毕业论文-港口装卸单臂架MQ4025门座起重机总体设计及虚拟样机

1、武汉理工大学毕业设计（论文）本科生毕业设计（论文）港口装卸单臂架MQ4025门座起重机总体设计及虚拟样机学院（系）：物流工程学院专业班级： 机设0604班学生姓名： 指导老师： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授

2、权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日目录 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc262852334 摘要 摘要长期以来，港口装卸机械的设计方法多采用常规的静态设计为主，根据同类产品的相关资料和经验公式方法进行计算和设计，没有采取有效的动态仿真设计方法。在起重机研制过程中引入虚拟样机技术，可以实现计算机对起重机各机构在各种工况下作业的仿真模

3、拟，通过对仿真输出数据的分析来判断设计的合理性，这对于加快起重机械研制周期、降低研制成本具有重要的意义。本文以MQ4025单臂架门座起重机为例，叙述了门座式起重机总体设计的一般过程，建立了门座式起重机虚拟样机并对其进行了较为系统的多体系统动力学仿真分析，主要内容如下：（1）参照起重机设计手册及相关资料，对MQ4025门座式起重机进行方案选择和总体设计计算。（2）分析了门座起重机设计的现状，介绍了虚拟样机的概念以及在起重机设计中的应用。使用三维实体建模软件SolidWorks，建立了MQ4025门座起重机整机的三维实体模型，并将整机模型导入ADAMS软件，在ADAMS中建立了整机虚拟样机。（3）

4、对各个相对独立的部件施加相应的约束和载荷，进行多刚体系统运动学和动力学三维可视化仿真，并对仿真曲线的结果进行了进一步分析，从而实现对门座起重机典型工况下的动力学仿真。总之，门座起重机整机系统的虚拟样机研究，为门座起重机动态设计和结构仿真分析提供了高效可行的方法。关键词：门座式起重机；总体设计；虚拟样机技术；动力学仿真；ADAMSAbstractFor a long time, the design method of loading and unloading port machine mostly adopts the static design and according to the s

5、imilar products information to accomplish design and calculation, and hasnt adopted effective dynamic analysis method. If the technique of virtual prototype is introduced in study of port machinery, it can realize emulation the running state of each mechanism under various working conditions. Result

6、s from the emulation are used to estimate and judge different data of actual movement. This plays an important part in expending the development cycle and reducing the cost. This paper takes the MQ4025 portal crane as an example to describe the general process of portal cranes design; establishes th

7、e virtual prototype of integrated system of portal and systematically makes analysis of dynamics emulation of multi-body system. The main contents include:(1) Reference to the Crane Design Manual and other material, do the project selection and calculations on the MQ4025 portal crane.(2) Analyse the

8、 status of portal crane design, introduced the concept of virtual prototyping technology and the application on cranes design. Adopting three-dimensional solid modeling software of SolidWorks to establish three-dimensional models of integrated system and import them to software of ADAMS, build the v

9、irtual prototyping in ADAMS.(3) Add loads and forces on every component, and do the analysis of dynamics emulation of multi-body system; Do modal analysis on integrated system to find out dynamic features of crane, and then analyze the data and plotting. So we can realize the dynamics emulation of p

10、ortal crane in typical conditions.In a word, the virtual prototyping technology offers an efficient, feasible method to the design of portal crane and the analysis of dynamic simulation.Key Words: Portal crane; Design; Virtual prototyping technology; Dynamics simulation; ADAMS1 绪论1.1 课题的研究目的和意义随着世界经

11、济全球化的快速发展和我国对外贸易量的持续增长，港口业务迅速发展，决定了港口起重机械的发展趋势：高速化、自动化、智能化，对设计和性能要求也越来越高：质量轻、刚度好、工作空间大、工作速度快、作业效率高。因此港口装卸机械的设计计算方法需要不断的更新、充实和完善，使港口机械向更注重功能性、经济性、可靠性和安全性的方向发展。传统的产品开发通常分为4个阶段：产品设计阶段，包括方案设计、结构设计和零部件设计；试验阶段，主要是对关键零部件进行探索性的研究；制造物理样机阶段，主要是根据设计制造出物理样机，以检验设计的合理性，此时要把样机中的一些部件或结构做成可调的，必要时还需要做多个零件来替换；产品生产阶段。可

12、以看出，传统的产品开发周期长、消耗大、成本高，有明显的局限性1。起重机物理样机的制造更是耗费了产品生命周期的绝大部分，严重制约了门座式起重机制造成本的降低。再者，港口装卸机械是在复杂工况下工作的大型结构系统，其动态性能受多种因素影响，运动参数与载荷不能用一个简单的数学模型描述。然而长期以来，起重机的设计都是将动态问题简化为静态问题处理，起重机设计规范中采用动载系数来考虑这种动力影响。虽然这样可使问题简单化，但其最大缺陷是不能较为准确的反映起重机的实践工况和动态性能，导致分析和设计计算的不合理及不准确性。为了从根本上改变这种局面，近年来在产品开发中出现了一个新的研究领域虚拟样机技术。虚拟样机技术

