摘 要

起重机作为现代港口运转的主力军，起重机需要不断的改进以满足工作生产的需求。本文以MQ4040单臂架门座起重机为研究对象，对目前港口常用的门座起重机进行了科学合理的设计，设计的门座起重机适用于多种的工作环境。本文的主要从以下几个部分，比较详细的介绍了门座起重机的设计方法和设计过程。

（1）门座起重机总体计算。在此过程中完成了臂架系统的找点计算，完成对货物水平位移系统和臂架自重平衡系统的设计校验。计算起重机的作用载荷，包括自重载荷、风载荷、货物偏摆载荷等，根据作用载荷计算起重机支腿的轮压，校核起重机的整机稳定性和抗风防滑安全性。

（2）人字架结构的设计计算。确定人字架的结构形式和主要尺寸，对人字架结构的重要结构进行了详细的设计计算，验算结构布置的合理性。

（3）人字架结构的三维建模和有限元分析。运用Solidworks完成了人字架结构的三维建模，利用ANSYS分析软件，完成人字架结构的精确受力分析计算。

本文的特色在于借助现代CAD设计技术完成了MQ4040单臂架门座起重机的总体设计和人字架的结构设计工作，提高了设计的效率性。对起重机的性能进行了优化设计，减小能耗，减低生产成本，使得门座起重机更加适合港中小口的使用。

关键字 门座起重机；总体设计；人字架结构；有限元分析

Abstract

As the main force of modern port operation, cranes need continuous improvement to meet the needs of work production. This article takes the MQ4040 single arm portal crane as the research object, and carries out a scientific and rational design for the currently used portal cranes in the port. The designed portal crane is suitable for a variety of working environments. This article mainly introduces the design method and design process of the portal crane in more detail from the following sections.

(1) Overall calculation of portal crane. In this process, the calculation of the search point of the boom system was completed, and the design verification of the horizontal cargo displacement system and the boom self-balancing system was completed. Calculate the action load of the crane, including gravity load, wind load, yaw load of the cargo, etc., calculate the wheel pressure of the crane leg according to the applied load, check the stability of the crane and the safety of the anti-skid and anti-skid of the crane.

(2) The design calculation of the truss structure. Determine the structure and main dimensions of the rack and conduct detailed design and calculation of the important structure of the rack structure, checking the rationality of the structure layout.

(3) Three-dimensional modeling and finite element analysis of the truss structure. Using Solidworks to complete the three-dimensional modeling of herringbone structure, the use of ANSYS analysis software to complete the accurate force analysis and calculation of the human frame structure.

The characteristic of this article is to complete the overall design of the MQ4040 single-arm portal crane and the structure design of the herringbone with the aid of modern CAD design technology, which improves the efficiency of the design. The performance of the crane has been optimized to reduce energy consumption and reduce production costs, making the portal crane more suitable for the use of small and medium ports .

Key words: portal crane； overall design； Shelf structure； Finite element analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外研究进展情况 1

1.2.1 国内研究进展 1

1.2.2 国外研究进展 3

1.3 目的及意义 3

1.4 设计的基本内容和技术方案 3

1.4.1 设计内容 3

1.4.2 设计步骤及技术方案 3

第2章 总体设计计算 5

2.1 MQ4040门座起重机设计参数 5

2.2 臂架系统的设计 5

2.2.1 货物水平位移系统的设计 5

2.2.2 臂架自重平衡系统的设计 7

2.3 自重载荷计算 8

2.4 起重机各部分的迎风面积、风力矩计算 11

2.5 起重机轮压计算 13

2.6 起重机稳定性计算 15

2.6.1 基本稳定性 15

2.6.2 动态稳定性 16

2.6.3 非工作最大风载荷时的稳定性 16

2.6.4 突然卸载时稳定性 16

2.7车档冲击力计算 17

2.8 起重机抗风防滑安全性 18

2.8.1正常工作状态 18

2.8.2非工作状态 19

2.9 本章小结 19

第3章 人字架结构计算 20

3.1 人字架结构选型 20

3.2 人字架结构受力验算 21

3.3 本章小结 25

第4章人字架结构三维建模及ANSYS计算 26

4.1 人字架结构Solidworks建模 26

4.2 ANSYS计算分析 26

第5章 全文总结与展望 30

5.1 全文总结 30

5.2 全文展望 30

5.3 经济性与环保性分析 31

5.3.1 经济性分析 31

5.3.2 环保性分析 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

随着中国经济的快速发展，货物进出口的量越来越大，港口成为经济发展过程中一个重要的支撑点，起重机作为现代港口运转的一个核心工具。本文研究的是最常见的港口装卸机械：门座起重机。随着港口吞吐量的日益增加，对门座起重机的装卸效率，使用的安全可靠性等工作性能提出了更高的要求。

