吊管機設計發展的現狀及展望

□ 宋秋紅 □ 王皓輝 □ 徐少蓉 □ 陸錦妮

上海海洋大學 工程學院 上海 201306

隨著現代社會技術的快速發展，國內大型項目的建設也日益加快。吊管機，一種屬于大中型管線施工的專用起重設備，應用越來越廣泛，作用也越來越大，對其性能的要求也越來越高，因此，吊管機的設計越來越引起各企業的重視。近年來，市場的活躍性也給吊管機的設計提供了更高層次的要求，吊管機的優化設計已經成為各個企業提升競爭能力的主要途徑和手段。

吊管機是石油天然氣管道施工中重要的施工設備，主要是用于大口徑管子的布管、對口和下溝作業，具有較大的起重量和帶重物行走等特點。隨著我國經濟建設的不斷發展，對吊管機的需求也逐步增加，對其性能要求也越來越高，在許多重要的工程項目中，履帶吊管機成為主要的機械設備，廣泛應用于工程建設的各個領域，產品的系列和性能也日益完善。目前，我國自制的大中型吊管機普遍存在著結構尺寸不合理、材料浪費、安全性和穩定性較差等一系列問題。因此，對吊管機進行結構分析和優化就顯得極其重要，這也對吊管機的設計者提出了更加嚴格的要求，應在不影響作業精度、運行穩定性、可靠性的前提下，做到經濟性與技術性的最佳搭配［1-6］。

1 吊管機的種類與組成

吊管機的種類有很多，按照用途可以分為通用吊管機、多功能吊管機和濕地吊管機；按照結構特征可以分為橋式吊管機、臂架式吊管機和固定式吊管機,如圖1～圖3所示。吊管機一般由金屬結構、工作機構、動力裝置和控制系統等部分組成。

▲圖1 橋式吊管機

▲圖2 臂架式吊管機

▲圖3 固定式吊管機

1.1 金屬結構

金屬結構是吊管機的重要組成部分，其主要作用是支撐吊管機的工作機構,承受工作時所產生的外載荷，如臂架類吊管機的吊臂和塔身等。

1.2 工作機構

吊管機的工作機構由起升機構、運行機構、回轉機構以及變幅機構組成。起升機構的主要作用是起吊重物，這也是吊管機最主要最基本的機構，目前使用的起升機構主要依靠液壓系統來實現重物的起吊；變幅機構是通過改變吊管機臂架傾角從而改變吊臂幅度；回轉機構是使吊管機的回轉部分繞回轉軸旋轉；運行機構作用是使吊管機行走。

1.3 動力裝置

動力裝置為吊管機提供動力。車輪式吊管機和履帶式吊管機的驅動裝置大多為內燃機，而橋式吊管機和固定式吊管機等的驅動裝置多為外接電源。

1.4 控制系統

控制系統包括操縱裝置與安全裝置。操縱裝置由離合器、制動器等組成，安全裝置由力矩限制器、操縱閥及調速裝置等組成。通過吊管機的控制系統完成工作要求，同時保證吊管機作業的安全。

2 國內外吊管機行業發展現狀及存在的問題

2.1 國外發展情況

▲圖4 吊管機中美銷售對比圖

自20世紀30年代以來，各主要發達國家先后開始重視對吊管機設計及優化的技術研究，吊管機的設計技術水平也得到了迅速的發展。英國從20世紀30年代開始就以國家政策來支持技術發展；德國也是如此，通過政府支持使其技術水平達到相當規模；日本更是著力發展技術，將其看成是人機工程學的一體化整機。總之，經濟發達國家越來越重視設計工作，并且大量引入優化設計，使整個機電產品包括吊管機機械產品的造型設計、技術經濟性、安全可靠性等方面產生越來越快的變化，不斷推出新的設計優化成果。目前，全球主要吊管機生產制造商為美國卡特彼勒、日本小松、波蘭德萊賽等公司。卡特彼勒較早采用了高支架三角底盤；小松的吊管機卷揚系統為機械傳動，性能可靠，操作方便，低溫適應性強［7-10］；德萊賽采用挖掘機底盤，生產的吊管機具有較寬的軌距，質心降低，穩定性好，斜坡起重能力比傳統吊管機提高近30%。這些公司在設計產品時已經徹底拋棄了傳統設計模式，使用較成熟的CAE技術提高產品競爭力。由表1可知，德萊賽公司主要生產起重量72 t和100 t兩個系列的吊管機，而小松、卡特彼勒公司的產品覆蓋了18～130 t之間的多個系列產品，能滿足各種起吊作業的要求。