13、是一种基于智能设计技术、并行工程、仿真工程及网络技术的先进制造技术，它以计算机仿真和建模技术为支持，利用虚拟产品模型，在产品实际加工之前对产品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行预测，从而对设计方案进行评估和优化，以达到产品生产的最优目标2。运用虚拟样机技术在设计的初级阶段就可以对整个系统进行完整的分析，用系统仿真软件在虚拟环境下真实的模拟系统的运动，进而可以非常方便的在计算机上对设计方案进行修改和完善。ADAMS软件是目前最优秀的虚拟样机软件，已广泛应用于各个领域，为各领域的产品设计和科学研究做出了很大贡献。传统的产品设计中，通常需要制造一定比例的实体物理样机进行试验来验证之前的设计。当试

14、验中发现缺陷时，要再次有针对性的逐步完善设计并再次制造样机进行验证，如此反复，直到产品达到性能要求为止。这一过程往往时间漫长，而且要消耗大量的人力、物力和财力，造成大量浪费，因而不利于起重机设计周期的缩短和设计成本的降低。采用虚拟样机技术，设计人员可以利用计算机对产品进行仿真试验，有针对性的快速模拟机械系统的各种不同工况，分析相应的运动学和动力学特性，并且针对其缺陷，在计算机上对模型进行快速修改。虚拟样机可以在短时间内完成多次物理样机无法完成的仿真试验，分析不同的设计方案，直至获得样机模型整机系统的优化方案。另外，虚拟样机技术还可以应用于系统极端工况的试验，如安全性能的测试等。应用虚拟样机技术

15、建立系统数字化虚拟样机模型，在此基础上进行运动学、动力学分析和仿真，可在产品设计初期检验产品性能、减少产品缺陷、优化设计、缩短研制周期、节约开发成本、提高产品质量3。综合考虑以上因素，在港口机械研制过程中引入虚拟样机技术，可大大缩短设计研发周期，降低产品生产成本，这为起重机的设计提供了高效的开发途径，使其具有快速响应市场的能力。1.2 课题研究的内容本课题以MQ4025型门座式起重机为研究对象，进行整机设计计算和仿真分析。首先根据给定的技术参数，进行门座起重机的总体设计技术；然后运用三维建模软件SolidWorks、机械系统动力学分析软件ADAMS建立门座起重机整机虚拟样机，并对其进行仿真分析

16、。具体工作如下：（1）根据课题所给的主要技术参数，参照起重机设计手册，对门座起重机进行总体方案选型和总体设计技术，对起升、变幅、回转、运行机构进行初步选型和布置，绘制门座起重机MQ4025的总图。（2）分析门座起重机各个机构的工作原理和动作过程，用SolidWorks软件建立门座起重机整机系统三维实体模型，并将其导入ADAMS分析系统，根据实际工况施加约束和载荷，建立门座起重机的整机虚拟样机。（3）在ADAMS环境中对不同工况下的整机虚拟样机模型进行运动学和动力学仿真，对仿真结果进行进一步分析。2 总体设计计算2.1 技术参数设计港口起重机械时，需要根据具体情况确定起重机的主要技术参数。本次设

17、计的MQ4025门座起重机主要技术参数见表2.1。表2.1 技术参数表项目名称技术参数起重量40t工作幅度最大幅度：25m最小幅度：9m起升高度轨上：22m轨下：18m机构工作速度起升机构：18m/min变幅机构：15m/min回转机构：1r/min运行机构：25m/min机构工作级别整机：A7起升机构：M7变幅机构：M6回转机构：M5运行机构：M4轨距10.5m工作状态最大风速20m/s非工作状态最大风速55m/s许用轮压250KN轨道型号P50电源380V/50Hz2.2 确定主要工作机构和金属结构的形式门座式起重机是具有沿地面轨道运行，下方为门形座架的可回转臂架型起重机。门座式起重机可转

18、动的起重装置装在门形座架上，门形座架4条支腿构成“门洞”，供车辆通过。门座式起重机主要工作机构由起升机构、变幅机构、回转机构和运行机构这四大机构。组成门座起重机的金属结构有门架结构、臂架结构、人字架、转台、转柱结构、车架结构等4。2.2.1 确定主要工作机构形式（1）起升机构组成及工作原理起升机构是用来实现货物升降的工作机构，它是起重机械中不可缺少的部分，是起重机中最基本最重要的机构。起升机构一般由驱动装置、传动装置、制动装置、卷绕系统、取物装置以及安全辅助装置等组成。港口起重机常用的驱动装置型式为电机分别驱动，各机构由独立的电机驱动，分组性好，布置、安装维修都比较方便，操纵控制系统简单。电动

19、机与卷筒并列布置是吊钩起重机应用最多的布置型式，电动机通过标准减速器带动卷筒转动，其布置形式如图2.1。图2.1 起升机构示意图电动机输出的扭矩经减速器放大后驱动卷筒旋转，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒中放出，从而使吊具升降，实现货物的起升动作。卷筒的正反转通过改变电动机的转向实现，机构运动的停止或使货物悬吊在空中一定位置依靠制动装置来实现。（2）变幅机构组成及工作原理变幅机构是用来实现取物装置幅度改变的工作机构，由臂架系统和变幅驱动系统组成。变幅机构的主要作用是：通过改变幅度来改变取物装置的工作位置，以实现起重机起重能力的调整，或者装卸路线的调整；通过改变幅度扩大起重机的作用范围，与起升、回转机构

