摘 要

本文以四连杆MQ1630门座起重机为例，详细的叙述了MQ1630门座起重机的总体设计整个设计计算过程：包括门座起重机的总体设计参数的确定、门座起重机主要工作机构和结构形式选择、货物水平位移补偿系统和臂架自重系统设计计算、起重机的抗倾覆稳定性验算及轮压计算等。然后采用三维建模软件CREO进行整体机构简化建模，最后运用CREO的机构模块对模型进行运动仿真，最后导出合理的工程图。本文特色在于借助了三维建模软件CREO建立了整机模型，并且对起重机进行了运动仿真的分析，使设计者能够准确的获得起重机在使用过程中的各项性能参数，并且可以根据这些性能参数对起重机进行合理设计改进。

关键词：门座起重机，总体设计，Creo建模

Abstract

This paper takes the four-link MQ1630 portal crane as an example, and describes in detail the overall design calculation process of the overall design of the MQ1630 portal crane: including the determination of the overall design parameters of the portal crane, the main working mechanism of the portal crane and the structural form selection, The horizontal displacement compensation system of the cargo and the design and calculation of the self-weight system of the boom, the anti-overturning stability check of the crane and the calculation of the wheel pressure. Then use the 3D modeling software CREO to simplify the overall mechanism modeling, and finally use CREO's mechanism module to simulate the model, and finally derive a reasonable engineering drawing. This paper is characterized by the establishment of the whole machine model by means of the 3D modeling software CREO, and the analysis of the motion simulation of the crane, so that the designer can accurately obtain the performance parameters of the crane during use, and can be based on these performance parameters. Reasonable design improvements to the crane.

Keywords: portal crane, overall design, Creo modeling

1绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3主要内容： 2

2MQ1630门座起重机总体设计计算 3

2.1性能参数 3

2.2货物水平位移补偿系统设计 4

2.2.1货物水平位移补偿系统原理 4

2.2.2刚性四连杆组合臂架方案的作图法设计 4

2.2.3组合臂架系统的验算 6

2.3臂架自重平衡系统设计 9

2.4计算载荷以及载荷组合 12

2.4.1自重载荷 12

2.4.2起升载荷P_Q 12

2.4.3自重振动载荷Φ₁P_G 12

2.4.4起升动载荷φ₂P_G 12

2.4.5突然卸载时的动力效应 13

2.4.6运行冲击载荷 13

2.4.7起重机运行惯性力 13

2.4.8货物偏摆载荷 13

2.4.9风载荷 14

2.4.9载荷组合 16

2.5重量重心计算 16

2.6起重机抗倾覆稳定性验算 17

2.6.1基本原则 17

2.6.2门座起重机的验算工况 17

2.6.3载荷系数和载荷组合 17

2.6.4抗倾覆稳定性验算 18

2.7轮压计算 21

3MQ1630门座起重机CREO三维模型 25

3.1起重机三维模型建立 25

3.2起重机模型仿真 26

3.3导出工程图 28

4全文总结与展望 30

1绪论

1.1目的及意义

港口门座起重机是一辆发生间歇动作的大型机械，它的工作特点具有重复性、短暂性和周期性循环。起重机在装卸、搬运货物时，通常进行吊起货物、运送货物、卸下货物、最后反向回到原来的工作位置的作业过程，这样的一整个作业过程被称为一个完整工作循环。在每个工作循环中，相关的工作机构都要与之对应作正向和反向的交替运动，并且伴有频繁的启动和制动过程；各工作机构就是这样重复并且周期性的工作。起重机主要工作机构可以分为四个模块，它们分别是起升机构、运行机构，变幅机构和回转机构。起重机主要技术参数是总体设计的关键内容，同时也是表征起重机重要性能特征的主要依据，而且是设计、选择起重机的主要技术依据。起重机械的主要技术参数有：起重量、起升高度、幅度、基距、轨距、各机构工作速度、许用轮压、生产率和工作级别等。在做总体设计的过程中可以深入探究这些技术参数对起重机各个机构的影响。

