（机械工程专业论文）集装箱轨道龙门起重机及关键技术研究.pdf

t h e r e s e a r c h o f t h e k e y t e c h n o l o g y o f c o n t a i n e ：r a i l m o r t a r e dc r a f t y a b s t r a c t a t p r e s e n t , w h e np e o p l e s e l e c t e q u i p m e n t f o rc o n t a i n e rs t o r s g e y a r d s , r u b b e rt y r e dg a n t r yc n i n e ( r t g ) h a sb e c o m e t h e i rf i r s ts e l e c t i o n a n da st h e “a g n a t eb r o t h e r ”o f r t gl b i lm o u n t e dg a n t r yc r a n e ( r m g ) o f t e nn e g l e c t e d b yt h e m o h eh a n d i st h a tt h e a d v a n t a g e s o fr m gi nh a n d l i n gc o n t a i n e r sc a n n o t s t i l lb eu n d e r s t o o dc o l l e c t i v e l y , t h eo t h e rh a n di s t h a ts o m ed i s a d v a n t a g e so f t h e mh a v eu s u a l l yb e e ne x a g g e r a t e d ，a n dw h i c hb e c o m et h em o s ti m p o r t a n t r e a s o nf o rn o tc h o o s i n g b a ti ub c t c o m p a r e dw i t hr t gr m gh a sm o r e s u p e r i o rc a p a b i l i t y , m o r eb e n e f i t sa n dm o r ep r e d o m i n a n tp e r s o n a l i t y s or m g m u s tb et h ef i r s ts e l e c t i o nf o rf u t a r ee q u i p m e a t i nc o n t a i n e r s t o r a g ey r d t o d a y ，w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h el i m i t e du n i t m e t h o do fs t r u c t u r ea n a l y s i sg e t sf h i l ya p p l i c a t i o n n o ww h i l ep e o p l ee n j o yt h e a c c u r a t ea n dc o n v e n i e n to fs t r u c t u r ea n a l y s i s , t h e yi m p r o v et h el e v e lo fs t r u c t u r e d e s i g n f i r s t l y , t h i sa r t l e l ed e s c r i b e st h es u p e r i o r i t yo f r m g i nc o n t a i n e r sh a n d l i n g i nc o n t a i n e rs t o r a g ey a r d sb yd o i n g c o m p r e h e n s i v ec o m p a r e b e t w e e nr t ga n d r m gi ne c o n o m y , t e c h n o l o g ya n dp r o c e s s i n g s e c o n d l y , t h es t a t i c sa n a l y s i sa n d r e s e a r c ht ot h ef r a m eo f 捌幔gh a sb e e nd o n eht h ew a yo fa n s y s 6 1 。i 吐 a d d i t i o n ，i ta n a l y z e sa n dr e s e a r c h e st h eh o i s t i n gs y s t e mi ns t e e l - w i r er o p e , a n d 西嘲曲eu e ws c h e m eo ft h a ts y s t e m ，t h a tf i n r t h e re n h a n c e st e c h n i c a l c a p a b i l i t yo fr m g k e yw o r d s ：c o n t a i n e r , r t g , r m gl i m i t e du n i t s , a n s y s , f r a m es t r u c t u r e , h o i s t i n gs y s t e m 第1 章：绪论 第1 章：绪论 1 1 集装箱堆场装卸机械的发展现状 1 1 1 我国集装箱运输的发展 1 9 5 5 年为了解决零担货物运输巾存在的装卸、搬运耗费人力多、货运货 差事故多、发送到达的运输手段多等问题，铁路部门首先在天津、沈阳、大 连、哈尔滨、济南、上海等站开展了集装箱试点工作，由此开始了我国集装 箱运输的历史。