门座式起重机回转机构动态性能及优化设计研究

摘要

随着国际贸易的增长和物流业的快速发展，门座式起重机作为一种高效率的起重运输机械在港口、码头被广泛使用。回转机构是门座式起重机的重要组成部分之一，它的动态性能对门座式起重机整机性能影响很大，也是门座式起重机整机设计水平的重要标志。然而，门座式起重机的回转机构在复杂、恶劣的环境下长期工作会因为机构的振动产生很多问题，严重时甚至影响整机的工作稳定性和安全性。因此，对门座式起重机回转机构振动机理和动态特性进行研究，并在此基础上进一步通过优化设计来提高其动态性能具有十分重要的意义。本文对门座式起重机回转机构动态性能及其优化设计进行的研究，主要从以下四个方面展开:
　　(1)根据回转机构具体的动力传递过程，考虑回转支承机构与回转齿轮的啮合以及行星轮减速器中齿轮的啮合，基于齿轮啮合理论和Lagrange方程，运用集中参数法建立了包含驱动电机、三级行星齿轮减速机、回转齿轮、回转支承以及起重机回转部分在内的回转机构解析动力学模型。所建模型全面地反应了系统动态性能与各参数间的内在关系。
　　(2)分析了门座式起重机工作过程中受到风载荷影响的情况，先采用等效静力法计算平均风阻力矩，再根据谐波叠加法，将脉动风视为高斯平均随机过程，通过计算机模拟得到脉动风速谱，从而进一步求出脉动风载荷和脉动风阻力矩。在此基础上，对门座式起重机受到的摩擦阻力矩和坡道阻力矩进行分析，然后与风阻力矩汇总在一起，得到了总回转阻力矩。
　　(3)分析了门座式起重机回转部分的转动惯量与系统固有频率之间的关系，并进一步考虑工作幅度及臂架的角度对转动惯量的影响，分析二者与固有频率的关系。同时还研究了齿轮啮合刚度的变化对回转机构固有频率的影响。研究结果表明:回转部分的转动惯量和回转齿轮啮合刚度的变化对系统第一阶固有频率有显著的影响。
　　(4)分别对回转机构在脉动风载激励下以及在启动过程中的动态转矩激励下门座式起重机回转机构的动态响应进行了仿真分析。然后以门座式起重机回转机构中回转齿轮处振动角加速度的动态响应最小为优化目标函数，选取回转机构的传动轴尺寸、回转齿轮和回转齿圈的齿数为设计变量，采用遗传算法对门座式起重机回转机构进行优化设计，达到了提高回转机构动态性能的目的。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 论文背景及选题意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 起重机动力学的研究

1．2．2 齿轮动力学研究

1．2．3 门座式起重机的优化设计

1．3 本文工作及结构安排

第二章 门座式起重机回转机构的解析动力学模型

2．1 引言

2．2 回转机构的动力学解析模型

2．3 运动微分方程

2．3．1 系统的动能

2．3．2 系统的势能

2．3．3 拉格朗日法建立运动微分方程

2．4 本章小结

第三章 门座式起重机工作载荷分析

3．1 引言

3．2 风载荷的分析与模拟

3．2．1 风载分析方法

3．2．1 平均风载的计算

3．2．2 脉动风载模拟

3．3 工作过程中回转阻力矩分析

3．4 本章小结

第四章 门座式起重机回转机构动态性能研究

4．1 引言

4．2 回转机构扭振固有频率分析

4．4．1 回转部分转动惯量对固有频率的影响

4．4．2 刚度对固有频率的影响

4．3 工作载荷下门座式起重机回转机构动态响应分析

4．2．1 门座式起重机回转机构动态响应分析方法

4．2．2 风载下回转机构动态响应分析

4．2．3 回转启动阶段回转机构响应分析

4．5 本章小结

第五章 门座式起重机回转机构的优化设计

5．1 引言

5．2 优化设计方法与思路

5．2．1 遗传算法简介

5．2．2 遗传算法求解步骤

5．3 门座式起重机回转机构优化设计模型

5．3．1 设计变量

5．3．2 目标函数

5．3．3 约束条件

5．3．4 优化设计模型

5．4 门座式起重机回转机构动态性能优化仿真分析

5．4．1 遗传算法参数设置

5．4．2 优化结果与分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间论文发表及专利授权情况