機械工程調研報告

1、一：概述1.1 門式起重機使用現(xiàn)狀分析起重機是現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中實現(xiàn)生產過程自動化，機械化、提高勞動生產率的重要工具和設備。隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展、生產規(guī)模的擴大以及自動化程度的提高， 作 為物料搬運重要設備，它在現(xiàn)代化生產過程中的作用越來越大、應用越來越廣。門式起重機是橋式起重機的一種變形。在港口，主要用于室外的貨場、料 場貨、散貨的裝卸作業(yè)。它的金屬結構像門形框架，承載主梁下安裝兩條 支腳，可以直接在地面的軌道上行走，主梁兩端可以具有外伸懸臂梁。門 式起重機具有場地利用率高、作業(yè)范圍大、適應面廣、通用性強等特點，在港口貨場得到廣泛使用。門式起重機產品特點：1、可靠性，安全性高2、易于維護3、無需改變

2、廠房結構，滿足物流需求1.2 國外起重機的特點和發(fā)展趨勢近年來，隨著世界銷售市場對起重機需求量的不斷增加，國外各起重機廠家大多采用優(yōu)化設計等現(xiàn)代設計手段以提高設計效率。有關資料表明，美國、德國、日本等一些起重機公司都正在使用 ANSYS 技術進行優(yōu)化設計，徹底拋棄了傳統(tǒng) 的圖版。國外起重機運輸機械發(fā)展到今天， 已經到了比較成熟的地步， 其結構形式基板 上都是經過反復優(yōu)化設計，并經過時間檢驗的。隨著計算機技術的廣泛應用，許 多國外起重機制造商應用計算機輔助設計系統(tǒng)，以及模塊化設計方法，盡量使用標準件設備迅速組合和安裝，減少標準件外組合部分的加工制造。組合構件的使 用對生產非標準件起重機來講，有助

3、于減少成本。當前，國外起重機特點和發(fā)展 趨勢有三大特征：1)系列產品模塊化、組合化合標準化2)起重機的大型化、高速化和專用化3)起重機性能自動化、智能化和數(shù)字化通過這些方法和過程，優(yōu)化設計，以減輕起重機自重，從而節(jié)省成本。1.3 國內起重機設計現(xiàn)狀及存在的問題1.設計手段不完善、與先進技術結合較少 目前我國起重機設計手段欠完善， 正在研究與先進技術結合的人不少， 但需要時 間慢慢引進、消化、吸收。雖然我們現(xiàn)在起重機設計水平與國外有一定的差距， 但我國政府現(xiàn)在也開始注重技術的提高與鼓勵， 所以我相信隨著不久的將來我國 的配套力量的提高， 我們必定可以完成自主創(chuàng)新、 增加產品性價比， 提高企業(yè)核

4、心競爭力。2.設計效率太低、通用性較差長期以來， 起重機設計利用圖版手工設計制圖， 需要較長的設計周期。 而且由于 設計及工業(yè)原因，國內制造的起重機交貨期約為國外先進企業(yè)的兩倍， 效率較低， 遠遠不能適應市場經濟競爭的要求， 使企業(yè)失掉了不少機遇。 一些起重機制造商 對于成系里、成批量的通用起重機產品，為了降低成本，簡化生產管理，通用化 設計現(xiàn)在只做到對車輪組、 滑輪組、卷筒組和聯(lián)軸器的通用化設計， 對于運行機 構、小車架，仍只能按不同起重重量設計，橋架端梁則按不同起重量，不同小車 軌距多款設計， 對橋式起重機的設計不能使整機與機構，機構與部件、 部件與零 件之間的參數(shù)合理匹配。3.設計進行類

