摘 要

本次毕业设计主要对象是门座式起重机和人字架金属结构。门座式起重机是一种典型的港口散卸设备，特点为高效、可用于多种场合。我国目前的起重机技术发展迅速，但仍然存在很多问题，与国外的技术相比还有许多的差距。人字架与转台连接，承受来自平衡梁、大拉杆、起升滑轮组等部位传来的力，是门座起重机主要的承重构件之一。

文中通过案例分析得出人字架失效的主要表现形式为根部裂纹，并通过对人字架有限元模型的分析处理，知道了根部裂纹的成因。针对根部裂纹，文中提出了暂时性与根本性两种修复方案。由本案例总结了设备管理的有关理念，并提出了在门座式起重机设备管理方面，有关故障诊断以及设备维修的意见。

关键字：门座起重；人字架:裂纹；修复设计；设备管理

Abstract

The main objects of this graduation project are the portal cranes and herringbone metal structures. Portal cranes are a typical port dumping device that is characterized by high efficiency and can be used in many applications. China's current crane technology is developing rapidly, but there are still many problems and there are many gaps compared with foreign technologies. The herringbone is connected with the turntable and receives the force from the balance beam, the large drawbar, the lift pulley block and other parts. It is one of the main load-bearing members of the portal crane.

     In the paper, the case analysis shows that the main form of the failure of the rack is the root crack, and through the analysis and processing of the finite element model of the human frame, the cause of the root crack is known. For the root cracks, two temporary and fundamental restoration programs were proposed. The relevant concepts of equipment management are summarized from this case, and suggestions on the equipment management of the portal gantry cranes, fault diagnosis and equipment maintenance are proposed.

Key Words: the portal carne; A-frame ; crack; repair design; equipment management

目录

第1章 绪 论 1

1.1课题研究背景 1

1.2门座起重机国内外现状和发展 1

第2章 门座起重机人字架的结构及失效形式研究 4

2.1门座起重机人字架的结构形式 4

2.2门座起重机人字架的失效形式研究 5

2.3门座起重机人字架主要失效形式 5

2.4本章小结 6

第3章 上海港MQ4038门机人字架失效案例分析 6

3.1 MQ4038门机人字架失效案例 6

3.2门座起重机人字架载荷分析 7

3.3人字架开裂原因分析与计算 9

3.4 本章小结 16

第4章 人字架根部开裂的失效修复设计 16

4.1 裂纹修复前预处理措施 16

4.2 裂纹修复方案的设计 16

4.3 本章小结 17

第5章 设备管理对策分析 18

5.1设备管理概述 18

5.2从人字架的失效修复到门机设备管理的对策 19

第6章 门座起重机环境影响及经济性分析 21

6.1 环境影响分析 21

6.2 经济型分析 21

第7章 总结与展望 22

7.1总结 22

7.2展望 22

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪 论

1.1课题研究背景

门座起重机因其高效性、良好的可靠性、多用途性，在现代港口物流的发展中，占据了重要的地位，生产过程机械化、自动化、物料搬运的改良、生产率水平的提高离不开门座起重机的运用。与此同时，经济建设的快速发展，也带来了更高的需求，门座起重机制造技术的提高，也使得起重量更高、可靠性更好、种类更丰富的门座起重机的生产成为了可能。

门座起重机在露天散货物料的装卸工作中，有着得天独厚的优势，其在起重量、作业空间、货场面积利用率装卸效率上的优势，相比其他种类的起重机来说是非常明显的，这也使得门座起重机在露天货场下的搬运作业上被大量的使用。不但如此，门座起重机和连续输送机有着良好的适配性，门座起重机与连续运输机械的配套使用，可以使货场的体系化、专业化、自动化得到大大的提高。因此很多货场都将门座起重机作为主要配套机种使用，有着十分良好的应用前景。

因此，研究门座起重机尤其是人字架的失效原因，并由此设计出良好的修复方案，是十分必要的。此外，对设备管理提出可行管理方案和时候维护措施，并对日常使用、按时检测、事后维修这一系列流程做到及时的监控，做到事前预防，事后维修总结，也具备着重大的意义。