采用集装箱运输后，节省包装费，保持货物完整，便于机械 搬运、装卸，减轻装卸工人劳动强度，提高装卸效率，降低运输费用等优势 突现出来，从而使集装箱运输得到了不断的发展。十一届三中全会后，我国 的改革开放，使我国的对外贸易飞速增长，由此也促进了水运集装箱的迅速 发展。进入八十年代后，以天津港集装箱码头为代表的专业化集装箱码头相 继建成投产。我国港口( 不含港、澳、台) 集装箱吞吐量也由1 9 8 0 年6 5 万 t e u 发展到2 0 0 1 年的2 7 4 7 万t e u ( 如图表1 一1 ) 。就是说，集装箱的港口吞 吐量经过2 2 年的发展，增长了4 0 0 多倍。 图卜1 1 9 8 0 - 2 0 0 1 年我国港口集装箱吞吐情况 据最新的统计数据显示，2 0 0 2 年i - 9 月份我国港口集装箱吞吐量完成 2 4 5 0 7 4 万t e u ，较去年同期有增长了3 7 ，0 ( 1 璺f 表i - l ；我蚓2 0 0 2 年1 - 9 月份沿海几个主要集装箱港口吞吐量完成情况) 。随着我国加入w t o ，必 将促进国际贸易量的高速增长，更会促使这种被称为2 0 世纪运输革命”的 第1 章：绪论 第1 章：绪论 1 1 集装箱堆场装卸机械的发展现状 1 1 1 我国集装箱运输的发展 1 9 5 5 年为了解决零担货物运输巾存在的装卸、搬运耗费人力多、货运货 差事故多、发送到达的运输手段多等问题，铁路部门首先在天津、沈阳、大 连、哈尔滨、济南、上海等站开展了集装箱试点工作，由此开始了我国集装 箱运输的历史。采用集装箱运输后，节省包装费，保持货物完整，便于机械 搬运、装卸，减轻装卸工人劳动强度，提高装卸效率，降低运输费用等优势 突现出来，从而使集装箱运输得到了不断的发展。十一届三中全会后，我国 的改革开放，使我国的对外贸易飞速增长，由此也促进了水运集装箱的迅速 发展。进入八十年代后，以天津港集装箱码头为代表的专业化集装箱码头相 继建成投产。我国港口( 不含港、澳、台) 集装箱吞吐量也由1 9 8 0 年6 5 万 t e u 发展到2 0 0 1 年的2 7 4 7 万t e u ( 如图表1 一1 ) 。就是说，集装箱的港口吞 吐量经过2 2 年的发展，增长了4 0 0 多倍。 图卜1 1 9 8 0 - 2 0 0 1 年我国港口集装箱吞吐情况 据最新的统计数据显示，2 0 0 2 年i - 9 月份我国港口集装箱吞吐量完成 2 4 5 0 7 4 万t e u ，较去年同期有增长了3 7 ，0 ( 1 璺f 表i - l ；我蚓2 0 0 2 年1 - 9 月份沿海几个主要集装箱港口吞吐量完成情况) 。随着我国加入w t o ，必 将促进国际贸易量的高速增长，更会促使这种被称为2 0 世纪运输革命”的 武汉理工大学工程硕士学位论文 物流方式的更快发展。 图表1 - 1我国沿海主要港口1 - 9 月份集装箱吞吐量 1 - 9 月份吞吐囊为上年同期增减 占全国比重 港口名称 ( 1 0 k t e u )( )( ) 沿海港口2 4 5 0 7 43 7 0 上海港 6 1 55 54 32 5l 深圳港5 4 7 8 75 1 o2 2 4 青岛港2 5 1 1 92 631 0 2 天津港 1 7 8 5 5 2 0 o7 3 广州港1 5 9 7 83 2 5 6 5 宁波港1 3 2 3 55 4 25 4 厦门港1 2 8 6 93 5 65 3 1 。1 2 集装箱装卸工艺概述 集装箱码头相对一般件杂货码头，其最突出的优点是作业的高效性，而 装卸工艺是码头作业高效率的保证。合理地选择码头的工艺类型，是顺利开 展码头生产的前提。集装箱码头的装卸工艺有如下几种典型的方式：底盘车 掏l ；2集装箱滚装作业底盘车 式( 见图l 也、) 、跨运崴f ( 见朋程3 ) 、叉车方式( 见图1 - 4 ) 、正面吊方 式( 见图1 - 5 ) 、轮胎龙门起重机( 见图1 - 6 ) 、轨道式龙门起重机( 见图 l 一7 ) 。伴随着集装箱物流技术的发展，加之经济、环境和人们操作习惯等 因素的影响，码头堆场集装箱的装卸方式也在发生着变化，在不同时期各种 装卸方式所占的比例是不同的，根据1 9 8 0 年国外有关统计资料的显示，对世 j 2 9 0 个港口的4 1 8 个集装箱码头的堆场设备的调查，采用跨运车的4 1 ， 采用底盘车的占1 2 ，采用轮胎式龙门起重机的占8 ，采用轨道式龙门起 武汉理工大学工程硕士学位论文 物流方式的更快发展。 图表1 - 1我国沿海主要港口1 - 9 月份集装箱吞吐量 1 - 9 月份吞吐囊为上年同期增减 占全国比重 港口名称 ( 1 0 k t e u )( )( ) 沿海港口2 4 5 0 7 43 7 0 上海港 6 1 55 54 32 5l 深圳港5 4 7 8 75 1 o2 2 4 青岛港2 5 1 1 92 631 0 2 天津港 1 7 8 5 5 2 0 o7 3 广州港1 5 9 7 83 2 5 6 5 宁波港1 3 2 3 55 4 25 4 厦门港1 2 8 6 93 5 65 3 1 。1 2 集装箱装卸工艺概述 集装箱码头相对一般件杂货码头，其最突出的优点是作业的高效性，而 装卸工艺是码头作业高效率的保证。合理地选择码头的工艺类型，是顺利开 展码头生产的前提。集装箱码头的装卸工艺有如下几种典型的方式：底盘车 掏l ；2集装箱滚装作业底盘车 式( 见图l 也、) 、跨运崴f ( 见朋程3 ) 、叉车方式( 见图1 - 4 ) 、正面吊方 式( 见图1 - 5 ) 、轮胎龙门起重机( 见图1 - 6 ) 、轨道式龙门起重机( 见图 l 一7 ) 。