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第38卷增刊 上海交通大學學報 Vol.38.sup
2004年6月 JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITY Jun.2004
對塔式起重機臂三維裂紋的有限元斷裂分析
曹宗杰,匡振邦和李昌平
中國上海交通大學工程力學系， 200240
中國長春航空空軍大學機械工程系，130022
zjcao96@sina.com,zbkiang@mail.sjtu.edu.cn,Lichangpingl@sina.com
摘要：本文介紹了在三維裂紋前端位移域的局部解和構造三維裂紋問題的一種新方法，和提出了一種新方法用于計算三維裂紋問題的應力強度因子。用現(xiàn)有的方法，對結構強度與縱向閉合裂紋軸向張力進行了分析。裂紋擴展是可能的，因為軸壓塔式起重機主臂的關節(jié)附近有環(huán)拉伸應力。應力和應力強度因子用于塔式起重機主臂關節(jié)計算。探討了焊接殘余應力和應力強度因子的影響。
關鍵詞：應力強度因子；殘余應力奇異有限元；裂紋
1引言
電力系統(tǒng)塔式起重機是塔式起重機類型中最重的的一個。一些災難性事故發(fā)生時塔式起重機都是在使用工程中的。磁測量，封閉式縱向裂縫在塔式起重機主臂的表面經(jīng)常發(fā)現(xiàn)。裂縫影響結構的強度，因此對縱向閉合裂紋塔式起重機主臂的強度必須進行分析。因為裂紋尖端，一般方法很難準確地確定裂紋如何影響塔式起重機結構強度。許多研究人員在裂紋尖端的奇異領域提出了各種模擬和處理。每一種方法都有其優(yōu)點和缺點存在。他們中的大多數(shù)是需要密集的網(wǎng)格計算的有限元方法。一些更為精確的元素，如雜交/混合有限元，有更精確的結果，但是它很難控制結果的穩(wěn)定性。因此需要在工程上應用一種特殊的算法。
奇異有限元求解應力強度因子裂紋問題時有特殊的優(yōu)勢。在本文中的三維裂紋的前端位移域解決方案，介紹了一種構建二維裂紋彈性問題和三維裂紋問題的新的奇異單元，并提出了一種新方法用于計算應力強度因子的三維裂紋問題。此方法不僅可以節(jié)省內存和計算時間，也增加了對涉及到應力強度因子有限域問題的計算解的精度。與現(xiàn)有的方法相比，對縱向閉合裂紋的結構強度軸向張力進行了分析。對塔起重機的主臂關節(jié)應力和應力強度因子進行計算。探討了焊接殘余應力和應力強度因子的影響。
2奇異有限元方法
由于應力裂紋奇異性的存在，常規(guī)有限元應力域精確的表達強度是非常困難的。因此，任意裂紋形狀的三維物體，局部位移場，應力場和應變場可以表示為如下形式：
（1）
（2）
（3）
這里的、和分別是分布函數(shù)矩陣的局部應力場，應變場和位移場。的應力強度因子（SIF）的陣列在裂紋前沿的任意一點，二次插值函數(shù)模擬元素中裂紋前沿的應力強度因子是該點放置在裂紋前端的功能。然后下面的公式可給出：
（4）
（5）
（6）
其中L是應力強度因子的二次插值函數(shù)矩陣；是應力強度因子在單元節(jié)點的陣列，是在裂紋前沿的應力強度因子的節(jié)點數(shù)組。局部解式（1）-（3）為等參單元，對任意形狀的三維裂紋單元位移場如下：
（7）
其中q是節(jié)點位移，并用奇異的元素數(shù)。M是M的節(jié)點單元邊界，L是元素邊界節(jié)點。根據(jù)應變與位移之間的關系，為，可以得到以下方程
（8）
其中和為應變向量應力矢量；是微分算子；B是應變矩陣；是奇異應變矩陣；D是彈性系數(shù)矩陣。根據(jù)應力和應變之間的關系，可以得到以下方程：
（9）
3三維裂紋應力強度因子
根據(jù)最小勢能原理，可以得到以下方程
（10）
當是整個研究區(qū)時，是奇異的區(qū)。f和分別是表面力的奇異單元。將式（7）-（9）代入式（10），可以得到以下方程：
(11)
其中Q是全球位移陣列。F和分別是整體區(qū)域研究和奇異區(qū)域邊界力向量。K是整體剛度矩陣。是耦合的整體剛度矩陣元素之間的定期和奇異的元素。是奇異單元的整體剛度矩陣。通過分別改變Q和之間的獨立性，可以得到以下方程
(12)
(13)
當時，式（13）可以改寫為下列形式：
(14)
替代式（14）代入式（12），可以得到以下方程：
(15)
當 (16)
(17)
4數(shù)值例子
塔式起重機是桁架結構，其主臂是無縫鋼管（）是20鋼材料。裂紋的長度為5～500mm，裂縫的深度為0.5～2.5mm。計算模型的建立應用二十節(jié)點三維有限元素。關節(jié)臂有限元網(wǎng)格與附近的封閉式縱向裂縫的主要危險如圖1所示。裂縫計算長度為500mm。分別計算裂縫深度，為1.5,2.5，3和3.5毫米。計算負荷（）等于。出于焊接殘余應力對主臂與封閉式縱向流的考慮，焊接殘余應力（）相當于等于0.5。泊松分布，材料的楊氏模量的比分別等于0.3和0.07 MN /。環(huán)拉伸應力在不同的徑向截面無焊接殘余應力，如圖2所示。環(huán)拉伸應力不同軸向截面無焊接殘余應力如圖3和圖4所示。通過上述計算，塔式起重機主臂的關節(jié)部分有環(huán)的拉伸應力在可能的流環(huán)附近傳播。
從圖2~4可知，主臂縱向閉合裂紋的環(huán)拉伸應力降低時有焊接殘余應力。在不同的情況下，主臂關節(jié)部分應力強度因子的三維裂紋附近無焊接殘余應力和對焊接殘余應力進行了計算，如圖5,圖6所示。從圖5可以看出，最大應力強度因子等于時裂紋的厚度為3.5mm，關節(jié)處發(fā)生較少， 在10cm左右。單邊緣裂紋擴展門檻值，它的長度是0.025到5毫米，是從4.0至的20鋼材料。主臂關節(jié)附近的最大應力強度因子小于單邊緣裂紋擴展門檻值。如圖6，最大應力強度因子等于時，裂紋深度等于3.5mm。最大應力強度因子與焊接殘余應力小于無焊接殘余應力。
5結論
