1．目的及意义
一、研究的目的、意义和现状
港口是重要的交通基础设施，是实现外向型经济的窗口，为国家经济建设和对外贸易的发展提供基础性支撑。随着我国经济的腾飞和国际物流业务量的持续繁荣，货物在港口的快速物流对门座起重机装卸的快捷方便、使用的安全可靠和工作性能的稳定提出了非常高的要求。门座起重机作为港口、码头的主要装卸机械在港口物流中发挥着不可代替打作用，它的性能好坏对提高港口装卸效率，节省电力消耗，降低制造成本，以及提升港口国际竞争力都有着重要的意义。
门座起重机作业灵活，对不同货物的适应性强，使用安全可靠，因此门座起重机广泛应用于港口，码头的货物装卸，船厂的船舶建造等领域，是现代生产过程中不可或缺的装卸机械。变幅机构是门座起重机的核心工作机构，其中四连杆臂架变幅系统是最常见的门座式起重变幅系统。四连杆臂架变幅系统通常具有臂架系统，人字架，配重平衡系统和驱动机构，其结构复杂，自重大且需带载变幅，故臂架变幅系统主要结构尺寸的设计优劣是影响门座起重机整体工作性能好坏的重要因素。在对变幅机构设计过程中，我们希望能降低变幅机构制造成本，驱动功率，吊重不平衡力矩，等关键目标来达到更高的经济性和稳定性。另外，变幅机构的设计又需要考虑臂架自重，吊重水平等诸多工作性能约束条件使得变幅机构设计问题变得尤为复杂。而大臂架作为变幅机构的主要受力构件，其结构和尺寸的合理设计能有效改善上诉问题。
门座起重机是随着港口事业的发展而发展起来的。1890年，第一次将幅度不可变的固定式可旋转臂架型起重机装在横跨于窄码头上方的运行式半门座上，成为早期的港用半门座起重机。随着码头宽度的加大，门座和半门座起重机并列发展，并普遍采用俯仰臂架和水平变幅系统。第二次世界大战后，港用门座起重机迅速发展为便于多台起重机对同一条船进行并列工作，普遍采用了转动部分与立柱体相连的转柱式门座起重机，或转动部分通过大轴承与门座相连的滚动轴承式支承回转装置，以减小转动部分的尾径，并采用了减小码头掩盖面（门座主体对地面的投影）的门座结构。在发展过程中，门座起重机还逐步推广应用到作业条件与港口相近的船台和水电站工地等处。
变幅机构作为门座起重机最重要的组成部分之一，其设计的重要性不言而喻。采用传统的方法进行变幅机构设计，设计周期较长，也不能保证设计结果的优越性，给设计人员造成很大的困扰。近年来，国内外对门座起重机的研究越来越多并逐步深入。目前各种先进理论知识的运用和工具软件的开发，为可靠地仿真起重机各种工况下的运行、从而为掌握起重机工作性能提供了方便可靠的手段。对门座起重机全面的研究和先进设计方法的使用，全面提高了门座起重机的质量和工作性能，同时降低了起重机研发制造成本，减少了生产那带来的各种消耗。
针对变幅平面内机构参数开展的优化设计研究中，陈强努、宋厚却以5个关键杆件长度为设计变量，以5个优化目标归一化的目标函数建立了一个包含9个经验性约束的数学模型，并采用改进的随机方向法对模型进行求解，优化算例结果表明优化设计的结果较图解法有很大改进[1]。李明星在对该优化问题研究中，采用标准遗传算法求解，并将优化结果与传统穷举法结果进行对比分析，得出了遗传算法较传统优化方法的优越性，为现代优化算法应用于这一多目标优化问题提供了思路[2]。2003年赵爽在该问题研究中，提出了简化设计变量的思路建立数学模型，并对模型求解中反复出现的反函数超出定义域的问题提出了有效改进措施，最终在使用遗传算法对模型求解中，得到了变幅轨迹最大高度差为 0.2153m的优化结果，实现了对这一目标的优化设计[3]。
Suglobov V V在变幅机构优化设计研究中，提出根据主要技术参数（起升高度、工作半径、承载能力等）确定变幅机构杆件设计参数的方法并建立动力学模型描述变幅机构运动，通过优化设计有效降低了变幅机构材料和能量消耗[4]。SUN Yuantao 对变幅机构进行优化设计研究中，考虑臂架弹性变形情况，提出一种减少偏差影响的设计分析方法，提高了变幅机构优化精度[5]。机器人技术在起重机的自动化应用上也越来越广泛[6]；对起重机进行模拟仿真是研究起重机的重要手段之一。国外的起重机研究机构，出现了基于各种理论方法的模拟仿真分析，例如基于动力学理论的仿真[7]，以及优化设计与仿真分析的互相结合通过与其他软件或技术的联合仿真等。了解起重机在各种工况下的动态特性，对实现起重机的优化设计，有更好的工作性能和更高的安全可靠性有很大的帮助。
起重机的优化设计一直是国外研究并使用的热点，如优化算法对门座起重机的结构进行大量的优化尝试比 较[8]。釆用基于混合神经网络的门机变幅机构的优化设计，根据用户提出的起升载荷、最大幅度和最小幅度等要求，优化设计出各臂架、杆件位置长度等参数[10]。CAD软件与算法的结合使优化设计更加现实。例如VB和Matlab的混合编程应用门机变幅度机构优化设计[11]；利用并行工程理念，建立基于creo与intralink的门座起重机并行设计系统，并将其与creo三维建模仿真、ANSYS有限元分析、Matlab优化设计等软件进行集成，应用于四连杆组合臂架式门座起重机的产品幵发，大大提高了设计效率和质量，对复杂的大型机电产品的数字化创新设计有推广应用价值[12]。这些研究都推动了门座起重机设计的进步和质量性能的提高。
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2. 研究的基本内容与方案

