剖析橋式起重機(jī)與門式起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素

董志偉

（赤峰市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 輕量化設(shè)計(jì)概念

輕量化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是重量較小，因此操作更加方便，效率更高。將其應(yīng)用在起重機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，主要也是基于何節(jié)能環(huán)保的理念，其主要目的是為了提高起重機(jī)的整體性能。在對(duì)起重機(jī)進(jìn)行輕量化研究和分析的過(guò)程中，在確保機(jī)器運(yùn)行質(zhì)量和安全的基礎(chǔ)上最大程度上減少機(jī)器的整體質(zhì)量從而來(lái)提升機(jī)器運(yùn)行的動(dòng)力性能、減少燃燒的消耗和污染氣體的排放。現(xiàn)階段，在輕量化設(shè)計(jì)中，通過(guò)向國(guó)外技術(shù)的學(xué)習(xí)和國(guó)外起重機(jī)設(shè)計(jì)的借鑒發(fā)現(xiàn)，車輛重量降低可有效提高燃油的效率。

輕量化設(shè)計(jì)是系統(tǒng)性工程，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量、性能和成本的最優(yōu)化配置，在滿足性能和質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上盡可能地減少產(chǎn)品的質(zhì)量，降低運(yùn)行功率和功耗，同時(shí)還可以保證運(yùn)行的安全可靠性。橋式起重機(jī)和門式起重機(jī)是最常見(jiàn)的起重機(jī)械，對(duì)這些起重機(jī)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，可從很大程度上降低能耗、節(jié)約資源，推動(dòng)綠色低碳經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)具有重要意義。通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)，可以將產(chǎn)品制造得更加輕巧美觀，且因?yàn)檎w重量降低了控制起來(lái)也更加靈活，運(yùn)行更加穩(wěn)定安全且具有減震和減噪音的作用，為用戶提供了更多的選擇空間。

2 起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的意義

起重機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)是為了滿足社會(huì)發(fā)展的需要，這些年來(lái)起重機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面取得了很大的進(jìn)展，促進(jìn)了整個(gè)市場(chǎng)的發(fā)展，也刺激了國(guó)內(nèi)外對(duì)起重機(jī)的需求。而正是因?yàn)槿绱耍瑢?duì)于起重機(jī)的技術(shù)研究和設(shè)計(jì)優(yōu)化也日益重視，尤其在起重機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)方面，國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)政策給予支持。但是，現(xiàn)階段我國(guó)自主研發(fā)的起重機(jī)和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家研發(fā)的起重機(jī)相比還是存在一定的距離，主要原因在于我國(guó)起重機(jī)的自重力較大，幾乎是其他國(guó)家起重機(jī)重量的1.5～2 倍。所以開展起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)研究是必然趨勢(shì)，只有結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化了才能提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，隨著環(huán)保節(jié)能意識(shí)的強(qiáng)化，為了提高資源的利用率、降低環(huán)境污染，開展起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)也勢(shì)在必行。這是因?yàn)槠鹬貦C(jī)是金屬結(jié)構(gòu)，金屬的重量占整個(gè)起重機(jī)重量的一半，甚至有的大型起重機(jī)大部分都是金屬制造的在，為此制造起重機(jī)對(duì)金屬的需求量極大，如果可以實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)就可以大大減少對(duì)金屬的需求量，同時(shí)可以有效降低制造成本，實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)化配置以及用最低的成本制造出性能優(yōu)良的起重機(jī)。

3 輕量化小車設(shè)計(jì)