伴随着集装箱物流技术的发展，加之经济、环境和人们操作习惯等 因素的影响，码头堆场集装箱的装卸方式也在发生着变化，在不同时期各种 装卸方式所占的比例是不同的，根据1 9 8 0 年国外有关统计资料的显示，对世 j 2 9 0 个港口的4 1 8 个集装箱码头的堆场设备的调查，采用跨运车的4 1 ， 采用底盘车的占1 2 ，采用轮胎式龙门起重机的占8 ，采用轨道式龙门起 第1 章：绪论 重机的仅占1 ，其他为重型叉车或非专业化设备( 如图1 8 示) 。 图1 - 3 集装箱跨运车 图1 4 集装箱叉车 3 武汉堡三查兰三堡塑主兰垡堡壅一一 图1 - 5 套轱籍彳f 而吊 图1 - 6轮胎囊翻糟龙f 1 起重机 图1 - 7轨道集装箱龙门起重机 4 篁! 皇! 堡垒 一 i跨运车- 底盘车皇轮胎式龙九起就i i 轨道式龙门起重机- 其他设备 图1 - 81 9 8 0 年集装箱码头堆场装卸设备对比 到2 0 世纪9 0 年代中后期，对国内外的一些主要集装箱码头进行调查统计 显示使用正面吊( 或重叉) 、跨运车、轮胎式龙门起重机和轨道式龙门起重 机的数量所占比例分别为7 5 、1 5 6 、7 1 8 和4 7 ( 见图1 - 9 ) ， 而采用全底盘车的几乎没有了。 图l - 92 0 世纪9 0 年代叶i 后期，集装箱装卸设备使用率对比 由此可以看出，有利于提高堆场有效利用率和提高装卸效率的轮胎式龙 门起重机已被较为普遍的采用；轨道式龙门起重机的采用也正在逐步引起人 们的重视。 表l - 2 对各种集装箱装卸方式进行了简单的对比，不同的装卸方式各自 有着独到的特点、优势和劣势。 5 武汉理工大学工程硕士学位沦文 表1 2 各种作业方式的比较 作业方式 项目 底盘车跨运车轮胎式龙门轨道式龙门 叉车正面吊 系统系统起重机系统起重机系统系统系统 储存能力差好优优中好 投资费用差好 好。好 优好 工艺简单性优好誊譬j 差 。 ：差 优优 装卸效率优好评一、好差中 机动性优好差差好优 减轻箱损坏 优差好好好好 降低维修本好差好优好好 可扩张性优好差差好 好 自动化适性差差好优差差 与铁路接运差差好优 中 好 1 2 港口起重运输机械设计的发展 伴随港口深水泊位的建设，船舶大型化趋势的不断发展，机械、液压、 电气、通讯、电子、化工、冶金、光电等多种科学技术水平迅速提高，港口 装卸设备也在大型化、集成化、连续化、高速化、自动化、流程化和计算机 化。有了计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价值工程、可靠性 工程、人机工程等现代理论的不断发展，有了新材料、新工艺、新设备的不 断应用，作为现代设计方法的设计方法极限状态设计、模块化设计，智能化 设计已应用到港口超重机的设计中，j 港口杌械设计进入了创新、高质量、高 效率的新阶段。 警 ； 。， 1 2 1 极限状态设计 在起重机钢结构设计中，长期以来采用的是许用应力设计法，这种方法 使用方便、计算简单、有一定的准确性，但对不同用途、性质的金属结构采 用相同的安全系数，这些安全系数的设定往往偏大或偏小，是结构不是偏于 安全，就是偏于不安全 3 】。在2 0 世纪8 0 年代初期，概率论、数理统计、可 靠性理论等学科被引用到结构设计中，出现了概率统计方法为基础的金属结 构极限状态设计法。把载荷、材料性质、构件实际尺寸等均看作给予某种概 率统计的统计量，通过大量实测与调查，得到基本变量的分布概率和参数， 然后应用概率论可靠性知识，计算失效的概率( 风险大小) 来估算起重机钢 结构的安全度f 3 6 1 。现在概率极限状态设计方法已在结构设计中较多地采 武汉理工大学工程硕士学位沦文 表1 2 各种作业方式的比较 作业方式 项目底盘车跨运车轮胎式龙门轨道式龙门叉车正面吊 系统系统起重机系统起重机系统系统系统 储存能力差好优优中好 投资费用差好 、 好。 i 好优好 工艺简单性优好誊譬j 差 。 ： 差优优 装卸效率优好评一、好差 中 机动性优好差差好优 减轻箱损坏优差好好好好 降低维修本好差好优好好 可扩张性优好差差好好 自动化适性差差好优差差 与铁路接运差差好优 中好 1 2 港口起重运输机械设计的发展 伴随港口深水泊位的建设，船舶大型化趋势的不断发展，机械、液压、 电气、通讯、电子、化工、冶金、光电等多种科学技术水平迅速提高，港口 装卸设备也在大型化、集成化、连续化、高速化、自动化、流程化和计算机 化。有了计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价值工程、可靠性 工程、人机工程等现代理论的不断发展，有了新材料、新工艺、新设备的不 断应用，作为现代设计方法的设计方法极限状态设计、模块化设计，智能化 设计已应用到港口超重机的设计中，j 港口杌械设计进入了创新、高质量、高 效率的新阶段。 警 ； 。， 1 2 1 极限状态设计 在起重机钢结构设计中，长期以来采用的是许用应力设计法，这种方法 使用方便、计算简单、有一定的准确性，但对不同用途、性质的金属结构采 用相同的安全系数，这些安全系数的设定往往偏大或偏小，是结构不是偏于 安全，就是偏于不安全 3 】。在2 0 世纪8 0 年代初期，概率论、数理统计、可 靠性理论等学科被引用到结构设计中，出现了概率统计方法为基础的金属结 构极限状态设计法。把载荷、材料性质、构件实际尺寸等均看作给予某种概 率统计的统计量，通过大量实测与调查，得到基本变量的分布概率和参数， 然后应用概率论可靠性知识，计算失效的概率( 风险大小) 来估算起重机钢 结构的安全度f 3 6 1 。现在概率极限状态设计方法已在结构设计中较多地采 武汉理工大学工程硕士学位沦文 表1 2 各种作业方式的比较 作业方式 项目底盘车跨运车轮胎式龙门轨道式龙门叉车正面吊 系统系统起重机系统起重机系统系统系统 储存能力差好优优中好 投资费用差好 、 好。 i 好优好 工艺简单性优好誊譬j 差 。 ： 差优优 装卸效率优好评一、好差 中 机动性优好差差好优 减轻箱损坏优差好好好好 降低维修本好差好优好好 可扩张性优好差差好好 自动化适性差差好优差差 与铁路接运差差好优 中好 1 2 港口起重运输机械设计的发展 伴随港口深水泊位的建设，船舶大型化趋势的不断发展，机械、液压、 电气、通讯、电子、化工、冶金、光电等多种科学技术水平迅速提高，港口 装卸设备也在大型化、集成化、连续化、高速化、自动化、流程化和计算机 化。有了计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价值工程、可靠性 工程、人机工程等现代理论的不断发展，有了新材料、新工艺、新设备的不 断应用，作为现代设计方法的设计方法极限状态设计、模块化设计，智能化 设计已应用到港口超重机的设计中，j 港口杌械设计进入了创新、高质量、高 效率的新阶段。 警 ； 。， 1 2 1 极限状态设计 在起重机钢结构设计中，长期以来采用的是许用应力设计法，这种方法 使用方便、计算简单、有一定的准确性，但对不同用途、性质的金属结构采 用相同的安全系数，这些安全系数的设定往往偏大或偏小，是结构不是偏于 安全，就是偏于不安全 3 】。在2 0 世纪8 0 年代初期，概率论、数理统计、可 靠性理论等学科被引用到结构设计中，出现了概率统计方法为基础的金属结 构极限状态设计法。把载荷、材料性质、构件实际尺寸等均看作给予某种概 率统计的统计量，通过大量实测与调查，得到基本变量的分布概率和参数， 然后应用概率论可靠性知识，计算失效的概率( 风险大小) 来估算起重机钢 结构的安全度f 3 6 1 。现在概率极限状态设计方法已在结构设计中较多地采 第1 章：绪论 用。我国1 9 8 8 年发布的钢结构设计规范( g b j l 7 - 8 8 ) 中规定，除疲劳计 算外，采用以概率理论为基础的极限状态设计法。 1 2 2 模块化设计 模块化设计是离散分析设计方法的一种，根据事物的可分性，离散一集 合的规律，任何复杂的研究对象、系统都可以离散成有限个基本的简单的单 元或子系统，来分析、细解和处理，然后再复合集成得到总体的近似于圆满 的求解。模块化设计认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具 有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品 结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。 提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几 个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产 品。这些基本结构可以是零件、部什，甚至是一个系统。理想的模块化基本 结构应该具有标准化的接1 2 1 ( 联接和配合部) ，背且是系列化、通用化、集 成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。 1 2 3 智能化设计方法 智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形 软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品 的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。在设计时，把产品的整个 开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充 分利用了现有的c a d 尖端技术虚拟现实技术。 1 ) 产品规划一构思产晶。其任务是确定产晶的外部特性，如色彩、形 状、表面质景、人机工程等等，并将最初的设想用c a d 立体模型表示出， 建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借 助十数据库和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能 够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也 是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。 2 )开发一设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理。在立体模 型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是 基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素。如机、电、电子 部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等等。 将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置f 设 计模型中解元素间的关系) 进行分析，产品配置分析是综合“产品规划，和 “开发”结果的重要手段。 7 第1 章：绪论 用。我国1 9 8 8 年发布的钢结构设计规范( g b j l 7 - 8 8 ) 中规定，除疲劳计 算外，采用以概率理论为基础的极限状态设计法。 1 2 2 模块化设计 模块化设计是离散分析设计方法的一种，根据事物的可分性，离散一集 合的规律，任何复杂的研究对象、系统都可以离散成有限个基本的简单的单 元或子系统，来分析、细解和处理，然后再复合集成得到总体的近似于圆满 的求解。模块化设计认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具 有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品 结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。 