20、协调工作，使取物装置的工作范围形成一环形工作空间，以提高起重机的生产率。本设计中，采用具有补偿系统的桁架式单臂架系统，齿条式变幅驱动机构。桁架式单臂架自重轻，幅度大，设计和制造方便。具有补偿系统的变幅机构可使吊重和臂架系统的重心在变幅过程中实现沿水平线或接近水平线轨迹运动，以减小吊重和自重引起的变幅阻力，从而减少变幅功耗。变幅机构的型式如图2.2所示。图2.2 变幅机构示意图（3）回转机构组成及形式回转机构的作用是使起重机的回转部分作回转运动，以达到水平面内运移货物的目的。回转机构是回转类型起重机主要工作机构之一。回转机构由回转支承装置和回转驱动装置两部分组成。回转支承装置的作用是将回转部分支

21、承在固定的机架上，使之不下落或翻倒，并起到对中作用，以保证回转部分具有确定的运动。回转支承装置可分为柱式回转支承装置和转盘式回转支承装置，本次设计采用转盘式回转支承装置。转盘式回转支承装置的特点是没有很高的立柱，起重机的回转部分装在一个大转盘上，转盘通过滚动体支承于固定的基础上，转盘和回转部分一起回转。回转机构的结构型式如图2.3所示：图2.3 回转机构示意图（4）运行机构组成及形式运行机构是实现起重机或起重小车水平运动的工作机构，通常由运行支承装置、运行驱动装置、运行安全装置三部分组成。运行支承装置用于承受起重机的自重以及外载，包括均衡梁、销轴、车轮、轨道等；运行驱动装置用于克服运行阻力，实

22、现起重机的运移，包括电动机、传动及减速装置、制动装置等；运行安全装置是为了保证起重机的安全运行而设置的，包括行程限位开关、缓冲器、防风装置、偏斜指示器及轨道清扫器等。本设计中，每套运行机构的形式如图2.4，它有三层均衡装置，6个车轮，其中3个驱动轮；驱动方式为分别驱动，结构简单，自重较轻；轨道采用P50。图2.4 运行机构示意图2.2.2 确定金属结构的形式起重机的金属结构是整台起重机的支持构架，决定了起重机械结构型式，它用来装置起重机的机械、电器设备、支持被起吊的重物，承受和传递作用在起重机上的各种载荷。起重机金属结构的基本受力构件分三类：轴心受力构件、受弯构件和压弯构件，这些基本构件根据其

23、受力和外形尺寸又可分别设计成格构式、实腹式或混合式的结构型式。格构式构件是由许多型钢、钢管或组合截面杆件连接而成的杆系结构，用于受力相对较小、外形尺寸相对较大的场合；实腹式构件主要由钢板组成，适用于载荷大、外形尺寸小的场合；混合式构件部分为实腹结构，部分为杆系结构，其使用条件介于格构式构件和实腹式构件之间。金属结构的连接方法主要有：焊接连接、铆接连接和螺栓连接。焊接连接于其他连接方法比较，不仅省工、省料、易于机械化和自动化施工，而且能简化结构的构造，减轻结构自重，因而是金属结构中最主要，最普遍的连接方法；铆钉连接用料多，自重大，而且钉孔削弱了构件的截面，使构件在受拉时降低了承载能力，因此以逐步

24、被焊接所代替；螺栓连接装配方便、迅速、质量可靠，因此主要用于结构安装连接，或用于需要经常拆卸的结构中5。本次设计的门座式起重机，臂架采用桁架式单臂架，门架采用双箱梁形焊接结构，台车为箱型结构，变幅机构选用齿条驱动和滑轮组钢丝绳补偿变幅形式，变幅平衡系统采用杠杆活对重形式。臂架系统的形式较多，常见的有单臂架系统、刚性拉杆式组合臂架系统、柔性拉索式组合臂架系统。刚性拉杆式组合臂架系统重量较大，但工作性能好，在港口、船厂门座起重机上获得广泛应用；柔性拉索式组合臂架工作时振动大，目前已很少采用；单臂式臂架重量轻，幅度大，常用于施工门座起重机。门架结构是整个起重机的基础结构，故要求门架结构具有足够的强度

25、和较好的刚性。门架的主要型式有：（1）桁架结构门架，（2）混合结构门架，（3）交叉刚构式门架，（4）八撑杆门架，（5）圆筒形门架，（6）双支腿门架；本设计采用圆筒门架型式。2.3 确定臂架结构主要尺寸根据起重机最大幅度=25m，最小幅度=9m，起升高度及总体布置要求，初步确定臂架长度=25m，臂架下铰点离回转中心线的距离=2m，起升滑轮组及补偿滑轮组的倍率分别为=2，=5。滑轮组补偿方案构造简单，臂架受力比较有利。这种补偿型式采用直臂架，结构简单，自重轻，适用于速度较低的中、小起重量起重机。臂架上钢丝绳卷绕系统如图2.5所示：图2.5 钢丝绳卷绕系统示意图2.4 吊重水平位移补偿系统的设计吊重

