摘 要

门座起重机以其通用性强、作业效率高等优点广泛用于生产的各个领域中，臂架作为变幅工作中主要的承载构件，发挥着无可替代的作用。臂架结构的失效形式是目前港口常见的金属结构故障形式，本文通过对臂架结构的受力分析，从内因和外因两个方面分析引起臂架失效的原因。根据掌握的知识和相关设计标准，提出失效修复以及加固方案，并运用有限元进行了验证。最后根据设备管理理论和方法，为港口企业制定出相应的设备管理对策，预防和避免该类失效现象的再次发生。

关键词：门座式起重机；臂架；修复；设备管理

Abstract

The portal cranes are widely used in various fields of production because of their versatility and high operating efficiency. The boom is an irreplaceable role as the main bearing member in the luffing work. The failure mode of the boom structure is the common form of the metal structure in the port. Through the analysis of the force of the boom structure, the reason of the failure of the boom is analyzed from the internal and external factors. According to I have mastered the knowledge and related design standards, the proposed failure repair and reinforcement program, and the use of finite element validation. Finally, according to the theory and method of equipment management, the corresponding equipment management countermeasures are formulated for the port enterprises to prevent and avoid the recurrence of such failure.

Key Words：Portal Crane ；Boom structure；Repair；Equipment management

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题研究的目的及意义 2

1.4 课题研究基本内容 2

第2章 门座式起重机及臂架结构类型和受力分析 3

2.1 门座式起重机类型 3

2.2 臂架结构类型分析 4

2.3 臂架受力分析 5

2.4 本章小结 9

第3章 曹妃甸港门机臂架缺陷原因及分析 10

3.1 曹妃甸港门机臂架缺陷介绍 10

3.2 曹妃甸港门机臂架缺陷原因分析 11

3.2.1 臂架缺陷原因内部分析 11

3.2.2 臂架缺陷外部原因分析 11

3.3 本章小结 16

第4章 曹妃甸港门机臂架失效修复方案 17

4.1 门座式起重机臂架卸载方案 17

4.1.1 卸载前的准备工作 17

4.1.2 臂架卸载操作 17

4.2 曹妃甸门座式起重机臂架修复方案 18

4.3 本章小结 20

第5章 港口门座式起重机臂架结构设备管理对策 21

5.1 从技术方面预防与控制臂架结构的失效 21

5.2 从管理方面预防与控制臂架结构的失效 22

第6章 环境影响与经济分析 23

6.1 环境影响分析 23

6.2 经济性分析 23

第7章 总结与展望 25

7.1 全文总结 25

7.2 展望 25

参考文献 27

致谢 28

绪论

课题研究背景

随着现代科技与经济的高速发展，起重机日渐成为人们生产劳动中不可或缺的物料搬运设备和工业安装设备。起重机按照构造特征分为臂架型起重机、桥架型起重机和缆索型起重机三大类^[1]。门座式起重机是臂架型起重机的一种，门架下方可供铁路车辆和汽车运输车辆通过。在我国一些主要港口中，由于门座式起重机作业范围广、占地面积小、生产率高、运行平稳，因此其使用数量最多、使用频率最高。但是在门座式起重机广泛投入到生产与使用的过程中，也表现出了一些弊端。例如，在港口货物的运输中，由于设计人员前期设计或管理人员维护不合理等原因，对起重机的安全使用造成严重威胁，甚至危害到人们的生命安全，同时也给企业带来巨大的名誉和经济损失，因此我们要重视门座式起重机金属结构的失效，做到事前预防、事后维修以减少上述安全事故的发生。

门座式起重机是大型装卸机械，能起吊各种类型的货物，当使用吊钩作为吊具时，工作类型为重型，当使用抓斗作为吊具时，为特重型。其作业工况繁重，载荷复杂多变，起制动频繁发生，而且作业环境特殊，易受到海上盐湿空气的影响从而导致金属结构发生锈蚀。门座式起重机主要通过臂架将载荷传递至底部平台，臂架作为主要受力和高工作频率构件，再加上特殊工作环境的影响，经常发生臂架结构的弯折、锈蚀和焊缝开裂等现象。

根据对臂架事故的定性分析显示，大部分导门座式起重机臂架发生事故的原因为焊缝开裂^[2]。经过分析发现其原因主要有结构件尺寸设计不合理、焊接过程中的工艺缺陷，结构设计不合理，焊接工艺缺陷，超载运行、启制动动载冲击、疲劳破坏、日常检测和维护不到位等因素。

