摘 要

改革开放以来，我国的经济发展十分迅速，港口运输行业也在稳步发展。作为港口行业重要的机械设备，门座起重机也随着最新技术的发展，不断更新换代。回转机构是回转类型门座起重机的主要工作机构之一，本文对回转机构进行了设计和计算，完成的内容有以下几个方面：

（1）以MQ5040单臂架门座起重机为例，本文对其进行了总体设计计算，通过校验载荷、轮压和整机倾覆稳定性等，确保了该机型的设计符合要求；

（2）本文对回转机构进行了初步设计，确定了回转支承装置和回转驱动装置的类型，并对回转驱动装置中的电动机、减速器、制动器等进行了选型计算；

（3）本文运用SolidWorks软件对回转机构进行了三维建模，并在所建立模型的基础上，运用Adams软件对模型进行了运动学仿真；最后，本文还对起重机的经济性和环保性进行了初步分析。

本次设计在传统的设计计算的基础上，添加了运动学仿真和经济性、环保性分析，这是起重机设计的发展趋势，本行业的设计人员有必要在这些方面深入挖掘。

关键词：门座起重机；总体设计；回转机构；三维仿真

Abstract

Since the reform and opening up, China's economic development is very rapid, the port transport industry is also steady development. As the port industry important mechanical equipment, portal crane also with the latest technology development, constantly upgrading. Rotary mechanism is one of the main working mechanism of the rotary type portal crane. In this paper, the design and calculation of the rotary mechanism are carried out. The contents are as follows:

(1) Taking the MQ5040 single-arm gantry crane as an example, this paper has carried on the overall design calculation to ensure the design of the model meets the requirements by checking the load, the wheel pressure and the overturning stability of the whole machine;

(2) In this paper, the rotary mechanism is designed, the type of the slewing bearing and the rotary drive are determined, and the motors, reducers and brakes in the rotary drive are selected;

(3) In this paper, the three-dimensional modeling of the rotating mechanism is carried out by using SolidWorks. And on the basis of the model, the kinematics simulation of the model is carried out by Adams. Finally, this paper also analyzes the economic and environmental protection of the crane.

This design is based on the traditional design and calculation, adding kinematics simulation and economy, environmental analysis, which is the development trend of crane design, the industry designers need to dig in these areas.

Key Words：Portal crane; overall design; rotary mechanism; three-dimensional simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 设计的目的及意义 1

1.2 国内外的现状和发展趋势 2

1.2.1 总体设计 2

1.2.2 结构分析 2

1.2.3 软件应用 2

1.3 设计的基本内容和采用的技术方案 3

1.3.1 设计的基本内容及目标 3

1.3.2 设计要求 3

1.3.3 总体技术流程 3

1.3.4 回转机构技术流程 4

第2章 MQ5040单臂架门座起重机总体设计 5

2.1 设计参数 5

2.2 臂架系统设计 6

2.2.1 货物水平位移补偿系统设计 6

2.2.2 臂架自重平衡系统设计 8

2.3 载荷的计算 9

2.3.1 自重载荷 9

2.3.2 额定起升载荷 12

2.3.3 动载荷 12

2.3.4 货物偏摆载荷 13

2.3.5 风载荷 14

2.4 轮压的计算 20

2.5 整机抗倾覆稳定性计算 22

2.5.1 无风静载工况 23

2.5.2 有风动载工况 23

2.5.3 暴风侵袭工况 24

2.5.4 突然卸载或吊具脱落 25

2.6 车档冲击力计算 25

2.7 防阵风制动能力计算 26

2.8 非工作状态防风锚定力计算 26

第3章 MQ5040单臂架门座起重机回转机构设计 27

3.1 回转机构的组成 27

3.2 回转支承装置选型和计算 27

3.2.1 回转支承装置的构造 28

3.2.2 回转支承的选型计算： 28

3.3 回转驱动装置设计和计算 30

3.3.1 回转阻力矩的计算 30

3.3.2 选择电动机 31

3.3.3 选择减速器 34

3.3.4 选择制动器 35

3.3.5 极限力矩联轴器 35

第4章 回转机构三维建模和运动学仿真 37

4.1 零部件模型的建立 37

4.2 回转机构的装配 39

4.3 运动学仿真 40

第5章 经济性和环保性分析 42

5.1 环境影响分析 42

5.2 经济性分析 43

第6章 全文总结与展望 44

6.1 全文总结 44

6.2 展望 44

参考文献 45

致谢 46

第1章 绪论

1.1 设计的目的及意义

起重机是一种能在空间内移动货物的机械^[1]，循环作业和间歇动作是起重机工作的特点。按照构造特征，起重机可分为臂架型、桥架型和缆索型三大类^[2]。具体的还有更详细的分类方法^[2]，如根据取物装置、移动方式、驱动方式、回转能力、支撑方式、操作方式等特征对起重机进行分类。图1.1是较常见的单臂架门座起重机。

