摘 要

随着港口的现代化发展，对港口运输机械的要求不断提升，门式起重机作为一种重要的港口机械，在港口运输方面扮演着一个必不可缺的角色，而传统的门式起重机效率低，能耗大，越来越不适应港口的现代化。因此，设计一种新型节能高效的门式起重机成为当下研究的热点，为此，提出了一种节能综合技术试验平台，本文探讨了该实验平台（门式起重机）支撑结构的设计方案。

本文根据节能综合技术试验平台的设计参数，设计了该实验平台的支撑结构，主要围绕主梁进行设计，并对作用在支撑结构上的载荷进行了计算，根据各工况的不同，对计算出的载荷进行了载荷组合。另外还给出支撑结构在进行分析时所需要的约束。

同时，有限元法是处理门式起机作为分析与设计等实际工程中的力学计算问题的重要手段。本文利用有限元分析软件ANSYS对设计出的门式起重机支撑结构进行分析，通过导入Solidworks建成的三维模型，然后划分网格，施加载荷和约束，最后得到应力图和变形图，将结果与支撑结构材料的许用应力进行比较，验证设计的支撑结构满足设计要求。最后认为设计出的支撑结构模型满足强度，刚度要求。

关键词：节能，门式起重机，支撑结构，有限元分析

Abstract

With the development and modernization of port, gantry crane which is the significant implement of port transportation machinery plays an indispensable role in the port. Because of the low efficiency and large energy loss of traditional cranes, they can’t fit in port any more. Therefore, it becomes a research hotpot that design a new crane with energy saving and efficiency. It put forward a new supporting structure’s design of gantry crane (energy-saving comprehensive technology experimental platform) in this paper.

According to the parameters of the energy-saving comprehensive technology experimental platform, the supporting structure is designed of which the main part is main beam. And the load on the supporting structure is calculated, load combination is put forward with different operating condition. In addition, the constraints of the supporting structure is defined.

Besides, the Finite Element Method (FEM) is a significant method to conduct the mechanical analysis of gantry crane structure in pragmatic engineering analysis and design. FEM software ANSYS is used in this paper to analyze this supporting structure, and compare the result with the allowable stress of material, and get the conclusion that the design meets the requirements finally.

Key words：energy saving, gantry crane, supporting structure, finite element analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1港口装备节能技术实验平台总体概述 1

1.2 起重机发展国内外现状 1

1.2.1国内现状 2

1.2.2国外现状 2

1.3 研究背景和意义 3

1.4 本文的主要工作 4

1.5 本章小结 5

第2章 支撑结构设计 6

2.1起重机设计参数： 7

2.2节能综合技术实验平台支撑结构的总体方案和基本参数： 7

2.3 主梁危险截面的强度校核计算 9

2.3.1 正应力的校核验算 9

2.3.2 剪应力的校核验算 9

2.4 门腿设计 10

2.5 底梁设计 11

2.6 本章小结 11

第3章 载荷计算和约束 13

3.1自重载荷 13

3.2起升动载荷 13

3.3冲击动载荷 14

3.4惯性载荷 14

3.5风载荷 14

3.6碰撞载荷 15

3.7施加载荷 15

3.8 施加约束 15

3.9 本章小结 15

第4章 有限元分析 17

4.1建立模型 17

4.2划分网格 18

4.3 受力分析 19

4.3.1 工况一支撑结构受力 20

4.3.2 工况二支撑结构受力 20

4.3.3 工况三支撑结构受力 21

4.4 结果显示 21

4.4.1 模型各工况应力 22

4.4.2 模型各工况总变形 23

4.5 强度和刚度的校核 25

4.5.1 强度分析 25

4.5.2 刚度分析 25

4.6 本章小结 26

5.环境影响和经济性分析 27

5.1环境影响 27

5.2 经济性分析 27

第6章 结论及展望 28

6.1结论 28

6.2 展望 28

第1章 绪论

1.1港口装备节能技术实验平台总体概述

众所周知，港口起重机在港口物流作业中扮演着一个必不可少的角色。港口起重机可以有效降低港口工人的工作强度，改善工人的工作条件，降低港口的运营成本，同时，它还可以有效提高工业生产能力和劳动生产率，为港口现代化作业提供了物质基础。其中门式起重机作为一种典型起重机，具有工作范围广，起重量大，工作效率高，结构刚性好，结构简单等许多优点。

随着经济全球化的疾速发展，国际贸易加快增长，港口的货物吞吐量急剧上升，这意味着传统的起重机械已经越来越不适应现代化工业机械的发展，因此，急需发展一种大型化，节能化，自动化，轻量化和高速化的现代新型起重机以满足时代的需求，同时，随着国家对绿色环保的宣传深入人心，通过采用新技术，新材料，新能源等方式实现起重机的节能设计成为当下研究的热点，这也是当下国内外研发新型起重机的方向。

