雙主梁門式起重機輕量化設計的關鍵技術

劉新波，王金剛，侯永強

（河南衛華重型機械股份有限公司，河南新鄉 453400）

0 引言

科尼、德馬格等歐式起重機以產品輕巧、外觀美觀、運行平穩、噪聲低、自重輕、控制方式靈活可靠等優勢進入中國市場，對國內傳統起重機市場形成巨大沖擊，同時也推動了國內起重機的發展。

起重機用戶追求性能穩定、質量好、效率高、成本低的產品，制造商要求自重輕、質量高、模塊化、成本低；綜合考慮以上因素，在保證產品質量和穩定性的前提下，分別從小車、結構、電氣等關鍵部分進行輕量化設計。

1 小車的輕量化設計

在同等額定起重量的前提下，小車自重的降低可有效減輕移動載荷，對門架輕量化設計有很大影響。

1.1 起升機構

傳統的起升機構采用電機、減速機、制動器、浮動軸、聯軸器、卷筒、滑輪組、鋼絲繩、吊鉤組等多個部件組成，見圖1。該種結構體積大、重量重，安裝精度差，如果對起升機構的多個部件進行集成化，如采用歐式電動葫蘆作為起升單元（一般用于中小噸位），將大大減輕自重（圖2）。對于中、大噸位起重量的起升機構，通過以下5點進行輕量化設計:

（1）采用級數低的4級電機與減速機通過法蘭直聯，省去浮動軸、聯軸器，減少傳動環節，提升傳動效率，同樣功率的電機，級數越低自重越輕。

（2）減速機與卷筒采用套裝結構，將卷筒軸承座和定滑輪梁支撐在小車架兩側端梁上，此時卷筒和定滑輪梁也可以作為小車架的結構梁，使小車架的受力結構清晰，簡潔（圖3）。

（3）卷筒采用鋼管或焊接成型，利于減薄壁厚，減輕自重。

（4）采用壓實股、破斷拉力較大的鋼絲繩，利于減小鋼絲繩直徑，減輕自重。

圖1 傳統起升機構

（5）滑輪采用軋制或高強度尼龍，吊鉤采用強度等級較高的鉤頭，尺寸小、自重輕。

以上兩種起升單元結構均有利于實現模塊化、標準化生產，具有結構緊湊、體積小、重量輕、傳動效率高、安裝快捷的優點。

圖2 集成化起升機構

1.2 小車架

傳統小車架由兩側端梁和中間多個橫梁以及許多小筋板焊接成剛性型（圖4），該種結構制作復雜、重量重，結構焊接量大，整體易變形。

小車架可以采用H形結構進行輕量化設計，起升機構放置在兩側端梁上，車架受力簡單，其中兩側端梁采用矩形管制作，整體加工，結構簡潔（圖5）。

圖3 中、大噸位起升機構輕量化設計

1.3 運行機構

傳統運行機構車輪組一般采用角箱結構，車輪材料為ZG（340～640），內部配滾動軸承，車輪承載能力小，尺寸大，自重較重。若車輪采用65Mn或42CrMo等合金鋼材料，配承載能力較強的調心軸承，車輪組承載能力不僅得到提高，而且尺寸也可大大減小。運行機構采用F，K型三合一減速機驅動方式，即電機、制動器和減速機集成為一個整體，使布置更加緊湊，體積小、重量輕，易于實現系列化和模塊化設計。

圖4 傳統小車架

圖5 小車架H形結構輕量化設計

2 結構輕量化設計

雙梁門式起重機主結構部分主要由主梁、馬鞍、端梁、支腿、下橫梁及附屬件組成，此部分重量約占整機的70%，是輕量化設計的重點。

國內雙梁門式起重機跨度＜30 m時不考慮溫度變形的影響，采用雙剛性支腿結構，將整體結構設計的具有足夠的剛性，以保證整體不變形，但往往在承載額定載荷后，各結構均會發生變形，尤其是主梁會產生較大的下撓，再加上主梁和兩側支腿采用螺栓剛性連接，支腿會產生較大的水平橫推力，很大程度上造成大車啃。當跨度＞30 m時，門架采用一剛一柔支腿結構。目前國內絕大部分起重機的柔性支腿與主梁仍采用螺栓連接，名為柔性實為假柔性支腿，并沒有將應力進行釋放。

