起重機(jī)輕量化及模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)論述

【摘要】文章通過對傳統(tǒng)橋式及門式起重機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的論述，實(shí)現(xiàn)輕量化和模塊化，結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，采用了很多新型的技術(shù)設(shè)計(jì)，達(dá)到改善整機(jī)性能，降低制造成本，提高通用化程度，為國內(nèi)同類設(shè)備設(shè)計(jì)提供一些有益的資料。

【關(guān)鍵詞】起重機(jī)；輕量化；模塊化；優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展推動了一系列的工程建設(shè)，為起重機(jī)提供了充分的發(fā)展條件。為了降低能耗、節(jié)約成本，起重機(jī)輕量化和模塊化也將成為未來的主要目標(biāo)。

1、概述

起重機(jī)與門式起重機(jī)是使用量最多的起重設(shè)備，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輕量化和模塊化，對節(jié)能降耗和推動綠色低碳經(jīng)濟(jì)具有重要意義。KONE、DEMAG等傳統(tǒng)起重機(jī)強(qiáng)企已是成熟技術(shù)，系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。國內(nèi)一些廠家已經(jīng)開始生產(chǎn)，經(jīng)輕量化設(shè)計(jì)后的產(chǎn)品可替代一些進(jìn)口起重機(jī)產(chǎn)品，市場前景好。

2、技術(shù)特點(diǎn)

2.1起升機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

起升機(jī)構(gòu)低凈空設(shè)計(jì)。對于起升機(jī)構(gòu)低凈空設(shè)施需尋求新的布置形式，挖掘新的外購件供應(yīng)商，對卷筒、定滑輪組（梁）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化低凈空設(shè)計(jì)，之后再進(jìn)行新型減速器的設(shè)計(jì)。起升機(jī)構(gòu)采用全新的布置形式，能夠有效降低小車整體高度，結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，適應(yīng)范圍廣，尤其是客戶廠房頂部到軌道面較低的車間廠房。 起升機(jī)構(gòu)系列（t）有50t、75t、100t、150t、200t、300t。

2.2輪組與端梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用輕量化設(shè)計(jì)的輪組，加工精度高，廢品率低，裝配維護(hù)方便，零部件可模塊化。根據(jù)輪壓及運(yùn)行速度對車輪進(jìn)行輕型標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，采用新型偏心軸承箱，進(jìn)行新型加工及裝配工藝研究。降低輪組及端梁部分重量及外形尺寸，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)及加工周期，降低成本。輪組直徑系列（mm）有200、250、315、400、500、630、710以及與輪組配套的端梁。

3、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1國內(nèi)外技術(shù)對比

以國內(nèi)生產(chǎn)的額定起重量100t，起升高度20m起重機(jī)的起重小車為例，與國外科尼公司設(shè)計(jì)進(jìn)行對比。外形對比結(jié)果：（1）科尼高度低，能夠降低廠房高度，降低客戶廠房建造成本；（2）科尼軌距小，減少端梁和小車連接梁的重量，降低成本；（3）科尼輪距小，端梁截面小，降低成本，吊鉤至左右極限距離也相應(yīng)減??；（4）同一軌道面時，科尼起升高度高；（5）科尼自重輕。

3.2卷筒

卷筒結(jié)構(gòu)對比結(jié)果：（1）科尼鋼絲繩的選型、入繩角和國家標(biāo)注造成卷筒外形尺寸和重量都較小；（2）科尼軸承安裝在卷筒內(nèi)，可以直接將支撐座做小，降低卷筒高度；（3）排繩器可以允許入繩角增大；（4）科尼在卷筒內(nèi)增加了一套行星齒輪減速，這樣可以減小減速器的機(jī)座號，降低成本。

3.3行走輪組

行走輪組對比結(jié)果：（1）科尼車輪數(shù)量多，單個車輪輪壓小，車輪直徑小，可降低整個臺車橫梁高度；（2）由輪組的裝配形式可以看出，科尼車輪所用行走配件較少，易于安裝拆卸，而且方便維護(hù)；（3）科尼輪距較小，這樣可以減小端梁的橫截面積，既降低了成本，又降低了小車高度，同時減小了左右極限距離；（4）車輪較小時，在運(yùn)行速度相同的情況下，減速器的輸出速度大，選型時，減速器機(jī)座號小，降低了外購件成本。

3.4起升機(jī)構(gòu)整體布置

布置形式對比結(jié)果：（1）科尼的小車形式充分利用了空間布置，有效地降低整個小車的高度；（2）科尼的整個小車通過螺栓連接，方便了運(yùn)輸，同時可以對臺車梁和各個部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行批量生產(chǎn)，滿足不同軌距要求。

