效减轻装卸门机和吊具自重的模型设计

摘要

　　目前，门式起重机是我国物流输送中必不可少的装备。货物的转载主要依靠大中型起重机提升和转移。随着经济快速发展，门式起重机在“一带一路”沿线国家的公铁联运枢纽中正发挥越来越要的作用。

　　中国起重机行业发展迅速，已成为全球最大的小吨位起重机出口国，但是在大吨位起重机方面竞争力不强，为响应“一带一路”的战略布局，加快区域间基础设施的互联互通，本着提高公铁联运工作效率的原则，本研究对具备大吨位、大跨度、大起升高度的门式起重机进行设计。针对目前货运编组站效率低、安全隐患突出的现状，货物运输方式间的高效衔接等当前急需解决的技术难点，以起重量为 40t，跨距 30m 的起重机为对象，运用近年来发展成熟的 CAD/CAE 技术，通过数字化设计与制造，在满足起重运输功能的前提下，有效减轻装卸门机和吊具的自重，达到优化节能的目的。

　　本文主要做以下几个方面研究：

　　（1）对以有色金属材料为主的门式起重机进行结构设计，分析金属结构的组成和特点，选用合适的材料，合理地进行结构布局，保证了门式起重机机械系统的稳定性。通过对起重机小车旋转装置的优化设计，减轻其总质量，提高其可操作性以及工作效率。

　　（2）在研究门式起重机结构和工作特点基础上，讨论了建立门式起重机弹性力学模型，及其有限元求解过程中模型简化处理办法，通过 CATIA 建立门式起重机简易三维模型，结合以往对门式起重机的实际经验，对工作过程中的危险工况进行分析，分析计算起重机所受载荷，并结合工程实际情况，对模型进行有效约束。

　　（3）采用有限单元法对该模型进行数值求解，并提出以 20 节点空间单元作为网格划分的基本单元。分析门式起重机在满载状态下的工况，利用 ANSYSworkbench 软件对所建立的模型进行静态分析，获得了该模型在不同工况下的强度、刚度等数据，根据 ANSYS 分析结果判断，该门式起重机最大应力和位移变形满足设计规范要求。

　　针对当前在大吨位大跨距门式起重机设计方面的不足，运用现代设计方法理念，对起重机设计做一些尝试性探索，研究内容及成果对提升大型门式起重机的设计效率和工作可靠性具有一定的应用价值。

　　关键词：门式起重机，结构设计，数字化模型，有限元分析，单元类型

ABSTRACT

　　At present, gantry cranes are indispensable equipment in logistics transportation in China. The reloading of goods mainly depends on large and medium-sized cranes to upgrade and transfer goods. With the rapid development of economy, Gantry cranes are playing an increasingly important role in the rail-road combined transportation and rail transport hubs along the“Belt and Road”countries. China's crane industry has developed rapidly and has become the world’s largest exporter of small-tonnage cranes. However, our large tonnage cranes are not competitive. In response to the strategy of "Belt and Road", we will speed up the interconnection of inter-regional infrastructure, and design gantry cranes with large tonnages, large spans, and high lifting heights so as to improve the efficiency of rail transit. This paper aims to deal with the current problem of low efficiency of cargo marshalling yards and the prominent safety hazards, and the current technical difficulties (e.g., high-efficiency connection between cargo transportation methods). To the crane with the weight of 40t and the span of 30m as the object, uses the developed CAD/CAE technology, makes digital design and manufacture, effectively reduces the weight of the loading and unloading machine and sling on the premise of satisfying the lifting function, which greatly save energy.

　　This paper mainly focuses on the following aspects:

　　(1) Make structural design of gantry cranes based on non-ferrous metal materials, analyze the composition and characteristics of metal structures, select suitable materials, and make reasonable structural layout, to ensure the stability of gantry crane mechanical system. By optimizing the design of the crane trolley rotation device, its total quality is reduced, and its operability and work efficiency are improved.

　　(2) Based on the structure and work characteristics of gantry cranes, it discusses the establishment of elastic mechanical models for gantry cranes and the simplification of model processing in the finite element solution process. A simple three-dimensional model of gantry cranes was established through CATIA. Combined with the practical experience of gantry crane in the past, the actual experience of the crane in the dangerous working conditions is analyzed. The load of the crane is analyzed and calculated in consideration of actual conditions of project to effectively restrain the model.

　　(3) The finite element method is used to solve the model, and a 20-node spatial unit is proposed as the basic unit of the mesh division. The working condition of the gantry crane under full load is analyzed.

　　ANSYSworkbench software is used to statically analyze the model, to obtain the strength, stiffness and other data of the model under different working conditions. According to the ANSYS analysis result,, the maximum stress and displacement deformation of the gantry crane meet the requirements of the design code.

　　In response to the deficiency of designing large-tonnage and large-span gantry crane, this paper makes some tentative exploration on the crane design by using modern design concept. The content and outcomes of this research have certain application implications to enhance the design efficiency and working reliability of large gantry crane.