5、比，工藝水平較低 在起重機的設計過程中，一方面由于其產品相對定型，根據(jù)起重機設計手冊中推薦的尺寸進行選擇，一般工廠設計不做計算，當有相近參數(shù)起重機需求時， 則選擇類比放大， 導致截面尺寸變得越來越大， 從而起重機的質量、 大車驅動機 構、廠房基礎投資增大， 造成很大浪費。 隨著起重機向大噸位、 高參數(shù)、低噪聲、 小震動及輕型化方向的不斷發(fā)展，原有定型產品越來越不能適應當前要求，市場 需要性能優(yōu)良，經濟性好的橋式起重機。另一方面，由于國內企業(yè)，普遍缺乏生 產技術，工藝水平較低，一些起重機生產企業(yè)的工裝設備、 裝配及檢測手段比較 落后，油漆及焊接工藝部過關，較為粗糙，嚴重影響了起重機的質量。4.專

6、業(yè)化寫作水平、通用化設計水平較低目前，我國專業(yè)化協(xié)作目前只做到 20%，80%扔靠企業(yè)自己設計、制造哦。一臺 起重機中只有電動機、減速器、制動器及一些電器元件可外購，其他鉚焊件、機 加工件、主梁、車輪組、端梁、小車架仍靠企業(yè)自行設計，這樣需花費大量的時 間，影響了起重機的生產周期。1.4 門式起重機結構優(yōu)化設計的目的與意義 通過門式起重機結構的優(yōu)化設計，是我們了解門式起重機的工作眼里、構造 和工作過程， 在完成門式起重機的結構優(yōu)化的方案論證到總體設計、 技術設計和 詳細設計的過程中，在設計、計算、工程制圖等諸方面得到綜合訓練，提高學生 綜合分析、 解決問題的能力， 初步掌握機械設備的分析設計技

7、術。 要求我們詳細了解門式起重機的工作原理、結構和工作過程：在充分掌握有關材料的基礎上，對門式起重機結構的原型進行力學分析，然后采用結構優(yōu)化軟件 ANSYS 對門式 起重機結構進行優(yōu)化設計，從而找出一個提高門式起重機工作效率，同時又減少 成本而又保證可靠性的可行辦法。二：門式起重機的結構、工作原理，工作過程和工況門式起重的廣泛應用于各種工礦企業(yè)，交通運輸及建筑施工等部門的露天倉 庫、貨場、車站、碼頭、建筑工地等場所，作為裝卸與搬運貨物、設備及建筑結 構件安裝等用。 門式起重機是減輕笨重體力勞動， 提高作業(yè)效率， 實現(xiàn)安全生產 的起重運輸設備， 可在一定范圍內垂直起升和水平移動物品， 具有動作間

8、歇性和 作業(yè)循環(huán)性的特點， 根據(jù)門式起重機的門框結構形式不同， 可分為 1.全門式起重 機：主梁無懸伸，小車在主跨度內進行。 2.半門式起重機：支腿有高低差，可根 據(jù)使用場地的土建要求而定。 3. 雙懸臂門式起重機： 最常見的一種結構形式， 其 結構的受力和場地面積的有效利用都是合理的。 4. 單懸臂門式起重機：這種結 構形式往往是因場地的限制而被選用。 按主梁結構形式分類可分為單住梁門式起 重機和雙梁式起重機。按不同用途分為通用門式起重機、水電站龍門起重機、造 船龍門起重機、集裝箱龍門起重機。門式起重機主要由門架、小車、大車運行機構、操縱室、電氣設備、軌道和 夾軌器等部分組成。門式起重機的門

9、架由主梁、左右支腿及橫梁構成，與橋式起 重機相比，門式起重機的主要特征是在橋架的一端或兩端設有支腿， 可直接制成 在地基上或沿鋪設在地面上的軌道進行，故稱其為帶腿的橋式起重機。由于門式 起重機可帶懸臂，貨物吊運和換裝方便，不需要占地多、造價高的橋墩，場地面 積能充分利用， 因此在貨場的貨物裝卸中， 門式起重機比橋式起重機具有更多的 優(yōu)點。起重機的運行機構主要由電動機、聯(lián)軸器、制動器、減速器、車輪組等零部件 組成。驅動形式有自行式和牽引式。自行式適用于大、小車運行機構，而牽引式 用于某些起重機的小車運行機構。 起升機構用來垂直升降物品， 起重小車用來帶 著載荷作橫向運動； 橋架和大車運行機構用來

