摘 要

港口的日益发展对港口机械的要求越来越高，因此港口装卸机械的设计计算方法需要不断地更新，对于门座起重机而言，臂架系统是起重机主要的承载部件之一，其力学性能对整机的正常运转有着直接影响。随着起重机工作速度和起重量的不断提高，对臂架系统进行动力特性分析非常必要。臂架是受力复杂的重要结构件，确定起升钢丝绳拉力、偏摆和侧摆的变化规律，得出臂架结构该工况下的动载变化规律及动载数据，对臂架结构进行瞬态动力计算，得到结构动力响应。对臂架结构的动态响应计算结果中的动位移和动应力进行较深入地分析，为该类臂架结构的动态设计分析提供依据和参考，臂架系统设计的好坏将直接影响整机的工作性能，因此对臂架系统进行优化研究具有重要的理论意义和现实意义。

（1）使用CAD设计出起重机自重平衡系统以及臂架四连杆结构，并由此确定起重机四连杆基本尺寸，得到臂架结构的几何尺寸。

（2）利用Creo3.0软件构建臂架结构的三维设计分析模型

（3）在workebench中完成该构件的刚度稳定性强度分析。

（4）导出该构件在Creo中的工程图模板。

关键词：门座式起重机，臂架结构，Creo，workbench

Abstract

As the port's growing development demands more and more port machinery, the design and calculation methods of port handling machinery need to be constantly updated. For portal cranes, the boom system is one of the main load-bearing components of the crane, and its mechanical properties are The normal operation of the complete machine has a direct impact. With the continuous improvement of crane working speed and lifting capacity, it is necessary to analyze the dynamic characteristics of the boom system. The jib is an important structural part subject to stress, determining the variation law of the tension, yaw and side-sway of the hoisting wire rope, and the dynamic load change law and dynamic load data of the jib structure under this working condition are obtained, and the jib structure is performed. Transient dynamics calculations yield structural dynamic responses. The deep dynamic analysis of the dynamic displacement and dynamic stress in the dynamic response calculation results of the boom structure provides a basis and reference for the dynamic design analysis of this type of boom structure. The design of the boom system will directly affect the entire machine. Work performance, so the optimization of the boom system has important theoretical and practical significance.

(1) Using CAD to design the crane self-weight balance system and the boom four-bar linkage structure, and determine the basic dimensions of the crane's four-bar linkage to obtain the geometry of the boom structure.

(2) Using Creo 3.0 software to construct 3D design analysis model of boom structure

(3) The stiffness stability strength analysis of the member is completed in the workbench.

(4) Export the drawing template of this component in Creo.

  Keywords: portal crane, boom structure, Creo, workbench

目录

第1章 绪论 1

1.1 门座式起重机简介 1

1.1.1 门座式起重机的发展现状及前景 1

1.1.2 门座起重机的分类 1

1.1.3门座起重机发展历 2

1.1.4门座起重机工作特点 2

1.1.5国内外发展趋势 3

1.2 设计任务及设计要求任务及要求 4

第 2 章 总体设计门座式起重机的臂架结构 5

2.1总体设计 5

2.2臂架结构概述 6

2.3臂架结构设计思路 6

第 3 章 门座式起重机转台结构的三维建模 8

3.1 Creo软件介绍 8

3.2臂架结构建模 9

第 4 章 模型受力分析及优化设计 14

4.1ANSYS 软件简介 14

4.2 模型导入过程 15

4.3 受力分析过程 16

4.4 模型优化 17

第 5 章 工程图导出 21

5.1导出工程图简介 21

5.2图纸标注 21

第 6 章 环境影响及经济性分析 23

6.1环境影响分析 23

6.2经济性分析 23

第7 章总结 24

参考文献 25

第1章 绪论

1.1 门座式起重机简介

1.1.1 门座式起重机的发展现状及前景

门座起重机是一种在大型港口和造船厂常用的起重机械。灵活方便起重量大，是它作业的特点、它的适应性强对任何货物的适应性都比较好、安全性和可靠性都在各类起重机,因此得到了广泛的使用。随着经济全球化和各国交流日益增多，外贸的繁荣,港口码头物流对门座起重机装卸货物的效率、使用的安全可靠等工作性能提出了更高的要求。所以,海内外各种研究机构纷纷投入研究起重机的大军。门座起重机的最核心的工作机构是由变幅系统下面的四连杆结构组成。四连杆尺寸设计好坏是可以很大程度影响门座起重机工作性能。

