1500吨小时抓斗卸船机海侧立柱设计及三维建模毕业论文
2020-02-19 19:20:41
摘 要
随着社会经济的发展，港口物流的运输量逐年递增。在散货码头，为了满足社会对大宗散货的运输要求，桥式抓斗卸船机被广泛运用。桥式起重机主要部件有金属结构、抓斗、起升开闭及小车机构、臂架俯仰机构、大车行走机构、俯仰缠绕系统、抓斗起升开闭及小车运行缠绕系统等。
本文主要分为两部分，分别完成对1500t/h的桥式抓斗卸船机的总体设计和金属结构部分的海侧立柱的结构设计。总体设计的内容主要包括卸船机整体稳定性的校核和轮压计算。海侧立柱设计部分包括海侧立柱个零件尺寸的确定及其强度、刚度稳定性校核。在设计过程中，为了更好的展现海侧立柱的三维外观，我们采用了solidworks对其进行了三维建模。在三维建模完成后，通过软件自动生成施工图。
关键字：桥式抓斗卸船机；solidworks；海侧立柱；结构设计
Abstract
Along the development of our society, the goods in ports are increasing year by year. At the meet of the demand of the bulk good’s transportation, Bridge grab unloading machines are used in nearly every port. A bridge grab unloading machine consists of Metal structure, grab, Arm frame pitch mechanism, HCTR mechanism, boom hoisting, Gantry drive and so on.
This article can be devided into two parts. The first part is for the design of the whole design of the 1500t/h bridge grab unloading machine, and the other part is for the design of the metal structure’ Sea side column. The design of the whole design of the 1500t/h bridge grab unloading machine should contain the calculation of overall stability check and wheel pressure. The design of the metal structure’ Sea side column should contain its strength, stiffness and stability check. To show the Sea side column better, we choose solidworks to establish its 3D model. After finishing the 3D model, we can use it to get the 2D cad-map of the Sea side column.
Key Word：machine; 3D model; Sea side column; bridge grab unloading machine
目录
第1章 绪论 1
第2章 总体设计计算 3
2.1 基本参数计算 3
2.1.1符号说明及计算参数 3
2.1.2金属结构部分 3
2.1.3整机固定部分 6
2.1.4前大梁总成 7
2.1.5整机重量及重心（不计入小车） 9
2.1.6小车总成 10
2.1.7风载荷计算 11
2.2稳定性计算 17
2.2.1静载工况 17
2.2.2 动载工况 18
2.2.3工况3 19
2.2.4钢丝绳破断时的稳定性. 21
2.3轮压计算 22
2.3.1 工作状态,最大工作风速20m/s: 22
2.3.2.非工作状态,最大风速为 60m/s 23
第3章 海侧立柱设计计算 25
3.1海侧立柱主要尺寸的确定 25
3.1.1海侧立柱高度的确定 25
3.1.2海侧立柱截面尺寸的确定 25
3.1.3截面特性的计算 25
3.2 载荷获取 27
3.2.1小车位于前伸距时的外载荷 28
3.2.2小车位于海侧上横梁时的外载荷 29
3.3力学模型的简化与内力计算 30
3.3.1小车位于前伸距 31
3.3.2小车位于海侧上横梁时的内力计算 36
3.4 强度、刚度、稳定性的校核 42