10、將起重小車個物品做縱向移動， 以 達到在跨度內和規(guī)定高度內組成三維空間里作搬運和裝卸貨物。 電動機通過聯(lián)軸 節(jié)與減速器的高速軸相連。 機構工作時， 減速器的低速軸帶動卷筒， 將鋼絲繩卷 入或放出，經過滑輪系統(tǒng)，使吊鉤實現(xiàn)上升或下降。機構停止工作是，制動器是 吊鉤連同貨物懸吊在空中，吊鉤的升降哦電動機改變轉向來達到。三：門式起重機結構設計計算的基本內容和方法起重機的運行機構也可以分為運行支承裝置與運行驅動裝置兩大部分。 運行支 承裝置用來承受起重機的自重和外載荷， 并將所有這些載荷傳遞給軌道基礎建 筑， 主要包括均衡裝置、車輪與軌道等。 運行驅動裝置用來驅動起重機在軌道上 運行，主要由電動機、減

11、速器、制動器等組成。運行機構的計算是在給定了設計參數(shù)， 并將機構布置方案確定后進行的。 通過 計算，選用機構中所需要的標準部件。當起重機沿直線軌道穩(wěn)定運行是， 總靜阻力由摩擦阻力、 坡道阻力和風阻力三 種阻力組成。 其中摩擦阻力是最主要的阻力， 而風阻力只有當起重機在室外工作 才有，而門式起重機以戶外工作為主，風阻力也應該進行計算。我們現(xiàn)在主要研究的是起重機金屬結構的各種載荷的計算， 主要由自重載荷計 算、起升載荷計算、水平慣性載荷計算、風載荷計算和其他載荷計算等。其中自 重載荷計算和風載荷計算式最最基礎的載荷計算。1.自重載荷計算 在金屬結構設計之前，自重尚未知道，必須預先給出。由于結構和機

12、電設備 的自重遠遠超過起升載荷，例如門式起重機的自重約為起升載荷的825 倍，金屬結構自重在起重機總重中占比例非常大，因此，金屬結構自重載荷的正 確估計和計算十分重要。在資料很少時，我們可以根據(jù)一些經驗公式初步確定金屬結構的自重。這些 公式雖然近似，蛋大多簡歷在大量統(tǒng)計資料和分析基礎上的，有一定實用價 值。Q800KN 的箱形龍門起重機，上部主梁和支腿總重，可以用下式：G = 5O.IQHoLo其中 Q起重量（KN）；Ho吊鉤最大起升高度（m）;L0上部主梁總長度（m）。2.風載荷計算露天工作的起重機金屬結構應考慮風載荷的作用。視風載荷的可能作用于任 意方向的水平載荷。對我們所討論的常用起重機

13、，只計算風壓的靜力作用，不考慮風壓的動力效應。按照起重機在一定風力下能否正常工作，把作用于起重機金屬結構的風載荷 分為工作狀態(tài)的風載荷和非工作狀態(tài)的風載荷兩類。工作狀態(tài)的風載荷是起 重機金屬結構在正常工作情況下所能承受的最大計算風壓；非工作狀態(tài)的風 載荷則是起重機金屬結構不工作時所能承受的最大計算風壓。工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)的風載荷按下式計算：pwCKhqA其中 C風力系數(shù)Kh分壓高度變化系數(shù)風振系數(shù)（常用 =1.0）A結構或物品垂直于風向的迎風面積q 計算風壓q計算風壓 的計算公式 q=0.1632而對于風壓高度變化系數(shù)Kh起重機金屬結構離地面越高，風速越大，風壓也回相應的增大，這是客觀規(guī)律。