1.1.2 门座起重机的分类

门座式起重机分为机构和结构两部分：门座式起重机机构分为起升、 回转、 变幅和运行 4 种机构， 前 3 种机构装在转动部分上,一般都同时参与工作。 转动部分上装有单臂架或组合臂架及司机室。门架下部是大车运行机构， 用来改变工作位置。
门架、 转台结构、臂架结构 人字架结构与大拉杆小拉杆结构组成了门座式起重机，。 其中，比较危险，受力比较大的结构是 门架结构、人字架结构转台结构和臂架四连杆结构

门架结构： 门架结构是整个门座式起重机的支撑， 对整个起重机的正常运行至关重要， 为了保证门机的安全运作， 对于门架结构的强度要求较高，刚度方面对门架的要求比较高。 门架结构型式， 可分为转柱门式架、 大轴承门架以及定柱门架。 根据门架使用钢材的类型， 可分为桁架式门架、 板梁式门架及箱型门架。
转台结构： 目前广泛使用平台的金属结构由两根纵向主梁和平板组成。 根据受力情况及大小， 这些梁可做成箱型断面或工字型断面。 臂架和人字架都支承在平台上， 此外，还有起升旋转平台和转柱相连接， 臂架的两个下支承座也焊在平台的主梁端部。 因此转台结构受力十分复杂， 要求比较高。
在门式起重机中，臂架被用作受力的主要组成部分。除了刚性要求之外，还需要人字形等结构来分离压力，连杆推杆和箭头组合。领带和它们的活重连接到人字。支架在转盘的设计上得到支持。除这些结构和结构外，门式起重机还配备了附加设备，如伸缩式漏斗和带式输送机，以改善门式起重机的性能，以满足不同运行条件的要求。为确保安全运行，门式起重机还配备了电气安全装置和安全装置，如起重或起重转矩限制器，起重机紧固螺钉等。

（1） 装卸用门座式起重机:主要用于港口和露天堆料场。用抓斗或吊钩装卸物品。起重量一般不高，而且起重量不随幅度变化。要求工作速度较快，所以生产率通是衡量它的标准。
（2 造船用门座式起重机：主要用于船台、浮船坞和舣装现场，使用吊钩进行作业、进行设备材料的起吊拼接工作。最大起重量高达300 吨,幅度大时应减小起重量。这类起重机有多种起升速度，可以根据具体的工作情况调节起升的速度。为了满足复杂的安装要求，对某些工作机构安装了独立的微动装置。
（3） 建筑安装用门座式起重机：主要用在水电站一般用吊钩对大坝进行浇灌及设备的吊装等。 起重量和工作速度一般介于前两类起重机之间。它具有整机装拆运输性好、吊具下放深度大、 能适应各种复杂的工作情况等优点。

1.1.3门座起重机发展历史
门式起重机随着港口行业的兴旺而一步步在市场占领份额。 1890年，首次在码头上安装了一个固定的摆动臂架，该井架安装了狭窄的堤坝，使其成为早期的活塞式起重机。随着码头宽度的增加，门式起重机和半门式起重机并排开发，水平和变幅系统是被大规模使用。二战结束后，香港的港口起重机发展速度惊人，便于同船上的几台起重机一起工作。典型使用的龙门起重机悬臂具有旋转连接到转柱（驱动所述起重机]）或旋转式滚动旋转装置，其中所述旋转部件是由一个大轴承与门底座连接，以减少所述旋转部分的柄部的直径和接收减小泊位面的表面（门座底座向地面的投影）门构造。在时代发展中，门式起重机也逐渐应用于码头和水电站，条件与港口相似⁵。

1.1.4门座起重机工作特点

（1）工作机构运行速度快。提升速度可达70米/分，变速可达55米/分

（2）起重量大。通常在5-100吨范围内，造船门式起重机的起重能力更大，可达150-250吨。

（3）工作能力高。它可以每天或每晚工作22小时，在车站运行期间效率非常高。通常它可以达到每小时100多吨。

（4）体积小。三维的结构：它没有考虑码头和货场的很大一部分，龙门具有高覆盖性和远距离，因此具有更大的高度和工作范围，并可以以机械装卸及港口船只和车辆的负荷响应。充分利用空间。

