传动装置过载能力和整体抗倾翻稳定性，一般取250pa。工作状态计算风压不考虑高度变化。

PW3是非工作状态的最大计算风压，由塔机设计规范可知必须要考虑高度的变化，如下表3-2：

表3- 2 非工作状态的计算风压（Pa）

⑵风力系数CW

由于塔机不同部件的挡风结构的不同，当计算风吹过产生的实际风压需要考虑风力系数CW。

①单片结构和单根构件的风力系数，表3-3：

表3- 3 单片结构的风力系数Cw

封闭的司机室、机器房、电器、平衡重、钢丝绳及物品等取1.1-1.2。上表单位为m。 ②当司机室在地面上时取1.1，悬空时取1.2.

③风对着矩形截面空间结构对角线方向吹，当矩形截面边长比小于2时，风载荷取

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第3章 塔机载荷及其计算

为风向着矩形长边作用时的1.2倍；当矩形截面边长比大于或等于2时，取为风向着矩形长边作用的风力 。

④三角形截面空间结构的风载荷按其垂直于风向的投影面积所受风力的1.25倍计算。

⑤上下弦杆为方形钢管、腹杆为圆形钢管的三角形截面空间结构（ 如水平梁式臂架），在侧向风作用下，取风力系数。 ⑶迎风面积A

迎风面积是指结构或构件在风向垂直方向的投影面积。由于风向是变化的，因此迎 风面积应取最不利的方位。迎风面积的计算分下面几种情况： 1：单片桁架结构的迎风面积A=ωA1

A1为机构外形轮廓面积

m2。ω为充实率，按下表3-4选取：

表3- 4 结构的充实率ω

2：两片桁架并列

等高且型式相同时，如图3-1，考虑前片对后片的挡风作用，总迎风面积为： A=A1+ηA2 （3-5）

η为两片相邻桁架的前片对后片的挡风折减系数，与前片桁架结构充实率ω及两片桁架间隔比ls/h有关，按表3-5选取：

图3- 1 并列结构挡风折减系数η

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第3章 塔机载荷及其计算

表3- 5 桁架结构挡风折减系数η

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3：型式、尺寸相同且间隔相等的并列结构（如下图3-2）

图3- 2 n片并列结构

总迎风面积按下式计算：

（3-6）

上式中ω1为第一片结构的充实率，A11为第一片结构的外形轮廓面积。 4：起吊物品的迎风面积

吊运物品的迎风面积按其实际外形尺寸在垂直于风向平面上的投影计算。当迎风面积无法确定时，作用在物品上的风载荷按额定起重量重力的3%计算，沿最不利载荷组合方向水平作用于物品上，但其值不小于500N。也可根据其质量按表3-6近似估算：

表3- 6 起吊物品迎风面积的近似估计

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第3章 塔机载荷及其计算

⑷风载荷Fw计算公式：

Fw=CwpwA （3-7） 对塔机一个标准节：

正常工作状态风载荷：

Fw1=1.6×150×[(0.4×2.5×1.4)+0.4×0.4×2.5×1.4]=470.4N 工作状态最大风载荷：

Fw2=1.6×250×[(0.4×2.5×1.4)+0.4×0.4×2.5×1.4]=784N 非工作状态的风载荷：

离地面高度≤20m：

Fw3=1.6×800×[(0.4×2.5×1.4)+0.4×0.4×2.5×1.4]=2508.8N 离地面高度≤100m：

Fw3=1.6×1100×[(0.4×2.5×1.4)+0.4×0.4×2.5×1.4]=3449.6N 离地面高度>100m：

Fw3=1.6×1300×[(0.4×2.5×1.4)+0.4×0.4×2.5×1.4]=4076.8N

3.1.5实验载荷Ft

试验载荷是塔式起重机性能试验时所受的超载载荷，塔式起重机投入使用前，必须进行超载动态试验及超载静态实验。试验载荷应作用于起重塔机最不利的位置。 动载荷试验载荷Fdt值取额度起重量的110%与动载荷系数θ6的乘积。其中θ6=0.5（1+θ2)

