门座式起重机设计及人字架结构的有限元分析

论文总字数：26798字

门座式起重机设计及人字架结构的有限元分析

1. 绪论
   1. 1.1 选题背景和意义

起重机械是用来对所需要额物料进行起重、运输等作业的设备。它是现代化工业生产必不可少的机械，对于减轻体力劳动、提高人力劳动生产效率有重大意义，同时对生产过程的机械化和自动化以及改善人民的物质、文化生活需求同样意义深远。

门座起重机是伴随着港口事业的蓬勃发展而缓慢的发展起来的。1890年,第一次将幅度不可变的固定式可旋转臂架型起重机装在横跨于窄码头上方的运行式半门座上，这成为早期的港用半门座起重机。而随着码头宽度的加大,门座和半门座起重机也在并列发展，两者普遍采用俯仰臂架和水平变幅系统。自第二次世界大战以后，港用门座起重机迅速发展,普遍采用了转动部分与立柱体相连的转柱式门座起重机,或转动部分通过大轴承与门座相连的滚动轴承式支承回转装置,使转动部分的尾径减小,同时采用了减小码头掩盖面（门座主体对地面的投影）的门座结构。在发展过程中，门座起重机还逐步推广应用到作业条件与港口相近的船台和水电站工地等处。

桥架通过两侧支腿支承在地面轨道或地基上的臂架型起重机。可以沿地面轨道运行，下方可通过铁路车辆或其他地面车辆。可转动的起重装置装在门形座架上的一种臂架型起重机。门形座架的4条腿构成4个“门洞”，可供铁路车辆和其他车辆通过。门座起重机大多沿地面或建筑物上的起重机轨道运行，从而进行起重装卸作业。

该课题的意义在于对门座式起重机结构的研究和分析，设计过程也是对门座式起重机的认识，而对人字架的分析增加了对软件的学习，也能从软件的角度对结构进行优化。

• 1. 1.2选题方案论证

起重机是指在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械。又称吊车。属于物料搬运机械。起重机的工作特点是做间歇性运动，即在一个工作循环中取料、运移、卸载等动作的相应机构是交替工作的，起重机在市场上的发展和使用越来越广泛。

经济建设的发展，使产业部门的生产和工艺过程对机械化和自动化程度的要求不断地提高，对高校作业机械设备的需求量也不断增加。在冶金、机械、石油、化工、煤炭、造船、矿产、轻工、贸易、建筑、水利、电力、交通运输、航天航空部门等，起重机都得到了广泛的应用。目前，起重机品种和数量都在不断地增加和完善，或者正在设计制造定型的系列产品。不同的使用场所，有着不同的机型、不同规格的起重机在服役。起重机种类如此繁多，因此我们在设计和选用起重机时，要根据各种特性，如综合特征、取物装置、用途、使用场合、运行方式、特殊条件等进行选用。

起重机分类中，最主要的分类方法是按照综合特征进行分类，这也是我们选取课题是考虑的最主要因素。

按照综合特征进行分类，起重机分为

（1）轻小型起重机械 （2）桥式起重机 （3）臂架类起重机

1千斤顶 1悬挂梁式起重机 1硊杆起重机

2手扳葫芦 2通用桥式起重机 2甲板起重机

3手拉葫芦 3冶金桥式起重机 3固定旋转臂式起重机

4电动葫芦 4龙门起重机 4铁路起重机

5装卸桥 5流动起重机

6缆索起重机 6门座起重机

7塔式起重机

8浮式起重机

（4）．堆垛类起重机

（5）．升降机

等等。

在选择起重机时应先对此次毕业设计对课题的要求有深入了解：

1. 技术先进，要求嵌入先进技术，变幅部分采用计算机控制；
2. 由于应用于大型港口或水电站建设，因此要求起重机底部可以通过大型车辆，并且起重机悬空部分净空高度足够；
3. 服务范围大；
4. 要求结构简洁、造价低廉，以便实现工程经济可行性；
5. 司机视野好、操作方便、灵活；
6. 维修保养方便。