本文對三維裂紋前端位移域的解決方案進行了介紹和三維裂紋問題的一種新的奇異單元的構造，和提出了一種新方法，計算三維裂紋問題的應力強度因子。與用現(xiàn)有的方法，對結構強度與縱向閉合裂紋軸向張力進行了分析。這是可能的裂紋擴展，因為是有環(huán)的拉伸應力下的軸壓塔式起重機主臂的關節(jié)附近的應力。焊接殘余應力對焊接材料強度有害，但焊接殘余應力使主臂環(huán)拉伸應力下降。在同一時間，應力強度因子的下降，改進了塔式起重機主臂的安全性。
參考文獻
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設計項目
計算與說明
結果
前言
概述
發(fā)展趨勢
總體設計
概述
確定總體設計方案
塔機金屬結構
塔頂
吊臂
構造型式
分節(jié)問題
截面形式及截面尺度
腹桿布置和桿件材料選用
吊點的選擇與構造
平衡臂和平衡重
平衡臂的結構型式
平衡重
拉桿
上、下支座
塔身
塔身結構斷面型式
塔身結構腹桿系統(tǒng)
標準節(jié)間的聯(lián)接方式
塔身結構設計
塔身的接高問題
轉臺裝置
回轉支承
底架
附著裝置
套架與液壓頂升機構
爬升架
頂升機構
套架
液壓頂升
基礎
工作機構
起升機構
起升機構的傳動方式
起升機構的驅動方式
起升機構的減速器
起升機構的制動器
滑輪組
倍率
回轉機構
變幅機構
安全裝置
限位開關
起升高度限制器
起重量限制器
力矩限制器
風速儀
鋼絲繩防脫裝置
電氣系統(tǒng)
總體設計原則
整機工作級別
機構工作級別
第1章 前言
1.1 塔式起重機概述
塔式起重機是我們建筑機械的關鍵設備，在建筑施工中起著重要作用，我們只用了五十年時間走完了國外發(fā)達國家上百年塔機發(fā)展的路程，如今已達到發(fā)達國家九十年代末期水平并躋身于當代國際市場。
QTZ40型塔式起重機簡稱QTZ40型塔機，是一種結構合理，性能比較優(yōu)異的產品，比較國內同規(guī)格同類型的塔機具有更多的優(yōu)點，能夠滿足高層建筑施工的需要，可用于建筑材料和預制構件的吊運和安裝，并能在市內狹窄地區(qū)和丘陵地帶建筑施工。高層建筑施工中，它的幅度利用率比其他類型起重機高，其幅度利用率可達全幅度的80%。
QTZ40型塔式起重機是400kN·m上回轉自升式塔機。上回轉自升塔式起重機是我國目前建筑工程中使用最廣泛的塔機，幾乎是萬能塔機。它的最大特點是可以架得很高，所以所有的高層和超高層建筑、橋梁工程、電力工程，都可以用它去完成。這種塔式起重機適應性很強，所以市場需求很大。
1.2 塔式起重機發(fā)展趨勢
塔式起重機是在第二次世界大戰(zhàn)后才真正獲得發(fā)展的。在六十年代，由于高層、超高層建筑的發(fā)展，廣泛使用了內部爬升式和外部附著式塔式起重機。并在工作機構中采用了比較先進的技術，如可控硅調速、渦流制動器等。進入七十年代后，它的服務對象更為廣泛。因此，幅度、起重量和起升高度均有了顯著的提高。
就工程起重機而言，今后的發(fā)展主要表現(xiàn)在如下幾個方面：①整機性能：由于先進技術和材料的應用，同種型號的產品，整機重量要輕20%左右；②高性能、高可靠性的配套件，選擇余地大、適應性好,性能得到充分發(fā)揮；③電液比例控制系統(tǒng)和智能控制顯示系統(tǒng)的推廣應用；④操作更方便、舒適、安全，保護裝置更加完善；⑤向吊重量大、起升高度、幅度更大的大噸位方向發(fā)展。
第2章 總體設計
2.1 概述
總體設計是畢業(yè)設計中至關重要的一個環(huán)節(jié)，它是后續(xù)設計的基礎和框架。只有在做好總體設計的前提下，才能更好的完成設計。它是對滿足塔機技術參數(shù)及形式的總的構想，總體設計的成敗關系到塔機的經(jīng)濟技術指標，直接決定了塔機設計的成敗。
總體設計指導各個部件和各個機構的設計進行，一般由總工程師負責設計。在接受設計任務以后，應進行深入細致的調查研究，收集國內外的同類機械的有關資料，了解當前的國內外塔機的使用、生產、設計和科研的情況，并進行分析比較，制定總的設計原則。設計原則應當保證所設計的機型達到國家有關標準的同時，力求結構合理，技術先進，經(jīng)濟性好，工藝簡單，工作可靠。
2.2 確定總體設計方案
QTZ40塔式起重機是上回轉液壓自升式起重機。盡管其設計型號有各種各樣，但其基本結構大體相同。整臺的上回轉塔機主要由金屬結構，工作機構，液壓頂升系統(tǒng)，電器控制系統(tǒng)及安全保護裝置等五大部分組成。
2.2.1 金屬結構
塔式起重機金屬結構部分由塔頂，吊臂，平衡臂，上、下支座，塔身，轉臺等主要部件組成。對于特殊的塔式起重機，由于構造上的差異，個別部件也會有所增減。金屬結構是塔式起重機的骨架，承受塔機的自重載荷及工作時的各種外載荷，是塔式起重機的重要組成部分，其重量通常約占整機重量的一半以上，因此金屬結構設計合理與否對減輕起重機自重，提高起重性能，節(jié)約鋼材以及提高起重機的可靠性等都有重要意義。
1. 塔頂
自升塔式起重機塔身向上延伸的頂端是塔頂，又稱塔帽或塔尖。其功能是承受臂架拉繩及平衡臂拉繩傳來的上部載荷，并通過回轉塔架、轉臺、承座等的結構部件或直接通過轉臺傳遞給塔身結構。
自升式塔機的塔頂有直立截錐柱式、前傾或后傾截錐柱式、人字架式及斜撐式等形式。截錐柱式塔尖實質上是一個轉柱，由于構造上的一些原因，低部斷面尺寸要比塔身斷面尺寸為小，其主弦桿可視需要選用實心圓鋼，厚壁無縫鋼管或不等邊角鋼拼焊的矩形鋼管。人字架式塔尖部件由一個平面型鋼焊接桁架和兩根定位系桿組成。而斜撐式塔尖則由一個平面型鋼焊接桁架和兩根定位系桿組成。這兩種型式塔尖的共同特點是構造簡單自重輕，加工容易，存放方便，拆卸運輸便利。
塔頂高度與起重臂架承載能力有密切關系，一般取為臂架長度的1/7-1/10，長臂架應配用較高的塔尖。但是塔尖高度超過一定極限時，弦桿應力下降效果便不顯著，過分加高塔尖高度不僅導致塔尖自重加大，而且會增加安裝困難需要換用起重能力更大的輔助吊機。因此，設計時，應權衡各方面的條件選擇適當?shù)乃敻叨取?