26、水平位移补偿系统可使吊重的重心在变幅过程中实现沿水平线或接近水平线轨迹运动，以降低能耗，提高操作性能。吊重水平位移补偿系统方案有多种，本设计采用滑轮组补偿方案。滑轮组补偿方案利用变幅过程中起升绳总长度不变，而局部长度可变，自动补偿由于臂架摆动引起的吊重升降。其基本构造形式是在起升绳绕绳系统中增设一个补偿滑轮组，使变幅过程中补偿滑轮组放出的绳长等于臂架头部升高而引起吊重升高所需的绳长。为使吊重水平位移补偿获得较理想的结果，经多次尝试后，时臂架仰角=23，时臂架仰角=74。作图法确定补偿点图解如下：图2.6 补偿点O1的图解确定为了验证可靠性，在臂架从最大幅度到最小幅度范围内选取间隔为（-）8的8

27、个臂架位置来验算整个变幅过程中吊重水平位移是否满足要求。臂架在不同位置时吊重的水平性相关数据如下表：表2.2 水平位移补偿数据表编号臂架幅度(m)补偿滑轮中心距li(mm)中心距变化长度l=(l1-li)(mm)臂架头部上升高度h(mm）吊重高度偏差y=lmb-hmq(mm）125201890002231869314963767-543211764525446450-1804191681733728532-20451716152403710202-21961515619457011556-26271315173501612652-22481114816537313526/p>

28、66014202-104由表中数据可知，=262，（-）0.03=480mm，因而：0.03（-），补偿点的位置是合理的。2.5 杠杆活对重式臂架自重平衡系统设计摆动臂架类型起重机在变幅过程中，臂架系统自重的重心高度会随着幅度的变化而产生高度的变化，因而引起变幅阻力的增大。所以在工作性变幅机构臂架系统设计中，为减小变幅机构功耗，通常采用臂架系统自重平衡的方法，使臂架系统自重的合成重心在变幅过程中不移动或沿水平线或接近水平线轨迹移动。平衡系统的型式有多种，本设计采用杠杆活对重平衡法，利用活动对重，使臂架系统的合成重心在变幅过程中沿近似水平线轨迹移动。平衡系统设计的主要任务是：确定平衡杠杆尺寸、连

29、杆尺寸及活对重重量。平衡系统设计的原则是：活对重对臂架下铰点的力矩与臂架自重对臂架下铰点的力矩尽可能大小相等、方向相反，使系统合成重心在变幅过程中沿近似水平线轨迹移动6。2.5.1 杠杆活对重系统的设计根据总体布置要求，参照同类型产品，确定杠杆支点位置，取活对重摆动的半径=6.5m，尾部允许半径=6.0m。取对重在时的上翘角=25，在时的下摆角=60，作图如下：图2.7 杠杆活对重平衡系统图解根据从最大幅度到最小幅度时臂架自重重心升高所增加的势能等于这时对重下降所减小的势能这一原则，初定活对重重量为：t用作图法求解对重杠杆端点b的位置，求解过程如下：图2.8 平衡系统杠杆尺寸求解示意图通过作图

30、得到平衡杠杆前端尺寸，连杆长度尺寸。2.5.2 臂架平衡系统的检验在初步确定了平衡系统的杠杆尺寸及活对重重量后，还须对其平衡情况进行检验，如果不满足要求则需按相同方法重新进行修正。在臂架全幅度范围内取8个臂架位置（同吊重水平位移检验位置），计算未平衡力矩的相关数据。在计算相关力矩时，需要测量臂架在不同位置时相关力到铰点（或作用线）的垂直距离。若在CAD中作图一一测量，则每次幅度改变时都需重新作图，非常不便。为解决这一问题，可以在SolidWorks中按尺寸和位置关系画出臂架及臂架平衡系统相应的草图，固定臂架下铰点和杠杆铰点位置，当改变臂架幅度时，各个构件的相对位置就会自动改变，而不用每次都修改

31、草图，这时就可以方便、快捷的测量出所需的数据。所作草图如图2.9所示：图2.9 臂架和臂架平衡系统简图 （1）臂架自重产生的未平衡力矩臂架系统自重对臂架下铰点的重力矩计算结果见表2.3。表2.3 臂架自重产生的重力矩汇总表（2）活对重产生的未平衡力矩杠杆活对重系统简图如下所示，活对重重量对杠杆支点的力矩应于小拉杆中拉力对杠杆支点的力矩相平衡。图2.10 杠杆平衡系统受力简图由此力矩平衡关系可求解出小拉杆中拉力，再由小拉杆与臂架的位置关系求出拉力对臂架下铰点的力矩，即活对重对臂架下铰点的折算重力矩。活对重产生的不平衡力矩计算数据见表2.4。表2.4 活对重折算重力矩汇总表（3）起升重量产生的未平

32、衡力矩起升重量产生的不平衡力矩主要考虑货物及吊具重量产生的不平衡力矩。臂架头部受到起升钢丝绳及补偿钢丝绳的拉力，补偿钢丝绳中总拉力为吊重钢丝绳中总拉力的2.5倍。吊重产生的未平衡力矩见表2.5。表2.5 吊重产生的不平衡力矩汇总表（4）力矩合成及检验将臂架系统自重产生的重力矩与活对重对臂架下铰点的折算重力矩合成，未平衡力矩汇总如下表所示：表2.6 合成未平衡力矩表由表中可以看出：最大幅度时，；最小幅度时，。且，因此杠杆活对重平衡系统设计合理。门座起重机MQ4025总体设计如图2.11所示：图2.11 MQ4025总体设计图2.6 计算载荷及载荷组合要保证起重机械安全可靠的工作，必须对起重机及其