表1 各企業產品技術參數

在國際銷售份額中，以上三個國家占了80%以上，中國國產吊管機的銷售份額只占10%不到。圖4為中美銷售對比圖 （1996～2013年的數據來源于中國國家統計局發布的2013年行業統計數據）。

2.2 國內發展情況

我國吊管機發展起步較晚，經歷了一個曲折的過程。20世紀70年代僅長春工程機械廠和泰安泰山工程機械股份有限公司（簡稱泰安泰山）生產小噸位吊管機。吊管機主要是采用D6D、D7G推土機底盤的卡特彼勒561G、571G機型，卷揚系統為機械傳動，機械控制換擋，可靠性好，但操作復雜，操作強度大，駕駛員易疲勞。這些產品在設計過程中多是以模仿前蘇聯的設計為主，憑借設計者的經驗，產品設計的局限性很大，在設計時主要滿足產品的技術性要求，有足夠大的安全系數，但在產品的經濟性、可靠性以及個性化等方面研究較少，導致了現有產品“大、笨、粗”，這不符合我國長期發展要求。隨著寶鋼等一些國內大型企業對國外吊管機的引進以及與國外開展聯合設計等形式的采用，開始在國內引進了一些國際上的先進技術和設計方法，同時也將計算機設計技術引進設計領域，對吊管機設計技術的發展起了很大的推動作用。目前國內吊管機制造商主要有泰安泰山工程機械股份有限公司、長春工程機械廠、山推工程機械股份有限公司、河北華北石油工程建設有限公司、上海彭浦機器廠有限公司等少數企業［11］，由泰安泰山生產 20～70 t的中小噸位吊管機的技術參數見表2，但生產100 t以上的吊管機國內還未見報道。

泰安泰山的產品種類繁多，根據不同用途有不同的吊管機種類型號，可滿足起吊作業的要求。但國內吊管機生產企業總體還是處在傳統設計階段，設計手段不完善，與先進技術結合有限。總之，國產吊管機基本上可滿足管線的裝卸需要，但所需吊管機的大部分關鍵部件卻依賴進口，這也是我國管道施工機械行業的現狀，主要反映在以下幾個方面［12］。

表2 主要產品技術參數

（1）設計效率不高，通用性不強。國內吊管機生產仍然處在傳統設計階段，設計手段單一，與先進技術結合不完全，導致消化創新能力不足，更新速度緩慢，對于成系列的通用吊管機只能做到對車輪組、滑輪組和聯軸器的通用化設計，而對于運行機構、小車架、吊臂等，只能按照不同起重量重新設計，無法做到整機與機構、機構與部件的參數匹配。雖然近年來國內的企業有了長足的發展，產品的整體性能得到提高，大型企業也正不斷向大規模、系列化方向發展，但是國內吊管機企業在整體設計水平上與國外的企業有一定的差距。

（2）生產技術缺乏，生產水平不高。國內的設計手段不完善，設計過程中沒有形成合理的設計人員梯隊，對于國外的先進技術和設備，不能進行創新設計，沒有自主知識產權。目前仍以照搬照抄為主要設計手段，在遇到有相近功能的吊管機需求時，不通過計算而是直接作類比放大，導致截面尺寸越來越大，使吊管機質量和基礎配套投資都增大，造成浪費。

（3）CAE技術普及率不高。歐美等發達國家已經從傳統設計技術手段過渡到CAE設計技術手段，使用CAE技術求解復雜的工程結構力學性能和優化結構性能，整個設計過程幾乎不出一張圖紙。但是，我國對CAE技術和方法的研究與應用比較落后，推廣較慢。