起重小車是橋式起重機(jī)和門式起重機(jī)的重要組成結(jié)構(gòu)，小車的性能直接影響著整個(gè)起重機(jī)的性能和成本，因此也是輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。比較我國(guó)和其他發(fā)達(dá)國(guó)家制造的起重機(jī)發(fā)現(xiàn)，其他國(guó)家已經(jīng)開始使用鋁合金結(jié)構(gòu)的輪式起重機(jī)和橋式起重機(jī)臂架，自重力降低了一般。如果能在制造起重機(jī)的過(guò)程中使用H 型剛才可節(jié)約大量的結(jié)構(gòu)鋼材，還能提高機(jī)械的抗彎能力。在進(jìn)行主梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，采用剛強(qiáng)度的剛才可減少一部分生產(chǎn)材料而且可以降低起重機(jī)的整體重量。具體小車輕量化設(shè)計(jì)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究改進(jìn)：第一，吊鉤設(shè)計(jì)，吊鉤材料和強(qiáng)度等級(jí)不同，使得吊鉤的質(zhì)量也有較大的差異。為降低重量，可使用較好的合金材料以及強(qiáng)度較高的材料，使吊鉤外形設(shè)計(jì)更加小巧美觀。第二，滑輪設(shè)計(jì)，現(xiàn)階段普遍使用的是鑄造、焊接以及高溫壓膜滑輪，首先灰鑄鐵的強(qiáng)度和韌性較低，導(dǎo)致在使用過(guò)程中容易破損。而球墨鑄鐵材料雖然強(qiáng)度和韌性較高但是制作工藝很差，硬度高，會(huì)對(duì)鋼絲繩的使用造成影響。焊接滑輪采用的是20 號(hào)鋼制作，含碳量較低，塑性和抗沖擊能力較強(qiáng)，但是焊接滑輪無(wú)法有效保證質(zhì)量且會(huì)對(duì)起重機(jī)的起重作用和整體性能造成不利影響，更重要的是焊接滑輪質(zhì)量不佳且重量較大，不利于提升起重機(jī)的整體性能。在改進(jìn)設(shè)計(jì)中，可嘗試使用強(qiáng)度高、剛性較好且比重小、耐磨耐油抗腐蝕能力較好的工程尼龍塑料，該材料還具有抗紫外線和抗低溫脆化的作用，將其用作滑輪的材料可提高滑輪和鋼絲繩的使用壽命，同時(shí)也減輕了自身的重量。在橋門式起重機(jī)中使用高強(qiáng)度的尼龍作為滑輪材料，還能減少噪音污染，提高整體起重機(jī)的性能。第三，起升機(jī)構(gòu)優(yōu)化，可參考?xì)W式起重機(jī)的設(shè)計(jì)，使用電動(dòng)葫蘆式起升機(jī)構(gòu)并進(jìn)行模塊化生產(chǎn)。第四，小車架的框架設(shè)計(jì)，將其設(shè)計(jì)為H 型三梁結(jié)構(gòu)可以使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、輕量化。

4 輕量化運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

輕量化運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包括車輪和三合一驅(qū)動(dòng)兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)，首先在車輪輕量化設(shè)計(jì)方面，車輪的材料不同車輪踏面點(diǎn)接觸強(qiáng)度材料系數(shù)k 值也不同，從而導(dǎo)致車輪承載能力存在較大差異。通過(guò)研究分析可知，使用強(qiáng)度更高的材料可使車輪直徑減少，從而降低車輪的質(zhì)量。在驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)上，電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器等多部件組合的驅(qū)動(dòng)方式對(duì)安裝的要求較高，且機(jī)器本身的體積較大、重量大，還受小車架的影響。為此，可參照歐式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)，使用三合一驅(qū)動(dòng)方式，將電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器和減速器合并起來(lái)組成一個(gè)部件，運(yùn)行機(jī)構(gòu)變緊湊以后有利于減輕質(zhì)量和體積，且安裝與調(diào)試時(shí)也比較方便易操作，受車架變形的影響較小，有利于提高承載能力和使用壽命。