3.4.1强度校核 42
3.4.2刚度校核 51
3.4.3稳定性校核 54
第4章 海侧立柱三维建模 57
4.1零件的三维建模 57
4.2组装体 58
4.3工程图的生成 59
第5章 经济性环保性分析 60
5.1海侧立柱经济性分析 60
5.2海侧立柱的环保性分析 60
第6章 总结 62
参考资料 63
致 谢 64
第1章 绪论
桥式抓斗卸船机是完成散货船装卸作业的一种专用卸船设备。其实物图如图1.1。桥式起重机主要部件有金属结构、抓斗、起升开闭及小车机构、臂架俯仰机构大车行走机构、卸料系统、俯仰缠绕系统、抓斗起升开闭及小车运行缠绕系统等[7]。在工作过程中，小车在大梁上行走。小车在大梁前端时，通过钢丝绳卷绕系统控制的漏斗完成对船舱内散货的抓取。之后小车提升抓斗，并行走至漏斗下方，将物料卸载漏斗中。漏斗中的物料通过皮带机系统运输到码头后方堆场。
图 1. 1 抓斗卸船机实物图
桥式抓斗卸船机的操作对象包括矿石、煤炭、粮食等各种散货，货物适应能力很强，相比于连续卸船机，桥式抓斗卸船机在环保、整机自重、以及效率方面处于劣势，但它可以避免船体颠簸而对卸船机造成的损伤[6]。此外桥式抓斗卸船机的运营成本较低。综合比较，桥式抓斗卸船机在散货装卸领域具有绝对优势。因此桥式抓斗卸船机在国内外被广泛使用。
本次设计的重点是围绕桥式抓斗卸船机的金属结构进行设计。在桥式抓斗卸船机中，金属结构作为其他部件的支撑和固定，其质量占整机质量的比重达到了40%[6]。金属结构的外观见图1.1，其主要组成部件有海侧门框、陆侧门框、梯形架、海陆侧上横梁、前大梁、后大梁、前拉杆、后拉杆和连接海侧门框和陆侧门框的各种斜撑杆。
本次设计主要设计内容包括两部分：1500t/h的桥式抓斗卸船机的总体设计和金属结构部分的海侧立柱的结构设计。总体设计的内容主要包括卸船机整体稳定性的校核和轮压计算。海侧立柱结构设计部分包括海侧立柱各零件尺寸的确定及其强度、刚度稳定性校核。
在总体设计过程中，首先完成各个总体方案布置。根据已经给出的设计参数确定卸船机金属结构的主要尺寸。参照已完成设计制造的同类机型，或者查阅《起重机设计规范》，确定其他构件在卸船机金属结构上的位置即其相应的结构尺寸。参照相同生产率的桥式卸船机的设计数据，估算金属结构及其上各个构件，如：司机室、小车、机房等的质量。
在结构尺寸及相应构件质量完全确定后，依据这些数据，进行总体计算。总体计算的内容包括整机稳定性校核，和大车轮压的计算[9]。相关标准可在《起重机设计规范中查阅》，若校验合格，则总体设计完成；校验不合格，则调整方案直至满足标准。
海侧立柱的设计是建立在总体设计的基础之上，在总体设计过程中，海侧立柱的主要尺寸已经确定，包括立柱的高度和两个立柱间的距离。海侧立柱的设计主要为其各个截面尺寸的确定。按照《起重机设计规范》的要求，对设计好的海侧立柱进行静强度、疲劳强度、静刚度、动刚度和稳定性的校核[13]。
随着计算机软件的发展，计算机辅助设计在工程设计领域发挥着越开越重要的作用。从机械绘图到工艺设计，从三位建模到立体仿真，从结构有限元分析到运动轨迹设计，都能看到计算机辅助设计的身影。三维建模技术越来越广泛的应用在工程设计的各个方面。为了锻炼我们的三维建模能力，也为了更好的展现海侧立柱的三维外观，我们采用了solidworks对其进行了三维建模。在三维建模完成后，通过软件内部功能自动生成相应的施工图。
金属结构作为整个机器的支撑，其设计的质量会对整机性能产生极大影响。良好的金属结构设计可以达到较小的整机自重，卸船机功耗随之降低。较小的整机自重也可获得较小的轮压，码头前沿地基的成本也可大大降底。此外合理的金属结构设计在自重较轻的前提下，可获得较好的稳定性能。对于在海边的大型设备来说稳定性意味着更高的抗风能力。桥式卸船机是港口装卸作业的关键设备，保证其安全有效运行，对于保证港口生产能力至关重要。目前我国沿海有近百个大型港口，数千台桥式抓斗卸船机。保证它们的高效运行对中国的对外贸易起着不可忽视的作用。性能优良的桥式抓斗卸船机，生产率高，受力合理故障率小，节能高效。而设计出这样的高效起重机就是经济发展做出的贡献。
第2章 总体设计计算
2.1 基本参数计算
2.1.1符号说明及计算参数
计算符号说明，如图表2.1：
表 2. 1 总体计算符号说明
符号 | 含义 |
G(t) | 重量（t） |
H（m） | 中心高度（m） |
Xw（m） | 中心距海侧距离 |
Xl（m） | 中心距陆测距离 |
计算参数，如图表2.2：
表 2. 2 总体计算参数
项目 | 参数 |
轨距L | 14m |
海侧轮数N | 24 |
陆测轮数N | 24 |
海侧基距 | 18m |
