摘 要

港口的发展对于一个地区的经济发展具有重要的贡献作用，港口的建设在一定程度上影响着地区甚至国家的发展。而门座式起重机在港口中又有着举足轻重的地位，因此对门座式起重机的设计和优化对港口的发展有着重大的意义。文章详细描MQ4040单臂架门座式起重机的总体设计流程，并对圆筒门架结构进行了设计 校核以下为文章主要内容。

1.在总体设计过程中，先是估算了起重机的构件重心，进而计算得到起重机的自重力矩，同时也进行了起重机各构件迎风面积的估算，在此基础上计算了不同工矿下的风载荷及风力矩。

2.利用图解法对货物水平位移系统以及臂架自重平衡系统进行了校验，并计算了起重机的支反力和轮压。并完成了起重机抗倾覆稳定性的校验，起重机抗风防滑能力的验算。

3.对圆筒门架结构进行了设计，并完成薄壁圆筒、横梁及端梁的强度校核。按梁结构的设计准则设计了横梁及端梁的加筋横隔板和纵筋。

4.利用Solidworks建立了薄壁圆筒，横梁和端梁的三维模型，并通过配合得到了圆筒门架结构的三维模型。并且将建好的模型导入ANSYS进行静力学分析，得到相应载荷下的的应力云图。

文章的重心在于起重机总体设计中的两个系统的作图列表计算，风载荷的计算以及圆筒门架结构的强度校核及其加劲筋的设计。特色在于借助于Solidworks建立了结构的三维模型，并将其导入ANSYS完成了静力学的分析，节省了极大时间设计成本，提高了设计效率。

关键词:图解法计算；强度及位移校验；三维建模；ANSYS静力学分析

Abstract

The development of the port has played an important role in the economic development of a region. The construction of the port has, to some extent, affected the development of the region and even the country. The portal crane has a pivotal position in the port, so the design and optimization of the portal crane is of great significance to the development of the port. The article describes in detail the overall design flow of the MQ4040 single arm portal crane and the design of the cylindrical mast structure. The following are the main contents of the article:

1. During the overall design process, the center of gravity of the components of the crane was first estimated, and then the moment of gravity of the crane was calculated. At the same time, the wind area of the components of the crane was estimated. Based on this, the wind load and wind under different conditions were calculated. Torque.

2. The horizontal displacement system of the cargo and the self-weight balance system of the boom were verified by graphic method, and the counter-support force and wheel pressure of the crane were calculated. And completed the crane anti-overturn stability check, crane anti-skid ability check.

3. The structure of the cylindrical mast structure was designed and the strength check of the thin-walled cylinder, beam and end beam was completed. According to the design criteria of the beam structure, the stiffened diaphragms and longitudinal bars of the beams and end beams were designed.

4. Using Solidworks to establish a three-dimensional model of thin-walled cylinders, beams and end beams, and through the fit to obtain a three-dimensional model of the cylindrical mast structure. And the built model is imported into ANSYS for static analysis, and the stress cloud diagram under the corresponding load is obtained.

The focus of the article lies on the verification of the two systems in the crane's overall design, the calculation of the wind load, and the strength check of the cylindrical mast structure and the design of the stiffening ribs. The special feature is to establish a three-dimensional model of the structure with Solidworks and import it into ANSYS to complete the analysis of statics, which saves a great deal of time in design costs and improves design efficiency.

