机械工程调研报告

一：概述

1.1门式起重机使用现状分析

起重机是现代工业企业中实现生产过程自动化，机械化、提高劳动生产率的重要工具和设备。随着现代工业发展、生产规模的扩大以及自动化程度的提高，作为物料搬运重要设备，它在现代化生产过程中的作用越来越大、应用越来越广。门式起重机是桥式起重机的一种变形。在港口，主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。它的金属结构像门形框架，承载主梁下安装两条支脚，可以直接在地面的轨道上行走，主梁两端可以具有外伸悬臂梁。门式起重机具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点，在港口货场得到广泛使用。

门式起重机产品特点：

1、可靠性，安全性高

2、易于维护

3、无需改变厂房结构，满足物流需求

1.2国外起重机的特点和发展趋势

近年来，随着世界销售市场对起重机需求量的不断增加，国外各起重机厂家大多采用优化设计等现代设计手段以提高设计效率。有关资料表明，美国、德国、日本等一些起重机公司都正在使用ANSYS技术进行优化设计，彻底抛弃了传统的图版。

国外起重机运输机械发展到今天，已经到了比较成熟的地步，其结构形式基板上都是经过反复优化设计，并经过时间检验的。随着计算机技术的广泛应用，许多国外起重机制造商应用计算机辅助设计系统，以及模块化设计方法，尽量使用标准件设备迅速组合和安装，减少标准件外组合部分的加工制造。组合构件的使用对生产非标准件起重机来讲，有助于减少成本。当前，国外起重机特点和发展趋势有三大特征：

1）系列产品模块化、组合化合标准化

2）起重机的大型化、高速化和专用化

3）起重机性能自动化、智能化和数字化

通过这些方法和过程，优化设计，以减轻起重机自重，从而节省成本。

1.3国内起重机设计现状及存在的问题

1.设计手段不完善、与先进技术结合较少

目前我国起重机设计手段欠完善，正在研究与先进技术结合的人不少，但需要时间慢慢引进、消化、吸收。虽然我们现在起重机设计水平与国外有一定的差距，但我国政府现在也开始注重技术的提高与鼓励，所以我相信随着不久的将来我国的配套力量的提高，我们必定可以完成自主创新、增加产品性价比，提高企业核心竞争力。

2.设计效率太低、通用性较差

长期以来，起重机设计利用图版手工设计制图，需要较长的设计周期。而且由于设计及工业原因，国内制造的起重机交货期约为国外先进企业的两倍，效率较低，远远不能适应市场经济竞争的要求，使企业失掉了不少机遇。一些起重机制造商对于成系里、成批量的通用起重机产品，为了降低成本，简化生产管理，通用化设计现在只做到对车轮组、滑轮组、卷筒组和联轴器的通用化设计，对于运行机构、小车架，仍只能按不同起重重量设计，桥架端梁则按不同起重量，不同小车轨距多款设计，对桥式起重机的设计不能使整机与机构，机构与部件、部件与零件之间的参数合理匹配。

3.设计进行类比，工艺水平较低

在起重机的设计过程中，一方面由于其产品相对定型，根据《起重机设计手册》中推荐的尺寸进行选择，一般工厂设计不做计算，当有相近参数起重机需求时，则选择类比放大，导致截面尺寸变得越来越大，从而起重机的质量、大车驱动机构、厂房基础投资增大，造成很大浪费。随着起重机向大吨位、高参数、低噪声、小震动及轻型化方向的不断发展，原有定型产品越来越不能适应当前要求，市场需要性能优良，经济性好的桥式起重机。另一方面，由于国内企业，普遍缺乏生产技术，工艺水平较低，一些起重机生产企业的工装设备、装配及检测手段比较落后，油漆及焊接工艺部过关，较为粗糙，严重影响了起重机的质量。

4.专业化写作水平、通用化设计水平较低

目前，我国专业化协作目前只做到20%，80%扔靠企业自己设计、制造哦。一台起重机中只有电动机、减速器、制动器及一些电器元件可外购，其他铆焊件、机加工件、主梁、车轮组、端梁、小车架仍靠企业自行设计，这样需花费大量的时间，影响了起重机的生产周期。

1.4门式起重机结构优化设计的目的与意义

通过门式起重机结构的优化设计，是我们了解门式起重机的工作眼里、构造和工作过程，在完成门式起重机的结构优化的方案论证到总体设计、技术设计和详细设计的过程中，在设计、计算、工程制图等诸方面得到综合训练，提高学生综合分析、解决问题的能力，初步掌握机械设备的分析设计技术。要求我们详细了解门式起重机的工作原理、结构和工作过程：在充分掌握有关材料的基础上，对门式起重机结构的原型进行力学分析，然后采用结构优化软件ANSYS对门式起重机结构进行优化设计，从而找出一个提高门式起重机工作效率，同时又减少成本而又保证可靠性的可行办法。

