橋式起重機(jī)輕量化技術(shù)及其應(yīng)用

焦 健

(山西晉路投資開(kāi)發(fā)有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，起重機(jī)是極為重要的物料搬運(yùn)輸送設(shè)備。在當(dāng)前形勢(shì)背景下，我國(guó)起重機(jī)設(shè)計(jì)制造水平已經(jīng)趨近于世界先進(jìn)水平。由于一些歷史原因，我國(guó)起重機(jī)設(shè)計(jì)借鑒了前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)理念，使得起重機(jī)體積較大，并且自重大。但伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，起重機(jī)設(shè)計(jì)逐漸向輕量化方向發(fā)展，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)相比，橋式起重機(jī)能夠節(jié)能降耗，其中輕量化技術(shù)的有效利用，實(shí)現(xiàn)了綠色制造總體目標(biāo)。本文以橋式起重機(jī)為例，全面闡述起重機(jī)輕量化技術(shù)及其應(yīng)用。

1 當(dāng)前我國(guó)橋式起重機(jī)自重的現(xiàn)狀

在橋式起重機(jī)中，自重是一種極為關(guān)鍵的技術(shù)性能指標(biāo)，隨著起重機(jī)朝著大起重量方向發(fā)展，起重機(jī)自重愈發(fā)增大。例如太重集團(tuán)為三峽工程制造的橋式起重機(jī)自重在800 t，大連重工制造的橋式起重機(jī)自重達(dá)到1 000 t。因此不難看出，起重機(jī)行業(yè)利用的金屬材料越來(lái)越多。由于橋式起重機(jī)自重較大，容易造成輪壓的增大，因此對(duì)碼頭與道路相關(guān)建筑物承載能力提出了嚴(yán)格化要求。所以在橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)中，應(yīng)在確保基礎(chǔ)能力的同時(shí)還應(yīng)減少自重。

傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)如圖1所示。橋式起重機(jī)自重包括結(jié)構(gòu)重量和機(jī)構(gòu)重量。其中，在起重機(jī)整機(jī)重量中結(jié)構(gòu)重量占比較大，巨型起重機(jī)結(jié)構(gòu)重量占比高達(dá)80%，并且與國(guó)外橋式起重機(jī)對(duì)比，我國(guó)橋式起重機(jī)要重得多，例如我國(guó)起重量為10 t、跨度為20 m的通用雙梁橋式起重機(jī)自重在22 t，而德國(guó)同等的橋式起重機(jī)自重僅僅為7 t。

圖1 傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)

2 當(dāng)前起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)中的不足

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

起重機(jī)設(shè)計(jì)方法一般以許用應(yīng)力法為主，這種方法具有簡(jiǎn)便性，在金屬結(jié)構(gòu)上，安全系數(shù)極為單一，不能彰顯出起重機(jī)用途與受力情況。要想確保起重機(jī)產(chǎn)品具備安全性，在具體設(shè)計(jì)中，一般采用較大的安全系數(shù)，從而也造成了起重機(jī)產(chǎn)品在自重增加的基礎(chǔ)上尺寸較大，從而導(dǎo)致資源的浪費(fèi)。

2.2 工藝

當(dāng)前起重機(jī)受力構(gòu)件主要以鋼板焊接箱形結(jié)構(gòu)為主，生產(chǎn)過(guò)程呈半機(jī)械化手工制造，結(jié)構(gòu)笨，施工周期較長(zhǎng)，缺乏一定的產(chǎn)品美觀性。

2.3 材料

縱觀國(guó)內(nèi)，起重機(jī)材料主要以Q235與Q345為主，高分子材料很少利用。除此之外，在鋼材行業(yè)中，鋼材性能參數(shù)不全面，要想確保設(shè)計(jì)產(chǎn)品的安全性，設(shè)計(jì)者一般要提高鋼板厚度，并增添加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，從而提高了起重機(jī)自重。

2.4 結(jié)構(gòu)

起重機(jī)主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種是桁架式，另一種是箱形結(jié)構(gòu)。以型鋼與鋼板為主要構(gòu)件，利用焊接和螺紋連接的方式確保構(gòu)件的連接強(qiáng)度，雖然達(dá)到了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但沒(méi)有過(guò)多考慮經(jīng)濟(jì)性。

3 橋式起重機(jī)輕量化技術(shù)

橋式起重機(jī)輕量化的目標(biāo)是在確?；A(chǔ)能力的同時(shí)減少自重、節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)綠色制造。要實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)輕量化需從橋式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，包括橋架輕量化、小車架輕量化和起升機(jī)構(gòu)輕量化。

3.1 橋架輕量化技術(shù)