本設計采用前傾截錐柱式塔頂，斷面尺寸為1.36m×1.36m。腹桿采用圓鋼管。塔頂高6.115米。塔冒用無縫鋼管焊接而成，頂部設有連接平衡臂拉桿和吊臂拉桿的鉸銷吊耳，以及穿繞起升鋼絲繩的定滑輪，頂部應裝有安全燈和避雷針。其結構如圖2-1所示：
圖2-1 塔頂結構圖
2. 起重臂
1） 構造型式
塔式起重機的起重臂簡稱臂架或吊臂，按構造型式可分為：小車變幅水平臂架；俯仰變幅臂架，簡稱動臂；伸縮式小車變幅臂架；折曲式臂架。
小車變幅水平臂架，簡稱小車臂架，是一種承受壓彎作用的水平臂架，是各式塔機廣泛采用的一種吊臂。其優(yōu)點是：吊臂可借助變幅小車沿臂架全長進行水平位移，并能平穩(wěn)準確地進行安裝就位。因此此次設計采用小車變幅水平臂架。
小車臂架可概分為三種不同型式：單吊點小車臂架，雙吊點小車臂架和起重機與平衡臂架連成一體的錘頭式小車臂架。單吊點小車變幅臂架是靜定結構，而雙吊點小車變幅臂架則是超靜定結構。幅度在40m以下的小車臂架大都采用單吊點式構造；雙吊點小車變幅臂架結構一般幅度都大于50m。雙吊點小車變幅臂架結構自重輕，據(jù)分析與同等起重性能的單吊點小車變幅臂架相比，自重均可減輕5%-10%。小車變幅臂架拉索吊點可以設在下弦處，也可設在上弦處，現(xiàn)今通用小車變幅臂架多是上弦吊點，正三角形截面臂架。這種臂架的下弦桿上平面均用作小車運行軌道。
2） 分節(jié)問題
臂架型式的選定及構造細部處理取決于塔機作業(yè)特點，使用范圍以及承載能力等因素，設計時，應通盤考慮作出最佳選擇，首先要解決好分節(jié)問題。
小車臂架常用的標準節(jié)間長度有6、7、8、10、12m五種。為便于組合成若干不同長度的臂架，除標準節(jié)間外，一般都配設1~2個3~5m長的延接節(jié)，一個根部節(jié)，一個首部節(jié)和端頭節(jié)。端頭節(jié)構造應當簡單輕巧，配有小車牽引繩換向滑輪、起升繩端頭固定裝置。此端頭節(jié)長度不計入臂架總長，但可與任一標準節(jié)間配裝，形成一個完整的起重臂。本次設計選用標準節(jié)長度為6m，另加上2m長的延接節(jié)。其示意圖見圖2-2：
圖2-2臂架分節(jié)
3） 截面形式及截面尺度
塔機臂架的截面形式有三種：正三角形截面、倒三角形截面和矩形截面。小車變幅水平臂架大都采用正三角形截面，本次設計的QTZ40采用正三角形截面。選用這種方式的優(yōu)點是：節(jié)省鋼材，減輕重量，從而節(jié)約成本。其尺寸截面形式如圖2-3所示：
圖2-3 臂架截面及其腹桿布置
1-水平腹桿2-側腹桿3-上弦桿4-下弦桿
臂架一-五節(jié)：B=1020mm H=800mm
臂架六-七節(jié)：B=1017mm H=800mm
臂架截面尺寸與臂架承載能力、臂架構造、塔頂高度及拉桿結構等因素有關。截面高度主要受最大起重量和拉桿吊點外懸臂長度影響最大。截面寬度主要與臂架全長有關。設計臂架長度為40m，共分七節(jié)。
4） 腹桿布置和桿件材料選用
矩形截面臂架的腹桿體系宜采用人字式布置方式，而三角形截面起重臂的腹桿體系既可采用人字式布置方式，也可 采用順斜置式。此兩種布置方式各有特點。
當采用順斜置式式，焊縫長度較短、質量不易保證。焊接變形不均勻，節(jié)點剛度較差，且不便于布置小車變幅機構。因此本設計選用人字式布置方式。其優(yōu)點在于，這種布置方式應用區(qū)段不受限制，焊縫長度較長，強度易于保證，焊接變形較均勻，節(jié)點剛度較好，便于布置小車變幅機構。
臂架桿件材料有多種選擇可能性。一般情況下，上吊點小車變幅臂架的上弦以選用16Mn實心鋼為宜，但造價要高。因此本設計選用20號無縫圓鋼管。其特點是：慣性矩、長細比要小，抗失穩(wěn)能力高。下弦采用等邊角鋼對焊的箱型截面桿件，經(jīng)濟實用，具有良好的抗壓性能。因此上弦桿選用89×8、89×7，下弦選用的角鋼型號為：75×8、75×5，臂間由銷軸連接。
5） 吊點的選擇與構造
吊點可分為單吊點和雙吊點。其設計原則是：臂架長度小于50m，對最大起吊量并無特大要求，一般采用單吊點結構。若臂架總長在50m以上，或對跨中附近最大起吊量有特大要求應采用雙吊點。采用單吊點結構時，吊點可以設在上弦或下弦。吊點以左可看作簡支梁，以右可看作懸臂梁。在設計中采用雙吊點。
3. 平衡臂與平衡重
QTZ40塔式起重機是上回轉塔機。上回轉塔機均需配設平衡臂，其功能是支撐平衡重（或稱配重），用以構成設計上所需要的作用方向與起重力矩方向相反的平衡力矩，在小車變幅水平臂架自升式塔機中，平衡臂也是延伸了的轉臺，除平衡重外，還常在其尾端裝設起升機構。起升機構之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端，一則可發(fā)揮部分配重作用，二則增大鋼絲繩卷筒與塔尖導輪間的距離，以利鋼絲繩的排繞并避免發(fā)生亂繩現(xiàn)象。
1） 平衡臂的結構型式
平衡臂的構造設計必須保證所要求的平衡力矩得到滿足。短平衡臂的優(yōu)點是：便于保證塔機在狹窄的空間里進行安裝架設和拆卸，適合在城市建筑密集地區(qū)承擔施工任務的塔機使用，不易受鄰近建筑物的干擾，結構自重較輕。長平衡臂的主要優(yōu)點是：可以適當減少平衡重的用量，相應減少塔身上部的垂直載荷。平衡重與平衡臂的長度成反比關系，而平衡臂長度與起重臂之間又存在一定關系，因此，平衡臂的合理設計可節(jié)約材料，降低整機造價。
常用平衡臂有以下三種結構型式：
（1） 平面框架式平衡臂，由兩根槽鋼縱梁或由槽鋼焊成的箱形斷面組合梁河系桿構成。在框架的上平面鋪有走道板，走到板兩旁設有防護欄桿。其特點是結構簡單，加工容易。
（2） 三角形斷面桁架式平臂，又分為正三角形斷面和倒三角形斷面兩種形式。此類平衡臂的構造與平面框架式平衡臂結構構造相似，但較為輕巧，適用于長度較大的平衡臂。從實用上來看，正三角形斷面桁架式平衡臂似不如倒三角形斷面桁架式平衡臂。
（3） 矩形斷面格桁結構平衡臂，其特點是根部與座在轉臺上的回轉塔架聯(lián)接成一體，適用于小車變幅水平臂架特長的超重型自升式塔機。
平衡臂結構選用型式的原則是：自重比較輕；加工制造簡單，造型美觀與起重臂匹配得體。故此次設計選用平面框架式平衡臂。它由兩根槽鋼縱梁或由槽鋼焊成的箱形斷面組合梁和系桿構成。在框架的上平面鋪有走道板，走道板兩旁設有防護欄桿。這種平衡臂的優(yōu)點是結構簡單，加工容易。平衡臂的長度是10.17m。如圖2-4所示：
圖2-4 平衡臂
2） 平衡重