結構的輕量化設計應不分跨度大小，門架統一采用一剛、一柔支腿，柔性支腿與主梁采用圓柱鉸接形式，將門架結構由超靜定變為靜定結構，受力清晰，易于將因主梁受力產生的應力釋放。

2.1 主梁

以往主梁常采用薄鋼板大截面，內部設置工藝角鋼和板條以保證局部穩定性，軌道采用P型軌，通過軌道壓板等間距固定，為便于更換被磨損的軌道，軌道并不焊接在翼緣板上，計算主梁應力時不計入軌道截面。因軌道和壓板置于主腹板頂上，使上蓋板的懸伸寬度加大，需要設置三角加強筋來保證懸伸部分的局部穩定。

在承載同等載荷的前提下，采用厚板窄偏軌梁設計，可減少內部工藝角鋼和板條，軌道采用方鋼焊接在上蓋板上，使其參與受力，可降低主梁應力和局部擠壓應力。因方鋼軌道寬度小，上蓋板厚度較厚，無需設置三角加強筋（圖6）。

圖6中a，b兩種主梁截面的慣性矩、抗彎截面模量基本相等，圖6b比圖6a截面積小13%，即自重可減輕約13%，見表1。同時由于工藝角鋼的減少，主梁截面的減小也省去大量焊縫，節省人工和焊材成本。

圖6 主梁輕量化設計

表1 兩種主梁截面的慣性矩和抗彎截面模量

2.2 端梁、馬鞍架、地梁

傳統的端梁、馬鞍、地梁采用薄鋼板焊接成型，內部設置隔板，工藝板條或角鋼進行穩定性加固，制作復雜；可采用力學性能好、壁厚較厚的方鋼管（材料Q345B）來替代薄鋼板焊接的箱梁。因方鋼管壁厚較厚，截面小，省去了隔板和工藝板條，自重也相應降低，同樣也省去了大量焊縫，制作更加簡潔。

2.3 支腿

剛性支腿可采用力學性能好、壁厚較厚的方鋼管（材料Q345B）拼接成V字形結構，替代薄鋼板焊接的箱梁，制作簡單，柔性支腿可直接采用方鋼管來制作。

2.4 附屬件

小車供電通常采用拖纜滑車供電，設置有大量的7形挑線架，可采用拖鏈進行替代，取消電纜滑車軌道及豎架等附屬件，此種饋電方式傳動性好，不易卡扭，電纜保護性好，便于維護，布線簡潔、美觀；走臺采用單邊走臺設計，也可考慮采用無走臺設計，使得整機自重更輕。

3 電氣輕量化設計

3.1 控制和操作方式

整機采用變頻調速控制系統，使得起升、運行平穩，沖擊小、噪音低，有效降低起升沖擊載荷和慣性載荷，利于結構質量的減輕。

采用地面操作或遙控操作方式來替代司機室，登機斜梯可用直梯進行替代，有效減輕附屬結構重量。

3.2 電纜線的布置

小車電氣柜放置在小車上，供電采用拖鏈替代拖纜滑車，電纜橋架與大車柜布置在同一側，可使行車外部電纜的敷設減少約60%，節省了成本，也減輕了自重。

4 結束語

通過對雙梁門式起重機的機構、結構、附屬件及電氣進行全面的輕量化設計，可以看出輕量化后的起重機質量更好、性能更高、壽命更長，鋼結構占比大的起重機成本優勢更加明顯。而且起重機自重的減輕可顯著減低運輸、安裝成本，以及地基造價成本。