周 超，李向東

（江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 210032）

起重機是工業(yè)生產(chǎn)的基本裝備之一，隨著中國制造業(yè)的迅猛發(fā)展，其保有量得以快速增加。一方面，起重機是高耗能產(chǎn)品，一臺普通的50t通用橋式起重機，整機功率就達到幾十kW。另一方面，起重機屬于特種設備，對安全性有很高的要求，力求避免出現(xiàn)不可預期的失效。圍繞這兩方面的要求，目前研究有兩大熱點：一是節(jié)能研究，包括節(jié)能設計、能耗評價、能耗檢測等幾大方向；二是失效研究，主要有失效分析、損傷分析、疲勞分析等［1-4］。

起重機的節(jié)能和失效涉及的是互不相同的2個領域，但2個方面要求集中在同一設備上，必然存在相互交叉的內容。舉例來說，節(jié)能設計往往受到失效條件的約束：常見的如為節(jié)能而進行的主梁輕量化要考慮疲勞損傷和失效的影響；為了減小失效概率而提出冗余設計往往導致能耗增加；機構部分失效后，如軸承磨損、電機絕緣變化，大多數(shù)情況會導致能耗的增加。這些都說明，起重機的節(jié)能和失效其實是有內在關聯(lián)性的。單一考慮某一方面，可能存在片面性。

本文將分析起重機節(jié)能的主要因素以及與失效的相互作用關系，為起重機節(jié)能設計評價和預防失效提供參考。

1 起重機能耗影響因素分析

一般的起重機，輸入電能，將電能轉化為位能、動能，同時克服摩擦做功，抵消各種損耗，達到搬運重物的功能。在不同的工作狀態(tài)，消耗的電能差異比較大。歸納起來有如下5種工作狀態(tài)，分別為待機、上升、下降、小車運行、大車運行。

1.1 不同工作狀態(tài)的能耗消耗分析

待機時，主要耗能的部件有電控系統(tǒng)、照明和安全監(jiān)控系統(tǒng)，統(tǒng)稱待機能耗E待，

待機能耗在所有工作狀態(tài)下都存在，在不同工況時，能耗值有所不同。雖然待機的功率比較低，但是工作期間累積起來的能耗也不少，要予以考慮。

上升狀態(tài)時，電機將電能轉化成重物的動能Ek和位能EP，這個過程中還需要額外電能抵消起升機構的內部損耗E損耗和制動器耗能E制。內部損耗E損耗包括電機電損耗和各種摩擦損耗等，制動器耗能E制主要指維持開閘狀態(tài)的電機能耗。因此，上升狀態(tài)的總能耗E上為

下降狀態(tài)時，電機處于電氣制動狀態(tài)，不同的控制設備，電氣制動狀態(tài)不同，相應的下降時的能耗不同［5］。比如通用起重機電動機轉子串電阻類電控柜PQR2和PQR4系列，下降采用一擋反接制動，一擋單項制動加一擋再生發(fā)電制動。比如適用于經(jīng)常重載工作的QR2S控制柜，下降為2擋反接制動加一擋再生發(fā)電制動［6］。再比如采用變頻驅動，下降不但不耗能，還可以將電能回饋給直流母線或者電網(wǎng)。

目前大多數(shù)情況，下降時重物勢能不回收，則下降的能耗E下為

式中，勢能EP一部分轉換為重物動能EK和E損耗，剩余部分和電機提供的驅動能抵消。制動器的能耗單獨計算。

小車運行和大車運行狀態(tài)能耗機理基本一致。運行機構能耗主要用來克服摩擦力做功、提供動能、抵消驅動機構內部損耗和制動器能耗。總的運行能耗用下式表示，

式中，E摩擦主要指車輪與軌道的摩擦阻力做功，Ek是整機或小車（包括吊重）的動能，E損耗指驅動系統(tǒng)和車輪組的電損耗和摩擦損耗。

1.2 影響能耗主要因素

通過分析了起升、下降和運行工作狀態(tài)，得到了能耗的表達式，式中的EP、EK是由起重機設計需求決定的，是所謂的有用功。用戶在技術協(xié)議中規(guī)定了起重機的額定起吊重量、額定速度（包括起升和運行速度）和額定起升高度，這3個參數(shù)決定了EP、EK的大小，參數(shù)不能改變，也就無法通過優(yōu)化這些參數(shù)降低能耗。

E制動是制動器的能耗。由制動器的原理可知，制動力靠彈簧力使閘瓦和制動輪摩擦，開閘和保持開閘狀態(tài)靠液壓推桿的推力克服彈簧力，因此制動器的耗能（耗電）部件是液壓推桿。不考慮開閘的瞬間，液壓推桿的推力在整個工作過程中保持恒定，即彈簧的彈性力，其耗能與起重機參數(shù)沒有密切關系。

E損耗由以下參數(shù)決定：包括電機效率、減速器效率、軸承效率、傳動軸效率、滑輪效率、控制方式、轉子電阻等。這是整機能耗水平或能量使用效率的關鍵一項，提高各部件效率，采用更先進的控制方式，相同水平下能有效降低能耗。

E摩擦由整機或小車重量和車輪摩擦系數(shù)決定［7］。整機或小車重量由機構和結構重量組成，摩擦系數(shù)與車輪直徑、車輪材料有關。這也是影響整機能耗水平的重要因素之一。

2 導致失效的因素分析

起重機失效的主要表現(xiàn)為：結構或機構破壞；傳動機構振動、噪聲超標；電機、電氣元件過熱導致性能降低或功能異常，相應導致失效的原因是沖擊、摩擦、發(fā)熱。

