橋式起重機輕量化技術與智能化技術運用實踐

劉躍洋

（河北省特種設備監督檢驗研究院廊坊分院，河北廊坊 065000）

0 引言

橋式起重機廣泛使用在冶金行業和制造業以及物流業等行業中，在實際應用中具有廣泛性和通用性優勢。在創新橋式起重機應用的過程中，需要綜合利用輕量化技術和智能化技術，實現橋式起重機節能降耗的目標，推動橋式起重機可持續發展。

1 概述

在倉庫或者車間以及料場上方橫架的起重設備就是橋式起重機，主要負責運輸物料，橋式起重機的兩端坐落在金屬支架或者水泥柱上，因為形狀像橋被稱為橋式起重機（圖1）。橋式起重機在實際運行階段，橋架沿著兩側軌道縱向運行，可以利用橋架下方空間完成物料輸送工作，避免地面設備干擾到物料運輸工作。橋式起重機具有廣泛的使用范圍，因此整體使用頻率也比較高。橋式起重機主要是利用電力驅動運行，工作人員在司機室操作橋式起重機運行，還可以實現遠距離控制[1]。

圖1 橋式起重機

2 自重現狀

橋式起重機的重要技術指標是自重，當前各種起重機不斷實現大起重量目標，也逐漸增加起重機的重量，因此起重機行業每年需要耗費較多的金屬材料。如果起重機具有較大的自重，將會增大輪壓，還要求提高廠房和碼頭等建筑物的承載力。在設計工作階段不僅要考慮起重機的起重能力，還要降低起重機的自重[2]。

以形式為基礎，可以劃分起重機自重為結構重量和機構重量，起重機金屬結構重量通常占據70%以內的比例，而大型起重機金屬結構占比大約是90%。對比國外的起重機，國內起重機自重普遍較高。

3 輕量化技術實現措施

3.1 改進設計方法和計算方法

當前在設計過程中主要是利用許用應力法，雖然這種方法應用過程比較簡單，但是無法針對不同的途徑采取不同的安全系數，無法保障安全系數的準確性。利用許用應力法設計橋式起重機金屬結構，將會消耗較多的金屬材料，無法保障整體安全。在計算荷載的過程中主要是參考設計手冊，并根據工作經驗最終選取荷載系數。因為荷載系數缺乏準確性，導致設計人員無法準確的預計設計結果，產生過大的安全系數裕量，增大起重機自重。利用極限狀態計算法可以保障計算準確性，符合金屬結構工作情況，同時可以充分利用鋼材，節省材料應用量[3]。

在設計過程中可以利用有限元法和等強度設計方案，在最大程度上降低橋式起重機的自重，大型橋式起重機可以利用計算機仿真和動態模擬方法等。在橋式起重機設計中可以利用預應力法，合理改進橋式起重機金屬結構受力狀態，節省鋼材應用量。

在設計工作中需要考慮材料力學性能，針對橋式起重機，增加板厚也會隨之降低鋼板的強度，如果結構要求板厚較厚，可以疊加兩塊板，使許用應力提高，從而降低橋式起重機的自重[4]。

3.2 選用輕質材料

利用H 形鋼取代板材，可以節省結構材料，同時提高整體抗彎能力。設計橋式起重機主梁強度的過程中，可以利用高強度鋼材，節省橋式起重機材料的重量，整體設備的重量因此降低。針對小車運行機構，可以利用尼龍柱銷聯軸器代替傳統的齒輪聯軸器，也可以有效降低橋式起重機的自重。

3.3 改進結構

（1）橋架輕量化技術。輕量化的橋式起重機主梁是利用四梁結構，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。對比傳統結構，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題，同時可以控制焊接下撓變形問題。如果偏軌箱型梁的噸位較大，可以利用寬形梁，省略走臺這一工作環節，簡化整體制造工藝，整體質量因此降低[5]。

