摘 要

在港口码头起重机械中，桥式抓斗卸船机已经是一个不可或缺的具有重大作用的机械。通过船舶运输的各种散货，在港口进行卸船，桥式抓斗卸船机能够高效快捷的完成卸船工作。桥式抓斗卸船机具有安全稳定性高、成本低、适应性强、自动化程度高及维修保养方便等优点。本次设计主要研究了2500吨/小时抓斗卸船机起升机构，在满足各基本要求的情况下，保证卸船机安全正常运行。

通过绘制桥式抓斗卸船机整体CAD图形来认识了解卸船机的结构布局；计算抓斗卸船机的稳定性及轮压，以保证卸船机的安全合理性；由起重量、起升高度、起升速度及工作级别等参数来对主要零部件进行计算选型，完成抓斗卸船机的起升机构的设计。

本课题设计的桥式抓斗卸船机起升机构，很好的满足了起升速度、起升重量等设计要求，而且安全稳定性也很高，更是提高了工作效率。

关键词：桥式抓斗卸船机；稳定性；轮压；起升机构

Abstract

Among the port cranes, the bridge grab ship unloader has become an indispensable mechanical machine. Through various bulk cargo transported by ships, unloading at the port, the bridge grab unloader can complete the unloading work efficiently and quickly. The bridge grab ship unloader has the advantages of high safety and stability, low cost, strong adaptability, high degree of automation and convenient maintenance. This design mainly studies the lifting mechanism of the 2500 ton / hour grab ship unloader, and ensures the safe and normal operation of the ship unloader under the conditions of meeting the basic requirements.

By understanding the overall CAD pattern of the bridge grab ship unloader to understand the structural layout of the ship unloader; calculate the stability and wheel pressure of the grab ship unloader to ensure the safety and rationality of the ship unloader; Parameters such as height, lifting speed and working level are used to calculate and select the main components, and the design of the lifting mechanism of the grab ship unloader is completed.

The bridge grab ship unloader hoisting mechanism designed by this subject satisfies the design requirements such as lifting speed and lifting weight, and the safety and stability are also high, which improves the working efficiency.

Key words: bridge grab ship unloader；stability；wheel pressure； hoisting mechanism

