塔式起重机塔身与塔帽计算模块的设计与制作开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

一、选题背景

题目：塔式起重机塔身与塔帽计算模块的设计与制作

从目前的发展趋势来看，起重机械逐渐向专业化和大型化发展。市面上的专用起重机品种不断推陈出新，产品以其特有的功能满足不同客户的使用需要，受到广大用户的青睐，市场也在不断扩大。此外，随着国家电力、石化、钢铁、交通等基础设施建设进入高潮，国内起重机市场急速扩张，起重机的大型化趋势已经成为不可逆转的事实。为了降低生产成本，节约人力物力，对大型起重机的需求也逐渐扩大。

CAD技术经过半个多世纪的发展，在理论、技术、系统和应用等方面都有了长足的进步，已经成为实现产品设计制造自动化、增强企业竞争能力、加强国民经济发展和国防现代化建设的一项重要高新技术。但是，以几何模型为主的CAD系统无法将领域设计原理和知识、同类设计以及专家经验等融入到几何模型中去，因此无法实现知识型资源重用，设计者扔需要进行大量的重复性设计工作。

基础较为薄弱，有待发展,所以选塔式起重机塔身与塔帽计算模块的设计与制作作为课题来研究。

二、起重机发展与现状

2.1. 世界塔机的发展

图1 起重机

2.1.1. 塔机起源

塔机起源于欧洲，据记载，1900年欧洲颁发了第一项有关建筑用塔机的专利。1905年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，第一台原始塔机出现于1912～1913年，1923年制成第一台近代塔机的原型样机，1941年，有关塔 机的第一个标准－德国工业标准DIN8670公布。该标准规定以起重量（t）和起重幅度（m）乘积的起重力矩表示塔机的起重能力。^[2]

2.1.2. 欧洲塔机的发展

二次世界大战前，塔机的发展仍处于初级阶段。第二次世界大战后的重建刺激了建筑机械的发展，塔机也得到了飞速的发展。作为塔机发源地的欧洲，当时的塔机发展水平代表着世界最高技术。在这一时期，经济刚刚恢复，建设规模还较小，建筑物的高度不大，轨行式、下回转的动臂塔机占统治地位，其中最为流行的是德国利勃海尔和Peiner公司制造的动臂塔机。

2.1.3. 20世纪50年代塔机的发展

20世纪50年代，随着经济的发展和高层建筑比重的增加，出现了自升式动臂塔机。1958年利勃海尔推出了一种上回转、液压控制动臂变幅的HB系列塔机，该型动臂塔机都有较短的平衡臂，起重力矩从30tm到90tm。早期发展的是借助于绳轮系统或液压顶升系统使套架与塔机能交替伸缩的内爬式自升塔机。这种塔机布置在建筑物内部，全部荷重支承在楼梯间墙壁或附近楼板上，上部施工司机能一目了然，起重臂幅能充分利用，但司机看不到地面上的装卸工作，施工结束后的拆除有一定的难度。后来于20世纪50年代末60年代初又发展了附着式自升塔机，塔机独立于地面基础上，横向与建筑物拉结，利用爬升套架和顶升机械使塔身自升。这种自升塔机装拆方便、司机视野开阔，应用愈来愈广泛。

2.1.4. 20世纪60年代塔机的发展

20世纪60年代末期，法国波坦制造的一种上回转、小车变幅式塔机开始取代了传统动臂塔机的地位。20世纪60年代，大中型塔机中动臂式塔机的市场份额占近70％，而70年代已降到了10％。此后，上回转、小车变幅塔机在世界各国占据了统治地位。20世纪60年代，欧洲塔机产量猛增，塔机行业处于历史上的鼎盛时期，以联邦德国为例，1951年拥有塔机800台，1960年增至11800台，而1973年则达到18500台。

2.1.5. 20世纪70年代塔机的发展

在20世纪70年代，出现了一些至今在塔机历史上占有着重要地位的塔机。1978年丹麦Kroll公司的K-10000塔机问世了，这台世界上最大的塔机起重力矩为100000kNm，在44m幅度处的最大起重量达240t，其最大工作幅度达100m，相应的起重量为94.5t。1977年，瑞典Linden公司制造了世界上第一台平头塔机Linden8000，时至今日，平头塔机的发展方兴未艾。

