(1.河南林業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 洛陽 471000；2.衛(wèi)華集團(tuán)有限公司，河南 長垣 453400）

橋門式起重設(shè)備輕量化技術(shù)的應(yīng)用

安存勝1，聶福全2

(1.河南林業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 洛陽 471000；2.衛(wèi)華集團(tuán)有限公司，河南 長垣 453400）

起重機(jī)設(shè)備輕量化設(shè)計(jì)是節(jié)能減排技術(shù)之一，不僅能減少起重機(jī)自身原材料用量及能耗，同時對廠房的要求降低，因此節(jié)約效益可觀。

起重機(jī)；輕量化；應(yīng)用

一、問題提出

橋門式起重機(jī)用途廣泛，但其粗、大、笨、重的傳統(tǒng)起重機(jī)的典型特征致使其使用條件要求過高，能耗相對較大。隨著世界工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，歐美國家從上世紀(jì)80年代后，對起重機(jī)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，輕巧型起重機(jī)在90年代后進(jìn)入中國，并取得了顯著的效果。

二、起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的主要技術(shù)

1．電動葫蘆代替卷揚(yáng)起升機(jī)構(gòu)

以同樣起升重量10t，跨度16．5m，工作級別A5的起重機(jī)為例，上世紀(jì)80年代后開發(fā)的LH型雙梁電動葫蘆橋式起重機(jī)（簡稱葫雙）與QD型雙梁吊鉤橋式起重機(jī)（簡稱橋雙）技術(shù)參數(shù)的對比見表1。

從表1中可以看出，LH型比QD型有很大的優(yōu)勢，在歐美國家，對中小噸位橋式起重機(jī)，普遍以葫雙代替橋雙。葫雙重量之所以能夠減輕，是因?yàn)楹p采用了高度集成的模塊化設(shè)計(jì)，將起升機(jī)構(gòu)的主要元件電動機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、制動器、卷筒集成設(shè)計(jì)在一起，從而大幅度減小了體積，減輕了起重機(jī)自重。而目前國內(nèi)新一代ND型葫蘆起升機(jī)構(gòu)減速機(jī)采用行星齒輪減速機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，便于安裝在卷筒內(nèi)，進(jìn)一步縮小了電動葫蘆的外形尺寸，且其傳動平穩(wěn)、噪聲較?。煌庑尾捎昧朔叫瓮鈿そY(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，具有外形美觀，通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；采用了低凈空式設(shè)計(jì)，在保證起升平衡的前提下，盡量減小配重箱所占空間，且使起升主機(jī)、配重箱、電氣裝置的布置合理、美觀；運(yùn)行部分的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)集中傳動，徹底解決運(yùn)行小車單側(cè)驅(qū)動因輪壓分布不均而出現(xiàn)的打滑現(xiàn)象。具有結(jié)構(gòu)緊湊、空間利用率高，可靠性強(qiáng)，工作范圍大，運(yùn)行平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確、使用壽命長等特點(diǎn)。

電動葫蘆起重機(jī)在國內(nèi)難以大面積推廣的原因主要是：國產(chǎn)電動葫蘆性能、內(nèi)部齒輪傳動精度、齒輪材質(zhì)熱處理、配套的電動機(jī)和制動器質(zhì)量等方面與國外產(chǎn)品尚有一定差距，最終表現(xiàn)在電動葫蘆的可靠性差、噪聲大、能耗大、故障率高。

2．橋架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

在主要結(jié)構(gòu)件方面，利用Pro/E和ANSYS等軟件對橋門式起重機(jī)橋架和金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)和動態(tài)仿真。充分驗(yàn)證設(shè)計(jì)與理論計(jì)算之間的差距，優(yōu)化并減輕設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使主梁結(jié)構(gòu)尺寸最小、結(jié)構(gòu)重量最輕，圖1為某250t起重機(jī)主梁有限元分析應(yīng)力云圖。

圖1 采用輕量化設(shè)計(jì)的主梁有限元分析

3．低凈空設(shè)計(jì)

