摘 要

港口门座起重机用于港口码头和露天堆场的货物堆取作业，其变幅动作是由变幅齿条的伸缩带动臂架摆动的平衡式变幅。变幅齿条如果出现失效破坏，轻则出现振动、噪音，重则可能引发例如臂架坠落等重大安全事故。因此变幅齿条的失效、修复、及其设备管理对策，与港口的生产活动关联密切。

本毕业设计（论文）即以港口门座起重机的变幅齿条结构为研究对象。论文介绍了港口门座起重机以及其变幅机构的构成和特点；结合材料力学、机械原理、机械设计、起重运输机械等课程的相关知识，分析阐述变幅齿条的受力特点、影响变幅力的因素和变幅力的计算方法。并且论文以福州港MQ4038机型为实际案例，计算其变幅力的大小；然后对所给案例中的齿条失效进行原因分析，并提出修复方案。最后提出设备管理对策方面的建议。

关键词：门座起重机；变幅齿条；失效修复；设备管理对策

Abstract

Port portal cranes are used for cargo loading retrieving operations at port terminals and open-air storage yards, whose luffing action is a balance-type luffing caused by the telescopic movement of the luffing rack to drive the boom to swing. If the luffing rack loses effectiveness or breaks down, the vibrations and noises will occur, even worse some serious accidents such as falling of the boom may happen. Consequently invalid and repair of luffing racks and their equipment-management countermeasures are closely related to the production of the port.

This graduation design (paper) refers to the luffing rack structure of port portal cranes. The paper introduces the composition and characteristics of the port portal crane and its luffing mechanism. Combined with the relevant knowledge of several courses including materials mechanics, mechanical principles, mechanical design and hoisting and transporting machinery, this paper analyzes and explains the mechanical characteristics of the luffing rack, as well as causes and calculating methods of luffing-force. What’s more, the paper takes a crane MQ4038 in the Fuzhou Port as the actual case to calculate its luffing-force, then analyzes the cause of the invalid of its luffing rack and proposes a repair plan. At last some suggestions for equipment-management countermeasures are given in the end of the paper.

Key Words: portal crane, luffing rack, invalid and repair, equipment management countermeasures

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题研究目的及意义 3

1.4 课题研究基本内容 3

第2章 门座起重机变幅机构及其失效分析 4

2.1 门座起重机变幅机构简介 4

2.1.1 变幅方式的分类 4

2.1.2 港口门座起重机的平衡方式 5

2.1.3 港口门座起重机的变幅驱动装置 6

2.2 变幅力计算方法 8

2.3 变幅齿条失效机理分析 15

2.3.1 齿轮传动的主要失效形式 15

2.3.2 门座起重机变幅齿条失效分析 17

2.4 本章小结 18

第3章 福州港门机变幅齿条失效分析 19

3.1 福州港失效情况简介 19

3.2 案例变幅力计算 19

3.2.1 MQ4038门机基本数据 19

3.2.2 计算步骤 20

3.3 案例失效原因分析 23

3.4 本章小结 24

第4章 福州港门机修复方案设计 25

4.1 修复方案的整体设计 25

4.2 变幅齿条拆卸及安装工艺 25

4.3 本章小结 26

第5章 设备管理对策 27

5.1 设备综合管理概述 27

5.2 针对福州港案例的设备管理对策建议 28

5.3 本章小结 29

第6章 经济性分析 30

第7章 总结和展望 32

7.1 论文总结 32

7.2 展望 33

参考文献 34

致谢 35

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

起重机是一类在制造业、交通运输行业 广泛应用的特种机械。起重机的设计、生产制造、销售、使用，是反映国家工业发达程度、经济发展水平的重要指标之一。随着“中国制造2025”“一带一路”等国家重要战略计划的提出，工业制造业、港口行业正面临前所未有的机遇和挑战。在这其中，起重机作为重型特种设备的典型代表、港口搬运生产的主角，其重要性不言而喻。

门座式起重机，是指将可回转的臂架安装在门座上，依靠钢轨在地面行走的起重机。门座起重机通常使用吊钩或抓斗进行件杂货、散货等货物的装卸，也可以安装专用的集装箱吊具后吊装取放集装箱。其用途多样，可搬运的货物种类众多，因此在港口码头随处可见，是最常使用的起重机类型之一。