新型輕量化起重機(jī)橋架以四梁結(jié)構(gòu)形式為主,如圖2所示。從主梁看，利用的是窄翼緣全偏軌焊接箱型梁結(jié)構(gòu)，小車輪壓力在軌道上傳遞，最終傳遞到上蓋板和主腹板焊縫上。與傳統(tǒng)的半偏軌焊接箱型梁結(jié)構(gòu)相比，全偏軌箱型梁由于副腹板與主腹板受力的差異，副腹板板厚選取要小于主腹板。采用全偏軌焊接箱型梁結(jié)構(gòu)能明顯改善主梁上蓋板的焊接變形和波浪變形，且焊接下?lián)献冃瘟枯^小。大噸位偏軌箱型梁系寬型梁，為此可省略走臺(tái)，從而使制造工藝進(jìn)一步簡(jiǎn)化，真正減少總體質(zhì)量。輕量化起重機(jī)小車軌道采用方鋼，與以往起重機(jī)采用的壓板固定軌道相比有較大差異，其在主梁上直接焊接，確保軌道與箱型為整體結(jié)構(gòu)，提升了主梁剛度。除此之外，利用四梁橋架結(jié)構(gòu)形式科學(xué)選擇材料，采用端梁模塊化設(shè)計(jì)理念，確保起重機(jī)在結(jié)構(gòu)方案上與輕量化目標(biāo)相一致。

圖2 橋式起重機(jī)四梁結(jié)構(gòu)橋架

3.2 小車架輕量化技術(shù)

承載起升機(jī)構(gòu)小車架為端梁與多處加強(qiáng)筋焊接的超靜定剛性框架結(jié)構(gòu)形式，并在框架上面還鋪設(shè)了厚重的鋼板，而且其零部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)陳舊，且布置不合理，因此傳統(tǒng)小車架結(jié)構(gòu)不僅存在質(zhì)量大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接工藝復(fù)雜、剛性大等缺點(diǎn)，且極易出現(xiàn)車輪三點(diǎn)著地、輪壓分配不均衡、車輪啃軌現(xiàn)象，嚴(yán)重影響作業(yè)的安全性和壽命。

而輕量化起重機(jī)采用三支點(diǎn)靜定支承形式，呈工字形三梁小車架，其中橫梁為開(kāi)口滑輪梁，如圖3所示。從垂直方向看，小車架具備一定的剛度，能夠降低起吊重物振動(dòng)；在水平扭轉(zhuǎn)角度講，具備柔性特征，小車架能夠承受相關(guān)的扭轉(zhuǎn)變形，以確保四輪支點(diǎn)適應(yīng)主梁的變形。

圖3 橋式起重機(jī)工字形三梁小車架 圖4 傳統(tǒng)的起重機(jī)起升機(jī)構(gòu) 圖5 新型輕量化起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)

3.3 起升機(jī)構(gòu)輕量化技術(shù)

對(duì)于起升機(jī)構(gòu)而言，不管是其結(jié)構(gòu)形式還是質(zhì)量和高度參數(shù)，都嚴(yán)重影響著起重機(jī)輕量化指標(biāo)，并影響著主梁質(zhì)量。傳統(tǒng)的起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)，其卷筒兩端用2個(gè)軸承座支撐，卷筒通過(guò)卷筒聯(lián)軸器與減速器的低速軸相連，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與減速器的高速軸相連。卷筒的2個(gè)軸承座、電機(jī)、減速器、制動(dòng)器的支座均用地腳螺栓固定在小車架上，如圖4所示。由于該種起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈尺寸龐大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、整體小車架剛性過(guò)大，導(dǎo)致其整體質(zhì)量和外形尺寸均偏大。

新型輕量化起升機(jī)構(gòu)采用工字型梁結(jié)構(gòu)，卷筒利用卷筒軸承座與減速器簡(jiǎn)支座半臥式在車輪梁間進(jìn)行布置，如圖5所示。從整體上看，起升機(jī)構(gòu)僅僅依靠一個(gè)減速器簡(jiǎn)支座與卷筒軸承座進(jìn)行連接，支承形式極為簡(jiǎn)單，受力清晰，通過(guò)優(yōu)化傳動(dòng)鏈，提升了起升高度和空間利用率，確保起重小車結(jié)構(gòu)具備緊湊性，減少整機(jī)高度；從安裝形式看，減速器在確保傳動(dòng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，滿足了輕量化起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)實(shí)際需求。輕量化起重機(jī)小車在空間布置上極為緊湊，不像傳統(tǒng)小車平臺(tái)，可以安裝零部件，端梁窄并且剛性小。因此，全面優(yōu)化傳統(tǒng)減速器安裝形式，壓縮傳動(dòng)鏈尺寸，降低傳動(dòng)振動(dòng)，確保起升小車的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著國(guó)際能源價(jià)格的逐漸上漲，起重機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)增大，在這樣的形勢(shì)背景下，起重機(jī)產(chǎn)品利潤(rùn)空間逐漸被擠壓，輕量化設(shè)計(jì)受到了廣泛關(guān)注。當(dāng)前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)，根據(jù)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)，生產(chǎn)制造出很多輕量化起重機(jī)，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，但在結(jié)構(gòu)、材料及電氣系統(tǒng)上還存在著一定的改進(jìn)空間。