摘 要

中国拥有着庞大的经济市场，海岸线长，港口众多，近年来，经济高度繁荣。在国际贸易促进港口物流行业高速发展的同时，也对港口的起重运输设备提出了更高的要求。一般的轮胎式起重机、门座式起重机、岸边桥式起重机等设备，对超大件、超重件货物的运输要求，已经无法满足。若是使用大型浮式起重机，则不仅要付出高昂的调度费用，而且还会受到环境的制约。本文简要的论述了国内外起重机发展的状况和发展前景，以1050t港口人字架式桅杆起重机为研究对象，对其进行了结构设计，主要是针对主起升机构和副起升机构进行了选型计算，对桅杆吊的稳定性进行了校核。然后完成部分结构CAD图的绘制。

关键词：桅杆式起重机、结构设计、选型计算、CAD

Abstract

China has a huge economic market, a long coastline and numerous ports. In recent years, China's economy has been highly prosperous. While international trade promotes the rapid development of port logistics industry, it also puts forward higher requirements for port lifting and transportation equipment. The transportation requirements for the super-large and super-heavy parts of the equipment, such as wheeled cranes, gantry cranes and quayside bridge cranes, cannot be satisfied. If the use of large floating crane, not only to pay high scheduling costs, but also by the environmental constraints. This thesis briefly discusses the development status and prospects of cranes at home and abroad. Taking the mast crane of 1050t port as the research object, the structural design of the mast crane is carried out. Then complete part of the structure of CAD drawing.

Keywords: mast crane、structural design、selection and calculation、CAD

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题来源及选题的意义 1

1.1.1课题来源和意义 1

1.1.2研究的目的和意义 1

1.2国内外发展现状 1

1.3国内外起重机的研发前景 3

1.4起重机的介绍 4

1.5桅杆起重机的介绍 6

第2章 起升机构的选型计算 8

2.1起升机构概述 8

2.2 主起升机构的选型计算 8

2.2.1 主起升机构已知参数 8

2.2.2主起升机构钢丝绳的选型计算 8

2.2.3卷筒相关计算 9

2.2.4电动机的选型计算 10

2.2.5选择减速器 12

2.2.6选择联轴器 13

2.2.7选择制动器 13

2.3副起升机构的选型计算 14

2.3.1 副起升机构已知参数 14

2.3.2 副起升机构钢丝绳的选型计算 14

2.3.3 卷筒相关计算 15

2.3.4电动机的选型计算 16

2.3.5选择减速器 17

2.2.6 选择联轴器 18

2.2.7 选择制动器 19

第3章 稳定性校核 20

3.1总体设计参数 20

3.2总体说明 21

3.3整体稳定性说明 21

3.4风载荷计算说明 22

3.5 稳定性计算 22

3.5.1 工作情况下稳定性计算 22

3.5.2 非工作情况下稳定性计算 24

3.5.3 非工作情况下改进 25

第4章 总结与展望 26

致谢 27

参考文献 28

第1章 绪论

1.1课题来源及选题的意义

1.1.1课题来源和意义

本课题主要是对桅杆吊进行总体设计与计算，以及其起升机构的计算选型，完成相关部分的CAD图的绘制。熟悉桅杆吊的工作原理和结构是主要的目的，经过系统的学习了起重机的设计方法和步骤，在设计以及计算过程中，自我学习的能力得到提高，运用相关的理论知识解决实际问题，培养实际动手去做的能力。以及在大量的实际绘图之中，提升对软件绘图的熟练度，同时通过大量中外文献的阅读，了解行业的现状和发展方向，为学生毕业以后参加相关工作打下良好的基础。

1.1.2研究的目的和意义

我们的身边总是经常会有各种基础设施建设的场景，在施工过程中无一例外的都必须用到起重设备。相比人力而言，巨大的起重量和起升高度使起重设备优势尽显。不仅能对工程建设过程中的人力物力带来有效的节省和利用，也让劳动者处于更加安全的位置，更是有效的缩短了建设的周期。

科技日新月异的发展和全球的联系不断加强，使得国内外的工程机械行业和机械制造业进步显著，越来越激烈的竞争关系随之而来。起重机械的种类多种多样，作为在起重运输机械中用途最为广泛的一种物料搬运机械，桅杆式起重机因为自身起升高度高、起重量大、应用范围广泛而备受关注。跟其他的起重设备相比较而言，桅杆式起重机结构相对比较简单、拆卸维修更为方便、受施工场地限制小。对于货物周转量大的港口来说，场地在一定程度上是受到了限制的。再者而言，它本身的性价比非常的高，在同等起重量的起重机械之中，它的性价比是最高的。在此种情形之下，桅杆吊就比较适合用于港口的起重作业。