门座式起重机的变幅动作是指通过摆动臂架使取物装置改变水平位置，由变幅齿条驱动完成。齿条驱动的主要优点是：能承受双向作用力，结构简单紧凑，自重也比较轻，工作效率高，维护方便；主要缺点是：齿跳与齿轮之间的啮合存在间隙，再加上门座起重机变幅机构的驱动齿轮的齿数较少，所以齿条传动不平稳，冲击较大，特别是港口门座起重机的臂架系统构件尺寸都比较大，因而金属结构质量大，导致臂架系统在变幅过程中会产生较大的冲击振动，尤其是在变幅动作启制动的时候，引起的冲击更加严重 [1] ；而且在工作中齿轮齿条相互啮合的部位容易发生磨损。所以齿条的保养维护不容忽视。

在设备管理对策方面，世界各国都有不同的方法模式。例如美国的军事后勤学，前苏联的“磨损规律”、“状态维修”，日本的“TPM” 即全员生产维修等等。我国自从上世纪80年代实行改革开放以来，不断引进了国际上各种先进的设备生产线。同时，先进的管理方法、管理模式也逐步进入了中国企业。诸如可靠性工程、后勤工程学、综合工程学、预防维修、预测维修、状态维修以及全员生产维修等理论和方法逐渐被中国的企业所了解和接受。在国际上各种设备管理模式日益丰富的同时，中国设备管理和维修组织也提出了对设备的“一生”进行综合管理的思路，称为“设备综合管理”。由于国内的企业技术水平参差不齐，设备相异，设备综合管理的做法也千差万别 [2] 。甚至在同一企业内，不同管理层、不同工人都有不同的规则制度。因此，各企业越来越意识到设备管理应该从人治走向“法”治，要建立起一套完善的规范化的系统。

1.2 国内外研究现状

国外的工业发展较早，起重机研究制造水平也较为成熟。现在国外生产大型起重设备的制造商主要有：德国的利勃海尔（Liebherr），美国的马尼托瓦克（Manitowoc）、特雷克斯-德马格（TEREX-DEMAG），日本的神钢等公司。这些公司的起重设备产品系列较为齐全，市场占有率比较高。以利勃海尔公司为代表的欧美厂商起重机生产技术先进，质量好，具有较高的工作稳定性和安全性，基本代表了国际最先进的水平。日本生产的起重机虽然在技术性能上与欧美相比还有一定差距，但是其发展进步快，能不断推出新产品，制造精细，加之价格相对较低，所以也受到不少用户的喜欢，同时也具有较大的销量。例如神钢公司生产的起重机具有系列化程度高、性价比高的特点，在发展中国家有较大的销售量，占全球的销售比例较大。近几年神钢在中国市场的大吨位履带式起重机的销售量一直处于领先地位[3]。

国内的起重机设备研发起步较欧美日本稍晚，成绩与问题都比较明显。在小吨位的起重机设计领域我国已经处于世界领先水平，但对大型起重机的研发我们和国外还存在一定的差距。我国的大型门座式起重机的研究时间不长，设计水平亟待改进；同时在可靠性和稳定性上也都不如国外的优秀厂商。我国起重机研发制造主要面临两大问题：国内对核心部件例如发动机、液压件、高质量钢材等技术水平较为欠缺，制约了起重机整机的技术研发；制造水平难以满足设计要求，工艺不成熟，设备精度不高。

近年国内外门座式起重机的发展趋势主要是：降低生产成本；提高自动化、智能化和数字化程度；朝向大型化，高速化和专用化发展；采用仿真与虚拟设计技术。[4]

在起重机的设计方面（包括受力分析、计算校核、绘图建模等），各种借助计算机的新方法正逐步取代传统纸书笔写的设计方式。其中包括用于绘图和建立模型的计算机辅助设计（CAD），例如AutoCAD（常用于工程图纸的绘制）、SolidWorks（常用于建立三维模型），可以利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，方便设计的数据精确展现和汇总分析以及设计结果的使用、保存和备份；应用于分析计算的计算机辅助工程，例如ANSYS（在线性分析方面具有优势的大型通用有限元分析软件）、ABAQUS（被认为是最优秀的非线性求解软件）、ADAMS（虚拟样机分析软件），可作静态结构分析、动态分析，研究线性、非线性问题，分析结构（固体）、流体、电磁等，求解分析复杂的工程和产品的结构、力学性能，以及优化结构性能等。现如今对于建模仿真设计、受力分析，工程人员广泛使用的方法包括：有限差分法、有限元分析法、边界元法、虚拟样机技术、热点应力法等等。