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景 1

1.2桥式抓斗卸船机起升机构的相关介绍 1

1.3国内外研究现状 2

1.4研究的目的和意义 2

1.5本课题研究内容 3

第2章 整体轮压及稳定性计算 4

2.1基本载荷计算 4

2.1.1基础数据 4

2.1.2金属结构部分 4

2.1.3整机固定部分 7

2.1.4前大梁 8

2.1.4.1前大梁水平 8

2.1.4.2前大梁仰起（80°） 8

2.1.5整机重量及重心（整机固定部分和前大梁，小车不计入） 9

2.1.5.1前大梁水平 9

2.1.5.2前大梁仰起 10

2.1.6小车 10

2.1.6.1小车在最大前伸距位置 10

2.1.6.2小车在停机位置 11

2.1.6.3小车在最大后伸距位置 12

2.1.7风载荷计算 13

2.1.7.1风垂直大车轨道 14

2.1.7.2风平行大车轨道 17

2.1.7.3角度风 19

2.2稳定性计算 20

2.2.1无风静载工况 21

2.2.1.1小车在最大前伸距 21

2.2.1.2小车在最大后伸距 21

2.2.2有风动载工况 22

2.2.2.1小车带135%额定载荷在前伸距 22

2.2.2.2小车带135%额定载荷在后伸距 22

2.2.2.3小车空载荷，仅带抓斗 23

2.2.3非工作最大风载荷工况 23

2.2.3.1风由陆侧向海侧吹 23

2.2.3.2 风由海侧向陆侧吹 23

2.2.3.3风平行轨道吹 23

2.2.4突然卸载时的稳定性 24

2.2.4.1 小车在最大前伸距 24

2.2.4.2小车在最大后伸距 24

2.3轮压计算 24

2.3.1最大工作风速25m/s，小车在前伸距 25

2.3.1.1风垂直于轨道时的轮压 25

2.3.1.2风平行轨道时的轮压 25

2.3.1.3风由陆侧向海侧吹,风与轨道55.3度夹角时的轮压 25

2.3.4最大工作风速25m/s,小车在后伸距，风平行轨道时的轮压 26

2.3.5大梁仰起，非工作风55m/s，小车在停机位置 26

2.3.5.1风平行大车轨道时的轮压 26

2.3.5.2风由陆侧向海侧吹,风与轨道45度夹角时的轮压 26

2.3.5.3风由海侧吹向陆侧时的轮压 27

2.4本章小结 27

第3章 起升机构设计计算 28

3.1起升机构设计计算任务 28

3.2起升机构设计参数 28

3.3起升机构设计步骤 28

3.3.1确定起升机构布置形式，确定滑轮组形式和倍率 28

3.3.2选取钢丝绳 29

3.3.2.1计算钢丝绳最大静张力 29

3.3.2.2选取钢丝绳的依据 29

3.3.2.3钢丝绳的选用 30

3.3.3确定滑轮和卷筒 30

3.3.3.1滑轮 30

3.3.3.2卷筒 31

3.3.4选择电动机 32

3.3.4.1计算电动机功率 32

3.3.4.2电动机的校验 33

3.3.5选择减速器 34

3.3.5.1计算传动比： 34

3.3.5.2选取减速器 34

3.3.5.3校核起升速度 35

3.3.6选择联轴器 35

3.3.6.1高速轴联轴器 35

3.3.6.2低速轴联轴器 36

3.3.7选择制动器 36

3.4本章小结 37

第4章 图形绘制与三维建模 38

4.1AutoCAD绘图 38

4.1.1AutoCAD的简介 38

4.1.2绘制平面图形 38

4.2SolidWorks三维建模 39

第5章 经济性与环保性分析 40

5.1经济性分析 40

5.2环保性分析 40

第6章 结论与展望 41

6.1结论 41

6.2展望 41

参考文献 42

致 谢 43

第1章 绪论

1.1课题研究的背景

随着全球经济的高速发展，人们对物质的需求量也随之越来越大，尤其是煤炭、木材、矿石、粮食等与人们生活密切相关的资源，这些资源称为散货。散货的运输方式主要是船舶运输，码头和港口作为船舶运输的中转站，在港口、码头的货物运输中，通过输送设备、港口装卸设备、陆地接收机械等组成的散料输送控制系统，对散料运输体系进行控制，使其形成合理化、规范化、高效化的体系，从而有效提高港口货物运输的工作效率^[1]。由于这些散货的运输大部分是通过船舶来运输的，与之相对应的就需要港口装卸设备来进行散货的装船卸船。

目前，各个散货码头所使用的卸船机主要有间歇式作业的卸船机以及连续式作业的卸船机。其中桥式抓斗卸船机以其适应性强、运营成本低、安全稳定性高、可自动化程度高、维修保养便捷等优点而广泛使用于港口码头上进行散货卸船^[2]。桥式抓斗卸船机的工作过程大致为，用抓斗将货船内放置的的散料( 比如木材、煤炭、矿石、粮食等) 抓取起来，然后移动到对应的料斗上方，抓斗张开使物料落下至料斗内，最后由卸船机下方的输送机械系统将物料输送到相应堆场^[3]。桥式抓斗卸船机的主要组成结构可分为: 金属结构、起升机构、小车运行机构、臂架俯仰机构、大车运行机构、润滑系统、落料回收装置、电气与控制系统设备、安全防护装置、抓斗、护栏、电梯等^[4]，每一项都是卸船机的重要组成。比如金属结构，金属结构的寿命也就是设备的工作时长，因此金属结构的设计、制造和加工工艺对整机十分重要的。结构的设计不但要求满足刚度、强度、稳定性, 同时还要有足够的抗疲劳性等等要求 ^[5]。而起升机构，小车及大车运行机构，是抓斗卸船机进行正常工作的必要机构，也是本次课题需要研究设计的机构。

1.2桥式抓斗卸船机起升机构的相关介绍

桥式抓斗卸船机是位于港口岸边对运输船上物料进行卸船的一种大型起重机械，通过抓斗的开闭对物料进行抓取和卸料，通过小车行走和大车行走来改变卸船机的位置，从而进行相应的抓料卸料。而抓斗的开闭和升降则是由起升机构来控制，起升机构、起重小车运行机构和起重机大车运行机构在桥式起重机中是必不可少的三大工作机构，三大机构的工作性能对整个起重机械都有很大的影响。起升重量的大小，起升速度的快慢，起升高度以及其他因素，比如：风载荷，坡道载荷等都会对起升机构的工作性能造成影响。起升机构主要包括驱动、制动装置、钢丝绳滑轮组卷绕系统、取物装置和其他辅助装置等。其工作过程为：驱动装置中的电动机输出高转速，经过减速器减速，再由低速度输出到卷筒，卷筒将旋转运动转换成钢丝绳的直线运动，钢丝绳经过滑轮和滑轮组对起升机构的起升、下降和抓斗的开闭进行控制。工作中的其他辅助装置起到安全保护作用，包括超负荷限制器、超速保护开关、起升高度限位器等^[6]。合理的选择起升机构的各个组成部件，不仅能够使机构正常稳定的工作，还能有效的提高工作效率。