Fdt=2000×9.8×1.1×0.5×（1+1.3)=24794N 静载荷试验载荷Fjt值取额度起重量的125%。

Fjt=2000×9.8×1.25=24500N

其他载荷如碰撞载荷、突然停机引起的载荷、安装载荷、工作平台及通道载荷、运输载荷此不再计算。

3.2载荷分类及载荷组合

塔式起重机是一种短周期循环工作的机械，这一特点导致了塔式起重机实际载荷的多变性。塔式起重机工作时不仅在不同的循环中载荷不同，在同一循环过程中虽然起升载荷不变，但也有有载行程和空载行程的差别，再加之每一循环过程中的多次起动、制动所引起的动载荷以及起升载荷作用位置的移动或挡风面积的变化等，都会导致构件受载的改变。虽然许多载荷单独来看是确定的量，但它们的组合一般总是随机的。另外有一些载荷，如风载荷、道路不平导致的冲击载荷等，更是具有明显的随机性。因此塔式

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起重机受载过程一般是一个随机过程。

根据塔式起重机设计规范中规定，一般应按塔式起重机的构造形式、使用方式和计算目的在表3-7中选取可能出现的载荷组合情况。

表3- 7 塔式起重机载荷组合表

其中，组合A为正常工作载荷的组合，也称疲劳（耐久性）计算载荷，它只考虑基本载荷的组合；组合B为工作最大载荷的组合，也称强度计算载荷，考虑基本和附加载荷的组合；组合C为非工作最大载荷的组合，也称验算载荷，考虑基本、附加及特殊载荷的各种组合。

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第4章 塔机金属结构

第4章 塔机的金属结构

本次所设计的上回转自升式塔机的塔身固定不转，但可以顶升接高。其截面采用方形截面塔身结构。

4.1 塔身标准节 4.1.1 塔身结构腹杆形式

塔身结构腹杆系统采用角钢或无缝钢管制成，有几种形式如下图4-1：

图4- 1 塔身腹杆形式

其中以a、b、c、d四种应用最为广泛。根据需要，此次采用b种轻型塔机的布局形式。

轻型塔机采用宜采用整体式塔机标准节，主弦杆选取方钢管，通过查看百度百科，

可选用方管尺寸135×10。截面尺寸选用1.4m×1.4m，标准节长度选用2.5m。

图4- 2 矩形截面塔身的斜腹杆

如上图4-2所示：对正方形截面塔身，当α=β、Aa=AB且为定值时，通过分析计算可知当斜腹杆倾斜角为35度时，可得到最大扭转惯性矩，表明此时塔身扭转刚度最大。

L=α/cos35=1.38m

以上计算也可查阅钢结构规范GB50017-2003，可知a=0.8L。腹杆公称直径选用DN

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=40、外径ф=48mm冷轧无缝钢管。选用壁厚3mm。

4.1.2 塔身标准节的连接形式

塔身标准节连接形式有：盖板螺栓连接、套柱螺栓连接、承插销轴连接、插板销轴连接、瓦套法兰盘连接。其中应用最为广泛的是前两种方式。由于主弦杆采用方形钢管，选用套筒螺栓连接，材料为低合金钢。此种连接方式具有安装速度快的特点。

查阅山东大汉生产的QTZ40塔机说明书可知，标准节之间的连接可以采用10.9级高强度螺栓M27×240。根据螺栓公称直径与螺栓孔的关系，当直径大于16mm，时孔径大1.5mm，其孔径为28.5mm。

塔身节内必须设置爬梯，爬梯宽度不宜小于500mm，梯级（踏步）间距应该上下相等。并应不大于300mm。爬梯材料选择20×20×3的角钢。爬梯宽度为500mm。梯级采用外径17mm，公称直径10mm，壁厚2mm无缝钢管。

