機(jī)械工程調(diào)研報(bào)告

1、一：概述1.1 門式起重機(jī)使用現(xiàn)狀分析起重機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，機(jī)械化、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要工具和設(shè)備。隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展、生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大以及自動(dòng)化程度的提高， 作 為物料搬運(yùn)重要設(shè)備，它在現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程中的作用越來(lái)越大、應(yīng)用越來(lái)越廣。門式起重機(jī)是橋式起重機(jī)的一種變形。在港口，主要用于室外的貨場(chǎng)、料 場(chǎng)貨、散貨的裝卸作業(yè)。它的金屬結(jié)構(gòu)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(jī)具有場(chǎng)地利用率高、作業(yè)范圍大、適應(yīng)面廣、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在港口貨場(chǎng)得到廣泛使用。門式起重機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)：1、可靠性，安全性高2、易于維護(hù)3、無(wú)需改變

2、廠房結(jié)構(gòu)，滿足物流需求1.2 國(guó)外起重機(jī)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)近年來(lái)，隨著世界銷售市場(chǎng)對(duì)起重機(jī)需求量的不斷增加，國(guó)外各起重機(jī)廠家大多采用優(yōu)化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段以提高設(shè)計(jì)效率。有關(guān)資料表明，美國(guó)、德國(guó)、日本等一些起重機(jī)公司都正在使用 ANSYS 技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，徹底拋棄了傳統(tǒng) 的圖版。國(guó)外起重機(jī)運(yùn)輸機(jī)械發(fā)展到今天， 已經(jīng)到了比較成熟的地步， 其結(jié)構(gòu)形式基板 上都是經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)時(shí)間檢驗(yàn)的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，許 多國(guó)外起重機(jī)制造商應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以及模塊化設(shè)計(jì)方法，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)備迅速組合和安裝，減少標(biāo)準(zhǔn)件外組合部分的加工制造。組合構(gòu)件的使 用對(duì)生產(chǎn)非標(biāo)準(zhǔn)件起重機(jī)來(lái)講，有助

3、于減少成本。當(dāng)前，國(guó)外起重機(jī)特點(diǎn)和發(fā)展 趨勢(shì)有三大特征：1)系列產(chǎn)品模塊化、組合化合標(biāo)準(zhǔn)化2)起重機(jī)的大型化、高速化和專用化3)起重機(jī)性能自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化通過(guò)這些方法和過(guò)程，優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減輕起重機(jī)自重，從而節(jié)省成本。1.3 國(guó)內(nèi)起重機(jī)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題1.設(shè)計(jì)手段不完善、與先進(jìn)技術(shù)結(jié)合較少 目前我國(guó)起重機(jī)設(shè)計(jì)手段欠完善， 正在研究與先進(jìn)技術(shù)結(jié)合的人不少， 但需要時(shí) 間慢慢引進(jìn)、消化、吸收。雖然我們現(xiàn)在起重機(jī)設(shè)計(jì)水平與國(guó)外有一定的差距， 但我國(guó)政府現(xiàn)在也開(kāi)始注重技術(shù)的提高與鼓勵(lì)， 所以我相信隨著不久的將來(lái)我國(guó) 的配套力量的提高， 我們必定可以完成自主創(chuàng)新、 增加產(chǎn)品性價(jià)比， 提高企業(yè)核

4、心競(jìng)爭(zhēng)力。2.設(shè)計(jì)效率太低、通用性較差長(zhǎng)期以來(lái)， 起重機(jī)設(shè)計(jì)利用圖版手工設(shè)計(jì)制圖， 需要較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期。 而且由于 設(shè)計(jì)及工業(yè)原因，國(guó)內(nèi)制造的起重機(jī)交貨期約為國(guó)外先進(jìn)企業(yè)的兩倍， 效率較低， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的要求， 使企業(yè)失掉了不少機(jī)遇。 一些起重機(jī)制造商 對(duì)于成系里、成批量的通用起重機(jī)產(chǎn)品，為了降低成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)管理，通用化 設(shè)計(jì)現(xiàn)在只做到對(duì)車輪組、 滑輪組、卷筒組和聯(lián)軸器的通用化設(shè)計(jì)， 對(duì)于運(yùn)行機(jī) 構(gòu)、小車架，仍只能按不同起重重量設(shè)計(jì)，橋架端梁則按不同起重量，不同小車 軌距多款設(shè)計(jì)， 對(duì)橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)不能使整機(jī)與機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)與部件、 部件與零 件之間的參數(shù)合理匹配。3.設(shè)計(jì)進(jìn)行類