陆测基距 | 18m |
2.1.2金属结构部分
2.1.2.1门框结构
门框结构包括海侧上横梁、海侧立柱、漏斗横梁1、海侧门框短斜撑、海陆侧门框下横梁、门框联系横梁、门框斜撑、门框联系横梁2、门框间短斜撑1、门框联系横梁3、陆侧上横梁、陆侧立柱、陆侧门框水平斜撑、陆侧门框斜撑、门框间短斜撑4、漏斗横梁2。
如图2.1所示建立坐标系，求解门框结构的中心位置
图 2. 1重心计算坐标系
门框结构的重心高度：
（2.1）
式中：
-门框结构的重心高度
-门框结构第i个构件的重量
-门框结构第i个构件的重心高度
门框结构的重心水平位置计算公式：
（2.2）
-门框结构的重心高度
-门框结构第i个构件的重量
-门框结构第i个构件的水平横坐标
各个构件的重量及重心位置如下表2.3所示。
按公式2.1、公式2.2计算得到：
门框结构的重心高度21.458m
门框结构的重心水平位置-7.514m
表 2. 3 门框结构各构件重量及中心位置
No | NAME | G(t) | H(m) | G*H(t.m) | Xw(m) | G*Xw(t.m) | Xl(m) | G*Xl(t.m) |
1 | 海侧上横梁 | 21 | 37.37 | 793 | 0 | 0 | 14 | 297 |
2 | 海侧立柱 | 59 | 21 | 1239 | 0 | 0 | 14 | 826 |
3 | 漏斗横梁1 | 6 | 15 | 98 | 0 | 0 | 14 | 92 |
4 | 海侧门框短斜撑 | 3 | 9.69 | 37 | 0 | 0 | 14 | 54.2 |
5 | 海陆侧门框下横梁 | 33 | 4.7 | 156 | -7 | -233 | 7 | 233 |
6 | 门框联系横梁 | 16.81 | 37.67 | 633 | -7 | -117 | 7 | 117.67 |
7 | 门框斜撑 | 14.96 | 24.26 | 362 | -7 | -104 | 7 | 104.72 |
8 | 门框联系横梁2 | 7.336 | 15.3 | 112 | -7 | -51 | 7 | 51.35 |
9 | 门框间短斜撑1 | 4.66 | 10.6 | 49 | -7 | -32 | 7 | 32.62 |
10 | 门框联系横梁3 | 4.9 | 7.49 | 36 | -7 | -34.3 | 7 | 34.3 |
13 | 陆侧上横梁 | 23 | 37.37 | 888 | -20 | -475.4 | -6 | -142 |
14 | 陆侧立柱 | 59.398 | 21 | 1247 | -14 | -831 | 0 | 0 |
15 | 陆侧门框水平斜撑 | 3.565 | 14.291 | 50 | -14.6 | -52 | -0.6 | -2.139 |
16 | 陆侧门框斜撑 | 4.026 | 9.693 | 39 | -14.6 | -58 | -0.6 | -2.41 |
17 | 门框间短斜撑4 | 3.402 | 37.37 | 127 | -7 | -23 | 7 | 23.81 |
18 | 漏斗横梁2 | 6.952 | 15.3 | 106 | -6.5 | -45 | 7.5 | 52.14 |
19 |
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20 | 门框联系横梁4 | 7.336 | 13.72 | 100 | -7 | -51 | 7 | 51 |
21 | 门框联系横梁5 | 4.9 | 7.49 | 36 | -7 | -34.3 | 7 | 34 |
22 | 陆侧门框上的梯子平台 | 24.985 | 26.5 | 662 | -7 | -174 | 7 | 174 |
23 | 电梯立柱支架 | 3.272 | 24.567 | 80 | -14 | -45 | 0 | 0 |
24 | 其他 | 10 | 10 | 100 | -7 | -70 | 7 | 70 |
| 合计 | 324.36 | 21.457 | 6960 | -7.51 | -2437.3 | 6.48 | 2103.73 |
2.1.2.2金属结构固定部分
金属结构固定部分包括门框结构、海侧梯型架等、后大梁、托缆轨道漏斗部分、皮带机部分、挡风门及其机构、机房底架、接料板、接料板机构、后拉杆、水箱、后大梁小车轨道。门框结构的重心位置计算结果及其他固定部分组件的重心位置及其质量见下表2.4：
按照门框结构重心位置的计算方法得：
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