4.2起重臂

塔式起重机的起重臂的结构有3种：

桁架压杆式a：臂架端部的变幅钢丝绳改变臂架倾角来实现变幅，臂架主要承受轴向压力。

桁架水平式b：沿臂架弦杆运行的起重小车移动实现变幅，臂架主要承受轴向力及弯矩作用。

桁架混合式c：综合以上两种。 具体如下面的塔机起重臂图4-3：

图4- 3 塔式起重机吊臂

本次毕业设计选用如图a的结构形式。

1：桁架水平式臂架也称小车变幅式臂架，一般可分为正三角形和倒三角形截面两种，腹杆体系为三角形。截面为正三角形结构，上弦杆为圆钢管，下弦杆为角钢拼焊而成，也作起重小车的运行轨道。在回转平面内的桁架可看作悬臂梁，承受横向载荷。截面为倒三角形结构上弦杆一般是圆钢管，下弦杆为工字钢兼作起重小车的运行轨道。

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第4章 塔机的金属结构

选用正三角形截面的吊臂。

臂架根部通过销轴与塔身联接，臂架上设有吊点通过钢丝绳或钢拉杆与塔帽顶部连接。为便于安装运输和组合成不同长度臂架，吊臂一般分成若干段，由根部节、端部节和若干标准节组成，各节问通过螺栓和销轴联接。

2：桁架水平式臂架又可分为单吊点、双吊点及平头式三种类型。现今臂架的长度在50m内，且对最大起重量并无特大要求，一般采用单吊点结构。

桁架水平式吊臂拉杆吊点可以设在上弦或下弦。在条件相同情况下，从提高吊臂的承载能力出发，吊点宜设在下弦；从减小臂端垂度出发，吊点宜设在上弦。吊点以左可看作简支梁，吊点以右可看作悬臂梁。

确定吊点位置的原则是：当小车行驶到吊臂端部时，在吊点处桁架弦杆中产生的最大应力值，与小车行驶到吊点内跨中某处时，该处桁架弦杆中的最大应力值相等的等强度或等稳定度条件。如下图4-4，左为单吊点，右为双吊点。

图4- 4 吊点位置选择

对于单吊点，一般可取L2/L1=0.4~0.7,我们取0.5，其中L1为悬臂部分长度，L2为跨中长度。

3：塔臂腹杆形式一般有如下三种，图4-5：

图4- 5 塔臂腹杆形式

选用图一的腹杆形式。 4：主要尺寸

对于小车变幅式臂架，采用正三角形截面型式，截面高度h=（1/50~1/25)L，L为起重臂长度，已知变幅最大距离为20m，选取h=0.4~0.8m，取h=0.8m。截面尺寸b可近似取塔身宽度尺寸，已知标准节宽度为1.4m，选取b=1.0m。 5：起重臂分节及选材

根部节长6m，标准节长7m，外加一个端部节。上弦杆采用圆管，下弦杆选用方管，兼作小车轨道。上弦杆采用θ89×7钢管，下弦杆采用方管80×5，查阅GB3094-2000冷

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拔异性钢管可知，其倒角r小于等于2倍壁厚，取12mm。腹杆外径26.9mm，壁厚3.2mm 起重臂连接必须采用高强度钢制成的销轴，查阅自贡市东方容器配套有限公司的QTZ6018使用说明书，下弦杆的连接可选用带开口销空直径为40mm的销轴，上弦杆选用直径45mm的销轴，通过查阅GBT 882-2008 销轴可知其余数据如下图4-6，表4-1、4-2：

图4- 6 销轴 表4- 1 销轴尺寸

表4- 2 销轴尺寸

上弦杆L取120mm，下弦杆取140mm。

4.3回转塔身

塔式起重机上回转与塔顶间常常会设置一个回转塔节，又叫做过渡节、回转塔身等。拓展了司机的视野，并使得司机进入司机室更加方便，且能提高勾头高度。但如今一些塔机已经取消此设计。

本次设计可以参考前面标准节的设计。

为了一起重臂连接，回转塔节宽度采用1.08m，查阅GBT 20303.3-2006 起重机 司机室 第3部分塔式起起重机可知，司机室内部高度取2m，则根据相对位置可取回转塔节取1.9m。取腹杆结构参考标准节（不要斜腹杆）。 主弦杆采用80×5方管，腹杆的直径选取33.7×4.0