3 吊管機設計技術及主要研究內容和方向

3.1 產品模塊化設計技術

吊管機的模塊化設計是將吊管機上功能相同的部件和零件設計成可以互換的模塊化單元，設計新產品時，只需要對不同模塊進行組合即可，提高了通用化程度，可以對產品進行批量化生產，提高了生產效率，降低了生產成本，同時，不同的模塊還可以集合成多性能多規格的產品，提高市場競爭力。比如日本的小松在20世紀60年代就使用了模塊化設計；德國德馬格公司的橋式起重機系列通過改用模塊化設計后，比單件設計的費用降低了10%，成本下降40%。應用模塊化設計技術可以使吊管機的優化設計從整機優化過渡為某幾個模塊的優化，今后在設計同系列的產品時，只需要將某些模塊重新組合或者只對某些模塊進行改進即可，產品模塊化設計可以實現高效率、專業化的設計。

3.2 降低成本設計技術

降低成本設計技術最早出現在日本，用于當時的日本汽車制造業，其核心內容是，當一輛汽車的使用壽命到期時，車身其它零部件的使用壽命也基本到期，不會產生過度的盈余，在制造產品及其零部件時，采用面向成本設計技術和并行的成本估算，使整機使用率、使用性能保持一致，可以節省生產成本。如今將這項技術用于吊管機設計過程中，是降低生產設計成本的關鍵，再配合以模塊化設計技術，做到吊管機成本的即時反饋，通過調整設計方案，重新組合模塊來實現控制成本，相信這一技術很可能是今后的發展方向。

▲圖5 吊管機受力分析圖

3.3 仿真與虛擬設計技術

過去吊管機的設計缺少理論與工具，一般是以靜態設計為主。但是吊管機的工況復雜多變，其動態性能在實際環境中會受到多種影響，于是仿真技術應運而生。建模以及仿真軟件是計算機仿真技術中的重要研究內容，目前全球使用最廣泛的機械系統仿真軟件是ADAMS，通過創建完全參數化的機械系統幾何模型，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等；通過使用計算機，對機構在各種工況下承受載荷進行運動過程模擬，用得到的結果來推斷實際運行的各種參數。以上過程使吊管機的仿真技術有一個更加真實的“輸入輸出”。中國從20世紀80年代也開始了對仿真技術的研究，但是國內對吊管機的動態仿真分析基本上都是在簡化的基礎上進行單一的、局部的研究，無法進行整體協同方面的分析。

3.4 結合CAE設計技術的研究

CAE從20世紀60年代初在工程上開始應用至今，已經歷了50多年的發展歷史，其理論和算法都經歷了從蓬勃發展到日趨成熟的過程，現已成為工程和產品結構分析中必不可少的計算工具，也是分析連續力學各類問題的一種重要手段。通過計算機對產品性能與可靠性分析，對未來的工作狀態和運行方式進行模擬，及早地發現設計缺陷，并證實產品功能的可靠性和可用性。CAE軟件的主體是有限元分析軟件，基于有限元方法的CAE系統，其核心思想是結構的離散化，即用有限個容易分析的單元來表示復雜的對象，單元之間通過有限個節點相互連接，然后根據變形協調條件綜合求解。目前，CAE軟件主要有MSC公司的Nastran、SIMULIA 公司的 Abaqus、Adina公司的 Adina以及ANSYS公司的ANSYS，其中ANSYS應用最為廣泛。在設計中使用CAE技術可以在確保產品質量的同時縮短設計周期［13-14］，優化吊管機結構，提高效率。吊管機的受力如圖5所示，穩定性的計算公式為：

式中：W為重物的重力；G1為吊臂的重力；G為機體重力；G4為配重機構支架板重力；G5為配重機構配重塊的重力；F1為絞車拉力；F2為起吊拉力；l為機體中心與傾覆邊履帶中心距；l2為支架板質心與傾覆邊履帶中心距；l3為配重塊質心與傾覆邊履帶中心距；l4為吊臂質心與傾覆邊履帶中心距；h1為配重質心與傾覆邊履帶中心距；h2為整機高度。

通過結合CAE設計技術，在機體配重與發動機功率保持不變的情況下，為保證起吊質量，應改變絞車安裝位置，盡量減少吊臂質量，在保證穩定性的同時減輕自重，這樣不僅符合最優技術經濟原則，也使吊管機的改裝設計變得輕松許多。根據文獻［15］可知，國內有些研究所已提出這方面的構想，相信這將成為未來起吊機械的一種發展趨勢。

4 總結

今后的吊管機甚至是一些大型起重機有可能在設計模塊中植入人工智能化技術，這其中不僅包括設計過程中的智能設計技術［16-21］（系統自分析、自調整、自糾錯），同時也包括吊管機作業時的自動控制（無人控制），使吊管機在設計和使用中能夠實現全自動化或者半自動化。

