橋門式起重設備輕量化技術的應用

(1.河南林業職業學院，河南 洛陽 471000；2.衛華集團有限公司，河南 長垣 453400）

橋門式起重設備輕量化技術的應用

安存勝1，聶福全2

(1.河南林業職業學院，河南 洛陽 471000；2.衛華集團有限公司，河南 長垣 453400）

起重機設備輕量化設計是節能減排技術之一，不僅能減少起重機自身原材料用量及能耗，同時對廠房的要求降低，因此節約效益可觀。

起重機；輕量化；應用

一、問題提出

橋門式起重機用途廣泛，但其粗、大、笨、重的傳統起重機的典型特征致使其使用條件要求過高，能耗相對較大。隨著世界工業和科學技術的發展，歐美國家從上世紀80年代后，對起重機進行輕量化設計，輕巧型起重機在90年代后進入中國，并取得了顯著的效果。

二、起重機輕量化設計的主要技術

1．電動葫蘆代替卷揚起升機構

以同樣起升重量10t，跨度16．5m，工作級別A5的起重機為例，上世紀80年代后開發的LH型雙梁電動葫蘆橋式起重機（簡稱葫雙）與QD型雙梁吊鉤橋式起重機（簡稱橋雙）技術參數的對比見表1。

從表1中可以看出，LH型比QD型有很大的優勢，在歐美國家，對中小噸位橋式起重機，普遍以葫雙代替橋雙。葫雙重量之所以能夠減輕，是因為葫雙采用了高度集成的模塊化設計，將起升機構的主要元件電動機、聯軸器、減速器、制動器、卷筒集成設計在一起，從而大幅度減小了體積，減輕了起重機自重。而目前國內新一代ND型葫蘆起升機構減速機采用行星齒輪減速機，其結構緊湊、輕巧，便于安裝在卷筒內，進一步縮小了電動葫蘆的外形尺寸，且其傳動平穩、噪聲較小；外形采用了方形外殼結構，模塊化設計，具有外形美觀，通用性強等優點；采用了低凈空式設計，在保證起升平衡的前提下，盡量減小配重箱所占空間，且使起升主機、配重箱、電氣裝置的布置合理、美觀；運行部分的設計實現集中傳動，徹底解決運行小車單側驅動因輪壓分布不均而出現的打滑現象。具有結構緊湊、空間利用率高，可靠性強，工作范圍大，運行平穩、定位準確、使用壽命長等特點。

電動葫蘆起重機在國內難以大面積推廣的原因主要是：國產電動葫蘆性能、內部齒輪傳動精度、齒輪材質熱處理、配套的電動機和制動器質量等方面與國外產品尚有一定差距，最終表現在電動葫蘆的可靠性差、噪聲大、能耗大、故障率高。

2．橋架結構輕量化設計

在主要結構件方面，利用Pro/E和ANSYS等軟件對橋門式起重機橋架和金屬結構進行有限元分析、優化設計和動態仿真。充分驗證設計與理論計算之間的差距，優化并減輕設計結構，使主梁結構尺寸最小、結構重量最輕，圖1為某250t起重機主梁有限元分析應力云圖。

圖1 采用輕量化設計的主梁有限元分析

3．低凈空設計

在小車結構布置方面采用了變截面的小車架布置方式，根據小車架上的受力特點來布置小車架。由于滑輪梁和卷筒是小車架的主要受力部位，對此部位進行了相應的加強。而作為起升電機的支撐部位，由于沒有較大的受力影響，將它的支撐結構相應的減小，這就形成了變截面小車架結構。使得小車的高度有了明顯的降低，重量大幅度減輕。圖2為輕量化歐式起重機現場應用示意圖。

圖2 輕量化起重機現場應用示意圖

4．新型行走機構設計

設計新型車輪組單元，采用鍛造車輪替代傳統鑄造車輪，減小車輪尺寸，減輕重量，降低輪壓。

5．新型小車架結構設計

小車布置結構突破原有結構，是以“井字形”的布置方式，它主要由兩個小車端梁，1個定滑輪梁和1個由卷筒組成的承載梁組成。其主要特點是定滑輪梁采用雙排滑輪梁結構，同時主起升減速機的布置采用空心軸式的套裝減速機布置在小車架的側面的布置方式，此時卷筒軸可以直接裝配在減速機的低速輸出軸孔內，省去了傳統結構大噸位的減速機與卷筒連接用了大型聯軸器，使得起升機構布置更加緊湊。而減速機的側面布置又可以將卷筒布置于小車架內部，在小車架端梁上整體加工出用于支撐卷筒的軸承座鏜孔。這樣起升機構中的減速機和卷筒都降低到小車架的上平面以下，使得小車的高度有了明顯的降低，重量大幅度減輕。在運行機構布置中，使用了“三合一”減速電機的結構，此種結構布置緊湊，占用空間較小，也可使安裝位置相應減小。同時起升機構采用新型高精度硬齒面起升減速機代替傳統的中硬齒面減速機，使得起升機構高度和重量大幅度降低。