门座式起重机是指臂架安装在门座上，下方可通过铁路或公路车辆的移动式回转起重机。门座起重机的优点是结构自重轻，制造成本低，比较适合货物流通量不大的小港口使用，缺点是工作速度低，有效工作范围较小。门座起重机由起升机构、回转机构、变幅机构和运行机构四大机构组成。门座起重机广泛采用摆动臂架式变幅机构。变幅机构中采用臂架自重平衡系统和货物水平位移系统来实现工作性变幅。臂架自重平衡系统的基本作用是使臂架的重心在变幅过程中不发生或少发生升降现象，货物水平位移系统的基本作用是使取物装置及其所载货物在变幅过程中沿着水平线或接近水平线的轨迹移动。

1.2 国内外研究进展情况

1.2.1 国内研究进展

门座式起重机的研究设计一直是国内外港口起重机械中的热点，在起重机设计中风载荷一直是较为重要的一项载荷，它不仅是结构受力分析的重要载荷，同时也是计算大小车走行机构电机功率和分析门机稳定性的主要依据。武汉理工大学物流工程学院的赵章焰等^[1]、西南交通大学的朱小海等^[2]人利用三维建模软件SolidWorks 建立港口大型门座起重机三维模型，经过网格划分等前处理后导入计算流体力学分析软件中，通过计算门座起重机的风载荷得到其在流场中的风速场、风压场分布图，并在此基础上提出了采用风压不均匀系数来表征门座起重机表面风压的分布规律。进一步验证了计算流体力学方法在大型门座起重机计算分析中的适用性，研究了风载荷对门座起重机的影响特性，为工程设计人员提供有效参考。华中交通大学机电工程学院的程贤福等^[3]为了快速满足用户对起重机个性化的需求，提出了起重机的快速设计方法。在快速设计中采取模块编码、数据库、规则表示法等对相应的设计知识进行表达，建立起重机设计数据库，然后基于实例推理技术对起重机进行相似度计算、实例检索，并对新产品进行有限元分析，最终输出新产品并更新实例库。设计过程以 Solidworks、Access、VB、ANSYS等工具为支撑，进行参数化建模、设计参数存储、相似度计算、有限元分析等，以此来快速地完成起重机设计。中交第四航务工程勘察设计院有限公司的吴邵强等^[4]人结合门座起重机在港口服役期间回转支承的实际工况及常见故障损伤规律，对常用的三排滚柱式回转支承装置进行了疲劳分析研究。提出合理假设，分析了回转支承在门座起重机每个工作循环中的载荷谱。在赫兹接触理论和疲劳积累损伤理论的基础上，利用 ANSYS软件建立了回转支承的简化模型，并分析了其疲劳接触。 完成了在既定工况下的疲劳分析计算，进而得到了回转支承的预测寿命。据此，提出了一种与港机中传统回转支承寿命预测方法不同的数值计算方法。西南交通大学的张大鹏等^[5]人针对双刚接支腿门架结构，推导了水平约束力解析式和主梁跨中挠度的表达式，定量分析了刚度比对主梁挠度的影响。结果表明：刚度比越大水平约束力越小；刚度比越小主梁挠度越小；因此如果将两侧支腿设计成相同尺寸，可使结构刚度最好，用料最省。这次研究通过计算支腿弯矩对挠度的影响为起重机设计提供了有益参考。广州特种机电设备检测研究院的刘金等^[6]人进行了门座起重机参数化建模与仿真分析，通过对比，参数化仿真法比传统仿真法缩短了安全评估报告的出具时间。中船第九设计研究院工程有限公司的刘彦飞^[7]分析了大拉杆自重对三种不同幅度和吊重的门座起重机的影响，验证了大拉杆自重对大拉杆应力和整机性能将起不可忽视的作用。特别是随着吊重和幅度的增大，大拉杆也需要随之变长变重，这次研究明确了在四连杆门座起重机设计中必须考虑大拉杆自重作用。深圳市特种设备安全检验研究院的李俊林^[8]提出了门座起重机平衡滑轮补偿式臂架系统的优化设计，减小了起重机上部的总的重量，不仅节省了制造起重机的原料，还节省了制造成本。邓贤远等^[9]提出门座起重机振动模态分析研究。董杰等^[10]对门式起重机起升过程动态特性作了研究。江爱华等^[11]进行了门式起重机动态特性仿真与试验分析。中国铁道科学研究院运输及经济研究所杨广全^[12]针对铁路中小型货场集装箱作业量较小的特点，通过开发下挂式拖拽小车 和起升机构分散布置结构，研制配套的专用吊具，应用起升钢丝绳倒三角形缠绕、电机变频等综合技术，采用高强度耐候钢，设计铁路轻量化多功能集装箱门式起重机，提高了铁路装卸的机械化水平。以上的的这些研究进展完善了起重机设计过程的一些细节问题，为起重机的研发提供了参考，优化了起重机的作业性能。