1.2国内外研究现状

四连杆门座起重机臂架系统算法具有多样化的特点。对四连杆门座起重机变幅系统的吊重水平性进行分析研究,将从前所运用的优化设计方法实例分析,并得出结论，在四连杆门座起重机臂架系统的优化设计中,可以采用分布优化的设计方法，达到减少变量的目的。在变幅系统的优化设计计算中,采用遗传算法,大体能够满足6个变量的计算速度要求,得出的结果结合自重平衡系统的优化设计便可以在工程实际当中应用^[12]。

起重机自重平衡系统在总体设计的关键步骤。张波，张浩利用三维建模软件SolidWorks进行大车平衡梁三维分析，有利于起重机的结构设计，让设计更加标准化和规范化，并且能生成各种结构尺寸三维模型，导出工程图，然后可以利用有限元分析技术快速校核。采用三维参数化模型分析，能够大幅度节省三维建模所花费的时间，并且还能有效降低设计过程出现结构错误差错的概率，提高投标报价的效率^[[[4]。

变幅机构是改变起重机幅度位置的机构，它是臂架型四连杆门座起重机最主要的工作机构。鲍善胜，秦义校，李之光以变幅机构四连杆系统各杆为刚性体，建立变幅过程中得多体动力学矩阵方程，从而推导变幅过程中加速度和变幅惯性阻力，并与起重机设计规范中已经考虑的变幅阻力对比分析，揭示了变幅驱动机构受变幅阻力的影响，为门座起重机的变幅驱动的机构设计提供参考依据^[8]。刘钦澎，曹旭阳，王殿龙，董想，吴刚，王雪松为了降低四连杆门座起重机运行工作和设计生产成本，针对变幅系统及平衡系统的优化进行了深入研究，在原有基础上，提出了一种改进的变幅轨迹的设计计算方法，这种方法保证设计计算结果的合理性，为变量的9个关键设计参数，在11种不同实际工况下的约束条件下，建立一个相比完善的机构杆长度计算的优化。基于优化结果建立变幅和平衡系统有限元模型，并运用一阶优化算法对截面尺寸进行优化设计，从而得到质量更小的变幅及平衡系统优化设计。结果表明:经过优化设计后，起重机的的变幅及平衡系统的质量得到显著降低，从而达到了减小制造成本的设计目的^[3]。

起重机的智能化和自动化是未来起重机行业发展的必然趋势。黄陈娣从国内外起重机的现状、未来发展的趋势中，研究门座起重机目前的发展情况。重点说明了我国门座起重机目前在某些方面存在的显著问题，以及门座起重机在未来的发展大致走向,认为门座起重机的在高速化、大型话和专用化的基础上可以实现智能化、数字化和自动化是起重机行业未来发展的必然趋势^[11]。

有限元分析软件ANSYS是我们设计起重机的必备软件，它能帮我们算出起重机机构的应力应变，找到危险节点。在后续设计工作中，可合理的考虑起重机使用的状况与一些工况条件，采用计算机ANSYS有限元分析，进行有限元分析，可在一定程度上反应起重机机构现实结构状态，为起重机设计分析提供可靠数据^[5]。

利用ADAMS软件对门座起重机模型进行动力学仿真对设计分析起重机至关重要。真李平，吴爱京，郭炜以MQ1625门座起重机为对象，分析运用虚拟样机技术，采用三维设计软件PRO/E门架钢结构模型的建立，然后将建好的模型导入到动力学分析软件ADAMS中，完成ADAMS门座起重机门架钢结构虚拟样机模型。成功引入虚拟样机和结构动力学仿真分析技术，对于ADAMS仿真在工程机械的专业方向的进一步研究，探究得到的结果具有起重机工程应用价值，为起重机机械设计和分析提供更快捷准确的计算设计方法^[9]。

