典型MQ40门座起重机臂架失效成因分析及控制开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

典型mq40门座起重机臂架失效成因分析及控制 常见的大型起重机械按其结构形式不同可以分为（1）桥架式起重机，又分为桥式起重机、门式起重机，天车、集装箱龙门起重机就属于典型的桥架式起重机是一种数量大、使用广泛的起重机械；（2）臂架式起重机，主要有塔式起重机、门座式起重机、桅杆起重机等形式；（3）缆索式起重机，主要用于吊重量不大，跨度、高度较大的场合，如水电站建造，森林采伐。

本文所研究的mq40门座起重机就属于典型的臂架式起重机。

门座起重机作为港口码头前沿的传统的大型搬运设备，可以搭配不同的吊具实现不同的工作场景下的搬运要求，如配备吊环吊钩搬运件杂货，配备抓斗抓取散货，还能配备集装箱吊具进行集装箱的搬运。

2. 研究的基本内容与方案

设计（论文）主要内容：（一）mq40门座起重机简介 门座式起重机简称门机，它由门型金属结构(门架)而得名。门座式起重机属大型电动超重机，它是现代化港口和船厂机能作业的重要设备之一。门座式起重机上部有转盘，机房、司机室及用于支承吊重，保证在变幅过程中使吊物做水平运动的组台臂架系统。机房内安装着变幅驱动机构、起升机均、旋转机构的控制箱。组台臂架系统由臂架、象鼻梁和刚性拉杆组成。为了保持臂架系统平衡，还装有平衡桨和配重。以上各部分的重量通过转柱传给门架承受。行走机构安装在门架下部的4条支腿上，沿着轨道使门机移动。门架空间可通行车辆。门机的旋转机构能使门机作360°旋转。起升、旋转、变幅3个机构可单独或联合作业。梯子、平台、门架、机房，司机室、转柱、转盘、组合臂架系统和人字梁总称门机的金属结构，它与门机起升、变幅、回转、行走等4大机构，以及供电、操作系统、安全装置组成一台完整的门机整体。近几年生产的门机，其主要的金属结构部件入门架，转柱，臂架都采用箱式结构，通常用的门机分为通用门座式和专用门座式两种，通用门座式是用吊钩(或抓斗)装卸货物和吊重，专用门座式的只能用于某一种货物的调运。（二）mq40门座起重机臂架结构载荷分析对门座起重机臂架结构进行荷载分析，确定臂架结构所受到的载荷类型和载荷状态：①自身载荷臂架结构的自身荷载包括臂架本身的结构、安装的滑轮、缠绕的钢丝绳以及上面的臂架上所有其他安全装置和测量装置以及其他始终附着在它上面的某些部件的重量。②起升载荷和起升动载载荷 起升载荷是指起升质量的重力，包括起升荷重（物品）、取物装置（包括吊钩、抓斗、电磁盘等起重吊具和下滑轮组吊梁等属具及吊钩以下的索具）和起重钢丝绳悬垂段质量产生的重力。起升动载载荷当荷重（物品）突然被提升离地，或在下降过程中突然在空中制动时，所起升的质量的惯性力将对起重机的承载结构和传动机构产生附加的动载荷作用。③工作状态下的风载荷工作状态风载荷是指起重机在工作状态时应能承受的最大风力作用，假定：风沿最不利的方向以常速水平吹来，风压沿起重机全高为常值，对起重机结构产生的风载荷是静态的。④偏摆偏摆是指起重质量在起升过程中由于风力、惯性力、离心力，在旋转或变幅时产生的水平偏摆而造成的对臂架结构的载荷。其计算方法是: p_h=p_q*tanα其中，p_q是起升载荷，α为钢丝绳的摆角，一般为3°~6°。⑤转动惯量载荷转动惯量载荷是指由动臂自重引起的水平切向惯性力，旋转惯性负载p_d为：p_d=0.002*r*g_b其中，r为工作范围，g_b为臂架自重。⑥钢丝张力在货物提升过程中，重量由绳子的张力来平衡。在有限元模型中张力用附加载荷代替，其值等于货物重量。（三）臂架失效的定义臂架失效是指臂架结构完全丧失原定功能、功能降低或者存在严重损伤和隐患，导致继续使用会失去可靠性和安全性的状态。（四）臂架常见的失效形式①断裂失效臂架结构的断裂失效是指臂架结构完全断裂而且在工作中达不到预期功能的失效。按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。臂架结构断裂失效的成因可以有很多，在臂架制造过程中由于工艺不合格在钢结构的内部留下微型孔洞，或者是在焊接工艺不符合要求，这会大大降低臂架结构的刚度和强度。在使用过程中，臂架受到巨大的应力，孔洞和焊缝裂纹迅速成长延伸形成断裂失效。这种失效形式主要依靠提高制造工艺和金属探伤来避免。另外，当起重机起升质量非常大，使臂架结构危险截面的最大应力大于极限应力发生断裂。对于这种失效，应该根据臂架的结构形式及其所受到的载荷状态，计算其危险截面的最大应力，分析其与臂架结构设计中的各个结构参数的关系，并结合各个要素，探讨更安全合理的臂架设计方案。②塑性变形臂架结构在工作状态之下受载超过弹性变形范围之后将发生永久的变形，即卸除载荷后将出现不可恢复的变形，或称残余变形。臂架在受载较大时，箱体结构发生屈曲变形。③臂架坠落臂架结构在工作中其各个铰点受载过大，导致铰点连接件、轴承或者金属结构断裂，或者是动臂折断导致的臂架结构坠落的事故。④整体倾覆门座起重机违反操作规范，处于较大幅度时起升货物，或者进行不合理的变幅运动时，门座起重机整体发生倾覆的事故。整体倾覆事故往往发生非常突然，没有任何先兆，而且破坏性强，容易对设施设备，场地和人员造成严重的危害。（五）臂架失效分析思路每一种臂架失效形式可能对应着多方面的原因，例如操作人员超载运行、构件的老化、结构的缺陷、缺乏维修保养、空气的腐蚀等都会造成门座起重机臂架结构的断裂失效。而本文着重于从力学分析的角度对臂架结构进行有限元分析，探索臂架结构失效的成因。门座起重机的臂架结构的失效分析主要从三个方面进行分析：强度失效分析、刚度失效分析、局部稳定性和整体稳定性失效分析。强度失效是指因强度不足而丧失其正常工作能力的现象。其主要失效形式有三种：一是塑性变形，指韧性材料应力超过弹性极限，但仍未发生屈服；二是屈服，指韧性材料应力达到屈服强度时，尽管应力不增加，应变继续增加；三是断裂，脆性材料应力达到强度极限后发生断裂，韧性材料颈缩后发生断裂。对于这种失效，应该根据臂架的结构形式及其所受到的载荷状态，计算其危险截面的最大应力，分析其与臂架结构设计中的各个结构参数的关系，并结合各个要素，探讨更安全合理的臂架设计方案。 刚度失效是指构件在外力作用下产生过量的弹性变形。主要是指细长杆件受到受压弯曲，不能保持足够的刚性、挠度变大导致结构无法正常工作的现象。对于刚性失效的分析主要根据臂架结构各个杆件进行有限元分析，寻找受到较大弯矩，容易发生弹性变性的位置，并讨论如何改善结构的设计参数，使构件的弹性变形保持在可接受的范围之内。 局部稳定性失效是指当构件腹板或翼缘的高厚比或宽厚比过大时，就有可能在梁发生强度破坏或丧失整体稳定之前，组成梁的腹板或翼缘出现偏离其原来平面位置的波状屈曲，不能保持平衡，导致构件损坏无法正常使用的情况。局部稳定性是起重机结构承载能力的重要参数，对于局部稳定性的计算方法在gb3811—2008 起重机设计规范中有详细规定。本论文所研究的起重机臂架结构采用箱型截面梁，对于局部稳定性的核算，将主要参照起重机设计规范中的计算方法，对动臂进行有限元模型的建立，并根据其荷载状态对模型加载，对构件的上下盖板和两侧腹板进行局部稳定性校核，探讨门座起重机臂架结构局部稳定性和门机设计参数之间的关系，确定合理的设计方案。 整体稳定性失效是指当荷载增大到一定值后，梁在向下弯曲的同时，将突然发生侧向弯曲破坏的现象。对于这样的的失效形式，主要研究方法是对臂架结构的模型进行屈曲分析。屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷,可以分为线性屈曲分析和非线性屈曲分析。线性屈曲分析是假设结构在受载变形过程中，无结构构形的变化，当屈曲发生时，结构构形才会突然跳到另一平衡位置。实际考虑结构构件的几何初始缺陷和结构材料的塑性等对结构承载力的影响，还需要对结构进行非线性分析。设计技术参数：