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三、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

1、本研究的基本内容

本设计是以MQ1630门座起重机为主体，进行其变幅机构臂架设计，并进行三维建模。课题的主要设计工作为：
（1）查阅资料，了解门座式起重机的发展状况和三维建模设计的意义等
（2）根据设计要求和给出的数据，查阅论文和设计书，提出整体的设计方向和大致结构构造，进行总体布置，完成总体计算
（3）记录整合数据，根据给出的要求的数据，进行设计计算，确定各个结构的具体使用和准确计算数据，绘制总体方案图和完成总体设计计算说明书
（4）完成大臂架的设计计算和建立其三维模型
（4）三维模型的基础上生成大臂架的二维施工图
2、研究目标
本文的研究目标主要是为了实现研究内容中的所有工作，具体如下： 根据设计条件完成总体布置和计算，确定变幅系统各杆件的尺寸，使其瞒住货物水平位移，货物未平衡力矩以及臂架自重未平衡力矩的条件。确定大臂架的结构尺寸，并完成其三维建模。确定起重机的各种工作工况，计算各工况的载荷。利用ANSYS对臂架进行有限元分析，保证臂架的强度、刚度和稳定性瞒住要求。
3、技术方案及措施
臂架是货物装卸机械中场使用的一种重要金属结构，广泛地应用在门座起重机、汽车起重机、轮胎起重机、履带起重机、塔式起重机、浮式起重机等各种起重机械和装卸机械中。臂架按组合方式可分为直臂架、组合臂架、折叠式臂架，按结构型式可分为格构式、无斜杆式、薄壁箱形式等。港口门座起重机在结构上主要采用实腹式。整个臂架是板梁变截面箱形构件，其由薄钢板焊接而成。为了保证臂架的抗扭强度，提高其整体稳定性及制造方便，臂架每隔一定距离均设有开孔的横隔板，在开孔边上用扁钢封边。另外，还根据局部稳定性的需要，在腹板和翼缘板上布置纵筋，在有集中力作用的地方，除采用较厚钢板外，还增设筋板。在水平平面内,臂架根部分叉成支腿,以满足水平刚度条件及构造布置要求。
这种闭合矩形截面实腹式结构型式的臂架具有很好的抗扭刚性，且构造简单，制造方便，适宜自动焊接，应力集中较小，因而制造成本较低，是被广泛采用的结构型式；同时，油漆、维修面少，外形清晰、美观。
臂架下端通过铰轴与转台铰支座铰接，中部与变幅机构及臂架自重平衡系统的小拉杆相连接，因而从受力特征上看门座起重机臂架是一根悬臂的压弯构件。
作用在臂架上的载荷有：（见图1）
（1）臂架自重Pb——以均布载荷Qb沿臂架全长作用；
（2）由象鼻梁通过臂架头部铰轴所传递的作用力，这个作用力由下列因素所引起：
1）象鼻梁自重Px，以集中力作用于象鼻梁重心；
2）起吊物品和吊具重量Pq P2，以集中力作用于象鼻梁头部滑轮处；
3）起吊物品和吊具的水平惯性力，以P=（Pq P2）tanαⅡ作用于象鼻梁头部；
4）作用在象鼻梁部分的风载Pxw ，当风沿臂架摆动平面作用时，数值甚小，一般略去不计，只有当风载荷侧向作用时才计及，并沿垂直臂架方向作用于象鼻梁形心；
5）象鼻梁自重在旋转制动时所引起的水平惯性力Pxn 沿垂直臂架方向作用于象鼻梁重心；
6）刚性大拉杆自重的一般（Pdl/2 ）作用于象鼻梁尾端；
7）起升钢丝绳张力S和大拉杆拉力Fdl 沿大拉杆方向作用；
综合上述因素对臂架的作用，可以归结为：
在臂架头部起升平面内，承受活动动载荷引起的合反力RQ 和固定载荷引起的合反力RG 的作用。水平平面内承受集中力（PH=Pxw Pxn Pα）以及附加弯矩Mx 、附加扭矩T。
（3）作用在臂架正面的风载荷qbw 和侧向风载荷qbw ；
（4）平衡对重拉杆传递的小拉杆拉力Fxl ；
（5）臂架自重在回转运动时产生的切向惯性力qm
（6）变幅齿条作用力Fc 。这个力以臂架支座反力形式作用于臂架，其值可根据臂架的静力平衡条件求出。