2.1.6. 20世纪80年代塔机的发展

从20世纪80年代开始，欧洲塔机行业进入低谷，一些实力单薄的小厂停产或倒闭，仅留下少数有实力的大厂。如意大利，20世纪70年代共有57家塔机制造厂,80年代减为23家，90年代进一步减少为不足6家。^[11]

2.1.7. 20世纪90年代塔机的发展

从20世纪90年代开始，欧洲塔机行业缓慢复苏，目前欧洲生产塔机的国家有德国、法国、英国、意大利、俄罗斯、西班牙、瑞典、丹麦等，主要厂家有法国波坦，德国利勃海尔、Peiner、Wolff，意大利Comedil，丹麦Kroll，西班牙Conma。在产量、系列品种、技术水平等方面，德国的利勃海尔和法国的波坦在世界上居领先地位，波坦目前在法国、德国、意大利、葡萄牙、中国的工厂生产60多种型号塔机，迄今为止已在全球销售了超过100000台塔机，其中被国内行业熟知的FO/23B、H3/36B是我国1984年从波坦引进技术生产的。

2.1.8. 21世纪塔机的发展

2003年，波坦为南京长江第三大桥工程提供的MD3600（最大起重力矩为3600tm），是波坦迄今为止建造的最大塔机。

目前，在日本的两大主导塔吊制造商中，日立公司只生产柱筒式标准节塔吊在内的两种塔吊。虽然框架式标准节塔吊其标准节长、重量轻，所需的连接螺栓少、安装省时和便于运输，但无法摆脱自身存在的提升能力与占据的空间这一对矛盾，使得无法取代的柱筒式标准节塔吊几乎到处可用。^[2]

2.2. 中国塔机的发展

图2 塔式起重机

2.2.1. 行业形成阶段

建国初期到20世纪70年代，中国的塔机行业经历了从建国时没有，到50年代的仿制，再到自主研发、设计，产品形成批量生产的几个时期，可以说是中国塔机行业的形成阶段。

1954年，由当时的抚顺重型机械厂仿照试制了我国第一台TQ2-6型塔机。但真正属于自己研发、形成批量生产并大规模使用的是红旗Ⅱ-16型塔机。经过2次改进后在1964年定型。

2.2.2. 行业发展阶段

塔机行业得到快速发展，是在20世纪80年代到90年代。由于改革开放，市场经济逐步取代计划经济，全国各地都加快了建设的步伐，对塔机的需求量快速上升，促使塔机行业得到快速发展。在这个时期，无论是塔机产品的型谱还是塔机生产企业，都得到了快速发展。

1978年改革开放以来，随着国门逐步地打开，使我们有更多机会接触到世界先进的产品，认识到自己的不足。于是，1984年，发生了对塔机行业发展具有划时代意义的事件塔机技术的引进。这对塔机行业的发展具有重大的推动作用。

由于塔机技术的成功引进，20世纪80年代到90年代，中国塔机行业得到较快的发展，不但产品形成系列，而且型谱较为完善。

到90年代末，中国塔机市场形成了以带塔帽形式为主的系列产品。

2.2.3. 21世纪的中国塔机业

近年来，国产起重机在国际市场崭露头角，主流企业引领行业升级、实现技术突破。回顾成长的历程：从2000年到2005年，全球起重机行业处于年复合增长25%以上的高速成长期，其中，中国贡献了最大的增量，汽车起重机销量从1999年开始成倍增长，2003年突破1万台。继美国上世纪70年中期年产7500台，日本1980年8000台的产量纪录后，中国成为世界第一大起重机生产国。其间，主流企业实现了两个关键突破，一是规模产能突破1万台，二是创新了适应中国需求的百吨级以下起重机技术，攻克了全地面起重机核心技术，形成了覆盖高中低端的中国技术流派，这一点特别关键，它确立了中国起重机独有的性价比优势。

2005年到2010年，宏观环境呈现重要变化：各国加大基础建设投资，能源等建设项目带动了大型吊装工艺技术革新，这个过程中主流企业实现三大突破：一是国际化提速，二是起重机产品结构及品类进一步细分，型谱跨度从5吨覆盖到2000吨级，随车式、汽车式、全地面、履带式、越野轮胎式等得到发展;三是大型化。中国起重机最大吨位200吨的历史被打破，全球起重机行业完成了从百吨级到千吨级的跨越。