平衡重屬于平衡臂系統(tǒng)的組成部分，它的用量甚是可觀，輕型塔機一般至少要用3～4t，重型自升式塔機要裝有近30t平衡重。因此在設計平衡重過程中，應對平衡重的選材、構造以及安裝進行認真考慮并作妥善安排。
平衡重一般可分為固定式和活動式兩種?；顒悠胶庵刂饕糜谧陨剿C，其特點是可以移動，易于使塔身上部作用力矩處于平衡狀態(tài)，便于進行頂升接高作業(yè)。但是，構造復雜，機加工量大，造價較高。故國內大部分塔機均采用固定式平衡重。
平衡重可用鑄造或鋼筋混凝土制成。鑄鐵平衡重的構造較復雜，制造難度大，加工費用貴，但體形尺寸較小，迎風面積較小，有利于減少風載荷的不利影響。鋼筋混凝土平衡重的主要缺點是體積大，迎風面積大，對塔身結構及穩(wěn)定性均有不利影響。但是構造簡單，預制生產容易，可就地澆注，并且不怕風吹雨淋，便于推廣。
因此，本次設計的塔式起重機采用鋼筋混凝土式平衡重。
4. 拉桿
QTZ40塔式起重機采用雙吊點式拉桿結構，拉桿由焊件組成，其材料為16Mn，拉桿節(jié)之間用過渡節(jié)連接，由受力特性計算出其拉桿點作為位置，其中在平衡臂和吊臂上設有拉板和銷軸用來連接用。
5. 上、下支座
上支座上部分別與塔頂、起重臂、平衡臂連接，下部用高強螺栓與回轉支承相連接在支承座兩側安裝有回轉機構，它下面的小齒輪準確地與回轉支承外齒圈嚙合，另一面設有限位開關。
下支座上部用高強螺栓與回轉支承連接、支承上部結構，下部四角平面用4個銷軸和8個M30的高強螺栓分別與爬升架和塔身連接。
6. 塔身
塔身結構也稱塔架，是塔機結構的主體，支撐著塔機上部結構的重量和承受載荷，并將這些載荷通過塔身傳至底架或直接傳遞給地基基礎。
1） 塔身結構斷面型式
塔身結構斷面分為圓形斷面、三角形斷面及方形斷面三類。圓形斷面和三角形斷面現(xiàn)在基本上不用，現(xiàn)今國內外生產的塔機均采用方形斷面結構。因此本設計采用的也是方形斷面結構。按塔身結構主弦桿材料的不同，這類方形斷面塔架可分為：角鋼焊接格桁架結構塔身，主弦桿為角鋼輔以加強筋的矩形斷面格桁架結構；角鋼拼焊方鋼管格桁架結構塔身及無縫鋼管焊接格桁架結構塔身。由型鋼或鋼管焊成的空間桁架，其成本比較低，且能滿足工作需要。因此主弦桿采用由等邊角鋼拼焊成的方管。這種樣式具有選材方便、靈活的優(yōu)點。常用的矩形尺寸有：1.2m×1.2m，1.3m×1.3m，1.4m×1.4m，1.5m×1.5m，1.6m×1.6m，1.7m×1.7m，1.8m×1.8m，2.0m×2.0m。此次設計的尺寸為1.6m×1.6m。根據(jù)承載能力的不同，同一種截面尺寸，其主弦桿又有兩種不同截面之分。主弦桿截面較大的標準節(jié)用于下部塔身，主弦桿截面較小的標準節(jié)則用于上部塔身。塔身標準節(jié)的長度有2.5m，3m，3.33m，4.5m，5m，6m，10m等多種規(guī)格，常用的尺寸是2.5m和3m。選用標準節(jié)長度為2.5m。
2） 塔身結構腹桿系統(tǒng)
塔身結構的腹桿系統(tǒng)采用角鋼或無縫鋼管制成，腹桿可焊裝與角鋼主弦桿內側或焊裝于角鋼主弦桿外側。斜腹桿和水平腹桿可采用同一規(guī)格，腹桿有三角形，K字型等多種布置形式。腹桿不同會影響塔身的扭轉剛度和彈性穩(wěn)定。
本次設計腹桿采用三角形布置。適合于中等起重能力塔身結構采用的腹桿布置方式。
3） 標準節(jié)間的聯(lián)接方式
塔身標準節(jié)的聯(lián)接方式有：蓋板螺栓聯(lián)接，套柱螺栓聯(lián)接，承插銷軸聯(lián)接和瓦套法蘭聯(lián)接。蓋板螺栓聯(lián)接和套柱螺栓聯(lián)接應用最廣。
本次設計的QTZ40塔機采用套柱螺栓聯(lián)接，其特點是：套柱采用齊口定位，螺栓受拉，用低合金結構鋼制作。適用于方鋼管和角鋼主弦桿塔身標準節(jié)的聯(lián)接，雖加工工藝要求比較復雜，但安裝速度比較快。
4） 塔身結構設計
（1） 輕、中型自升塔機和內爬式塔機宜采用整體式塔身標準節(jié)。附著式自升式塔機和起升高度大的軌道式以及獨立式自升塔機宜采用拼裝式塔身標準節(jié)。拼裝式塔機塔身標準節(jié)的加工精度要求比較高，制作難度比較大，零件多和拼裝麻煩，但拼裝式塔身標準節(jié)的優(yōu)越性更不容忽視：一是堆放儲存占地??；二是裝卸容易；三是運輸費用便宜，特別是長途陸運和運洋海運，由于利用集裝箱裝運，其抗銹蝕和節(jié)約運費的效果極為顯著。
QTZ40屬于中型自升式塔機，綜合各種型式的特點，塔身結構采用整體式塔身標準節(jié)，如圖2-5所示：
圖2-5 塔身結構示意圖
（2） 為減輕塔身的自重，充分發(fā)揮鋼材的承載能力，并適應發(fā)展組合制式塔機的需要，對于達到40m起升高度的塔機塔身宜采用兩種不同規(guī)格的塔身標準節(jié)，而起升高度達到60m的塔機塔身宜采用3種不同規(guī)格的塔身標準節(jié)。除伸縮式塔身結構和中央頂升式自升塔機的內塔外，塔身結構上、下的外形尺寸均保持不變，但下部塔身結構的主弦桿截面則須予以加大。
（3） 塔身的主弦桿可以是角鋼、角鋼拼焊方鋼管、無縫鋼管式實心圓鋼，取決于塔身的起重能力、供貨條件、經(jīng)濟效益以及開發(fā)系列產品的規(guī)劃和需要。
（4） 塔身節(jié)內必須設置爬梯，以便司機及機工可以上下。在設計塔身標準節(jié)，特別是在設計拼裝式塔身標準節(jié)時，要處理好爬梯與塔身的關系，以保證使用安全及安裝便利。爬梯寬度不宜小于500mm，梯級間距應上下相等，并應不大于30mm。當爬梯高度大于5m時，應從高2m處開始裝設直徑為650～800mm的安全護圈，相鄰兩護圈間距為500mm。當爬梯高度超過10m時，爬梯應分段轉接，在轉接處加一休息平臺。
對于高檔的塔機，可根據(jù)用戶要求增設電梯，以節(jié)省司機的體力，充分體現(xiàn)人機工程學的應用。
5） 塔身的接高問題
在遇到塔身需要接高問題時，應按下述兩種不同情況分別處理：
（1） 在額定最大自由高度范圍內，根據(jù)工程對象需要增加塔身標準節(jié)，使低塔機變?yōu)楦咚C。
（2） 根據(jù)施工需要，增加塔身標準節(jié)，使塔身高度略超越固定式塔機的規(guī)定最大自由高度。
在進行具體接高操作之前，還應制定相關的安全操作規(guī)程，以保證拆裝作業(yè)的安全順利進行。
7．轉臺裝置
轉臺是一個直接坐在回轉支承（轉盤）上的承上啟下的支撐結構。