在小車結(jié)構(gòu)布置方面采用了變截面的小車架布置方式，根據(jù)小車架上的受力特點(diǎn)來布置小車架。由于滑輪梁和卷筒是小車架的主要受力部位，對此部位進(jìn)行了相應(yīng)的加強(qiáng)。而作為起升電機(jī)的支撐部位，由于沒有較大的受力影響，將它的支撐結(jié)構(gòu)相應(yīng)的減小，這就形成了變截面小車架結(jié)構(gòu)。使得小車的高度有了明顯的降低，重量大幅度減輕。圖2為輕量化歐式起重機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用示意圖。

圖2 輕量化起重機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用示意圖

4．新型行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)新型車輪組單元，采用鍛造車輪替代傳統(tǒng)鑄造車輪，減小車輪尺寸，減輕重量，降低輪壓。

5．新型小車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車布置結(jié)構(gòu)突破原有結(jié)構(gòu)，是以“井字形”的布置方式，它主要由兩個小車端梁，1個定滑輪梁和1個由卷筒組成的承載梁組成。其主要特點(diǎn)是定滑輪梁采用雙排滑輪梁結(jié)構(gòu)，同時主起升減速機(jī)的布置采用空心軸式的套裝減速機(jī)布置在小車架的側(cè)面的布置方式，此時卷筒軸可以直接裝配在減速機(jī)的低速輸出軸孔內(nèi)，省去了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大噸位的減速機(jī)與卷筒連接用了大型聯(lián)軸器，使得起升機(jī)構(gòu)布置更加緊湊。而減速機(jī)的側(cè)面布置又可以將卷筒布置于小車架內(nèi)部，在小車架端梁上整體加工出用于支撐卷筒的軸承座鏜孔。這樣起升機(jī)構(gòu)中的減速機(jī)和卷筒都降低到小車架的上平面以下，使得小車的高度有了明顯的降低，重量大幅度減輕。在運(yùn)行機(jī)構(gòu)布置中，使用了“三合一”減速電機(jī)的結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)布置緊湊，占用空間較小，也可使安裝位置相應(yīng)減小。同時起升機(jī)構(gòu)采用新型高精度硬齒面起升減速機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的中硬齒面減速機(jī)，使得起升機(jī)構(gòu)高度和重量大幅度降低。

6．新型傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)高端起重機(jī)所采用的減速機(jī)是以SEW、FLENDER為代表硬齒面減速機(jī)系列，具有體積小、自重輕、噪聲低、性能可靠的特點(diǎn)，但上述減速機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)減速機(jī)，并不是針對起重機(jī)工況領(lǐng)域設(shè)計(jì)，因此，需要打破齒寬系數(shù)傳統(tǒng)規(guī)定的限制，設(shè)計(jì)起重機(jī)專用的新型減速機(jī)。主要的技術(shù)應(yīng)用包括以下幾個方面：

(1)增加嚙合線長度的齒形創(chuàng)新設(shè)計(jì)，齒輪接觸強(qiáng)度提高18%，彎曲強(qiáng)度提高10%。

(2)深層滲碳技術(shù)，層深大于歐洲SMS的值，便于熱處理控制，同時可提高強(qiáng)度。

(3)硬齒面齒根圓滑過渡和噴丸強(qiáng)化技術(shù)，通過合理的刀具參數(shù)設(shè)計(jì)和工藝留量以達(dá)到磨齒后齒根圓滑過渡，提高齒輪的可靠性。

(4)非對稱螺旋線修形技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的輪齒修形方法，提高承載能力的同時，降低噪聲2～3dB。

(5)熱后加工量的最小化和齒輪潛力利用的最大化的新工藝，對提高齒輪承載能力和環(huán)保節(jié)能方面有著突出的效果。

7．齒輪硬齒面減速機(jī)優(yōu)點(diǎn)

同時在新型齒輪嚙合技術(shù)應(yīng)用方面，武漢理工大學(xué)開發(fā)的新型點(diǎn)線嚙合齒輪硬齒面減速機(jī)是一種具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型齒輪。點(diǎn)線嚙合齒輪的接觸區(qū)域既有線嚙合，又有點(diǎn)嚙合，接觸區(qū)變大，主要優(yōu)點(diǎn)如下。