在此，我们考虑桥式类起重机和臂架类起重机。

首先来看桥式起重机。桥式起重机构造上的特征，通常将金属结构制造成直线形或门形桥架形式，构造简洁。桥式起重机的服务范围，是一个长方体空间。

机构一般设置有起升机构、小车运行机构、大车运行机构。根据不同机型的功能要求，有的还设有俯仰机构、小车旋转或吊具旋转机构。这种起重机通常安装在车间、仓库、露天栈桥的吊车梁上使用，是各行业中拥有量最大的一种机型。

我们注意到，桥式起重机没有设变幅装置，这不满足毕设当中的要求，即使用软件技术对变幅进行控制，而且，桥式起重机多用于车间、仓库、车站、料场内的使用，对于露天的大型施工现场，使用范围不大。桥式起重机中的装卸桥式起重机，可以应用在大型港口装卸货物，但同样无法体现先进技术的使用，而且服务范围只限定在桥下长方形范围，相对于臂架类来说较小。

再来研究臂架类起重机，我们主要研究塔式起重机和门座式起重机。

臂架类起重机的机构部分上，是设计有固定的或可以转动的臂架，上部结构相对于其他能够摆动，而且在构造上来说都较为复杂。

塔式起重机结构部分由主臂架、副臂架、主撑杆、副撑杆、扳起架、机台、司机室、门架、平衡梁、台车组成。整机特征是上部为管结构，主臂架分段制造，下部门架为空间板梁式结构。结构件尺寸庞大，一般分别制造成拆拼式形式，采用精制螺栓连接。这种机型是一种“自扳式”新结构塔式起重机，用于水利、电力、石化、冶金、机械、造船等行业的设备吊装与物料搬运。

塔式起重机起升速度快、起重能力大，回转半径大，覆盖面广，可以满足大型港口和水电站的物料搬运工作，但是它结构件过于庞大，运输和安装不便，所需运行费用、维修费用也较高，而且行使时对路面有所影响，整体容易发生倾斜，不够稳定，因此塔式起重机对于毕业设计来说没有其他类型的起重机可行。

门座式起重机结构部分由臂架系统、转柱、人字架、转盘、机房、司机室、门架、撑杆、运行台车、平衡梁、变幅平衡系统等组成。结构上整体特征是采用刚性四连杆组合臂架，门架采用杆结构拴接而成。转柱为全转柱结构，旋转部分支撑在门架上，整机为箱型结构。

门座式起重机起重能力大，运行速度快，变幅机构采用软件控制，充分体现了高科技在起重机设计制造中的应用。而且，结构上，门座式起重机司机室较高，司机视野好；设有门架，可以通过大型运输车辆；四连杆式臂架系统，净空尺寸大，也适合大型车辆的通行；服务范围大，适合大型水电站和港口的施工及物料装卸；结构简洁，造价低廉，并且维修方便。

转机构。

1. 门座式起重机介绍

2.1 门座式起重机的用途及构造

门座起重机是一种重要可旋转起重机，而且可以使车辆通过门座。如今门座起重机被广泛运用用于造船厂、码头装卸等场所，可以减轻工人的体力劳动，提高劳动生产率，是实现生产过程机械化不可或缺的重要机械。

门座起重机基本可以分成两个部分，上部分的旋转部分和下部分的运行部分。上旋转部分可相对下运行部分进行整周的旋转，上部分包括臂架系统、人字架、旋转平台等，同时还安装有起升机构、变幅机构和旋转机构。通过起升、变幅、旋转三种运动的组合可以达到物品的上升和下降。下运行部分主要由门架和运行机构组成。根据所选门座起重机的工作条件差别，幅度一般可以跨越1-3条铁轨，而其空余的尺寸要满足车辆可以通行的需求。门架下面装有运行台车，这种运行机构能使起重机可以沿着轨道运行。为了避免起重机在风力作用下滑行，在运行部分装有防风抗滑装置。

门座起重机经常采用电缆卷筒或地沟滑触线的方法提供所需电力，采用用电直接驱动，只有当环境恶劣电力无法供应时才考虑采用发点手段。

根据上述门座起重机的构造，可以了解，门座起重机具有起升、变幅、旋转、运行四大结构，是一种具有代表性的起重机构造形式。通过起升、变幅、旋转、运行机构的协调运作（经常2-3个机构同时运行）从而实现物品的升降、转载，并能根据需要，沿运行轨道从一个地点运行到指定地点。

