袁明敏

摘 要：起重機輕量化是當前起重機設(shè)計的發(fā)展趨勢，也是國家節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略的具體實施。通過對目前我國起重機輕量化設(shè)計研究進展進行分析，從設(shè)計理念、設(shè)計方法、材料、結(jié)構(gòu)、機構(gòu)和電氣等方面研究了起重機輕量化設(shè)計技術(shù)，為起重機的節(jié)能環(huán)保設(shè)計和使用提供參考。

關(guān)鍵詞：起重機；輕量化技術(shù)；研究進展

引言

起重機是一種集物料起重、運輸和裝卸為一體的輸送設(shè)備和工業(yè)安裝設(shè)備，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著不可或缺的作用。長期以來，我國對起重機的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計水平的衡量通常側(cè)重于技術(shù)角度，而對經(jīng)濟性、環(huán)保性等方面的要求考慮較少，致使起重機能耗高、自重及體積較大且安全系數(shù)裕量也較大，造成資源的浪費。隨著現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計和制造能力的提高，以及國際鋼鐵及能源價格不斷攀升，提高起重機械的輕量化和節(jié)能化水平，將極大的促進企業(yè)的市場競爭力。文章首先分析了我國起重機輕量化設(shè)計存在的問題，在此基礎(chǔ)上從設(shè)計理念、設(shè)計方法等幾個方面對起重機輕量化設(shè)計技術(shù)進行了研究。

1 起重機輕量化設(shè)計現(xiàn)狀

自重是起重機性能的一項重要指標，為滿足實際需求，現(xiàn)代起重機械正向著大起重量的方向發(fā)展，很多大型起重機械自重達數(shù)千噸，這其中有60%到70%為金屬結(jié)構(gòu)。因此，需要耗費大量的金屬材料。此外，起重機自重過大還會導致引起輪壓過大，從而對施工場地建筑物的承載力提出了更高的要求。因此，在保證起重重量同時，需采用輕量化技術(shù)減少起重機的自重。

1.1 國外起重機輕量化設(shè)計現(xiàn)狀

國外起重機輕量化設(shè)計的研究始于20世紀70年代。目前國外已有多家起重機制造企業(yè)研發(fā)了起重機輕量化產(chǎn)品，如德國的Demag Cranes AG、STAHL Crane、ABUS Crane，芬蘭的Kone Crane，美國的Gorbel Cranes、法國Euro cranes，西班牙的Linden-Comansas，日本的Hitachi Sumitomo Heavy Industries Construction Crane、Kobelco Cranes等。這些企業(yè)大部分針對起重機的結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備等方面進行了相關(guān)改進，不僅降低了起重機的重量和工作能耗，也提高了產(chǎn)品的美觀性，此外還節(jié)省了大量的社會資源，極大地催進了世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展。

1.2 國內(nèi)起重機輕量化設(shè)計現(xiàn)狀

我國的起重機自重普遍比國外先進的起重機重20%～50%以上，以表1中所示的起重機的10噸起重小車質(zhì)量為例，歐式起重機（如SWF公司的NOVA）的小車質(zhì)量僅為QD型小車質(zhì)量的四分之一，據(jù)此可看出我國起重機自重與歐式起重機之間的巨大差距，在起重機的輕量化設(shè)計方面，我國還有很大的提升空間。

1.3 我國起重機輕量化設(shè)計中存在的不足

1.3.1 設(shè)計計算

目前我國起重機的設(shè)計方法通常為許用應(yīng)力法，該方法較為簡便，但由于金屬結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)單一，因而不能有效反映起重機的實際用途和受力情況，為保證起重機產(chǎn)品使用的安全性，在實際設(shè)計中通常采用較大的安全系數(shù)，從而導致起重機產(chǎn)品自重增加、尺寸偏大，造成資源的浪費。

1.3.2 工藝

我國目前的起重機中的受力構(gòu)件多為鋼板焊接的箱形結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)過程為半機械化手工制造，結(jié)構(gòu)較為笨重，施工周期長，產(chǎn)品美觀性不足。