起升控制方式不合理或制動器制動力調整過大，容易對結構和機構產(chǎn)生額外沖擊力，導致結構或機構的破壞。在檢驗過程中遇到過不少這樣的案例。例如一臺雙梁橋式起重機，中軌梁結構（軌道在上蓋板中間），在下降制停時，突然發(fā)生輪壓附近的上蓋板塌陷。經(jīng)過分析可知主要原因是下降停車時，加速度過大，導致施加在結構上的沖擊力超過設計許用值。

摩擦導致傳動機構噪聲和振動超標也是常見失效形式之一。檢驗中曾遇到典型的例子是一臺改造過的橋式起重機，改造項目是更換新的起升機構，現(xiàn)場施工人員在處理電機、減速器的基座墊高時，沒有測量準確，導致新安裝的電機、減速器同軸度誤差太大。起重機試運行時，軸承與齒輪摩擦超過正常水平，結果噪音和振動嚴重超標，無法正常使用。

電機和電氣元件的過熱失效一般是選型不當導致的，也有少部分情況是起重機操作不正確，頻繁的點動操作使得發(fā)熱量增大。例如抓斗起重機的起升機構電機，現(xiàn)實使用時，時常有用戶反映電機過熱或燒毀。原因是抓斗起重機的起升機構由起升和開閉2套驅動組成，設計規(guī)范規(guī)定在起升和開閉同步性較好的情況下，電機容量可以適當減小，沒有經(jīng)驗的廠家往往忽略“同步”這個條件，直接減小了電機容量。

3 節(jié)能設計與避免失效的相關性分析

經(jīng)分析起重機能耗的主要方面，列舉了常見的失效現(xiàn)象和原因，有助于指導我們采取更有效的措施，以達到更低的能耗和更高的可靠性雙重目標。

起重機行業(yè)內非常熱門的降低能耗的措施之一是結構輕量化，例如優(yōu)化主梁、端梁、支腿、小車架等主要結構件，使得自重變輕，從而運行機構的功率變小，動能Ek和摩擦損耗E損耗相應減小。但是同時，這種優(yōu)化后的結構對于可靠性來說，很有可能降低了。一般來說優(yōu)化后的結構安全系數(shù)要比原來小，如果采用形狀優(yōu)化，通常是結構比原來復雜了，給控制制造質量帶來不確定性。

控制方式改變對起重機能耗和可靠性的影響比較復雜。目前常見的轉子串電阻和變頻驅動控制方式，對于節(jié)能來說，變頻驅動方式顯然有優(yōu)勢。從結構可靠性來說，變頻驅動能減小對起重機結構沖擊，相同吊重情況下提高了結構可靠性。前面提到的主梁塑性變形的案例，有一部分原因就是制停時沖擊過大，使得主梁局部失穩(wěn)。從控制系統(tǒng)本身可靠性來說，轉子串電阻因結構簡單反而有優(yōu)勢。

采用高效率的驅動部件在節(jié)能方面是不言而喻的，更進一步，高效率意味著各種發(fā)熱、振動、摩擦的損耗減小，一般來說能提高部件可靠性。

在起重機使用階段，正確、及時的維護保養(yǎng)，確保各部件潤滑正常，有利于各運動部件保持高效率，降低磨損，既能降低能耗，也能提高可靠性。

對于某些特殊場合，起重機往往會采用部分冗余設計以提高其可靠性，如防爆起重機和冶金起重機的雙制動設計，鑄造起重機的雙驅動設計等，但這些冗余設計顯然增加了能耗。

驅動部件，如電機、減速器選型時，設計人員為了提高可靠性，往往會選擇大一級的產(chǎn)品。而電機、減速器工作在額定值附近時效率最高，因此選擇大的驅動部件意味著大馬拉小車，對節(jié)能是不利的。

綜合上述分析，得到圖1的關系圖。從圖中可以看出，有一些措施會使起重機更節(jié)能，但對于可靠性來說是有負面影響的，有一些措施對于可靠性來說有益，但是耗能更高。其中提高傳動部件的效率和機構裝配精度這2項措施，對于節(jié)能和提高可靠性都是有利的，這也是歐式起重機相比國產(chǎn)起重機更為先進的地方。正確及時的維護保養(yǎng)，也有利于維持起重機處于最優(yōu)能耗和高可靠性狀態(tài)。

圖1 各種措施對起重機節(jié)能與提高可靠性影響關系

4 結論

在起重機的節(jié)能研究與失效研究中綜合考慮各方因素，針對不同用途的起重機，區(qū)別對待節(jié)能和可靠性的重要性，才能得出具有實際意義的研究結論，便于推廣應用。

［1］ 楊瑞剛，徐格寧，等. 橋式起重機結構可靠性失效準則與剩余壽命評估準則［J］. 中國安全科學學報，2009，10.

［2］ 程文明，李亞民，等. 橋式起重機與門式起重機輕量化設計的關鍵要素［J］. 中國工程機械學報，2012，1.

［3］ 李向東，葉偉，等. 起重機械能耗檢測與評價研究［J］. 起重運輸機械，2014，1.

［4］ 李向東，葉偉，等. 基于全生命周期能耗因素的橋式起重機節(jié)能評價研究［J］. 起重運輸機械，2013，12.

［5］ 趙國，等. 起重機械電氣安全技術檢驗［M］. 大連：大連理工大學出版社，2008.

［6］ 傅德源，等. 實用起重機電氣技術手冊［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［7］ 張質文. 起重機設計手冊［M］. 北京：中國鐵道出版社，1998.