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第4章 塔机的金属结构

4.4塔顶

塔顶是自升式塔式起重机的塔顶是塔机的重要组成部分，它以固结或铰结的形式连接在塔机上转台上，通过拉杆分别与起重臂和平衡臂相连，承受臂架和其上部件的自重以及吊重、风载等载荷作用而产生弯矩、拉压力以及剪切力，受力状况较为复杂。 对于塔顶的称呼，现在一种称呼是不正确的。称其为塔帽。究其源应是描述一种旧塔机，如已淘汰的TQ60型塔机，此类塔机的回转不是采用滚动支承，而是采用旧式的滚轮回转装置，由于滚轮承受倾翻力矩!其滚道较远，为使滚道得到支撑，在塔尖的外面又套有一斜支衬杆件。看上去好象在塔顶上又戴有帽子一样，故有其称谓。但其结构与工作内容的性质却与塔尖相差甚远。

目前，国内应用较广泛的塔机塔顶形式有固定式塔顶和片式塔顶两种：

⑴固定式塔顶的结构形式为空间桁架，其弦杆和腹杆均为实心圆钢或钢管，迎风面积和风力系数小，从而减少了水平风力，甚至可以不考虑风载荷对其的直接影响。固定式塔顶四根主弦杆下部由处于同一水平面内的4个接头以铰接或法兰盘连接形式与塔机上转台相连。根据固定式塔顶结构形式的不同分为前倾式、正置式和后倾式3种，如图4-7。

固定式塔顶4根主弦杆的中心线理论上应交于一点（通过制作工艺予以保证），起重臂、平衡臂拉杆的中心线理论上也必须通过该点，这样塔顶的受力状况较好。

图4- 7 塔顶结构形式

⑵片式塔顶结构简单、线条流畅、外形美观大 方、受力简单，塔机架设既方便又省时省力。片式塔顶为铰交的形式所以其不承受弯矩、只承受轴向压力，而平衡臂固接于上转台，其受力状况较为复杂。在非工作状态时由于臂架、配重及各机构自重的作用，

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平衡臂上侧受拉、下侧受压；工作状态时由于起升载荷及起升幅度的不同则平衡臂有可能上侧受拉、下侧受压，也有可能上侧受压、下侧受拉，或者上下两侧的拉压应力交替变换，即受交变应力的作用。

对于固定式塔顶而言，由于受到安装条件的限制，不适合一些大型或超大型塔机的设计；片式塔顶虽然结构简单，但是却使得平衡臂结构形式复杂、造价升高，不适合用于中、小型塔机的设计。所以本次设计采用前倾式固定式塔顶。

塔顶主弦杆采用80×5方管，腹杆采用圆管为33.7×4.0。塔顶高度与起重臂有着密切的关系，一般取起重臂的1/7~1/10。取2.8m。与回转塔节铰接的销轴选用起重臂上弦杆铰接的销轴。

4.5平衡臂

上回转塔机均需配设平衡臂，用以支承平衡重，构成作用方向与起重力矩方向相反的平衡力矩，平衡臂是整个塔式起重机单结构最大的部分。

平面框架式、三角形截面桁架式和矩形截面桁架式是常见三种平衡臂的形式。其中，平面框架式平衡臂有两根槽钢纵梁或有槽钢焊成的箱形断面组合梁和系杆组成。在框架的平面铺有走道板，走道板两旁设有防护栏杆；桁架式平衡臂适用于要求有较长平衡臂的重型、超重型自升塔机。

平衡臂的长度与起重臂的长度有一定的比例关系，一般单位去其比值为0.2~0.35。塔机平衡重一般用铸铁或者钢筋混论土制成，其中铸铁平衡重的构造复杂，不易制造，但是尺寸小，迎风面积小。而钢筋混凝土平衡重的尺寸大，迎风面积大。

4.5.1平衡臂结构的选用

起重力矩不超过1600KN·M的自升式塔机采用平面框架式平衡臂较为适宜。而重型和超重型塔机可采用三角形截面桁架式和矩形截面桁架式。所以本次设计的平衡臂采用平面框架式。由于起重臂的长度约20m，则平衡臂的长度取5m，因为很短，则平衡臂不分节。结构如下图4-8：