， 图1

臂架的受力分析首先需要确定起重机的工作工况和载荷组合，计算载荷按载荷组合以产生最不利的方式施加。并利用建模软件creo和仿真软件ANSYS对其进行受力分析，确保其强度，刚度，稳定性满足要求。

4、基本流程

3. 参考文献

四、参考文献
[1]陈强努 ,宋厚却.四连杆变幅机构平衡重系统的优化设计[J].上海海运学院学报,1989(04):8-17.
[2]李明星. 基于遗传算法的门座起重机变幅系统优化设计[D].武汉理工大学,2006.
[3]赵爽. 门座起重机四连杆变幅机构优化设计[D].大连理工大学,2003.
[4] SUGLOBOV V V, TKACHUK K V. Determination of Design Parameters of Articulated Jib
Systems of Protal Crane[J]. Nauka Ta Progres Transportu. 2017(1(67)): 156-166.
[5] SUN Y T, LI D. Dynamic Analysis and Design Method Study on the Combined-Boom System
of Portal Crane[J]. Applied Mechanics and Materials. 2012, 152-154: 1645-1649.
[6]Oliver Sawodny,Harald Aschemann,Stephan Lahres. An automated gantry crane as a large workspace robot[J]. Control Engineering Practice,2002,10(12).
[7]Study on modeling and simulation of container terminallogistics syste. Li Li,Xiao dong Wang. Lecture note in electrical engineering . 2010

[8]Wang X , Xiao H . Research on Analysis and Repairing for Metal Structure Cracks of Portal Crane[C]// International Conference on Power Electronics amp; Intelligent Transportation System. 0.
[9]李之光. 门座起重机四连杆臂架系统多体动力学解析法及优化设计[D].太原科技大学,2013.
[10]徐雪松,胡吉全.基于混合神经网络的门座起重机变幅机构参数优化设计[J].机械工程学报,2005(04):220-224.
[11]郑晓亮,陈定方.MATLAB的门座起重机臂架系统优化与仿真[J].湖北工业大学学报,2012,27(04):45-47.
[12]张卫利,王全先.基于Pro/Intralink的门座起重机三维数字化并行设计系统[J].起重运输机械,2009(01):18-20.
[13]钟茗秋. 基于虚拟样机的门座起重机臂架结构疲劳损伤仿真研究[D].武汉理工大学,2015.
[14]刘江. 工程实际结构稳定性分析的数值计算方法研究[D].武汉理工大学,2012.
[15]刘铁军,冯小保,陆鹏鹏,张建辉,曹栋.基于Workbench的某型门座起重机臂架优化[J].港口装卸,2017(04):9-10.

[16]王旭旺. 刚性四连杆门座起重机变幅系统优化设计研究[D].武汉理工大学,2014.