摘 要

在本次设计的对象为港口装卸MQ2538门座式起重机，主要的设计过程为门座式起重机的总体设计以及其中运行机构的设计：包括确定门座式起重机的总体设计参数、设计计算四连杆组合臂架系统和臂架自重平衡系统、不同工况下起重机的整体抗倾覆稳定性校验以及轮压计算等。同时运用ADAMS仿真软件对运行机构进行动力学仿真分析，运行机构简化模型是通过SolidWorks软件建立的。

本文的特色在于通过ADAMS模型可对不同工况下运行机构的运动状态进行虚拟仿真，可以较为准确的获得运行机构各项性能参数，同时可以对设计参数改进，为学者对起重机进行设计开发和研究提供了一种新的方法。

关键词：门座式起重机；运行机构；三维模型；ADAMS

Abstract

The object of this design is port loading and unloading MQ2538 portal crane.The main design process is the overall design of portal crane and the design of its operating mechanism. It includes determining the overall design parameters of portal crane, designing and calculating the four-link combined boom system and boom self-weight balance system, checking the overall anti-overturning stability of crane under different working conditions, and calculating wheel pressure, etc.At the same time, the ADAMS simulation software is used to analyze the dynamics of the operating mechanism. The simplified model of the operating mechanism is established by SolidWorks software.

The feature of this paper lies in the virtual simulation of the motion state of the operating mechanism under different working conditions through the ADAMS model, which can more accurately obtain the performance parameters of the operating mechanism and improve the design parameters, providing a new method for scholars to design, develop and research the crane.

Key Words：Portal crane；Run institutions；3D modeling；ADAMS

目录

第1章 绪论 1

1.1目的和意义（含国内外的研究现状分析） 1

1.2主要内容 2

第2章总体设计计算 3

2.1性能参数 3

2.1.1额定起重量 3

2.1.2幅度 3

2.1.3起升高度和下降深度 3

2.1.4工作速度 3

2.1.5工作级别 3

2.1.6基距和轨距 4

2.1.7风压 4

2.1.8许用轮压 4

2.1.9轨道型号 4

2.2货物水平位移补偿系统设计 4

2.2.1系统原理 4

2.2.2刚性四连杆组合臂架方案的解析法设计 6

2.3臂架自重平衡系统设计 8

2.3.1臂架自重平衡系统工作原理 9

2.3.2臂架自重平衡系统设计方法 9

2.3.3自重平衡系统校验 10

2.4设备自重力矩和风载荷计算 13

2.4.1门座式起重机各部分质量 13

2.4.2起重机自重力矩计算 14

2.4.3风载荷计算 15

2.5设备抗倾覆稳定性校验 16

2.5.1基本原则 16

2.5.3门座式起重机工况 17

2.5.4倾覆力矩的工况组合 18

2.5.5门机的抗倾覆稳定性校验计算 18

2.6轮压计算 20

第3章运行机构设计和校验 23

3.1确定驱动装置型式 23

3.2阻力计算 23

3.2.1摩擦阻力Pm 23

3.2.2坡道阻力Pα 23

3.2.3风阻力PWⅠ 24

3.2.4稳态运行阻力 24

3.3选择电动机 24

3.3.1计算电机功率 24

3.3.2初选电动机 25

3.3.3电动机验算 25

3.4减速器 26

3.5选择制动器 27

3.6滑动验算 28

3.7本章小结 29

第4章三维建模和运动仿真 30

4.1三维建模 30

4.1.1软件简介 30

4.1.2运行机构三维模型的建立 30

4.2ADAMS仿真 30

4.2.1仿真模型参数 30

4.2.2几何模型 31

4.2.3边界约束 31

4.2.4外载荷 32

4.2.5仿真和后处理 32

第5章环境影响及经济性分析 34

5.1环境影响分析 34

5.2经济性分析 34

第6章 总结与展望 35

6.1全文总结 35

6.2展望 35

参考文献 36

致谢 37

绪论

1.1目的和意义（含国内外的研究现状分析）

（1）背景

目前，我国经济快速发展，推动了我国港口事业的发展，而门座式起重机作为重要机械设施之一，因其较少的建设费用、具备高效搬运性能，机动性好，通用性强等长处，是必需的基础设施，目前我国已经有许多企业可以自行生产该设备，有的甚至在外国也有市场。但起步较晚，与发达国家比较还存在一定的差距，还需要继续坚定科技创新的理念，加快机械设备的技术水平和功能的发展。

目前，发达国家由于起步早，工业发达，在智能化码头方面处于当先位置，已经有不少该类码头在运营使用。同时国内也有不少的港口开始探索自动化码头建设，其中上海洋山港已经建设完成投入使用，取得了良好的经济效益。而作为常用的门机，如何实现它的自动化关乎着自动化港口的进一步深入优化。并且智能系统作为将来制造行业的开展趋势和中心内容，而制造过程中必然存在着材料的搬运过程，起重机作为搬运的主要设备，它运动过程是否能够智能化，关乎着该系统的进一步推进。

