塔吊的受力资料分解.docx
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塔吊的受力资料分解
塔吊分析报告
——理论力学
车辆工程（３）班
李 晓学号:
********
程 驰学号:
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乔同超 学号:
********
张兴华 学号:
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总述
1．塔吊综述
1.1塔吊外型
1.2塔吊的组成
1.3我国塔吊发展历程
1.4塔吊的作用
1.5塔吊结构图
1.6塔吊的分类示例
２．塔吊分析
2.1塔吊静力学分析
2.2塔吊运动学分析
2.3塔吊动力学分析
3.塔吊常见事故分析及对策
3.1 塔吊重大事故分析
3.2对策
4.塔吊现存问题及发展前景
4.1 我国塔式起重机存在的主要问题
4.2塔吊的未来发展前景
5.小组总结
★1．塔吊综述
1.1塔吊外型
塔吊，即塔式起重机（如图1-1所示），
机身很高，像塔，有长臂，轨道上有小车，
可以在轨道上移动，工作面很大，主要用于建筑工地等处。
1.2塔吊的组成
塔吊一般由外套架、回转轴承、塔冒、
平衡臂、平衡臂拉杆、起重臂（吊臂）、起重臂拉杆、电源、支架、变幅小车，起重吊钩、驾驶室等几部分组成。
另外工作时塔机安全装置还应主要包括：
行程限位器和荷载限制器。
行程限位器有：
起升高度限位器、回转限位器、幅度限位器。
荷载限制器有:
起重力矩限制器、起重量限制器此外还应包括风速仪。
1.3我国塔吊发展历程
图1-1塔吊实物图
塔式起重机是我们机械建筑的关
键设备，在建筑施工中起着重要作用，我国的塔吊制造如今已跻身于当代国际市场。
五十年代初，我国塔机的制开始起步，生产的是一些小型塔机，六十年代自行设计制造了25TM、40TM、60TM、160TM四种机型，多以摆臂为主；七十年代，随着高层建筑发展，对施工机械提出了新的要求。
于是，160TM附着式、45TM内爬式、120TM自升式等都由我国自己设计并制造；八十年代，国家建设突飞猛进，建筑用最大的250TM塔机也应运而生。
特别是1984年，首先在北京建工集团建机厂引进世界先进的法国POTAIN（波坦）公司技术并于次年成功试制了FO/23B塔机，这可以说是我国塔机发展史的里程碑，它大大缩短了我国与国外的差距，使我国塔机发展步入快行道。
通过消化、吸收国外先进技术，我国自行研制的QTZ80、QTZ120两种机型已达到国外八十年代同类产品的水平；进入九十年代，现代化进程不断地加快，国内外市场对塔机的要求越来越高，众多城市大型建筑、水利、电力、桥梁等工程不断增加，市场的要求加快了新产品开发的力度，先后有400TM、900TM水平臂和300TM动臂式塔机，主要性能达到了国外九十年代水平，这一系列的塔机的开发不但填补了国内空白，而且替代和减少了大型塔机的进口数量。
回顾50年发展史，我国塔机行业从无到有，从小到大，逐步形成了较为完整的体系，我国增幅最快的新兴行业之一，特别是改革开放以来，塔机行业在设计、制造、管理和市场开拓等方面已形成一套较为健全的机制，以目前我国300余家生产塔机厂家为计，取得生产许可证的达100余家，近几年，塔机产量高升不下，2001年产量9309台，2002年10580台，今年市场需求量在20000台，就总体而言，我国已成为世界民用塔机的生产大国，也是世界塔机主要需求市场之一。