5、比，工藝水平較低 在起重機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一方面由于其產(chǎn)品相對(duì)定型，根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中推薦的尺寸進(jìn)行選擇，一般工廠設(shè)計(jì)不做計(jì)算，當(dāng)有相近參數(shù)起重機(jī)需求時(shí)， 則選擇類比放大， 導(dǎo)致截面尺寸變得越來(lái)越大， 從而起重機(jī)的質(zhì)量、 大車驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu)、廠房基礎(chǔ)投資增大， 造成很大浪費(fèi)。 隨著起重機(jī)向大噸位、 高參數(shù)、低噪聲、 小震動(dòng)及輕型化方向的不斷發(fā)展，原有定型產(chǎn)品越來(lái)越不能適應(yīng)當(dāng)前要求，市場(chǎng) 需要性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)性好的橋式起重機(jī)。另一方面，由于國(guó)內(nèi)企業(yè)，普遍缺乏生 產(chǎn)技術(shù)，工藝水平較低，一些起重機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的工裝設(shè)備、 裝配及檢測(cè)手段比較 落后，油漆及焊接工藝部過(guò)關(guān)，較為粗糙，嚴(yán)重影響了起重機(jī)的質(zhì)量。4.專

6、業(yè)化寫作水平、通用化設(shè)計(jì)水平較低目前，我國(guó)專業(yè)化協(xié)作目前只做到 20%，80%扔靠企業(yè)自己設(shè)計(jì)、制造哦。一臺(tái) 起重機(jī)中只有電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器及一些電器元件可外購(gòu)，其他鉚焊件、機(jī) 加工件、主梁、車輪組、端梁、小車架仍靠企業(yè)自行設(shè)計(jì)，這樣需花費(fèi)大量的時(shí) 間，影響了起重機(jī)的生產(chǎn)周期。1.4 門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的與意義 通過(guò)門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是我們了解門式起重機(jī)的工作眼里、構(gòu)造 和工作過(guò)程， 在完成門式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方案論證到總體設(shè)計(jì)、 技術(shù)設(shè)計(jì)和 詳細(xì)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在設(shè)計(jì)、計(jì)算、工程制圖等諸方面得到綜合訓(xùn)練，提高學(xué)生 綜合分析、 解決問(wèn)題的能力， 初步掌握機(jī)械設(shè)備的分析設(shè)計(jì)技

7、術(shù)。 要求我們?cè)敿?xì)了解門式起重機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程：在充分掌握有關(guān)材料的基礎(chǔ)上，對(duì)門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的原型進(jìn)行力學(xué)分析，然后采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件 ANSYS 對(duì)門式 起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而找出一個(gè)提高門式起重機(jī)工作效率，同時(shí)又減少 成本而又保證可靠性的可行辦法。二：門式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理，工作過(guò)程和工況門式起重的廣泛應(yīng)用于各種工礦企業(yè)，交通運(yùn)輸及建筑施工等部門的露天倉(cāng) 庫(kù)、貨場(chǎng)、車站、碼頭、建筑工地等場(chǎng)所，作為裝卸與搬運(yùn)貨物、設(shè)備及建筑結(jié) 構(gòu)件安裝等用。 門式起重機(jī)是減輕笨重體力勞動(dòng)， 提高作業(yè)效率， 實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn) 的起重運(yùn)輸設(shè)備， 可在一定范圍內(nèi)垂直起升和水平移動(dòng)物品， 具有動(dòng)作間

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

9、架由主梁、左右支腿及橫梁構(gòu)成，與橋式起 重機(jī)相比，門式起重機(jī)的主要特征是在橋架的一端或兩端設(shè)有支腿， 可直接制成 在地基上或沿鋪設(shè)在地面上的軌道進(jìn)行，故稱其為帶腿的橋式起重機(jī)。由于門式 起重機(jī)可帶懸臂，貨物吊運(yùn)和換裝方便，不需要占地多、造價(jià)高的橋墩，場(chǎng)地面 積能充分利用， 因此在貨場(chǎng)的貨物裝卸中， 門式起重機(jī)比橋式起重機(jī)具有更多的 優(yōu)點(diǎn)。起重機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、減速器、車輪組等零部件 組成。驅(qū)動(dòng)形式有自行式和牽引式。自行式適用于大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，而牽引式 用于某些起重機(jī)的小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。 起升機(jī)構(gòu)用來(lái)垂直升降物品， 起重小車用來(lái)帶 著載荷作橫向運(yùn)動(dòng)； 橋架和大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)用來(lái)

