1.1国内外的研究现状分析

门座起重机是随着港口事业的发展而发展起来的。1890年，第一次将幅度不可变的固定式可旋转臂架型起重机装在横跨于窄码头上方的运行式半门座上，成为早期的港用半门座起重机。门座式起重机因具有较大的起升高度和工作幅度，能满足港口、码头、船舶和车辆的机械化装卸，并有能充分使用港口、码头场地，适应船舶的空载、满载作业，以及满足地面车辆的通行要求等优点，所以被广泛用于港口、码头货物的机械化装卸作业。

近十年，起重机事业在国内有了长足的发展，国内许多研究者对起重机设计及优化方面做出了贡献，中南大学皱宁波^[1]基于数学软件MATALB和编程软件C 设计了臂架系统优化软件从而实现各铰点位置、各杆件长度和配重的优化。并用ANSYS软件对优化前后的臂架系统进行静力学、模态及瞬态动力学仿真，证明优化可以用于仿真。上海交通大学的刘剑波^[2]基于MATLAB软件，对采用卷筒补偿变幅系统的单臂架门座起重机进行了研究，介绍了一种简单合理的卷筒补偿变幅系统，并通过优化设计得到的结果与常规计算的结果进行了详细对比，证明了优化过程的正确有效，可直接应用于设计，提高了该类型起重机设计的质量和效率。华南理工大学张勇^[3]分析了港口起重机传统电气控制系统在目前使用中的局限性。选用OMRONPLC对起重机进行PLC控制系统分析、设计，选用安川起重机重负荷变频器对起重机进行变频调速系统分析、设计并经实际改造检验，改造后的起重机装卸效率明显提高，电气系统运行故障明显减少，总体性能有所上升。武汉理工大学苏艳^[4]以四连杆门座起重机变幅机构安装中的变幅齿轮、齿条齿侧间隙及变幅齿轮驱动函数为变量，研究变幅齿轮、齿条在啮合过程中的动态里参数及应力变化过程，为以后选取起、制动方式及齿侧间隙提供依据，提高安装精度，减少变幅齿轮、齿条冲击，提高其使用寿命。广州特种机电设备检测研究院刘金等^[5]为提高仿真分析效率，探讨模型简化与单元选择方法及坐标系选择技巧，并对有限元模型和边界条件的参数化方法进行研究，进一步开发出一套仿真分析系统。通过实际检验、对比，采用参数化仿真比用传统仿真方法节约了80%的时间，对于提高安全评估市场竞争力具有积极的意义。浙江大学赵琼^[6]为降低门座起重机的制造成本和运行成本，对四连杆变幅机构进行优化设计，建立以关键参数作为设计变量的优化设计模型，提出采用遗传算法和有限元分析联合求解的门座起重机四连杆变幅机构的优化设计方法，应用结果表明:该方法适用于门座起重机四连杆变幅机构的优化设计，能够有效地改善设计质量。胡吉全等 ^[7]设计了新型单臂架多用途门座起重机，该起重机是新一代的港口装卸设备，可适应集装箱、散货和件杂货物的高效装卸作业。

在起重机分析、建模、仿真系统设计方面，袁宗喜等^[8]以某港口重件码头门座起重机圆筒门架为对象，探讨了门座起重机圆筒门架设计的合理方案，利用APDL语言对其进行有限元参数化设计，实现了圆筒门架的快速建模和分析。武汉市特种设备监督检验所邵扬^[9]以MQ1625型门座起重机为研究对象, 运用有限元分析软件ANSYS对起重机的门架、转台以及人宇架结构进行了分步建模，并进行了金属结构整体有限元模型的创建。分析了ANSYS建模及约束和载荷添加过程中出现的一些问题，并提出了相应的解决方案。武汉理工大学全晓亮^[10]本文以门座起重机为研究对象，将数字化技术应用到工程设计中，主要是在门座起重机专业领域知识的基础上，以计算机技术为工具，应用模块化设计理论和基于实例推理方法，基于Solidworks的参数化设计功能，进行数字化平台开发研究，该平台能完成门座起重机的设计计算和重要部件的ANSYS分析，也能获得一套规范的机械零部件模型，并最终形成面向起重机设计人员的门座起重机数字化平台系统。武汉理工大学钟茗秋^[11]选取门座起重机关键部件臂架结构作为疲劳损伤研究对象，通过建立门座起重机虚拟样机模型获取臂架载荷一时间历程，利用CAE计算机技术，结合疲劳与断裂理论对臂架结构在仿真得到的载荷一时间历程下进行疲劳和裂纹扩展仿真分析研究，同时提出提高臂架结构疲劳强度措施和裂纹扩展监控方法及裂纹维修方法，并对裂纹维修方法进行数值模拟验证。