5 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金屬結(jié)構(gòu)是起重機(jī)的重要組成，占據(jù)了整個(gè)起重機(jī)重量的一半以上，甚至有的大型起重機(jī)90%都是金屬結(jié)構(gòu)，為此必須加強(qiáng)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)研究。起重機(jī)結(jié)構(gòu)一般由材料、小車軌道、縱向筋、結(jié)構(gòu)形式和主梁截面參數(shù)構(gòu)成，現(xiàn)階段對(duì)相關(guān)組成功能結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了設(shè)計(jì)創(chuàng)新，比如傳統(tǒng)的橋門式起重機(jī)小車軌道一般使用的是工字型P型鋼軌進(jìn)行壓板式固定，這種方式導(dǎo)致軌道和主梁蓋板的貼合度不夠，導(dǎo)致滑移現(xiàn)象的出現(xiàn)。為此，在輕量化設(shè)計(jì)中，可使用薄壁型材料和異型鋼材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，可降低結(jié)構(gòu)之間的焊縫數(shù)量，從而使結(jié)構(gòu)連接更加緊密，同時(shí)也提高了結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力?，F(xiàn)階段，在橋門式起重機(jī)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用全偏軌的主梁布置方式，可以更好地受力和傳力，使得結(jié)構(gòu)運(yùn)行更加安全穩(wěn)定，同時(shí)也減少了對(duì)材料的使用，有利于降低成本。同時(shí)對(duì)于小車軌道和，可使用壓板式和焊接式固定方式，或采用有限元分析方法分析兩種固定方式對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)分析計(jì)算可知，焊接式固定方式可更好地改善結(jié)構(gòu)的剛度、降低主梁的應(yīng)力，從而有效提升起重機(jī)的整體起重特性，同時(shí)還能減少起重機(jī)的結(jié)構(gòu)自重力。

6 其他輕量化設(shè)計(jì)措施

為降低運(yùn)行功耗，需要全面考慮起重機(jī)的性能、成本、生產(chǎn)工藝以及管理因素等，進(jìn)行參數(shù)的合理配置才能完善各方面的性能、降低成本，提高工作效率。其次，可采用變頻調(diào)速控制以及改善操作方式的措施，提高系統(tǒng)調(diào)速控制的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，使操作更加簡(jiǎn)單，減少機(jī)構(gòu)的沖擊力，提高使用壽命，減少故障發(fā)生，從而降低維修成本，獲得節(jié)能降耗的效果。此外，采用遙控操作方式，取消司機(jī)室、減少附屬結(jié)構(gòu)的重量和電氣系統(tǒng)的重量也是橋門式起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的一種方法，以自重輕、強(qiáng)度高、密封性好、安全可靠和人性化的設(shè)計(jì)來(lái)提高機(jī)器結(jié)構(gòu)性能。

7 輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)

在我國(guó)起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)發(fā)展中，設(shè)計(jì)的方法大多以古典力學(xué)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的集理論設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和類別設(shè)計(jì)于一體的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)設(shè)計(jì)要求的提升，為減少設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)精確度和可靠性，必須改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)方法，將電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代工程理論結(jié)合起來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)完善，出現(xiàn)了不少跨學(xué)科的設(shè)計(jì)方法，比如常見(jiàn)的有極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法、有限元設(shè)計(jì)法和模塊化設(shè)計(jì)方法等。其中極限狀態(tài)發(fā)設(shè)計(jì)是定值法的范圍，具有算法簡(jiǎn)單、應(yīng)用簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)中限制因素較多，可能會(huì)出現(xiàn)控制失靈的現(xiàn)象。為此，在進(jìn)行起重機(jī)結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)時(shí)，以極限承載能力為依據(jù)并綜合考慮失效概率和起重機(jī)的使用性能，提高對(duì)材料的利用率，可起到節(jié)約材料、減少自重力、節(jié)約成本的作用。

8 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，橋式起重機(jī)和門式起重機(jī)作為使用最為廣泛的兩種起重設(shè)備，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)不僅可以減少對(duì)資源的使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的最合理配置，而且還能節(jié)約成本、降低對(duì)環(huán)境的污染，確保起重機(jī)械在使用中的安全可靠性。但是輕量化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，必須從系統(tǒng)的角度進(jìn)行認(rèn)識(shí)研究，為此需要各個(gè)部門互相協(xié)調(diào)與合作，和廠家溝通，才能實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)，制造出新型的性能優(yōu)良的輕量化起重機(jī)，推動(dòng)節(jié)能低碳型經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。