国内外研究现状

目前，国内外分别对小吨位和大吨位的起重机研究都较为成熟^[3]。就国外而言，欧美一些代表性厂家从安全可靠性的角度出发，将美学，经济学，人机一体化三个方面良好的结合起来设计出新颖的大吨位起重机，他们设计的产品整体上走在了国际的前沿行列。而日本在技术水平上虽然与欧美相距甚远，但是日本设备生产的高精度仍是我国起重机行业追求的目标。

国内起重机在徐工，中联重科和三一重工等厂家的带领下，小吨位的起重机的设计领域已经处在全球领先地位，但对大型起重机的研发我们和国外还存在一定的差距^[1]。当前，国内起重机的设计制造主要受到国外厂家对核心零部件设计技术的把控和国内的制造精度难以达到预期目标两方面的制约。总的来说，国内外都朝着更加经济性，智能化的道路发展。

并且随着电子计算机水平的提高，国内外学者以有限元法、遗传算法等作为理论基础，借助Ansys、UG、Pro/Engineer、Slidworks、Matlab等软件对起重机械的各构件进行优化设计，并检验设计方案是否存在缺陷。在结构件设计的科学性得到极大提高的条件下，各构件的尺寸参数更加合理，从而减轻了起重机械的重量，降低了生产成本。国内研究人员大多借助ANSYS软件较为精确的对臂架强度、刚度、应力和位移进行分析，为方便后续的臂架尺寸优化和指导企业的维修管理^[4]。

课题研究的目的及意义

起重机械的正常运行把控着港口经济的命脉，更关系到工人的人身安全。作为港口中使用最为广泛的门座式起重机，金属结构的重量占整机重量的绝大部分，根据研究资料显示，大部分的起重机事故是由于金属结构失效导致的，所以为了避免因金属结构失效而引起安全事故，对金属结构的强度进行检测和分析是十分必要的。

臂架作为承载和变幅运动的主要金属结构，其作业繁重，各种载荷和应力变化情况复杂，且变幅速度较高。在这样的工作条件下，极易受到疲劳破坏，启制动冲击和腐蚀等因素的影响，从而臂架发生焊缝开裂、锈蚀、折断等失效现象。一旦起重机工作过程中臂架失效，轻则停机维修，重则影响到工人的生命安全，这最终都会给企业带来负面影响。所以对于臂架结构的失效现象研究，分析其失效原因并作出相应的修复方案是很有必要的。与此同时，结合设备管理的相关要求，规范港口固定起重机使用行为，加强监督管理，减少和避免起重机臂架结构失效现象的发生。

课题研究基本内容

本文通过对曹妃甸港门座式起重机臂架失效案例的分析，结合港口门座式起重机的工作现状，以门座式起重机的臂架为主要研究对象，对臂架结构失效现象进行机理分析，并提出修复设计。本文主要介绍了臂架的基本结构，通过查阅相关参考文献和标准总结了其失效形式，并对其进行受力分析总结其失效原因，然后提出相应的改善修复设计方案，通过定期检测和起重机日常的维护管理来避免起重机臂架的失效现象。最后，通过了解相关的港口企业设备管理体制，利用设备管理的理论和实践，从臂架的加工制造、运输安装维护等技术层面和对操作人员及相关设备的管理层面提出了有针对性的设备管理方法。

门座式起重机及臂架结构类型和受力分析

门座式起重机类型

门座式起重机是一种移动式的回转起重机，因下方具有可通过铁路或公路车辆的门架结构而得名。门座式起重机具备使用效率高，占地面积小，机动灵活，通用性强等优点，因而在港口机械作业中的到了广泛的应用。门座式起重机在不同的施工场合和用途的条件下可分为下表 2.1中的3类。门座式起重机又根据臂架系统的类型可细分为2类，见下表 2.2，其中由象鼻梁、大拉杆面和人字架构成的刚性四连杆组合臂架式门座起重机（图 2.1）通用性极强，广泛用于各种场合，同时也是本文研究臂架系统的结构类型。单臂架式门座起重机因其下方的作业空间与组合臂架式相比较小，因此多用于水利电力施工现场作业^[5]。