摘 要

港口码头在物流运输方面起着非常大的作用，而在港口码头的散料运输方面，桥式抓斗卸船机在其中占据着重要地位。本文运用机械方面知识，设计1500吨/小时桥式抓斗卸船机的总体金属结构，并对其进行三维建模。在整个设计过程中，本文对抓斗卸船机在不同工况下的轮压进行计算，并计算其稳定性，之后，运用ANSYS17.0分析软件分析抓斗卸船机构件的内力及力矩。

本文对桥式抓斗卸船机的总体金属结构三维建模方面作出介绍，对其环保性及经济性发面也作出分析及描述。

最终的设计成果符合国家相关方面的规定，对1500吨/小时的桥式抓斗卸船机的建造起到了一定的参考作用。

关键词：抓斗；卸船机；轮压；结构

Abstract

The port terminal plays a very important role in logistics and transportation. In the bulk transportation of port terminals, the bridge grab ship unloader plays an important role in it. In this paper, the mechanical structure is used to design the overall metal structure of the 1500 t/h bridge grab ship unloader and to model it in three dimensions. In the whole design process, the wheel pressure of the grab ship unloader under different working conditions is calculated and its stability is calculated. Then, the internal force and torque of the grab ship unloader components are analyzed by ANSYS 17.0 analysis software.

This paper introduces the three-dimensional modeling of the overall metal structure of the bridge grab ship unloader, and analyzes and describes its environmental protection and economic performance.

The final design results are in line with the relevant national regulations, and have played a certain reference role in the construction of the 1500-ton/hour bridge grab ship unloader.

Key Words：Grab; ship unloader; wheel pressure; structure

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究目的及意义 1

1.2课题研究基本内容 2

1.3三维建模及ANSYS的应用 3

第2章 轮压及整体稳定性计算 5

2.1基本参数计算 5

2.1.1金属结构部分 5

2.1.2整机固定部分 7

2.1.3前大梁总成 8

2.1.4整机重量及重心 9

2.1.5小车总成 11

2.1.6风载荷计算 13

2.2稳定性计算 18

2.2.1静载工况 18

2.2.2动载工况 19

2.2.3小车在停机位置 20

2.2.4钢丝绳断裂时的稳定性 21

2.3轮压计算 22

2.3.1工作状态且最大工作风速20m/s 23

2.3.2非工作状态且最大风速为 60m/s 24

2.4本章小结 26

第3章 结构计算 27

3.1主要参数与设计标准 27

3.1.1主要参数 27

3.1.2设计标准 27

3.1.3许用应力 27

3.2载荷与载荷组合 28

3.2.1载荷与载荷系数 28

3.2.2自重载荷 29

3.2.3载荷组合 30

3.3计算模型 31

3.3.1计算程序 31

3.3.2单元类型 31

3.3.3边界条件 33

3.3.4小车位置计算 34

3.4应力分析 34

3.4.1工况OP1应力计算结果 34

3.4.2工况OP2应力计算结果 35

3.4.3工况OW1应力计算结果 35

3.4.4工况OW2应力计算结果 36

3.4.5工况S1应力计算结果(大梁仰起 80o) 37

3.4.6工况 EL 应力计算结果 37

3.5静刚度分析 38

3.6本章小结 40

第4章 三维建模 41

第5章 经济性与环保性分析 45

参考文献 46

致 谢 48

第1章 绪论

1.1 课题研究目的及意义

现如今，我国的港口规模一直在逐渐扩大，特别是在2013年，习近平主席提出建设“一带一路”之后，我国港口每天的吞吐量更是在逐渐增加。港口在运输散料时，需要应用到大量的大型散货机械设备，其中，主要就运用到了桥式抓斗卸船机。

在整个国际的大型重型起重机械行业方面，我国已经处于领先的地位，而我国的桥式抓斗卸船机的发展历程基本可以分为三个阶段：第一个阶段为1990年以前，我国当时国产的卸船机主要是门机和小型卸船机，大型卸船机则是依赖进口，并且主要部件、控制系统和技术都是由国外的公司提供，国内的公司只能进行制作和安装；第二阶段是1990年到2000年之间，我国的卸船机制造技术在不断提高，逐渐开始拥有制造大型卸船机的技术能力，并且用户也开始认可国内大型卸船机的技术和质量；第三阶段是在2000年之后，国内制造大型卸船机的技术与国外差距极小，大多数用户也认可国产大型卸船机，不仅如此，我国也开始向海外出口卸船机。