33、零部件进行必要的计算，这就要求首先确定作用在起重机上的外载荷。起重机的外载荷有：起升载荷、自重载荷、动载荷、风载荷、碰撞载荷、工艺载荷、安装和运输载荷等。在起重机设计计算中，对于变化复杂的实际载荷，只能用简化的理论计算并与试验和经验相结合的方法来确定，由此得到的载荷只是真实载荷的近似，称之为计算载荷6。起重机械具有短暂、重复、周期性循环及载荷变化等特点。为了使起重机安全可靠、技术经济指标更为合理，在起重机零部件的强度和疲劳、寿命计算，总体计算时，通常将计算载荷分为三类：工作情况下的正常载荷（类载荷）、工作情况下的最大载荷（类载荷）、非工作情况下最大载荷（类载荷），通过不同的载荷组合来进行结构的

34、计算或校核。2.6.1 起升载荷起升载荷就是起升质量的重力，起升质量包括起重机允许起升的最大有效物品质量、取物装置（吊钩滑轮组、起重横梁、抓斗、容器或吸盘）质量、悬挂着的挠性件以及其他在升降中的设备的质量。起升高度小于50m的起升钢丝绳的质量可忽略不计。本设计中，起重量为40t，吊钩总成重量1350kg，则起升载荷：=（40+1.35）9800=405230 N2.6.2 自重载荷自重载荷是指起重机金属结构、机械设备以及附设在起重机上的存仓、连续运输机及其上的物料等的重力。起升质量的重力不计算在自重载荷内。设计时，参考同类产品取自重为300t，则自重载荷：=3009800=2940000 N2

35、.6.3 动力载荷动力载荷是指起重机各质量由于运动状态变化而产生的动态力。它是强度计算的重要依据，对疲劳计算也有影响。起重机不工作或吊重静止在空中时，其自重载荷和起升载荷处于静止状态。在起重机工作时，当运动状态改变，动载效应使原有静力载荷值增加，其增大的部分就是动载荷。动载荷包括在变速运动中结构自重和起升载荷产生的惯性载荷；由于车轮经过不平整轨道接头或运动部分对缓冲器的撞击产生的冲击载荷；惯性载荷和冲击载荷使金属结构和机构的弹性系统产生振动的振动载荷。动载荷与运动方向和工作速度（加速度）有关，与结构因素（如系统质量的分布，系统的刚度和阻尼等）有关，而且与使用条件（如外载荷的大小及其变化规律、有

36、无冲击等）有关。为了计算方便，通常用动力系数（动载荷与静载荷的比值）表示。使用时，一般根据实际情况，查阅起重机设计规范及有关手册选用。（1）起升机构产生的动载荷计算a）货物骤然离地起升（或下降制动）时起重机自重产生的冲击载荷起升质量突然离地起升或下降制动时，起重机自身质量也将产生振动，自重载荷将产生沿其加速度相反方向的冲击。根据规定，为考虑起升质量突然离地对自身质量的冲击作用，应将自重载荷乘以起升冲击系数。 QUOTE 1 ，取=1.05。b）货物骤然离地或下降制动时产生的附加动载荷起升质量突然离地起升或下降制动时，对承载构件和传动机构将会产生附加动载荷。计算这种情况下的动载荷，其值等于起升载

37、荷乘以起升载荷动载系数。起升速度越大，系统的刚度越大，操作越猛烈，则值就越大。查相关手册，由近似计算公式：=1+0.35v（1）式中：v额定起升速度(m/s)计算得=1.105。c）起升质量突然卸载时的动载荷当起升质量部分或全部突然卸载时，将对结构产生动态减载作用，减小后的起升载荷等于突然卸载的冲击系数 QUOTE 3 与起升载荷乘积。的计算公式为： QUOTE 3=1-m（2）式中：起升质量中突然卸去的那部分质量； 起升质量； 对于抓斗起重机或类似起重机=0.5计算得=-0.5。（2）运行机构产生的动载荷计算a）运行机构工作时通过不平轨道时的冲击载荷当起重机或起重小车沿道路或轨道运行，由于道

38、路或轨道接缝的不平而使运动质量产生沿铅垂方向的冲击。为考虑这种冲击，将起升载荷和自重乘以运行冲击系数。有轨运行时，运行冲击系数按下式计算:（3）式中：起重机或小车运行速度(m/s)； 轨道不平的高低差(mm)。 取计算得=1.130。b）运行惯性力当运行机构起动或制动时，起重机自身质量和起升质量将产生水平方向的振动，产生水平方向动载荷。计算时，可先按刚体动力学的方法计算起重机系统在机构起、制动时的水平惯性力，水平惯性力的大小等于该质量与加速度的乘积。然后再将这些惯性力乘以考虑弹性振动影响的增大系数。起重机起动或制动时，起重机自身质量以及起升质量产生的水平惯性力为：（4）式中：运行部分的质量；起

