摘 要

门座式起重机作为码头专用的机械设备进行装卸、搬运和堆码作业。它具有高效的作业能力、低成本建设费用，机动灵活，通用性强等优点。这些优点使得门座式起重机在港口码头得到广泛的应用。近年来，现代工业快速发展和国际贸易竞争激烈，对港口装卸机械设备提出了更高的要求。本文通过参照MQ2535门座式起重机的设计，完成了门座式起重机整体结构和门架结构的设计，通过Creo完成门架结构的参数化设计，其主要内容如下。

（1）参照同类型产品使用电子图版设计出臂架四连杆结构以及臂架自重平衡系统的设计，并以此确定起重机上部结构的大体尺寸，同时确定门架结构的几何尺寸。

（2）利用Creo软件构建门架结构的三维设计分析模型

（3）根据总体设计的结果，在workebench中完成该构件的强度刚度分析，校验该门架的合理性。

（4）构造该构件在Creo中的工程图模板，完成该起重机的参数化设计。

关键词：门座式起重机，门架结构，Creo，workbench

Abstract

Portal cranes are used as dock-specific mechanical equipment for loading, unloading, handling and stacking operations. It has the advantages of efficient operation, low-cost construction cost, flexibility, flexibility and versatility. These advantages make the portal crane widely used in the port terminal. In recent years, the rapid development of modern industry and fierce competition in international trade have imposed higher requirements on port handling machinery and equipment. This article through the design of MQ2535 portal crane, completed the design of the overall structure of the portal crane and the gantry structure, and completed the parametric design of the gantry structure through Creo. The main contents are as follows.

(1) Design the four-bar boom structure and the weight balance system of the boom with reference to the same type of product using the electronic plate design, and determine the general size of the crane's superstructure and determine the geometry of the gantry structure at the same time.

(2) Using the Creo software to build a three-dimensional design analysis model of the portal structure

(3) According to the results of the overall design, the strength and stiffness analysis of the member is completed in the workbench.

(4) Construct the engineering drawing template of the component in Creo to complete the parametric design of the crane.

Keywords: portal crane, portal structure, Creo, workbench

目录

第1章 绪论 1

1.1 门座式起重机简介 1

1.1.1 门座式起重机的作用及分类 1

1.1.2 门座式起重机的构造 2

1.1.3门座式起重机的发展现状和发展趋势 2

1.2 设计任务及要求 4

第2章 总体设计及门架结构 5

2.1 总体设计 5

2.2门架结构概述 7

2.3门架结构设计思路 7

第3章 使用Creo建立门架结构的三维模型 9

3.1 Creo 3.0软件简介 9

3.2 Creo Parametric模块简介 9

3.3 门架结构三维建模 10

第4章 门架结构静力分析及优化 15

4.1 ANSYS软件简介 15

4.2 模型导入 16

4.3 应力分析 17

4.4 优化设计 22

第5章 由三维模型导出工程图 23

5.1 Creo工程图导出过程 23

5.2 工程图标注 23

第6章 环境影响及经济性分析 25

6.1 环境影响 25

6.2 经济性分析 25

第7章 总结与展望 26

参考文献 27

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 门座式起重机简介

1.1.1 门座式起重机的作用及分类

门座式起重机是港口专用的机械设备，可实现货物装卸、搬运和堆码作业。其运用十分广泛，其下部为门架结构，故而得名门座式起重机，又称门吊、门机（这里所说到的门机均指门座式起重机）。这种起重机具有臂架长、起升高度大、各机构工作速度快的特点，故其工作范围和工作效率都比较高，且可配装不同的取物装置。

门座式起重机作为港口起重机的一种，同样具有实现货物水陆交换的作用，且有的门座式起重机还能适用多种作业，集装箱、散货均可卸。

门座式起重机按用途可分为3类

（1）装卸用门座起重机：主要用于港口和露天堆料场，用抓斗或吊钩装卸。起重量较小，不随幅度变化。工作速度较高，故生产率常是重要指标。

（2）造船用门座起重机：主要用于船台、浮船坞和舣装现场，进行船体拼接、设备舣装等吊装工作，用吊钩作为吊具。其起重量一般较大，幅度大时起重量相应减小。门座高度比较大的，其工作幅度也会比较大，但其工作效率会有所降低。