桥式抓斗卸船机虽然只能进行间歇作业，作业效率其实并不高，但是它也有着许多优点。桥式抓斗卸船机的技术目前来说，相比起其他散料运输机技术非常成熟可靠，并且它的机动性和灵活性也很好，作业时受到波浪的影响也小。在散货卸船机领域，抓斗卸船机的得到了最广泛的应用。

近些年来，各类矿石原材料的价格在不断上涨，为了降低成本，调高利润，世界各大主要运输公司的运输船都在向着巨大化发展。对于如此大规模的船舶作业，整个港口码头的装卸系统都需要随之进行发展，抓斗卸船机的能力也在不断提高。因此，抓斗卸船机追求巨大化的发展是不可避免的，也是必要的。

港口码头一般是三班制作业，在操作设备的时候，司机的作业强度比较高，同时精神会高度集中，操作抓斗卸船机的司机身体素质要求也就比较高。因此，抓斗卸船机慢慢开始提高生产效率，不仅如此，其还在逐渐降低作业的强度，以减轻司机的身体负担。抓斗卸船机从以前的手动操作发展到了目前的半自动操作，不仅可以减少了人力物力，还能降低司机的劳动强度，并且预见的是，未来港口码头必将会发展出全自动的作业方式，届时，港口的工作效率将获得巨大提升，同时人力与物力成本将极大降低。

因为港口码头的规模在不断扩大，同时运输货物的运输货船也在不断向着大型化发展，桥式抓斗卸船机也需要向着大型化发展，以适应现在以及未来的需求。目前抓斗卸船机的技术在不断地提高，每一部分构件技术的提高都能带动整座抓斗卸船机的发展。例如差动齿轮减速器和托绳小车得到了巨大发展和广泛应用，因此抓斗卸船机的外伸距能随之加大。再例如现如今电器的自动化和智能化得到了广泛应用和发展，电气差动卸船机这一新型卸船机，逐渐将曾经普遍应用的机械差动卸船机从港口码头淘汰。

在港口码头煤炭、矿石和水泥等散料的运输过程中，经常会产生大量的粉尘，这些粉尘如果不加以处理，就会对周围的环境造成污染，对作业人员也是极大的危害。所以，节能与环保是桥式抓斗卸船机未来发展的必要趋势。为了满足广大客户对抓斗卸船机环保要求的日益提高，抓斗卸船机降尘及抑尘技术也需要不断地进行改进。各大抓斗卸船机制造厂家和用户，都极为关注料斗和出料系统降尘及抑尘设施，想方设法利用各种先进技术来减少抓斗卸料与料斗出料过程中的粉尘扬起。

正是因为桥式抓斗卸船机在港口码头的应用如此广泛，所以，设计并制造不同型号的桥式抓斗卸船机，以满足不同工作场地条件的需求是很有必要的。本文就基于上述原因，设计1500吨/小时桥式抓斗卸船机的总体金属结构。

1.2课题研究基本内容

在现有的材料基础上，本文需要设计完成1500吨/小时抓斗卸船机金属结构总体设计，并且需要满足以下要求：

1. 额定生产率达到1500吨/小时；
2. 前伸距为38m，后伸距为15m；
3. 起升速度满载时为140m/min，空载时为175m/min；
4. 起升高度轨上为24m，轨下为23m；
5. 大车行走速度为20m/min，小车行走速度为220m/min；
6. 在0度-80度之间俯仰时间小于6min；
7. 大车轨距为14m，小车轨距为4.6m；
8. 大车基距为18m。

本文对设计过程有着详细的叙述，在完成金属结构总体设计计算之后，需要运用到Solidwork对其进行三维建模，然后在三维模型的基础上生成金属结构二维施工工程图。在最终进行结构受力分析时，运用到ANSYS17.0分析软件。