3.5材料改進(jìn)

材料的選擇也會對起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，目前傾向于選擇輕質(zhì)材料來制作起重機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)。比如，對于起重機(jī)臂架的設(shè)計(jì)，國外有成功使用鋁合金結(jié)構(gòu)制造起重機(jī)，使用這種材料比使用常規(guī)材料的自重少30%-60%。對于主梁的設(shè)計(jì)，使用鋁合金箱形單主梁制造起重機(jī)，這樣可以來代替參數(shù)一樣的鋼制雙主梁，相比而言，前者比后者自重少70%左右。對于主梁強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，目前使用的是普通鋼材，為了減少起重機(jī)的材料用量，可以使用高強(qiáng)度的鋼材進(jìn)行設(shè)計(jì)，由此降低整體自重。此外，如果使用H型鋼來替代現(xiàn)在普遍使用的板材，能夠極大地減少材料的使用，節(jié)約材料和成本，并且H型鋼的抗彎能力也會有所提高。如果使用尼龍柱銷聯(lián)軸器來替代現(xiàn)在普遍使用的齒輪聯(lián)軸器，也可以減少橋式起重機(jī)的自重，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)。除了對材料的選擇之外，材料的使用應(yīng)當(dāng)注意合理性。由于輔助材料占據(jù)主梁自重的20%-30%，因此要盡可能地減少對輔助材料的使用量，以減少自重。設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)原則是在原來結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做減法，使每一塊材料都能獲得最有價值的使用，而不要平添自重卻毫無意義。

3.6機(jī)構(gòu)改進(jìn)

3.6.1 對運(yùn)行機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

盡量不要選擇中硬齒面減速器，使用硬齒面減速器。零部件數(shù)量要盡可能地少，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。過多的零部件不僅會造成浪費(fèi)，使系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障，并且也會使起重機(jī)的自重過高?，F(xiàn)在使用的電動機(jī)、制動器、減速器合為一體的運(yùn)行機(jī)構(gòu)在起重機(jī)中得到了普遍的利用，這種設(shè)計(jì)的思想就是精簡零部件，減小自重。近些年來，在三合一運(yùn)行結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用了一種將電動機(jī)、制動器、減速器和主動車輪直接串接成一體，中間不用聯(lián)軸器連接的橋架運(yùn)行機(jī)構(gòu)，形成“四合一”的運(yùn)行機(jī)構(gòu)。這種運(yùn)行機(jī)構(gòu)比較適合小型的起重機(jī)的應(yīng)用，目前在我國尚處于探索研究階段。對于新型傳動系統(tǒng)的研發(fā)對未來起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)有著重要的影響。

3.6.2對起升機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)，既可以減少小車的重量，也可以減少起升機(jī)構(gòu)的重要，從而達(dá)到減少自重的目的。因此可以大力推廣使用電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)。國產(chǎn)電動葫蘆的最大起重重量雖然相比國外還有一定的差距，但是依然可以在中小型起重機(jī)中推廣，作為起升機(jī)構(gòu)。另外，電動葫蘆的起重重量還在不斷研究和提高，未來可以在所有類型的起重機(jī)中推廣使用。除了以上改進(jìn)，還有以下的改進(jìn)途徑：以焊接代替鑄接零部件；使用內(nèi)平動齒輪；選擇高轉(zhuǎn)速的電動機(jī)；對節(jié)能卷筒、滑輪和節(jié)能吊鉤等進(jìn)行進(jìn)一步研發(fā)等。這些對起升機(jī)構(gòu)的改進(jìn)均是輕量化設(shè)計(jì)中的重要因素。

3.7意義

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的起重機(jī)與傳統(tǒng)起重機(jī)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）有效降低整機(jī)自重；（2）相應(yīng)可減輕機(jī)構(gòu)的負(fù)荷及降低承載基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的造價；（3）改善整機(jī)性能，降低制造成本，提高通用化程度。

結(jié)語：

設(shè)計(jì)新型起重機(jī)只需選用不同模塊重新進(jìn)行組合，可使單件小批量生產(chǎn)的起重機(jī)改換成具有相當(dāng)批量的模塊生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高效率的專業(yè)化生產(chǎn)，企業(yè)的生產(chǎn)組織也可由產(chǎn)品管理變?yōu)槟K管理，達(dá)到改善整機(jī)性能，降低制造成本，提高通用化程度，用較少規(guī)格數(shù)的零部件組成多品種、多規(guī)格的系列產(chǎn)品，充分滿足用戶需求。

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