1.3国内外研究现状

桥式抓斗卸船机在我国的发展已经经历了几十年的历程，我国码头最开始90年代以前是以门式起重机和小型的卸船机为主，而大型卸船机只占少数，并且完全依赖于进口，主要零部件和控制系统的核心技术掌握在外国公司手里。之后随着科技的不断发展，人们慢慢探索，国内的卸船机技术逐渐提高，1990年至2000年我国将卸船机的生产制造逐步推向大型化、巨型化，性能也更加强大^[7]。现今，我国已经能够完全自主研发、制造、调试出属于我们自己的卸船机，与国外的技术相差无几甚至更胜一筹。比如2017年9月国内首家自主研发的埋刮板卸船机正式面世，成功填补了国内在这一方面的空白，打破国外品牌多年的市场垄断。我国自己的卸船机也远销海外了，而我国也成为了卸船机的最大生产制造和使用的国家了。其中桥式抓斗卸船机以其独特的优点，成为了当前世界各港口使用最为广泛的散货卸船设备之一。

近年来，人们不断追求高收益低成本，所以降低散料运输成本以及促使大型货物运输船舶的出现成为了必然，而这些也对抓斗卸船机的发展起了推进作用。使得抓斗卸船机不断朝着大型化、大起重量化、自动化的方向发展，同时提高卸船机的效率、维护便捷性及可靠性。现代卸船机的发展创新大都通过改变驱动电机功率、滑轮组倍率、钢丝绳卷绕方式、驱动形式等方向来进一步发展^[8]。虽然国内的卸船机技术在不断提升，但是在国外，卸船机的发展依旧很靠前，使用也依旧很广泛。尤其是在日本及欧洲，卸船机的市场一直在持续发展。一些国外公司例如：芬兰的科尼、日本的住友、美国的马尼托瓦克等等依旧是卸船机制造商中的佼佼者，不断地研发出一些新型产品以替代旧机型，日本住友公司开发的300t/h~800t/h压带式连续卸船机就是用来替代旋转型抓斗卸船机来更高效的完成中小型运输船的货物卸船的。使卸船机逐步实现智能化、自动化、低耗高效，设计出更符合当前市场的设备，完成港口作业无人化的构想，是当下港口机械的发展目标。

1.4研究的目的和意义

本次课题研究的对象是2500t/h抓斗卸船机起升机构设计及零件三维建模，通过给定的设计参数对起升机构各零件进行计算选型，并且对整体机械做稳定性和轮压的安全性验算，设计出符合条件的机构。

港口起重机械种类繁多，卸船机也有多种，对于使用广泛的桥式抓斗卸船机的研究，能够大体上了解卸船机的工作原理及状态，深入了解桥式抓斗卸船机的工作性能。通过绘制机械图，分析计算卸船机的稳定性和轮压，了解卸船机的结构布置，并且能够对结构布置进行调整以提高性能，减小安全隐患。对局部机构进行选型计算及三维建模，可以准确地选择合适的电动机、减速器等零部件，首先保证每个部件达到要求，再分析机构布局，使机构的安装布置更加简单紧凑，配合更加精密，提高机构工作能力使工作更高效。

1.5本课题研究内容

本课题基于已知起重机相关设计参数，以某一型号的桥式抓斗卸船机作为样机，设计一个能够安全正常工作的符合基本要求的起升机构，即在一定的工况下能以一定的起升速度完成货物的起升下降，并且尽可能的降低成本提高效率。

主要内容：

1. 绘制卸船机整体CAD图形；
2. 计算卸船机的稳定性和轮压；
3. 对起升机构各部件进行选型计算；
4. 使用SolidWorks对相关零件做三维建模。

第2章 整体轮压及稳定性计算

计算轮压需要先计算出卸船机支撑腿上的腿压，腿压除以每条支撑腿上的车轮数就可以得到轮压。计算腿压采用力矩法，找到卸船机重心及重心到支腿的距离，根据力矩平衡算出支腿支撑力。由于卸船机结构较复杂，所以需要先找局部重心，再得到整体重心。同时还要注意前大梁的仰起，小车的位置及风载荷的影响。稳定性的计算要验算四种工况 1.无风静载工况；2.有风动载工况；3.非工作最大风载；4.突然卸载。同时也要注意小车位置。

2.1基本载荷计算

2.1.1基础数据

（2.1）

式中 T_H—重量与重心高度乘积；

G—重量（t）；

H—重心高度（m）。

（2.2）

式中 T_W—重量与重心距海侧支撑距离乘积；

X_W—重心距海侧支撑距离（m）。

（2.3）

式中 T_L—重量与重心距陆侧支撑距离乘积；

X_L—重心距陆侧支撑距离（m）。

其他数据：基距：18 m

轨距：26 m

每侧支撑车轮数：24个

2.1.2金属结构部分

表2.1 门框各结构计算数据汇总

门框结构总重量：

（2.4）