（2）国内外研究现状

近年来物料搬运设备中常用的门座式起重机，开始渗透到不同的领域中，而运行机构作为门机运行的基础，它的好坏关系着这设备是否能够持续运行。近年来，在南京的部分港口^[1]和日照港^[2]等地方多次发生行走台车立轴座断裂故障，在影响机器的工作的同时增加了维修费用，对港口的日常运转形成不良的影响。因而进一步钻研，改良其构造使其愈加完善，减小设备故障的几率，具备重要的意义。

将来的一段时间内，门机的主要发展趋向^[3][4]包括以下几个方面：

1. 面向大型化，高速化，开展专用化。当前工业规模的一直扩大，快速增长的市场竞争力，为了提高码头效率，降低建设本钱，提高性价比，这就要求设备向大型、高速以及专用方向发展。
2. 提升产品的数字化、智能化和自动化水平。目前码头规模扩展，对操作司机的体能要求升高，如何运用前沿的电子方法和有效的机械设计方法来完成设备的自动化和智能化以满足现代工业发展的需求成为当前趋势。但由于货物的大小、形状等各异，难以实现完全自动化，故需继续用计算机和数字化技术结合，通过反馈等技术，使起重机具备保护和检测自身性能，以满足生产需求。
3. 采用仿真和虚拟技术。由于门机的独特性，港口难以直接对门座式起重机进行停机用于学者的研究，而且也会影响港口的日常生产，故急需建设门座式起重机虚拟模型，方便学者的研究。许多人员开始对门机机构的仿真和参数化设计^[5]进行钻研，如张波等人对运行机构的均衡梁进行三维参数化设计^[6]，对于运行机构的破坏原因研究具有重大意义，另外胡静波等人在建立门机模型的基础上，使用ADAMS软件进行制动性能仿真^[7]，研究相关方法提高整机的相应安全性和抗倾覆^[8][9][10]。同时，因为电脑技术的进步，许多学者纷纷开始探索港口机械CAD系统，CAD技术是人脑和电脑相结合的产物，使用CAD可以实现从设计到作出施工图纸的优化过程，减少设计者因失误而需反复修改的繁琐性。

（3）目的和意义

所设计的机器具有很强的适应性，其吊具可以根据起升物品的类型进行更换，在码头中既可以用于散货类物品的搬运，也可以通过更换工具进行集装箱的移动工作，在港口得到广泛应用的同时，也开始在其他领域占据一定的空间。新型的巨型高架门座式起重机在三峡的建设施工过程中发挥了重要的作用，由于其独特的运行机构可以适应地形环境，有效的解决了材料的搬运问题。而且起重机也可以应用于新设备的安装、搬运过程，是当代工业不可缺少的机械。通过本次的课题，可以了解和熟悉国内外最新的门座式起重机技术^[11]，但由于该机械机构众多，包含起升机构、变幅机构、行走机构、回转机构等，考虑到个人精力有限，本次课题主要以运行机构为目标。另外当前计算机技术的提高促进了港口设备CAD的使用，在拥有一定的基础下，许多学子进行了CAD的研究。在本次设计中不仅可以让我们熟悉和掌握起重机设计过程，而且旨在提高我们使用计算机进行相关机械设计的能力。经过本次设计有利于我们对所学知识的把握和应用，对将来的学习和工作打下一定的基础。

门机作为当代工业的重点设施，对它的相关结构进行研究并且进行结构优化^[12][13]以减少出现故障的几率和更加合理，有利于加快国内智能制造进程，助力我国经济的发展。

1.2主要内容

在对门机的设计过程中，将对该设备的基本参数进行分析并使用相关的设计手册和资料进行总体设计工作，在完成总体设计内容后，再对运行机构进行有关设计计算，主要为运行机构总体设计、支承形式和电动机等的选型计算，完成相关计算后，对运行机构的各个部件进行零件细分，以便于通过装配建立三维模型，完成三维模型后，将运行机构模型通过特定的文件格式导入ADAMS软件中，并对重力和材料进行定义，以及增加运动副与外载荷，最后对运行机构进行运动学的仿真分析以及后处理，从而得到比较符合实际的仿真效果。

第2章总体设计计算

2.1性能参数

体现起重机机械性能特征的主要标志是其基础参数，并且也是按照这些参数进行设计和选择设备的。在对起重机进行设计计算时，有必要对现场调查研讨，再按照实际情况对这个机器的基础数据进行确定。

2.1.1额定起重量

在平常的状态下，起重机可以起升的净重量称为这个设备额定起重量。本次设计的机器采用吊钩的型式，因此MQ2538门座起重机的额定起重量为25t。

2.1.2幅度

门机属于臂架型起重机，其水平距离作用范围可以用幅度参数来表示的，而且由于起重机自身包含回转机构，故该数据所指的水平距离为取物部件的中心线与对称行走机构中心线之间的距离，而且其幅度是可以变化的，最大幅度为38m，最小幅度为14m。