图4- 8 平衡臂形式

主弦杆采用120×12槽钢，腹杆采用35×35×5

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第4章 塔机的金属结构

查阅GB 11953-1989 钢板网可知走道上的钢板网尺寸如下表4-3：

表4- 3 钢板网尺寸

钢板网的厚度取2.5mm。

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第5章 塔机回转支撑机构

5.1回转支承

塔式起重机的回转运动，在于扩大机械的工作范围。当吊有物品的起重臂架绕塔机的回转中心作360度的回转时，就能使物品吊运到回转圆所及的范围以内。相比普通滚动轴承的，其尺寸大、转速慢、材料及热处理等制造工艺方面有很大差异、同时承受轴向力、径向力，还要承受较大的倾覆力矩等。 其基本形式如图5-1：

图5- 1 回转支承基本结构

5.1.1塔机回转支承的分类

回转支承装置在塔机中主要分两种： I：柱式回转支承

又分为转柱式（左）和定柱式（右）两种，图5-2：

图5- 2 转柱式和定柱式回转支承装置

对于转柱式，塔式起重机的起重臂架和平衡臂架均通过横梁装在转柱上，转柱安装在塔身顶部的中央，当转柱被驱动装置带动回转时，起重臂架和平衡臂架随之回转。转

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第4章 塔机回转支撑机构

柱式回转支承装置结构简单，制造方便，适用于起升高度和工作幅度以及起重量较大的塔式起重机。

对于定柱式，塔身顶部为定柱，塔帽罩在塔尖上，顶部设有径向止推轴承，塔帽下部设有由回转大齿圈形成的滚道，供装在塔顶井架上的支承滚轮沿滚道回转。当塔帽作360度回转时，装在其上的起重臂架及平衡臂架将随之一起回转。定柱式回转支承装置结构简单，制造方便，起重机回转部分的转动惯量小，自重和驱动功率较小，能使起重机的重心降低。

II：滚动轴承式回转支承

起重机回转部分固定在大轴承的回转座圈上，而大轴承的固定座圈则与底架或门座的顶面相固结。常用的滚动轴承式回转支承装置按滚动体形状和排列方式可分为下面四种结构，图5-3：

①单排四点接触球式回转支承（如a图）

它由两个座圈组成，其滚动体为圆球形，每个滚动体与滚道间呈四点接触，能同时承受轴向、径向力和倾覆力矩。适用于中小型塔式起重机。 ②双排球式回转支承（如b图）

它有三个座圈，采用开式装配，上下两排钢球采用不同直径以适应受力状况的差异。由于滚道接触压力角较大，因此能承受很大轴向载荷和倾覆力矩。适用于中型塔式起重机。

③单排交叉滚柱式回转支承（如c图）

它由两个座圈组成，其滚动体为圆柱形，相邻两滚动体的轴线呈交叉排列，接触压力角为45度。由于滚动体与滚道间是线接触，故承载能力高于单排钢球式。这种回转支承装置制造精度高，装配间隙小，安装精度要求较高，适用于中小型塔式起重机。 ④三排滚柱式回转支承（如d图）

它由三个座圈组成，上下及径向滚道各自分开。上下两排滚柱水平平行排列，承受轴向载荷和倾覆力矩，径向滚道垂直排列的滚柱承受径向载荷，是常用四种形式的回转支承中承载能力最大的一种，适用于回转支承直径较大的大吨位起重机。

图5- 3 滚动轴承式回转支承装置

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5.1.2回转支承的选用

由于滚动轴承式回转支承装置结构紧凑，垂直力、水平力、倾覆力矩可同时作用其上，是目前塔机采用最广泛的回转支承。由经验可知:相同外形尺寸的回转支承, 单排球式的承载能力高于交叉滚柱式和双排球式。在倾覆力矩160吨米载荷以下，选用单排球式回转支承其性价比高于三排柱式回转支承，为首选形式。当倾覆力矩高于160吨米时应该优先考虑选用三排柱式回转支承。