(1)強(qiáng)度提高較大，相同條件下，比漸開線齒輪接觸強(qiáng)度提高2～3倍，彎曲強(qiáng)度提高15%～50%。

(2)噪聲降低：相同條件下，噪聲比漸開線齒輪低5～10dB，加載以后，噪聲還會降低2～3dB。

(3)具有可分性：與圓弧齒輪相比較，不需專用刀具，并且對中心距不敏感。

因此通過采用優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，對不同目標(biāo)下點(diǎn)線嚙合齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的特征分析和建模，并應(yīng)用于新型歐式電動葫蘆和橋式起重機(jī)減速機(jī)上，也是可以有效解決目前困擾起重機(jī)行業(yè)技術(shù)發(fā)展的傳動機(jī)構(gòu)難題。

8．電器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前以SEW為代表的新型變頻在國內(nèi)歐式起重機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，同時集成電路嵌入式技術(shù)、PLC加變頻器技術(shù)替代傳統(tǒng)的繼電器控制、串電阻調(diào)速等，使電器控制柜數(shù)量、體積和重量大幅度減小，運(yùn)行平穩(wěn)性增強(qiáng)，振動減小。

9．新型材料應(yīng)用

逐步推廣采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼替代傳統(tǒng)的Q235B材料，降低鋼板厚度，減少鋼板使用量，充分降低起重機(jī)重量；

10．其它關(guān)鍵零部件加工熱處理技術(shù)

如折線卷筒加工技術(shù)、卷筒聯(lián)軸器加工技術(shù)、齒輪等強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)、變齒高技術(shù)，如吊鉤組采用合理材料和優(yōu)化截面；車輪組采用合理材料和熱處理工藝，優(yōu)化車輪組結(jié)構(gòu)；卷筒組采用焊接鋼板卷制卷筒和合理結(jié)構(gòu)；滑輪組：采用新型滑輪槽形和材料；聯(lián)軸器采用鼓形齒式聯(lián)軸器代替直齒齒輪聯(lián)軸器等。以及針對低碳低合金齒輪鋼、中碳低合金齒輪鋼的滲碳、滲氮、碳氮共滲、高頻、中頻、超音頻淬火技術(shù)及新型淬火介質(zhì)應(yīng)用等。

三、起重機(jī)輕量化技術(shù)目前已取得的成效

目前國內(nèi)一些企業(yè)研發(fā)的新型歐式中小噸位橋式起重機(jī)與傳統(tǒng)5～50t系列中小噸位QD型橋式起重機(jī)相比，自重輕約15%～30%，高度降低20%～30%，總裝機(jī)功率（能耗）降低30%～40%。以衛(wèi)華集團(tuán)出口英國的輕量化低凈空250t橋式起重機(jī)為例，該起重機(jī)比傳統(tǒng)的QD250t橋式起重機(jī)高度減小了34%，重量減輕了15%。該公司研發(fā)的50t以下新型ND、NH型電動葫蘆，采用全新設(shè)計(jì)布局低凈空設(shè)計(jì)理念，采用全新設(shè)計(jì)的反滾輪裝置，最大限度地降低葫蘆自身重量，在技術(shù)水平上有了跨越式的進(jìn)步。同時使起重機(jī)主梁截面可得到近一步優(yōu)化，模塊化組合布局，先進(jìn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，使電動葫蘆具有更小的凈空高度，讓用戶在達(dá)到需求起升高度的前提下，最大限度地降低廠房建筑高度，節(jié)省基礎(chǔ)成本。

四、結(jié)論

我國2013年橋門式起重機(jī)的總產(chǎn)值約為400億元，如果推廣輕量化技術(shù)成果，將帶來一系列效益：如減少鋼材消耗和這部分鋼材生產(chǎn)的碳排放量；減少鋼材加工、運(yùn)輸、搬運(yùn)和安裝等帶來的能源消耗；降低作業(yè)過程中能耗與廢氣排放，降低工作噪聲等。由于起重機(jī)的高度降低，使用戶的廠房建筑高度降低、建造成本降低，同時由于起重機(jī)重量減輕，提高了起重機(jī)的動力性能，降低工作時的驅(qū)動力、接觸力和摩擦力，減少驅(qū)動部件所需的能量，提高機(jī)構(gòu)和配套元器件的使用壽命，也使得廠房的建造成本進(jìn)一步降低，因此起重機(jī)輕量化所帶來的節(jié)能減排直接、間接經(jīng)濟(jì)效益是巨大的，將對國內(nèi)起重機(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級換代帶來深遠(yuǎn)的影響。

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1671-0711（2014）05-0009-03

2014-02-28）