（3）建筑安装用门座起重机：主要用在水电站进行大坝浇灌、设备和预制件吊装等，其吊具一般为吊钩。起重量和工作速度一般介于前两类起重机之间。

此外，根据按照门座起重机臂架的结构类型可分为四连杆组合臂架式门座起重机和单臂架式门座起重机两种。前者的最大优点是臂架下面的净空高度较大，因而在一定的起升高度要求下，起重机的总高度较低，但结构复杂，重量较大，而单臂架则与上述相反。

门座式起重机的工作机构具有较高的运行速度、额定起重能力较大、工作效率较高、占用面积较小等优点，但一般其造价也比较高。

1.1.2 门座式起重机的构造

门座式起重机的构造分为机构部分和结构部分。

机构部分包括起升机构、变幅机构、回转机构、运行机构，前三者在起重机上部，通过这三种运动的组合实现货物空间位置的交换。运行机构在起重机的下部，用来移动起重机改变工作位置。

结构部分包括门架、人字架、转台、司机室、臂架系统（臂架、拉杆、象鼻梁）等结构。其中门架结构是起重机最主要的受力构件，上承整机上部所有结构，下端与行走机构相连接，上方的承载结构主要是转台结构、人字架结构、臂架结构，简要介绍如下。

门架结构是整个门座式起重机的支撑，门架结构支撑着上部旋转部分的所有重量和所有外载荷，在有风工作的情况下，会受到一定的弯矩和扭矩，作为主要承载构建，门架必须要有足够的刚度和强度，门架的稳定性决定着整机的稳定性。按照门架结构型式，可分为转柱式门架、定柱式门架及大轴承门架。按照门架使用钢材的类型，可分为箱型门架、桁架式门架及板梁式门架。

转台结构主要指旋转平台，目前广泛使用平台的金属结构由两根纵向主梁和平板组成。根据受力情况及大小，梁的截面为箱型断面或工字型断面。臂架和人字架都支承在平台上，此外，还有起升旋转平台和转柱相连接，臂架的两个下支承座也焊在平台的主梁端部。因此转台结构受力相对比较复杂，其设计要求也比较高。

臂架系统是将货物移动到旋转平台的主要构件，臂架系统的设计要求可实现货物水平位移并一般设置有自重平衡系统，这里是刚性四连杆组合臂架。臂架系统主要受起升载荷的重量，也要考虑不同工况下的受载情况，在满足使用要求的前提下也要尽量的减小自重。

除开机构部分和结构部分门座式起重机还包括电气部分和安全装置部分，电气部分主要是供电系统，其作为驱动能源。安全装置包括限位装置、超载限制器、防风抗滑装置、缓冲器等。此外，为了满足各种工况的要求，门座式起重机还装有伸缩漏斗、带式输送机等附加设备，以提高门座式起重机的生产率。

1.1.3门座式起重机的发展现状和发展趋势

（1）国内发展现状

门座式起重机作为典型的货物装卸机械，对我国港口经济的快速发展具有十分重要的意义，经过几十年的发展，我国门座式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修和管理方面，都取得了巨大进步，并积累了丰富的经验。

随着改革开放以来，我国对于物流运输的发展需要越来越迫切，也随着重型工业的快速发展，我国在起重机械生产制造方面取得了长足的进步，在中小吨位的起重机生产制造方面，我国已取得了相对较大的进步。但是对于大吨位的门座式起重机的研发和生产制造方面，与欧美等国外发达国家还存在着一定的差距。我国研发大吨位门座式起重机的时间还比较短，在设计水平上急需进，同时国内门座式起重机的可靠性和稳定性相比发达国家还有一定差距^[5]。不过近年来，这些方面的差距也逐步缩小。

关键在于起重机核心部件的制造技术方面，我国相对落后，主要体现在发动机、液压机构、高质量钢，焊接技术等硬件生产制造方面，也是因为如此，我国起重机的发展受到较大的阻碍，降低了我国起重机的市场占有率，这也需要引起我们足够的重视。

