橋式起重機(jī)輕量化技術(shù)與智能化技術(shù)運(yùn)用實(shí)踐

劉躍洋

（河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院廊坊分院，河北廊坊 065000）

0 引言

橋式起重機(jī)廣泛使用在冶金行業(yè)和制造業(yè)以及物流業(yè)等行業(yè)中，在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛性和通用性優(yōu)勢(shì)。在創(chuàng)新橋式起重機(jī)應(yīng)用的過(guò)程中，需要綜合利用輕量化技術(shù)和智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)節(jié)能降耗的目標(biāo)，推動(dòng)橋式起重機(jī)可持續(xù)發(fā)展。

1 概述

在倉(cāng)庫(kù)或者車間以及料場(chǎng)上方橫架的起重設(shè)備就是橋式起重機(jī)，主要負(fù)責(zé)運(yùn)輸物料，橋式起重機(jī)的兩端坐落在金屬支架或者水泥柱上，因?yàn)樾螤钕駱虮环Q為橋式起重機(jī)（圖1）。橋式起重機(jī)在實(shí)際運(yùn)行階段，橋架沿著兩側(cè)軌道縱向運(yùn)行，可以利用橋架下方空間完成物料輸送工作，避免地面設(shè)備干擾到物料運(yùn)輸工作。橋式起重機(jī)具有廣泛的使用范圍，因此整體使用頻率也比較高。橋式起重機(jī)主要是利用電力驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，工作人員在司機(jī)室操作橋式起重機(jī)運(yùn)行，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制[1]。

圖1 橋式起重機(jī)

2 自重現(xiàn)狀

橋式起重機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)是自重，當(dāng)前各種起重機(jī)不斷實(shí)現(xiàn)大起重量目標(biāo)，也逐漸增加起重機(jī)的重量，因此起重機(jī)行業(yè)每年需要耗費(fèi)較多的金屬材料。如果起重機(jī)具有較大的自重，將會(huì)增大輪壓，還要求提高廠房和碼頭等建筑物的承載力。在設(shè)計(jì)工作階段不僅要考慮起重機(jī)的起重能力，還要降低起重機(jī)的自重[2]。

以形式為基礎(chǔ)，可以劃分起重機(jī)自重為結(jié)構(gòu)重量和機(jī)構(gòu)重量，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)重量通常占據(jù)70%以內(nèi)的比例，而大型起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)占比大約是90%。對(duì)比國(guó)外的起重機(jī)，國(guó)內(nèi)起重機(jī)自重普遍較高。

3 輕量化技術(shù)實(shí)現(xiàn)措施

3.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)方法和計(jì)算方法

當(dāng)前在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要是利用許用應(yīng)力法，雖然這種方法應(yīng)用過(guò)程比較簡(jiǎn)單，但是無(wú)法針對(duì)不同的途徑采取不同的安全系數(shù)，無(wú)法保障安全系數(shù)的準(zhǔn)確性。利用許用應(yīng)力法設(shè)計(jì)橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)，將會(huì)消耗較多的金屬材料，無(wú)法保障整體安全。在計(jì)算荷載的過(guò)程中主要是參考設(shè)計(jì)手冊(cè)，并根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)最終選取荷載系數(shù)。因?yàn)楹奢d系數(shù)缺乏準(zhǔn)確性，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員無(wú)法準(zhǔn)確的預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)結(jié)果，產(chǎn)生過(guò)大的安全系數(shù)裕量，增大起重機(jī)自重。利用極限狀態(tài)計(jì)算法可以保障計(jì)算準(zhǔn)確性，符合金屬結(jié)構(gòu)工作情況，同時(shí)可以充分利用鋼材，節(jié)省材料應(yīng)用量[3]。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以利用有限元法和等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方案，在最大程度上降低橋式起重機(jī)的自重，大型橋式起重機(jī)可以利用計(jì)算機(jī)仿真和動(dòng)態(tài)模擬方法等。在橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)中可以利用預(yù)應(yīng)力法，合理改進(jìn)橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，節(jié)省鋼材應(yīng)用量。