1.2门座起重机国内外现状和发展

1.2.1国内外门机的发展现状

我国在2001年正式成为世界贸易组织（WTO）的一员，我国也成为了全球贸易体系中重要的一环，我国港口运输因世界贸易而发展迅速，这也使得港口机械设备的发展空间有了很大的提升。作为码头专用装卸、搬运和堆码作业的起重机械，门座起重机具有低成本、高效作业、机动性和通用性强等优点。这使得门机在港口码头得以广泛的应用。在现代工业快速发展和国际贸易竞争日益激烈环境下，港口机械设备需要紧跟时代脚步并提出更高要求。因此对于门机的设计不能一成不变，墨守成规，要敢于革新，用好、活用各种新型技术，制造出更加大型化、自动化、高速化和智能化的门座起重机，来满足现目前和未来工业和贸易环境的要求。

欧美国家的起重机专业生产厂家Liebherr、Design engineer-Electric、Manitowoc，日本的专业起重机生产厂家神钢等，这些厂家生产的起重机，技术先进，质量可靠，在国际市场上占有很高的份额。欧美国家的起重机生产厂家在技术上遥遥领先于其他国家，其设计的各种型号的起重机不仅吨位大，而且有着新颖的设计结构，可靠的安全性，良好的稳定性。欧美国家的厂家拥有最先进的技术，日本的厂家虽然在技术上略有不足，但胜在制作有很高的精细化程度，依旧值得我们学习和借鉴。

我国目前门座起重机在发展过程中遇到的关键问题包括： （1）没有掌握核心部位的技术。发动机、液压件、高质量钢材等核心部件的技术难题一直未能得到解决，使得起重机的发展受到了严重的制约。（2）制造水平与设计的要求的不对等。国内起重机制造水平不满足设计的需要，这一方面问题在于设计人员不够精益求精，对制造情况不了解，另一方便在于高级制造工人的稀少与高新制造设备的短缺。此外．国外研发新产品的生产周期更长更科学，从构思到设计、制造、调试至少需要几年的时问。相反，国内的研发周期很短，为了更快的产生利润，甚至在产品技术还未成熟就投入市场。从上面两个主要问题来看，想要在技术上，赶超国外水平，对核心部件的技术研究加大投入是一方面，更重要的时候提高设计人员和制造人员的能力，用更好的管理科学提升他们的工作态度，技术的发展也不是一蹴而就的，需要整个体几代人的共同努力才能实现。

1.2.2门座起重机金属结构的研究现状

金属结构是因冶金工业以及机械制造工业的发展应运而生，而建筑业和交通运输业对的需求成为金属结构迅速发展的重要诱因。金属结构是由型材、板材和铸锻件等金属制件通过一定的连接手段所制成并满足一定使用要求的工程结构。大拉杆、人字架、象鼻梁、转台、变幅齿条、圆筒等结构是起重机金属结构的重要组成部分，研究这些结构的结构特点对于整个起重机的研究有着重大的帮助。

起重机有着十分宽广的应用范围，而为了保证起重机使用的专业化，提高工作效率，在不同的状况和条件下，都对应着相应的专业的起重机设备，这使得起重机的型号非常多，而起重机的金属结构也是五花八门、样式繁多。 起重机金属结构虽然形式各异，但主要组成构件可分为以下三种：（1）受弯构件。（2）压弯构件。（3）轴心受力构件。根据这些构件的受力和尺寸大小又可分别设计成格构式、实腹式或者混合式的结构形式。

金属结构的研究由来已久，18世纪的英国产业革命中随着冶金工业的发展，金属结构就已经开始应用。到了如今，金属结构的研究已经趋于成熟，目前的金属结构设计在多年的发展中总结出了下列要求：1）满足总体设计的要求2）优秀的性能、耐用的品质3）质量轻、材料少4）良好的工艺性、合理的结构5）漂亮的外观。

在未来起重机金属结构的研究中，应与其它学科的发展相结合，推动设计理论与方法的不断更新研究。推广采用先进的技术手段，加强起重机金属结构的参数化设计、标准数据库建设和CAD-CAE-CAM的综合应用研究。随着各类装卸船只的吨位的发展，起重机金属结构的大型化也应该加速发展步伐。

1.2.3 门座起重机的发展方向

经济蓬勃发展和现代港口物流行业吞吐量的持续增长对门座起重机提出了更高的需求，而多年来的科学理论与生产技术的不断发展也使得制造更先进、更可靠的门座起重机成了可能，门座起重机的前景十分广阔，甚至整个港口机械体系都将会发生蜕变：