1.2国内外发展现状

就目前来看，在科技日新月异的今天，在几十年的时间里，港口起重机在港口作业环境不断变化的要求下，在一代又一代理工科人才的不断推陈出新之下，国内外对于港口起重机的结构的研究已经进入了一个瓶颈期。目前对于起重机的模块化、智能化、自动化、如何加快起重机的设计周期以及如何减少起重机的设计制作成本等问题的研究更为热门，以及对于港口实际工作环境中的起重机的调度问题的研究，对于港口实际工作环境中的起重机节能和环保问题的研究也是研究的热点方向。

潘变^[1]等在基于云制造的起重机设计制造平台研究中，将云制造的概念引入起重机行业，对基于云制造的起重机设计制造平台的模式构架、设计制造流程及特点和相应的作用进行了研究。如果能够得到实现，则能加快业内资源整合、缩短起重机设计制造周期、有效降低设计以及制造的花费。

张建^[2]等在基于有限元法的海上风电吊装运输船起重机设计与分析中，综合运用结构单元，实体单元连接单元和约束方程，建立了包括吊臂、人字架、回转转台部件的柔体有限元模型，并且对典型工况下起重机力学性能进行了有限元分析，之后就发现了设计存在着缺陷的地方，并进行了相应的改进。

程文明^[3]等在桥式起重机与门式起重机轻量化设计的关键要素中，通过对欧式起重机的分析研究，从小车设计、设计技术与方法、运行机构设计、结构设计、操控系统设计5个方面阐述了门式起重机与桥式起重机实现轻量化设计的技术途径和相应措施。

王理^[4]等在基于云制造的起重机协同设计与制造模式中，把云制造模式引入到起重机行业之中，使用基于云计算的服务系统的三层结构，构建了基于云制造的起重机的协同设计与制造模式，详尽地阐述了在该模式中各层的组成与作用。分析起重机从设计到制造的整个流程,最后进行了具体的案例分析。在引入了云制造的模式之后，起重机的设计制造效率就会得到很大的提高。

韩吉超^[7]在WGQ600港口重载桅杆式起重机结构设计与有限元及动态分析中，以600t港口桅杆式起重机为研究对象，进行结构设计，针对不同工况进行结构优化设计，满足多种工况下的不同静力学和动力学要求。完成了面向港口的新型重载桅杆式起重机的结构设计。

史洪卫^[8]等在对桅杆式起重机的几项革新改造中，把起重机的桅杆和附件进行了改造，解决了滑轮组倾斜磨损的问题；对缆风绳进行了彻底的改革，产生了一种更为简单的方式。

郭云志^[9]在基于极限状态法的起重机金属结构设计研究中，借鉴了我国建筑钢结构的极限状态法设计原理及应用，与国内外的相关标准、规范等和多种理论方法，以履带起重机桁架臂结构为例，通过计算结果的比较,证明了极限状态法确实优于许用应力法。

李荔^[10]在起升机构安全冗余设计中，对于起升机构各零部件的安全设计进行了讨论，并且对起升机构系统的安全冗余设计实现方案展开了详细的分析，旨在进一步完善起重机的工作功能，提升其安全性能。

徐启文^[11]等在重件码头桅杆吊基础型式应用与研究中，通过对实体基础式、空箱承台式、桩基承台式、组合式等多个设计实例的介绍,研究如何选择大型桅杆吊的基础型式。

高志华^[12]在一种动臂可伸缩式的桅杆起重机的创新设计中，创新设计出了一种动臂可以进行伸缩的桅杆起重机，这种可以伸缩的桅杆起重机结构比较轻巧，运转灵活性较强，能够对重载进行起重作业，对水平作业的幅度范围进行了提升,另外还具备了高空举升能力,克服了常规桅杆起重机的起吊半径小、作业适应能力差的问题。

Andrej Cibicik^[13]等在应用螺旋理论对转向臂起重机进行动力学建模和受力分析中，基于动态建模的过程，提出了一种计算转向臂起重机动力反力的方法。将螺旋理论应用于动力学建模和力的分析，得到了一个有几何意义的公式。并且对某转向臂起重机进行了仿真，给出了仿真的结果。其所确定的反力可用于机械问题、结构完整性计算、疲劳、寿命预测以及涉及干摩掠的控制问题。