Key words: Calibration of graphs; strength and displacement calibration; three-dimensional modeling; the ANSYS static analysi

目 录

第1章 绪论 1

1.1 设计背景和设计目的意义 1

1.1.1 背景简述 1

1.1.2 国内外研究现状分析 1

1.1.3 目的及意义 2

1.2 基本内容和技术方案 3

1.2.1 基本内容 3

1.2.2 技术方案 3

第2章 总体计算 4

2.1 设计参数及设计要求 4

2.1.1 设计参数 4

2.1.2 总体设计及结构设计内容 4

2.2 水平补偿系统校验 5

2.3 臂架自重平衡系统 6

2.4 起重机自重力矩计算 8

2.5 起重机各部分的迎风面积及风载荷计算 9

2.6 支承反力与轮压计算 10

2.7 起重机的抗倾覆稳定性校验 13

2.8 起重机抗风防滑安全性 16

第3章 圆筒门架结构的设计计算 18

3.1 圆筒门架计算载荷 18

3.2 两种工况下结构应力校核 19

3.2.1 臂架垂直轨道位置 19

3.2.2臂架平行轨道位置 20

3.3 梁的稳定性及加劲板的布置 21

3.3.1 横向加劲肋和纵向家劲杆尺寸的确定 21

3.3.2 主梁腹板及受压翼缘板的局部稳定性 22

3.3.3 端梁腹板及受压翼缘板的局部稳定性 23

3.3.4 薄壁圆筒上端位移的校验 23

第4章 Solidworks建模及ANSYS分析 24

4.1 圆筒门架零部件建模及整体装配 24

4.2 圆筒门架模型在ANSYS中的静力分析 25

第5章 全文总结 27

第6章 经济性与环保性分析 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 设计背景和设计目的意义

1.1.1 背景简述

门座起重机是随着港口事业的发展而发展起来的。当今中国的港口事业发展到前所未有的高度，港口的作业能力处于世界领先的水平，而门座式起重机则是非常重要的贡献环节。门座式起重机是指臂架安装在门座上，下方可通过铁路或公路车辆的移动式回转起重机。是一种间歇性动作的机械，具有短暂、重复、周期性循环的工作特点。门座式起重机起升、回转、变幅和运行机构，其中起升、回转、变幅机构装在转动部分上，每一个工作循环都参加作业。

随着经济全球化的发展，港口物流行业随之迅速发展，本文设计的正是港口物流中扮演重要角色的门座式起重机。作为整个起重机的支撑结构，圆筒门架的设计就显得尤为重要。圆筒门架结构是整机正常工作和安全运行的重要组成环节，完成圆筒门架结构的设计以及校核是起重机设计的关键步骤。本文所做的工作的重要部分正是对圆筒门架结构进行设计、校核，以及建立其三维模型，可以更加具象和直观的对结构进行研究。也利用相应的设计软件更好的进行了设计，并提到了很大的自我提升。

1.1.2 国内外研究现状分析

自1890年第一次将不可变幅的固定式可旋转臂架型起重机装在横跨于窄码头上方的运行式半门座上，成为早期的港用半门座起重机，到二战之后采用门座结构形成雏形的门座式起重机，上海振华重工集团的黄陈娣^[1]认为至今天的门座式起重机正向大型化、重载化、高速化及智能化的方向发展，来满足日益增长的市场竞争。滨海重型机械技术中心的王建，张浩等^[2]及上海海事大学的徐香香^[3]，福建省特种设备检验研究院的郑仲浪^[4]研究表明，在现今的起重机的设计中，有限元计算分析软件ANSYS可对金属结构建模，进行各种工况的强度分析计算，得出相应载荷状况的应力分布情况，进行模态分析，得到各阶段的固有频率和固有振型，并对不同工况下的模态进行对比分析，对起重机总体设计及优化具有重要的指导意义。作为复杂的大型机械，门座式起重机的安全健康性能面临着巨大的挑战，作为极易发生重大安全事故的特种作业机械，一旦发生事故，对安全生产形势和工作人员的生命财产安全产生严重的威胁。门座式起重机的风险评价工作有着非常重要的作用和意义，首钢京唐钢铁联合公司的张丙悦^[5]及国外的FrendoF^[6],Shcherbakov VS, Korytov MS, Shershneva EO等^[7]经研究之后都认为具体的风险评价措施对加强其管理有重要帮助。而在进行起重机健康检测时，南通大学的陈艳红，朱龙彪等^[8]的研究表明传感器布设的位置与数量会对结果产生至关重要的影响。而国外的Smoczek J^[9]则研究了防摆控制系统。