1.3 课题研究目的及意义

课题“港口门座起重机变幅齿条结构失效机理及设备管理对策”，目的在于通过分析研究门座式起重机中变幅机构的变幅驱动装置——齿条结构的受力特点，以了解其失效形式和失效原因，并寻找修复方案，同时提出设备管理对策方面的建议。以此来促进对起重机金属结构失效的了解，通过合理的设计、完善的保养维护手段来减少较大结构损伤的发生，避免因结构失效导致的生产事故。

在国家的经济发展之中，港口作为各类货物集散运输的“大门”，其生产效率、生产的安全性和稳定性，不仅与港口自身的经济效益挂钩，更和后方的各行各业都息息相关，关系到一个国家的农业、工业、商业能否稳健运转。特别是随着“一带一路”战略的提出，港口显现出了重要的战略地位。门座起重机作为港口中使用最广泛的一类起重机，其效率和安全性尤为重要。本课题的意义即在于，加深对港口门座起重机变幅齿条失效机理的理解，以便于及时发现和解决问题，并且预防问题的发生，在一定程度上宝藏门座起重机运行的安全性和和高效性，进而保证港口生产活动安全有序地进行，保证国家经济的“大门”正常运转。

1.4 课题研究基本内容

本毕业设计针对港口门座式起重机，研究重点在于变幅齿条工作设计原理及其失效机理的分析。设计当中，首先通过收集查阅相关的文献资料、翻译相关外文文献，研究分析了门座起重机变幅机构的设计原理、变幅阻力的特点与计算方法、变幅齿条的受力特点与常见破坏形式。由于变幅力的计算方法以理论力学的方法已经足够，变幅齿条的受力情况也比较单一，容易分析，使用SolidWorks和ANSYS等软件进行模型建立和有限元分析反而更为复杂，而且通常情况下变幅齿条受力不大，应力状况良好，所以对于变幅齿条受力的分析，本设计采用了理论力学分析计算的方法，没有使用有限元方法。之后以福州港M4038门座起重机变幅齿条被拉裂这一比较少见的非典型失效形式为实际案例，计算正常情况下其变幅力的大小以及变幅齿条的应力大小；再结合起重机的实际情况，分析造成其破坏的原因。然后通过分析计算，提出合理的修复方案，绘制修复图纸。最后，本设计研究阐述了国内外设备管理对策的相关理论知识，包括美国、日本、前苏联和我国的设备管理理论；并且针对福州港MQ4038齿条破坏这一案例，提出设备管理对策。

第2章 门座起重机变幅机构及其失效分析

2.1 门座起重机变幅机构简介

变幅机构是起重机的四大主要工作机构（包括起升机构、运行机构、回转机构和变幅机构）之一，是改变起重机幅度和起升高度的机构。

在臂架型起重机中，“变幅”动作是指：通过其臂架的俯仰摆动、移动、伸缩，或者起重小车的前后运行，使取物装置改变位置。

变幅机构的主要作用可以归纳成以下两方面：

（1） 通过改变幅度，使吊载的货物围绕起重机的回转中心线作径向移动，扩大起重机的作业范围；

（2） 通过改变幅度来调整起重机的起重能力、提高起重机的利用程度，或者通过调整取物装置的工作位置来适应装卸路线的需要，或者提高起重机在非工作状态下的通过性能。

2.1.1 变幅方式的分类

起重机的变幅按其工作要求可以分为：

工作性变幅，即带载变幅，对应变幅机构的第一个主要作用；非工作性变幅，又称调整性变幅，即不带载变幅，对应变幅机构的第二个主要作用。

按方式方法可以分为：

伸缩臂架式变幅；摆动臂架式变幅；以及牵引小车式变幅。

按照臂架系统结构可以分为：

非平衡式变幅，即在变幅过程中，货物重心和臂架重心都会发生竖直方向的上升或者下降。这种变幅方式时会而因为重心的上升产生较大的驱动功率消耗，时而又会有重力势能的释放，影响起重机的运行和使用，所以主要用在一些不带载的非工作性变幅作业上面。