2010年至2013年，宏观经济环境收紧，但供给能力增长了近两倍，主流企业一方面要应对各种竞争压力，同时还要抓住地区结构性变化，在战略布局上实现第二次国际化腾飞，在产品和技术布局上快速抢占超大吨位至高点，中国企业再次展现后发优势，一个个世界之最正在或即将诞生，同时一轮以提升用户使用价值为主题的新一代技术革命正在兴起。^[15]

图3 塔式起重机

2.2.4. 未来发展趋势

目前，起重机械正处于市场高速发展期，巨有较大的市场发展潜力。而随着现代化建设进程越来越快，对起重机械的要求也越来越高，起重机械向大型化、自动化、专业化趋势发展。

为此，满足各种工作需要的专业化起重机不断被研发投入使用，有核电、造纸、垃圾处理等专用起重机。而有特殊性能的起重机也能满足各种各样的工作环境，如防腐、防爆、绝缘起重机等。传统的铁路、船舶专用起重机的性能也不断增强，对环境的适应性也不断提高。^[2]

三、CAD系统的发展与现状

3.1. 概述

CAD(Computer Aided Design，计算机辅助设计）诞生于二十世纪60年代，是美国麻省理工学院提出的交互式图形学的研究计划，由于当时硬件设施昂贵，只有美国通用汽车公司和美国波音航空公司使用自行开发的交互式绘图系统。

图4 CAD

3.2. 发展

二十世纪70年代，小型计算机费用下降，美国工业界才开始广泛使用交互式绘图系统。

二十世纪80年代，由于PC机的应用，CAD（计算机辅助设计）得以迅速发展，出现了专门从事CAD系统开发的公司。当时Versa CAD是专业的CAD制作公司，所开发的CAD软件功能强大，但由于其价格昂贵，故得不到普遍应用。而当时的Autodesk（美国电脑软件公司）公司是一个仅有员工数人的小公司，其开发的CAD系统虽然功能有限，但因其可免费拷贝，故在社会得以广泛应用。同时，由于该系统的开放性，该CAD软件升级迅速。

设计者很早就开始使用计算机进行计算。有人认为（伊凡.萨瑟兰郡）Ivan Sutherland在1963年在麻省理工学院开发的Sketchpad（画板）是一个转折点。SKETCHPAD的突出特性是它允许设计者用图形方式和计算机交互：设计可以用一枝光笔在阴极射线管屏幕上绘制到计算机里。实际上，这就是图形化用户界面的原型，而这种界面是现代CAD不可或缺的特性。^[19]

CAD最早的应用是在汽车制造、航空航天以及电子工业的大公司中。随着计算机变得更便宜，应用范围也逐渐变广。

CAD的实现技术从那个时候起经过了许多演变。这个领域刚开始的时候主要被用于产生和手绘的图纸相仿的图纸。

3.3. 国产CAD发展历程

中国CAD技术起源于国外CAD平台技术基础上的二次开发，随着中国企业对CAD应用需求的提升，国内众多CAD技术开发商纷纷通过开发基于国外平台软件的二次开发产品让国内企业真正普及了CAD，并逐渐涌现出一批真正优秀的CAD开发商。

在二次开发的基础上，部分顶尖的国内CAD开发商也逐渐探索出适合中国发展和需求模式的CAD，更加符合国内企业使用的CAD产品，他们的目的是开发最好的CAD，甚至是为全球提供最优的CAD技术。

目前，除了提供优秀的CAD平台软件技术以外，一直以来积极推进国产CAD技术的发展，联合众多国产CAD二次开发商组成的国产CAD联盟，更是极大促进了国产CAD的发展壮大，为中国企业提供真正适合中国国情及应用需求的CAD解决方案。

3.4. 塔机CAD发展现状

3.4.1. 塔机CAD的概述

塔机CAD采用基于功能的模块化思想，将系统设计方法与CAD技术有机结合起来，实现性强、设计效率高。软件实现了可视化设计、参数化设计和功能化查询；创建的工程数据库可以存储已建CAD模型的一般信息和分析结果；建立了塔机专业标件和配套件图库，有助于缩短设计周期，提高设计效率。塔机行业相关的建模分析系统起步则较晚，而且到目前也没有专用的商业塔机软件。但高校与研究所在近几年却做了不少相关工作，以高级语言为工具、以大型3D建模软件和有限元软件为平台进行了各种二次开发。^[14]

