摘 要

门座起重机具有运行效率高，使用费用低等优点，所以其广泛用于货物装卸作业和堆场作业，已经成为港口码头不可缺少的运输设备。而人们对门座起重机设计优化从未停止，门座起重机变幅机构的设计一直是热点与难点，变幅机构的好坏直接影响了作业的效率以及能源的消耗，对起重机整体性能影响巨大。因此本文以MQ4040单臂架门座式起重机为设计对象，对其进行总体设计，并着重介绍了变幅机构的设计过程，通过solidworks建立变幅机构各部件的三维模型，然后进行虚拟装配，最后导入ADAMS进行运动学和动力学仿真，得到变幅机构部的动力学特性及运动运动学特性。本文主要完成了以下工作：

（1）确定MQ4040单臂架门座式起重机的主体尺寸，完成起重机各部分的布置；

（2）对起重机的自重载荷，风载荷及偏摆载荷进行计算，在此基础上验算其在不同工况下的轮压及整体稳定性；

（3）计算起重机在特殊情况下的冲击力及抗风防滑安全性，如车挡冲击力，抗风防滑制动力等；

（4）对变幅机构进行设计，确定其零部件的具体型号及布置形式；

（5）建立变幅机构的三维模型，通过ADAMS对变幅过程进行仿真，对设计的变幅机构进行验证和修改。

本次设计确定了MQ4040单臂架门座式起重机的主体尺寸，并对变幅机构进行了设计，建模与仿真，充分利用solidworks，ADAMS等建模仿真软件，大大减轻了设计修改的时间，同时也能得到更加接近实际的结果。

关键词：门座式起重机；变幅机构；ADAMS；运动学仿真

Abstract

The portal crane has the advantages of high operating efficiency and low usage cost, so it is widely used in cargo handling operations and yard operations, and has become an indispensable transportation equipment for port terminals. However, people have never stopped the design optimization of the portal crane. The design of the luffing mechanism of the portal crane has always been a hot spot and a difficult point. The quality of the luffing mechanism directly affects the efficiency of the operation and the energy consumption, and has a great impact on the overall performance of the crane. Therefore, this article takes the MQ4040 single-arm portal crane as the designobject,carries on the overall design to it, and emphatically introduces the design process of the luffing mechanism, sets up the threedimensional model of each component of the luffing mechanism through solidworks, then carries on the virtual assembly, finally The ADAMS was introduced to perform kinematics and dynamics simulation, and the dynamic characteristics and kinematics characteristics of the luffing mechanism were obtained. This article mainly completed the following work:

(1)Determine the main dimensions of the MQ4040 single arm portal crane and complete the layout of the crane parts;

(2) Calculate the self-weight load, wind load and yaw load of the crane, and check the wheel pressure and overall stability under different working conditions on this basis;

(3) Calculate the impact force of the crane under special circumstances and the safety of anti-skid and anti-skid, such as the impact resistance of the car, the anti-skid braking force, etc.

(4) Design the luffing mechanism to determine the specific model and layout of its components;

(5) A threedimensional model of the luffing mechanism is established, and the luffing process is simulated by ADAMS to verify and modify the luffing mechanism designed.

This design has determined the main dimensions of the MQ4040 single-arm portal crane, and has designed, modeled and simulated the luffing mechanism, made full use of modeling and simulation software such as solid works and ADAMS, and greatly reduced the time for design modification. At the same time, it can also get more practical results.

Key words：portal crane；luffing mechanism；ADAMS；kinematics simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外的研究现状分析 1

1.3 目的及意义 4

1.4 设计内容 4

第2章 MQ4040单臂架门座起重机总体设计 5

2.1 门座起重机组成部分 5

2.2 主要设计参数 6

2.3 臂架系统设计计算 6

2.3.1 货物水平位移补偿系统的设计计算 6

2.3.2臂架自重平衡系统校验 8

2.4 自重载荷的计算 9

2.5 起重机各部分的迎风面积、风力矩计算 12

2.6 起重机轮压计算 14

2.7 起重机稳定性计算 16

2.8 车挡冲击力计算 17

2.9 防阵风制动能力计算 18

2.10 非风工作状态防风锚定力计算 19

2.11 本章小结 19

第3章 变幅机构设计 20

3.1 变幅阻力分析 20

3.2 载荷组合 23

3.3 选择电动机 25

3.3.1 计算电动机功率 25

3.3.2 初选电动机 25

3.3.3 电动机的校验 25

3.4 选择减速器 27

3.5 选择制动器 27

3.6 选择联轴器 28

3.7 本章小结 28

第4章 变幅机构三维建模及动力学仿真 29

4.1 变幅机构三维建模 29

4.1.1 三维建模及仿真软件简介 29

4.1.2 变幅机构三维模型 29

4.2 变幅机构动力学仿真 31

4.2.1 变幅机构动力学模型 31

4.2.2变幅机构动力学仿真及结果分析 32

4.3 本章小结 33

第5章 课题的经济性与环保性分析 34

第6章 全文总结与展望 35

6.1 全文总结 35

6.2 全文展望 35

参考文献 36

致 谢 37

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

随着港口事业的飞速发展，起重机设计也进入到一个快速发展阶段。在1890年，第一次实现起重机幅度可变，第二次世界大战以后，为了实现多机同时作业，门座起重机逐渐采用转柱式结构以节约空间尺寸，转动部分与门座通过轴承相连以减小转动部分的尾径，这样大大降低了空间占用率，提高了装卸作业效率。在发展过程中，门座起重机不仅仅只是用于港口装卸作业，还逐步应用其他与港口作业工况相近的水电站工地等地方。

