起重機輕量化設計技術(shù)研究

袁明敏

摘 要：起重機輕量化是當前起重機設計的發(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計研究進展進行分析，從設計理念、設計方法、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計技術(shù)，為起重機的節(jié)能環(huán)保設計和使用提供參考。

關鍵詞：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備和工業(yè)安裝設備，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著不可或缺的作用。長期以來，我國對起重機的設計質(zhì)量和設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計存在的問題，在此基礎上從設計理念、設計方法等幾個方面對起重機輕量化設計技術(shù)進行了研究。

1 起重機輕量化設計現(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計現(xiàn)狀

國外起重機輕量化設計的研究始于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)、電氣設備等方面進行了相關改進，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計中存在的不足

1.3.1 設計計算

目前我國起重機的設計方法通常為許用應力法，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，為了保證設計出的產(chǎn)品足夠安全，設計者往往增加鋼板厚度，并額外設計加強結(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鍵因素之一。

2 起重機輕量化設計方法

2.1 改進計算和設計方法

廣泛使用極限狀態(tài)的設計法，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)；應用有限元法、模糊優(yōu)化設計等現(xiàn)代設計方法，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。目前已有相關研究機構(gòu)借鑒歐美發(fā)達國家的起重機輕量化設計技術(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計營造一個良好的發(fā)展環(huán)境。

參考文獻

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