3.4.2. 塔机企业CAD应用存在的一些问题

目前用计算机建立数据库（一般称之为图库）来存放产品数据信息已经成为企业界的共识。事实上，图库中以电子图纸和文档的形式大量保存的设计实例，恰恰是设计者的设计经验，特别对不同条件要求下的设计方法、技巧的充分体现。然而这些设计实例并没有经过有规律的整理，面向设计的利用很有限。产品设计师复杂的分析、综合及决策活动，实际的产品设计活动大都是革新式（变异式）设计。企业开发新产品的过程中，一般情况下都借鉴以往设计人员的设计方法和经验无法继承和发扬，企业本身拥有的知识产权得不到充分增值，从而严重阻碍了企业的发展。

3.4.3. 塔机CAD基于实例的一些应用

基于实例的推理（CBR）是一种相似推理方法，其核心在于用过去的实例和经验来解决问题。CBR不仅提供了建造系统的方法，而且提供了人类的认知模型。实现基于实例推理的计算机辅助塔机设计。

3.5. CAD技术发展趋势

计算机技术的发展使得计算机在设计活动中得到更有技巧的应用。如今，CAD已经不仅仅用于绘图和显示，它开始进入设计者的专业知识中更智能的部分。

随着电脑科技的日益发展，性能的提升和更便宜的价格，许多公司已采用立体的绘图设计。以往，碍于电脑性能的限制，绘图软件只能停留在平面设计，欠缺真实感，而立体绘图则冲破了这一限制，令设计蓝图更实体化。^[19]

四、VB软件简介

VB 就是 Visual Basic 的意思，是一种常用的编程开发工具。它的基础是编程语言Basic ，Visual Basic 简单点来说就是微软为了更好的让人们学习编程，应用上 Basic 开发语言的一套工具，简称就是 VB。

VB 的面世使原本极其复杂困难的编程、软件开发的工作变得简单。最初的编程工作都是依靠全套的代码去进行的，工程量极大。Microsoft 就是看准了这个人们渴求快速发展软件开发行业的商机，利用自己的技术实力研发出 VB 这么一套完善的编程工具。VB 把过往的纯代码编程过度到可视化编程，将一些经常要使用到的功能以一个个的控件的形式出现，例如 Label（标签）、Textbox（文本框）等等的。他们在以前的编程工作中需要在使用时重复多次的输入同样的代码去实现这个功能，而这些代码却不是小工程，耗费了很大的人力物力和很多的时间。所以有了 VB 之后，编程的工作也就可以普及啦，可以免去了机械的重复的代码的输入，又可以一面编辑核心功能一面进行界面优化美化，一劳多得。

VB 是 Basic 语言软件开发者的首选编译器，是学习 Basic 语言编程必须要接触而且是经常接触的一款整合型技术编译器。^[20]

五、塔机的塔身与塔帽

这次我的选题是塔式起重机塔身与塔帽计算模块的设计与制造，所以对塔帽和塔身进行了一些了解。

5.1. 塔身

塔身分为：基座、标准节、外套架、顶升机构。

塔身结构按构造可分为格构式和实腹式两种；按受力特点分为以承受轴向力为主的旋转塔身和受压弯扭转作用的不旋转塔身。

塔身的主弦材料是Q345(低合金钢)，其余材料为Q235（普通碳钢），Q345价格稍贵与Q235，但因其高强度，可节省材料。塔身结构按构造可分为格构式和实腹式两种；按受力特点分为以承受轴向力为主的旋转塔身和受压弯扭转作用的不旋转塔身。^[2]

如图塔身升降。

图5 塔式起重机的塔身升降、附着及内爬升

塔式起重机尤其是大吨位的塔机，其施工高度高，塔身成本占总成本的比重较大，通过塔身的结构优化，降低塔身重量是降低塔式起重机成本的关键之一。自升塔式起重机的塔身接高到设计规定的独立高度后，须使用锚固装置将塔身与建筑物相联结（附着），以减少塔身的自由高度，保持塔机的稳定性，减小塔身内力，提高起重能力。锚固装置由附着框架、附着杆和附着支座组成。^[2]

5.2. 塔帽

上回转自升式塔机的塔顶多数采用四棱锥塔帽式，也有的采用人字架等形式，见图。它是承受臂架拉杆和平衡臂拉杆的拉力的构件。塔帽（包括人字架）承受交变载荷，随吊载的变化，其弦杆受拉力呈拉、压交替变化。