（5），成本高。需要大量的钢材。需要大电源。通常车轮中的压力相对较高。需要坚实的基础，并且有许多辅助设备，例如变电站和电缆。

1.1.5国内外发展趋势

国外发展趋势

约有45家海外门座起重机专业制造商。其代表主要是的利勃海尔，特雷克斯 - 德马格，马尼托瓦克和神钢。他们的产品类型比较齐全，技术领先，几乎垄断了市场。欧美制造商生产的门式起重机在国际市场遥遥领先。它起重量大。设计理念领先，可靠的安全特性和设备的极度稳定性在其他国家没有类似之处。而且，他们为大批量产品设置了GPS以进行实时监管，并具有广阔的视野。与欧美国家的产品相比，日本门式起重机产品的技术还有很大差距，但日本产品非常精致，仍值得探讨和模仿。

国内发展趋势   

随着中国制造业的快速发展，起重设备取得了显着成效。公司由国家质量监督检验检疫总局（AQSIQ）颁发发动机生产许可证，是I 616公司，具有强大的起重机械生产设备。在小吨位起重机的设计中，中国已经达到一个不错的水平，但要承认确实还是有很多不足的地方。从技术角度来看，中国开发大型门式起重机的时间相对较短，迫切需要在设计层面进行改进。从实证的角度来看，国产门式起重机并不像外国品牌那样可靠或稳定。由于上述研究和各方面的积累，我国必须在未来十年内减少与国外门式起重机的技术差距。 2017年，为了便于安装和运输塔式起重机以降低生产和运营成本，引入了动物仿生设计的概念。研究对象是一台门座起重机，采用仿生设计方法对门座起重机塔架结构进行优化设计。经过做实验分析，发现王梁静脉的构型符合黄金分割比例。根据相似性标准，Van Lian被确定为仿生支架的原型，综合了拓扑学和王连的优化实验结果，确定了动臂的仿生设计。利用APDL语言对悬臂的有限元模型进行了安装，然后利用ANSYS软件对原悬臂结构和仿生结构进行了静态分析。结果表明，仿生模型比原模型轻11.41％，以及强度，刚度等。各方面都取得了较好的优化结果

1.2 设计任务及设计要求任务及要求

1.根据使用要求确定臂架系统的几何尺寸；

2. 创建 MQ4035臂架结构的Creo三维模型。

3. 完成 MQ4035 臂架结构的ANSYS分析计算（刚度、强度和稳定性） 。

4. 绘制 三张A1图纸MQ4035 臂架结构工程图三张。

5.撰写设计计算说明书一份

第 2 章 总体设计门座式起重机的臂架结构

2.1总体设计

MQ4035门座起重机总体设计主要由臂架四连杆系统和自重平衡系统组成根据该起重机工作参数（见表1），结合起重机手册和设计准则可得到相关参数

表2.1 设计参数表

臂架系统的设计，要求理想状态下实现货物水平位移，这里为刚性四连杆组合臂架补偿，总体设计中，设计小组按照起重机设计手册用图解法来确定出臂架、象鼻梁、大拉杆的尺寸参数。这里使用CAD作图，按照设计手册的图解法来调整最大、最小幅度的仰角以及象鼻梁前后段的长度和夹角，分组计算，直到满足设计准则所要求的误差范围。这种不断调整再画图检验的方法十分麻烦，后来下载MATLAB，运用郭老师编写的四连杆变幅系统尺寸优化程序进行优化。在此程序中，输入所设计的四连杆相关参数，即可得出水平位移最大高度差和货物未平衡力矩，这两者一般要满足如下要求。

式中——水平位移最大高度差

——最大幅度

——最小幅度。

式中

——货物未平衡力矩最大值；

——额定载荷；

在MATLAB输入四连杆参数之后，计算结果显示如下图2.1

图2.1

图4.1

2.2臂架结构概述

箱型梁臂架主要由四块板搭接而成，两块腹板和两块面板，中间分布着横隔板和角钢加强刚度和强度还有和大拉杆连接的胶点，前胶点连接转台，后胶点连接滑轮组，还有吊耳挂钢丝绳，整个箱型梁是变截面结构，此外还有各种包板加强强度，风孔盖。

2.3臂架结构设计思路

因为箱型梁臂架结构相对复杂，从最大幅度到最小幅度有很多工况，为了减小工作量，一般取最大幅度，最小幅度，还有取一个中间幅度，计算迎风面积，计算各种载荷，包括风载荷，自重载荷，还有货物引起的载荷，齿条力等等考察结构的安全经济合理性。

