起重機(jī)節(jié)能與失效的關(guān)系研究

薛輝

摘 要：從起重機(jī)節(jié)能與失效2個(gè)方面，分析了不同工作狀態(tài)下能耗組成和影響能耗的主要因素，結(jié)合日常檢驗(yàn)中失效的案例和原因，綜合論述了各種措施對(duì)起重機(jī)節(jié)能和提高可靠性的影響，指出了零部件的效率和裝配精度以及維護(hù)保養(yǎng)在起重機(jī)節(jié)能和失效研究中的重要性。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；節(jié)能；失效；相關(guān)性

引言

起重機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)的基本裝備之一，隨著中國(guó)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(jī)是高耗能產(chǎn)品，一臺(tái)普通的50t通用橋式起重機(jī)，整機(jī)功率就達(dá)到幾十kW。另一方面，起重機(jī)屬于特種設(shè)備，對(duì)安全性有很高的要求，力求避免出現(xiàn)不可預(yù)期的失效。圍繞這兩方面的要求，目前研究有兩大熱點(diǎn)：一是節(jié)能研究，包括節(jié)能設(shè)計(jì)、能耗評(píng)價(jià)、能耗檢測(cè)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起重機(jī)能耗影響因素分析

一般的起重機(jī)，輸入電能，將電能轉(zhuǎn)化為位能、動(dòng)能，同時(shí)克服摩擦做功，抵消各種損耗，達(dá)到搬運(yùn)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(lái)有如下5種工作狀態(tài)，分別為待機(jī)、上升、下降、小車運(yùn)行、大車運(yùn)行。

1.1不同工作狀態(tài)的能耗消耗分析

待機(jī)時(shí)，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(jī)能耗E待，

待機(jī)能耗在所有工作狀態(tài)下都存在，在不同工況時(shí)，能耗值有所不同。雖然待機(jī)的功率比較低，但是工作期間累積起來(lái)的能耗也不少，要予以考慮。上升狀態(tài)時(shí)，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成重物的動(dòng)能Ek和位能EP，這個(gè)過(guò)程中還需要額外電能抵消起升機(jī)構(gòu)的內(nèi)部損耗E損耗和制動(dòng)器耗能E制。內(nèi)部損耗E損耗包括電機(jī)電損耗和各種摩擦損耗等，制動(dòng)器耗能E制主要指維持開(kāi)閘狀態(tài)的電機(jī)能耗。因此，上升狀態(tài)的總能耗E上為

下降狀態(tài)時(shí)，電機(jī)處于電氣制動(dòng)狀態(tài)，不同的控制設(shè)備，電氣制動(dòng)狀態(tài)不同，相應(yīng)的下降時(shí)的能耗不同。比如通用起重機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻類電控柜PQR2和PQR4系列，下降采用一擋反接制動(dòng)，一擋單項(xiàng)制動(dòng)加一擋再生發(fā)電制動(dòng)。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(dòng)加一擋再生發(fā)電制動(dòng)。再比如采用變頻驅(qū)動(dòng)，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(shí)重物勢(shì)能不回收，則下降的能耗E下為

式中，勢(shì)能EP一部分轉(zhuǎn)換為重物動(dòng)能EK和E損耗，剩余部分和電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)能抵消。制動(dòng)器的能耗單獨(dú)計(jì)算。小車運(yùn)行和大車運(yùn)行狀態(tài)能耗機(jī)理基本一致。運(yùn)行機(jī)構(gòu)能耗主要用來(lái)克服摩擦力做功、提供動(dòng)能、抵消驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部損耗和制動(dòng)器能耗?？偟倪\(yùn)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(jī)或小車（包括吊重）的動(dòng)能，E損耗指驅(qū)動(dòng)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(guò)分析了起升、下降和運(yùn)行工作狀態(tài)，得到了能耗的表達(dá)式，式中的EP、EK是由起重機(jī)設(shè)計(jì)需求決定的，是所謂的有用功。用戶在技術(shù)協(xié)議中規(guī)定了起重機(jī)的額定起吊重量、額定速度（包括起升和運(yùn)行速度）和額定起升高度，這3個(gè)參數(shù)決定了EP、EK的大小，參數(shù)不能改變，也就無(wú)法通過(guò)優(yōu)化這些參數(shù)降低能耗。E制動(dòng)是制動(dòng)器的能耗。由制動(dòng)器的原理可知，制動(dòng)力靠彈簧力使閘瓦和制動(dòng)輪摩擦，開(kāi)閘和保持開(kāi)閘狀態(tài)靠液壓推桿的推力克服彈簧力，因此制動(dòng)器的耗能（耗電）部件是液壓推桿。不考慮開(kāi)閘的瞬間，液壓推桿的推力在整個(gè)工作過(guò)程中保持恒定，即彈簧的彈性力，其耗能與起重機(jī)參數(shù)沒(méi)有密切關(guān)系[1]。E損耗由以下參數(shù)決定：包括電機(jī)效率、減速器效率、軸承效率、傳動(dòng)軸效率、滑輪效率、控制方式、轉(zhuǎn)子電阻等。這是整機(jī)能耗水平或能量使用效率的關(guān)鍵一項(xiàng)，提高各部件效率，采用更先進(jìn)的控制方式，相同水平下能有效降低能耗。E摩擦由整機(jī)或小車重量和車輪摩擦系數(shù)決定。整機(jī)或小車重量由機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)重量組成，摩擦系數(shù)與車輪直徑、車輪材料有關(guān)。這也是影響整機(jī)能耗水平的重要因素之一。