針對吊管機設計現狀及所面臨的問題，吊管機設計體系的發展方向如下。

（1）具有零部件集成化、機構簡潔化、結構全面優化的整機設計。

（2）滿足市場多樣性和低成本要求的新系列產品的模塊化設計。

（3）大型復雜吊管機的虛擬設計以及動態仿真。

（4） 大力發展控制系統，由文獻［22-24］可知，國外的先進控制系統已能控制吊管機的位置和吊繩長度的協調運行。

（5）數字精細化，即具有高精度稱量和定位系統的吊管機設計。

（6）基于部件使用壽命的動力學研究成果應用。

吊管機優化設計是吊管機技術不斷發展和提高的源泉，合理利用現代計算機技術和數據處理手段，使吊管機優化設計將對吊管機行業的發展起到極大推動作用，誰優化設計搞得好，誰就掌握了技術優勢，誰就掌握了市場。

［1］ 魏加環，蔣宏鋼，王賽.履帶式吊管機兩種液壓系統的分析及幾點改進［J］.工程機械，2004（3）：45-47.

［2］ 趙韓，錢德猛，馬恒永,等.水泥罐式汽車的罐體及車架結構的有限元分析［J］.汽車工程，2005(1)：111-114.

［3］ 孫川.基于ANSYS的隨車起重機吊臂的結構優化原理與方法研究［D］.武漢：武漢理工大學，2011.

［4］ 高廣林，陳濤，鐘永信.應用新技術提高吊管機使用安全性［J］.石油工程建設，2011（2）：55-57.

［5］ 劉永紅，高廣林，李濟昌，等.履帶式吊管機的優化與改進技術［J］.工程機械，2010（8）：1-6.

［6］ 呂愛玲，謝云葉，孫志春.履帶式吊管機配重機構強度分析及結構改進［J］.建筑機械，2010（19）：81-85.

［7］ 王魯君，馬明來，陳濤.新設計技術在履帶式液壓吊管機設計中的應用［J］.石油工程建設，2010（3）：80-81.

［8］ 王金剛，崔根群，周志革.吊管機液壓與機械一體化模型的建立和仿真［J］.起重運輸機械，2004（12）：27-29.

［9］ 杜海諾.機械工程概論［M］.成都：西南交通大學出版社，2004.

［10］馮虹，盧耀組，傅耀民.特大型汽車起重機臂架結構起升動特性分析［J］.同濟大學學報，1999，27（5）：510-514.

［11］ 丁中立.國外工程起重機發展趨勢［J］.建筑機械，2000（2）：12-15.

［12］鄧斌，王金諾.現代鐵路起重機臂架系統中的現代設計方法［J］.機械，2001，28（4）：14-16.

［13］ 張質文.起重機設計手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，2001.

［14］楊文淵.起重吊裝技術手冊［M］.北京：人民交通出版社，1981.

［15］陳炯.履帶式吊管機創新設計初探［R］.2007年中國機械工程學會年會論文集，2007.

［16］ 王文奇.起重機械及其安全［J］.安全，2003（ 5）：39-41.

［17］謝貽權，何福保.彈性和塑性力學中的有限單元法［M］.北京：機械工業出版社，1981.

［18］ 屈鈞利，韓江水.工程結構的有限元分析［M］.西安：西北工業大學出版社，2004.

［19］丁欣碩.ANSYS Workbench14.0有限元分析案列詳解 ［M］.北京：清華大學出版社，2013.

［20］閆雪琴，李瑩，蔣紅旗,等.有限元優化技術在起重機吊臂結構設計中的應用［J］.機械研究與應用，2006，19（6）：54-55.

［21］ 郝建光.履帶起重機常見結構形式的選擇及計算［J］.重型機械科技，2007（3）：22-24.

［22］ James A.An Optimization Capability for Automotive Structures ［R］.USA，SAE 790972，1996.

［23］ Duane Detwiler.Computer Aided Structural Optimization of Automotive Body Structure［R］.USA，SAE 960523，1997.

［24］ Sung-Kun Cho，Ho-Hoon Lee.A Fuzzy-logic Antiswing Controller for Three-dimensional Overhead Cranes ［J］.ISA Transactions,2002，41（2）:235-243.