摘 要

随着世界经济不断的发展，港口的重要性愈发突显出来，抓斗卸船机在码头中的地位也不断提高。对设计人员而言，研究设计抓斗卸船机也能增强自己的专业能力。针对此种情况，本文设计了额定生产率为1500t/h的抓斗卸船机。在查阅专业资料，进行参数的选用后，针对不同工况，对整机进行了轮压校核计算以及稳定性验算。同时根据受力情况，设计了卸船机的门框斜撑和联系横梁的参数，并对其进行了校核工作，保证满足实用要求。根据尺寸信息，学习并利用SolidWorks软件将金属结构构建出来，使得设计成果有了可视化的模型，也方便后续进一步对设计成果的研究分析。最终，通过计算校核，综合分析所设计的1500t/h抓斗卸船机，所设计的整机参数和金属结构的参数均满足工作使用要求。

关键词：抓斗卸船机；SolidWorks;门框斜撑；联系横梁

Abstract

With the continuous development of the world economy, the importance of ports has become more and more prominent. The position of grab ship unloader in wharf is also increasing. For designers, research and design of grab ship unloader can also improve their professional quality. In view of this situation, this paper designed grab ship unloader with rated productivity of 1500t/h. After consulting professional data and selecting parameters, the wheel pressure checking calculation and stability checking calculation are carried out for the whole machine in different working conditions. At the same time, according to the stress situation, the parameters of the door frame diagonal brace and the contact beam of the ship unloader are designed and checked to ensure that they meet the practical requirements. According to the size information, learn and use SolidWorks software to build the metal structure, so that the design results have a visual model, and facilitate further research and analysis of the design results. Finally, through the calculation and verification, the comprehensive analysis of the designed 1500t/h grab ship unloader, the design of the whole machine parameters and metal structure parameters meet the working requirements.

Key Words: grab ship unloader; SolidWorks; door frame diagonal brace; contact beam