人字架是MQ4040单臂架门座式起重机的主要构件之一，它与臂架、回转机台、绳索系统构成了整个门座机的上部平衡系统，而人字架正是这个上部平衡系统的支点，所有起升钢丝绳及变幅钢丝绳都需要通过人字架顶部滑轮传力，且使整个上部臂架系统达到平衡。

人字架作为门座起重机平衡系统的一个重要部件，它的设计需要做到结构自重轻，同时又具有足够的强度和刚度。其中用得最多的设计方法就是有限元分析法，有限元分析法为整个人字架结构的整体建模提供了可靠、高效的理论依据。武汉理工大学殷成凤^[13]采用ANSYS有限元分析软件对门座起重机人字架进行了整体有限元计算，提出了具体的有限元分析模型，并对人字架强度、刚度作了全面分析。人字架的跨度设计也是门座起重机的一项设计参数。楚雄技师学院的丁燕^[14]以MQ1625起重机为研究对象，运用 ANSYS 仿真软件分析起重机转台人字框架结构的强度，并根据分析结果提出了相应的改进方案。研究表明，当起重机载荷一定时，转台人字架顶部的应变和位移最大，且最大位移为21.03mm。为人字架结构的设计提供了重要参考依据。武汉理工大学的吴洲庆等^[15]提出门架及转台人字架系统强度分析及改进设计。沈宏伟^[16]对MQ128门座式起重机人字架进行了有限元分析。上海振华重工股份有限公司的张炳发等^[17]人在分析目前浮式起重机所使用的两种人字架放倒方法的基础上，提出了一种全新的人字架放倒技术，不仅适用于新建起重机的设计，而且也可以应用于原有起重机的改造。

1.2.2 国外研究进展

国外近年来也有不少对于起重机的最新研究，完善了起重机的设计方法。斯图加特大学系统动力研究所的Schaper等^[18]人对起重机防摇控制系统的载荷位置估算提出了一种改进的估计算法，该算法不依赖于传统的绳索悬挂点加速度来估计负载位置。更加准确地估算防摇控制系统的载荷位置。佐治亚理工学院机械工程学院Rauch等^[19]人综合运用静态稳定性分析法，半动态稳定性分析法，动态稳定性分析法为移动臂架起重机的实际倾翻稳定性分析提供了有用的指导。佐治亚理工学院Maczynski等^[20]人提出了一种基于起重机自动化控制的非线性模型，为小型起重机的动力学与控制提供了设计依据。

1.3 目的及意义

门座起重机的设计制造对生产力的提升起到了很大帮助,起重机不仅能够减轻劳动力 的消耗,还能大幅度提高工作效率，在愈加发达的港口物流业中起着很大的作用。本次毕业设计通过对MQ4040单臂架门座式起重机进行总体计算，对人字架结构进行选型、受力分析计算并建立其三维模型，可以培养学生综合运用本科阶段所学的工程制图、力学、材料学、机械设计学等专业课程知识的能力及熟练使用设计、仿真软件的能力，熟悉起重机设计的基本步骤和方法，为将来走上工作岗位夯实基础。了解国内外门座式起重机的最新发展状况，增强对本专业知识的综合理解与应用。

1.4 设计的基本内容和技术方案

1.4.1 设计内容

本次设计的主要内容是确定MQ4040单臂架门座起重机总体布置形式和主要尺寸，完成总体设计计算。确定人字架结构的主体尺寸，完成人字架结构的受力计算。对人字架结构进行三维建模并利用ANSYS对人字架进行有限元分析，得出人字架的准确受力特性，有利于人字架的选型设计，初步熟悉ANSYS在起重机设计过程中的应用。

1.4.2 设计步骤及技术方案

本课题是针对港口MQ4040单臂架门座式起重机进行总体设计计算以及人字架结构设计计算，确定人字架结构的选型。

（1）对MQ4040单臂架门座起重机进行总体分析依，根据总体设计要求从设计手册里选择臂架，人字架金属结构形式，变幅驱动装置形式，货物水平位移补偿方式，臂架自重平衡方式等；

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