10、將起重小車個(gè)物品做縱向移動(dòng)， 以 達(dá)到在跨度內(nèi)和規(guī)定高度內(nèi)組成三維空間里作搬運(yùn)和裝卸貨物。 電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸 節(jié)與減速器的高速軸相連。 機(jī)構(gòu)工作時(shí)， 減速器的低速軸帶動(dòng)卷筒， 將鋼絲繩卷 入或放出，經(jīng)過(guò)滑輪系統(tǒng)，使吊鉤實(shí)現(xiàn)上升或下降。機(jī)構(gòu)停止工作是，制動(dòng)器是 吊鉤連同貨物懸吊在空中，吊鉤的升降哦電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向來(lái)達(dá)到。三：門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的基本內(nèi)容和方法起重機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)也可以分為運(yùn)行支承裝置與運(yùn)行驅(qū)動(dòng)裝置兩大部分。 運(yùn)行支 承裝置用來(lái)承受起重機(jī)的自重和外載荷， 并將所有這些載荷傳遞給軌道基礎(chǔ)建 筑， 主要包括均衡裝置、車輪與軌道等。 運(yùn)行驅(qū)動(dòng)裝置用來(lái)驅(qū)動(dòng)起重機(jī)在軌道上 運(yùn)行，主要由電動(dòng)機(jī)、減

11、速器、制動(dòng)器等組成。運(yùn)行機(jī)構(gòu)的計(jì)算是在給定了設(shè)計(jì)參數(shù)， 并將機(jī)構(gòu)布置方案確定后進(jìn)行的。 通過(guò) 計(jì)算，選用機(jī)構(gòu)中所需要的標(biāo)準(zhǔn)部件。當(dāng)起重機(jī)沿直線軌道穩(wěn)定運(yùn)行是， 總靜阻力由摩擦阻力、 坡道阻力和風(fēng)阻力三 種阻力組成。 其中摩擦阻力是最主要的阻力， 而風(fēng)阻力只有當(dāng)起重機(jī)在室外工作 才有，而門式起重機(jī)以戶外工作為主，風(fēng)阻力也應(yīng)該進(jìn)行計(jì)算。我們現(xiàn)在主要研究的是起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的各種載荷的計(jì)算， 主要由自重載荷計(jì) 算、起升載荷計(jì)算、水平慣性載荷計(jì)算、風(fēng)載荷計(jì)算和其他載荷計(jì)算等。其中自 重載荷計(jì)算和風(fēng)載荷計(jì)算式最最基礎(chǔ)的載荷計(jì)算。1.自重載荷計(jì)算 在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，自重尚未知道，必須預(yù)先給出。由于結(jié)構(gòu)和機(jī)

12、電設(shè)備 的自重遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)起升載荷，例如門式起重機(jī)的自重約為起升載荷的825 倍，金屬結(jié)構(gòu)自重在起重機(jī)總重中占比例非常大，因此，金屬結(jié)構(gòu)自重載荷的正 確估計(jì)和計(jì)算十分重要。在資料很少時(shí)，我們可以根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)公式初步確定金屬結(jié)構(gòu)的自重。這些 公式雖然近似，蛋大多簡(jiǎn)歷在大量統(tǒng)計(jì)資料和分析基礎(chǔ)上的，有一定實(shí)用價(jià) 值。Q800KN 的箱形龍門起重機(jī)，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(zhǎng)度（m）。2.風(fēng)載荷計(jì)算露天工作的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮風(fēng)載荷的作用。視風(fēng)載荷的可能作用于任 意方向的水平載荷。對(duì)我們所討論的常用起重機(jī)

13、，只計(jì)算風(fēng)壓的靜力作用，不考慮風(fēng)壓的動(dòng)力效應(yīng)。按照起重機(jī)在一定風(fēng)力下能否正常工作，把作用于起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷 分為工作狀態(tài)的風(fēng)載荷和非工作狀態(tài)的風(fēng)載荷兩類。工作狀態(tài)的風(fēng)載荷是起 重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)在正常工作情況下所能承受的最大計(jì)算風(fēng)壓；非工作狀態(tài)的風(fēng) 載荷則是起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)不工作時(shí)所能承受的最大計(jì)算風(fēng)壓。工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)的風(fēng)載荷按下式計(jì)算：pwCKhqA其中 C風(fēng)力系數(shù)Kh分壓高度變化系數(shù)風(fēng)振系數(shù)（常用 =1.0）A結(jié)構(gòu)或物品垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積q 計(jì)算風(fēng)壓q計(jì)算風(fēng)壓 的計(jì)算公式 q=0.1632而對(duì)于風(fēng)壓高度變化系數(shù)Kh起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)離地面越高，風(fēng)速越大，風(fēng)壓也回相應(yīng)的增大，這是客觀規(guī)律。