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的背景 1

1.2研究的目的及意义 1

1.3抓斗卸船机介绍 1

1.4本文结构安排 2

第2章 总体计算说明书 3

2.1 整机金属结构产生的轮压 3

2.1.1计算公式 4

2.1.2门框结构计算 5

2.1.3金属结构固定部分 6

2.1.4整机固定部分 8

2.1.5前大梁总成 9

2.1.6整机的重量和重心 10

2.1.7小车总成 13

2.2风载荷产生的轮压 16

2.2.1 风载荷计算公式 16

2.2.2风垂直于大车轨道 17

2.2.3风平行于大车轨道 21

2.3总体轮压校核验算 23

2.3.1工作状态 24

2.3.2非工作状态 25

2.4稳定性验算 25

2.4.1静载工况 26

2.4.2动载工况 26

2.4.3其他工况 28

2.4.4突发工况 29

第3章 联系横梁及门框斜撑结构计算 30

3.1联系横梁1结构计算 30

3.1.1强度验算 30

3.1.2刚度计算 34

3.1.3整体稳定性验算 34

3.1.4局部稳定性验算 34

3.2联系横梁2的结构计算 35

3.2.1强度验算 35

3.2.2刚度计算 38

3.2.3整体稳定性验算 38

3.2.4局部稳定性验算 38

3.3门框斜撑结构计算 39

3.3.1强度验算 39

3.3.2刚度计算 41

3.4门框间短斜撑结构计算 42

3.4.1强度验算 42

3.4.2刚度计算 44

3.5陆侧水平撑杆结构计算 44

3.5.1强度验算 44

3.5.2刚度计算 46

3.6陆侧门框斜撑结构计算 46

3.6.1强度验算 47

3.6.2刚度计算 48

3.7海侧门框斜撑结构计算 49

3.7.1强度验算 49

3.7.2刚度计算 51

第4章 Solidworks三维建模 51

4.1 Solidworks软件简介 51

4.2 建模对象 52

4.3门框斜撑三维模型 52

4.3.1 小盖板 52

4.3.2斜撑管 54

4.3.3门框斜撑装配 56

4.4陆侧水平撑杆三维模型 57

4.4.1水平撑杆 57

4.4.2插板 58

4.4.3盖板 58

4.4.4 水平撑杆装配 59

4.5联系横梁 59

4.5.1腹板与翼板 60

4.5.2横向加劲板 60

4.5.3角钢 60

4.5.4横梁的装配 61

第5章 经济性与环保性分析 63

5.1经济性分析 63

5.2环保性分析 63

结论 64

参考文献 65

致谢 66

第1章 绪论

1.1研究的背景

在全球经济不断发展的时代大背景下，海洋运输在各个国家，各个地区之间扮演着重要的角色。港口作为货物运输交换贸易的枢纽，将世界各地相互关联起来，为经济发展注入了强大的动力^[10]。随之而来的不断增长的货物需求量，使得对港口机械装备的要求也越来越高。而在现代散粒物料运输码头中的机械装备中，抓斗卸船机占据了主要地位，因其效率高，接卸货物量大，其作用越来越突显出来。在世界经济向前发展和国内科技水平不断提高的情况下，港口散货机械装备还有很大的发展前景，我们要持续深入地研究相关技术，不断的挖掘潜力，更新技术、设计制造出符合工作要求，安全可靠的散货机械装备，这对经济、港口的发展来说，意义重大。

1.2研究的目的及意义

通过查阅数据得知，在2004-2013年间，近十年来提供给国内外的桥式抓斗卸船机中，从额定生产率来分析，小型（1000t/h以下）卸船机占28%，中型（1000-2000t/h）卸船机占比达到50%，大型（2000t/h以上）占22%^[2]。由此可知，中型卸船机在所有类型的卸船机中具有一定的代表性，其发挥的作用不言而喻。近几年来，国内外货物交易量不断增大，对于卸船机的需求也越来越大，故研究设计额定生产率为1500t/h的中型抓斗卸船机符合市场基本需求情况，具有一定实际应用意义。同时，通过对中型卸船机这种具有代表性的机械进行研究设计，可以从技术层面更深入的学习卸船机的整体结构、整体设计、工作特点等内容，可以对所学习的专业知识进行运用，锻炼并且加强自身的专业素养，为以后从事相关技术工作打下坚实的基础。

1.3抓斗卸船机介绍

桥式抓斗卸船机一般分布在沿海地区的港口，其工作过程为：通过控制小车、钢绳的运动和抓斗的开启和闭合，将货船船舱中的散料抓取出来，并放入卸船机的料斗内。然后，与料斗相衔接的设备将物料输送到皮带机上，直至将物料输送到达指定空间^[10]。桥式抓斗卸船机的优点很多，例如作业受海浪影响小，机械本身移动性好，技术上有一定的积累，比较成熟，机器损坏的现象少，运作成本低等^[2]。门框结构、前大梁、后大梁、俯仰机构、小车和抓斗等是抓斗卸船机中的主体结构。桥式抓斗卸船机从关键部分——抓斗小车来看，由几种分类组成，典型应用的有自行小车式和牵引小车式。前者因小车重量较大导致整体自重增大，造价偏高，被逐渐淘汰。牵引小车式抓斗卸船机的机器房内包含了抓斗起升机构，开闭机构，小车的运行机构，使得小车的自身重量大大减小。随着技术的发展，牵引小车式卸船机出现了不同种类的钢丝绳缠绕方式。而机械差动式卸船机因其系统单一，结构紧凑，结构受力小，小车整重小，近年来被广泛运用于各个港口^[3]。

1.4本文结构安排

本文是针对生产率为1500t/h抓斗卸船机联系横梁以及门框斜撑的设计。根据工作要求，通过查阅设计手册和参考同类型设计资料，对金属结构的材料和尺寸做出选型。根据所选参数，本文主要对卸船机的整体、联系横梁和斜撑进行验算校核，保证卸船机能够满足使用要求。

