大型港口固定式桅杆起重机设计研究

大型港口固定式桅杆起重机设计研究

朱晓婷

无锡市伯明装卸机械厂  江苏无锡  214000

摘要：大型港口固定式桅杆起重机是港口码头装卸作业的重要设备，具有结构稳定、起升高度高、作业范围大等特点。随着港口自动化水平的不断提高，对大型港口固定式桅杆起重机的性能要求也越来越高。本文介绍了大型港口固定式桅杆起重机的设计研究，重点介绍了起重机的总体设计方案、基本参数、结构设计、机构设计等方面。

关键词：大型港口；固定式桅杆起重机；总体设计；结构设计；机构设计

引言

大型港口固定式桅杆起重机是一种广泛应用于港口码头装卸作业的起重机。它具有结构稳定、起升高度高、作业范围大等特点。近年来，随着港口自动化水平的不断提高，对大型港口固定式桅杆起重机的性能要求也越来越高。

1 起重机总体设计方案

大型港口固定式桅杆起重机的总体设计方案是起重机设计研究的基础，应根据港口码头的作业要求、场地条件和经济性等因素综合考虑，通常包括以下内容：起重机型号和规格应根据额定起重量、起升高度和变幅范围确定，以满足作业要求；起重机的结构形式包括固定式桅杆、桥式和门式，根据场地需求选择；起升高度和变幅范围应满足作业需求；起重机的额定起重量应大于或等于最大装卸重量；作业速度需符合作业效率要求；控制方式包括手动、电气、液压和计算机，根据需要选择合适方式。
2 起重机基本参数

大型港口固定式桅杆起重机的基本参数是起重机设计的基础，应根据港口码头的作业要求、场地条件和经济性等因素综合考虑。以下是一组大型港口固定式桅杆起重机的基本参数

额定起重量：50吨

最大起重量：60吨

最小起重量：10吨

起升高度：40米

变幅范围：20米

跨度：50米

轨距：10米

起升速度：10米/分

变幅速度：5米/分

行走速度：2公里/小时

3 结构设计

大型港口固定式桅杆起重机的结构设计是起重机设计研究的核心，应结构应具有足够的强度和刚度，能够承受起重机的各种荷载；结构应具有良好的稳定性，能够防止起重机倾覆；结构应具有足够的耐久性，能够长期在恶劣的环境中工作；结构应具有良好的制造性和维修性。
    3.1 臂架

臂架是起重机的主要承载结构，也是起重机的起升机构和变幅机构的安装平台。臂架的结构形式一般为桁架结构或箱形结构。桁架结构适用于起重机的中小型臂架结构设计，具有重量轻、刚度大、受力均匀等特点。臂架长度通常为50~100米。臂架常用矩形截面，宽度为2~5米，高度为1~3米，根据受力要求，一般为10~30毫米，常用Q345B、Q420B等钢材。适用于起重机的中大型臂架结构设计，具有强度高、稳定性好、密封性好等特点。臂架长度通常为100~200米。臂架常用矩形截面，宽度为3~6米，高度为2~4米，根据受力要求，臂架厚度一般为15~40毫米。材料常用Q345B、Q420B等钢材。

应根据起重机的额定起重量、起升高度、变幅范围等参数，采用极限状态设计方法计算臂架的最大受力，并与臂架的材料强度进行比较，确保臂架具有足够的强度。

σ=Fmax/A

其中：

σ-臂架的最大受力（MPa）

Fmax-臂架的最大受力（N）

A-臂架的截面积（mm²）

应根据起重机的作业要求，计算臂架的最大挠度，并与起重机的允许挠度进行比较，确保臂架具有足够的刚度。

公式：δ=Fmax×L³/(384×EI)

其中：

δ-臂架的最大挠度（mm）

Fmax-臂架的最大受力（N）

L-臂架的长度（mm）

E-臂架材料的弹性模量（MPa）

I-臂架的截面惯性矩（mm⁴）
    3.2 人字架结构

人字架结构是起重机的支腿结构，也是起重机的回转机构的安装平台。人字架结构的结构形式一般为桁架结构。适用于起重机的小型人字架结构设计，具有结构简单、制造方便等特点。人字架跨度通常为20~50米；人字架高度通常为10~20米；人字架常用矩形截面，宽度为1~2米，高度为0.5~1米；人字架壁厚根据受力要求，一般为8~16毫米；人字架材料常用Q345B、Q420B等钢材。空间人字架结构适用于起重机的中大型人字架结构设计，具有强度高、稳定性好等特点。应根据起重机的额定起重量、起升高度、变幅范围等参数，采用极限状态设计方法计算人字架结构的最大受力，并与人字架结构的材料强度进行比较，确保人字架结构具有足够的强度。人字架结构的刚度计算应根据起重机的作业要求，计算人字架结构的最大挠度，并与起重机的允许挠度进行比较，确保人字架结构具有足够的刚度。
    3.3 底梁