14、為簡(jiǎn)化計(jì)算，大多數(shù)國(guó)家對(duì)起重機(jī)的工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓取定值，不考慮高度變化 系數(shù)。所有起重機(jī)非工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓，因其數(shù)值，均應(yīng)考慮高度變化系數(shù)。任意高度風(fēng)壓值以離地 10m 高處的風(fēng)壓為基準(zhǔn)，高于 10m 的高度變化系數(shù)Kh按此試a計(jì)算：Kh=10其中 a指數(shù)，陸上近似取0.3,海山可取 0.2風(fēng)壓高度變化系數(shù)Kh可由表查。3風(fēng)力系數(shù) C風(fēng)力系數(shù)與金屬結(jié)構(gòu)的外形、集合尺寸等有關(guān)。常用起重機(jī)單片結(jié)構(gòu)和單根元 件的風(fēng)力系數(shù)可查。4迎風(fēng)面積 A并列箱形機(jī)構(gòu)的取值 A=A1+A2A前面一排結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積，Ai=1A1A后一排的結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積，A2=2A2前排結(jié)構(gòu)對(duì)后排迎風(fēng)面積的擋風(fēng)折減系數(shù)，它與前排結(jié)構(gòu)的充

15、實(shí)率i及兩排結(jié)構(gòu)的間隔比a有關(guān)，桁架式金屬結(jié)構(gòu)都得擋風(fēng)折減系數(shù)可查。h這兩個(gè)載荷計(jì)算是最主要的的金屬結(jié)構(gòu)載荷計(jì)算，對(duì)于所有門式起重機(jī)這些計(jì)算是最最基礎(chǔ)的。門架由 2 根主梁 4 個(gè)支腿、拱架、端梁、下橫梁、梯子走臺(tái)、欄桿、小車導(dǎo)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(yùn)輸超長(zhǎng)主梁分段，用高強(qiáng)度螺栓鏈接。小車導(dǎo)電架裝在主梁 一側(cè)的走臺(tái)上。門架結(jié)構(gòu)示意圖如下，詳情參數(shù)見(jiàn)原圖紙。四：ANSYS 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本步驟優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。所謂“最優(yōu)設(shè)計(jì)”，指的是

16、 一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求，而且所需的支出（如重量，面積，體積，應(yīng) 力，費(fèi)用等）最小。也就是說(shuō)，最優(yōu)設(shè)計(jì)方案就是一個(gè)最有效率的方案。設(shè)計(jì)方案的任何方面都是可以優(yōu)化的，比如說(shuō)：尺寸（如厚度） ，形狀（如過(guò)渡 圓角的大?。?，支撐位置，制造費(fèi)用，自然頻率，材料特性等。實(shí)際上，所有可 以參數(shù)化的 ANSYS選項(xiàng)都可以作優(yōu)化設(shè)計(jì)。課題的主要工作結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)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(gè)分析的過(guò)程，而且必須滿足以下條件：a)建立幾何模型。 (這一點(diǎn)是重點(diǎn)，要分清靜力結(jié)構(gòu)分析還是動(dòng)力學(xué)分析 )b)定義材料性質(zhì)。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(jié)果2.在 ANSYS 數(shù)據(jù)庫(kù)里建立與分析文件中變量相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。這一步是標(biāo)準(zhǔn)的做 法， 但不是必須的( BEGIN 或 OPT)。3. 進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化分析。8. 查看設(shè)計(jì)序列結(jié)果(OPT)和后處理(POST1/POST26)。這些就是 ANSYS 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本步驟。五：初步工作設(shè)想、結(jié)果預(yù)期和方案我們初步設(shè)想是能夠很好的完成課題題目工作， 能夠達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的， 從 而減輕重量，提高性價(jià)比。我們預(yù)期的最好結(jié)果是能夠做到起重 30t ，跨度 26m 的門式起重機(jī)自重能夠有很大的減少。 同時(shí)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(lái)