摘 要

目前，在科技迅速发展的时代，港口也越来越成为国家的重要发展战略目标，“一带一路”发展战略就是以港口为起点一路延伸出去的。起重机作为港口的标志性机械，为满足日益变化的时代，其设计也需要跟进时代的发展，从10t用门座起重机发展到了现在智能化、轻量化起重机。本文以传统的MQ4040单臂架门座式起重机为研究对象，对其整机进行设计，然后细化其中起升机构，最后通过solid works和ADMAS进行起升机构的运动学仿真分析。论文的主要内容包括：

（1）整机的设计及验算。通过作图的方式找到臂架下铰点的位置，然后根据使用要求来确定各部分构件、机构的相对位置，完成了重力矩、风力矩的载荷计算，并以这些力为依据对整机进行轮压、腿压、抗倾覆稳定性的验算。

（2）起升机构的布置及选型。根据使用要求确定工作方式，从而完成布置形式。在选型方面则通过重物的重量和起升速度来选用钢丝绳直径、电机转速等，从而选用标准的零部件在验算后进行装配。

（3）三维建模及运动学仿真。将已经选好的零部件通过solid works软件进行建模，然后将其导入ADAMS经过一定的处理加工，最后得到重物的运动学信息。

（4）最后论述其使用过程中的经济性与环保性。

关键词：单臂架门座起重机；总体设计；起升机构；solid works；ADAMS。

Abstract

At present, in the era of rapid development of science, the port has increasingly become an important strategic goal for the country’s development. The Belt and Road extends from the port and develops powerful. As the landmark machinery, cranes should follow up the development of the times to meet the changing era, which changes from the 10t portal crane to the now intelligent and lightweight. The article takes the traditional MQ4040 single arm portal crane as the research object. First we design the whole machine and then refine the lifting mechanism. Finally we perform the kinematics simulation analysis of the lifting mechanism by solid works and ADMAS. The main content of the paper includes:

(1) The design and verification of the complete machine. First finding the position of the boom hinge point by drawing and determining the position of each component and mechanism according to requirements. In this part, heavy moment and wind moment have been finished. Finally according to these loads we check calculation of wheel pressure, leg pressure and anti-overturning stability.

(2) Layout and selection of lifting mechanism. Determine the way of work according to the requirements, so as to complete the layout form. In terms of selection, the diameter of the wire rope and the motor are selected by the weight of the heavy and the lifting speed. In this way, standard parts can be assembled after checking.

(3) 3D modeling and kinematics simulation. Model the selected components through solid works and import it into ADAMS with a certain processing and processing. Finally we can get the kinematics information of the weight.

(4) The article discusses the economy and environmental protection during its use.

Key words: single arm portal crane; overall design; lifting mechanism; solid works；ADAMS.

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景目的和意义 1

1.2国内外研究动态 1

1.2.1门座起重机发展动态 1

1.2.2起重机起升机构发展动态 2

1.3本文完成的主要工作 3

1.4总体设计技术方案 3

1.5起升机构设计技术方案 4

第2章 MQ4040单臂架门座起重机总体设计 5

2.1主要性能参数 5

2.2 货物水平位移系统设计 5

2.3 货物自重平衡系统设计 6

2.4 各部件及整体重心估计、自重力矩的计算 8

2.5 迎风面积和风力矩的估计 10

2.6 起重机支承力轮压的计算 14

2.7 整机倾覆稳定性的计算 16

2.8车挡冲击力的计算 19

2.9防阵风制动能力和防风锚定力计算 19

2.9.1正常工作状态 19

2.9.2非正常工作状态 20

2.10本章小结 20

第3章 MQ4040单臂架门座起重机起升机构设计 21

3.1起升机构布置型式 21

3.2起升机构滑轮组的型式和倍率 21

3.3起升机构钢丝绳的选型 21

3.4确定滑轮和卷筒尺寸、计算卷筒转速 22

3.5起升机构驱动电动机的选型与校验 23

3.5.1起升机构驱动电机的选型 23

3.5.2起升机构驱动电机的校验 24

3.6起升机构减速器的选型计算 25

3.7起升机构联轴器的选型计算 25

3.8起升机构制动器的选型计算 26

3.9起升机构启动、制动时间的校验 26

3.10本章小结 27

第4章 机起升机构三维建模及ADAMS仿真 29

4.1起升机构的三维建模 29

4.2起升机构的ADAMS仿真 30

4.3本章小结 32

第5章 经济性与环保性分析 33

5.1经济性分析 33

5.2环境影响分析 33

第6章 全文总结 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1课题研究背景目的和意义

港口物流作为一项古老而重要的运输渠道，将全球的用户连接起来，形成一个地球村，其在当今社会扮演这一个不可或缺的角色。在中国，港口起源于汉代时期，从近代开始经历了鸦片战争时期、改革开放时期逐渐发展成今天的规模。上世纪20年代开始，由于电气工业和内燃机工业迅速发展，以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本形成^[1]。随着科技和社会的不断进步，起重量的增加，工作效率的提高，起重机改革越来越成为亟待解决的一个问题。在经济全球化的过程中，中国起重机行业不断发展，普通门座起重机已经从原来的10t到40t的提升^[2]，各项功能也得到了加强，改善了国内的经济和产业结构，促进了运输业的发展。