图6 塔顶的结构形式

主肢采用角钢扣成的方管，腹杆为钢管，顶部两块大耳板用销轴分别与前臂拉杆和后臂拉杆相联，底部四主肢端部分别组焊的耳板与上支座相联。

5.2.1. 固定塔帽、静定外伸结构平衡臂、单吊点静定结构吊臂结构

受力：比平头塔吊要复杂，比双吊点简单。

钢结构用量：比平头省材料；但比双吊点费。

制造：固定式塔帽制造复杂；平衡臂为平面结构制造简单；

安装与拆卸：安装高度要求高；安装与拆卸比平头复杂。

5.2.2. 固定塔帽、静定外伸结构平衡臂、双吊点一次超静定吊臂结构

受力：起重臂为一次超静定结构受力比单吊点复杂。

钢结构用量：为一次超静定结构，最省材料。

制造：固定式塔帽制造复杂；平衡臂为平面结构制造简单

5.2.3. 片式塔帽、静定悬臂结构平衡臂，单吊点静定结构吊臂结构

受力：比平头塔吊受力分析要复杂，但仍然是静定结构，增加了起重臂拉杆、平衡臂拉杆及片式塔帽，改变了起重臂和平衡臂受力。

钢结构用量：静定结构比平头省材料；但比双吊点费。

制造：片式塔帽结构比固定式塔帽简单，平衡臂是空间桁架式制造比固定式的平衡臂复杂；

安装与拆卸：安装高度要求高；安装与拆卸比平头复杂。^[14]

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

因为毕业设计课题是塔式起重机塔身与塔帽计算模块，所以根据参数与经验公式，决定采用Visual Basic和AutoCAD开发环境，以Visual Basic语言为编程工具，利用模块化开发设计思想和方法设计各模块。在设计的过程中会考虑塔式起重机塔帽与塔身的参数、结构等，同时会用一些当下流行的设计思路和方法作为参考。

一、塔身与塔帽的设计计算

1.1. 塔帽

塔帽强度校核：

（1）塔帽的计算长度

（2）塔帽的长细比及换算长细比

（3）塔帽整体稳定应力

（4）塔帽单肢稳定应力

（5）塔身腹杆的校核

1.2. 塔身

塔身构造：

（1）塔身几何尺寸与材料

（2）塔身标准节的力学特性

作用在塔身的载荷计算

（1）计算工况

（2）回转支承以上重量与重量力矩

（3）回转支承以上风力与风力矩

作用在塔身上的载荷

（1）垂直压力

（2）作用在塔身顶部的水平力

（3）作用在塔身上的风力

（4）作用在塔身顶部的力矩

（5）作用在塔身顶部的扭矩

塔身根部截面上的内力

塔身的强度验算

（1）塔身计算长度

（2）塔身的换算长细比

塔身整体稳定强度验算

（1）工作状态、工况Ⅰb

（2）工作状态、工况Ⅱb

（3）非工作状态、工况Ⅲb

塔身单肢强度验算

（1）主弦杆强度验算

（2）斜腹杆强度验算

二、对塔式起重机塔身与塔帽计算模块的设计制作的初步想法

使用VB6.0进行设计界面，把各个计算公式做成一个个独立的程序，通过程序的调用从而形成一个整体，通过输入数值得到结果，以便进行判断塔机的塔帽和塔身设计是否合格。

2.1. 新建工程

2.2. 创建应用程序界面。

设计窗体，通过输入各种参数的数值，从而显示计算结果。添加一些按钮以便进行控制窗体，从而形成一个整体。

2.2.1. 设置对象属性值

2.2.2. 对象事件过程的编程

2.2.3. 程序运行

2.3. 建立数据库

包括登录的用户数据库，各种型号变速器的数据库和校核计算的相关数据。通过预先向数据库写入，然后通过Visual Basic实现调用。

2.4. 调试

对窗体中的有关数据进行调试，得出可行性方案的最终结果。

2.5. 人性化设计

2.5.1. 建立帮助选项，以便帮助用户进行程序的操作

2.5.2. 设置流程图，清晰明了，以便快捷使用

2.5.3. 设置错误提示，以便用户进行修改并操作

指导教师意见：

1．对文献综述的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

年 月 日

所在专业审查意见：

负责人：

年 月 日