通过下面的计算可知，本次采用滚动轴承式回转支承装置中的单排四点接触球式回转支承。并且为了保证支承的正常工作，对固定座圈的机架要求有足够的刚度。 在国内，目前单排球式回转支承有3个系列的尺寸规格： HS系列，Q系列和01系列。

对于HS系列，其外形尺寸大，制造成本比相同的承载能力的Q系列和01系列回转支承高10％以上，同国外相同承载能力的回转支承相比差得更远；对于01系列，其安装螺栓孔数量多，比较合理，但是滚道参数存在不合理匹配（011.45.1400与 011.35.1400回转支承，其外形尺寸和安装尺寸完全相同，011.45.1400使用的是直径45mm钢球，而011.35.1400使用的是直径35mm钢球），在选用01系列单排球式回转支承应注意选择较大钢球的规格；对于Q系列，相同承载能力的回转支承的截面尺寸更紧凑，重量更轻，具有更好的性价比。选用01系列。 ⑴回转支承装置的计算载荷

图5- 4 作用在滚动轴承式回转支承上的载荷

如图5-4，作用在回转支承装置上载荷主要包括：起重臂架、平衡臂架、平衡重、塔顶部分的自重、最大额定起升载荷、风载荷、惯性载荷以及驱动小齿轮与大齿圈的啮合力（ 若回转机构有两个回转齿轮并成对布置，则此力互相抵消）等。这些力均可向回转中心简化成回转支承的计算载荷垂直力V、水平力H和力矩M 三部分。其大小分别为:

垂直力V=θ2FQ+Gb+G1+G3 （ 5-1） 水平力H=FW1+F1+FLb+FW2+Fshcosγ-FL1-FL3 （5-2）

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第5章 塔机的回转支撑机构

力矩

M=θ2FQR+GbLb+（F1+FWQ)hF+FW2hw2+FLbhLb-G1L1-FL1hL1-G3L3-FL3hL3 （5-3）

FQ——最大额度载荷 θ2——起升动载系数 F1——作用在重物上的离心力 FWQ——作用在重物上的风力 Gb——起重臂架的重力

G1——除去起重臂架和配重之外，其他回转部分的重力 G3——平衡重

FL1——G1质量引起的回转离心力 FL3——G3质量引起的回转离心力 FLb——起重臂架回转离心力

FW2——作用在塔机回转部分上的风载荷 γ——齿轮的螺旋角

Fsh——驱动小齿轮与大齿圈的啮合力，其大小为：

Tsh Fsh= D·

cosɑ （5-4） 其中Tsh——齿轮传递的扭矩 D——大齿圈的分度圆直径 ɑ——齿轮的压力角

每米方钢管的质量（公斤/米）：周长*壁厚*0.00785 边长和壁厚都以毫米为单位 每米碳钢管的质量（公斤/米）：（外径-壁厚）*壁厚*0.02466 根据上面的公式，计算起重臂的重力:

Gb=(2×80×4×5×0.00785×20+(89-7)×7×0.02466×19.4+(26.9-3.2)×3.2×0.02466×109.5)×9.8=9621.6N 加上电动机、小车估算值取11000N。

由经验可知，塔机质量分配大约如下：塔身大约为总质量的0.31-0.36，取72600N，转台占0.1，取22000N，臂架占0.05，配重臂架占0.065-0.07，取14740N，配重占0.34，取74800N。 则估算：

V=1.3×2000×9.8+11000+（24000+14740）+74800=150020N

塔机回转时，其部件质量和起升质量产生的回转离心力，在计算时取最不利的位置，并且取弹性振动载荷系数θ5为1。则估算（不计FW1和Fshcosγ，FW2以作用在标准节的风载荷替代）：

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H=F1+FLb+FW2-FL1-FL3=2000×（л/20）2×20+1122×（л/20）2×10+470.4-1504×（л/20）