上回轉自升式塔機的轉臺多采用型鋼和鋼板組焊成的工字型斷面環(huán)梁結構，它支撐著塔頂結構和回轉塔架 ，并通過回轉支承及承座將上部載荷下傳給塔身結構。
8．回轉支承裝置
回轉支承簡稱轉盤，是塔式起重機的重要部件，由齒圈、座圈、滾動體、隔離快、連接螺栓及密封條等組成。按滾動體的不同，回轉支承可分為兩大類：一是球式回轉支承，另一類是滾柱式回轉支承。
1） 柱式回轉支承
柱式回轉支承又可分為：轉柱式和定柱式兩類。定柱式回轉支承結構簡單，制造方便，起重回轉部分轉動慣量小，自重和驅動功率小，能使起重機重心降低。轉柱式結構簡單，制造方便，適用于起升高度和工作幅度以及起重量較大的塔機。
2） 滾動軸承式回轉支承
滾動軸承式回轉支承裝置按滾動體形狀和排列方式可分為：單排四點角接觸球式回轉支承、雙排球式回轉支承、單排交叉滾柱式回轉支承、三排滾柱式回轉支承。滾動軸承式回轉支承裝置結構緊湊，可同時承受垂直力、水平力和傾覆力矩是目前應用最廣的回轉支承裝置。為保證軸承裝置正常工作，對固定軸承座圈的機架要求有足夠的剛度。滾動軸承式回轉支承，回轉部分固定，在大軸承的回轉座圈上，而大軸承的的固定座圈則與塔身（底架或門座）的頂面相固結。
設計選用球式回轉支承，其優(yōu)點是：剛性好，變形比較小，對承座結構要求較低。鋼球為純滾動，摩擦阻力小，功率損失小。
根據(jù)構造不同和滾動體使用數(shù)量的多少，回轉支承又分為單排四點接觸球式回轉支承、雙排球式回轉支承、單排交叉滾柱式回轉支承和三排滾柱式回轉支承。
設計采用單排四點接觸球式回轉支承，它是由一個座圈和齒圈組成，結構緊湊，重量輕，鋼球與圓弧滾道四點接觸，能同時承受軸向力、徑向力和傾翻力矩。
9．底架
塔機底架構造隨著塔身結構特點（轉柱式塔身或定柱式塔身），起重機的走形方式（軌道式、輪胎式或履帶式）及爬升方式（內爬式或外附著自升式）而異。
小車變幅水平臂架自升塔機采用的底架結構可分為：十字型底架，帶撐桿的十字型底架，帶撐桿的井字型底架，帶撐桿的水平框架式桿件拼裝底架和塔身偏置式底架。
本次設計采用的是帶撐桿的x底架。底架用工字鋼焊接成框架結構，在四角安裝有四條輻射狀可拆卸支腿，該支腿用槽鋼焊接而成，用螺栓與框架結構連接，底架通過20個預埋地腳螺栓與基礎固定，螺栓為M36，底架外輪廓尺寸約為：長×寬×高=4600×4600×250 mm。
撐桿的作用是使塔身基礎節(jié)與底架的四角相連，形成一個空間結構，增加塔機整體穩(wěn)定性。由于塔身撐桿的設置，塔身危險斷面由塔身根部向上移到撐桿的上支承面，同時塔身根部平面對底架的作用減小，從而改善底架的受力情況。
底架安裝時，將底架拼裝組合，放置于混凝土基礎上，對正四角的放射形支腿地腳螺栓，使底架墊平牢實，要求校平，平面度小于1/1000，擰緊20個M36的地腳螺栓。
10. 附著裝置
附著裝置由一套附著框架，四套頂桿和三根撐桿組成，通過它們將起重機塔身的中間節(jié)段錨固在建筑物上，以增加塔身的剛度和整體穩(wěn)定性．撐桿的長度可以調整，以滿足塔身中心線到建筑物的距離限制．
塔身附著裝置是用角鋼對焊組合成的附著框架，由螺栓聯(lián)接成框形，包箍于塔身標準的外表面，在附著框架下方的塔身主弦桿上分別固定一個小抱箍，以支持附著框架的重量，再由三根可伸縮調整的附著撐桿，通過銷軸把該框架與建筑物連接，使塔機在規(guī)定高度與建筑物附著。．附著裝置如圖2-6所示：
2-6 附著裝置
11. 套架與液壓頂升機構
1） 爬升架
爬升架主要由套架，平臺，液壓頂升裝置及標準節(jié)引進裝置等組成。套架是套在塔身標準節(jié)外部。套架用無縫鋼管焊接而成，節(jié)高4.94米，截面尺寸2.0×2.0米2。外側設有平臺和套架爬升導向裝置—爬升滾輪。在套架內側的下方，還設有支承套架的支塊，當套架上升到規(guī)定位置時，需將此支塊連同套架支托于塔身標準節(jié)的踏塊上。
為便于頂升安裝的安全需要特設有工作平臺，爬升架內側沿塔身主弦桿安裝8個滾輪，支撐在塔身主弦桿外側，在爬升架的橫梁上，焊上兩塊耳板與液壓系統(tǒng)油缸鉸接承受油缸的頂升載荷，爬升架下部有兩個杠桿原理操縱的擺動爪，在液壓缸回收活塞以及引進標準節(jié)等過程中作為爬升架承托上部結構重量之用。
2） 頂升機構
頂升機構主要由頂升套架、頂升作業(yè)平臺和液壓頂升裝置組成，用于完成塔身的頂升加節(jié)接高工作。
3） 套架
上回轉自升塔機要有頂升套架。整體標準節(jié)用外套架。外套架就是套架本體套在塔身的外部。套架本身就是一個空間桁架結構。套架由框架，平臺，欄桿，支承踏步塊等組成。安裝套架時，大窗口應與標準節(jié)焊有踏塊的方向相反。套架的上端用螺栓與回轉下支座的外伸腿相連接，其前方的上半部沒有焊腹桿，而是引入門框，因此其弦必須作特殊的加強，以防止側向局部失穩(wěn)。門框內裝有兩根引入導軌，以便與標準節(jié)的引入。
4） 液壓頂升
（1） 按頂升接高方式的不同，液壓頂升分為上頂升加節(jié)接高、中頂升加節(jié)接高和下頂升加節(jié)接高和下頂升接高三種形式。上頂升加節(jié)接高的工藝是由上向下插入標準節(jié)，多用于俯仰變幅的動臂自升式塔是起重機。下頂升加節(jié)接高的優(yōu)點：人員在下部操作，安全方便。缺點是：頂升重量大，頂升時錨固裝置必須松開。中頂升加節(jié)接高的工藝是由塔身一側引入標準節(jié)，可適用于不同形式的臂架，內爬，外附均可，而且頂升時無需松開錨固裝置，應用面比較廣。
本次設計的QTZ40塔式起重機采用上頂升加節(jié)接高。
（2） 按頂升機構的傳動方式不同，可分為繩輪頂升機構、鏈輪頂升機構、齒條頂升機構、絲杠頂升機構和液壓頂升機構等五種。繩輪頂升機構的特點是構造簡單，但不平穩(wěn)。鏈輪頂升機構與繩輪頂升機構相類似，采用較少。齒條頂升機構在每節(jié)外塔架內側均裝有齒條，內塔架外側底部安裝齒輪。齒輪在齒條上滾動，內塔架隨之爬升或下降。絲杠爬升機構的絲杠裝在內塔架中軸線處，或裝在塔身的側面內外塔架的空隙里。通過絲杠正、反轉，完成頂升過程。
本次設計的QTZ40塔式起重機采用液壓頂升機構。液壓頂升機構由電動機驅動齒輪油泵，液壓油經(jīng)手動換向閥、平衡閥進入液壓缸，使液壓缸伸縮，實現(xiàn)塔機上部的爬升和拆卸。其主要優(yōu)點是構造簡單、工作可靠、平穩(wěn)、安全、操作方便、爬升速度快。本機構另有一套手動操作的爬升吊裝裝置與頂升液壓系統(tǒng)配合工作。液壓頂升系統(tǒng)如圖2-7所示：
2-7 液壓頂升系統(tǒng)