2導(dǎo)致失效的因素分析

起重機(jī)失效的主要表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)破壞；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)、噪聲超標(biāo)；電機(jī)、電氣元件過(guò)熱導(dǎo)致性能降低或功能異常，相應(yīng)導(dǎo)致失效的原因是沖擊、摩擦、發(fā)熱。摩擦導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)噪聲和振動(dòng)超標(biāo)也是常見(jiàn)失效形式之一。檢驗(yàn)中曾遇到典型的例子是一臺(tái)改造過(guò)的橋式起重機(jī)，改造項(xiàng)目是更換新的起升機(jī)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)施工人員在處理電機(jī)、減速器的基座墊高時(shí)，沒(méi)有測(cè)量準(zhǔn)確，導(dǎo)致新安裝的電機(jī)、減速器同軸度誤差太大。起重機(jī)試運(yùn)行時(shí)，軸承與齒輪摩擦超過(guò)正常水平，結(jié)果噪音和振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)，無(wú)法正常使用[2]。

3節(jié)能設(shè)計(jì)與避免失效的相關(guān)性分析

起重機(jī)行業(yè)內(nèi)非常熱門的降低能耗的措施之一是結(jié)構(gòu)輕量化，例如優(yōu)化主梁、端梁、支腿、小車架等主要結(jié)構(gòu)件，使得自重變輕，從而運(yùn)行機(jī)構(gòu)的功率變小，動(dòng)能Ek和摩擦損耗E損耗相應(yīng)減小。但是同時(shí)，這種優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)對(duì)于可靠性來(lái)說(shuō)，很有可能降低了。一般來(lái)說(shuō)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)要比原來(lái)小，如果采用形狀優(yōu)化，通常是結(jié)構(gòu)比原來(lái)復(fù)雜了，給控制制造質(zhì)量帶來(lái)不確定性。控制方式改變對(duì)起重機(jī)能耗和可靠性的影響比較復(fù)雜。目前常見(jiàn)的轉(zhuǎn)子串電阻和變頻驅(qū)動(dòng)控制方式，對(duì)于節(jié)能來(lái)說(shuō)，變頻驅(qū)動(dòng)方式顯然有優(yōu)勢(shì)。從結(jié)構(gòu)可靠性來(lái)說(shuō)，變頻驅(qū)動(dòng)能減小對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)沖擊，相同吊重情況下提高了結(jié)構(gòu)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(shí)沖擊過(guò)大，使得主梁局部失穩(wěn)。從控制系統(tǒng)本身可靠性來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子串電阻因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單反而有優(yōu)勢(shì)[3]。采用高效率的驅(qū)動(dòng)部件在節(jié)能方面是不言而喻的，更進(jìn)一步，高效率意味著各種發(fā)熱、振動(dòng)、摩擦的損耗減小，一般來(lái)說(shuō)能提高部件可靠性。在起重機(jī)使用階段，正確、及時(shí)的維護(hù)保養(yǎng)，確保各部件潤(rùn)滑正常，有利于各運(yùn)動(dòng)部件保持高效率，降低磨損，既能降低能耗，也能提高可靠性。

結(jié)束語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)：

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