变频器由于其出色的控制性能而广泛的应用于起重机，宁波市特种设备检验研究院的王国良，全维军等^[10]研究了在ABB变频器的相关基础性能上在起重机上的应用问题及其维护，青岛港的赵晓明，鲍春宇等^[11]，中交一航局第一工程公司的谷成银^[12]研究了变频控制系统的选择对门座式起重机运行的安全性及可靠性的影响。作为复杂的大型机，门座式起重机常常会有故障，原因之一常常就是变频器故障，而其中进口变频器的使用便存在维修周期缓慢、周期长，严重影响现场生产，因此神化黄骅港务公司的于海波，李小阳等^[13]认为变频器国产化改造对提高生产效率和起重机的维护都具有重要意义。

随着自动化和机械化程度增强，曹妃甸港的刘剑^[14]研究认为将现代化技术融入门座式起重机的设计当中，使得技术更加趋向数字化是自动化的起重机的发展趋势。为提高港口装卸效率，对门座式起重机的电气控制系统的改造设计同样意义重大。其中PLC的应用大量的减少了传统继电器的使用，简化了系统的电路设计是的电路系统的调试更加高效和简便，福建省港行勘察研究院的彭文^[15]通过对门座式起重机的控制原理提出了对其的电气系统的改造设计，连云港市新东润港务公司的戴亚^[16]则研究了PLC在门座式起重机控制电路中的应用及输入输出点数的改造及相关输入输出接线和操作面板的设计。天津港第五港埠公司的曹娜^[17]研究认为优秀的变幅系统设计以尽可能降低变幅机构的驱动功率和提高机构的操作性能为目的，对整机的工作性能、安全性能有重要影响重要。

日照港股份有限公司第二港务分公司的王佳佳，杨玉刚等^[18]研究了势能回收再利用节能技术，势能回收再利用自循环技术是将门座式起重机起升机构下降时的势能进行回收,并利用超级电容作为存储单元,由此提高了能源转换效率，对能源回收再利用的发展具有重大意义。上海亦凡机械设计有限公司的曹三平^[19]研究认为从节约材料和控制成本的角度而言，臂架的改进优化对门座式起重机的设计成本控制至关重要。对于起重机的保护，神化黄骅港务公司物流中心的李小阳，杨永望等^[20]等研究认为接地清扫装置对改善起重机的接地效果。

1.1.3 目的及意义

本次毕业设计通过对MQ4040单臂架门座起重机总体设计计算、圆筒门架结构设计计算及三维仿真建模，培养学生自主独立的主动学习，综合的运用本科阶段所学的知识，涉及制图、力学、材料力学、机械设计等内容，利用自己可得的资源去主动寻找问题的解决办法，查阅文献资料，学习建模仿真及分析软件的使用及其在起重机设计中的应用及意义，充实本科阶段的个人能力，为日后在岗位上工作打下一定的精神准备的能力基础。本课题选取港口常用的MQ4040门座式起重机为设计目标，包括总体的设计计算和圆筒门架结构的设计计算，可帮助学生更加了解门座式起重机的各个机构及总体的组成，更加深入的掌握专业知识，并使学生具备一定的相关设计软件的使用能力，既使学生巩固了本科阶段所学知识，也扩展了学生独立解决问题的能力，主动学习的意识，对学生今后走向工作岗位具有重要的意义。

1.2 基本内容和技术方案

1.2.1 基本内容

MQ4040门座式起重机主要由回转机构、变幅机构、运行机构、起升机构等工作机构及门座结构、转台和臂架等金属结构等组成。本课题主要进行起重机总体设计计算、圆通门架结构的设计计算及三维仿真建模。

1.在文献资料检索、阅读的基础上完成开题报告；