起重机的安全问题亦需重点关注。赵志超从精确计算的角度出发，分析并计算了门机设备大车机构所配备的各防风部件的抗滑移能力，并在计算得出的门机在各种情况下的防滑移能力的基础上，利用门机的抗滑移能力来代替门机的最大风载荷，推算出门机的防风等级[1]。R. Duval.M.Bennebach.J. Blasiak, A. Guelbi对起重机结构中回转支承的疲劳性能建模。确定局部应力和疲劳损伤计算的影响参数，最有影响力的参数无疑是直径差距。引入差距相对于参考案例（零差距），大大降低了疲劳强度并增加了风险在轨道边界开裂^[13]。

起重机的控制方案也是设计的内容之一。Tho Ho；Kensuke Suzuki ; Mitsuo Tsume ; Ryosuke Tasaki ; Takanori Miyoshi ; 寺岛和彦 ;提出了非线性最优控制方案，以减少起重机系统有效载荷倾斜旋转过程的传递时间，能耗和残余振动，主要贡献是在不牺牲次优转移时间的情况下降低能耗想法是使用机电离合器在运动期间智能地脱离电动机和有效载荷之间的连接，使得有效载荷可以仅通过其自身的动量继续旋转，结果，必须实现切换的最佳控制问题^[14]。Christoph Holst;Martin Burghof；and Heiner Kuhlmann对门座起重机的受载主梁的变形进行分析，表明这一变形取决于装载集装箱的重量以及移动集装箱的轨道的位置。在模型中，他们通过收集特定的起重机轨道上的传感器数据来估算偏差模型的参数，测量和处理结果表明偏差在可以接受的范围之内[15]。

1.3主要内容：

MQ1630门座起重机总体设计的内容是：依据主要技术参数起重量、起升高度、幅度、基距、轨距、各机构工作速度、许用轮压、生产率和工作级别等，根据变幅过程中载重水平移动、变幅过程臂架自重平衡、总体尺寸协调等原则，得到臂架系统几何尺寸，自重平衡系统几何尺寸，起升、补偿滑轮组倍率，人字架尺寸等。然后进行总体稳定性验算。这些计算满足下列要求：MQ1630门座起重机必须具有足够的抵抗倾覆稳定性；起重机的支承反力和轮压的验算。

2MQ1630门座起重机总体设计计算

2.1性能参数

起重机主要技术参数是总体设计的关键内容，同时也是表征起重机重要性能特征的主要依据，而且是设计、选择起重机的主要技术依据。本次设计MQ1630门座起重机的主要性能参数见表 2.1。

表2.1MQ1630门座起重机的主要性能参数表

2.2货物水平位移补偿系统设计

2.2.1货物水平位移补偿系统原理

对工作性变幅机构中吊重水平位移补偿系统进行合理设计，能够让货物在变幅过程在水平或接近水平线轨迹移动，以降低能耗，提高操作性能。吊重水平位移补偿系统方案有很多种。综合归纳可分为两大类：绳索补偿和组合臂架系统。本次设计，采用组合臂架系统方案。

刚性拉杆组合臂架是在门座起重机的组合臂架方案中应用最广泛的方法，图2.1示出了起重机在变幅过程中吊重保持水平或接近水平移动的原理，臂架1、象鼻梁2、大拉杆3组成，三构件与机架构成一平面四连杆机构，这种方案又称为四连杆组合臂架系统。当臂架俯仰运动时，象鼻梁端点的运动轨迹为一双叶曲线。机架O和O1位置和臂架尺寸选择合适，则在正常的工作幅度范围R内，象鼻梁端点运动轨迹ab段接近为一水平线，也就实现了吊重沿接近水平轨迹移动。

图2.2组合臂架工作原理

2.2.2刚性四连杆组合臂架方案的作图法设计

根据设计参数的最大幅度R_max和最小幅度R_min,起升高度H，总体布置要求等条件可以初定臂架下铰点O的位置。根据起重机的型式，依据设计的总体布置要求，可以选取臂架下铰点O距重心2.1m，O点到象鼻梁端部滑轮中心的高度可以根据起升高度来初步计算,计算得H=12.5m.