2.2 门座起重机的分类

门座起重机有很多分类方法，依据结构的不同，可以分成不同的种类。

2.2.1 以门架的结构形式划分

可以分成全门座起重机（图2-3~图2-10）和半门座起重机（图2-11）这两种。

2.2.2 以起重臂的结构型式划分

可以分为四连杆组合臂架式（图2-3~图2-8）和单臂架式（图2-9、图2-10）门座起重机两种。前者的优点是门座的净空高度比例较大，所以在一定的起升高度的要求下，起重机的总高度可以较低，但其结构相对复杂，重量相对较大，而后者结构简单重量小。

2.2.3 以上部相对于下部旋转的支承结构形式为主要标志

门座起重机可以分为转柱式门座起重机（图2-3、图2-4、图2-7~图2-9）、定柱门座起重机（图2-12）、转盘式门座起重机（图2-5）和大轴承式门座起重机（图2-6、图2-10）四种。转盘式零件多、结构复杂，目前采用较少；转柱式和定柱式整体稳定性好，是目前常用的形式，其中转柱式的应用最多；大轴承式结构新颖、构件少、重量轻，具有广阔的发展前景。

2.2.4 根据用途和使用场合不同

门座起重机可以分为港口用门座起重机（图2-3、图2-4）、造船用门座起重机（图2-5~图2-8）和建筑用门座起重机（图2-9、图2-10）三种。

（1）港口用门座起重机

这种门座起重机一般用于港口、码头船舶和车辆的机械化装卸、转载。能提高装载的生产率，这种起重机可以加快船和车的转运。而对它们的要求有：

充分利用港口、码头等场地，能适应船舶的空载、满载的作业以及地面车辆的通行需求。其次，起重机的设计应尽量保证外形尺寸小，而司机室要有足够的高度且视野开阔，门架的净空尺寸应能允许车辆顺利通行。此外，还要考虑到多台起重机载同时进行同一地方装卸作业。

港口起重机应保证高速灵活、安全可靠。因此，起重机的设计时应保证适当的起重量、较高的工作速度，并且相应配备可靠的安全装置。起重量的范围一般在1.5~20T，起重量能够在工作幅度范围内保持一直不变，同时针对散装货物和成件货物的不同的装卸需要，应该考虑到既能使用抓斗又能使用吊钩来进行作业。而工作速度范围一般为：

起升（主钩） 15~90m/min

变幅 20~60m/min

旋转 0.5~3r/min

运行 15~35m/min

如满足跨船作业的需要，则幅度要求能达40m以上，所以为了减少码头堤岸的建筑费用，整体轮压要求控制在30tf以内。

（２）造船用门座起重机

这种门座起重机一般用于船厂、船坞修理、造船时大型结构分段的施工拼装还有机电设备的安装。吊重量大、吊装准确可靠是这类起重机的工作特点，所以据此对它们相应的要求有：

类似港口用门座起重机，设计时应力求外形尺寸小，同时也可以根据修造大型船舶的需要而充分利用起重机的幅度，此外也有司机视野开阔的要求，与此同时门架应有更大的高度。

针对吊重对象为单个的工件、设备，且重量大小不一的特点，其中合理设计应在考虑具有最大起重能力的主钩的同时，还要装设具有较小起重能力的副钩。此外，在保持重力矩（起重量*工作幅度）不变的条件下，主钩的起重量应能随工作幅度的变化而变化。

此类起重机有准确可靠的安装要求。因此，此类起重机的工作速度比港口用的门座起重机要相对低一些，同时还要考虑安装时的微速升降要求。按照起重机起重能力的大小，正常起升速度一般取为２～４５ｍ／ｍｉｎ，安装速度取为０．１～５ｍ／ｍｉｎ。