而本次设计重点在于门座起重机的回转机构，在这方面，武汉理工大学胡吉全^[12]通过对港口起重机回转机构的受力特征、组成及回转支承的受力进行分析，结合回转支承的构造要求，对港口机械回转支承进行失效分析，并对港口起重机回转支承设计选型作出了建议。太原科技大学左荣荣^[13]以起重机回转机构为评价对象，采用模糊故障树分析和模糊综合安全评价方法对该研究对象进行安全性评价，利用Visual C 为开发平台，并结合Access强大的数据库存储能力开发出了“起重机回转机构安全评价系统”，可以对起重机回转系统整体安全性进行定量评价，然后给出回转系统的安全状况等级和安全评分为企业采取预防措施，防止事故提供有效依据。武汉理工大学吴邵强^[14]以港口门座起重机重常用的三排滚柱式回转支承为研究对象，充分分析了选型计算中疲劳寿命校核过程中所存在的不足之处。以赫兹接触理论与疲劳累积损伤理论为基础，有限元分析法为主要计算手段，对回转支承结构中的可能出现的接触疲劳问题展开研究。通过分析与计算，并结合港口起重机的实际工作情况，提出了一种回转支承疲劳分析与寿命预测的方法，为今后回转支承选型计算中的疲劳校核提供了新途径。长安大学杨璐等^[15]分析了汽车起重机回转系统工作原理，在此基础上建立AMESim仿真模型，采用该模型对汽车起重机回转机构动力学特性进行了模拟仿真及分析，研究各运动参数、系统匹配特性对回转特性的影响，并对如何改善系统的性能提出了建议。广西大学颜瑞^[16]对门座式起重机回转机构振动机理和动态特性进行研究，建立起一个能全面反应系统动态性能与各参数间的内在关系的回转机构解析动力学模型。分别对回转机构在脉动风载激励下以及在启动过程中的动态转矩激励下门座式起重机回转机构的动态响应进行了仿真分析，采用遗传算法对门座式起重机回转机构进行优化设计，达到了提高回转机构动态性能的目的。武汉理工大学郭云飞^[17]分析了回转支承的失效形式和失效原因，以及不同的结构型式特点。以MQ4040门座起重机为研究对象，借助赫兹理论和有限元方法，运用有限元软件ANSYS研究回转支承系统的强度，分析了滚动体与滚道的接触、齿根弯曲应力和回转支承法兰变形角度，为回转支承法兰及过渡圆筒的厚度提供有效参考。

国外对于起重机及相关方面也有许多研究，Yihai Fang等^[18]研究通过利用动态工作空间的实时运动传感和三维建模，为操作员辅助系统提供了一个新的框架和实用的系统架构。提出了一种评估操作员安全管理体系的方法，以验证实际提升作业中辅助系统的有效性。通过一系列现场测试的结果表明，原型系统改善了操作员的安全风险的态势感知，从而提高了操作员的相关表现。Gabriel Raviv等^[19]以塔式起重机的相关事故为研究对象，对事故进行定性分析，对事故数据库进行定量分析，用“1-6”定义事故的严重程度，通过比较每个事故的严重性结果，以及其他事故和整个数据库的情况，对每个事故的相对风险潜力进行量化。分析结果表明，技术故障是塔机领域内最危险的危险因素。南乌拉尔州立大学V.F.Saburov等^[20]研究了在局部扭矩作用下起重机轨道与起重机跑道梁上部区域相结合的理论和计算。通过求解弹性半平面上梁的扭转微分方程，得到了轨道转角和梁腹板的表达式以及全扭矩的表达式。结果表明，这些参数不仅取决于起重机钢轨的扭转刚度，还取决于起重机跑道梁的上部区域以及下部层的弹性特性。且获得的表达式可以用来分析起重机轨道和起重机跑道梁腹板上部区域的应力应变状态。

1.2目的及意义

随着国际贸易的增长和物流业的快速发展，门座式起重机作为一种高效率的起重运输机械在港口、码头被广泛使用。回转机构是使起重机的回转部分在水平面内绕回转中心线转动的机构，它是门座起重机的主要工作机构之一。回转机构的作用是实现货物的水平移动。

本次毕业设计以MQ4040单臂架门座起重机为研究对象，完成其总体设计、回转机构设计计算及三维仿真建模。通过此次毕业设计，可以培养学生综合运用本科阶段所学的工程图学、机械设计、材料力学、结构力学等相关专业知识，以及学习并熟练各类设计、仿真软件的能力，为将来的发展打下更好的基础。而且这次毕业设计是对各方面能力的一个综合运用，在此过程中，可以发现其中的不足之处，方便以后针对性地改进。