钢筋混凝土底梁：适用于起重机的中小型底梁结构设计，具有强度高、耐久性好、造价低等特点。底梁跨度通常为30~60米，底梁高度通常为2~4米；底梁截面尺寸常用矩形截面，宽度为3~5米，高度为2~3米；底梁壁厚根据受力要求，一般为200~400毫米；底梁混凝土强度等级为C30~C50，钢筋强度等级为HRB380~HRB400。底梁跨度通常为60~120米；底梁高度通常为3~5米；底梁常用矩形截面，宽度为4~6米，高度为2~4米；底梁壁厚根据受力要求，一般为12~25毫米；底梁材料常用Q345B、Q420B等钢材。底梁的刚度应根据起重机的作业要求，计算底梁的最大挠度，并与起重机的允许挠度进行比较，确保底梁具有足够的刚度。

    3.4 节点拆分

节点拆分是起重机结构设计的重要环节，是指将起重机的结构拆分成多个可以运输和安装的部件。节点拆分应满足以下要求：节点拆分应方便运输和安装；节点拆分应具有良好的密封性通常将臂架沿长度方向分成若干段，每段长度约为20~30米，以便运输和安装。通常将人字架沿高度方向分成若干段，每段高度约为5~10米，以便运输和安装。将底梁沿长度方向分成若干段，每段长度约为20~30米，以便运输和安装。销轴连接具有结构简单、拆装方便等特点，适用于受力较小的节点连接。螺栓连接具有连接牢固、可调性好等特点，适用于受力较大的节点连接。焊接连接具有连接牢固、整体性好等特点，适用于重要节点的连接。节点密封应采用密封胶、密封垫等措施，防止雨水、等进入节点内部，造成结构腐蚀。
4 机构设计
4.1起升绕绳方式

起升绕绳方式是指起重机吊钩起升的绳索布置方式。常见的有单绳、双绳和四绳绕绳方式。对于小型起重机，可选择单绳或双绳方式；而中小型起重机适宜选用双绳或四绳方式；而大型起重机则常采用四绳绕绳方式。选择起升绕绳方式应综合考虑起重机的额定起重量、起升高度和起升速度等参数。

4.2变幅绕绳方式

变幅绕绳方式影响起重机吊钩的变幅操作。常见的有单绳、双绳和四绳绕绳方式。针对小型起重机，单绳或双绳方式适用；中小型起重机则可选用双绳或四绳方式，确保传动效率和稳定性；而大型起重机通常采用四绳绕绳方式，其传动效率高、稳定性好、变幅速度快。选择变幅绕绳方式需考虑额定起重量、变幅范围和变幅速度等参数。

4.3卷扬机和控制系统布置

卷扬机和控制系统在起重机中起着重要作用，应合理布置以方便操作和维护。起升卷扬机通常布置在臂架上，便于吊钩的起升操作；而变幅卷扬机则应考虑其在整机结构中的位置，以实现起重机的变幅功能。控制系统的布置应考虑到操作人员的便利性和安全性，确保起重机的操作稳定可靠。
5 结语

大型港口固定式桅杆起重机的设计研究是一项复杂而系统的工程，涉及结构设计、机构设计、电气控制设计等多个方面。本文对大型港口固定式桅杆起重机的总体设计方案、基本参数、结构设计、机构设计等方面进行了初步的探讨，相信通过不断的努力，大型港口固定式桅杆起重机将朝着更加智能化、安全化、环保化的方向发展，为港口装卸作业提供更加高效、便捷的服务。
参考文献

[1]刘彬,杨厦,李鹏举.大型港口固定式桅杆起重机设计研究[J].建筑机械化,2023,44(11):11-14.

[2]刘中国,韩晓龙,张德文,等.一种大型港口起重机参数化设计平台建设方案[J].港口装卸,2023,(05):49-52.

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