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

（2）小車架輕量化技術。傳統的小車架利用超靜定結構形式，選用陳舊的零部件技術，整體布局形式也不夠合理，導致結構過于笨重。此外傳統的小車架重量和成本都比較高，同時還會發生車輪啃軌等問題，影響到實際操作的安全性，最終減少設備使用壽命。輕量化橋式起重機的小車架主要是利用端梁和橫梁以及加強筋等，通過焊接形成超靜定剛性框架結構，并將鋼板鋪設在框架上方，因此提高橋式起重機的承載力。此外利用小車架輕量技術可以減少啃軌問題，保障實際運行的穩定性，使橋式起重機使用壽命得到保障。

（3）改進起升機構。推廣利用電動葫蘆作為起升機構，可以降低橋式起重機起升結構的重量，同時可以降低小車重量，還可以實現節能目標。新型電動葫蘆橋式起重機的工作級別可以達到A7 級，額定重量超過200 t。針對橋式起重機的零部件要利用焊接方式，代替原來的鑄造方式，例如減速器和滑輪等可以選用焊接結構。此外要利用高轉速電機，有效減小整體外形尺寸，同時配置制動器[6]。

4 智能化技術應用措施

4.1 防擺動技術和準確定位技術

在橋式起重機中利用防擺動技術和準確定位技術，在實際應用階段需要收集荷載搖擺測量信息，并且需要結合懸掛物的搖擺性質，通過建模測量相位和荷載搖擺幅值。利用防擺動技術和準確定位技術可以動態測量工作速度。為了發揮出防擺動技術和準確定位技術作用，首先需要利用檢測儀器，其次要把握信息傳輸方式，完善檢測系統結構，最后可以有效整合PLC 控制技術和可視化操作技術。不僅要加強開發起重機防搖擺技術，還需要開發起重機精確定位技術，進一步完善電氣防搖擺自動定位系統。

4.2 故障診斷和安全保護系統

在橋式起重機智能化技術中，故障診斷和安全保護系統發揮著重要的作用，主要包括信息搜集、信息處理以及信息存儲等模塊，有利于橋式起重機運行的穩定性，同時可以優化后期維護效果。在實際工作中，首先要擴大信息數據收集范圍，提高工作方案的規范性。其次需要完善遠程監視平臺，全面監控橋式起重機運行狀態，降低故障發生率。最后要利用智能化技術的優勢，完善故障診斷和安保系統，提高橋式起重機運行的安全性。

4.3 自動控制系統

智能化控制橋式起重機，保障起重機械適用于各種工作環境，可以靈活的操作，保障整體運行的安全性。現代化技術不斷發展，國內也逐漸完善橋式起重機智能自動化控制技術，并且開始研發利用垃圾起重機和全自動冶金起重機。在橋式起重機自動控制階段，可以利用在線運行夜間檢測技術和物料掃描技術等，研究人員需要勘察作業現場的實際情況，融合利用吊鉤定位技術和智能故障診斷技術，進一步完善智能化控制系統，實現橋式起重機運行的自動化目標[7]。

4.4 安全評估和在線監測技術

安全評估和在線監測技術的基礎是起重機光纖、光柵監測系統，利用光纖、光柵安全監測系統，并且配置起重機光纖、光柵傳感器和高速調節器等設備。研發人員需要結合橋式起重機結構特征，合理設計和埋設光纖、光柵、高速調節器以及傳感器。研發人員還要結合橋式起重機結構特征，利用光纖、光柵傳感技術完善監測系統，建立3D 模型，動態化模擬橋式起重機實際作業過程，實現人機交互的目標。

4.5 壽命評價技術

壽命評價技術的基礎是發射監測技術，可以全面評估橋式起重機結構材料的損傷，合理預測橋式起重機剩余年限和實際損傷情況。壽命評價技術利用斷裂力學和聲發射理論等，結合實驗室和現場監測信息，確定缺陷尺寸和結構失效概率等，構建神經網絡模型和概率預測模型等，以此為依據預測缺陷發展情況，同時可以分析臨界缺陷的具體尺寸等。

5 結束語

橋式起重機廣泛應用在物料運輸中，為了優化橋式起重機工作性能，可以利用橋式起重機智能化技術和輕量化技術，滿足現代化生產要求，進一步提高橋式起重機工作效率。