摘 要

随着港口贸易在国际经济中所占地位的不断增加，现代化港口建设变得日趋繁荣，也就随之对港口机械设计有了更高更严格的要求。在对港口起重机械的设计要求向高度安全可靠性和较短的设计周期的需求下，起重机设计方式急需从传统静态设计-物理样机的方式向现代动态设计上转变，即虚拟样机技术。

本论文的主要工作内容有：

（1）通过参考手册和相关文献资料，对MQ4025型单臂架门座起重机做具体的总体设计计算，包括机构选型、尺寸确定、载荷组合计算以及稳定性验算。

（2）利用Pro/E软件绘制各部件的三维模型，包括大车运行机构、转台、平衡梁、拉杆、臂架、齿轮齿条变幅机构等模型。

（3）将整机三维模型导入到ADAMS中，并建立绳索货物模型，施加合适的约束和驱动，最后对样机进行运动学和动力学分析，验证起重机各机构的工作状态与运动情况，给出后处理分析结果。

总之，本文通过建模与虚拟样机技术的结合进行三维仿真，有效地实现了起重机的动态设计，并且为起重机其他系统如货物抗偏摆的设计提供了基础的平台。

关键词：MQ4025单臂架门座起重机；Pro/E；ADAMS；虚拟样机；仿真分析。

Abstract

With the increasing of the position of the port trade in the international economy, modern port construction is becoming more and more prosperous, which leads to higher requirements in the design of port machinery. Since the demand has been turning into higher reliability and shorter design period, the method of port machinery designing needs to convert from the traditional static physical prototype way to a modern dynamic kind of design, which is where we introduce, the virtual prototyping technology.

The main contents of this thesis are as shown below:

(1) Through reference manuals and related documentation, complete the overall design of MQ4025 single boom port crane by determining the mechanism and measurement, calculating the force and load and checking stability.

(2)Use the software, Pro/E, to conduct the three dimensional model, including Crane Travel system, Turntable, Balance Beam, Pull Rod, Boom and Gear-Rack.

(3)Import the model into ADAMS, build the rope-container model, impose constraints and drivers and finally conduct the kinematic and dynamic analysis of the prototype.

Overall, this thesis conducts a 3D simulation by combining three dimensional modeling and virtual prototyping technology, complete the dynamic design of port crane, and also provide a platform for further design of crane system such as anti-sway system.

Key Words: MQ4025 single boom port crane; Pro/E; ADAMS; virtual prototype; simulation analysis.

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究目的与意义 1

1.1.1 国内外现状分析 1

1.1.2 研究目的与意义 2

1.2 本文的主要工作 2

第2章 MQ4025单臂架门座起重机总体设计计算 4

2.1主要技术参数 4

2.2主要工作机构和金属结构形式 4

2.2.1 主要工作机构 4

2.2.2金属结构形式 8

2.3臂架结构主要尺寸 8

2.4 货物水平位移补偿系统设计 9

2.4.1货物水平位移补偿原理概述 9

2.4.2货物水平位移系统作图法设计 10

2.5杠杆活对重式臂架自重平衡系统设计 13

2.5.1 杠杆活对重式臂架自重平衡系统原理 13

2.5.2 平衡系统设计方法 14

2.5.3 臂架平衡系统的校验 14

2.6各工作机构、计算载荷以及载荷组合 15

2.6.1 起升载荷 15

2.6.2 自重载荷 16

2.6.3 起升冲击载荷及动力增长 16

2.6.4 起升附加动载荷及动力增长 16

2.6.5 突然卸载冲击载荷及动载效应 16

2.6.6 运行冲击载荷及动力增长 17

2.6.7 惯性载荷及其动载效应 17

2.6.8 起升质量的偏摆载荷 17

2.6.9 风载荷 18

2.7 轮压计算 21

2.7.1 支承反力的计算公式 21

2.7.2 不同工况下轮压的计算 23

2.8整机稳定性计算 24

2.8.1 Ⅰ无风静载工况 25

2.8.2 Ⅱ有风动载工况 25

2.8.3 Ⅲ突然卸载或吊具脱落 25

2.8.4 Ⅳ暴风侵袭下的非工作工况 26

第3章 MQ4025虚拟样机制作 27

3.1 MQ4025起重机三维模型的建立 27

3.2 ADAMS虚拟样机的建立 30

3.2.1 ADMAS环境下建模补充 30

3.2.2 ADAMS软件虚拟样机的实现 31

3.3虚拟样机仿真分析 32

3.3.1 虚拟样机运动学分析 32

3.3.2虚拟样机动力学分析 34

第4章 总结与展望 36

4.1 全文总结 36

4.2 经济学分析 36

4.3 研究展望 36

参考文献 38

致谢 39

第1章 绪论

1.1 课题的研究目的与意义

1.1.1 国内外现状分析

起重机是广泛应用于经济建设各部门进行物质生产和装卸搬运的重要机械设备，是现代工业在实现生产过程机械化、自动化，改善物料搬运条件的重要角色。它对于发展国民经济，提升人民物质文化生活的水准起着重要作用^[1]。门座起重机是一种重要的具有代表性的有轨式运行起重机，它得名于具有可让装卸搬运车辆通过的门架结构。门座起重机作为目前港口码头中使用最多、最为典型的装卸机械，对于改善工人的作业条件，减少繁重的人工体力劳动，提高生产效率具有重要的意义。其中单臂架门座起重机因其较轻的自重、相对简单的结构、便于制造安装等特点更普遍地应用于港口行业。