（2）国外发展现状

根据查阅的资料显示，国外门座式起重机专业生产厂家约45 家，虽然生产厂家不多，但都掌握了一定的起重机制造核心技术。最有代表性的生产厂家主要有欧美的利勃海尔、特雷克斯- 德马格、马尼托瓦和日本的神钢等。他们的产品型号比较完善、技术先进，具有很高的市场占有率。欧美厂家生产的门座式起重机整体上代表了国际先进水平。它不仅满足了大吨位的需要，而且结构设计新颖、安全性能高，设备稳定性强是其它国家无法媲美的^[5]。这很大程度上得益于其相当成熟的重型工业生产基础和基于信息技术发展的创新意识。另外，日本在门座式起重机的生产制造方面虽然不及欧美国家，但其产品具有较高的精细度，而且其对于起重机寿命估计相对也比较准确，这方面仍然值得我们学习和效仿。

（3）门座式起重机的发展趋势

随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为货物搬运的重要设备，门座式起重机在现代化生产过程中应用也越来越大。现结合当下新兴技术的发展，对国内外起重机发展趋势进行简单概括，主要包括以下几个方面。

• 1. 通用产品向轻量化、标准化
  2. 面向大型化，高速化
  3. 设计用途多样化
  4. 提高产品的自动化、智能化和数字化程序
  5. 节能环保化

门座式起重机的设计发展，要基于港口物流的实际发展需求。同时要根据本国的工业水平来采取不同的设计方法，来满足实际生产需求。但总的来说，门座式起重机在基于在大型化、高速化的基础上实现自动化、智能化和数字化的趋势也是必然的。此外，随着现代测试技术的发展，将来对于起重机的使用周期和生命周期的估计也会越来越精确，门座式起重机的使用也会逐步规范化。

1.2 设计任务及要求

本次设计内容为知晓门座式起重机在港口物流中的作用，清楚门架结构在该机型中的作用和地位。熟悉门架设计的要点和过程，对门架结构进行设计和评价。运用Creo构建出门架结构的三维设计计算模型，在workbench中完成上述该构件的强度刚度校核，最后构造门架结构的在Creo中的工程图模板。任务要求如下。

（1）根据使用要求确定门架结构的几何尺寸。

（2）构建门架结构的三维设计分析模型

（3）在workebench中完成该构件的强度刚度分析。

（4）构造该构件在Creo中的工程图模板

第2章 总体设计及门架结构

2.1 总体设计

这里总体设计任务为设计臂架四连杆和自重平衡系统，根据MQ4035门座式起重机的工作要求（见表1），结合臂架系统和自重平衡系统的设计准则即可得到相关尺寸参数。

表1-1. MQ4035门座式起重机工作参数

臂架系统的设计，要求尽可能实现货物水平位移，这里为刚性四连杆组合臂架补偿，关于其设计这里不作详细叙述，仅简要说明之。总体设计中，我们按照相关设计准则用图解法来确定出臂架、大拉杆、象鼻梁的尺寸参数。这里使用电子图版作图，按照两种图解法来不断调整最大、最小幅度的仰角以及象鼻梁前后段的长度和夹角，直至满足设计准则为止。这种不断调整再画图检验的方法十分麻烦，后来借助用MATLAB编写的四连杆变幅系统尺寸优化程序才稍微省力了一点。在此程序中，输入所设计的四连杆相关参数，即可得出水平位移最大高度差和货物未平衡力矩，这两者一般要满足如下要求。

式中 —— 水平位移最大高度差；

—— 最大幅度；

—— 最小幅度。

式中 —— 货物未平衡力矩最大值；

—— 额定载荷；

—— 最大幅度。

输入四连杆尺寸参数之后，程序显示如下图。

臂架各零件的尺寸参数如下表。

图2.1. 四连杆变幅系统尺寸优化

表2-2. 臂架四连杆参数

至此，四连杆尺寸设计完毕。之后设计臂架系统自重平衡，采用杠杆活对重，其图解法与四连杆设计图解法类似，设计原理是使臂架自重对下铰点的力矩尽可能等于活对重对下铰点的力矩。完成设计后还要校核其未平衡力矩，需要满足两个要求。一、在最大幅度时，未平衡力矩的方向指向转台内，在最小幅度时指向转台外；二、，其中为未平衡力矩最大值。这里不再作详细叙述。