提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几 个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产 品。这些基本结构可以是零件、部什，甚至是一个系统。理想的模块化基本 结构应该具有标准化的接1 2 1 ( 联接和配合部) ，背且是系列化、通用化、集 成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。 1 2 3 智能化设计方法 智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形 软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品 的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。在设计时，把产品的整个 开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充 分利用了现有的c a d 尖端技术虚拟现实技术。 1 ) 产品规划一构思产晶。其任务是确定产晶的外部特性，如色彩、形 状、表面质景、人机工程等等，并将最初的设想用c a d 立体模型表示出， 建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借 助十数据库和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能 够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也 是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。 2 )开发一设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理。在立体模 型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是 基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素。如机、电、电子 部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等等。 将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置f 设 计模型中解元素间的关系) 进行分析，产品配置分析是综合“产品规划，和 “开发”结果的重要手段。 7 第1 章：绪论 用。我国1 9 8 8 年发布的钢结构设计规范( g b j l 7 - 8 8 ) 中规定，除疲劳计 算外，采用以概率理论为基础的极限状态设计法。 1 2 2 模块化设计 模块化设计是离散分析设计方法的一种，根据事物的可分性，离散一集 合的规律，任何复杂的研究对象、系统都可以离散成有限个基本的简单的单 元或子系统，来分析、细解和处理，然后再复合集成得到总体的近似于圆满 的求解。模块化设计认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具 有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品 结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。 提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几 个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产 品。这些基本结构可以是零件、部什，甚至是一个系统。理想的模块化基本 结构应该具有标准化的接1 2 1 ( 联接和配合部) ，背且是系列化、通用化、集 成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。 1 2 3 智能化设计方法 智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形 软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品 的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。在设计时，把产品的整个 开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充 分利用了现有的c a d 尖端技术虚拟现实技术。 1 ) 产品规划一构思产晶。其任务是确定产晶的外部特性，如色彩、形 状、表面质景、人机工程等等，并将最初的设想用c a d 立体模型表示出， 建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借 助十数据库和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能 够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也 是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。 2 )开发一设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理。