39、动（制动）加速度； 系数，考虑起重机机构驱动力（制动力）突加及突变时结构的动力效应，平均取=1.5。，查起重机设计手册，取，计算得N。c）物品偏摆载荷臂架类型回转起重机，当回转机构起动或制动时，货物的切向惯性力和离心力；变幅机构起动或制动时货物的水平惯性力；在物品上的风力作用下，使悬吊的物品的钢丝绳相对于铅垂线产生偏摆角。我国设计规范规定，在上述各水平载荷共同作用下，吊臂头部的水平力可按下式计算：（5）式中：货物偏摆产生的水平力(N)； 起升载荷(N)； 偏摆角。 在不同类别的计算中，选用不同的值。计算电动机功率和机构零件的疲劳时，用正常工作情况下的偏摆角；计算机构零件强度和起重机抗倾覆稳定性

40、时，用工作状态下的最大偏摆角。查手册，取。计算电动机功率时：（6）计算得：，因此得出正常偏摆角和最大偏摆角下偏摆载荷分别为：NN2.6.4 风载荷在露天工作的起重机应考虑风载荷是一种沿任意方向的水平力。起重机风载荷分为工作状态下的风载荷和非工作状态下的风载荷两类。工作状态下的风载荷包括正常工作状态下的风载荷和工作状态下的最大风载荷；非工作状态下风载荷是起重机在非工作状态时所受的最大风力。风载荷可按下式计算：（7）式中：作用在起重机上的风载荷(N)； 风力系数，与结构型式有关； 计算风压(N/m2)；起重机垂直于风向的迎风面积(m2)。 （1）计算风压 风压是风的速度能转化为压力能的结果，计算风

41、压与空气的密度和风速有关。风压的计算式为：（8）不同地区和不同计算工况的起重机按下表选取相应的计算风压值。表2.7 起重机计算风压(N/m2)地区工作状态计算风压非工作状态计算风压风速(m/s)内陆15.50.6150500600沿海台湾省及海南诸岛202506001000202501500（2）风压高度变化系数起重机的工作状态计算风压不考虑高度变化，即=1。所有起重机的非工作状态计算风压均须考虑高度变化。起重机沿高度划分为20m一段的等风压段，以各段中点的高度变化系数与计算风压相乘。陆上的风压高度变化系数可按下式计算：（9）（3）风力系数风力系数用以考虑结构物迎风的风压分布和背风面负压的影响

42、，它与结构物的体型、尺寸等有关。查起重机设计手册，取=1.6。（4）迎风面积起重机结构和物品迎风面积，应按最不利迎风方位计算，并取垂直于风向平面上的投影面积（10）式中：结构和物品的外廓面积(m2)； 结构物的充实率。 两片并列等高且型式相同的结构，考虑前片对后片的挡风作用，其总迎风面积为：（11）式中：前片结构的迎风面积，； 后片结构的迎风面积，； 两片相邻桁架前片对后片的挡风折减系数。参照同类产品，估算出各构件风力的作用点和截面的迎风面积，并依此计算出风载荷，考虑风沿臂架平面方向和垂直于臂架平面两个方向，然后计算倾覆力矩，以此作为校核整体的稳定性和轮压计算的依据。门座起重机整机重量重心位置

43、见表2.8，风载荷计算结果见表2.9。表2.8 整机重量重心表2.8 整机重量重心（续）表2.9 整机风载荷 2.6.5 载荷组合根据载荷作用在起重机上的概率，可将作用在起重机上的载荷分为三类：基本载荷、附加载荷及特殊载荷。基本载荷又称经常性载荷，是始终或经常作用在起重机结构上的载荷。包括自重载荷，起升载荷，惯性载荷和它们的动载效应。对于某些用抓斗、料箱或电磁铁进行作业的起重机，由于突然卸载所产生的起升载荷的动态减载力也属于基本载荷。附加载荷又称非经常性载荷，是起重机在正常工作状态下结构所受到的非经常性作用的载荷。包括起重机工作状态下作用在结构上的最大风载荷，起重机偏斜运行侧向力，以及根据实际

44、情况而决定考虑的温度载荷，冰雪载荷等。特殊载荷又称偶然性载荷，是起重机处于非工作状态时结构可能受到的最大载荷或者在工作状态下结构偶然受到的不利载荷。前者如结构所受到的非工作状态的最大风载荷，试验载荷以及根据实际情况而决定考虑的运输载荷、安装载荷和地震载荷等；后者如起重机在工作状态下所受到的撞击载荷等7。设计起重机结构时，应根据起重机的实际工况，将可能同时作用在起重机上的载荷进行组合。载荷组合共划分成三类：只包含基本载荷的载荷组合；由基本载荷和附加载荷组成的载荷组合；由基本载荷和特殊载荷组成的载荷组合。对应于起重机各种典型工况的载荷组合方式见起重机设计手册。2.7 轮压计算2.7.1 各支腿支承

