起重機輕量化設計技術研究

袁明敏

摘 要：起重機輕量化是當前起重機設計的發展趨勢，也是國家節能環保戰略的具體實施。通過對目前我國起重機輕量化設計研究進展進行分析，從設計理念、設計方法、材料、結構、機構和電氣等方面研究了起重機輕量化設計技術，為起重機的節能環保設計和使用提供參考。

關鍵詞：起重機；輕量化技術；研究進展

引言

起重機是一種集物料起重、運輸和裝卸為一體的輸送設備和工業安裝設備，在現代化生產中起著不可或缺的作用。長期以來，我國對起重機的設計質量和設計水平的衡量通常側重于技術角度，而對經濟性、環保性等方面的要求考慮較少，致使起重機能耗高、自重及體積較大且安全系數裕量也較大，造成資源的浪費。隨著現代工業設計和制造能力的提高，以及國際鋼鐵及能源價格不斷攀升，提高起重機械的輕量化和節能化水平，將極大的促進企業的市場競爭力。文章首先分析了我國起重機輕量化設計存在的問題，在此基礎上從設計理念、設計方法等幾個方面對起重機輕量化設計技術進行了研究。

1 起重機輕量化設計現狀

自重是起重機性能的一項重要指標，為滿足實際需求，現代起重機械正向著大起重量的方向發展，很多大型起重機械自重達數千噸，這其中有60%到70%為金屬結構。因此，需要耗費大量的金屬材料。此外，起重機自重過大還會導致引起輪壓過大，從而對施工場地建筑物的承載力提出了更高的要求。因此，在保證起重重量同時，需采用輕量化技術減少起重機的自重。

1.1 國外起重機輕量化設計現狀

國外起重機輕量化設計的研究始于20世紀70年代。目前國外已有多家起重機制造企業研發了起重機輕量化產品，如德國的Demag Cranes AG、STAHL Crane、ABUS Crane，芬蘭的Kone Crane，美國的Gorbel Cranes、法國Euro cranes，西班牙的Linden-Comansas，日本的Hitachi Sumitomo Heavy Industries Construction Crane、Kobelco Cranes等。這些企業大部分針對起重機的結構、電氣設備等方面進行了相關改進，不僅降低了起重機的重量和工作能耗，也提高了產品的美觀性，此外還節省了大量的社會資源，極大地催進了世界經濟的迅速發展。

1.2 國內起重機輕量化設計現狀

我國的起重機自重普遍比國外先進的起重機重20%～50%以上，以表1中所示的起重機的10噸起重小車質量為例，歐式起重機（如SWF公司的NOVA）的小車質量僅為QD型小車質量的四分之一，據此可看出我國起重機自重與歐式起重機之間的巨大差距，在起重機的輕量化設計方面，我國還有很大的提升空間。

1.3 我國起重機輕量化設計中存在的不足

1.3.1 設計計算

目前我國起重機的設計方法通常為許用應力法，該方法較為簡便，但由于金屬結構的安全系數單一，因而不能有效反映起重機的實際用途和受力情況，為保證起重機產品使用的安全性，在實際設計中通常采用較大的安全系數，從而導致起重機產品自重增加、尺寸偏大，造成資源的浪費。

1.3.2 工藝

我國目前的起重機中的受力構件多為鋼板焊接的箱形結構，生產過程為半機械化手工制造，結構較為笨重，施工周期長，產品美觀性不足。

1.3.3 材料

國內起重機材料多為Q235和Q345，而較少采用高分子材料、高強鋼等材料。與此同時，我國鋼材行業普遍存在鋼材性能參數不全的現象，為了保證設計出的產品足夠安全，設計者往往增加鋼板厚度，并額外設計加強結構，從而提高了起重機的自重。

1.3.4 結構

傳統的起重機可分為桁架式和箱形結構，通常以型鋼和鋼板作為主要組成構件，通過焊接或螺紋連接的方法實現不同構件的連接，這些結構偏重于穩定性和安全性，而對經濟性考慮較少。

1.3.5 機構和電氣

起重機起升機構零部件的加工質量是決定起重機性能的重要因素。此外，起重機傳動系統的效率以及電氣控制系統的性能也會對起重機的總體性能產生重要影響，這些方面的落后是造成我國目前起重機輕量化水平較低的關鍵因素之一。

2 起重機輕量化設計方法

2.1 改進計算和設計方法

廣泛使用極限狀態的設計法，提高計算精度，使計算結果更逼近金屬結構在實際工作中的狀態；應用有限元法、模糊優化設計等現代設計方法，深入剖析并動態模擬鋼材結構的力學和材料性能，在保證起重機總體性能的情況下，通過結構優化最大程度的降低起重機的自重。

2.2 工藝改進

對于起重機中的非主要受力構件，可采用工字鋼、槽鋼等；可多采用焊接結構代替鑄件，運用機器人焊接等先進焊接技術，與人工焊接相比，在保證焊接質量的同時可減少對焊料的使用；運用熱處理等工藝提高起重機齒輪等構件的表面強度，確保結構優化的情況下起重機具有足夠的安全性。

2.3 使用輕質材料

國外的相關起重機企業采用鋁合金材料制造起重機的主要構件，與鋼制起重機相比，鋁合金材料起重機可減重30%以上；針對不同類型的構件了采用不同的材料，盡可能用H型鋼材代替板材，節約結構鋼材，并提高結構的抗彎強度。

2.4 結構改進

使用型鋼代替焊接橫梁；采用柔性小車架，將“井字型”4梁結構改為“工字型”梁結構；降低小車的總體高度，并采用“多合一”小車運行機構

2.5 機構和電氣系統改進

采用緊湊型起升機構；選用高速電機并配用制動力矩小的制動器；采用變頻調速技術，提高起重機的節能效果；起升機構可采用電動葫蘆；根據起升高度和起升速度的不同選擇合適的倍率。

3 結束語

隨著國際能源價格的不斷增長，起重機市場的競爭也越趨激烈，起重機產品的利潤空間進一步被壓縮，輕量化設計已成為很多起重機企業提高市場競爭力、減少生產成本的重要舉措。目前已有相關研究機構借鑒歐美發達國家的起重機輕量化設計技術生產了多種產品，取得了較好的社會效益和經濟效益，然而在結構、材料、電氣系統和設計方法等方面還存在著較大的改進空間。因此，需要國家和企業持續投入資金和精力，并完善起重機能效測試和節能監管法律法規，以從技術和政策上為起重機的輕量化設計營造一個良好的發展環境。

參考文獻

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