本文所研究的mq40门座起重机的主要技术参数如下所示：

项目主要技术参数起重能力 40t 39m起升高度 轨道上 吊钩离地高度30m 轨道下 18m工作幅度最大幅度 39m最小幅度 ≤12m起升速度吊钩 70m/min （空载）50m/min （满载） 抓斗 50 m/min（空载） 50m/min （满载）变幅速度 ≥45-50m/min旋转速度 1.2r/min行走速度 26m/min最大轮压/每轮 ≤400kn海侧轨道距码头边距离 3m轨距/基距12m/12m驱动及控制方式 交流变频调速， plc 控制供电电缆长度供电电缆长度130m

门架净空高度 ≥6m

3. 研究计划与安排

第1－3周：明确设计内容，第4－5周：完成门座起重机的三维建模。

第6－8周：通过有限元分析软件，对门座起重机的强度和刚度进行计算和校核，探讨满足安全性要求的臂架结构参数设置。

第9－11周：通过有限元分析软件，对门座起重机的局部稳定性和整体稳定性进行计算和校核，探讨满足安全性要求的起重机整体结构和臂架组合形式。

4. 参考文献（12篇以上）

［1］gb/t 3811—2008 ,起重机设计规范[s].

［2］董达善.起重机械金属结构[m].上海交通大学出版社,2011.

［3］文豪.起重机械[m].机械工业出版社，2013