在立体模 型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是 基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素。如机、电、电子 部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等等。 将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置f 设 计模型中解元素间的关系) 进行分析，产品配置分析是综合“产品规划，和 “开发”结果的重要手段。 7 武汉理工大学工程硕士学位论文 _ - 一 3 1 生产规划一加工和装配产品。在这一阶段中，主要论述了装配过程 中c a d 技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过 程，即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系，由此发现难点和问题， 并找出解决问题的方法，并认为将c a d 技术综合应用于产品开发的三个阶 段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规 划”中连续地交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的阿题，使 产品在开发进程中不断地细化和完善。 1 3 结构分析有限元在起重机结构设计中的应用概述 随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更 大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械 设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术 性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术 参数进行分析计算。例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的 影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热 和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转 效率。这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式往往是不可能的。 近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析( f e b ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提 供了有效的途径。在港口起重机工程的设计实践中，有限元分析软件与c a d 系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 1 )增加设计功能，减少设计成本； 2 )缩短设计和分析的循环周期； 3 )增加产品和工程的可靠性： 4 ) 采用优化设计，降低材料的消耗或成本； 5 ) 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 6 ) 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 7 ) 进行机械事故分析，查找事故原因。 计算机辅助工程分析( c a e ，c o m p u t e rb i d e de n g i n e e r i n g ) 及相应软 件成为了工程设计关键的技术要素。作为c a e 产品的主要软件之一的结构有 限元分析软件是发展较早，现已成长为被普遍应用的先进的结构设计和分析 手段。 早2 0 世纪在5 0 年代末、6 0 年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大 r 武汉理工大学工程硕士学位论文 _ - 一 3 1 生产规划一加工和装配产品。在这一阶段中，主要论述了装配过程 中c a d 技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过 程，即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系，由此发现难点和问题， 并找出解决问题的方法，并认为将c a d 技术综合应用于产品开发的三个阶 段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规 划”中连续地交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的阿题，使 产品在开发进程中不断地细化和完善。 1 3 结构分析有限元在起重机结构设计中的应用概述 随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更 大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械 设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术 性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术 参数进行分析计算。例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的 影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热 和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转 效率。