2

×3-7632×（л/20）2×5=681.3N

M=1.3×2000×9.8×20+11000×10+(2000×（л/20）2×20+300)×2+470.4×3+1122×（л/20）

2

×10×2-14740×3-1504×（л/20）2×3×2-74800×5-7632×（л/20）2×5×1.8=204001.3N·M

⑵计算回转支承当量载荷

回转支承受V、H、M的共同作用，应该将复合载荷分量换算为当量载荷。然后根据厂家提供的承载能力曲线图选择回转支承的型号。其中：

F’a=?·（ka·V+kr·H) （5-5） M’=?·ka·M （5-6）

上式中，?为工况系数，静容量计算用?s。Ka、kr为载荷，随回转支承结构不同选取不同值。按下表5-1、5-2选取：

表5- 1 回转支承工况系数

表5- 2 回转支承载荷换算系数

滚道接触角为45度时：

F’a=1.25×（1.225×150020+2.676×681.3）=1.25×185597.659=231997.074N

M’=1.25×1.225×204001.3=1.25×249901.593=312376.991N·M

滚道接触角为60度时：

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第5章 塔机回转支撑机构

F’a=1.25×（1×150020+8.046×681.3）=1.25×155469.74=194377.175N M’=1.25×1×204001.3=1.25×204001.3=255001.625N·M ⑶回转支承的选择

在轴承承载能力曲线图上找出以上二点，其中一点在曲线以下即可。把回转支承所承受的最大载荷（没有乘静态安全系数 fs ）作为选择螺栓的载荷。在所需等级螺栓极限负荷曲线以下即可。

查阅JBT 2300-2011 回转支承可选用01×.30.710，但由于载荷计算为估算值，存在一定误差，我们选用回转支承的型号为01×.40.800，具体型号为012·40·800·01。选用10.9级螺栓。

其具体的意义如下图5-5所示：

图5- 5 回转支承的表示

承载能力图5-6：

图5- 6 回转支承的承载能力曲线

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012·40·800·00回转支承的详细数据如下表5-3、5-4、5-5，图5-7：

表5- 3 回转支承相关表示符号

查阅起重机设计手册98铁道版可知：

图5- 7 回转支承结构 表5- 4 回转支承主要尺寸

表5- 5 回转支承主要尺寸

上述手册由于比较老，我们继续查阅徐州万达回转支承产品手册，图5-8、表5-6：

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第5章 塔机回转支撑机构

图5- 8 回转支承基本尺寸 表5- 6 回转支承主要尺寸

回转支承唇形密封圈的设计：

回转支承常用的密封圈是一种具有阻止滚道内的润滑脂渗漏和外部环境的泥水、尘土等外来物侵入滚道功能的橡胶制品，能对滚道、滚动体、隔离体起到一定的保护作用，延长回转支承使用寿命。

回转支承最常用的密封圈为唇形密封圈，断面为 L 形单唇结构的长条状，用胶水粘结对接成为环形，这种结构应用最为广泛。密封圈在装在密封槽内有少量的过盈量，并且有锯齿形倒刺以防止密封圈脱出，为了防止装配时拉扯产生的变形并加强密封圈的强度，可以在内部植入合成纤维线。其密封圈及密封槽截面如下图5-9：

图5- 9 唇形密封圈外形结构

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密封圈及密封槽的相关尺寸设计可参考下表5-7：

表5- 7 唇形密封圈尺寸推荐

d、w、s、p、B分别取8、4、3、7、16mm。

按表5-8为密封圈进行选材：

表5- 8 唇形密封圈材料

选择丁晴橡胶。

回转支承隔离块的选择应该根据使用工况及润滑方式等条件，一般来说，立式安装的只能使用整体保持器，水平安装且载荷较轻的可以使用工程塑料隔离块，重载荷情况下一般使用铜合金隔离块。隔离块两侧球冠半径和钢球是不一致的，外径一般设计为钢球直径的0.8-0.95倍，距离选择跟载荷有一定关系，要求不能压穿，隔离块总数量应根据钢球数量和滚道直径选取，要求最小间隙不能使隔离块在滚道内翻转。

取隔离体长度3mm，则有800×3.14/（4+3）=58，有58个隔离体和58个滚动体。外径为40×0.9=36mm。

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