（1）降低门座起重机产品的生产成本

门机在设计、制造和采购过程中产生的成本都是门座起重机产品的生产成本。设计方面，随着计算机辅助设计的快速发展，以后设计将会变得更见的简单快捷。而制造方面的成本，也将随着制造技术的提高而降低。

（2）面向大型化，高速化和专业化发展

由于近年来，船只吨位大幅提高，为了保证装卸货物的效率，门座起重机大型化、高速化是必然趋势。而专业化的实现也将大大提高货物的装卸效率。
　　（3）提高产品的自动化、智能化和数字化程度

自动化、智能化、数字化不止是门座起重机发展的方向，也是未来机械工业发展的大方向。自动化意味着生产效率的提高，智能化意味着人工成本的降低，无人工厂的实现成为了可能，数字化代表机械的高精度，随着传动部件和控制部件的优化更新，门座起重机的自动化、智能化、数字化发展的实现指日可待。

（4）采用电脑辅助设计与仿真手段

近年来，计算机技术以及各种软件的迅猛发展，给门座起重机设计人员提供新的设计手段，通过在计算机上采用仿真与虚拟设计的技术，能够使设计变得更加的简明轻松。

第2章 门座起重机人字架的结构及失效形式研究

2.1门座起重机人字架的结构形式

人字架是门座起重机的重要承重构件之一，通常放置起重机的中间部位，立于旋转平台之上。人字架的顶部与平衡梁、大拉杆、起升滑轮组相连，承受来着这些构件上的力；一般人字架的中部设置有一平台来放置变幅机构，变幅机构通过变幅齿条与臂架相连，控制臂架的变幅。人字架的下部与旋转平台相连，通过焊接固定。

图2.1 人字架的三种结构形式

图a为桁架式，由一个竖直框架、一个倾斜框架以及一个侧面杆件组成。在桁架式结构的中部设置有一平台。在结构的顶部安装有两个铰接支座。

图b为桁构式，一个框架结构倾斜放置，由两个拉杆支撑，变幅机构放置在倾斜框架中部的一根横梁上。

图c为框架式，两框架放置在侧面，中间由一些横梁连接，顶部安装有连接大拉杆以及平衡梁和还有起升滑轮组的支撑。结构的中部为横梁构成的变幅平台。

现如今，人字架的常用结构一般为框架式。由于人字架受力比较复杂，且受力较大，一般采用Q345结构钢。人字架各构件一般通过焊接连接。人字架顶部共有2组支座和一个起升滑轮组，平衡梁和大拉杆通过支座与人字架连接。人字架的中部通常放置有一横梁来安装变幅平台，变幅平台通过变幅齿条与臂架相连。人字架的根部与旋转平台焊接，将人字架所受的力传导给转台。

2.2门座起重机人字架的失效形式研究

通常人们所说的设备运转正常指的是设备有一定的功能，没有任何的缺陷，或是缺陷处于一个可容忍的范围内。但如果设备出现了一定的缺陷，而且这个缺陷超出可容忍的范围，那么设备的状态就会发生改变，将会无法维持其正常的功能，此时我们可以认为该设备失效了。人字架是起重机重要的承重构件之一，它所发挥的承重功能十分重要，人字架的失效会对整个起重机产生非常大的影响。与之连接的平衡梁、大拉杆、起升滑轮组、变幅机构、臂架等都会受到影响。

机械零件在使用过程中因为设计、材料、工艺或装装配等各方面的原因无法实现原规定的功能的现象，称之为失效。工艺性失效、设计性失效和使用性失效三种形式是人字架常见的三种失效形式。

2.2.1门机人字架工艺性失效

人字架在加工过程中，由于施工人员对工艺流程的不了解或是没有严格按照规定的规定的工艺流程操作，或是加工时才用了错误的加工方法，而检测时没有发现或是检测结果错误，造成制造出的人字架不满足设计要求，承载能力没有达到设计值的现象就是人字架的工艺性失效。由于人字架的连接常采用焊接，所以人字架的工艺性失效常常是焊接缺陷导致的。

2.2.2门机人字架设计性失效

由于人字架的受力比较复杂，承载能力要求也较高，人字架的设计需要考虑多种构件的影响，在节省材料和保证承载能力的双重制约下，在设计人字架的结构形式和确定具体尺寸时，常常会出现设计不全面并且校核时没有发现的情况，这种情况下导致人字架失效的现象称为人字架设计性失效。