在設(shè)計(jì)工作中需要考慮材料力學(xué)性能，針對(duì)橋式起重機(jī)，增加板厚也會(huì)隨之降低鋼板的強(qiáng)度，如果結(jié)構(gòu)要求板厚較厚，可以疊加兩塊板，使許用應(yīng)力提高，從而降低橋式起重機(jī)的自重[4]。

3.2 選用輕質(zhì)材料

利用H 形鋼取代板材，可以節(jié)省結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)提高整體抗彎能力。設(shè)計(jì)橋式起重機(jī)主梁強(qiáng)度的過(guò)程中，可以利用高強(qiáng)度鋼材，節(jié)省橋式起重機(jī)材料的重量，整體設(shè)備的重量因此降低。針對(duì)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，可以利用尼龍柱銷聯(lián)軸器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的齒輪聯(lián)軸器，也可以有效降低橋式起重機(jī)的自重。

3.3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)

（1）橋架輕量化技術(shù)。輕量化的橋式起重機(jī)主梁是利用四梁結(jié)構(gòu)，主梁利用全偏軌焊接箱型梁，利用軌道向上蓋板和主腹板焊縫中傳遞小車輪的壓力。對(duì)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，里箱型梁主腹板和副腹板具有不同的受力，在選擇副腹板板厚的過(guò)程中，厚度要小于主腹板的厚度。利用這一形式，可以解決主梁改版焊接變形等問(wèn)題，同時(shí)可以控制焊接下?lián)献冃螁?wèn)題。如果偏軌箱型梁的噸位較大，可以利用寬形梁，省略走臺(tái)這一工作環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化整體制造工藝，整體質(zhì)量因此降低[5]。

對(duì)比傳統(tǒng)形式，輕量化橋式起重機(jī)的壓板固定軌道方式具有一定的不同，輕量化橋式起重機(jī)的小車軌道是直接焊接在主梁上，保障軌道和箱型梁結(jié)構(gòu)共同承受荷載力，使主梁的強(qiáng)度和剛度因此提高，降低主梁的高度和重量。

（2）小車架輕量化技術(shù)。傳統(tǒng)的小車架利用超靜定結(jié)構(gòu)形式，選用陳舊的零部件技術(shù)，整體布局形式也不夠合理，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)于笨重。此外傳統(tǒng)的小車架重量和成本都比較高，同時(shí)還會(huì)發(fā)生車輪啃軌等問(wèn)題，影響到實(shí)際操作的安全性，最終減少設(shè)備使用壽命。輕量化橋式起重機(jī)的小車架主要是利用端梁和橫梁以及加強(qiáng)筋等，通過(guò)焊接形成超靜定剛性框架結(jié)構(gòu)，并將鋼板鋪設(shè)在框架上方，因此提高橋式起重機(jī)的承載力。此外利用小車架輕量技術(shù)可以減少啃軌問(wèn)題，保障實(shí)際運(yùn)行的穩(wěn)定性，使橋式起重機(jī)使用壽命得到保障。

（3）改進(jìn)起升機(jī)構(gòu)。推廣利用電動(dòng)葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)，可以降低橋式起重機(jī)起升結(jié)構(gòu)的重量，同時(shí)可以降低小車重量，還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。新型電動(dòng)葫蘆橋式起重機(jī)的工作級(jí)別可以達(dá)到A7 級(jí)，額定重量超過(guò)200 t。針對(duì)橋式起重機(jī)的零部件要利用焊接方式，代替原來(lái)的鑄造方式，例如減速器和滑輪等可以選用焊接結(jié)構(gòu)。此外要利用高轉(zhuǎn)速電機(jī)，有效減小整體外形尺寸，同時(shí)配置制動(dòng)器[6]。

4 智能化技術(shù)應(yīng)用措施

4.1 防擺動(dòng)技術(shù)和準(zhǔn)確定位技術(shù)