目前，港口的门座起重机按照用途可分为三类^[3]：①造船用门座起重机，②建筑安装用门座起重机，③装卸用门座起重机。本课题研究的是装卸用门座起重机，其有着高效的作业能力、低成本的建设费用，机动灵活，通用性强等优点^[4]。可以根据需要在吊具位置安装抓斗或者吊钩来满足作业要求，吊具的种类也不限于这两种，码头的散货、木材、件杂货都可以使用用门座起重机实现装卸。但是门座起重机的额定起重量偏低，有时不能满足大型港口的作业要求，同时近年来，起重机开始向智能、高效化的方向前进^[5]，所以有必要对传统的起重机做一定的改进工作，达到半智能化的水平。

本次毕业设计通过对单臂架门座起重机的整体设计，结构设计以及其中所运用的计算方法建立三维仿真设计，并通过ADAMS仿真分析，培养学生综合运用本科阶段所学习的工程制图、力学、机械设计等知识内容，并且可以熟练运用计算机软件解决问题，提高自己的专业水平，为今后的工作打下基础^[6-7]。同时起重机的各个机构分发给不同的学生，让大家在一起讨论完成，培养学生的团队协作能力和团队精神。

起重机作为港口的标志性机械，对于我国港口物流方面有着深远的影响，通过同学们的设计，新思路的提出，也可为中国港口事业的发展积蓄力量。对新型节能起重机、自动化起重机的深入探讨以做出更符合当今时代发展的主流机械产品是我们大学生的重要责任，提高创新意识的培养，给港口提供新的可行性错失，也是一项意义重大的课程。本次课程设计学生在国内外的发展报告和最新研究成果的学习，深入对港口的了解，为使起重机变得更轻、更安全、起重量更大的方向而努力。

1.2国内外研究动态

1.2.1门座起重机发展动态

门座式起重机是港口运输的重要机械，在经济发展中有着非常重要的作用，经过几十年的发展，我国门座式起重机在设计、制造工艺、设备使用维修和管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了门座式起重机的技术进步^[8]。起重机整体设计层面有已经比较成型的通用门座起重机的设计计算。在传统起重机的设计方面在国内外有很多可供参考的手册，如果没有按照规定来就可能出现事故^[9]，并且国内大部分设计都从传统的人工计算和手工绘图转向了计算机辅助设计。使得整个过程中的计算量大大减小，并且可以在虚拟状态下进行仿真增加了设计的效率。现在的门座起重机可以说是在“第三次工业革命”的浪潮中，以电脑代替人脑、以机械代替手工已成为现代港口物流的发展趋势，将可编程控制器技术应用到门座起重机的控制系统中去。上海洋山港就是一个现代港口物流的实例^[10]，2017年12月10日，上海港洋山深水港四期开港，这标志着中国港口行业在运营模式和技术应用上实现了里程碑式的跨越升级与重大变革，为中国的港口事业又增添一束光彩。

当前国外生产大型起重机的厂家主要有利勃海尔、马尼托瓦克、神钢和特雷克斯-德马格等公司^[11]，这些大型公司有着很大的市场，他们起重机生产技术较为先进，质量好，具有较高的工作稳定性，在发展中国家有较大的销售量，占全球的销售比例较大。德国和日本可称世界级的机“机械工程师”，德国的起重机材料好，精密度高使用寿命长等优点^[12]。日本的产品质量轻，成本低。

1.2.2起重机起升机构发展动态

起升机构主要由驱动装置、制动装置、钢丝绳滑轮组卷绕系统、取物装置等组成，其中主要对卷筒，钢丝绳的研究较多，其他部件均为标准件，直接使用。在卷筒的设计上主要针对其与钢丝绳的配合，有效的卷绕钢丝绳并且可以延长钢丝绳的使用寿命，以及卷绕松弛问题上的研究^[13]。钢丝绳方面，针对其使用的材料，缠绕方式的不同，设计不同型式的钢丝绳来满足起升的设计要求。广州港股份有限公司南沙集装箱码头^[14]比较了港口行业单臂架门座起重机起升机构两种钢丝绳缠绕系统的结构差异，提出2种缠绕系统下不同的钢丝绳安全管理方法，可提高起重机安全管理水平。广州南洋理工职业学院应用起重机监控管理系统，对于一定场合、一定载荷模式下的钢丝绳，采用信息采集手段并辅助一定的算法、准确获知钢丝绳实际寿命，预测正在服役期中的钢丝绳剩余寿命^[15]。

国外针对于钢丝绳的研究方面，近几年提出了一种新型的检验方法—超声波检验,该方法是通过一组换能器和耦合剂将超声引入到钢丝绳检测中，模拟声发射信号在钢丝绳中的传播特性，另一组换能器和稱合剂把信号提取出来，将其放大后，送入门限控制器，然后进行应力波系数计算，实现钢丝绳缺陷的定量识别^[16]。钢丝绳的检测如果得到进一步的发展，在起升机构中将不必每隔几年把钢丝绳全部换掉，为了不必要的人力和财力，加快钢丝绳的研究是一项重大的挑战。

1.3本文完成的主要工作

本文所做的工作主要分四部分^[17-19]。首先，对单臂架门座起重机进行总体设计的验算和校验工作；其次，进行起升机构的布置^[20-21]，各部件的选型设计；然后，对起升机构进行三维建模以及动力学或运动学的ADAMS仿真^[22]；最后，对这次设计经济性与环保性分析。

（1）总体设计部分。首先根据设计尺寸对起重机进行臂架自重平衡系统和水平位移平衡系统的校验，然后估计各部分重心位置以及整体重心，再有迎风面积和风力矩的计算，最后验算轮压、腿压、稳定性以及车挡冲击力和防风制动能力的计算。

（2）起升机构设计部分。通过所要满足的条件合理布置起升机构的位置，参考设计手册，选取合适的电机、联轴器、减速器、制动器。并进行验算是否满足要求。

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