门座起重机广泛应用于港口、码头的货物装卸、船厂的船舶建造与施工等领域,是现代生产过程中不可或缺的装卸机械,其设计过程繁琐,特别是其关键部件——变幅机构是设计的难点和重点,如何实现该机构的能耗最小是关键。本文提出了一种集杆系优化、截面优化、动力学分析为一体的变幅机构优化设计思路,以实现降低门座起重机制造运行成本、提高经济效益的目标,具体完成工作分为以下几部分。(1)对四连杆式变幅机构的组成杆系及平衡系统进行优化设计研究,提出了一种改进的臂架仰角计算方法以保证优化结果合理性,以变幅平面内机构的9个关键参数作为设计变量,以变幅机构质量、不平衡力矩和变幅齿条拉力作为优化目标,以实际工况中的工作性能要求作为约束条件建立变幅机构杆系及平衡系统优化模型,应用改进的自适应权重的粒子群算法进行模型求解,得到优化结果。(2)在变幅机构杆系及平衡系统优化基础上,对变幅机构杆件截面优化设计进行研究以实现进一步减轻系统质量的优化目标。选取各杆件关键截面参数作为设计变量,以变幅机构结构性能要求作为约束条件,以变幅机构质量作为优化目标,在变量设计域中应用有限元一阶优化算法进行截面优化设计,在满足强度和刚度要求前提下得到进一步轻量化的变幅机构优化设计方案。(3)对优化后的变幅机构进行动力学仿真,分析变幅过程中关键铰点载荷。建立各杆件运动矩阵方程,分析各杆件运动规律。(4)应用C#语言实现四连杆式门座起重机变幅机构优化设计系统开发,集成变幅机构杆系和平衡系统优化、杆件截面优化、动力学分析等功能,简化设计人员操作,提高本文提出研究方法的实用性。应用本文方法,以40t-37m门座起重机的变幅机构为例进行优化设计及动力学分析,应用结果表明,优化后变幅机构较原始方案质量减轻了13.1t,最大不平衡力矩减小了59.7%,最大变幅齿条拉力减小了29.4%,动力学分析得到的变幅机构铰点载荷和杆件运动规律也为变幅机构的详细设计提供了参考。