摘 要

港口起重运输机械作为一种高效运输货物的港口设备，它的规模反映了一个地区的经济繁荣程度。由于其高度大，又位于港口前沿，暴风来袭时经常受到很严重的破坏，造成大量的人员经济损失。目前我国在役的起重机有的是已经连续工作了年以上的老机型，港口的工作特点决定了它们不能立刻替换成的新型机，设备的老化加大了它们不能渡过突发风期的风险。再加上我国防风制动装置的制造厂家较多，制造的设备有不同的设计标准，起重机上的防风设备的性能很难有一个明确的说明，这些不确定性使得起重机在抵御强风时的危险性大大增加了。如何检测当前的在役起重机或即将投入使用的起重机的防风设备的防风性能，以便能清楚的知道哪些防风设备能有效的抵抗风力作用。

本设计在现有技术的基础上对一些方案装置进行改进，通过数学建模、应力分析、结构计算等步骤设计了一套简单实用的轨道式起重机抗风能力检测装置。该装置利用斜置的油缸模拟风力作用于起重机门柱，自身通过一系列增力机构夹紧轨道静止。该套装置能为港口检测人员提供一些关于这方面的检测思路。

关键词：防风设备；风力检测装置；轨道式起重机；肘杆机构

Abstract



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Key words:



目 录

第一章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2.1起重机抗风对策研究 1

1.2.2起重机防风检测装置研究 2

1.2.3增力机构的研究 2

第二章方案的确定 3

2.1 方案一的设计计算 3

2.2方案二的设计计算 5

第三章各构件的选型或计算设计 7

3.1油缸的选型与安装角度 7

3.1.1风力模拟油缸的选型与安装 7

3.1.2拉力油缸的选型 10

3.2拉力油缸耳环、铰轴与顶杆耳环尺寸计算 12

3.2.1轴 12

3.2.2拉力油缸耳环 13

3.2.3顶杆耳环 13

3.3顶杆空心轴的尺寸计算 16

3.3.1正应力的计算 16

3.3.2稳定性计算 16

3.3.3连接顶杆空心轴与顶杆耳环的柱体 17

3.4夹钳系统的设计 17

3.5与固定夹钳的轴相配合的耳环设计计算 21

3.6基座的设计计算 21

3.7托台的设计 26

3.8各种定位与连接 27

参考文献 33

致谢 33

第一章 绪论

1.1目的及意义

随着全球经济一体化的快速发展我国进出口贸易数量越来越大，为了满足港口吞吐量的要求，起重运输机械的设计制造向着大型、高效化迈进，因而起重机被造的越来越高耸。由于起重机位于码头前沿，迎风面积大，在阵风和台风发生时很容易遭受侵袭，造成重大经济损失和人员伤亡。世界上的先进港口在面对这种自然灾害时也没有很好的办法解决。

，强台风彩虹在坡头区登陆后顺着湛江港航道这一路径袭击港口，最大风速达，湛江港的台卸船机、台门座式起重机、个粮食筒仓损坏，座仓库顶部掀开；，第号强台风鸣蝉袭击韩国，国内最大港口釜山港损失惨重，台风中整个釜山港共有台岸桥被吹倒和损坏，其中只有台可以进行修补，严重影响了港口的装卸业务。吉布提港，正在作业的岸桥，由于遭受大风暴而移动起来，其前大梁和船相撞，船的上层建筑被扫倒，陆侧右边车轮脱轨，海侧左边车轮脱轨，岸桥海陆侧大车法兰个高强度螺栓断裂。这些事件中起重机都安装了防风装置尚不能抵御强风侵袭，原因是防风设备的容量不够。

由于防风设备的生产厂家的不同，设计标准的不同，或者其他的因素，防风设备的性能会有所差异。这也造成了我们无法正确选用防风设备或者不清楚选用的防风装置是否能够照设计所说抵御那么大的风力。由于港口设备的特性，港口机械根本不能轻易的从工作一线撤下进行检测，有些设备从投入使用就一直从事生产达年以上，不说其他刚进入工作场地的机器需要检测防风能力，老型起重机检测防风能力是迫在眉睫的。如何简单，不需要大费周折的对这些在役起重机械进行检测评估，这一直是困扰港口管理部门的一个问题。

本论文的目的就是设计出一种简单便于实施的检测方案或者装置，对港口起重设备能有效的进行防风性能的测试。

1.2国内外研究现状分析

1.2.1起重机抗风对策研究

张家港港务集团史瑶^对老型的门座式起重机的防风能力进行改造提升，大致解决了老龄门座起重机防风能力不足及防滑制动装置效果无法验证等问题。

宁波特检院^为提高港口起重机的防风能力，对半个世纪内国内外风灾事故进行研究，从风载原因、设备缺陷和安全管理三方面进行分析，得出了港口起重机风载事故的机理，为后续研究港口起重机的防风抗滑对策提供了理论的支持。

周玉忠^以具体的港口起重机为例对可以配置在该机器上的几种防风设备进行组合计算，得到不同组合的防风效果。

张明海^分析了岸边集装箱起重机上的防风设备是否起作用对整机防风性能的影响，指出了防风设备稳定运行的重要性。

^讨论了在持续强风下发生的龙门起重机的脱轨事故，原因是在计算风荷载时没有考虑空气动力系数，有效迎风面积也有些被低估了。而正确设计无源夹具或替代以防漂移系统可以防止事故发生。

^以塔式起重机为例，利用流体力学数值模拟方法分析了起重机由于风致响应导致的安全事故。结合新旧起重机防风设计标准，阐释了新旧标的区别。

1.2.2起重机防风检测装置研究

侯晓勤^设计了整套防风安全装置检测试验系统，用垂直油缸压力模拟港口起重机自重，水平油缸压力模拟风力，用来检测港口起重机单个台车组在具有防风铁楔或夹轮器单独制动时的防风效果。通过对实验数据的分析，证明了防风试验系统的可靠性和实用性。

