剖析橋式起重機與門式起重機輕量化設(shè)計的關(guān)鍵要素

董志偉

（赤峰市特種設(shè)備檢驗所，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 輕量化設(shè)計概念

輕量化設(shè)計的優(yōu)勢是重量較小，因此操作更加方便，效率更高。將其應(yīng)用在起重機設(shè)計優(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的整體性能。在對起重機進行輕量化研究和分析的過程中，在確保機器運行質(zhì)量和安全的基礎(chǔ)上最大程度上減少機器的整體質(zhì)量從而來提升機器運行的動力性能、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)計中，通過向國外技術(shù)的學(xué)習(xí)和國外起重機設(shè)計的借鑒發(fā)現(xiàn)，車輛重量降低可有效提高燃油的效率。

輕量化設(shè)計是系統(tǒng)性工程，其目標(biāo)是實現(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，降低運行功率和功耗，同時還可以保證運行的安全可靠性。橋式起重機和門式起重機是最常見的起重機械，對這些起重機進行輕量化設(shè)計，可從很大程度上降低能耗、節(jié)約資源，推動綠色低碳經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，對于實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)具有重要意義。通過輕量化設(shè)計，可以將產(chǎn)品制造得更加輕巧美觀，且因為整體重量降低了控制起來也更加靈活，運行更加穩(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 起重機輕量化設(shè)計的意義

起重機的輕量化設(shè)計是為了滿足社會發(fā)展的需要，這些年來起重機在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面取得了很大的進展，促進了整個市場的發(fā)展，也刺激了國內(nèi)外對起重機的需求。而正是因為如此，對于起重機的技術(shù)研究和設(shè)計優(yōu)化也日益重視，尤其在起重機的輕量化設(shè)計方面，國家出臺了相關(guān)政策給予支持。但是，現(xiàn)階段我國自主研發(fā)的起重機和國外發(fā)達國家研發(fā)的起重機相比還是存在一定的距離，主要原因在于我國起重機的自重力較大，幾乎是其他國家起重機重量的1.5～2 倍。所以開展起重機輕量化設(shè)計研究是必然趨勢，只有結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化了才能提高市場競爭力。此外，隨著環(huán)保節(jié)能意識的強化，為了提高資源的利用率、降低環(huán)境污染，開展起重機輕量化設(shè)計也勢在必行。這是因為起重機是金屬結(jié)構(gòu)，金屬的重量占整個起重機重量的一半，甚至有的大型起重機大部分都是金屬制造的在，為此制造起重機對金屬的需求量極大，如果可以實現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計就可以大大減少對金屬的需求量，同時可以有效降低制造成本，實現(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。

3 輕量化小車設(shè)計

起重小車是橋式起重機和門式起重機的重要組成結(jié)構(gòu)，小車的性能直接影響著整個起重機的性能和成本，因此也是輕量化設(shè)計的關(guān)鍵。比較我國和其他發(fā)達國家制造的起重機發(fā)現(xiàn)，其他國家已經(jīng)開始使用鋁合金結(jié)構(gòu)的輪式起重機和橋式起重機臂架，自重力降低了一般。如果能在制造起重機的過程中使用H 型剛才可節(jié)約大量的結(jié)構(gòu)鋼材，還能提高機械的抗彎能力。在進行主梁結(jié)構(gòu)強度設(shè)計時，采用剛強度的剛才可減少一部分生產(chǎn)材料而且可以降低起重機的整體重量。具體小車輕量化設(shè)計可以從以下幾個方面進行研究改進：第一，吊鉤設(shè)計，吊鉤材料和強度等級不同，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度較高的材料，使吊鉤外形設(shè)計更加小巧美觀。第二，滑輪設(shè)計，現(xiàn)階段普遍使用的是鑄造、焊接以及高溫壓膜滑輪，首先灰鑄鐵的強度和韌性較低，導(dǎo)致在使用過程中容易破損。而球墨鑄鐵材料雖然強度和韌性較高但是制作工藝很差，硬度高，會對鋼絲繩的使用造成影響。焊接滑輪采用的是20 號鋼制作，含碳量較低，塑性和抗沖擊能力較強，但是焊接滑輪無法有效保證質(zhì)量且會對起重機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，不利于提升起重機的整體性能。在改進設(shè)計中，可嘗試使用強度高、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，同時也減輕了自身的重量。在橋門式起重機中使用高強度的尼龍作為滑輪材料，還能減少噪音污染，提高整體起重機的性能。第三，起升機構(gòu)優(yōu)化，可參考?xì)W式起重機的設(shè)計，使用電動葫蘆式起升機構(gòu)并進行模塊化生產(chǎn)。第四，小車架的框架設(shè)計，將其設(shè)計為H 型三梁結(jié)構(gòu)可以使結(jié)構(gòu)簡化、輕量化。