门座式起重机种类很多，以臂架的结构类型分类，可分为四连杆组合臂架式门座起重机和单臂架式门座起重机两种。四连杆式门座起重机臂架下面的净空高度较大，因此在相同起升高度下其整机高度较低，但由于其有象鼻梁和大拉杆，故其相较于单臂架而言重量更重，结构也较为复杂，而单臂架则与上述相反^[1-2]。在起重机的四大机构中，变幅机构对起重机的整体性能影响较大，在设计变幅机构时，要实现货物沿水平方向移动以减小功率消耗，同时也应对臂架进行平衡，使臂架系统合成重心近似水平移动。本文以单臂架门座式起重机为设计对象，对其进行总体设计，同时着重对其变幅机构进行设计计算，利用ADAMS软件进行仿真分析，以此来对变幅机构进行更优化的设计，节约设计制造成本，降低能源消耗，实现经济性、适用性、耐久性的统一。

a.单臂架门座起重机 b.四连杆门座起重机

图1.1 门座起重机

1.2 国内外的研究现状分析

起重机设计方法随着时代的发展在不断进步，最早的结构设计是以纯经验为依据的，随着材料力学，弹性力学等学科的发展，许用应力设计法出现了，但它仍是建立在古典力学和数学的基础之上，而这也造成设计的周期长，工作量大，设计过程中需要多次修改设计参数，反复校核，设计的精确度差，精度在很大程度上依赖于设计者的经验。近些年，国际上现代设计理论和现代设计方法应运而生，并且越来越受重视，如极限状态法、有限元法、优化设计等在国际上得到了越来越多的运用^[3-4]。我国的起重机设计发展过程充满了艰辛与曲折，随着时代的发展，在充分吸收国内外先进的设计方法，并与自身的经验与理论结合之后，我国的起重机设计事业逐渐由落后的局面变为引领世界潮流，最终走向了自主研发和自主创新的道路。而现阶段起重机也逐渐朝着大型化、高效化、智能化、自动化的方向发展，不再仅仅以大起重量为目标，更多的是以节能环保，节约材料，自动化水平高等等为设计目标，并且随着科技的发展，起重机及港口的设计建造将更加智能，无人码头的目标即将实现。

随着现代计算机技术的快速发展，起重机的设计越来越智能、精确，在越来越多的工程设计软件的帮助下，如二维设计软件AutoCAD、三维设计软件solidworks、动力学分析软件ADAMS、有限元分析软件ANSYS等等，设计人员的工作量大大减轻了，同时也能在保证安全的情况下得到最优化的设计，以达到经济性与安全性的统一。越来越多的国内外设计者使用这些软件对起重机进行总体结构设计，对起重机各运动系统或整机进行动力学分析和金属结构分析，这样既能节约设计时间和成本，又能得到更加准确的结果。

（1）模块化技术、虚拟装配技术及参数化建模技术等在起重机设计及建模过程中应用十分广泛，这些新技术的出现极大的节约了设计时间，备受设计者的青睐。

Rini Nur Hasanah等^[5]以一个简化的单臂架门座起重机模型介绍了起重机的设计和构造，模拟其工作及控制原理。

长江船舶设计院李文杰等^[6]分析了门座起重机设计的现状，利用solidworks强大的三维建模能力，建立门座起重机整机模型。他利用三维CAD软件模拟完成零件及整机的装配过程，最终利用solidworks的干涉检查功能，检查装配是否有干涉并进行一定的修改与优化，通过这样的虚拟样机技术来缩短研发周期，降低成本。武汉理工大学胡吉全等^[7]以门座起重机为对象，综合运用模块化技术和虚拟设计技术。他首先介绍了模块化设计思想，并且提出了门座起重机模块划分的具体方法及步骤，然后根据划分的模块进行建模，最后根据不同用户的需要选择不同模块进行虚拟装配，这为起重机的设计提供了新方法，新思路。杨书强^[8]介绍了起重机的虚拟仿真技术，并与传统设计方法进行比较，他介绍了在利用ADAMS对起重机进行仿真时需要考虑的问题，以及操作的方法。

刘金等^[9]研究了门座起重机的参数化建模与仿真分析技术，他首先对门座起重机的模型进行了一定程度的简化，并在ANSYS中建立参数化模型，他省略了部分结构的模型绘制，转而用质量点代替，最后对模型进行分析处理，同时他基于VB和ANSYS开发了参数化设计分析系统。

（2）综合运用有限元分析法以及刚柔耦合动力学仿真技术对门座起重机进行结构设计和分析结构应力、应变已经成为起重机金属结构设计的潮流。

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