对臂架结构进行设计时，前期由整体设计得到了臂架的长度，几个胶点之间的距离，中间胶点到臂架中心线的距离，首先要三维建模软件建立一个臂架的模型，这样子才能加力，才能用ANSYS分析其受力情况，MQ4035门座起重机上部主要由四连杆机构组成，根据臂架在整个门座起重机的位置，下胶点连接转台。中间连接着大拉杆，上胶点连接象鼻梁，从理论来讲，有无数个工况，在workbench里面受力分析的时候，应该选几个典型的工况，进行运算分析，通过ANSYS调整模型，调整板的厚度，横隔板的数量，其主要载荷来自自身配重，大拉杆和象鼻梁，最终确定臂架的结构形式。

进行门座起重机臂架结构建模，第一步是认真研究老师发的工程图，看懂每个结构的位置以及它们的接触关系，特别是臂架变截面设计，尺寸很容易出问题，刚开始要找好基准，避免以零件做基准面，防止出现感叹号，这样子后面更改很麻烦

第 3 章 门座式起重机转台结构的三维建模

3.1 Creo软件介绍

Creo由美国PTC赞助，拥有大量深度的3D软件3D CAD / CAM / CAE软件。它结合了三种PTC软件技术，例如参数化Pro / ENGINEER和CoCreate直接模拟方法。和ProductView 3D可视化。作为PKA Lightning，Creo项目的成员，该功能的开放性和易用性是其最大的特点。在产品生命周期中，不同的客户有不同的产品开发需求。克里奥，从工业流程设计，概念设计，计算和分析处理，动态仿真和建模，工程生产，加工的产品全过程的三维模型，应用领域包括汽车工程领域，军工，机械制造，数控编程，精加工和电气还有其他很多领域。美国最近几年的PTC版本Creo3.0就是这次我们毕设需要的分析软件。它拥有Pro / ENGINEER Wildfire成熟技术，功能强大并使其稳定性增强。作为PKA Lightning，Creo，此的开发成员之一，软件具有强大的二次开发功且对初学者比较友好，简单易懂。在产品生命周期中，不同阶层，不同职业的用户有不一样的产品开发需求。与摆在人们面前的解决方案不同，Creo最大的贡献在于，成功的解决了在二十三年未没有得到有效解决的CAD问题。  
1.彻底解决机械CAD建模中悬而未决的重大问题，包括基本的用户可操作性、人机交互和装配流程。
 2.运用最先进的方法进行操作方案，当然，这一切建立在PTC的软件的高超技术层面以及可操作性，提供一系列自由延长、可交互、开放且简单易懂的三维建模以及设计应用程序。为机械设计过程中的每名客户提供最优的解决方案。
  Creo主机要应用模块
  Creo通过综合原来的Pro、 CoCreate 和ProductView三个分析设计软件后，重新分类，形成各个更具有交互性的小模块，也就是下面的模块，所有这些模块统称元素。所有原来早期的三个模块则重新分类为新的母软件包中的一个底部软件  AnyRole APPs  (应用):在最恰当时间向正确的客户提供最佳服务，使小组的所有客户都参与到软件开发中。成果:产生思想的火花，提高创新能力。AnyMode Modeling (建模):提供业内唯真正的多横型设计平台， 使用户能够采用二维、三维直接或三维参数等方式进行设计。在某个模式下创建的数据能在任何其他模式中访问和重用，每个用户可以在所选择的模式中使用自己或他人的数据。此外，Creo的AnyMode建模将让用户在模式之间进行无缝切换，而不丢失信息或设计思路，从而提高团队效率。
  AnyData Adoption (采用):用户能够统一使用任何CAD系统生成的数据，从而实现多CAD设计的效率和价值。参与整个产品开发流程的每个人，都能够获取并重用Creo产品设计应用软件所创建的重要信息。此外，Creo 将提高原有系统数据的重用率，降低了技术锁定所需的高昂转换成本。是为了解决困扰制造企业在应用CADCreo在拉丁语中是创新的含义。Creo 的推出，三维软件也已经出现了二十多年，似平软件中的四大难题。CAD软件已经应用了几十年，技术与市场逐渐趋于成熟。但是，目前制造企业在CAD应用方面仍然面临者四大核心问题，
  （1）易于使用软件。尽管CAD技术逐渐成熟，但该软件仍在运行这是困难的，有必要提高运营的水平。

（2）兼容性。开发用于模拟的软件的不同方法是不同的，包括功能模拟，直觉建模等。 2D设计也有广泛的应用。但是，这些软件工具相对独立，而且工作方式完全不同。对于消费者来说，鱼和熊不可兼得。

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