淺談起重機的設計與制造

郭學玲

摘 要：起重機作為一種高科技機械設備，在現代化經濟發展中的作用越來越突出，它有多種分類，每種分類的功能和特性也是各具特色。隨著科學技術的進步，起重機的應用技術不斷在改進，更新換代的速度也在加快，并應用于更廣泛的科技領域。在高科技背景下，起重機的設計與制造更應該注重動態性能的優化設計，以延長起重機的使用壽命和提升其社會價值。

關鍵詞：起重機；設計與制造；動態性能

1 起重機的基本知識

1.1 起重機的分類

起重機的分類主要按其性質、構造和性能來進行分類，根據起重的性質來分，則分為塔式起重機、流動式起重機和桅桿式起重機；若按其構造和性能來進行劃分，則一般可分為臂架類型起重機、輕小型起重設備、纜索式起重機和橋式類型起重機械，臂架型起重機有汽車起重機、固定式回轉起重機、履帶起重機、塔式起重機、輪胎起重機等；輕小型起重設備一般包括千斤頂、卷揚機、電動葫蘆、氣動葫蘆、平衡葫蘆等；纜索式起重機有升降機等；橋架型起重機主要有龍門起重機和械梁式起重機。

1.2 起重機的運行結構和驅動方式

起重機的運行機構主要采用四個主動、從動車輪，若起重量過大，通常采取增加車輪的方法來降低輪壓；如果車輪超過四個時，則起用鉸接均衡車架設備，以便于將起重機的載荷平均分布在每個車輪上。主梁和端梁組合構成起重機的金屬結構，主梁一般分為兩類，一類是單主梁橋架，是由單根主梁與起重機跨度兩邊的端梁組合而成，另一類則是雙梁橋架，它是由兩根主梁和端梁構成的。起重機的驅動方式主要有集中驅動和分別驅動兩大類，集中驅動是指通過一臺電動機的動力來帶動長傳動軸兩邊的主動車輪；而分別驅動則是指，兩邊的主動車輪分別采用一臺電動機來驅動。中、小型起重機一般運用由減速器、制動器和電動機組合而成的驅動方式，而大起重量的起重機通常采用萬向聯軸器的驅動裝置，主要因為萬向聯軸器進行安裝和調整時比較便捷。

2 起重機的設計與制造

2.1 起重機設計應考慮的技術參數

機械的技術參數代表了某個設備的工作能力，也就是設備的設計要求。起重機的技術參數跟其他機械設備的技術參數一樣，都是新產品設計中最重要和最基本依據，也是最能體現產品設備的工作能力的關鍵性數據[1]。絕大部分起重機的技術參數都類似，主要包括起重量、起升高度、跨度、變幅和機構工作速度等，臂架類型起重機較為特殊，其技術參數除了一般起重機應有的技術參數以外，還包括起重力矩，對于履帶、輪胎、鐵路、汽車等起重機，曲率半徑和爬坡最小半徑也是主要的技術參數。在起重機的設計過程中，應當充分考慮這些技術參數的設計，以便提高起重機的性能。

2.2 起重機制造材料的選取與確定

起重機材料的選擇關系到整個機器設備質量的高低與好壞，不同材料的搭配與組合也同樣影響著起重機的制造與應用，只有在最優組合的材料搭配下制造的起重機才能發揮其最大價值。起重機結構材料的選擇，一般按照起重機的機構和結構的安全要求、載荷狀態、經濟合理、利用等級等因素來進行選擇，另外還須考慮結合起重機的跨度、起重量和起重高度，根據起重機的特性具體分析，通過科學的研究和精確的計算后，再確定起重機制造最合適的材料。

2.3 起重機結構的設計及其重要性

在機械設計中，最核心、最重要的部分的就是機械的結構設計。機械的結構是其性能的基礎，通過產品結構可以直接體現該產品的性能，而一個機械產品的使用性能是否能夠達到使用者的要求，是一個產品設計成功與否的關鍵性因素，如果缺乏科學合理有效的結構設計，也就不可能使產品符合相關的性能要求；機械產品的制造主要面對的是產品的結構構造，為了使產品質量得以提高，在結構設計中通常都會對其結構進行計算、實驗和分析，同時也是為了結構設計的質量；機械的結構設計貫穿在機械設計的整個過程，耗費的時間和精力也是最大的，并且在一定程度上可以決定設計的成敗；在結構設計時往往還需考慮制造工藝、技術應用，所以結構設計是整個機械性能好壞的重要條件[2]。

3 起重機的動態性能優化設計

3.1 動態設計的重要性

動態優化設計作為一種新興技術，涉及到的學科比較廣泛，對起重機進行動態設計主要是為了準確預測機械的動態特性。目前起重機的結構設計大部分都是靜態設計，靜態設計的主要衡量指標是靜強度和靜剛性，盡可能地取最大的安全系數，來保證起重機結構的使用性能，但是這樣的設計會致使機械自重大，過于笨重，同時耗費的材料也多，經濟損失大，而且機械性能也未必能得以提高，所以應進行動態設計來優化機械的性能。通過動力學分析對系統進行模態分析和載荷的動力分析，把有關的約束條件和目標函數用相應的設計變量表示出來，對于一些難以表達的動態性能變量，采用相關的方法對數據通過建模分析，來進行動態設計。

3.2 動態性能優化設計的目的

起重機在各種工程建設，尤其是在現代化工業發展中最主要的施工機械。起重機在運行過程中，各種機構的頻繁運行和制動，加上復雜的混合運動，使得起重機的結構承受著強烈的沖擊和振動，導致起重機的衰減振動加速；衰減振動會影響到產品的工作效率、可操作性和舒適性，并導致部分結構的疲勞破壞[3]。在現代化工業建設中，對起重機結構起重量、高度、幅度等方面的要求越來越高，這就必然導致起重機結構的大型化，而大型機械受動載荷振動的影響大。雖然隨著高強度鋼材的應用，能夠有效地減輕起重機結構的自重，但是未能達到機械結構本身應達到的穩定性和運作強度。對起重機進行動態特性的優化設計，可以使高性能機器在運作時降低其振動，在機械的設計階段對其動態性進行預測，以便提前做好預防工作，避免機械的過度振動和共振強度，提高穩定性，降低機械的振動水平，提升整個機器的工作性能。

3.3 動態性能優化設計的方法與步驟

起重機結構的動態性能優化設計的處理方法主要包括“逆問題”與“正問題”兩大類。“逆問題”指的通過反求產品結構的設計變量，對已經給定的結構動態特性進行分析；而“正問題”則是按照產品實際結構可變更的設計方案，對設計參數進行修改，并快速分析產品結構的動態特性參數。優化設計的步驟是，先建模、收集數據進行分析、選擇優化參數、優化變量參數、再采用科學的優化方法進行優化分析，最后對結果進行處理。

4 結束語

起重機的設計與制造關鍵在于設計，尤其是在高性能、高效率的要求下對產品動態性能的設計要求也就越來越高，所以在進行產品設計時，為了提高產品的性能和穩定性，尤其要注重機械動態性能的優化。

參考文獻

[1]徐磊.6噸船用起重機設計與分析[D].哈爾濱理工大學，2012.

[2]崔云強.組合式塔式起重機設計及制造[D].哈爾濱工業大學，2013.

[3]龍樹.塔式起重機結構分析與優化[D].東北大學，2008.