2.2.3门机人字架使用性失效

港口环境复杂，起重机作业任务繁重，承载量大，起重机经常会处于满负载甚至超负载情况下运行，而操作员的操作不当，设备检测措施错误不全面等因素导致的人字架失效的现象称为人字架使用性失效。

2.3门座起重机人字架主要失效形式

上一节中，我们将人字架的失效形式总结成了三种，分为工艺性失效、设计性失效、使用性失效。但在实际过程中，往往有的失效形式会多次重复出现，这种失效就会是我们重点需要解决的问题，下面就将探究门座起重机人字架的主要失效形式。

门座起重机的焊接工艺在多年来的生产实践中已经制定了一套成熟的设计准则，并且还有一套完善的检验标准去保证质量。由于门座起重机的载荷大，出现问题影响很严重，所以对焊接的工艺过程常常是被严格监控的。在实际检测中，人字架的金属结构十分稳定，通常检测出的最大应力往往远小于许用应力，在强度、刚度、稳定性上的检测结果也通常不会出现问题。变形、腐蚀和磨损方面的问题不仅出现得很少，而且对于整个人字架金属结构来说，影响也很小。通过总结多年来的案例，可以发现人字架主要的失效就是金属裂纹，而且常常出现在人字架后根部与转台连接处。

2.4本章小结

这一章节中，主要对门机人字架的结构形式进行了简要的介绍，可以知道常用的门座起重机人字架的结构主要包括1）两块侧面的框架、2）承载变幅电机的横梁、3）安装有大拉杆支座、平衡梁支座、滑轮组的顶部结构、4）阶梯部分。

我在本章中将人字架的失效形式做了总结，共三种，分别体现在工艺、设计、使用之上。随后又根据人字架的受力特点，通过分析确定实际工作中常见的主要失效形式为人字架后根部出现金属裂纹。

第3章 上海港MQ4038门机人字架失效案例分析

3.1 MQ4038门机人字架失效案例

上海港国际港务集团在用的一台MQ4038型门座式起重机在使用过程中发现了人字架后根部出现了裂纹，本课题将对该裂纹进行分析，并提出可行的修复方案，最后总结出设备管理方法。

图3.1 人字架左后翼板段部裂纹

图3.2 人字架右后翼板端部裂纹

3.2门座起重机人字架载荷分析

本台门座起重机结构是常见的四连杆组合臂架结构,人字架的受力情况十分复杂，与平衡梁、大拉杆、旋转平台相连，中部平台上安装有变幅机构，变幅机构通过变幅齿条与臂架相连，控制臂架的幅度。人字架的受力有来自平衡梁的力N；起升绳索与连向变幅机构的绳索的力S，组合向人字架顶部滑轮施加的压力；来自大拉杆的力P；人字架的自重G；变幅机构的自重和压轮力W；变幅齿条的力F。以上为人字架的主要受载，在实际情况中人字架常常还会受到风载荷、运行载荷、温度载荷等影响，但这些载荷影响较小，且为了计算方便，本文中不考虑。此外，由于当起重机处于最大幅度时，人字架所受的载荷最大，最容易出现失效，故在计算时，变幅齿条力方向、大拉杆方向、起升绳方向等均按最大幅度计算。

3.3 人字架受力示意图

（1）门座起重机大拉杆支座的载荷计算

本台门座起重机由本毕设小组多人负责，经象鼻梁及大拉杆负责同学计算可得组合臂架大拉杆传来的力P=。

（2）平衡梁传来的力N。

M₁

M₄

M₂/2

M₃

F_y

F_x

图3.4 平衡梁力矩图

平衡梁采用对于杠杆-活对重臂架平衡系统，将作用在平衡梁上的各力平衡梁对重G平对、小拉杆重力G小、平衡梁自重G平、小拉杆拉力F小分别对支座点取力矩有：平衡梁受对重重力力矩M_1、，小拉杆重力力矩的一半M₂/2,小拉杆拉力力矩M₃，平衡梁自重力矩M₄。

经过查阅图纸可得，平衡梁对重为G平对=34620N，力臂为43.849m；小拉杆重力为1330N，力臂为58.023m；平衡梁自重G平=8703N， 力臂为6.963m；小拉杆拉力力臂为21.03m。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：