港口装备节能技术实验平台是以大功率轨道起重设备为对象，以势能回收再利用、节能减排为背景，构建适应港口起重设备不同场合，可组合为多种系统的通用实验平台。

该实验平台具有完整的港口装备作业机构、支撑结构，配置多种形式的动力源和不同种类的储能器，并配置混合动力驱动系统、能量管理系统、能量在线监测系统等。该实验平台能够开展港口设备节能系统及储能器产品的物理、电气特性测试以及真实工况条件下能量管理控制策略研究和节能效率评价。

1.2 起重机发展国内外现状

近年来，国内外学者对起重机的节能减排进行了大量深入研究。他们从起重机的方方面面入手，期望起重机能够满足低碳经济发展的需求。总体上，起重机大致有如下几个节能方案：

1. 使用遥控器和PLC控制：该方案将遥控器多收发点和PLC控制箱布置在小车上，这一措施大大减少了输电线的用量和消耗，同时也使安装和维修变得方便。
2. 使用变频调速系统:传统起重机普遍采用交流绕线式异步电动机，通过外接电阻来实现调速。变频调速则用利于减少外接电阻对能量的消耗，甚至能通过能量回馈装置向电网反馈电能。
3. 使用轻型环保材料：轻合金高强度结构钢制造的起重机金属结构，强度高，重量低，可以节约材料，改善受力。
4. 使用创新结构和机构设计：在保证起重机安全稳定的前提下，改善内部结构，能够有效提升起重机的经济性。
5. 使用节能控制系统设计：节能控制系统将电力电子，PLC，变频器等技术结合在一起，将起重机工作过程中的下降势能回馈电网再利用，同时减少不必要的能量损失。

1.2.1国内现状

轮胎式集装箱门式起重机作为堆场作业设备在我国港口码头得到大量使用，早在2006年，由于国际油价上涨，港口企业已开始对该起重机进行“油改电”改造即利用电力驱动方式取代柴油发电机组驱动方式。然而，传统起重机设备仍然属于高能耗机械设备，不具备大范围推广的能力。因此，国内学者从多方面对传统起重机的节能提出各自的意见。

目前，起重机的节能设计主要有优化设备结构以减轻自重，对设备进行轻量化设计。如太原科技大学的李宏娟等从选材和结构对起重机进行了减量化优化设计，并减量化设计对起重机节能性，经济性的优点，还为起重机金属结构的智能化设计指引方向 ^[1]。西南石油大学的李航使用有限元分析软件ANSYS和遗传算法对门架结构进行6稳健优化设计。然后采用蒙特卡罗模拟法对优化后的模型进行可靠性分析，得到优化后模型的可靠度以各个设计变量的灵敏性。之后引入6稳健优化设计，结合Visual Basic和ANSYS软件成功开发了门式启闭机参数化分析软件。结果表明，模型重量有所增加，但减低了目标函数对主梁盖板厚度及腹板厚度等不确定性因素的敏感性，可靠性度达到0.98。开发的参数化分析软件还提高了设计人员的工作效率和产品开发的周期^[2]。

另外，还有从系统能量方面提出的起重机节能方案，如青岛港邢亮提出基于超级电容储能的门式起重机势能再回收系统，这是基于超级电容器大电流快速充电放电的特点，来进行起升机构下降时势能的回收，作为起重机构上升时所需的能量补给，可以降低起重机工作能耗，提高能量利用率，达到节能降耗的目的^[3]。潮州港曾永辉等提出智能型集装箱龙门起重机绿色成套技术^[4]。杨茂芽为解决门座式起重机在施工过程中存在的起升系统节能问题，根据机械设计节能基本原理对门座式起重机的起升系统进行了相关能耗分析，发现起重机的起升系统存在能量未合理使用的情况，并提出利用配重块，蓄能器及发电机组的方式实现起升系统能量的综合回收与利用的节能方案^[5]。彭传圣通过分析“油改电”的经济效益和节能减排效益得出推动码头进行“油改电”技术改造或者新建集装箱码头采用电动集装箱门式起重机任然是必要和合理的^[6]。

这些方案对发展大型化，智能化，节能化的起重机有重要指导意义。

1.2.2国外现状

近年来，随着起重机械市场需求的不断增加，各种国外的起重机厂商不断采用节能技术，优化设计运用到起重机上，以提高起重机的生产效率。当前的发展主要有如下特点：

1. 大型化和专用化；
2. 自动化和智能化
3. 成套化和系统化
4. 模块化和组合化

根据资料，国外对起重机的节能设计有很多，如芬兰Kone公司设计起升结构减速器与小车端架一体，定滑轮组与卷筒一体，小车运行机构为三合一驱动装置的起重机。法国Patain公司采用特殊的箱型梁，不用小筋板以提高起重机整体性能。德国DEMAG公司优化了起升驱动装置的布置方式^[7]。

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