淺談門式起重機(jī)全生命周期發(fā)展趨勢(shì)

鄒志文

摘? ?要：門式起重機(jī)使用場(chǎng)所通常是工廠廠區(qū)、水電站、造船廠、貨運(yùn)碼頭等室外惡劣環(huán)境。隨著新時(shí)代制造業(yè)高速發(fā)展的需求，門式起重機(jī)應(yīng)在滿足安全、可靠使用的前提下，必須向智能化、綠色化、可控化的發(fā)展來適應(yīng)工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025的需求。應(yīng)以全新的生命發(fā)展周期為發(fā)展趨勢(shì)，形成多元化設(shè)計(jì)、綠色化制造、大數(shù)據(jù)分析下使用的剩余壽命預(yù)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)等一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。資能節(jié)約、再生利用、智能化控制、本質(zhì)安全監(jiān)控、自動(dòng)化吊裝成為門式起重機(jī)技術(shù)發(fā)展方向，提高產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力，助力門式起重機(jī)緊跟時(shí)代發(fā)展步伐。

關(guān)鍵詞：多元化設(shè)計(jì)? 綠色化制造? 門式起重機(jī)? 剩余壽命預(yù)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH213.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（a）-0090-03

Abstract： Portal cranes are usually used in factory areas， hydropower stations， shipyards， cargo terminals and other outdoor harsh environment. With the rapid development of manufacturing industry in the new era. On the premise of safe and reliable use， gantry cranes must develop intellectually， greenly and controllably to meet the needs of industrial 4.0 and 2025 made in China. A complete closed-loop system， such as diversified design， green manufacturing and residual life prediction and evaluation system， should be formed with a new life cycle as the development trend. Energy saving， recycling， intelligent control， intrinsic safety monitoring and automatic hoisting have become the development direction of gantry crane technology， improve the core competitiveness of products， and help gantry crane keep pace with the development of the times.

Key Words： Diversified Design; Green Manufacturing; Use under Large Data Analysis; Residual Life Prediction and Evaluation System

隨著時(shí)代化建設(shè)進(jìn)程越來越快，現(xiàn)代化工廠、大型水電站、造船廠及大型貨運(yùn)碼頭數(shù)量越來越多，對(duì)門式起重機(jī)的要求越來越高。門式起重機(jī)向大型化、自動(dòng)化、專業(yè)化趨勢(shì)發(fā)展。目前我國(guó)門式起重機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)主要是通過打價(jià)格戰(zhàn)，然而價(jià)格戰(zhàn)比較低級(jí)同時(shí)也是比較殘酷，最終導(dǎo)致各企業(yè)利潤(rùn)不斷下降，形成一個(gè)惡性循環(huán)，進(jìn)而也連帶著產(chǎn)品的品質(zhì)逐漸下降，整個(gè)行業(yè)水平的降低，造成全國(guó)大部分的生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品差異性極小，產(chǎn)品性能參數(shù)以及圖紙基本相似，門式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)形式及控制方法幾十年沒有發(fā)生改變，因此面對(duì)來自國(guó)外的競(jìng)爭(zhēng)壓力，傳統(tǒng)的門式起重機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、銷售等生存空間堪憂。在經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程中，新能源和綠色化已成為引領(lǐng)科技和產(chǎn)業(yè)革命的重要?jiǎng)恿?，技術(shù)性貿(mào)易壁壘從早期的安全、標(biāo)準(zhǔn)、性能方面延伸到環(huán)境保護(hù)、資能節(jié)約、再生利用等領(lǐng)域。新概念全生命周期綠色化、控制系統(tǒng)的智能化、本質(zhì)安全監(jiān)控、自動(dòng)化吊裝成為門式起重機(jī)技術(shù)發(fā)展的突破方向，是提升產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外核心競(jìng)爭(zhēng)中力的關(guān)鍵。

1? 多元化設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的區(qū)別簡(jiǎn)述

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法基本上是一種通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、靜態(tài)分析、近似計(jì)算特征的設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)是在過去長(zhǎng)期傳統(tǒng)設(shè)計(jì)活動(dòng)的延伸和發(fā)展，不但繼承了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的精華，而且還吸收了當(dāng)代科技成果，并且運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)是一種以動(dòng)態(tài)分析、精確計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要方法。其主要轉(zhuǎn)變?cè)谟谑巩a(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析定量化、工況分析動(dòng)態(tài)化、質(zhì)量分析可靠化、設(shè)計(jì)過程高效化和自動(dòng)化、設(shè)計(jì)結(jié)果最優(yōu)化。