45、反力计算公式起重机车轮对轨道的垂直压力称为轮压。作用在起重机上的各种载荷通过行走支承装置和车轮传递到基础上，这些支承点所承受的垂直反力称为支承反力。对于每个支承点下装有一组车轮的起重机，通常采用铰接的均衡梁，使同组车轮的轮压相等。因此，该支点支承反力除以支承点下的车轮数就是轮压：（12）式中：支承反力； 该支点下车轮数。计算起重机的轮压，应按类和类载荷组合，求出在各种不同工况情况下支承反力的最大值和最小值；根据码头基础设计所规定的许用轮压，确定每个支点下的车轮数目和尺寸，从而算出最大轮压和最小轮压。最大轮压用于运行机构零部件及金属结构的强度计算；最小轮压用于运行机构起动和制动时车轮的打滑运算。

46、四支点式起重机具有制造方便，抗倾覆稳定性好等优点，但是其支承反力的计算是一个超静定问题，它与支承结构型式和基础的刚性有关，还与起重机及轨道的制造和安装精度等因素有关，精确计算比较复杂。在实际计算时，通常根据起重机支承结构及基础的刚度大小和变形情况，把问题简化为两种理想情况，按照静定结构进行计算。刚性支架假定，将支承架看成一个绝对刚体，在载荷作用下四支点始终保持在同一平面上。铰接支架假定，则认为支承架是由若干互相铰接的纵横简支梁组成，在载荷作用下四支点不再保持在同一个平面上，而是随基础的变形而变形8。应当指出，支承架的弹性状况实际上总是介于上述两者之间。根据门座起重机的实际情况，按刚性支腿进行轮

47、压计算比较适合。设起重机非回转部分自重的重心与支承平面形心重合与点，包括吊重、臂架系统、转台等回转部分的总重量的重心在点，为回转中心，之间距离为，和分别为轨距和基距、臂架与轴成角（见图2.12），图2.12 轮压计算图则刚性车架各支承点在静止状态的垂直反力分别为：（13）式中：起重机不旋转部分自重； 起重机旋转部分（包括货物、臂架）自重；、旋转部分载荷向旋转中心转化的力矩在、方向的分力矩； ，当臂架垂直于支承平面的对角线时，出现最大支承反力（或）和最小支承反力（或）。2.7.2 各工况下的轮压计算已知：，车轮数目，许用轮压为。（1），货物外偏摆，二类风载沿臂架方向由后向前吹，则各支腿轮压分别为

48、： （2），货物外偏摆，二类风载沿臂架方向由后向前吹，则各支腿轮压分别为： （3），二类风载沿臂架方向由前向后吹，则各支腿轮压分别为： （4），三类风载沿臂架方向由前向后吹，则各支腿轮压分别为：由以上计算结果可以看出，各种工况下的大车轮压均在许用轮压25.51t以内，轮压验算满足要求。2.8 整机抗倾覆稳定性计算在自重和外载荷作用下，起重机本身所具有的抵抗倾覆的能力称为起重机的抗倾覆稳定性。保证起重机具有足够的抗倾覆稳定性是设计起重机的基本要求。进行稳定性验算时采用“力矩法”，这种方法规定：包括起重机自重在内的各项载荷对倾覆边的力矩之和大于或等于零，则认为起重机是稳定的。验算工况有：无风静载、

49、有风动载、突然卸载或吊具脱落、暴风侵袭下的非工作状态。查起重机设计规范，装卸用门座起重机的载荷系数见表2.10。表2.10 载荷系数 系数验算工况自重系数（）载荷系数（）水平惯性力系数(包括物品)）风力系数()10.951.50020.951.351130.95-0.20140.95001.12.8.1 无风静载工况起升载荷作用线在支承平面以外，处于该起吊重量所允许的最大幅度，臂架垂直于危险倾覆线，起吊静载试验载荷或额定载荷，不计附加载荷和坡度的影响，其抗倾覆稳定性校核计算式为：（14）式中：起重机的轨距(m)；最大幅度时起重机自重重心到回转中心线的距离(m)。图2.13 无风动载工况已知：=

50、285.7t，=41.35t，=0.95，=1.5，=25m，=10.5m，=0.287m，则：2.8.2 有风动载工况臂架垂直于轨道、处于最大幅度位置，起吊额定起重量，轨道前低后高、工作状态最大风力沿臂架由后向前吹，起重机上作用着起升、回转机构起（制）动引起的惯性力。这时起重机抗倾覆稳定性计算公式为：（15）式中：时起重机自重的重心高度(m)； 是起重机迎风面的形心高度(m)； 物品起升（或下降）速度(m/s)； 起升机构的起制动时间(s)； 作用在起重机上的工作状态最大风力； 允许的最大坡角，这里取=0； 偏斜时，由起升载荷产生的对臂架端部的拉力(N)； 对倾覆边的力臂(m)； 图2.14

51、 有风动载工况已知：=285.7t，=41.35t，=4.58t，=0.95，=1.35，=1，=25m， =10.5m，=0.287m，=15.913m，=17.34m，=28.32m，=0.3 m/s，=2s，=0，=10，则： =2.8.3 突然卸载或吊具脱落工况处于最小幅度的臂架垂直于轨道，轨道前高后低，工作状态最大风力沿臂架方向由前向后吹。此时起重机吊在空中的物品突然卸载（或吊具脱落），其抗倾覆稳定性的计算公式为：（16）式中：最小幅度时起重机重心到回转中心的距离(m)； 最小幅度时起重机重心高度(m)； 最小幅度时起重机迎风面形心高度(m)； 最小幅度时作用在起重机上的工作状态最大