1.3.3 材料

國內(nèi)起重機材料多為Q235和Q345，而較少采用高分子材料、高強鋼等材料。與此同時，我國鋼材行業(yè)普遍存在鋼材性能參數(shù)不全的現(xiàn)象，為了保證設(shè)計出的產(chǎn)品足夠安全，設(shè)計者往往增加鋼板厚度，并額外設(shè)計加強結(jié)構(gòu)，從而提高了起重機的自重。

1.3.4 結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的起重機可分為桁架式和箱形結(jié)構(gòu)，通常以型鋼和鋼板作為主要組成構(gòu)件，通過焊接或螺紋連接的方法實現(xiàn)不同構(gòu)件的連接，這些結(jié)構(gòu)偏重于穩(wěn)定性和安全性，而對經(jīng)濟性考慮較少。

1.3.5 機構(gòu)和電氣

起重機起升機構(gòu)零部件的加工質(zhì)量是決定起重機性能的重要因素。此外，起重機傳動系統(tǒng)的效率以及電氣控制系統(tǒng)的性能也會對起重機的總體性能產(chǎn)生重要影響，這些方面的落后是造成我國目前起重機輕量化水平較低的關(guān)鍵因素之一。

2 起重機輕量化設(shè)計方法

2.1 改進計算和設(shè)計方法

廣泛使用極限狀態(tài)的設(shè)計法，提高計算精度，使計算結(jié)果更逼近金屬結(jié)構(gòu)在實際工作中的狀態(tài)；應(yīng)用有限元法、模糊優(yōu)化設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法，深入剖析并動態(tài)模擬鋼材結(jié)構(gòu)的力學和材料性能，在保證起重機總體性能的情況下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化最大程度的降低起重機的自重。

2.2 工藝改進

對于起重機中的非主要受力構(gòu)件，可采用工字鋼、槽鋼等；可多采用焊接結(jié)構(gòu)代替鑄件，運用機器人焊接等先進焊接技術(shù)，與人工焊接相比，在保證焊接質(zhì)量的同時可減少對焊料的使用；運用熱處理等工藝提高起重機齒輪等構(gòu)件的表面強度，確保結(jié)構(gòu)優(yōu)化的情況下起重機具有足夠的安全性。

2.3 使用輕質(zhì)材料

國外的相關(guān)起重機企業(yè)采用鋁合金材料制造起重機的主要構(gòu)件，與鋼制起重機相比，鋁合金材料起重機可減重30%以上；針對不同類型的構(gòu)件了采用不同的材料，盡可能用H型鋼材代替板材，節(jié)約結(jié)構(gòu)鋼材，并提高結(jié)構(gòu)的抗彎強度。

2.4 結(jié)構(gòu)改進

使用型鋼代替焊接橫梁；采用柔性小車架，將“井字型”4梁結(jié)構(gòu)改為“工字型”梁結(jié)構(gòu)；降低小車的總體高度，并采用“多合一”小車運行機構(gòu)

2.5 機構(gòu)和電氣系統(tǒng)改進

采用緊湊型起升機構(gòu)；選用高速電機并配用制動力矩小的制動器；采用變頻調(diào)速技術(shù)，提高起重機的節(jié)能效果；起升機構(gòu)可采用電動葫蘆；根據(jù)起升高度和起升速度的不同選擇合適的倍率。

3 結(jié)束語

隨著國際能源價格的不斷增長，起重機市場的競爭也越趨激烈，起重機產(chǎn)品的利潤空間進一步被壓縮，輕量化設(shè)計已成為很多起重機企業(yè)提高市場競爭力、減少生產(chǎn)成本的重要舉措。目前已有相關(guān)研究機構(gòu)借鑒歐美發(fā)達國家的起重機輕量化設(shè)計技術(shù)生產(chǎn)了多種產(chǎn)品，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益，然而在結(jié)構(gòu)、材料、電氣系統(tǒng)和設(shè)計方法等方面還存在著較大的改進空間。因此，需要國家和企業(yè)持續(xù)投入資金和精力，并完善起重機能效測試和節(jié)能監(jiān)管法律法規(guī)，以從技術(shù)和政策上為起重機的輕量化設(shè)計營造一個良好的發(fā)展環(huán)境。

參考文獻

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