随着科技的进步和经济建设的高速发展，港口对于装卸机械的要求越来越高，使得起重机的设计方法需要不断地更新完善，更加向多功能性、安全性、经济性靠拢。比如全球岸边集装箱起重机正在不断大型化以适应集装箱船舶大型化的趋势，表现在新的岸边集装箱起重机前伸距和最大前伸距的明显增加上^[2]。二战后的几十年来，各主要发达工业国家均开始了对设计技术的研究的重视，起重机的设计技术水平于是得到快速发展。从60年代开始，英国就以国家政策和财力来支持发展创新设计；德国提出“设计就是科学”的理念，其设计学的发展现已达到相当的规模；日本更是非常重视设计技术的发展，将设计视为技术、经济、美学和人机工程学的整合体，并极力推广和采用新技术^[3]。

相较全球而言，国内起重机设计生产仍然存在着设计和创新能力不足的问题，如传统的二维CAD设计显露出的设计过程中的局限性。在传统的设计和制造过程中，设计完成后，为了进行验证，一般要制造样机进行试验，有时甚至是破坏性的试验。当通过试验发现问题缺陷时，要返回修改设计并再度用样机进行验证，如此反复，直到产品性能达标为止。特别是当系统很复杂时，这一过程往往很漫长，所以物理样机的制造和装配耗费了产品生命周期的绝大部分，严重制约了门座式起重机制造成本的降低^[4-5]。在这一问题上，在过去的十年中使用虚拟起重机模拟器的起重机操作已经有所开发引用。它可以降低使用实际起重机的成本，然而一个常见的主要缺点是大多数现有的模拟器缺乏现实的深度知觉模拟，通常依赖于立体视觉和头部运动来提高深度知觉的精度^[6]。

于是在设计领域，新的方法理念呼之欲出。最初只是概念设计，由French在1976年提出，随后国内外在概念设计方法学、建模技术以及产品创新设计等方面做出了大量的理论研究与实践。随着基于三维设计技术的虚拟样机和仿真试验技术的发展和广泛应用，推动了虚拟设计环境下机械产品创新概念设计的研究，有效地推动和改善了产品的概念设计过程，为机械产品创新设计的自动化提供了一种理想的技术支撑平台^[7].建模设计的方式迅速被普遍采用。马来西亚国际伊斯兰大学2007提出用建立数字模型的方式解决自动化龙门起重机的非传感器式抗偏摆控制问题^[8]。罗马尼亚特兰西瓦尼亚大学2009年对风挡雨雪刷系统进行了动力学虚拟建模以完善控制设计^[9]。目前，对机械产品创新概念设计的研究仍在不断深化。随着三维建模设计的普及，虚拟样机跟着成熟起来，机械、电子、计算机以及通信等领域都在积极应用虚拟样机技术。

1.1.2 研究目的与意义

本文所采用的虚拟样机方法是一种集成软件方案，它包括了机械系统的建模、仿真、真实工作环境条件下的三维虚拟运动行为和通过迭代设计研究对设计的改善与优化。这项仿真技术优势在于构思了一个详细的模型，这种模型在虚拟实验中使用与在真实场景中类似的方式。执行在力学模型中任何组件的任何参数的虚拟测量的可能性也可以很方便地进行^[10]。虚拟建模可以让工程师在开始真正的项目之前在电脑上模拟和观察施工进度，而且已经成为管理快速跟踪和复杂工程项目的重要技术。在诸多领域已经有很多成功的应用。比如，华东理工大学运用复杂机械系统虚拟样机技术，以大型石化装置吊装为背景，开展基于虚拟样机的大型工程机械及其吊装过程的计算机数字化仿真模型和仿真技术研究。北京航空航天大学也在进行飞机动力学虚拟样机的研究，它是以飞机六自由度非线性全量动力学运动学方程和其它航空电子系统为基础，对飞机总体性能进行概念设计、方案论证和总体设计的虚拟原型系统。对于虚拟建模的主要考虑之一就是某一工程项目施工设备的操作仿真，恰好是起重机设计最适合的。2007年武汉理工大学提出了一种采用虚拟样机技术来辅助工程人员进行门机滚装方案性能评定的方法，获得了很成功的应用。