4 輕量化運行機構(gòu)設(shè)計

輕量化運行機構(gòu)設(shè)計包括車輪和三合一驅(qū)動兩個方面的設(shè)計，首先在車輪輕量化設(shè)計方面，車輪的材料不同車輪踏面點接觸強度材料系數(shù)k 值也不同，從而導(dǎo)致車輪承載能力存在較大差異。通過研究分析可知，使用強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)動方式設(shè)計上，電動機、制動器、減速器等多部件組合的驅(qū)動方式對安裝的要求較高，且機器本身的體積較大、重量大，還受小車架的影響。為此，可參照歐式起重機運行機構(gòu)，使用三合一驅(qū)動方式，將電動機、制動器和減速器合并起來組成一個部件，運行機構(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

金屬結(jié)構(gòu)是起重機的重要組成，占據(jù)了整個起重機重量的一半以上，甚至有的大型起重機90%都是金屬結(jié)構(gòu)，為此必須加強對金屬結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計研究。起重機結(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)階段對相關(guān)組成功能結(jié)構(gòu)也進行了設(shè)計創(chuàng)新，比如傳統(tǒng)的橋門式起重機小車軌道一般使用的是工字型P型鋼軌進行壓板式固定，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，同時也提高了結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力。現(xiàn)階段，在橋門式起重機輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計中，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)運行更加安全穩(wěn)定，同時也減少了對材料的使用，有利于降低成本。同時對于小車軌道和，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起重機金屬結(jié)構(gòu)的影響，通過分析計算可知，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的整體起重特性，同時還能減少起重機的結(jié)構(gòu)自重力。

6 其他輕量化設(shè)計措施

為降低運行功耗，需要全面考慮起重機的性能、成本、生產(chǎn)工藝以及管理因素等，進行參數(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，使操作更加簡單，減少機構(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輕量化設(shè)計的一種方法，以自重輕、強度高、密封性好、安全可靠和人性化的設(shè)計來提高機器結(jié)構(gòu)性能。

7 輕量化設(shè)計技術(shù)

在我國起重機輕量化設(shè)計發(fā)展中，設(shè)計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、經(jīng)驗設(shè)計和類別設(shè)計于一體的傳統(tǒng)設(shè)計方法。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，對設(shè)計要求的提升，為減少設(shè)計周期、提高設(shè)計精確度和可靠性，必須改變傳統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)方法，將電子計算機技術(shù)和現(xiàn)代工程理論結(jié)合起來進行設(shè)計完善，出現(xiàn)了不少跨學(xué)科的設(shè)計方法，比如常見的有極限狀態(tài)設(shè)計法、優(yōu)化設(shè)計法、有限元設(shè)計法和模塊化設(shè)計方法等。其中極限狀態(tài)發(fā)設(shè)計是定值法的范圍，具有算法簡單、應(yīng)用簡便的優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用設(shè)計中限制因素較多，可能會出現(xiàn)控制失靈的現(xiàn)象。為此，在進行起重機結(jié)構(gòu)部件設(shè)計時，以極限承載能力為依據(jù)并綜合考慮失效概率和起重機的使用性能，提高對材料的利用率，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

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