Dong Hun Lee^[14]等在箱梁起重机结构的极限状态设计与许用工作应力设计中，把极限状态作为箱梁起重机的结构设计准则。选择了一种原本是按许用工作应力准则进行设计建造且目前仍在使用的箱梁起重机作为参考。然后运用极限状态准则对结构进行重新设计。其结果表明，相比于基于许用工作应力的设计方法，基于极限状态的设计方法提供了更经济、更安全的结构。

Yingguang Chu^[15]等在Virtual Prototyping System for Maritime Crane esign and Operation Based on Functional Mock-up Interface中，提出了一个用于海上起重机作业设计与仿真的虚拟样机的系统框架，通过把快速原型方法和可互换接口的概念进行结合，可以模拟出不同要求的操作场景。在设计阶段即可对多个权衡和替代解决方案进行评估。在很短的时间周期内即可完成整个过程，从而减少了交付的时间，减少了在实际测试中可能会导致致命事故的错误或系统故障。虚拟模拟器还可用于人员培训，有效的提高了工作的效率和操作的安全性。

1.3国内外起重机的研发前景

科学技术是制约起重机研发生产的主要因素，随着新材料的出现、制造技术的进步和计算机技术的发展。为了补足传统整机设计制造过程中的缺陷之处，减少材料的使用、缩短起重机设计制造的周期，国内外的起重设备都朝着起重机性能自动化、专用化、系列产品模块化、智能化等方向发展。

大型或高速起重机对比传统起重机来说，操作起来更加的简单，维护也变得的更加方便，安全性能和可靠程度也得到了较大的提高。另外，耐久性能优异、无故障性和使用经济性使它成为了自动化生产流程中重要的一环。在各行各业的深度和广度不断提升的今天，用户对于起重设备的需求越来越多样化、专用化，具备特殊功能的起重机虽然用途不是很广泛，却也是不可或缺的。装备研发的公司为迎合市场需求，满足市场的需要，按照要求设计产品，也使市场上投入使用的产品五花八门。

模块化、组合化制造让相同类型的构件、部件以及零件分装于同一模块中。这种设计的理念，让类型与规格各异的起重机的设计制造由复杂繁琐变得简单容易。在设计之初，设计者仅仅只需要按照要求，选择相符合的模块，并进行拼接组合，就能完成整个设计过程。在配合以标准化的检验模式，即可使起重机的设计变得十分的轻松，也让起重机的质量得到了保障。

需要应用起重机械的作业场合并不都是足够宽敞的，对个人来说，时常需要在狭小的空间内进行搬运工作。例如超市自有小型仓库内货物的装卸与搬运、农村简易民宅建筑材料的装卸与搬运、机械结构制造厂房内小型结构件的装卸与搬运等。由于场地受限，人力无法完成工作，这就对结构简单、体型较小的起重机产生了需求。尽管质量较轻，体型较小，由于足够的强度，依然能够满足起升重量的要求。

起重机械的另外一个发展方向就是人性化。社会不断进步，需要在力所能及的情况下对劳动者提供比较舒适的工作环境，以及保证劳动者的生命财产安全。人体工程学的引入，给工人提供了更加舒适的工作环境，能有效减轻工人由于长时间的重复操作带来的疲劳感。新型安全装置的研发与配备，为工作人员的生命安全提供了可靠的保障。

1.4起重机的介绍

起重机械就是利用吊物装置吊取货物，让货物在空间内进行移动，到达指定目的地的机械。工作循环往复，有间歇的对货物进行安装、装卸、转运等作业。港口起重机常被用于完成车辆和船舶的装卸、库场的堆码、船舱内作业和库内货物的移动等作业。

按照结构特征，将起重机划分为臂架型起重机、缆索型起重机、和桥架型起重机三大类。每一个大类之中又按照其中各自不同的特点和用途，又细分为各种不同类型的起重机。港口物流行业的发展极大地推动了我国海港、河港和内陆港吞吐能力的提高，港口的物流设施的建设已经进入继电力基础设施建设之后的又一个大规模建设板块。港口起重机械作为码头的核心设备，起重机的运作效率很大程度上影响着港口的效益。目前国内的港口气重机械以轮胎式起重机、岸边桥式起重机、门座式起重机和大型浮式起重机为主(如图1-1所示)。

岸边桥式起重机是针对标准集装箱而设计的专用化设备，主要用于港口集装箱码头的集装箱卸船、装船工作，工作于港口的第一线。由于要追求海运的高效益，集装箱运输船逐年向着大型化的方向发展，这对岸桥式起重机的装卸速度提出了更高的要求。