1.2 主要設(shè)計(jì)方法

1.2.1 極限狀態(tài)及許用應(yīng)力法

是以鋼材的屈服點(diǎn)除以總的單一安全系數(shù)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靜強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)具體結(jié)構(gòu)，因承受的載荷、結(jié)構(gòu)的材料、工作情況不同而取不同的系數(shù)。其設(shè)計(jì)依據(jù)是結(jié)構(gòu)達(dá)到最大承載能力或喪失其使用功能為極限狀態(tài)。因此，前者用分項(xiàng)載荷、材料抗力系數(shù)，后者用單一安全系數(shù)。結(jié)構(gòu)的載荷、材料的質(zhì)量和制造質(zhì)量都具有隨機(jī)性，只有運(yùn)用概率論才能更真實(shí)描述和反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)性。

1.2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)法

20世紀(jì)60年代隨著計(jì)算機(jī)的廣泛使用而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。是最優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。優(yōu)化設(shè)計(jì)能根據(jù)產(chǎn)品要求，從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋得盡可能完善的或最適宜的設(shè)計(jì)方案，合理確定和計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)，以期達(dá)到最佳設(shè)計(jì)目標(biāo)，能為工程及產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，用最少規(guī)格數(shù)的零部件組成盡可能多的起重機(jī)規(guī)格型號(hào)數(shù)，解決了門式起重機(jī)整體優(yōu)化問題，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作效率。

1.2.3 可靠性設(shè)計(jì)法

以概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、運(yùn)籌學(xué)等研究產(chǎn)品失效規(guī)律的綜合性設(shè)計(jì)方法。根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，確定可靠性指標(biāo)及其量值;通過對(duì)產(chǎn)品可靠性進(jìn)行定量計(jì)算，評(píng)價(jià)產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成功能的能力，研究產(chǎn)品的故障機(jī)理和失效模式;運(yùn)用以往的可靠性數(shù)據(jù)資料計(jì)算系統(tǒng)可靠性的特征量以預(yù)測(cè)可靠性。

1.2.4 有限元設(shè)計(jì)法

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，在工程領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問題的一種數(shù)值計(jì)算方法。采用有限元法則優(yōu)越得多，能夠?qū)崿F(xiàn)多工況隨意組合，進(jìn)行復(fù)雜的線性和非線性分析，此設(shè)計(jì)方法對(duì)多自由度系統(tǒng)的分析及復(fù)雜結(jié)構(gòu)或十分有效。通過定量分析計(jì)算對(duì)門式起重機(jī)實(shí)際使用結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)計(jì)提供真實(shí)有效多元化的計(jì)算結(jié)果，并可配有豐富的動(dòng)態(tài)展示功能。

1.2.5 動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)法

是在起重機(jī)復(fù)雜工況下工作的大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)性能受多種因素影響，以往由于設(shè)計(jì)者缺乏有效的理論與工具，所以門式起重機(jī)設(shè)計(jì)往往以靜態(tài)設(shè)計(jì)為主。但靜態(tài)設(shè)計(jì)方法具有很大的局限性。想要準(zhǔn)確分析門式起重機(jī)的運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)際測(cè)量是一個(gè)有效地方法，門式起重機(jī)所承受的載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)能夠有效的呈現(xiàn)出來，但需要在門式起重機(jī)產(chǎn)品制成以后方有可能實(shí)際測(cè)量，因此這樣做風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、產(chǎn)品的研發(fā)周期長(zhǎng)。近年來國(guó)內(nèi)外在門式起重機(jī)設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)新方法，即計(jì)算機(jī)對(duì)門式起重機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)在各種工況下承受載荷，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)間變化過程的仿真模擬，得到動(dòng)態(tài)仿真輸出參數(shù)，以此來估計(jì)和推斷實(shí)際運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)。為設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

2? 綠色化制造

綠色制造是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效益的現(xiàn)代化制造模式，綠色制造技術(shù)是指在保證產(chǎn)品的質(zhì)量、功能、成本的前提下，綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式。使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，對(duì)環(huán)境的影響最小，資源利用率最高。使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。它使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、使用到報(bào)廢整個(gè)產(chǎn)品生命周期中不產(chǎn)生環(huán)境污染或環(huán)境污染最小化，符合環(huán)境保護(hù)要求，對(duì)生態(tài)環(huán)境無害或危害極小，資源利用率最高，能源消耗率最低。通過以下制造模式，能夠更好地推動(dòng)綠色化制造的進(jìn)程。