图1.1 单臂架门座起重机

起重机是现代工业生产必不可缺的重要机械设备，能很大程度提高生产率实现机械化和自动化。在港口行业，港口起重机^[3]通常被用来完成船舶和车辆的装卸，库场的堆码、拆垛和转运，舱内、库内和车内的作业，以及船厂内的安装等作业。在建筑行业，塔式起重机^[4]通常被用来摩天大楼、电视塔以及冷却塔等的施工。在冶金行业^[5]，企业的炉料搬运、钢水浇铸、铸坯以及轧钢工艺等都必须依靠冶金起重机进行作业。除上述行业外，在船舶制造、车站库场、开矿、海洋开发和航空航天等领域，起重机都是主要的生产工具，在生产中进行着效率极高的流水化作业，目前起重机已成为现代化生产作业的重要标志。

1.2 国内外的现状和发展趋势

1.2.1 总体设计

人工智能技术是近年来最热门的技术之一，浙江大学陈菊生^[6]等人运用这种技术将起重机总体方案设计中得有关知识系统化和条理化，研制出了门座起重机总体方案设计专家系统，降低了门座起重机总体方案设计的难度，节省了大量时间和精力，有效降低了设计成本。虚拟样机技术^[7]是一种新型的机械设计方法，有研究人员对虚拟样机技术在门座起重机设计上的应用进行了研究^[8]，通过该技术的使用，可以生成整机系统的虚拟样机模型，同时大大缩短了门座式起重机的设计时间，有效降低了产品的研发成本。

起重机工作环境恶劣，且具有工作周期短，重复和循环等特点，金属结构出现缺陷是普遍现象，有研究人员基于金属结构故障检测技术，通过监测断层应力值，用统计分析和巴黎模型的方法^[9]进行结构安全评价，预测门式起重机开裂结构件的剩余寿命，并确认合理的维护时间和检查周期。此外，对典型工作条件下的组合臂的振动特性和动态响应^[10]进行研究也是一个热点，因为这样能提高最高位置处的最大重量。鉴于门座起重机的工作环境和工作特点，有必要对其机械状态进行监控，以保证设备的安全。根据门式起重机的特点，研究人员设计出了无线监测系统，该系统解决了金属结构测试的温度漂移，零点设置等问题，同时使用GPRS DTU作为传感器的核心部件^[11]，将数据传输到互联网。

1.2.2 结构分析

回转机构是起重机相当重要的工作机构，武汉理工大学的胡吉全^[12]对港口起重机的回转支承进行了失效分析和设计选型方面的研究，对回转支承的失效形式进行了分析和总结，在设计选型上给出了较重要的参考意见。门架是门座起重机金属结构中典型的组成部分，有研究人员对两种常见的双层撑杆门架结构^[13]进行了分析与比较，通过强度、刚度、振动特性以及结构设计等方面的对比，提出了一些在设计此类门架结构时需要注意的问题，为此类结构的优化设计提供了依据。

1.2.3 软件应用

ANYSYS软件是比较常用的有限元分析软件，设计人员使用ANYSYS软件计算出臂架结构的应力和变形^[14]等参数，对臂架结构的设计进行了指导，使得整机性能得到改善，同时为该类型起重机臂架结构的设计提供了有价值的参考。工作状态下的起重机在风载荷作用下的安全问题^[15]是一个重要课题，有研究人员利用Adams仿真软件对该问题进行了制动分析，并分别仿真分析了门座起重机在不同风速下的制动性能，结果显示现行工作制动器在起始脉动风下制动安全，但在高速脉动风下制动安全性不足。该结论为起重机设计人员和安全管理人员提供了较好的思路。

1.3 设计的基本内容和采用的技术方案

1.3.1 设计的基本内容及目标

通过查阅文献资料，结合本科期间所学知识，在老师的指导下，完成MQ5040单臂架门座起重机^[16]的总体设计计算、货物水平位移补偿系统及臂架自重平衡系统的设计，同时完成回转机构的设计计算，并通过使用AutoCAD、SolidWorks和Adams等相关软件，完成相关图纸的绘制和对回转机构的三维仿真建模。最后完成设计计算报告书，达到提高工程实践能力和对所学知识的综合运用能力的目的。

1.3.2 设计要求

本次设计的研究对象是MQ5040单臂架门座起重机，在实事求是的基础上，需要按时完成以下内容：