如为了满足工件的翻身作业要求，设计时要考虑到主、副钩协同工作的可能性；跨船作业的大幅度要求；浮船坞起重机的小轨距要求以及抗风浪颠簸的稳定性等。

（３）建筑用门座起重机

这种门座起重机一般用于水电站工地进行大坝的混凝土浇注、钢筋的安装、模版的装拆以及闸门、机电设备的吊装等。装卸、安装并重是这种起重机的工作特点，对其相应的要求有：

类似港口用起重机，力求外形尺寸小，重量轻，司机视野好。

考虑到装卸生产率的要求，这种起重机的起重量、工作速度的取用范围一般类似于港口用的门座起重机，但变幅、旋转速度较后者为低，以减小大长度钢丝绳悬吊物品时的摆动。

大起升高度和大幅度要求。根据大坝建筑高度、宽度的需要，起升高度在轨面上一般可达３０～７０ｍ，在轨面下可达１００ｍ以上，工作幅度可达５０ｍ以上。

如为了满足临时性的工作需要，在构造上应注意装拆、搬运方便；多台起重机协同工作起吊大吨位物品时的可能性等。

2.3 门座起重机的基本参数

2.3.1 起重量（Q）

门座起重机的起重量（额定起重量）是指起重机容许起吊的最大货物重量和取物装置的重量之和。起重量的单位是吨（t）。

2.3.2 起升高度（H）

门座起重机的起升高度一般是指从运行轨道面向上到取物装置的上极限位置之间的垂直距离。起升高度的单位是米（m）。对于吊钩装置，取吊钩钩环中心计算。从运行轨道面向下到取物装置的下极限位置之间的垂直距离称为下降深度。门座起重机的总起升高度应包括起升高度和下降深度两部分。

2.3.3 幅度（R）

门座起重机的幅度是指从起重机旋转中心线到取物装置悬吊点之间的距离。单位是米（m）。当起重臂外伸处于最远极限位置时，从起重机旋转中心到取物装置悬吊点之间的距离称为最大幅度（Rmax）；当起重臂内收处于最近极限位置时，从起重机旋转中心到取物装置悬吊点之间的距离称为最小幅度（Rmin）。

2.3.4 工作速度（v）

门座起重机的工作速度包括起升速度、变幅速度、旋转速度和运行速度。

起升速度是指取物装置的上升速度。单位是米/分。

变幅速度是指取物装置从最大幅度到最小幅度沿水平方向移动的平均速度。单位是米/分。

旋转速度是指上部旋转部分相对于下部运行部分绕旋转中心线的转动速度。单位是转/分。

运行速度是指起重机沿运行轨道的行走速度。单位是米/分。

2.3.5 工作类型

工作类型是用来表征门座起重机的载荷特性和工作繁忙程度的参数。在设计门座起重机时，要对机构、零部件和金属结构进行强度、刚度、稳定性、疲劳、磨损和发热等方面的计算，为使产品安全可靠、经济耐用，设计时必须考虑工作类型。

2.3.6 轨距（L）

门座起重机的轨距是指起重机两条运行轨道轴线之间的距离。单位是米。

2.3.7 轮压（P）

门座起重机的轮压是指起重机的一个行走车轮对运行轨道的压力。单位是吨力。门座起重机在工作状态最大风压和起重臂处于最不利的工作位置的条件下，满载起动或制动时所具有的轮压称为工作状态的最大轮压。

2.3.8 外形尺寸

门座起重机的外形尺寸是指起重机外部的轮廓尺寸，主要包括最小幅度时起重臂最高点距轨道顶面的尺寸、最大幅度时起重臂最远点距旋转中心线的尺寸、尾部旋转半径尺寸、门架净空尺寸、司机室高度以及在一条运行轨道上运行机构台车的边缘长度等。单位是米。

图2-1 图2-2

图2-3 图2-4

图2-5 图2-6

图2-7 图2-8

图2-9 图2-10

图2-11

1. 各机构综述

3.1 变幅机构

3.1.1 起重机变幅机构介绍

在门座式起重机中，从取物位置的中心线到起重机旋转中心线之间的距离叫做起重机的幅度，变幅机构就是用来改变幅度的机构。

门座式起重机的变幅都是能够在带载条件下进行，而且变幅过程是每一个工作周期中的主要工序之一，因此它的变幅机构是工作性变幅机构。工作性变幅机构可以使起重物绕起重机的旋转轴线作径向水平移动。其主要特性是经常变幅，而变幅速度对装卸速度有着直接的影响，使得变幅阻力变大。所以在装卸类型起重机，经常采用较高的变幅速度来提高装卸的生产率。

现代门座式起重机基本都采用摆动臂架式变幅。但在现代生产中大多要求实现工作性带载变幅，而为了降低变幅机构的驱动功率并提高机构的操作性能，现在普遍采用下述两项措施：

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