平衡式变幅，即采用各种补偿货物升降的方法和臂架自重平衡系统，使变幅过程中货物的重心和臂架系统整体的重心可以基本保持水平位移高度不变。这种变幅方法的臂架系统结构复杂，但是减小了变幅机构的驱动功率，增强了变幅过程的平稳性，广泛应用于各港口的门座式起重机的工作性变幅机构。

港口门座起重机的变幅是一种摆动臂架式、平衡式变幅。

2.1.2 港口门座起重机的平衡方式

如前面所言，港口门座起重的变幅是一种平衡式变幅。其平衡方式由以下两种设计来完成：

（1）货物水平位移的补偿，使用了刚性拉杆组合臂架补偿法。

这是一种采用最广泛的补偿方法，其臂架系统由臂架、象鼻梁、刚性拉杆（俗称大拉杆）等组成，三个构件与机架（即人字架）构成了一个平面四杆机构，故又被成为“四连杆组合臂架系统”。当臂架俯仰摆动时，象鼻梁下端点的运动轨迹为一条双叶曲线。如图2-1中所示。合理设计臂架、象鼻梁、大拉杆的尺寸以及人字架上O点和O₁点的位置，可以使起重机在有效工作幅度范围内变幅时，象鼻梁下端点的运动轨迹ab段（亦即货物的运动轨迹）接近水平。

图2-1 刚性拉杆组合臂架补偿原理

1—大拉杆；2—象鼻梁；3—臂架

刚性拉杆组合臂架补偿法的主要优点有：起升绳悬挂长度比较短且磨损比较小，起升滑轮组的倍率对补偿系统没有影响；臂架下方有比较大的有效空间；臂架系统的刚性也比较好。但是这种臂架系统的结构比较复杂，自重也比较大；而且变幅时货物的运动轨迹只是接近水平，实际仍有上下波动；由于双叶曲线的特点，货物在整个变幅过程中速度不是恒定的，变化比较大，往往在小幅度的时候速度会变得比较大。

（2）臂架系统自重的平衡，采用了杠杆-活对重平衡法。

杠杆-活对重平衡法是一种移动重心的平衡方法，是将臂架与活动对重（简称活对重）之间通过杠杆系统（包括平衡梁和小拉杆）进行连接，使得在变幅过程中，臂架及其平衡系统的合成重心可以近似保持高度不变。这种平衡方法的工作原理如图2-2所示，其设计原理是：使活动对重自重P_d对臂架下铰点O的力矩和臂架自重P_b对铰点O的力矩尽可能相等。并且通过合理设计连接活动对重和臂架的杠杆系统，还可以使平衡梁在臂架摆动角度比较小时也能获得较大的摆动角度，进而使活动对重有较大的升降高度，这也提供了进一步减轻对重自重的可能性；而且对重远离臂架并抬高，既有利于起重机总体布置，也能充分发挥活动对重对整机稳定性的作用。虽然仍无法做到在整个变幅过程中臂架系统的自重完全平衡，但是如果设计合理，这部分误差可以减小到很小的范围内，满足实际使用的要求。

图2-2 杠杆-活对重平衡原理

1—臂架；2—象鼻梁；3—大拉杆；4—小拉杆；5—平衡梁；6—活对重

2.1.3 港口门座起重机的变幅驱动装置

港口门座式起重机的变幅机构采用了齿条驱动的方式。

齿条驱动的示意图如图2-3（a）中所示，即由电动机经过减速器传动减小速度增加扭矩，将动力传递到最后一级的小齿轮，带动变幅齿条前后伸缩，由齿条带动起重机的臂架进行摆动，从而实现变幅动作。

齿条驱动装置安放在人字架的变幅平台之上，如图2-3（b）中所示，驱动小齿轮在由电动机通过减速器减速增扭后传递的动力作用下，带动齿条作直线和摆动运动。关于变幅齿条的摆动运动：变幅过程中，齿条和臂架的铰点会在臂架摆动运动中绕臂架下铰点在竖直平面内旋转，所以齿条也会随之围绕小齿轮的中心轴线发生摆动，而摇架内的上压轮和下托轮会压住齿条，从而约束齿条的摆动，保证齿条在摆动的时候始终保持与小齿轮正确啮合的状态

图2-3 齿条驱动变幅机构

1—臂架起升卷筒；2—小拉杆；3—齿条；4—摇架；5—平衡梁；6—人字架；

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