2.1.3起升高度和下降深度

体现起重机在竖直方向的参数是起升高度、下降深度。取物部件位于最低位置与基础平面之间的竖直差距为下降深度，基础以下下降深度为18m；取物部件位于最大高度时与基础平面之间竖直差距为起升高度，基础以上的起升高度为30m。故本次设计的设备总作用范围为48m。

2.1.4工作速度

该参数是指机器各组合结构的动作快慢。包含起升、变幅、行走、回转四个机构的门机，其对应的数据参数包含了起升的速度、变幅的速度、行走的速度和回转的速度。其中起升速度指的是货物的垂直位移移动快慢，为40m/min;变幅速度指的是货物在有效工作范围内水平面方向的移动快慢平均值，为55m/min；运行速度是指机器的行走快慢参数，为30m/min；回转速度指的是起重机能够回转部分的回转速度，为1.5r/min。

2.1.5工作级别

关于设计设备的起重量、重复的次数以及运行的时间长短的特征可以用工作级别来表征，同时该参数又可以分为机构和整机的。其中，机构的参数是由受力情况和使用的级别来确定，参照实际情况，起升、变幅、回转、运行的级别参数分别为M8、M7、M7、M4。

2.1.6基距和轨距

对于臂架型来说，运行钢轨中心线之间在水平面长度差距就是轨距，根据该设备的防倾斜稳定性条件、使用场地的实际条件以及机构的布置需求，MQ2538门座起重机的轨距定为12m。

本次设计中的MQ2538门座式起重机自身质量比较大，为了满足轮压要求，在运行轨道一侧装有均衡装置，故其最大的均衡梁使用铰轴与下横梁连接之间的水平距离为基距。在满足整机稳定要求、基础承载能力和机构的布置要求的情况下来确定该设备的基距，MQ2538门座起重机的基距为12m。

2.1.7风压

风压是由于具有一定速度的质量空气吹向设备而被阻碍运动时，由于能量之间的转化，在结构表面产生的静压力，同时由功能原理，可推导出风速与风压的关系，且设计的门座式起重机的工作状态最大风速为20m/s，非工作状态最大风速为55m/s，故对应的风压分别为250N/m²、1890.63N/m²。

2.1.8许用轮压

由于机器单个轮子作用在钢轨上的产生的竖直力称为轮压。在本次设计中的起重机不能高于的轮压为250KN。

2.1.9轨道型号

由起重机自重和起重量产生的轮压是通过轨道来承受的，同时轨道还具有引导车轮运行的作用，并且将其轮压传递给地面。MQ2538门座式起重机使用的轨道型号为QU80。

综上所述，本次设计的设备的主要参数如表2-1^[14]。

2.2货物水平位移补偿系统设计

在本小节中，通过相关的设计和计算使的货物在机构的实际运动过程中能够保持在同一高度或者近似在同一高度上平移。

2.2.1系统原理

本文运用的方法是组合臂架补偿法方案。机器的变幅机构由性质可分为带载工作和不带载工作。而港口装卸用的门座起重机中通常采用带载变幅机构，其带载工作，使得该过程产生较大的阻力和功率消耗，通常使用不同的办法，即货物补偿和臂架自重平衡来实现减小变幅功率，改善工作能力。通过进行合理的设计计算，可使带载情况下在工作过程中物品能近似在水平面内或水平面内平移，在提升操作性能的同时也可以减少能量消耗。可分为：绳索补偿法以及组合臂架补偿法。

该方法是从机构的运动出发，经过促进运动构件之间的合理设计，使货物在平移过程中沿同一高度或接近同一高度的轨迹移动的原理实现的。刚性拉杆组合臂架是目前经常被采用的方法。图2-1示出了四连杆组合臂架系统^[15]平移时位于同高度的原理，该系统由刚性拉杆2、臂架3、象鼻梁1组成。当臂架进行变幅时，象鼻梁前臂滑轮轨迹近似为同一双叶曲线。为了使在R范围内，ba段能（象鼻梁前臂滑轮平移路线）近似为同一高度，对组件1、2、3的大小和相关位置进行合理选择，这时只要把绳子安置在组件的轴线上，再从象鼻梁前臂滑轮引出，就可以使得货物几乎在同一高度平移。

表2-1 主要性能参数表

该补偿办法被经常使用在码头门机和浮式起重机的原因在于结构构件的刚性好，臂架下方具有较大的有效空间，这个系统受滑轮组倍率的大小的影响较小，并且不需要悬挂过长的起升绳，绳子磨损小。

图2-1刚性拉杆组合臂架工作原理

2.2.2刚性四连杆组合臂架方案的解析法设计

1. 首先对象鼻梁前臂滑轮中心的轨迹进行研究，列出相应的坐标轨迹方程组[2-3]

一般象鼻梁与臂架铰点的位置根据结构的要求，向下偏一段距离c（一般由总体布置给定取c=600mm）。在进行设计时用ω表示比较方便：

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