焦 健

(山西晉路投資開發(fā)有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

在經(jīng)濟發(fā)展中，起重機是極為重要的物料搬運輸送設備。在當前形勢背景下，我國起重機設計制造水平已經(jīng)趨近于世界先進水平。由于一些歷史原因，我國起重機設計借鑒了前蘇聯(lián)設計理念，使得起重機體積較大，并且自重大。但伴隨著科學技術的快速發(fā)展，起重機設計逐漸向輕量化方向發(fā)展，與傳統(tǒng)設計和制造技術相比，橋式起重機能夠節(jié)能降耗，其中輕量化技術的有效利用，實現(xiàn)了綠色制造總體目標。本文以橋式起重機為例，全面闡述起重機輕量化技術及其應用。

1 當前我國橋式起重機自重的現(xiàn)狀

在橋式起重機中，自重是一種極為關鍵的技術性能指標，隨著起重機朝著大起重量方向發(fā)展，起重機自重愈發(fā)增大。例如太重集團為三峽工程制造的橋式起重機自重在800 t，大連重工制造的橋式起重機自重達到1 000 t。因此不難看出，起重機行業(yè)利用的金屬材料越來越多。由于橋式起重機自重較大，容易造成輪壓的增大，因此對碼頭與道路相關建筑物承載能力提出了嚴格化要求。所以在橋式起重機設計中，應在確保基礎能力的同時還應減少自重。

傳統(tǒng)的橋式起重機如圖1所示。橋式起重機自重包括結構重量和機構重量。其中，在起重機整機重量中結構重量占比較大，巨型起重機結構重量占比高達80%，并且與國外橋式起重機對比，我國橋式起重機要重得多，例如我國起重量為10 t、跨度為20 m的通用雙梁橋式起重機自重在22 t，而德國同等的橋式起重機自重僅僅為7 t。

圖1 傳統(tǒng)的橋式起重機

2 當前起重機輕量化設計中的不足

2.1 設計計算

起重機設計方法一般以許用應力法為主，這種方法具有簡便性，在金屬結構上，安全系數(shù)極為單一，不能彰顯出起重機用途與受力情況。要想確保起重機產(chǎn)品具備安全性，在具體設計中，一般采用較大的安全系數(shù)，從而也造成了起重機產(chǎn)品在自重增加的基礎上尺寸較大，從而導致資源的浪費。

2.2 工藝

當前起重機受力構件主要以鋼板焊接箱形結構為主，生產(chǎn)過程呈半機械化手工制造，結構笨，施工周期較長，缺乏一定的產(chǎn)品美觀性。

2.3 材料

縱觀國內(nèi)，起重機材料主要以Q235與Q345為主，高分子材料很少利用。除此之外，在鋼材行業(yè)中，鋼材性能參數(shù)不全面，要想確保設計產(chǎn)品的安全性，設計者一般要提高鋼板厚度，并增添加強結構，從而提高了起重機自重。

2.4 結構

起重機主要有兩種結構，一種是桁架式，另一種是箱形結構。以型鋼與鋼板為主要構件，利用焊接和螺紋連接的方式確保構件的連接強度，雖然達到了結構的穩(wěn)定性，但沒有過多考慮經(jīng)濟性。

3 橋式起重機輕量化技術

橋式起重機輕量化的目標是在確保基礎能力的同時減少自重、節(jié)能降耗，實現(xiàn)綠色制造。要實現(xiàn)橋式起重機輕量化需從橋式起重機整體結構上進行改進，包括橋架輕量化、小車架輕量化和起升機構輕量化。