苏文胜^研制了一套综合性抗风防滑装置性能测试系统，利用该系统可在实验室测试轮制动器、夹轨器和顶轨器等多种抗风防滑装置的防风性能。这种在实验室就能工作的设备无疑提高了经济行。

陈明琪^等用液压千斤顶的推力模拟水平风力，用传感器记录实验中的信息，是一种较为简单的测试方式。

卢运林^利用现有普通的拉力设备，检测了起重机上的防风装置是否能抵抗所要求的风载荷。

龚舒^该运用港口机械状态检测与安全评估系统对测试的全过程进行实时动态记录和分析简便易行达到了防风能力测试和预警的目的。

1.2.3增力机构的研究

苏东宁^等介绍了对称布局铰杆杠杆铰杆的三级串联力放大机构及其应用分析了它的性能特点推导出了理论与实际增力系数的计算公式分析了不同的动力源及布局对机构工作的影响。

窦云霞^等提出创新思想，使设计人员只需改变无杆活塞气缸与增力机构的连接形式、数量和配置，就可以按照一定的思路，对不同结构、不同功能的气动压力机进行改造，以满足可配置的要求。

申在福^介绍一种由无杆活塞气压缸作为驱动元件、利用杠杆斜楔串联机构进行放大并实现自锁的高效夹具分析其工作原理和结构特点并给出输出力计算公式。

李月琴^等设计了一种无杆活塞缸与浮动式四级力放大机构集成的气压传动系统。

在风力检测机构上专家们都做了较为详尽的研究，但是大多机构有着实用性不强、体积大、需要打地基等缺点，于是本人对测试装置做出了一些改进，希望能够对起重机的防风性能更方便准确的评估。

第二章方案的确定

风力检测装置方案一是仅靠夹钳夹紧轨道产生的静摩擦力来抵抗模拟风力油缸产生的推力沿轨道方向的分力。

风力检测装置方案二是靠夹钳夹紧轨道产生的摩擦力、起重机轨道两侧的锚定装置限制基座运动产生的作用力两个沿轨道方向的力共同抵抗模拟风力油缸产生推力的水平分力。

2.1方案一的设计计算

查机械设计手册可知钢铸铁在无润滑的情况下表面静摩擦因数最大为，而实际上能达到的静摩擦因数最大为，为了装置有更大的不会滑动的裕度，本次设计计算静摩擦因数取。

若仅由夹紧力产生的静摩擦力就能抵抗风力模拟油缸产生的水平推力，由

（2.1）

为钳口摩擦片与钢轨头部侧面的静摩擦因素，取为；为抵抗模拟风力的静摩擦力，为

得

查资料有如下钢轨的尺寸数据（图；表）：

图钢轨截面图

表钢轨截面尺寸

在这里我们选择型号的起重机钢轨进行计算，该钢轨的头部侧面部分的倾角大约为，反三角正切函数值为（也就是长度投影为尺寸的斜面的斜度），因为该角度较小所以在计算挤压应力时我们将其忽略，假设夹紧力水平的作用在轨道头部。

图钳口作用于钢轨

对轨道头部进行挤压应力的计算，由

（2.2）

为垂直于轨道头部的正压力，为；为；为（夹钳与轨道沿轨道方向的接触长度）；

单靠夹钳夹紧力夹紧轨道这个方案夹钳产生的挤压应力大于钢轨许用挤压应力，轨道面会被压坏，所以这个方案不可采用。

2.2方案二的设计计算

查相关资料可以知道起重机轨道侧每个锚定坑可以提供大约的水平作用力针对于某些岸桥来说），这样利用两个锚定坑抵消一部分水平推力，夹钳夹紧轨道产生的用来防止基座被推动的摩擦力就只需要，计算夹钳对轨道的正压力（轨道的头部每个侧面）为，对轨道头部产生的挤压应力为该值没有超过许用挤压应力值，所以方案二理论上可行。

下面是方案二的方案总图，如图

图2.3装置整体图

方案二的原理是风力模拟油缸提供水平分力推基座。基座上的拉力油缸提供拉力使顶杆张开，将拉力油缸的竖直力转换成沿顶杆轴线方向的力并进行放大，再经过夹钳杠杆系统进行放大，在夹钳钳口处产生水平垂直轨道的夹紧力，夹紧力作用在轨道头部产生垂直于轨道头部侧面方向的正压力，这使得装置产生较大的静摩擦力，和锚定装置给基座的限制力一起阻止基座滑动。因为风力模拟油缸的水平推力为此时起重机没有移动则说明起重机的防风制动能力满足要求。

图2.4除去风力模拟油缸及其周边零件

该装置包括托台（防止与起重机立柱接触的推力油缸耳环因静摩擦力无法抵消推力油缸竖直向上的分力而滑动）、推力油缸及配合耳环、拉力油缸及配合耳环、顶杆机构、夹钳系统、基座数个重要结构。

第三章各构件的选型或计算设计

3.1油缸的选型与安装角度

3.1.1风力模拟油缸的选型与安装

由于模拟风力为，所以风力模拟油缸的推力必须要大于。

查手册可以选择重载油缸型，该油缸工作可靠，适合用于高负载、工作情况恶劣的环境。正常工作时额定压强为，最大推力为。该油缸前端活塞杆与耳环用螺旋配合，耳环再与执行机构连接；后缸盖与后端的耳环采用焊接；前缸盖和后缸盖均用螺钉或者螺柱与缸体连接。下图是该推力油缸的部分尺寸参数

表油缸尺寸

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