　　Keywords: Gantry crane,Digital model,Mechanics model,Finite element analysis,Unit type

　　门式起重机也称之为龙门吊，如图 1-1 所示，是一种被广泛运用的大型起重设施，是当前运输工具中的一种。作为现代工业中不可或缺的重要机械装备，它有效的推进了生产过程实现自动化、机械化发展，改善了物料搬运情况，提高了工作效率。通常将金属结构、机械部分和电器设施作为门式起重机的三大主要部分，其中门式起重机的外形构造主要是通过主梁、上下横梁以及两条支腿组成，与龙门架结构相类似[1]。

　　其中也将门式起重机的金属结构称作为起重机承载重物的“骨架”，是门式起重机主要重量源，一般情况下其重量能占到门式起重机整体重量的 65%到 80%，同时承受了起重机所受到的各种自然载荷、工作载荷以及自身载荷等，并且起重机的使用寿命也受到了金属结构使用时间的直接影响。由于结构稳定、过腿空间大、工作效率高等特点在门式起重机上得到充分体现，因此在物料搬运作业量大的港口、船坞和铁路货站等地得到广泛使用[2]，已成为物料搬运过程中的重要工具。门式起重机被广泛的运用在不同行业中，这也导致了门式起重机金属结构的复杂性与多样性。

　　随着“一带一路”重要战略的践行，我国进出口总量将迅速增长，公铁联运已经成为在物流运输行业中的一种创新性的模式，高效的公铁联运能够大幅度的降低我国在生产过程中的物流成本，有效的提高中国制造在国际上的竞争力。从当前我国国内铁路公路的装卸情况来看，在整个货场中 40%左右装卸任务是通过工程机械来完成的，同时起重机占据了机械工作量的 60%左右，是当前完成装卸工作的主要工具，有效的实现了公铁联运高效转载。

　　这促使着起重机行业进入高速发展的新时期，起重机行业也正迈入一场重大的革新之中[3]，将来的发展趋向主要有以下几个方面：

　　（1）向大型化、高效化发展随着现代化生产技术的不断发展进步，各大企业的生产规模持续扩大，伴随着大型化设备需求的增加，这也促使了行业中对大吨位起重机的迫切需求，同时这也指出了起重机械大型化是未来起重运输行业的发展方向[4]。目前国内的上海振华重工在这一方面走在前列，英国最新航空母舰“伊丽莎白女王”号建造过程中就使用了该公司产品。

　　模块化是在传统设计基础上发展起来的一种新的设计方法，以先模块生产后组合的方法，通过较少的生产成本生产出较多的产品，在满足各方面使用要求的前提下，实现经济利益最大化，实现高效率的专业化生产，目前已广泛运用到机床、航天、航空、电子产品等领域[5]。

　　随着计算机技术的飞速发展，各种三维建模软件、CAE 分析、结构优化软件也孕育而生，并且这些技术被运用到产品设计之中，不断完善产品的功能[6]。高强度的合金钢的运用，不仅能够保证自身的结构性能不受影响，而且有效的减轻了自重，使其自重能够减轻 30%-60%，保证了产品的质量。

　　将日新月异的电子技术融合到现有的机械技术之中，通过设置规定的程序或指令让机器在没有人类干涉的情况下实现运行。减少人的体力劳动是机械自动化时期的目标，而在未来的信息智能化时代下，减少人的体力劳动已不再是主要目标，更重要的是能够减轻人的部分脑力劳动[7]。

　　效减轻装卸门机和吊具自重的模型设计：

材料参数设置

工程数据源界面

Q235-B 修改参数

生成几何体模型

材料选用

网格划分效果图

模型所受约束及载荷

应力分析云图

目录

　　第 1 章 绪论
　　　　1.2 门式起重机的发展趋势
　　　　1.3 起重机国内外研究现状
　　　　1.4 选题背景及研究内容
　　　　1.5 本章小结
　　第 2 章 门式起重机结构设计
　　　　2.1 主梁弹性力学分析
　　　　　　2.1.1 张量分析在弹性力学中的运用
　　　　　　2.1.2 主梁弹性力学基本方程
　　　　　　2.1.3 主梁弹性力学基本方程张量表示
　　　　2.2 门式起重机主要参数设计计算
　　　　　　2.2.1 设计参数
　　　　　　2.2.2 起重机工作级别
　　　　　　2.2.3 材料的选择
　　　　　　2.2.4 主梁形式的选择
　　　　2.3 主梁稳定性计算
　　　　　　2.3.1 主梁整体稳定性
　　　　　　2.3.2 加强肋的设计计算
　　　　2.4 小车导轨的选择
　　　　2.5 起重机旋转装置的设计
　　　　　　2.5.1 行走小车的旋转装置
　　　　　　2.5.2 行走小车的运动装置
　　　　　　2.5.3 滚筒的制动装置
　　　　2.6 本章小结
　　第 3 章 门式起重机弹性力学模型求解
　　　　3.1 门式起重机数字化建模
　　　　3.2 起重机载荷与工况选择
　　　　　　3.2.1 门式起重机金属结构载荷计算
　　　　　　3.2.2 工况选择
　　　　3.3 模型约束
　　　　3.4 本章小结
　　第 4 章 门式起重机模型有限元分析
　　　　4.1 有限元法基本概述
　　　　4.2 有限元分析软件 ANSYS Workbench 简介
　　　　　　4.2.1 ANSYS 软件组成
　　　　　　4.2.2 ANSYS 软件的特色
　　　　4.3 门式起重机有限元分析单元选择
　　　　　　4.3.1 单元网格划分类型
　　　　　　4.3.2 单元选择
　　　　　　4.3.3 SOLID186 单元函数
　　　　4.4 基于 ANSYS workbench 有限元分析过程
　　　　　　4.4.1 建立分析项目
　　　　　　4.4.2 添加材料库
　　　　　　4.4.3 导入创建几何体
　　　　　　4.4.4 添加模型材料属性
　　　　　　4.4.5 划分网格
　　　　　　4.4.6 施加载荷与约束
　　　　　　4.4.7 结果后处理
　　　　4.5 本章小结
　　第 5 章 总结与展望
　　　　5.1 总结
　　　　5.2 展望
　　参考文献
　　攻读学位期间发表的学术论文目录
　　致谢

（如您需要查看本篇毕业设计全文，请您联系客服索取）