52、风力。图2.15 突然卸载工具已知：=285.7t，=41.35t， =5.12t，=0.95，=-0.2，=1，=9m =10.5m，=0.945m，=16.076，=19.20m，=0，则：=2.8.4 非工作状态暴风侵袭工况处于最小幅度的臂架垂直于轨道，非工作状态最大风力沿臂架方向由前向后吹，此时起重机抗倾覆稳定性的计算公式为：（17）式中：最小幅度时作用在起重机上的非工作状态最大风力。图2.16 非工作状态暴风侵袭工况已知：=285.7t，=37.18t，=0.95，=1.1，=10.5m，=0.945m，=16.076，=19.20m，=0，则： 由以上计算结果可以看出，整机的抗倾覆

53、稳定性校核通过。3 MQ4025虚拟样机制作虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统9。在该技术中，工程设计人员可以直接利用CAD系统所提供的各零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实的模拟系统的运动并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况。它可以在计

54、算机上方便的修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案以后，再做出物理样机。虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法10。本次设计选用SolidWorks和ADAMS软件联合进行整机系统的仿真研究，利用SolidWorks软件对机械零部件进行三维实体建模、装配；完成模型后生产.x_t文件，加载到ADAMS/View中添加约束、载荷和驱动，然后进行仿真分析。3.1 起重机三维模型建立本

55、次设计中，采用三维建模软件SolidWorks建立MQ4025的整机模型。SolidWorks机械设计自动化软件是一个基于特征的、参数化实体建模三维设计工具。该软件以参数化特征造型为基础，具有功能强大、易学、易用等特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用，其独有的拖曳功能使我们能在短时间内完成大型装配设计11。在零件建模方面，SolidWorks提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过

56、拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计；通过对特征和草图的动态修改，用拖曳的方式实现实时的设计修改；三维草图功能能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。同时，其强大的曲面建模功能可以通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面，可以直观的对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作。因而，运用SolidWorks软件可以快捷的建立整机三维模型。在整机建模过程中，由于零部件太多，工作量大，且太多的零部件导入ADAMS中会使后续工作不便，所以对模型做了适当简化（导入ADAMS后再进行相关修正）：省略了与机构运动无关的

57、细小零部件（如螺栓、心轴等），只建造了起重机的大体外形结构以及主要的工作机构，使之能够实现起重机工作中的主要动作；将焊接或用法兰连接的部件建为一体，以减少零件个数；桁架式单臂架简化为箱型结构，一些箱型结构和管结构简化成实体结构。特征建模是SolidWorks主要建模技术，特征建模就是将一个个特征组合起来，生成一个三维零件。建模时，首先根据二维工程图确定三维实体的形状，然后根据实体各个部分的特点选择不同的建模方法。如实体部分为回转体，可先根据尺寸画出截面的封闭图形，然后用回转命令得到；实体上的孔或槽可用拉伸切除命令完成；箱型结构可通过拉伸命令的薄壁特性或是抽壳命令来实现；标准件（如本设计中变幅机

58、构中的齿轮与齿条）则可用SolidWorks中的Toolbox自动生成，修改相应的参数即可得到所需零件。在建模过程中，臂架部分由于形状不规则，用拉伸和切除命令来建模比较繁琐，需要反复进行多次才能完成，而用放样特征则可轻松实现。放样特征是通过两个或者多个轮廓按一定顺序过渡生成实体特征。放样可以是基体、凸台、切除或曲面。在生成放样特征时，可以使用两个或多个轮廓生成放样。需要注意的是，放样时对应的点不同，产生的效果也不同。建造臂架模型时，先确定各个过渡面的外形尺寸及相对位置关系，画出草图；然后执行放样命令，依次选择过渡面轮廓，设置好放样属性，确定后即可生成所需零件。运用放样特性建造臂架三维模型的过程

59、如图1所示： （a） （b）（c）图3.1 臂架主体三维建模示意图各部件三维模型建好后，需要对各部件按实际情况进行装配。由于将模型导入ADAMS后进行移动会非常复杂，因此在SolidWorks中要将各部件的相对位置调整好，特别是小齿轮与变幅齿条要装配好，这样在ADAMS中才能顺利为小齿轮和齿条添加约束，实现齿轮和齿条的啮合运动。装配小齿轮与齿条时，先计算出齿条节线位置以及小齿轮节圆半径，在零件图中画出齿条节线。配合时使齿条节线到小齿轮回转中心距离等于节圆半径，再让一对齿面相切，就可装配好小齿轮与齿条。装配好的齿轮与齿条如图3.2所示：图3.2 齿轮齿条装配图装配完成后的门座起重机整机三维模型如

60、图3.3所示：图3.3 整机三维模型装配完成后可以利用SolidWorks自带工具进行装配体检查。装配体检查主要包括碰撞测试、动态间隙、体积干涉检查及装配体统计等，用来检查装配体各个零部件装配后装配的正确性、装配信息等，以便及早发现错误。3.2 利用ADAMS软件建立整机虚拟样机3.2.1 ADAMS软件简介ADAMS软件是一种机械系统动力学自动分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADA