基于ProE的MQ2538总体设计及运动仿真设计方案

1 基于 体设计及运动仿真设计方案 第一部分 总体计算 1 绪论 门座起重机是我国研制最早、具有重要代表性的一种旋转式有轨起重机。早期的港用半门座起重机随着码头宽度的加大 ,门座和半门座起重机并列发展，并普遍采用俯仰臂架和水平变幅系统。 经过慢慢发展和改造设计 港用门座起重机迅速发展为便于多台起重机对同一条船进行并列工作 ,普遍采用了转动部分与立柱体相连的转柱式门座起重机 ,或转动部分通过大轴承与门座相连的滚动轴承式支承回转装置 ,以减小转动部分的尾径 ,并采用了减小码头掩盖面（门座主体对地面的投影 ）的门座结构。在发展过程中，门座起重机还逐步推广应用到作业条件与港口相近的船台和水电站工地等处。 分类 按用途可分为 3 类： 装卸用门座起重机 :主要用于港口和露天堆料场，用抓斗或吊钩装卸。起重量一般不超过 25 吨，不随幅度变化。工作速度较高，故生产率常是重要指标。 造船用门座起重机：主要用于船台、浮船坞和舣装现场，进行船体拼接、设备舣装等吊装工作，用吊钩作为吊具。最大起重量达 300 吨 ,幅度大时起重量相应减小。有多档起升速度，吊重轻时可提高起升速度。有些工作机构还备有微动装置，以满足安装要求。门座高度大 者，可适应大起升高度和大幅度作业的要求，但工作速度较低，作业生产率不高。 建筑安装用门座起重机：主要用在水电站进行大坝浇灌、设备和预制件吊装等，一般用吊钩。起重量和工作速度一般介于前两类起重机之间。它具有整机装拆运输性好、吊具下放深度大、能较好地适应临时性工作和栈桥上工作等的特点。 组成 门座起重机有起升、回转、变幅和运行机构，前 3 种机构装在转动部分上 ,每一周期内都参加作业。转动部分上还装有可俯仰的倾斜单臂架或组合臂架及司机室。运行机构装在门座下部，用以调整起重机的工作位置带斗门座起重机还装有伸缩 漏斗、带式输送机等附加设备，以提高门座起重机用抓斗装卸散状物料时 2 的生产率。除电气保护装置外，还装有起重量或起重力矩限制器、起重机夹轨器等安全装置。 系统 门座起重机大多采用水平变幅系统。 重物和臂架系统各自的重心在变幅过程中几乎无垂直位移。其方法之一是靠增设活动平衡重来平衡臂架系统俯仰时的合成重心的升降变化这种方法布置较方便 ,工作也较可靠，应用广泛。方法之二是靠臂架系统的机构特性来保证变幅时合成重心的移动轨迹接近水平线，无活动平衡重。 所吊重物在变幅过程中沿着近于水平线的轨迹移动，可采用补偿法和组 合臂架法。补偿法是通过特种储绳系统在变幅过程中自动收放相应起升绳，以补偿臂架升降造成的吊具垂直位移。组合臂架法是依靠组合臂架的机构特性保证臂端在变幅过程中接近水平移动。两种方法都得到广泛应用。 2 载荷的计算 重载荷 自重载荷是门座起重机计算的主要载荷。它是指起重机本身的结构、机械设备、电气设备以及在起重机工作时始终积结在它的某部分上的物料如附设在起重机上的漏斗料仓 连续数冬季及它上面的物料等质量的重力 重载荷还要包括结壳物料质量的重力。自重载荷的确切值在初始设计时是不 知道的，因此只能根据设计经验预先估计一个值，通常用到： 1）参考技术参数相近的同类起重机的重量数据； 2）利用手册、样本、参考书和文献中所给出的同类起重机的重量的重量统计图表； 3）利用估算重量的经验公式； 4）采用逐步逼近的估算法。故而，本次计算自重载荷取为： 臂架 系统 人字架及平 衡架系统 圆筒门架 运行机构 变幅机构 回转机构 起升机构 转台总成 52202 56148 73922 16843 8900 13520 11257 76215 防爬 装置 电缆装绕装置 梯子栏杆系统 机器房 人字架系统 负荷取力装置 司机室 锚定装置 850 824 9023 12814 56148 899 1600 375 电气系统 吊钩总成 整机总重 8000 1830 397425 3 表 1重载荷 7 4103 9 7 4 2 5 （ 1 起升载荷 起升载荷是指起升质量的重力。 在起重机设备中，起升质量包括允许起升的最大物品、取物装置（下滑轮组、吊钩、吊梁 、抓斗、容器、起重电磁阀）、以及悬挂挠性件和其他随同升降的设备质量。起升高度小于 50升钢丝绳的质量可以不计 。此次起重机的额定起升载荷为： 5 （ 2 动力载荷 动力载荷类似于冲击力产生的载荷是指起重机各质量由于运动状态变化而产生的的动态力。动力载荷可分为惯性载荷和振动载荷。 升机构产生的动载荷计算 （ 1）货物骤然离地提升（或下降制动）时，起重机自重产生的冲击载荷。我国设计规范规定，对应于此种工况的自重载荷增长系数成为起升冲击系数，用1 表示， 1 在 围内。本次计算取 11 。 （ 2）货物骤然离地或下降制动时产生的附加动载荷。起升质量突然离地或下降制动时产生的动载效应用以按下式计算： 0 4 2 ac v （ 2 （ 3）起升质量突然卸载时的动载荷。起重机正常工作的时候当起升质量部分或者全部脱卸时，对结构产生动态减载力。减载后的起升载荷等于突然卸载冲击系数 3 与原起升载荷的积， 3 可按下式计算： (1 33 ）（ （ 2 式中： m 起升质量中 突然卸去那部分质量； m 起升质量； 3 吊钩起重机取 4 行机构产生的动载荷计算 （ 1）运行机构工作时通过不平轨道时或者轨道接头时所激发的冲击载荷， 吊着货物的起重机运行通过轨道接缝，将起重机自重和起升载荷均乘以相同的运行冲击系数 4 ， 的计算公式如下：4 式中： v 起重机运行速度（ m/s）； h 轨道接头处两轨面的高度差（ 根据实际情况得 14 则运行冲击载荷为GG 4（ 2）运行惯性力 当运行机构起动或制动时，会因为强烈的起制动产生动载效应，定5为动载效应的参考系数，可取 。 曲线运动时 的水平惯性力 （ 1）起重机械运行拐弯或回转部分回转时的切向惯性力 切向惯性力： t 33 （ 2 式中： m 运动件的质量（ v 转弯时的圆周速度 (m/s) t 起动或制动时间 (s)（查表得为 7S） m=13520+25000+38520, 转 弯 的 圆 周 速 度 即 是 根 据 转 速 跟 工 作 幅 度 求 得 ， （ 2 （ 2）物品偏摆载荷 臂架类型起重机，当回转机构起动或制动时，可按下式计算： 404 a a n （ 2 式中： T 货物偏摆产生的水平力（ N）； 起升载荷（ N）； 偏摆角。 5 在臂架变幅平面内，偏摆角为 3和 4（=3）。 （ 1）臂架变幅平面内： a a n法法 （ 2 （ 2）垂直于臂架变幅平面内： 88t a 61t a n切切 （ 2 起重 机偏斜运行时的水平侧向力 水平侧向载荷 等因素有关，一般可按下式计算 （ 2 式中： P 起重机发生侧向压力的一侧经常出现最不利轮压之和，它与小车的位置有关； 水平侧向力系数， 风载荷 对于露天工作的起重机应考虑风载荷的作用，风压沿高度变化时客观规律，但大多数国家对工作状态最大计算风压都取为定值，其理由为 1）一般起重机才赢的工作状态最大计算风压值已经属于七级风的风压范围。如果以离地 10给定的风压已相当于是 50此对一般高度的起重机，采用这样的风压值而不考虑高度变化，是偏于安全的； 2）起重机工作状态下由风载荷引起的结构内力占总内力的比重一般不大，不考虑风压的高度变化不会导致过于保守的设计。考虑到以上情况，作用在起重机某部分和起重物品风载荷可按下式计算： （ 2 式中： 作用在起重机上的风载荷（ N）； C 风力系数； 6 q 计算风压 A 起重机垂直于风向的迎风面积 7 其计算结果如下： 表 2载计算表 序号 各部件名称 理论迎风面积（ R=10m 风平 行于 臂架方向吹 平 行臂架 垂直臂架 F 平衡（ 衡 Y 平衡（ m) 衡 c 旋转部分 1 臂架 小拉杆 平衡梁 机器房 转台 人字架 司机室 8 变幅机构 载旋转部分合计 固定部分 1 支撑 圆筒 门架 行走机构 夹轨锚定 电缆卷筒 定部分合计 空载整机合计 8 空载 q (N/ q (N/ q (N/1000. cF.q(t) 表 2载计算表 序号 各部件名称 理论迎风面积（ R=10m 风垂直 于 臂架方向吹 平衡臂架 垂直臂架 m) 垂直 X 垂直 (m) 直X 垂直 c 旋转部分 1 臂架 小拉杆 平衡梁 机器房 转台 人字架 司机室 变幅机构 载旋转部分合计 固定1 支撑 圆筒 门架 9 部分 3 行走机构 夹轨锚定 电缆卷筒 定部分合计 空载整机合计 空载 q (N/ q (N/ q (N/ cF.q(t) 10 风载计算表 序号 各部件名称 理论迎风面积（ R=30m 风平衡 于 臂架方向吹 平衡臂架 垂直臂架 F 平衡（ 衡 Y 平衡（ m) 衡 c 旋转部分 1 臂架 小拉杆 平衡梁 机器房 转台 人字架 司机室 变幅机构 载旋转部分合计 固定部分 1 支撑 圆筒 门架 行走机构 夹轨锚定 电缆卷筒 定部分合计 空载整机合计 空 q (N/ 11 载 q (N/ q (N/ cF.q(t) 2载计算表 序号 各部件名称 理论迎风面积（ R=30m 风垂直 于 臂架方向吹 平 行臂架 垂直臂架 Y 垂直 （ m） 直Y 垂直 X 垂直 (m) 直X 垂直 c 旋转部分 1 臂架 小拉杆 平衡梁 机器房 转台 人字架 司机室 变幅机构 12 空载旋转部分合计 固定部分 1 支撑 圆筒 门架 行走机构 夹轨锚定 电缆卷筒 定部分合计 空载整机合计 空载 q (N/ q (N/ q (N/ cF.q(t) 汉理工大学 毕业设计（论文） 13 3 轮压计算 四支点系统支撑反力计算 车轮的压力是指车轮对轨道面的法线方向的作用力，其值由自重和载荷产生，最大轮压按起重机满载且小车和回转臂处在最不利位置计算，用以设计起重机的构件。合理的设计应使起重机各车轮的最大轮压接近，并且使主动轮压稍大，以增强运行的驱动力。 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。支承力是起重机的重要参数，是起重机运行机构车轮装置设计和打滑验算的依据，也是轨道、起重机支承结构及码头水工结构设计的原始数据。 在门座式起重机、斗轮堆 取料机的设计过程中通常要进行轮压计算，以便进行轨道的基础设计与走行台车组的刚度、强度校核。上述设备的门座一般为三支点或四支点支承。此类设备的整机重心随着俯仰角度与回转角度的变化而变化。根据重心的位置，采用几何计算法可以较容易的计算出各支承点的支反力。 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： （ 3 式中： V 支承反力； m 该支点下车轮数 假设支承架是绝对刚性的，故可将力矩平移到支承面中心 两个互相垂直的平面上，则刚性支承架各支撑点在静止状态的垂直支反力为：计算起重机的轮压，在载荷作用下四支点始终保持在同一平面上。 设起重机非回转部分的风力、物品偏斜、惯性力和轨道坡度引起的水平力而产生的力矩分解为水平分量 y。由于支架是绝对刚性的，故可以将平移到通过 支承平面中心的两个垂直平面，可以得到各支点的支承反力。公式如下： 图 1稳定性计算模型 武汉理工大学 毕业设计（论文） 14 )2/()2/(4/4/)2/()2/(4/4/)2/()2/(4/4/)2/()2/(4/4/21212121 )22()21(44 21m a x （ 3 )22()21(44 21m i n （ 3 式中： 1G 起重机不 旋转部分自重 (N)； 2G 起重机旋转部分（包括货物、臂架）自重 (N)； e 起重机旋转部分（包括物品在内）的重心到旋转中心的距离（ m）； 旋转部分载荷向旋转中心转化的力矩在 x 、 y 方向的分力矩 ）（ ； ， c o ， 2 e M K 基距 当臂架垂直于支承平面的对角线 ，出现最大支承反力 或 和最小支承反力 或 支点系统支撑反力计算 3 显然，当 ，即臂架垂直于支点连线 到最大值。 求取支反力我们主要计算以下三种工况： 武汉理工大学 毕业设计（论文） 15 图 1各种工况下稳定性计算模型 工况：臂架垂直于轨道，最大幅度位置满载，类风载，由后向前吹 ， ， 0t ， a r c t a n / 0 ， 车 轮 数 目 3248 m ，、 1 21 5 ，货物外偏摆 10， 3 , e a （ 3 支反力 tV s i c （ 3 工况：臂架与轨道方向呈 45角，最大幅度满载，类风载，由后向前吹 ， ， 0t ， a r c t a n / 0 ，车轮 数目 8 4 32m ， 9, 1 21 ， 货物外偏摆 0 ， ， 3 ， o a （ 3 支反力 tV 5s i 5c （ 3 工况 架垂直于轨道，最小幅度位置空载， 风载 ， ， 0t ， a r c t a n / 0 ， 车 轮 数 目 8 4 32m ， 9, 1 21 ， 货物外偏摆 0 ， ， ， (A) 沿臂架方向由后向前吹， o a 0 9 （ 3 支反力 tV s i c （ 3 武汉理工大学 毕业设计（论文） 16 (B) 沿臂架方向由前向后吹， o a 0 9 （ 3 tV s i c （ 3 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压验算满足要求。 轮压计算表 表 3压计算表 输入参数 1工况 2工况 3工况 整机重量 Q 总 (t) 载状态下的自重力矩 M 空 （ 架平面与 45 超重量 Q(t) 25 25 0 非旋转部分的重力G1(t) 度 R(m) 33 33 转部分的重力G2(t) 重载荷系数 K 1与 距离t(m) 0 整机重心高度 y(m) 距 l(m) 度角 r 距 t(m) 载引起的倾覆力矩 M 风（ 165 165 点上车轮数目 m 摆角 架端部高度hl(m) 算结果 1工况 2工况 3 工况 倾覆力矩 M(压计算结果 武汉理工大学 毕业设计（论文） 17 4 稳定性计算 基本原则 促使起重机翻倒的因素很多，如起重机超载，过大的风力，过大的动载荷等。抗倾覆稳定性验算就是通过计算确认在各种工况的最不利的载荷组合下，相 对于危险倾覆边的稳定力矩必须大于倾翻力矩。稳定性验算分为工作状态和非工作状态两种。工作状态又分为静态和动态两种。非工作状态主要验算大风和自重联合作用下的稳定性。每一种起重机应按规定，验算四种工况下的抗倾覆稳定性。 算工况和载荷系数 验算工况 I 、基本稳定性 无风时起升静试验载荷； 动态稳定性 有风工作时起升正常工作载荷； 抗后倾稳定性 有向后工作风且突然空中卸载； 抗暴风稳定性 非工作状态遭暴风袭击。 载荷系数 门座起重机抗倾覆稳定性 校核根据验算工况决定相应的载荷系数和载荷组合。这些载荷共分为三类： 1）只包含基本在和的载荷组合 I； 2）由基本载荷和附加载荷组成的载荷组合 3）由基本载荷和特殊载荷组成的载荷组合 工况的载荷系数和载荷组合见表 构各部分重量以及重心位置 表 4重载荷计量表 A(t) 点轮压 PB(t) 点轮压 PC(t) 点轮压 PD(t) 汉理工大学 毕业设计（论文） 18 序号 各部件名称 重量 (t) 重心水平位置及重力矩 重心高度位置及重力矩 3m 3m i(m) Xi(m) Yi(m) Yi(m) 1 吊钩 臂架 人字架 转台 机器房 司机室 变幅机构 起升机构 回转机构 0 电器设备 1 超 载 限 制器 2 立 柱 及 平衡系统 载旋转部分合计 门架 行走机构 3 防风描定装置 4 电缆卷筒 固定部分合计 空载整机合计 重心位置 空载重心位置 满载载重心位置 0m 0m Y X Y X Y X Y 旋转部分 定部分 0 汉理工大学 毕业设计（论文） 19 整机 定性计算用到的载荷系数 表 4重机工 作组别 验算工况 自重 荷系数 平惯性力 力 无风静载 0 有风动载 1 突然卸载或吊具脱落 1 暴风侵袭下的非工作状态 0 倾覆稳定性校核计算式 按照上表所列工况，抗倾覆稳定性校核的力矩表达通式为： 0M （ 4 式中：、 分别为起重机自重、起升载荷、水平惯性力和风力对倾覆线的力矩（ ）； 、 分别为上述四类载荷的载荷系数 表 4算工况 工 况 特 征 1 主要用以校核起重机静载试验时的稳定性称为静稳定性校核。 2 对应于起重机的正常工作情况称为作业稳定性校核。 3 用于校核起重机由于意外情况或平衡重设置不合理向后翻到的稳定性称为意外稳定性校核。 4 用于校核起重机在非工作状态下受暴风吹袭时的倾翻稳定性称为最大风载荷稳定性校核。 况 1，无风静载 起升载荷作用线在变幅机构的最大幅度处，处于前倾状态抗倾覆稳定性校核计算式武汉理工大学 毕业设计（论文） 20 为： 0)(M m a x （ 4 式中：K 分别为起重机和起升载荷的载荷系数 G 起重机重力（ N） 起升载荷（ N） ）起重机轨距（ 2 C 起重机重心到转台回转中心的水平距离（ m） 起升载荷所允许的最大幅度（ m） 查表得 所以： (a x）（）（4 况 2，有风动载 起吊额定载荷，最大幅度的臂架垂直于倾覆线或者与倾覆线成 45角，有不利于稳定性的坡度，工作状态最大风力由后向前吹，起重机上作用着不利于稳定的机构启（制）动水平惯性力。对带载运行和不带载运行的起重机，应分别进行稳定性校核。 1）臂架前置，垂直于倾覆线受坡度分力、运行起（制）动惯性力、风力作 用，作用在物品上的风力和水平惯性力可通过钢丝绳的最大偏斜角考虑抗倾覆性稳定性计算式为： 0)s i n ()c o s ()(s i nc o s)(2122232m a S （ 4 式中： 2a 起重机轴距 允许的最大坡度，取为 1 起重机重心高度 工作状态下吊重绳相对铅垂线的最大偏摆角 起重机臂架端物品悬吊点的高度 武汉理工大学 毕业设计（论文） 21 2v 起重机运行速度 g 重力加速度 2t 起重机运行起（制）动时间（ s） 风力系数 F 作用于起重机上的风力（ N） 起重机挡风面积的形心高度（ m） 2）臂架与倾覆线成 045 时，其稳定性校核计算式为： 0)s i n ()c o s ()(7.0s i nc o s)2122232m a S （ 4 1）臂架垂直于危险倾覆线，其稳定性校核计算式为： 0)s i n ()c o s ()(s i nc o s)(2232m a S （ 4 2）臂架与倾覆线成 045 时，其稳定性校核计算式为 0)s i n ()c o s ()(7.0s i nc o s)2232m a S （ 4 况 3，突然卸载或吊具脱落 最小幅度的臂架垂直于危险倾覆线，由于突然卸载或吊具脱落相当于在物品悬吊点上产生一个反向作用力，工作状态的最大风力由前向后吹，有不利稳定坡度 ,其校核计算式为： 0)s i n(2.0s i nc o s)(23m i n （ 4 况 4，暴风侵袭 非工作状态下的起重机，臂架垂直于轨道并处于最小幅度，非工作状态的最大风力由武汉理工大学 毕业设计（论文） 22 前向后吹，有前高后低的最大允许坡度，此时抗倾覆稳定性验算计算式为：21 s o s)( （ 4 表 4定性计算表 输入参数 无风静载 有风动载 突然卸载 暴风侵袭 起重机起重载荷系数 起重机起升载荷 Q(t) 25 0 起重机自重系数 架端物品吊点高度 起重机自重G(t) 重机重心高度 距 L(m) 度 R(m) 38 大坡度角r(O) 0 风力系数 1 1 物摆偏系数载荷 (t) 偏摆角 a(O) 10 重心到回转中心距离c(m) 3 4 3 计算结果 抗倾覆力矩（ 无风静载时的稳定性计算 24120 有风动载时稳定性计算 带载运行 臂架前置 架与倾覆线成 450 置作业 臂架垂直于倾覆线 架与倾覆线成 450 然卸载或脱钩时稳定性计算 风侵袭时稳定性计算 算结果，各个抗倾覆力矩都大于 0，所以稳定性满足要求。 武汉理工大学 毕业设计（论文） 23 第二部分 臂架系统的运动仿真 1运动仿真 计算机仿真是指用计算机模拟分析真实事物的运动和变化过程 ,并获得相应的结果 ,具体包括运动动力学仿真、 工程数值分析、结构与过程优化设计和结构强度与寿命评估等。仿真技术对现代工程、产品的设计和研发具有突出的指导意义 ,使得原来在二维图纸上难以表达的运动变得非常直观和易于修改 ,不仅大大简化了机构的设计开发过程 ,缩短了开发周期 ,减少了开发费用 ,同时还提高了产品的质量。 是美国 司推出的系列产品 ,它具有基于特征、全参数、全相关、单一数据库等特点 ,是机械领域的高级三维软件。它的参数化设计、基于特征、全相关等设计理念改变了机械 传统观念 ,被广泛应用于机械设计、机械装配、系统仿真和模 具设计等领域。 结构设计是 包含运动的一个模块，能够对设计进行模拟仿真校验，如运动仿真显示、运动干涉检验、运动轨迹、位移、速度、加速度计算等。机构运动包括自由度的计算、各个构件位移、速度和加速度的计算以及构件会不会干涉、还有如何改变构件的尺寸来满足设计的需要等内容。 构模块简介 在进行机械设计时，建立模型后设计者往往需要通过虚拟的手段，在电脑上模拟所设计的机构，来达到在虚拟的环境中模拟现实机构运动的目的。对于提高设计效率降低成本有很大的作用。 “机构”模块 是专门用来进行运动仿真和动态分析的模块。 构”模块中，包括 械设计） 和 械动态）两个方面的分析。使用“机械设计”分析功能相当于进行机械运动仿真， 使用 “ 机械设计 ”分析功能来创建 某 种 机构， 定义特定运动副，创建能使其运动起来的伺服电动机，来实现机构的运动模拟 。 并可以观察 并记录分析， 可以 测量诸如位置、速度、加速度等 运动特征 ， 可以通过 图形 直观的显示这些 测量 量 。也可创建轨迹曲线和运动包络，用物理方法描述运 动。 使用 “ 机械动态 ”分析功能 可 在机构上定义重力 ， 力和力矩，弹簧，阻尼等等特征。可以设置机构的材料，密度等特征，使其更加接近现实中的结构，到达真实的模拟现实的目的 。 如果单纯的研究机构的运动，而不涉及质量，重力等参数，只需要使用“机械设计”分析功能即可，即进行运动分析，如果还需要更进一步分析机构受重力，外界输入的力和武汉理工大学 毕业设计（论文） 24 力矩，阻尼等等的影响，则必须使用“机械设计 ” 来进行静态分析，动态分析等等。 用界面和使用环境 在装配环境下定义机构的连接方式后，单击菜单栏菜单“应用程序”“机构”，如图 2 统进入机构模块环境，呈现图 2示的机构模块主界面：菜单栏增加如图 2构”下拉菜单，模型树增加了如图 2构”一项内容，窗口右边出现如图 2拉菜单的每一个选项与工具栏每一个图标相对应。用户既可以通过菜单选择进行相关操作，也可以直接点击快捷工具栏图标进行操作。 图 2装配环境进入机构环境图 图 2机构模块下的主界面图 武汉理工大学 毕业设计（论文） 25 图 2构菜单 图 2模型树菜单 图 2具栏图标 图 2构”工具栏图标和图 2 连接轴设置 ： 打开 “ 连接轴设置 ” 对话框，使用此对话框可定义零参照、