1- 電動機 2-聯(lián)軸器 3-齒輪泵 4-濾油器
5-溢流閥 6-壓力表開關 7-壓力表 8-手動換向閥
9-油缸 10-平衡閥
（3） 頂升液壓缸的布置：頂升接高方式又可分為中央頂升和側頂升兩種。所謂中央頂升，是指揮頂升液壓缸布置在塔身的中央，并設上，下橫梁各一個。液壓缸上端固定在橫梁鉸點處。頂升時，活塞桿外身，通過下橫梁支在下部塔身的托座或相應的腹桿節(jié)點上。液壓缸的大腔在上，小腔在下壓力油不斷注入液壓缸大腔，小腔中液壓油則回入油箱，從而使液壓缸將塔式起重機的上部頂起。所謂側頂升式，是將頂升液壓油缸設在套架的后側。頂升時，壓力油不斷泵入油缸大腔，小腔里的液壓油則回流入油箱?；钊麠U外伸，通過頂升橫梁支撐在焊接于塔身主弦桿上的專用踏步塊間距視活塞有效行程而定。一般取1-1.5m。由于液壓缸上端鉸接在頂升套架橫梁上，故能隨著液壓缸活塞桿的漸漸外伸而將塔機上部頂起來。側頂式的主要優(yōu)點是：塔身標準節(jié)長度可適當加大，液壓缸行程可以相應縮短，加工制造比較方便，成本亦低廉一些。本次設計的QTZ40塔式起重機采用側頂式。
12. 基礎
固定式塔式起重機，可靠的地基基礎是保證塔機安全使用的必備條件。該基礎應根據(jù)不同地質情況，嚴格按照規(guī)定制作。除在堅硬巖石地段可采用錨樁地基（分塊基礎）外，一般情況下均采用整體鋼筋混凝土基礎。
鋼筋混凝土基礎有多種形式可供選用。對于有底架的固定自升式塔式起重機，可視工程地質條件，周圍環(huán)境以及施工現(xiàn)場情況選用X形整體基礎，四個條塊分隔式基礎或者四個獨立塊體式基礎。對于無底架的自升式塔式起重機則采用整體式方塊基礎。如這種塔機必須安裝在深基坑近旁，或者塔機安裝位置地質條件較差，則應采用鉆孔灌注樁承臺基礎。
1） X形整體基礎的形狀及平面尺寸大致與塔式起重機X形底架相似。塔式起重機的X形底架通過預埋地腳螺栓固定在混凝土基礎上，此種形式多用于輕型自升式塔式起重機，如圖2-8所示：
圖2-8 X形整體基礎
2） 長條形基礎由兩條或四條并列平行的鋼筋混凝土底梁組成，其功能猶如兩條鋼筋混凝土的鋼軌軌道基礎，分別支承底架的四個支座和由底架支座傳來的上部荷載。如果塔機安裝在混凝土砌塊人行道上，或是安裝在原有混凝土地面上，均可采用這種鋼筋混凝土基礎。
3） 分塊式基礎由四個獨立的鋼筋混凝土塊體組成，分別承受由底架結構傳來的整機自重及載荷。鋼筋混凝土塊體構造尺寸視塔機支反力大小基地耐力而定。由于基礎僅承受底架傳遞的垂直力，故可作為中心負荷獨立柱基礎處理。其優(yōu)點是：構造比較簡單，混凝土及鋼筋用量都比較少，造價便宜。
4） 無底架固定式自升式塔機的鋼筋混凝土基礎，必須是整體大塊體式大體積混凝土基礎。塔機的塔身結構通過塔身基礎節(jié)、預埋塔身框架或預埋塔身主角鋼等固定在鋼筋混凝土基礎上。
由于塔身結構與混凝土基礎聯(lián)固成整體，混凝土基礎能發(fā)揮承上啟下的作用：將塔機上不得載荷全部傳給地基。由于整體鋼筋混凝土基礎的體形尺寸是考慮塔式起重機的最大支反力、地基承載力以及壓重的需求而選定的，因而能確保塔機在最不利工況下均可安全工作，不會產生傾翻事故?；A預埋深度根據(jù)施工現(xiàn)場地基情況而定，一般塔式起重機埋設深度為1-1.5米，但應注意須將基礎整體埋住。
本次設計的QTZ40塔式起重機，選用的混凝土基礎為x基礎（如圖2-9所示）?；炷镣廨喞叽缂s為：長×寬×高=7000×7000×1100 mm（長×寬×高），總混凝土方量約11立方米，基礎重量約25噸，承載能力為10N/cm2。基礎用鋼筋混凝土搗制，混凝土標號為300號，在基礎內預埋有地腳螺栓、分布鋼筋和受力鋼筋等?；A的制作應嚴格按圖施工?；A的土質應堅固牢實，要求承載能力大于0.15Mpa，混凝土
基礎的深度﹥1100mm 。
圖2-9 塔機設計基礎
2.2.2 工作機構
工作機構是為實現(xiàn)起重機不同的運動要求而設置的。對于自升式塔式起重機，主要包括起升機構，回轉機構，變幅機構和頂升機構。依靠這些機構完成起吊重物、運送重物到指定地點并安裝就位三項運動在內的吊裝作業(yè)。
為了提高塔機生產率，加快吊裝施工進度，無論是起升機構、變幅機構、回轉機構均應具備較高的工作速度，并要求從靜止到全速運行，或從全速運行轉入靜停的全過程，都能平緩進行，避免產生急劇沖動，對金屬結構產生破壞性影響。對于高層建筑施工用的塔機來說，由于起升高度大，起重臂長，起重量大，對工作機構調速系統(tǒng)有更高的要求。
1. 起升機構
起升機構是塔式起重機使用頻繁而又最重要的工作機構。它主要由電動機、減速機、卷筒和制動器、鋼絲繩、滑輪組和吊鉤等組成。為了提高起重機的工作效率和安全可靠性，要求起升機構具有適合的調速性能。起升機構簡圖如圖2-10所示。
2-10起升機構簡圖
1-三速電機 2-聯(lián)軸器 3-液力推桿制動器
4-ZQ500圓柱齒輪減速器 5-卷筒 6-高度限位器
根據(jù)使用說明書，起升機構由一合三速電動機驅動，電動機型號YZTDF225M1-4/8/32,N=15/15/3.7KW,n=1400/700/
144rpm。通過彈性聯(lián)軸節(jié)與ZQ500型圓柱齒輪變速箱驅動起升卷筒，本機構采用液力推桿制動器。起升速度由電控三速電動機實現(xiàn)其“兩快一慢”的動作，本機構還備有高度限位裝置，避免起升時卷筒發(fā)生過卷現(xiàn)象，通過調整高度限位裝器行程開關的碰塊的位置，以實現(xiàn)吊鉤在最大高度時，起升機構斷電，保護高度限位的安全。高度限位器只是一種安全裝置，不允許用來作工作裝置使用。
1) 起升機構的傳動方式
按照起重機的傳動方式不同，起升機構有機械傳動，電力-機械傳動（簡稱電力傳動），和液壓-機械傳動（簡稱液壓傳動）等形式。
（1） 機械傳動：其動力是由發(fā)動機經(jīng)機械傳動裝置傳至起升機構起升卷筒，同時也傳至其它工作機構，由于集中驅動，為保證各機構獨立運動，整機的傳動比較復雜。起升機構的調速困難、操作麻煩、但工作可靠。
（2） 電力傳動：由直流或交流電動機通過減速器帶動起升卷筒。直流電動機傳動的機械特性適合起升機構工作要求，調速性能好，但直流電的獲得較為困難。交流電機傳動由于能直接自電網(wǎng)取得電流，結構簡單、機組重量輕。
（3） 液壓傳動：有高速液壓馬達傳動和低速大扭矩液壓馬達傳動。前者重量輕、體積小、容積效率高。后者傳動零件少，起、制動性能好，但容積效率較低，易影響機構轉速，體積與重量較大。