第一部分简要地介绍了抓斗卸船机的结构功能和发展趋势。同时阐明了这种机械对于港口发展、对于经济发展和对于技术发展的重要性。

第二部分主要是针对所设计的卸船机，进行整机的计算。根据施加在卸船机上的载荷不同，整机处于情况的不同，进行了轮压校核和倾覆性校核。

第三部分针对所设计的金属结构，包括门框斜撑类圆管件和联系横梁等箱型梁，模拟工作情况，添加载荷，计算强度、刚度和稳定性，分析结果，保证斜撑和横梁满足使用条件。

第四部分是在设计以及计算工作完成后，利用SolidWorks软件，对金属结构进行三维建模，并介绍横梁和斜撑的建模思路和一些建模技巧。

第五部分探讨了本文的设计在经济性和环保方面的一些建树和以后需要进一步完善的地方。

第2章 总体计算说明书

1500t抓斗卸船机的总体计算共包括轮压计算和稳定性验算两大部分。不同的散货码头所能承受的轮压各有不同，因此在设计抓斗卸船机时，要充分考虑到这个因素，通过计算，求出在不同工作情况下，卸船机所产生的轮压，并与场地的许用轮压比对，使前者小于后者，以保证其能够在码头上长久的工作，避免发生意外。除了轮压计算外，针对不同的工作情况，也要进行整体稳定性计算，抗倾覆性校核，以保证卸船机能够在不同情况下正常工作，安稳运行，避免发生卸船机倾覆的危险事故。同时，由于卸船机的工作环境是处于露天场地，所以还要考虑风力所带来的影响，因此，还需要计算卸船机所受风载荷的大小，并计算出风载荷在不同工况下产生的轮压大小，以及对卸船机整体稳定性的影响。

图2.1 抓斗卸船机

2.1 整机金属结构产生的轮压

因为抓斗卸船机本身的金属结构具有一定的重量，会对工作场地产生压力，所以要计算此部分产生的轮压。计算的最终目标是算出整机重心的高度以及重心与海侧支点和陆侧支点的的距离。然后根据整机重心的位置，通过力矩平衡，计算出海侧支点与陆侧支点分别所承受的压力，然后再进一步算出两侧的轮压。整机的计算是通过将整机金属结构拆解成几大部分组件来进行分别计算。先从一个组件入手，将此组件中的具体每一个零件的重量和重心一一计算并且整合，最终得出组件的总重量和重心的坐标。然后，将此组件的总重量和重心与下一个组件中的每一个零件的重量和重心数据进行整合，得到新的组件的总重量和重心。依次进行，最终将所有的组件整合完数据，就可以得到整机金属结构的总重量和重心位置。此外，还要考虑到卸船机在不同工作情况下，由于机构发生运动，引起的重心位置的变化，使得轮压会存在差异。前大梁仰起与水平的两种状态，小车运行到不同位置时的状态，这些情况都会使整机的重心位置发生不同的变化，针对这种变化，要分别进行计算校核，以保证不超过码头的许用轮压。整机设计参数如表2.1所示

表2.1 整机参数

2.1.1计算公式

已知卸船机大车运行轨道距离为14m，即海侧支点与陆侧支点之间的距离为14m,单侧轮数为24。以门框斜撑所在平面为计算面，分别以海侧支点、陆侧支点为原点分别建立坐标系，后续计算沿用此坐标系。

图2.2 坐标系

总重量：

（1）组件重心高度计算公式:

式中: ——组件总重量，t

——各个零件重心的高度，m

——各个零件的重量，t

——综合重心的高度，m

（2）组件对海侧支点的总力矩：

组件重心在海侧坐标轴上的横坐标：

式中: ——零件重心距海侧距离

（3）组件对陆侧支点的总力矩：

组件重心在陆侧坐标轴上的横坐标

式中: ——零件重心距陆侧距离

2.1.2门框结构计算

门框结构是抓斗卸船机中重要的组成部分，共分为海侧门框与陆侧门框。

表2.2 门框结构

整理上述数据，得门框结构总重量：

将以上数据代入式（2.2），得门框结构总重心高度：

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