1.4塔吊的作用
塔吊一般用于建筑施工、货物搬运、部分事故现场处理等场合，主要作为材料、货物等的高空运输或质量较大物体的运送的工具。
1.5塔吊结构图
根据塔吊的组成、用处及发展历程，我们可以对塔吊的结构有一个更加深入的了解。
如下图1-2塔吊的主体结构模型图所示，塔吊的各个部分均已经标出在图上。
图1-2塔吊主体结构模型
1.6塔吊的分类示例
实际工作中的塔吊多种多样，现略仅举几例以示说明。
★２．塔吊分析
2.1塔吊静力学分析：
O
W2
W1
W
b
FaFb
图2-1塔吊静力学模型
如右图为塔式起重机受力分析图，各种参数均已在图中标出，对此进行
受力分析。
对图2-1先考虑满载时的情形，对塔吊整体为研究对象．
要保证机身满载是平衡而不向右倾倒，则必须
∑MB=0,W2（a+b）-FAb-W1-Wmaxlmax=0；
限制条件 FA≥0．
再考虑空载时的情形，这时W＝0.要保证机身空载时平衡而不向左倾倒，则必须满足平衡方程：
∑MA＝0，W2a+FBb-W1（b+e）=0；F1
限制条件 FB≥0．Fx
对图2-2塔吊的平衡臂，由平衡 l2
条件得：
m1gFy
∑Fx=0,F1cosθ=Fx；l1
图2-2塔吊平衡臂受力情况
∑Fy=0,F1sinθ+Fy=W2+m1g；W2
∑M=0，（F1sinθ-W2）l1=m1gl2；
Ⅳ:
如图2-3塔吊吊臂，由平衡条件得：
∑Fx=0,Fx=F2cosαF2F3
+F3cosβ；FX
∑Fy=0,F2sinα+F`yl3
F2sinβ+F`y=m2g+W；l5m2g
∑M=0,F2sinαl3+lW
F3sinβl4=m2gl5+Wl．l4
图2-3塔吊吊臂受力情况
y
Ⅴ：
如图2-4塔吊吊帽与拉杆的受力o
情况，则由共点力的平衡条件可得x
平衡方程如下：
F1FF2F3
∑Fx=0,F1cosα=
F2cosβ+F3cosγ
图2-4塔吊塔帽与拉杆的受力情况
∑Fy=0,F1sinα+
F2sinβ+F3sinγ=F
F风力
V2/a2
M
V1/a1
F
Mg
图2-5塔吊的运动学及动力学模型
2.2塔吊运动学分析：
★：
如上图2-5塔吊的运动学模型图所示，塔吊的运动情况有几个分运动组成。
以下进行详细分析说明。
Ⅰ：
重物分运动的情况：
1重物在塔吊吊索的提升下在竖直方向向上或向下平动；
2重物在变幅小车的作用下沿水平方向向左或向右平动；
3在旋转机构的作用下塔吊吊臂在水平面内转动，从而
带动重物在水平面上转动。
Ⅱ：
在三维空间坐标系下，重物相对于固定参考系的运动情况：
z
以地面作为固定参考系，连体基建立在塔吊吊臂上。
当重物同时参与三个分运动时，则重物的绝对运动是重物三y
个分运动的合运动，这种运动有点复杂，且不容易进行操控。
一般情况下塔吊在工作时，不同时参与三个分运动，基本上是x
一个或两个运动的合成，这样容易操控，且不容易出现危险。
O
Ⅲ：
重物运动时的速度分析：
在塔吊工作时，重物一般情况下都应该是匀速运动，则根据速
度合成法重物的绝对速度就等于两个平动速度和一个转动速度的合
速度。
当有加速度时，同样根据加速度合成法重物的绝对加速度就
等于两个平动加速度和一个转动加速度的合加速度。
Ⅳ：
重物运动情况详细描述：
★：
重物在实现从一个地点到另一个地点的运动时，大致可以分为三种运动情况，先对其进行详细说明。
①首先，重物在塔吊吊索的提升下竖直上升运动，先匀加速，后匀速，再匀减速，当到达所需高度时，重物停止上升；其次，变幅小车沿吊臂运动，带动小车平动，当到达所需位置时，重物停止平动；再次，吊臂在旋转装置的作用下旋转，带动重物旋转到所需位置的正上方，停止旋转；最后，吊索带着重物下降到所需地点。
这种重物转移方式是最简单的方式，既容易操作，又很安全，但是有一点不好就是很费时间。
如下图2-7所示：
该图表示的是这种运动情况下重物的运动路径。
z
y
x
O
②首先，重物在塔吊吊索的提升下竖直上升运动，先匀加速，后匀速，再匀减速，当到达所需高度时，重物停止上升；其次，变幅小车沿吊臂运动，带动小车平动，同时，吊臂在旋转装置的作用下旋转，带动重物旋转，直到将重物移动到所需要的位置的正上方为止。
最后，吊索带着重物下降到所需地点。
这种重物转移方式是有点相对复杂的方式，操作相对容易，也很安全，并且也很节约时间，使一种比较好的操作方式。
但是变幅小车和吊臂在同时运动时，应当尽量匀速，且速度不要太大，加速度要很小，防止产生过大的惯性力，造成危险事故。
如下图2-8所示：
该图为变幅小车和吊臂在同时运动时重物运动的速度情况
V=Ve+Vr
z
y
ωVe
OVrx
图2-8
如下图2-9所示：
该图为变幅小车和吊臂在同时运动时重物运动的加速度情况
a=ae+ar+ac
z
y
aeω
Oarx
ac
图2-9
③重物在塔吊吊索的提升下竖直上升运动，同时，变幅小车沿吊臂运动，带动小车平动，吊臂在旋转装置的作用下旋转，带动重物旋转，直到将重物移动到所需要的位置的正上方为止。
然后，吊索带着重物下降到所需地点。
这种重物转移方式很复杂，虽然很节约时间，但操作很困难，且对操作人员的技术要求相当高。
另外这种转运方式也不很安全，容易出现事故，是一种不太好的操作方式，塔吊工作时应当尽量避免这种操作，防止产生危险事故。
如下图2-10、2-11所示：
该图为重物、变幅小车和吊臂在同时运动时重物运动的速度和加速度情况
z
z
yya1
v2
ωω
a3x
Ov1v3xOa2a4
2.3塔吊动力学分析：
★：
如上图2-5所示为塔式起重机的动力学模型图，塔吊所受各种动力及运动的情况均已在图中标出，现对此进行动力学分析。
Ⅰ：
动力情况：
①塔吊受到动力装置提供的动力矩M的作用。
②重物自身受重力Mg作用。
③塔吊工作时还要考虑风力的作用，即受F风力的作用。
④重物受到吊索提升的力F的作用。
Ⅱ：
动力分析：
1变幅小车带动重物以速度V0水平匀速运动，由
于突然刹车，重物会因惯性绕O点向前摆动，这时会产生很 Ｏ
大的惯性力。
F
变幅小车刹车后，取自然坐标系如右图2-12所示，
列运动微分方程：
F
mgdv/dt=-mgsinθ①θ
mgv/l=F-mgcosθ②
由式②得：
2
F=mg（cosθ+v/gl）
其中v及cosθ均为变量。
由式①知重物做减速运动，故可判
断出在初始位置θ=0时吊索的拉力最大，最大为：
V０
2
Fmax=mg（1+v0/gl）mgmg
考虑到刹车前吊索拉力即为静拉力F0＝mg,于是动荷因数
Kｄ＝Fmax/F0=1+v0/gl
可见，为了避免吊索产生过大的附加动拉力，变幅小车的行走速度不能太大，应力求平稳；
在不影响塔吊工作安全的条件下，吊索尽量长些，以减小动荷因数。
2如图2-13所示重物在吊索的提升力F的提升下加速
向上运动
F=mg（1+a/g）
可见在一般情况下，吊索动拉力由两部分组成，一部分是
提升重物的静拉力，另一部分是由于加速度而引起的附加动拉力。
F
以Kｄ表示动荷因数，则：
a
Kｄ＝1+a/g
它表示重物加速运动时动拉力与静拉力之比值。
如果加速
度越大，则动荷因数越大，吊索拉力就越大，因此在设计和使用
塔吊时应注意动荷因数的影响。
mg
③如下图2-14所示，重物在吊索的提升下随吊臂的旋转而做旋转运动。
ω
θ
F
ω
Vmg
当重物随吊臂以ω旋转时，要产生摆角θ来使F与mg的合力为重物的旋转提供向心力，由此可知：
2
F=mgtanθ=mlsinθω
则当吊臂旋转时，应该使角速度尽量的小，尽可能没有角加速度，以防止重物旋转时产生过大的向心力，对塔吊整体施加过大的惯性力和惯性力矩，从而降低工作危险。
④当重物同时参与运动学中的三个运动，即以上所说的①②③三个运动时，动荷情况很复杂，且要考虑到风力所施加的附加动荷的作用，塔吊的动力学分析更加复杂，在塔吊操作过程中应尽量避免这种情况的出现，保证塔吊工作的安全性。
⑤根据塔吊的动力学分析情况可知，在塔吊操作时，应当尽量使运动保持平稳，加速度要尽可能的小，以避免产生过大的附加动荷，即惯性力或惯性力力矩。
另外也应当避免多种运动情况同时出现，这样既有利于操作又有利于安全。
★3.塔吊常见事故分析及对策
随着我国经济建设和改革开放进一步深入，建筑业的不断发展，各大中城市高层建筑建设不断增多，塔式起重机的应用越来越广泛，塔吊已成为高层建筑施工垂直运输的主动脉，但是重大塔吊事故频频发生，据统计全国每年发生的机毁人亡的重大事故不下百起。
3.1 塔吊重大事故分析
1.塔吊本身质量 在发生塔机事故和故障中，国产塔机占相当大的比重。
尤其是一些小型塔机生产企业，在塔吊安全运行电气控制存在较多问题。
2.塔吊运行时倾倒原因
图3-1塔吊事故
（1）塔吊起吊超重。
塔吊吊装违反操作规程，包括钭吊重物、重物与下面物体钢筋钩等并未脱离，对起重时吊物重量不明（明显超重）、突然改变塔吊操作动作，当塔吊司机缺乏起吊经验，强制起吊或塔吊重量限位器失灵，均可导致翻塔或断臂事故发生。
（2）塔吊附墙部份失控。
固定式塔吊应按塔吊使用说明书要求与建筑物主体结构连接，其连接预埋件或联接均应进行结构强度计算，若联接部分出现结构强度问题在运行中或大风时发生翻塔事故。
（3）行走式塔吊脱轨或轨道不平。
3.塔吊装拆时翻塔原因
塔吊装拆时无施工方案。
锚固不牢包括地锚设置不当或锚具强度不足、钢丝绳强度不足和联接不牢等原因。
轨道不平或渣石未按规程铺设。
控制系统失灵包括刹车系统失灵、牵引动力运用不当和钢丝绳联接失灵等。
4.指挥错误
指挥失误包括指挥信号不明、指挥人责任心不强或能力不够、信号传递失误等原因。
如某工地安装塔吊时，现场指挥是一位新手，在液压爬升架上升时，爬升滑轮超过了一个标准节，而没有立即停下来，结果因为整机失稳而倒塌，造成一人死亡、一人重伤和塔身损坏的严重事故。
主要是指挥人员没有经验造成的。
3.2对策
1.人员与设备选购
（1）塔吊司机、指挥应持证上岗，指挥应按规程使用技语和通讯装置等联络信号。
（2）操作人员应按指挥人员事先规定好的旗语、手势或哨音进行操作。
若指挥信号不清可能引发事故时，操作人员应拒绝执行，并立即通知指挥人员；但对任何人发出的避免事故或消除危险的信号均应听从，并采取果断措施。
（3）在选购设备时，应选择塔吊设备性能可靠的厂家，特别是电气元件质量应稳定可靠。
在正式使用前，要经过严格调试和检验，凡是出现不合格项目，厂方必须负责更换元件，直到合格为止。
2.塔吊安装与拆卸
（1）塔吊安装与拆卸必须有施工方案，并验收合格后方可投入使用。
图3-2塔吊事故
（2）塔吊安装完毕后，必须经过有关部门验收，验收应规范、手续应齐全、合格，经验收人签字后挂合格牌，方可使用。
（3）固定式塔吊附墙必须按设计图纸进行预埋、设置。
附墙栏杆严禁走人。
（4）固定式塔吊基础按厂方说明要求进行设计，并经有关技术部门审批。
（5）严禁使用断丝超标准、报废、锈蚀钢丝绳。
3.塔吊使用
（1）严禁执行“十不吊”，不违章作业。
（2）塔吊必须有明显的五限位、四保险装置、缓冲装置。
（3）吊件起吊前必须绑扎牢固，吊钩必须通过吊索或绑扎的绳索起吊物体，严禁用吊钩直接钩挂吊件。
绳索间夹角不宜超过九十度。
（4）起重机械一般不准同时操作三个动作。
（5）在起重吊装过程中，变换动作方向时，必须先停止原动作，待机械和吊件均停稳后再改变方向，严禁直接变换方向。
★4.塔吊现存问题及发展前景
4.1 我国塔式起重机存在的主要问题
我国塔机经过五十年的发展与先进国家水平差距大为缩小，并成为生产和使用的大国，但在总体的结构、性能、质量等方面与国外比还存在一定问题。
1.产品结构不合理 我国至今累计生产了近十万台塔式起重机，但型号还达不到40种，绝大部分型号大同小异，原因之一是技术法规限制了产品开发。
80年代，我国出于统一管理，有利于客户选择的初衷，出台了型号分类标准，这不能说不是好意，但实际运作正好相反，很大程度制约了塔机技术进步。
业内人士认为，产品型号定死了，开发受到局限，没什么新品种可开发了，而发达国家小到只有1-2TM可拖走家用轿车的特型吊，大到5000TM的特大塔吊，市场需要什么就开发什么，虽群雄争霸，但各具特色，正如"可口可乐"赋予了"欢乐"，"雪碧"赋予了"清透"，"芬达"赋予了"开心"一样，而不是按分类标准开发，致使千机一面，却在市场上打得头破血流。
目前，我国塔机产品型号还不及法国POTAIN公司一家多，快餐塔机在发达国家呈上升趋势，我国还是弱项，近五年，我国大、特大型塔机短缺，中、小型过剩，并急需更新换代。
2.产品技术性能含金量不高 塔式起重机是建筑机械唯一可移动垂直运输工具，其技术性能高低不仅关乎工程进度，更关系着安全生产。
目前，我国塔机性能基本处于八、九十年代的机械化水平，与现代国外智能化、数字化控制技术还有很大差距，跟不上市场的需要。
由于可靠性较差，造成机械、电器事故率较高。
代表当代塔机技术性能的全无极调速、PLC控制在发达国家中已十分普及，而在我国充其量在2%；发达国家已批量生产、运行状态实现了全参数监控与故障诊断的智能型塔机，而我国目前刚刚启动，可以说还是空白。
分析原因是用户群的不确定性制约了技术进步。
由于建筑市场繁荣，发展迅速，大量中小建筑企业应运而生，很多新生建筑企业由于缺乏长运规则，资金不雄厚，只得购入技术含量低，一次性投入少的一般塔机或淘汰下来的"二手货"。
这方面，我国法规上还没有明确的限制，或有限制但执行力度也不够，造成购入技术先进，投资大的企业竞争力反而下降；再有陈旧的观念也是制约技术进步的因素，先进的技术，良好的监控系统无疑对保障工程速度、质量和安全生产都会产生积极的效果，同时必不可少地要进行学习或培训已掌握现代技术，这又会引起固有传统观念用户的反感，他们误认为原来的好使、方便。
3.制造技术不适应 在塔机制造上，一些人存在一定误区，认为建筑工地的塔吊是傻大黑粗，不是什么高精尖细的产品，能吊能转就行了。
其实恰恰相反，塔机制造的每个环节关系着人们的生产安全，不能有任何的忽视和纰漏。
从近20年来看，我国塔机制造水平已有大幅度提高，但相对其他行业先进的制造技术还有很大差距。
特别是在涂装工序上，多数企业仍是传统的人工除锈、刷漆，没有封闭喷漆，基底处理不彻底，效率低，文明程度差，环境污染大，焊接质量，外观质量都难以保证。