在橋式起重機(jī)中利用防擺動(dòng)技術(shù)和準(zhǔn)確定位技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用階段需要收集荷載搖擺測(cè)量信息，并且需要結(jié)合懸掛物的搖擺性質(zhì)，通過(guò)建模測(cè)量相位和荷載搖擺幅值。利用防擺動(dòng)技術(shù)和準(zhǔn)確定位技術(shù)可以動(dòng)態(tài)測(cè)量工作速度。為了發(fā)揮出防擺動(dòng)技術(shù)和準(zhǔn)確定位技術(shù)作用，首先需要利用檢測(cè)儀器，其次要把握信息傳輸方式，完善檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最后可以有效整合PLC 控制技術(shù)和可視化操作技術(shù)。不僅要加強(qiáng)開(kāi)發(fā)起重機(jī)防搖擺技術(shù)，還需要開(kāi)發(fā)起重機(jī)精確定位技術(shù)，進(jìn)一步完善電氣防搖擺自動(dòng)定位系統(tǒng)。

4.2 故障診斷和安全保護(hù)系統(tǒng)

在橋式起重機(jī)智能化技術(shù)中，故障診斷和安全保護(hù)系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，主要包括信息搜集、信息處理以及信息存儲(chǔ)等模塊，有利于橋式起重機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)可以優(yōu)化后期維護(hù)效果。在實(shí)際工作中，首先要擴(kuò)大信息數(shù)據(jù)收集范圍，提高工作方案的規(guī)范性。其次需要完善遠(yuǎn)程監(jiān)視平臺(tái)，全面監(jiān)控橋式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，降低故障發(fā)生率。最后要利用智能化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，完善故障診斷和安保系統(tǒng)，提高橋式起重機(jī)運(yùn)行的安全性。

4.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

智能化控制橋式起重機(jī)，保障起重機(jī)械適用于各種工作環(huán)境，可以靈活的操作，保障整體運(yùn)行的安全性?，F(xiàn)代化技術(shù)不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)也逐漸完善橋式起重機(jī)智能自動(dòng)化控制技術(shù)，并且開(kāi)始研發(fā)利用垃圾起重機(jī)和全自動(dòng)冶金起重機(jī)。在橋式起重機(jī)自動(dòng)控制階段，可以利用在線運(yùn)行夜間檢測(cè)技術(shù)和物料掃描技術(shù)等，研究人員需要勘察作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，融合利用吊鉤定位技術(shù)和智能故障診斷技術(shù)，進(jìn)一步完善智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)化目標(biāo)[7]。

4.4 安全評(píng)估和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

安全評(píng)估和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)是起重機(jī)光纖、光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用光纖、光柵安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且配置起重機(jī)光纖、光柵傳感器和高速調(diào)節(jié)器等設(shè)備。研發(fā)人員需要結(jié)合橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)特征，合理設(shè)計(jì)和埋設(shè)光纖、光柵、高速調(diào)節(jié)器以及傳感器。研發(fā)人員還要結(jié)合橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)特征，利用光纖、光柵傳感技術(shù)完善監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立3D 模型，動(dòng)態(tài)化模擬橋式起重機(jī)實(shí)際作業(yè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的目標(biāo)。

4.5 壽命評(píng)價(jià)技術(shù)

壽命評(píng)價(jià)技術(shù)的基礎(chǔ)是發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以全面評(píng)估橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)材料的損傷，合理預(yù)測(cè)橋式起重機(jī)剩余年限和實(shí)際損傷情況。壽命評(píng)價(jià)技術(shù)利用斷裂力學(xué)和聲發(fā)射理論等，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息，確定缺陷尺寸和結(jié)構(gòu)失效概率等，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和概率預(yù)測(cè)模型等，以此為依據(jù)預(yù)測(cè)缺陷發(fā)展情況，同時(shí)可以分析臨界缺陷的具體尺寸等。

5 結(jié)束語(yǔ)

橋式起重機(jī)廣泛應(yīng)用在物料運(yùn)輸中，為了優(yōu)化橋式起重機(jī)工作性能，可以利用橋式起重機(jī)智能化技術(shù)和輕量化技術(shù)，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)要求，進(jìn)一步提高橋式起重機(jī)工作效率。