3.1 橋架輕量化技術

新型輕量化起重機橋架以四梁結構形式為主,如圖2所示。從主梁看，利用的是窄翼緣全偏軌焊接箱型梁結構，小車輪壓力在軌道上傳遞，最終傳遞到上蓋板和主腹板焊縫上。與傳統(tǒng)的半偏軌焊接箱型梁結構相比，全偏軌箱型梁由于副腹板與主腹板受力的差異，副腹板板厚選取要小于主腹板。采用全偏軌焊接箱型梁結構能明顯改善主梁上蓋板的焊接變形和波浪變形，且焊接下?lián)献冃瘟枯^小。大噸位偏軌箱型梁系寬型梁，為此可省略走臺，從而使制造工藝進一步簡化，真正減少總體質(zhì)量。輕量化起重機小車軌道采用方鋼，與以往起重機采用的壓板固定軌道相比有較大差異，其在主梁上直接焊接，確保軌道與箱型為整體結構，提升了主梁剛度。除此之外，利用四梁橋架結構形式科學選擇材料，采用端梁模塊化設計理念，確保起重機在結構方案上與輕量化目標相一致。

圖2 橋式起重機四梁結構橋架

3.2 小車架輕量化技術

承載起升機構小車架為端梁與多處加強筋焊接的超靜定剛性框架結構形式，并在框架上面還鋪設了厚重的鋼板，而且其零部件設計制造技術陳舊，且布置不合理，因此傳統(tǒng)小車架結構不僅存在質(zhì)量大、成本高、結構復雜、焊接工藝復雜、剛性大等缺點，且極易出現(xiàn)車輪三點著地、輪壓分配不均衡、車輪啃軌現(xiàn)象，嚴重影響作業(yè)的安全性和壽命。

而輕量化起重機采用三支點靜定支承形式，呈工字形三梁小車架，其中橫梁為開口滑輪梁，如圖3所示。從垂直方向看，小車架具備一定的剛度，能夠降低起吊重物振動；在水平扭轉(zhuǎn)角度講，具備柔性特征，小車架能夠承受相關的扭轉(zhuǎn)變形，以確保四輪支點適應主梁的變形。

圖3 橋式起重機工字形三梁小車架 圖4 傳統(tǒng)的起重機起升機構 圖5 新型輕量化起重機起升機構

3.3 起升機構輕量化技術

對于起升機構而言，不管是其結構形式還是質(zhì)量和高度參數(shù)，都嚴重影響著起重機輕量化指標，并影響著主梁質(zhì)量。傳統(tǒng)的起重機起升機構，其卷筒兩端用2個軸承座支撐，卷筒通過卷筒聯(lián)軸器與減速器的低速軸相連，電動機通過聯(lián)軸器與減速器的高速軸相連。卷筒的2個軸承座、電機、減速器、制動器的支座均用地腳螺栓固定在小車架上，如圖4所示。由于該種起升機構傳動鏈尺寸龐大、結構形式復雜、整體小車架剛性過大，導致其整體質(zhì)量和外形尺寸均偏大。

新型輕量化起升機構采用工字型梁結構，卷筒利用卷筒軸承座與減速器簡支座半臥式在車輪梁間進行布置，如圖5所示。從整體上看，起升機構僅僅依靠一個減速器簡支座與卷筒軸承座進行連接，支承形式極為簡單，受力清晰，通過優(yōu)化傳動鏈，提升了起升高度和空間利用率，確保起重小車結構具備緊湊性，減少整機高度；從安裝形式看，減速器在確保傳動穩(wěn)定的基礎上，滿足了輕量化起重機起升機構實際需求。輕量化起重機小車在空間布置上極為緊湊，不像傳統(tǒng)小車平臺，可以安裝零部件，端梁窄并且剛性小。因此，全面優(yōu)化傳統(tǒng)減速器安裝形式，壓縮傳動鏈尺寸，降低傳動振動，確保起升小車的穩(wěn)定性。

4 結束語

伴隨著國際能源價格的逐漸上漲，起重機市場競爭愈發(fā)增大，在這樣的形勢背景下，起重機產(chǎn)品利潤空間逐漸被擠壓，輕量化設計受到了廣泛關注。當前國內(nèi)相關研究機構，根據(jù)歐美發(fā)達國家起重機輕量化設計技術，生產(chǎn)制造出很多輕量化起重機，獲得了良好的經(jīng)濟效益，但在結構、材料及電氣系統(tǒng)上還存在著一定的改進空間。