2.1 模塊化制造

用模塊化代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整機(jī)一體化，將門式起重機(jī)上功能基本相同的結(jié)構(gòu)部件及零件制成有多種用途、相同聯(lián)接、可互換的標(biāo)準(zhǔn)模塊。通過不同模塊的相互組合，形成不同類型和規(guī)格的門式起重機(jī)。企業(yè)的生產(chǎn)組織可由產(chǎn)品管理變?yōu)槟K管理。如對(duì)現(xiàn)有門式起重機(jī)要進(jìn)行改進(jìn)，只需針對(duì)起重機(jī)上某幾個(gè)模塊進(jìn)行替換便可。如想設(shè)計(jì)新型起重機(jī)，只需選用不同模塊重新進(jìn)行組合，優(yōu)化現(xiàn)有需要提升的模塊?？墒箚渭∨可a(chǎn)的起重機(jī)改換成具有相當(dāng)批量的模塊的生產(chǎn)模式。從而實(shí)現(xiàn)高效率的專業(yè)化生產(chǎn)。目前，國(guó)外的著名起重機(jī)公司都已采用起重機(jī)模塊化設(shè)計(jì)制造，產(chǎn)品效果明顯提升。德國(guó)德馬格公司的標(biāo)準(zhǔn)起重機(jī)系列改用模塊化設(shè)計(jì)后，比單件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)費(fèi)用下降12%，生產(chǎn)成本下降45%，提高資源利用率。

2.2 輕型化制造

有相當(dāng)批量的門式起重機(jī)是企業(yè)工廠中使用，工作頻率和吊運(yùn)重量并不高。這類門式起重機(jī)生產(chǎn)批量大、實(shí)際用途廣。在考慮制造企業(yè)的綜合效益，應(yīng)對(duì)門式起重機(jī)盡量滿足使用的同時(shí)降低其高度，簡(jiǎn)化其部件，減小自重和輪壓，主體結(jié)構(gòu)輕型化，從而降低造價(jià)。國(guó)外某起重機(jī)生產(chǎn)公司經(jīng)過幾十年的開發(fā)和創(chuàng)新，已形成了一個(gè)輕型組合式的標(biāo)準(zhǔn)門式起重機(jī)系列。起重量1～80t，工作級(jí)別A1～A7，整個(gè)系列由工字形和箱型單梁、懸掛箱形單梁、角形小車箱形單梁和箱形雙梁等多個(gè)品種組成。生產(chǎn)批量大，生產(chǎn)效率高，能夠滿足現(xiàn)有工況需要，節(jié)約資源。

2.3 智能化制造

門式起重機(jī)的更新和發(fā)展，在很大程度上取決于電氣傳動(dòng)與控制的改進(jìn)。將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、光纜技術(shù)、液壓技術(shù)、模糊控制技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的自動(dòng)化和智能化。大型高效門式起重機(jī)新一代電氣控制裝置已發(fā)展為全電子數(shù)字化控制系統(tǒng)。主要由全數(shù)字化控制驅(qū)動(dòng)裝置、數(shù)字化操縱給定檢測(cè)、可編程序控制器、故障診斷及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等設(shè)備組成。變壓變頻調(diào)速、射頻數(shù)據(jù)通訊、故障自診監(jiān)控、吊具防搖的模糊控制、激光查找起吊物重心、近場(chǎng)感應(yīng)防碰撞技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線、載波通訊及控制、無接觸供電及三維條形碼技術(shù)等將廣泛得到應(yīng)用。使起重機(jī)具有更高的柔性，以適合多批次少批量的柔性生產(chǎn)模式，提高單機(jī)綜合自動(dòng)化水平。重點(diǎn)開發(fā)以微處理機(jī)為核心的高性能電氣傳動(dòng)裝置，使起重機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速和靜動(dòng)特性，可進(jìn)行操作的自動(dòng)控制、自動(dòng)顯示與記錄，起重機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)保護(hù)與自動(dòng)檢測(cè)，特殊場(chǎng)合的遠(yuǎn)距離遙控等，以適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，實(shí)現(xiàn)綠色化制造。

3? 大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)下使用

通過對(duì)操作員實(shí)際操作檢測(cè)，分析操作者作業(yè)習(xí)慣，甄別出操作時(shí)可能造成的危險(xiǎn)動(dòng)作，建立數(shù)據(jù)庫，將不安全行為和不安全動(dòng)作形成數(shù)據(jù)指令，再將過去發(fā)生過起重機(jī)安全事故的操作動(dòng)作和起重機(jī)故障的數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)，有人工智能系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分析起重機(jī)上各工作部件的使用狀態(tài)和操作者的操作規(guī)范性及智能化監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境對(duì)門式起重機(jī)的安全帶來的影響。

3.1 門式起重機(jī)主梁撓度監(jiān)測(cè)