交流電機傳動由于能直接自電網(wǎng)取得電流，結構簡單，機組重量輕，故電力傳動在起升機構上被廣泛采用?？紤]經(jīng)濟性、工作情況、工作效益等，本次設計采用電力傳動。
2） 起升機構的驅動方式
按照起重機的驅動方式不同，可分為以下大類：
多速電機起升機構：這種起升機構構造簡單，它是由一個多速電動機配上減速器、鋼絲繩卷筒組成。其制動器可以是電機本身帶的電磁盤式制動器，也可以是獨立的液壓推桿制動器。
繞線轉子異步電動機串接可變電阻調速起升機構：這種由繞線轉子異步電動機驅動、串接可變電阻調速的起升機構主要用于輕型快裝塔機。由于繞線式電動機本身具有良好的啟動特性，通過在轉子繞組中串接可變電阻，以凸輪控制器進行控制，從而實現(xiàn)平穩(wěn)啟動和均勻調速的要求。
配用電磁換擋減速器的3極籠型電動機驅動起升機構：這種調速起升機構具有較前一類更高的調速性能，由三極籠型電動機、電磁換擋2擋減速器、傳動系統(tǒng)和鋼絲繩卷筒組成。采用這種起升機構，可使調速檔數(shù)增加一倍，從而使工作速度與吊載更相適應，提高起升機構的生產效率。這種調速起升機構由于具有較好的價格性能比，其應用正日趨普及。
本設計選用多速電機起升機構。這種起升機構特點是：結構簡單、運行可靠，成本低，維護工作量小，并且可以帶載變速。但在變換極速時，速度沖擊和電流沖擊都比較大，故只適用與小容量的電機。
3） 起升機構的減速器
起升機構采用的減速器通常有以下幾種：圓柱齒輪減速器、渦輪減速器、行星齒輪減速器等。圓柱齒輪減速器效率高，功率范圍大，使用普遍，但體積大。蝸輪減速器的尺寸小，傳動比大，重量輕，但效率低，壽命短。行星齒輪減速器包括擺線針輪行星減速器和少齒差行星減速器，具有結構緊湊、傳動比大、重量輕等特點，但價格較貴。比較上述性能，選用圓柱齒輪減速器。
4） 起升機構的制動器
起升機構的制動器可布置在高速軸上，也可布置在低速軸上。制動器布置在高速軸上時，所需制動力矩小，但制動時沖擊較大，通常采用塊式制動器。布置在低速軸上的制動器，所需制動力矩較大，通常采用帶式制動器或點盤式制動器。本設計將制動器布置在高速軸上，采用塊式制動器。
5） 滑輪組倍率
在起升機構中，滑輪倍率裝置是為了使起升機構的起重能力提高一倍，而起升速度會降低一倍，這樣起升機構能夠更加靈活地滿足施工的需要。塔式起重機一般都為單聯(lián)滑輪組，故倍率a等于承載分支數(shù)Z。起升速度有6種，見表2-1：
表2-1起升特性參數(shù)表
倍率
a=2
a=4
起重量（t）
空鉤
2
2
0.188
4
4
速度(m/min)
92
61
14
30
20
4.5
四倍率與二倍率轉化方便、快捷，起升機構鋼絲繩纏繞示意圖及倍率轉換如圖2-11所示：
圖2-11 起升機構鋼絲繩纏繞示意圖
1-起升卷筒2-塔頂滑輪 3-起重量限制器滑輪
4-載重小車5-臂端固定點6-上滑輪7-吊鉤滑輪組
變換倍率的方法如下：將上滑輪6用銷軸與吊鉤滑輪組7的兩滑輪的桿交點連接起來，此時即為四倍率狀態(tài)；拔出銷子，上滑輪6上升到載重小車4處固定后，就變?yōu)槎堵薁顟B(tài)。
2. 回轉機構
塔機是靠起重臂回轉來保障其工作覆蓋面的?；剞D運動的產生是通過上、下回轉支座分別裝在回轉支承的內外圈上并由回轉機構驅動小齒輪。小齒輪與回轉支承的大齒圈嚙合，帶動回轉上支座相對于下支座運動。
回轉機構是重負荷工作機構，不僅要附帶很重的吊載和臂架等結構部件轉動，而且要克服很大的迎風阻力。這些均是影響回轉機構設計及電動機功率選擇的因素。
目前采用的回轉機構有以下幾種：
1） 電動機——液力耦合器——減速器——小齒輪回轉機構
這種回轉機構呈“1”字型立式安裝，由于中間裝有液力耦合器，可減緩電機啟動時的速度沖擊，因此運動比較平穩(wěn)。但靠電機反接制動，特別在就位時，只能靠操作人員“點動”。特點是：結構簡單，運行可靠，造價相對較低，但調速性能
不好。
2） 帶渦流制動器的力矩電機——行星減速機——小齒輪回轉機構
這種機構在啟動和減速時，引入了渦流制動器，使之達到起、制動平穩(wěn)。但造價較高。
3） 變頻調速回轉機構
該機構由變頻調速電機（鼠籠型）——行星減速機——小齒輪組成。通過變頻器調整電源頻率，從而改變電機轉速，結構最為簡單，但目前尚無回轉機構專用變頻器。
4） 由多檔速度的繞線轉子異步電動機——液力耦合器——行星減速器——電磁片式制動器的回轉機構
這是一種較好的回轉機構，能保證力的傳遞平穩(wěn)而無磨損。其對風荷調控作用在于風載轉矩增大超越限度時，電動機接電后，制動器便首先轉動，從而使塔機免去不必要的倒轉，風停止后，制動器又會立即松開。當工作班結束后，塔機非作業(yè)時，通過隨風轉電控或機械操作裝置使制動閘松開，令塔機猶若一座風向標可隨風轉動，但不至于被巨風強吹扭毀。
考慮在滿足使用要求條件下，降低成本，本次設計的QTZ40型號塔式起重機回轉機構選用第一種結構型式?；剞D機構由一臺雙速電動機驅動，電動機型號YD132M–8/6。經(jīng)過力偶合器至行星齒輪減速機到主動小齒輪，再驅動回轉支承大齒輪。本機構由于采用了液力偶合器聯(lián)結，使其運轉平穩(wěn)，沖擊慣性小，進而改善了塔機的工作狀況?；剞D機構工作原理見圖2-12。
圖2-12回轉機構簡圖
1-雙速電動機 2-液力偶合器
3-Xx4-100型行星齒輪減速器 4-驅動小齒輪
5-單排四點接觸球式回轉支承 6-回轉大齒輪
3. 變幅機構
變幅機構是實現(xiàn)改變幅度的工作機構，用來擴大起重機的工作范圍，提高起重機的生產率。變幅機構由電動機、減速器、卷筒和制動器組成。功率和外形尺寸較小。
變幅機構按其構造和不同的變幅方式分為運行小車式和吊臂俯仰式。
此次設計的QTZ40型塔式起重機采用水平臂小車變幅，實現(xiàn)小車的水平移動。按照小車沿吊臂弦桿行走方式，小車式變幅機構分為自行式和繩索牽引式兩類。前者驅動裝置直接裝在小車上，依靠車輪與吊臂軌道間的附著力驅動車輪使小車運行。電動滑車沿吊臂弦桿行走就是這類變幅機構的典型例子，由于牽引力受附著力的限制，而且小車自重也比較大，故這
種自行式小車變幅機構只適用于小型塔式起重機。
繩索牽引式變幅機構的小車依靠變幅鋼絲繩牽引沿吊臂軌道運行，其驅動力不受附著力的限制，故能在略呈傾斜的軌道上行走，又由于驅動裝置裝在小車外部，從而使小車自重大為減少，所以適用于大幅度，起重量較大的起重機。在塔式起重機中大多采用繩索牽引式變幅機構，這樣即可減輕吊臂載荷，又可以使工作可靠，而且因其驅動裝置放在吊臂根部，平衡重也可略為減少。因此選用繩索牽引式小車變幅機構。