这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式往往是不可能的。 近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析( f e b ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提 供了有效的途径。在港口起重机工程的设计实践中，有限元分析软件与c a d 系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 1 )增加设计功能，减少设计成本； 2 )缩短设计和分析的循环周期； 3 )增加产品和工程的可靠性： 4 ) 采用优化设计，降低材料的消耗或成本； 5 ) 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 6 ) 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 7 ) 进行机械事故分析，查找事故原因。 计算机辅助工程分析( c a e ，c o m p u t e rb i d e de n g i n e e r i n g ) 及相应软 件成为了工程设计关键的技术要素。作为c a e 产品的主要软件之一的结构有 限元分析软件是发展较早，现已成长为被普遍应用的先进的结构设计和分析 手段。 早2 0 世纪在5 0 年代末、6 0 年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大 r 第1 章：绪论 功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局( n a s a ) 在1 9 6 5 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的n a s t r a n 有限元分析系 统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的 有限元分析系统。同时，世界各地的研究机构和大学也研发了一批规模较小 但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，其中比较著名的主要 有德国 s k a 、英国p a f e c 、法国s y s t u s 、美国a b o u s 、a d i n a 、a n s y s 、 b e r s a f e 、b o s o r 、c o s m o s 、e l a s 、m a r c 和s t a r d y n e 等产品。 由于p c 机的出现和飞速发展，使c a e 的应用发生了根本性的变化，f e a 软件的使用开始进入“寻常百姓家”。早期的有限元分析软件都是基于在大 巾型计算机( 主要是m a i n f r a m e ) 上开发和运行的，后来又发展到以工程工 作站( e w s ，e n g i n e e r i n gw o r k s t a t i o n ) 为平台，现在在一台p c 机上就能 轻松完成诸如大型起重机的设计和结构分析这样复杂的工作。工程师渴望在 办公桌上完成c e a 的梦想成为现实。 1 4 论文的立题、研究方向及内容安排 集装箱码头堆场的装卸方式，一直以来是人们十分关注的问题。是选择 底盘车方式? 叉车方式? 正面吊方式? 跨运车方式? 还是龙门吊方式? 从前 面的调查数据中可以看出集装箱龙门吊成了当前码头堆场设备配置的酋选， 已占到设备总量的6 2 4 4 。但作为同族兄弟的轨道式龙门起重机( r a i l m o u n t e dg a n t r y ，简称r m g ) 和轮胎式龙门起重机( r u b b e rt y r e dg a n t r y ， 简称r t g ) 在集装箱堆场的使用比率可谓是“一天一地”。集装箱r t g 的选 用率超过半数，而集装箱r m 6 的使用率不到一成，这样的差距是与t m g 的自 身优势不相符合的。作为一种传统的典型货场装卸机械，不论它的历史、结 构特点、产晶成熟程度还是其可操作性、维修性、实现自动控制、设备周期 费用( l i f ec y c l ec o s t ，简称l c c ) 等方面都有突出的优势，并且其尤污 染能源的使用，有效提高土地使用率等方面更加突出j ，时代特性。但传统的 r m g 也明显存在一些缺点，如大( 小) 行走啃轨问题：起升机构的布置不适 应集装箱的装卸作业等等。 本课题的研究方向是这样安排的，一方面，是通过具体的码头堆场装卸 工艺比较，来进一步论让集装箱r 黼的综合优势；另一方面，结合先进的有 限元分析软件a n s y s 对r m g 龙r j 架的结构进行分析，以达到对结构强度、刚 度进行较准确的预控，解决由于结构变形而引起的大( 小) 车啃轨问题；再 就是通过对起升绳缠绕系统的研究，提出合理的起升绳缠绕方式。希望通过 9 第1 章：绪论 功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局( n a s a ) 在1 9 6 5 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的n a s t r a n 有限元分析系 统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的 有限元分析系统。