門式起重機(jī)在使用過程中由于主梁剛性不足、長(zhǎng)期滿負(fù)載工作或起重機(jī)工作環(huán)境惡劣等諸因素影響，會(huì)使主梁產(chǎn)生永久變形。當(dāng)拱度、翹度降低到一定程度時(shí)就必須采取相應(yīng)措施，否則，會(huì)對(duì)起重機(jī)安全造成影響。通過激光觸點(diǎn)裝置，測(cè)量起重機(jī)主梁各點(diǎn)位置，通過數(shù)據(jù)分析形成一條主梁撓度圖，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主梁撓度圖變化分析吊裝重量、主梁經(jīng)常受力點(diǎn)位置、主梁撓度變化趨勢(shì)及主梁永久變形預(yù)判等數(shù)據(jù)分析。

3.2 門式起重機(jī)導(dǎo)軌處情況監(jiān)測(cè)

門式起重機(jī)有別于橋式起重機(jī)的危險(xiǎn)點(diǎn)在于支腿的行走機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌接觸處與物體或人員接觸的危險(xiǎn)，在多臺(tái)同時(shí)作業(yè)或者操作者存在視覺盲區(qū)時(shí)易對(duì)門式起重機(jī)導(dǎo)軌兩側(cè)的人造成擠壓危險(xiǎn)。在門式起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)上裝設(shè)未接觸式位置傳感器，如電容式、超聲波和光電式等，在軌道上有人員靠近或靠近物體時(shí)先是聲光預(yù)警裝置工作，當(dāng)人員或物體繼續(xù)靠近時(shí)起重機(jī)緩速停止。同時(shí)，行走機(jī)構(gòu)對(duì)運(yùn)行的導(dǎo)軌進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括導(dǎo)軌上結(jié)冰、導(dǎo)軌槽異物等軌道的監(jiān)測(cè)，并在行走機(jī)構(gòu)上設(shè)置輪加熱系統(tǒng)和導(dǎo)軌自清掃系統(tǒng)。

3.3 操作者操作規(guī)范性監(jiān)測(cè)

通過大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)起重機(jī)作業(yè)者的操作習(xí)慣，分析對(duì)比哪些行為是不規(guī)范行為，哪些行為可能存在安全隱患，如用終點(diǎn)開關(guān)做停車手段、采用反車制動(dòng)、起重機(jī)吊著重物時(shí)操作者隨意離開崗位、用主鉤和副鉤同時(shí)工作等不安全行為，并利用聲光提醒或在操作面板進(jìn)行提醒。吊運(yùn)大型重物時(shí)，監(jiān)測(cè)重物周圍1m是否有人員。監(jiān)測(cè)起重機(jī)有無漏電處等通過大數(shù)據(jù)收集分析操作者作業(yè)習(xí)慣，規(guī)避因人員惡習(xí)操作不當(dāng)造成的安全事故，同時(shí)也檢測(cè)起重機(jī)漏電問題，避免人員發(fā)生觸電。

4? 剩余壽命預(yù)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)

門式起重機(jī)剩余壽命評(píng)估的發(fā)展趨勢(shì)是利用計(jì)算機(jī)的虛擬技術(shù)，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，建立起重機(jī)結(jié)構(gòu)件的專家系統(tǒng)，評(píng)定起重機(jī)的疲勞剩余壽命和其余技術(shù)指標(biāo)。堅(jiān)持可操作性評(píng)估為原則、以預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確為目標(biāo)，把握破壞機(jī)理應(yīng)對(duì)、強(qiáng)調(diào)失效模式適用，采用高敏度長(zhǎng)壽命多用途傳感器技術(shù)，無損檢測(cè)的失效狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)，高效三網(wǎng)融合的物聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)?；谧芳訉W(xué)習(xí)訓(xùn)練機(jī)制載荷譜大數(shù)據(jù)采集處理分析技術(shù)以及Miner線性積累損傷理論、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)等理論融合技術(shù)，使得起重機(jī)的剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果最大限度地符合實(shí)際，為起重機(jī)的報(bào)廢和延用提供科學(xué)依據(jù)和適用方法。提高起重機(jī)壽命評(píng)估的可靠性和實(shí)時(shí)性，能夠隨時(shí)知道起重機(jī)的剩余壽命。提高起重機(jī)壽命評(píng)估的可實(shí)施性，能夠在包括老式起重機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用。

5? 結(jié)語

在新技術(shù)、新材料和智能化推動(dòng)下，未來門式起重機(jī)從設(shè)計(jì)、制造、使用、預(yù)測(cè)報(bào)廢的全生命周期內(nèi)均有人工智能的參與，使設(shè)計(jì)更優(yōu)化合理，制造模塊化更標(biāo)準(zhǔn)、使用時(shí)因誤操作或不良習(xí)慣造成的安全事故大幅度降低，能夠準(zhǔn)確及時(shí)地預(yù)測(cè)門式起重機(jī)的剩余壽命，降低安全事故的發(fā)生。

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