1.3三维建模及ANSYS的应用

本文设计过程中运用到了Solidworks2018及ANSYS17.0软件。

目前，三维建模软件多种多样，但是在众多三维建模软件中， Solidworks最受机械工程师的欢迎，也被其广泛使用。Solidworks有着优秀的技术创新及相当卓越的性价比，在整个建模过程中，可以用其建造零件模型，然后装配零件成装配体，并且能借此形成二维工程图，使得机械从业者的设计过程顺畅、简单和准确。Solidworks软件的功能极其强大，组件也繁多。Solidworks不仅易于学习使用，功能还特别强大，在技术方面也进行了创新，这些优点使得Solidworks成为了机械设计的主流三维建模软件。

在运用Solidworks建造零件的三维模型时，用户首先要绘出零件的草图，这一步骤中，用户也可以直接导入零件的AutoCAD二维图纸，更加简洁迅速。在Solidworks中绘制草图时，与在AutoCAD绘制不同的是，用户需要将草图的线段、圆半径或直径等的数值及空间关系完全定义，否则在后续的搭配中，可能会出现草图尺寸发生变化的现象。

截面草图绘制完成之后，需要进行拉伸建模。此时Solidworks会弹出一个面板，在该面板中，用户可以定义拉伸建模的拉伸方向以及拉伸的长度、拉伸至指定面等。之后，用户可以某个自定义的基准面或者默认的视图面，进行拉伸切除部分的绘图。在整个Solidworks建模过程中，拉伸建模和拉伸切除是最常用以及最重要的两个功能。

在构建完成所有的零件图之后，用户需要进行装配零件。第一步为从文件夹中导入装配的零件，然后点击配合按钮，点击零件的面与面、面与线、线与线等，在弹出的面板中点击装配关系，确认后即完成一个装配步骤。完成所有的装配步骤后，确认Solidworks无报错，零件之间无构造情况之外的错位或者相互移动，装配体完成。

装配体发送或者保存应该采用压缩包形式，因为装配体包括所有的零件文件以及装配体文件，缺一不可。

ANSYS是到目前为止世界上公认的最好的有限元分析软件之一。ANSYS持续跟踪最先进的计算机技术和计算方法，在不断提高自身的分析精度。因此，ANSYS的每一个新版本都能带给用户更好的使用体验。

在运用ANSYS进行建模之前，先要确定建模的材料参数，例如材料的弹性模量和泊松比等。此外，建模的单位也要确定，因为ANSYS没有确定的单位，所以需要用户自行确定，并且，要确保是同一种单位制，否则就会出现错误。

ANSYS程序的实体建模方法有两种，分别是自顶向下和自底向上。在这里，顶和底并不是意味着三维模型的顶端和底端，两者其实分别形容高级图元和低级图元。在建模时，如果直接建立一个基元如球体、多棱柱等，ANSYS会根据基元自行分析组建其面、线和关键点，一步步定义到低级图元，这种建模方法就叫作自顶向下建模。而如果在建立模型的时候，先将关键点定义，然后一步步开始定义线、面直至最终的体，这种建模方法自然就是自底向上了。这两种建模方法有一个共同点，那就是在建模过程中，需要组成数据集的时候，两者都能使用到布尔运算。除此之外，ANSYS的实体图元模型并不是固定不变的。建模期间，用户可以将实体模型图元进行拖动和拉伸，也能转动和复制。有了这些功能，用户在进行建模的时候，可以减少许多步骤，工作量大大减少。

ANSYS作为一款有限元分析软件，能帮助机械工程师们完成诸多构件的内力分析。在设计桥式抓斗卸船机的工程中，ANSYS可以用来分析每个构件的受力及力矩的大小和方向，减少许多计算步骤。本次设计，运用ANSYS分析了当小车在最大前伸距、海侧立柱、陆侧立柱和最大后伸距处时，桥式抓斗卸船机的构件受力情况。验证了抓斗卸船机的金属结构的稳定性、强度及刚度是否合格。

第2章 轮压及整体稳定性计算

2.1基本参数计算

2.1.1金属结构部分

2.1.1.1门框结构

表2.1 门框结构基本参数

表格中各类参数定义：

G(t)——重量 (t)

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