常用變幅機構有以下幾種：
1） 多速電機變幅機構
它是由一個帶盤式制動器的雙速或三速電機，驅動行星減速器，帶動卷筒運動。
這種變幅機構結構簡單、緊湊，其性能能滿足各種臂長需要，但在極速變換時，存在速度和電流沖擊。
2） 變頻調速變幅機構
這是一種新型的無級變速變幅機構。其變速由通用變頻器調整電機電源頻率，從而改變電機轉速。該機構調速過渡非常平穩(wěn)，無速度沖擊。
綜合比較各自的優(yōu)缺點，本次設計選用多速電機變幅機構。它是由一臺雙速電動機（型號為112M8/4-B3）制動器的聯(lián)軸節(jié)至擺線針輪減速機驅動卷筒。卷筒兩端都固定有變幅鋼絲繩的端頭，無論變幅小車走到最外端或最里端，卷筒的放繩端都應有3～4圈的鋼絲繩未放完。在放出和卷回的兩根鋼絲繩之間的卷筒上，應保留有3～4圈鋼絲繩的光卷筒。當工作一段時間，鋼絲繩被拉長而撓度過大時，可用變幅小車的螺栓將鋼絲繩收緊。變幅機構及鋼絲繩纏繞方式如圖2-13所示：
變幅機構簡圖
圖2-13 變幅機構及鋼絲繩纏繞簡圖
1-變幅卷筒 2-擺線針輪減速機 3-制動器 4-電動機
2.2.3安全保護裝置
安全裝置是塔式起重機必不可少的關鍵設備之一，其作用是防止誤操作和違章操作，以避免由誤操作或違章操作所導致的嚴重后果。塔式起重機的安全裝置可分為限位開關、斷電裝置、鋼絲繩防脫裝置、風速計、緊急安全開關、安全保護音響信號。
1. 限位開關
又稱限位器。其功能主要有以下幾種：
1） 吊鉤行程限位開關。用以防止吊鉤行程超越極限，以免碰壞起重機臂架結構和出現(xiàn)鋼絲繩亂繩現(xiàn)象。
2） 回轉限位開關。用于限制塔式起重機的回轉角度，防止扭斷或損壞電纜。凡是不裝設中央集電環(huán)的塔式起重機，均應配置回轉限位開關。
3） 小車行程限位開關。用以使小車在到達臂架頭部或臂架根端之前停車，防止小車越位事故的發(fā)生。
2. 起升高度限制器
為了防止起升卷筒過卷而拉斷鋼絲繩，工程起重機均裝設有起升高度限制器。起升高度限制器組要有重錘式和螺桿式。重錘式高度限制器優(yōu)點是結構簡單，使用方便；缺點是用鋼絲繩懸掛，重錘經(jīng)常與起升鋼絲繩摩擦。螺桿式高度限制器常用于小車變幅式塔式起重機，這種限制器裝有兩個限位開關，還可以做雙向控制。
3. 起重量限制器
起重量限制器只控制或只顯示起重機的極限載荷。在正常的起重機作業(yè)中，起升鋼絲繩的合力R對轉軸的力矩M1=R a與彈簧力N對轉軸的力矩M2=Nb相平衡,而彈簧的變形量較小，當超載時，彈簧產生較大的變形，撐桿打開限位開關，使起升機構停止工作，起限制超載的作用。
4. 力矩限制器
自升塔式起重機上用的力矩限制器大都裝設于塔帽結構主弦桿處。它的工作原理為：塔式起重機負載時，塔帽結構主弦桿便會因負載而產生變形。當載荷過大超過額定值時，主弦桿產生顯著變形。此變形通過放大桿的作用而使螺釘壓迫限位開關觸頭的壓鍵，從而切斷起升機構的電源。
力矩限制器主要有傳感器裝置，吊臂長度檢測裝置，吊臂仰角檢測裝置，運算系統(tǒng)及顯示部分和執(zhí)行機構所組成。力矩限制器通過檢測裝置當時的吊臂長度和吊臂對水平面的傾角，并輸入到運算系統(tǒng)內，計算出當時的工作幅度，然后根據(jù)相應的“幅度-起重量特性曲線”計算出當時允許起升的最大載荷，并以此作為額定值。裝設在變幅液壓缸上的傳感器裝置測得反應總力矩的信號，送入運算系統(tǒng)內，經(jīng)過計算后得出起升載荷的實際值。當實際值大于額定值時，起重機已處于危險工作狀態(tài)，這時力矩限制器會發(fā)出聲響和燈光警報。
5. 風速儀
風荷是塔式起重機的基本載荷，風荷與風速有關，還會隨高度升高而增大。因此，風速儀是一種極其重要的安全預警裝置，對每臺自升式塔式起重機均是必備之物。
風速儀應安裝在塔機頂部至吊具最高位置間的不擋風處。
6. 鋼絲繩防脫裝置
GB5144《塔式起重機安全規(guī)程》規(guī)定：滑輪、起升卷筒及動臂式塔機的變幅卷筒應設有鋼絲繩防脫裝置，該裝置與滑輪或卷筒側板最外緣的間隙不得超過鋼絲繩直徑的20% 。
除此之外還有許多電子安全裝置，用以保證工人工作的安全，使他們在安全、舒適的環(huán)境下工作。
7. 電氣系統(tǒng)
電氣系統(tǒng)是塔機最重要的組成部分之一。電氣系統(tǒng)的設計直接關系到塔機使用的可靠性。
塔機的電氣系統(tǒng)是由大量的電氣元件組成的，從設計角度講，可以簡單地為三個組成部分：
1） 驅動元件部分，如電動機、電磁聯(lián)軸節(jié)、電磁離合器、電磁制動器、渦流制動器；
2） 控制元件部分，如接觸器、中間繼電器、延時繼電器、整流器、變壓器、電阻器、電容器、斷路器、主令控制臺、按鈕；
3） 保護元件部分，如過電流繼電器、熔斷器、相序保護器、壓敏電阻、以及限位器等裝置。
2.3 總體設計原則
2.3.1 整機工作級別
塔式起重機的工作級別與它的利用等級（工作頻繁程度）和載荷狀態(tài)（受載荷的輕重和頻繁程度）有關。
根據(jù)使用狀態(tài)由GB/T 13752-92《塔式起重機設計規(guī)范》P60附錄C表C1選取本次設計的QTZ40自升式建筑用塔機的利用等級為U4(經(jīng)常輕負荷使用)，載荷狀態(tài)為Q2（中—有時起吊額定載荷，一般起吊中等載荷），起升等級為HC2，工作級別為A4,名義載荷譜系數(shù)Km=0.25。
2.3.2 機構工作級別
根據(jù)GB/T 13752-92《塔式起重機設計規(guī)范》規(guī)定：
機構的工作級別按機構的利用等級和載荷狀態(tài)分為六級：M1- M6。
機構的利用等級按機構工作總時間分為六級：T1- T6。機構工作總時間規(guī)定為機構在設計壽命期內處于運轉的總小時數(shù)，它僅作為機構零件的設計基礎，而不能視為保用期。
機構的載荷狀態(tài)表明機構受載的輕重程度，按載荷譜系數(shù)分為三級：L1- L3。
由塔式起重機使用手冊P31表2-3-1及GB/T 13752-92《塔式起重機設計規(guī)范》P77附錄L表L1取定起升機構、回轉機構、變幅機構、頂升機構的工作級別如表2-2所示：
表2-2工作機構級別
起升機構
回轉機構
變幅機構
頂升機構
Km=0.25
Km=0.50
Km=0.25
Km=0.25
T4
L2
M4
T4
L3
M3
T3
L2
M3
T1
L2
M1
T―機構利用等級；L―機構載荷狀態(tài)；
M―機構工作級別；Km―名義載荷譜系數(shù)
采用前傾截