同时，世界各地的研究机构和大学也研发了一批规模较小 但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，其中比较著名的主要 有德国 s k a 、英国p a f e c 、法国s y s t u s 、美国a b o u s 、a d i n a 、a n s y s 、 b e r s a f e 、b o s o r 、c o s m o s 、e l a s 、m a r c 和s t a r d y n e 等产品。 由于p c 机的出现和飞速发展，使c a e 的应用发生了根本性的变化，f e a 软件的使用开始进入“寻常百姓家”。早期的有限元分析软件都是基于在大 巾型计算机( 主要是m a i n f r a m e ) 上开发和运行的，后来又发展到以工程工 作站( e w s ，e n g i n e e r i n gw o r k s t a t i o n ) 为平台，现在在一台p c 机上就能 轻松完成诸如大型起重机的设计和结构分析这样复杂的工作。工程师渴望在 办公桌上完成c e a 的梦想成为现实。 1 4 论文的立题、研究方向及内容安排 集装箱码头堆场的装卸方式，一直以来是人们十分关注的问题。是选择 底盘车方式? 叉车方式? 正面吊方式? 跨运车方式? 还是龙门吊方式? 从前 面的调查数据中可以看出集装箱龙门吊成了当前码头堆场设备配置的酋选， 已占到设备总量的6 2 4 4 。但作为同族兄弟的轨道式龙门起重机( r a i l m o u n t e dg a n t r y ，简称r m g ) 和轮胎式龙门起重机( r u b b e rt y r e dg a n t r y ， 简称r t g ) 在集装箱堆场的使用比率可谓是“一天一地”。集装箱r t g 的选 用率超过半数，而集装箱r m 6 的使用率不到一成，这样的差距是与t m g 的自 身优势不相符合的。作为一种传统的典型货场装卸机械，不论它的历史、结 构特点、产晶成熟程度还是其可操作性、维修性、实现自动控制、设备周期 费用( l i f ec y c l ec o s t ，简称l c c ) 等方面都有突出的优势，并且其尤污 染能源的使用，有效提高土地使用率等方面更加突出j ，时代特性。但传统的 r m g 也明显存在一些缺点，如大( 小) 行走啃轨问题：起升机构的布置不适 应集装箱的装卸作业等等。 本课题的研究方向是这样安排的，一方面，是通过具体的码头堆场装卸 工艺比较，来进一步论让集装箱r 黼的综合优势；另一方面，结合先进的有 限元分析软件a n s y s 对r m g 龙r j 架的结构进行分析，以达到对结构强度、刚 度进行较准确的预控，解决由于结构变形而引起的大( 小) 车啃轨问题；再 就是通过对起升绳缠绕系统的研究，提出合理的起升绳缠绕方式。希望通过 9 武汉理工大学工程硕士学位论文 本次课题的研究，能够提高人们对r m g 在集装箱码头堆场的使用认同度，进 一步提高r m g 的性能。 论文共分为七部分： 第l 章：绪论。 第2 章： 第3 章： 第4 章： 第5 章： 第6 章： 第7 章： 集装箱码头堆场r t g 与r m g 方案的综合比较。 集装箱龙门起重机门架结构及其有限元求解。 a n s y s 及其静结构分析在板梁结构上的实践。 r m g 门架结构的静态分析和研究。 起升绳卷绕方案的研究。 有待进一步研究的问题和对课题的展望。 l o 第2 章：集装箱码头堆场r t g 与r m g 方案的综合比较 第2 章：集装箱码头堆场r t g 与r m g 方案的综合比较 在第l 章中将r t g 、r m g 与其它几种装卸方式进行了简单的比较，下面将 就集装箱码头堆场集装箱r t g 装卸方案与r m g 装卸方案进行较为详细和具体 的研究，本章中的研究是针对一特定的码头模型进行的。 2 1 码头模型和两种装卸工艺方案简介 本课题选用的码头模型为一顺岸式码头，码头岸线1 5 0 0 m ，纵深3 0 0 m ，其 中码头堆场为一1 5 0 0 x 2 0 0 的长方形堆场。 2 1 1 工艺方案一 后方堆场顺岸方向平行布置7 摊轨道，每排轨道长约1 3 11 米。共有3 5 块 子堆场，装备2 4 台r t g ( 见图2 1 所示) ，堆场总堆箱容量为( 按照堆五计 算) 3 万t e u 。 图2 1 堆场布置方案一 r t g 基本技术工艺参数如下： 跨距：2 3 4 7 米( 6 + 1 ) 起升高度：1 8 2 米( 5 + 1 ) 吊具下超重量：5 0 吨 大车速度：5 0 1 0 0 米分( 满载空载) 第2 章：集装箱码头堆场r t g 与r m g 方案的综合比较 第2 章：集装箱码头堆场r t g 与r m g 方案的综合比较 在第l 章中将r t g 、r m g 与其它几种装卸方式进行了简单的比较，下面将 就集装箱码头堆场集装箱r t g 装卸方案与r m g 装卸方案进行较为详细和具体 的研究，本章中的研究是针对一特定的码头模型进行的。 2 1 码头模型和两种装卸工艺方案简介 本课题选用的码头模型为一顺岸式码头，码头岸线1 5 0 0 m ，纵深3 0 0 m ，其 中码头堆场为一1 5 0 0 x 2 0 0 的长方形堆场。 2 1 1 工艺方案一 后方堆场顺岸方向平行布置7 摊轨道，每排轨道长约1 3 11 米。共有3 5 块 子堆场，装备2 4 台r t g ( 见图2 1 所示) ，堆场总堆箱容量为( 按照堆五计 算) 3 万t e u 。 图2 1 堆场布置方案一 r t g 基本技术工艺参数如下： 跨距：2 3 4 7 米( 6 + 1 ) 起升高度：1 8 2 米( 5 + 1 ) 吊具下超重量：5 0 吨 大车速度：5 0 1 0 0 米分( 满载空载) 茎望矍士查兰占矍堕主茎堡堡苎一 小车速度：7 0 米，分 起升速度：2 3 5 0 糊分( 满载空载) 单循环作业时间：1 0 6 4 秒，每小时单循环次数：3 3 8 次 2 1 2 工艺方案二 后方堆场顺岸方向平行布置5