二：门式起重机的结构、工作原理，工作过程和工况门式起重的广泛应用于各种工矿企业，交通运输及建筑施工等部门的露天仓

库、货场、车站、码头、建筑工地等场所，作为装卸与搬运货物、设备及建筑结构件安装等用。门式起重机是减轻笨重体力劳动，提高作业效率，实现安全生产的起重运输设备，可在一定范围内垂直起升和水平移动物品，具有动作间歇性和作业循环性的特点，根据门式起重机的门框结构形式不同，可分为1.全门式起重机：主梁无悬伸，小车在主跨度内进行。2.半门式起重机：支腿有高低差，可根据使用场地的土建要求而定。3.双悬臂门式起重机：最常见的一种结构形式，其结构的受力和场地面积的有效利用都是合理的。 4.单悬臂门式起重机：这种结构形式往往是因场地的限制而被选用。按主梁结构形式分类可分为单住梁门式起重机和双梁式起重机。按不同用途分为通用门式起重机、水电站龙门起重机、造船龙门起重机、集装箱龙门起重机。

门式起重机主要由门架、小车、大车运行机构、操纵室、电气设备、轨道和夹轨器等部分组成。门式起重机的门架由主梁、左右支腿及横梁构成，与桥式起重机相比，门式起重机的主要特征是在桥架的一端或两端设有支腿，可直接制成在地基上或沿铺设在地面上的轨道进行，故称其为带腿的桥式起重机。由于门式起重机可带悬臂，货物吊运和换装方便，不需要占地多、造价高的桥墩，场地面积能充分利用，因此在货场的货物装卸中，门式起重机比桥式起重机具有更多的优点。

起重机的运行机构主要由电动机、联轴器、制动器、减速器、车轮组等零部件组成。驱动形式有自行式和牵引式。自行式适用于大、小车运行机构，而牵引式用于某些起重机的小车运行机构。起升机构用来垂直升降物品，起重小车用来带着载荷作横向运动；桥架和大车运行机构用来将起重小车个物品做纵向移动，以达到在跨度内和规定高度内组成三维空间里作搬运和装卸货物。电动机通过联轴节与减速器的高速轴相连。机构工作时，减速器的低速轴带动卷筒，将钢丝绳卷入或放出，经过滑轮系统，使吊钩实现上升或下降。机构停止工作是，制动器是吊钩连同货物悬吊在空中，吊钩的升降哦电动机改变转向来达到。

三：门式起重机结构设计计算的基本内容和方法

起重机的运行机构也可以分为运行支承装置与运行驱动装置两大部分。运行支承装置用来承受起重机的自重和外载荷，并将所有这些载荷传递给轨道基础建筑，主要包括均衡装置、车轮与轨道等。运行驱动装置用来驱动起重机在轨道上运行，主要由电动机、减速器、制动器等组成。

运行机构的计算是在给定了设计参数，并将机构布置方案确定后进行的。通过计算，选用机构中所需要的标准部件。

当起重机沿直线轨道稳定运行是，总静阻力由摩擦阻力、坡道阻力和风阻力三种阻力组成。其中摩擦阻力是最主要的阻力，而风阻力只有当起重机在室外工作才有，而门式起重机以户外工作为主，风阻力也应该进行计算。

我们现在主要研究的是起重机金属结构的各种载荷的计算，主要由自重载荷计算、起升载荷计算、水平惯性载荷计算、风载荷计算和其他载荷计算等。其中自重载荷计算和风载荷计算式最最基础的载荷计算。

1.自重载荷计算

在金属结构设计之前，自重尚未知道，必须预先给出。由于结构和机电设备的自重远远超过起升载荷，例如门式起重机的自重约为起升载荷的8~25倍，金属结构自重在起重机总重中占比例非常大，因此，金属结构自重载荷的正确估计和计算十分重要。

在资料很少时，我们可以根据一些经验公式初步确定金属结构的自重。这些公式虽然近似，蛋大多简历在大量统计资料和分析基础上的，有一定实用价值。

Q ≤800KN 的箱形龙门起重机，上部主梁和支腿总重，可以用下式：

其中 Q —起重量（KN ）；

0H —吊钩最大起升高度（m ）;