2.2门架结构概述

如上文所述门架结构是整个起重机的支承结构，它要承受起重机上部所有的重量，货物的载荷，风力及机构运行时产生的惯性力，并将所受的载荷传到基础上，其下部由端梁连接到行走机构。门架结构受载大，载荷复杂变化，这里作为实腹式构件，其迎风面积很大，因此要求有足够的强度和刚度。一般的门架结构型式有圆筒门架、十字交叉门架以及八撑杆门架。其中圆筒门架主要用于具有转盘轴承式门座起重机，在港口起重机中很常见。门座起重机的圆筒门架由一个大直径的圆筒和箱型主梁、两个门架端梁组成。起重机上部的回转部分通过回转大轴承直接支承在门架上。圆筒顶部设有一特制回转支撑法兰，法兰边上焊有一定位板，借由定位板来连接转台和圆筒。两边的门架端梁对称布置，为了确保门架的下部分的净空高度，采用门架横梁的结构，圆筒的下端插人门架横梁的内部并与之焊成一体。这里的门架结构中将圆筒和主梁看成一个整体，统称为主梁。主梁和两端梁内部主要是各种隔板和角钢，借以提高其刚度和局部稳定性，且与其它构件的连接处外部大都设有环筋板。

2.3门架结构设计思路

门架的结构比较复杂，MQ4035门座式起重机的门架为箱型实腹式结构，整体尺寸较大，主梁和端梁内部的隔板和角钢几乎都是对称布置。对于门架结构的设计要考虑三种载荷组合情况，即无风正常工作、有风正常工作、特殊载荷作用三类载荷情况，又考虑到起重机在不同工况下对应的受载情况，这样会有许多中不同的载荷组合，为了简便计算，这里选取几组具有代表性的工况进行载荷组合和计算，确定门架在不同情况下的受载大小，用以校验其刚度、强度。

先根据MQ4535门座式起重机的工作要求来设计臂架四连杆的尺寸，并设计出自重平衡系统，由此起重机上方主要尺寸确立完毕。再借鉴MQ2535门座式起重机门架结构的设计尺寸，用Creo3.0构建门架的三维模型。门架上方的圆筒上端有法兰盘和定位板用以连接转台部分，下方两个对称的端梁的底部同样是法兰盘用以连接行走机构。总的来说门架的外形尺寸几乎没有什么改动，内部的隔板、角钢、围板繁多，其定位尺寸也基本同参考一致。在对门架建模的过程中，熟悉图纸元件最为重要，除了仔细查看二维工程图，更为重要的是要清楚的知道各元件的装配关系以及各元件的定位尺寸。完成三维建模后，将其导入workbench中进行静力分析，根据总体部分得出的几组典型工况的载荷参数进行加载，根据门架圆筒的结构特点知其加载位置主要是圆筒上端的法兰盘和定位板，加载之后就可以清楚的看到门架受载的应力分布情况。如果结构应力显示不合理，则需要对模型进行改进，直至其满足要求为止。

第3章 使用Creo建立门架结构的三维模型

3.1 Creo 3.0软件简介

Creo是美国PTC公司于2010年10月推出CAD设计软件包。Creo是整合了PTC公司的三个软件Pro/Engineer的参数化技术、CoCreate的直接建模技术和ProductView的三维可视化技术的新型CAD设计软件包，是PTC公司闪电计划所推出的第一个产品。Creo具备互操作性、开放、易用三大特点。在产品生命周期中，不同的用户对产品开发有着不同的需求。Creo 是一个可伸缩的套件，集成了多个可互操作的应用程序，功能覆盖整个产品开发领域^[12]。除了 Creo Parametric 之外，Creo还有多个独立的应用程序，以满足用户的不同需求。此外，Creo可以将图样输出为多种方式，方便与其他主流绘图软件进行数据交换。

Creo提供了一些具有重大意义突破性技术，解决了长期以来与CAD环境的可用性、互操作性、技术锁定和装配管理关联方面的难题。相对于当下同样比较热门的SolidWorks，Creo的功能更为全面和强大，其曲面设计灵活，修改便捷，集仿真、分析、模具、钣金、钢构、管道等于一体。基本上覆盖了全业务流程，可以满足大公司对全业务的要求。

3.2 Creo Parametric模块简介

本次设计所使用的是Creo 3.0版本，Creo 3.0 M020于2014年10月发布，它包含8个主要模块，但这里只使用了 Creo Parametric 模块，适用于Creo Elements/Pro中强大的三维参数化建模功能。扩展提供了更多无缝集成的三维CAD/CAID/CAM/CAE功能。新的扩展功能将拥有更大的设计灵活性，并支持采用遗留数据，下面简要介绍之。

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