门座式起重机作为一种通用型的起重运输设备，早在1890年就已经应用于港口的搬运作业。门座式起重机结构简单，相对而言更为小巧，占用面积小，可多台门机同时运作对船舶进行装卸。由于船舶建造的需要，门座式起重机势必向着大型化发展。

浮式起重机通常安装船舶的甲板之上，因此也被称为浮吊，在水上的起重作业中必不可少。按照使用用途分为装卸型和吊装型两种。浮式起重机的起升重量已经达到了上千吨，常被用于沉船打捞、海洋资源的开发等作业。但浮式起重机造价高昂，调用费用因此比较昂贵，且受气候、航道等环境因素的限制比较大，容易由于货物装卸不及时而造成压船、滞港等不利后果，延长物流周期，增加额外成本，安全性也相对较低。

港口用轮胎式起重机经常用于港口、货场、仓库等地的散货的装卸与搬运作业，也用于对港口设备进行吊装、维修、拆卸等作业。目前所用的港口用轮胎起重机作业幅度有限，起重量较低，无法对大型重件进行搬运，也无法完成对船舶的装卸，主要用于港内的工作。

a)门座式起重机 b)岸边桥式起重机

c)浮式起重机 d)港口用轮胎起重机

图1.1 港口用起重机

1.5桅杆起重机的介绍

桅杆式起重机是指以两端通过钢丝绳或支撑固定的桅杆为基本组成部件，装配或者不装配起重臂及回转机构，依靠卷扬机和操作绳索起吊重物的起重机。

按构造型式，可将桅杆式起重机分为:摇臂式桅杆起重机、人字架桅杆起重机、单桅杆起重机、悬臂式桅杆起重机、缆绳式桅杆起重机、斜撑式桅杆起重机等(如图1-2所示) 。

a)摇臂式 b)人字架式

c)单桅杆式 d)悬臂式

e)缆绳式 f)斜撑式

图1.2 桅杆式起重机的类型

桅杆式起重机具有悠久的历史，早期就被人们简称为把杆，是种简单而有效的起重设备。具有构造简单、易于拆卸、、起重量大、工作环境不受场地范围狭小所限制等特点。尤其适用于吊装大型构配件。但正是因为它的结构特点，导致传统型的桅杆起重机需要配置多根缆风绳以增加整机的稳定性，致使整机移动困难。起重半径较小，灵活性也不足。因为这些原因，其常被用于吊装构件重量大、作业环境复杂的环境中。

目前应用最为广泛的是缆绳式和斜撑式。缆绳式桅杆起重机是以绳索与周围的地形相连接，形成稳固的机体;斜撑式桅杆式起重机则是依靠自身所带的撑杆形成稳固的机体。

在国内外港口所使用的桅杆起重机之中，普遍采用的稳定系统是缆风绳结构和地锚结构。缆风绳系统受力简单，但具有此种结构的桅杆式起重机最大起重能力不高；地锚结构能显著增大机体的强度，使机体能够承受更大的拉力，适用于超大重量货物的吊装作业。

本课题的研究对象是人字架式固定桅杆起重机，如图1.3。

图1.3 人字架式固定桅杆起重机

第2章 起升机构的选型计算

2.1起升机构概述

起重机之中最为重要的结构就是起升机构，起升机构是让货物在空间内进行升降运动的机构，其性能在一定的程度上决定了整机的技术性能。起升机构主要由取物装置、卷绕系统、驱动装置、制动装置等组成。另外由于实际工作中的需要，还需要对其添加如超载限制器、起升高度限制器等辅助装置。一般对于大起重量的起重机而言，常常设有两个或以上不同起重量的起升机构，起重量最大起升机构的为主起升机构，其余的为副起升机构。

2.2 主起升机构的选型计算

2.2.1 主起升机构已知参数

图2.1 主起升机构参数

2.2.2主起升机构钢丝绳的选型计算

钢丝绳和滑轮组组成了缠绕系统，负责在吊取重物的过程中传递动力，为了避免事故的发生，要确保钢丝绳在使用过程中不能断裂，因此，需要根据理论计算公式计算出钢丝绳所需要承受的最大拉力，根据这一拉力的数值，对其进行初选型，然后根据实际选型的参数进行校核，同时还应该保证钢丝绳的安全系数在合格的范围内，以确保装置这一部分的安全性能。

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