14、為簡化計算，大多數(shù)國家對起重機的工作狀態(tài)計算風壓取定值，不考慮高度變化 系數(shù)。所有起重機非工作狀態(tài)計算風壓，因其數(shù)值，均應考慮高度變化系數(shù)。任意高度風壓值以離地 10m 高處的風壓為基準，高于 10m 的高度變化系數(shù)Kh按此試a計算：Kh=10其中 a指數(shù)，陸上近似取0.3,海山可取 0.2風壓高度變化系數(shù)Kh可由表查。3風力系數(shù) C風力系數(shù)與金屬結構的外形、集合尺寸等有關。常用起重機單片結構和單根元 件的風力系數(shù)可查。4迎風面積 A并列箱形機構的取值 A=A1+A2A前面一排結構的迎風面積，Ai=1A1A后一排的結構迎風面積，A2=2A2前排結構對后排迎風面積的擋風折減系數(shù)，它與前排結構的充

15、實率i及兩排結構的間隔比a有關，桁架式金屬結構都得擋風折減系數(shù)可查。h這兩個載荷計算是最主要的的金屬結構載荷計算，對于所有門式起重機這些計算是最最基礎的。門架由 2 根主梁 4 個支腿、拱架、端梁、下橫梁、梯子走臺、欄桿、小車導電 架等組成。通常又把門架分成上部橋架（即主梁、端梁和拱架）以及下部支腿和 下橫梁兩部分。主梁與支腿以及支腿與下橫梁之間用螺栓連接，主梁采用偏軌箱 型，帶雙懸臂，因運輸超長主梁分段，用高強度螺栓鏈接。小車導電架裝在主梁 一側的走臺上。門架結構示意圖如下，詳情參數(shù)見原圖紙。四：ANSYS 結構優(yōu)化的基本步驟優(yōu)化設計是一種尋找確定最優(yōu)設計方案的技術。所謂“最優(yōu)設計”，指的是

16、 一種方案可以滿足所有的設計要求，而且所需的支出（如重量，面積，體積，應 力，費用等）最小。也就是說，最優(yōu)設計方案就是一個最有效率的方案。設計方案的任何方面都是可以優(yōu)化的，比如說：尺寸（如厚度） ，形狀（如過渡 圓角的大?。?，支撐位置，制造費用，自然頻率，材料特性等。實際上，所有可 以參數(shù)化的 ANSYS選項都可以作優(yōu)化設計。課題的主要工作結構優(yōu)化設計采用結構優(yōu)化軟件：ANSYS V 6.1-111生成循環(huán)所用的分析文件。該文件必須包括整個分析的過程，而且必須滿足以下條件：a)建立幾何模型。 (這一點是重點，要分清靜力結構分析還是動力學分析 )b)定義材料性質。c)選擇單元類型及生成網(wǎng)格。d)

17、加載與施加邊界條件。e)求解f)查看結果2.在 ANSYS 數(shù)據(jù)庫里建立與分析文件中變量相對應的參數(shù)。這一步是標準的做 法， 但不是必須的( BEGIN 或 OPT)。3. 進入 OPT，指定分析文件(OPT)。4. 聲明優(yōu)化變量。5.選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化方法。6. 指定優(yōu)化循環(huán)控制方式。7. 進行優(yōu)化分析。8. 查看設計序列結果(OPT)和后處理(POST1/POST26)。這些就是 ANSYS 結構優(yōu)化的基本步驟。五：初步工作設想、結果預期和方案我們初步設想是能夠很好的完成課題題目工作， 能夠達到優(yōu)化設計的目的， 從 而減輕重量，提高性價比。我們預期的最好結果是能夠做到起重 30t ，跨度 26m 的門式起重機自重能夠有很大的減少。 同時更是希望能做出一套能夠快速有效的 的優(yōu)化系統(tǒng)， 為將來