6．新型傳動機構設計

目前國內高端起重機所采用的減速機是以SEW、FLENDER為代表硬齒面減速機系列，具有體積小、自重輕、噪聲低、性能可靠的特點，但上述減速機為標準減速機，并不是針對起重機工況領域設計，因此，需要打破齒寬系數傳統規定的限制，設計起重機專用的新型減速機。主要的技術應用包括以下幾個方面：

(1)增加嚙合線長度的齒形創新設計，齒輪接觸強度提高18%，彎曲強度提高10%。

(2)深層滲碳技術，層深大于歐洲SMS的值，便于熱處理控制，同時可提高強度。

(3)硬齒面齒根圓滑過渡和噴丸強化技術，通過合理的刀具參數設計和工藝留量以達到磨齒后齒根圓滑過渡，提高齒輪的可靠性。

(4)非對稱螺旋線修形技術，突破了傳統的輪齒修形方法，提高承載能力的同時，降低噪聲2～3dB。

(5)熱后加工量的最小化和齒輪潛力利用的最大化的新工藝，對提高齒輪承載能力和環保節能方面有著突出的效果。

7．齒輪硬齒面減速機優點

同時在新型齒輪嚙合技術應用方面，武漢理工大學開發的新型點線嚙合齒輪硬齒面減速機是一種具有我國自主知識產權的新型齒輪。點線嚙合齒輪的接觸區域既有線嚙合，又有點嚙合，接觸區變大，主要優點如下。

(1)強度提高較大，相同條件下，比漸開線齒輪接觸強度提高2～3倍，彎曲強度提高15%～50%。

(2)噪聲降低：相同條件下，噪聲比漸開線齒輪低5～10dB，加載以后，噪聲還會降低2～3dB。

(3)具有可分性：與圓弧齒輪相比較，不需專用刀具，并且對中心距不敏感。

因此通過采用優化算法設計，對不同目標下點線嚙合齒輪優化設計的特征分析和建模，并應用于新型歐式電動葫蘆和橋式起重機減速機上，也是可以有效解決目前困擾起重機行業技術發展的傳動機構難題。

8．電器控制系統設計

目前以SEW為代表的新型變頻在國內歐式起重機上得到廣泛應用，同時集成電路嵌入式技術、PLC加變頻器技術替代傳統的繼電器控制、串電阻調速等，使電器控制柜數量、體積和重量大幅度減小，運行平穩性增強，振動減小。

9．新型材料應用

逐步推廣采用低合金高強度結構鋼替代傳統的Q235B材料，降低鋼板厚度，減少鋼板使用量，充分降低起重機重量；

10．其它關鍵零部件加工熱處理技術

如折線卷筒加工技術、卷筒聯軸器加工技術、齒輪等強度設計技術、變齒高技術，如吊鉤組采用合理材料和優化截面；車輪組采用合理材料和熱處理工藝，優化車輪組結構；卷筒組采用焊接鋼板卷制卷筒和合理結構；滑輪組：采用新型滑輪槽形和材料；聯軸器采用鼓形齒式聯軸器代替直齒齒輪聯軸器等。以及針對低碳低合金齒輪鋼、中碳低合金齒輪鋼的滲碳、滲氮、碳氮共滲、高頻、中頻、超音頻淬火技術及新型淬火介質應用等。

三、起重機輕量化技術目前已取得的成效

目前國內一些企業研發的新型歐式中小噸位橋式起重機與傳統5～50t系列中小噸位QD型橋式起重機相比，自重輕約15%～30%，高度降低20%～30%，總裝機功率（能耗）降低30%～40%。以衛華集團出口英國的輕量化低凈空250t橋式起重機為例，該起重機比傳統的QD250t橋式起重機高度減小了34%，重量減輕了15%。該公司研發的50t以下新型ND、NH型電動葫蘆，采用全新設計布局低凈空設計理念，采用全新設計的反滾輪裝置，最大限度地降低葫蘆自身重量，在技術水平上有了跨越式的進步。同時使起重機主梁截面可得到近一步優化，模塊化組合布局，先進的設計優化，使電動葫蘆具有更小的凈空高度，讓用戶在達到需求起升高度的前提下，最大限度地降低廠房建筑高度，節省基礎成本。

四、結論

我國2013年橋門式起重機的總產值約為400億元，如果推廣輕量化技術成果，將帶來一系列效益：如減少鋼材消耗和這部分鋼材生產的碳排放量；減少鋼材加工、運輸、搬運和安裝等帶來的能源消耗；降低作業過程中能耗與廢氣排放，降低工作噪聲等。由于起重機的高度降低，使用戶的廠房建筑高度降低、建造成本降低，同時由于起重機重量減輕，提高了起重機的動力性能，降低工作時的驅動力、接觸力和摩擦力，減少驅動部件所需的能量，提高機構和配套元器件的使用壽命，也使得廠房的建造成本進一步降低，因此起重機輕量化所帶來的節能減排直接、間接經濟效益是巨大的，將對國內起重機技術的發展應用和產品結構升級換代帶來深遠的影響。

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1671-0711（2014）05-0009-03

2014-02-28）