以北京建工集团建机厂为例，该厂借搬迁顺义为契机投资近千万，形成喷丸预处理，水循环封闭喷漆和烘干的流水线，除锈率达100%，喷涂出的结构件光泽度高，达到现代涂装水平，产品外观质量大为改善，赢得客户青睐。
目前，多数企业的管理模式或生产方式还没摆脱传统的多极地进的静态模式，有的还是小而全，大而全，专业化程度，工艺装备和管理水平都很低，很难适应多品种批量化生产和市场经济的激烈竞争，难以形成我自己民族特区的规模工业。
据悉，就目前我国所有塔机厂的年产量大致相当于法国POTAIN公司一家年产量的数量，而且品种、规模还远不如他们齐全。
除以上分析还难以说明目前我国塔机生产存在的问题，诸如在试验手段上，多数企业不具备对原材料的预处理和配套件的进厂检验能力；在配套件生产上，企业多，品种重复，生产质量差。
特别是液压件、电器件等不过关，直接影响到主机的质量和可靠性等。
4.2塔吊的未来发展前景
塔吊是现代工业中不可或缺的工具之一，在机械、建筑等诸多领域发挥着不可替代的作用。
而介于目前塔吊制造及使用中出现的种种问题，塔吊不论是在设计制造还是在安全应用方面都存在着很大的发展空间。
随着各种相关行业及边缘学科的发展，塔吊的应用前景将更加广阔。
1.新型塔吊的设计及开发 现有塔吊的种种缺陷和不足限制了塔吊应用的安全性和适应性，随着电子自动化的发展，材料力学、理论力学等学科的深入发展各种新型材料的发现，可以对现有的塔吊结构进行改装和重新设计制造，使之更加适合作业，并加强其安全性能。
2.塔吊未来的发展趋势 近年来由于高新技术的迅速发展，特别是智能化技术的发展将会大大提高塔吊的操作效率和安全性能。
遥控技术已开始应用于塔吊上，从而简化了操作。
塔吊今后将向着益加智能化和人性化发展，体现以人为本的基本思想，其操作将更加安全且简便易行。
3.产品产业结构化 依据我国国内塔吊产业结构不合理的现状，应加强对国内市场需求的调控。
国内生产厂家应进行必要的市场调查，对市场需求有所了解，从而开展适当的计划生产针对我国大、特大型塔机短缺，中、小型过剩，并急需更新换代的现状进行适当的生产调整，做到有产有销，尽可能达到供求平衡。
综合当前科学界发展形势，以及塔吊在相关行业中不可或缺的地位可以看出，塔吊还有很大的发展空间。
使用更加简洁、安全的塔吊必将出现。
图4-1遥控式塔吊
★5.小组总结
经过本小组一个多月的学习、查资料、讨论、研究，终于在规定时间内完成了这份塔吊分析报告。
在此次调查分析中，我们对塔吊的静力学、运动学和动力学都进行了大量细致的分析，并向老师进行了请教，特别是在3个星期的金工实习中我们搜集了大量的关于塔吊的资料，对静力学、运动学和动力学这三部分的知识有了更加深刻的理解。
但因我们一学期来所学的理伦理学的知识有限，对塔吊的静力学、运动学和动力学分析还不够全面细致，不足的地方还请老师谅解。
另外，经过这次小组合作完成这份报告，我们还认识到了团队合作精神的重要性。
因为一个人所学的知识不可能面面俱到的，只有通过合作，发挥自己的优点，体现团队精神，才能使工作做得更为出色，小组成员各显所长，群策群力，既提高了效率，又保证了质量。
当今的社会是既分工又合作的社会，团队合作精神显得非常重要。
这是很好的一次锻炼，使我们的团队协作能力有了很大的提高，为我们将来踏出校门，走上社会增强了能力与自信！
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