0L —上部主梁总长度（m ）。

2. 风载荷计算

露天工作的起重机金属结构应考虑风载荷的作用。视风载荷的可能作用于任意方向的水平载荷。对我们所讨论的常用起重机，只计算风压的静力作用，不考虑风压的动力效应。

按照起重机在一定风力下能否正常工作，把作用于起重机金属结构的风载荷分为工作状态的风载荷和非工作状态的风载荷两类。工作状态的风载荷是起重机金属结构在正常工作情况下所能承受的最大计算风压；非工作状态的风载荷则是起重机金属结构不工作时所能承受的最大计算风压。

工作状态和非工作状态的风载荷按下式计算：W

h P CK qA β= 其中 C —风力系数

h K — 分压高度变化系数

β— 风振系数（常用β=1.0）

A — 结构或物品垂直于风向的迎风面积

q — 计算风压

① q — 计算风压 的计算公式 q=0.1632ν

② 而对于风压高度变化系数h K

起重机金属结构离地面越高，风速越大，风压也回相应的增大，这是客观规律。为简化计算，大多数国家对起重机的工作状态计算风压取定值，不考虑高度变化系数。

所有起重机非工作状态计算风压，因其数值 ，均应考虑高度变化系数。任意高度风压值以离地10m 高处的风压为基准，高于10m 的高度变化系数h K 按此试

计算：h K =10a

h ?? ???

其中 a —指数，陆上近似取0.3，海山可取0.2

风压高度变化系数h K 可由表查。

③ 风力系数C

风力系数与金属结构的外形、集合尺寸等有关。常用起重机单片结构和单根元件的风力系数可查。

④ 迎风面积A

并列箱形机构的取值A=1A +2A η

1A —前面一排结构的迎风面积，1A =11l A ?

2A —后一排的结构迎风面积，2A =22l A ?

η—前排结构对后排迎风面积的挡风折减系数，它与前排结构的充实率1?及两排结构的间隔比a h

有关，桁架式金属结构都得挡风折减系数可查。 这两个载荷计算是最主要的的金属结构载荷计算，对于所有门式起重机这些计算是最最基础的。

门架由2根主梁4个支腿、拱架、端梁、下横梁、梯子走台、栏杆、小车导电架等组成。通常又把门架分成上部桥架（即主梁、端梁和拱架）以及下部支腿和下横梁两部分。主梁与支腿以及支腿与下横梁之间用螺栓连接，主梁采用偏轨箱型，带双悬臂，因运输超长主梁分段，用高强度螺栓链接。小车导电架装在主梁一侧的走台上。

门架结构示意图如下，详情参数见原图纸。

四：ANSYS 结构优化的基本步骤

优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出（如重量，面积，体积，应力，费用等）最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。

设计方案的任何方面都是可以优化的，比如说：尺寸（如厚度），形状（如过渡圆角的大小），支撑位置，制造费用，自然频率，材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS 选项都可以作优化设计。

课题的主要工作结构优化设计采用结构优化软件：ANSYS V 6.1-11

1.生成循环所用的分析文件。该文件必须包括整个分析的过程，而且必须满足以

下条件：

a)建立几何模型。(这一点是重点，要分清静力结构分析还是动力学分析)

b)定义材料性质。

c)选择单元类型及生成网格。

d)加载与施加边界条件。

e)求解

f)查看结果

2.在ANSYS数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数。这一步是标准的做法，但不是必须的（BEGIN或OPT）。

3.进入OPT，指定分析文件（OPT）。

4.声明优化变量。

5.选择优化工具或优化方法。

6.指定优化循环控制方式。

7.进行优化分析。

8.查看设计序列结果（OPT）和后处理（POST1/POST26）。

这些就是ANSYS结构优化的基本步骤。

五：初步工作设想、结果预期和方案

我们初步设想是能够很好的完成课题题目工作，能够达到优化设计的目的，从而减轻重量，提高性价比。我们预期的最好结果是能够做到起重30t，跨度26m 的门式起重机自重能够有很大的减少。同时更是希望能做出一套能够快速有效的的优化系统，为将来大量的优化过程提供一个工作路线与平台，用我们的激情与创新开创ANSYS优化的新思路。

我们的设计方案入下

1）调研，确定目标和大体工作内容。

2）确立基本路线与时间表，大体分工，确定工作范围。

3）1~2周进行调研，熟悉ANSYS软件。

4）3~4周建立门架的有限元模型，进行式计算。

5）5~6周建立门架的结构优化数学模型。

6）7~8周进行门架有限元优化。

7）9~10周完成门架的详细设计。

8）10~11周绘制施工图。

9）12~13周完成施工图绘制，撰写计算说明书。

10）14~15周完成计算说明书，整理文件，准备答辩。