起重機節能與失效的關系研究

薛輝

摘 要：從起重機節能與失效2個方面，分析了不同工作狀態下能耗組成和影響能耗的主要因素，結合日常檢驗中失效的案例和原因，綜合論述了各種措施對起重機節能和提高可靠性的影響，指出了零部件的效率和裝配精度以及維護保養在起重機節能和失效研究中的重要性。

關鍵詞：起重機；節能；失效；相關性

引言

起重機是工業生產的基本裝備之一，隨著中國制造業的迅猛發展，其保有量得以快速增加。一方面，起重機是高耗能產品，一臺普通的50t通用橋式起重機，整機功率就達到幾十kW。另一方面，起重機屬于特種設備，對安全性有很高的要求，力求避免出現不可預期的失效。圍繞這兩方面的要求，目前研究有兩大熱點：一是節能研究，包括節能設計、能耗評價、能耗檢測等幾大方向；二是失效研究，主要有失效分析、損傷分析、疲勞分析等。

1起重機能耗影響因素分析

一般的起重機，輸入電能，將電能轉化為位能、動能，同時克服摩擦做功，抵消各種損耗，達到搬運重物的功能。在不同的工作狀態，消耗的電能差異比較大。歸納起來有如下5種工作狀態，分別為待機、上升、下降、小車運行、大車運行。

1.1不同工作狀態的能耗消耗分析

待機時，主要耗能的部件有電控系統、照明和安全監控系統，統稱待機能耗E待，

待機能耗在所有工作狀態下都存在，在不同工況時，能耗值有所不同。雖然待機的功率比較低，但是工作期間累積起來的能耗也不少，要予以考慮。上升狀態時，電機將電能轉化成重物的動能Ek和位能EP，這個過程中還需要額外電能抵消起升機構的內部損耗E損耗和制動器耗能E制。內部損耗E損耗包括電機電損耗和各種摩擦損耗等，制動器耗能E制主要指維持開閘狀態的電機能耗。因此，上升狀態的總能耗E上為

下降狀態時，電機處于電氣制動狀態，不同的控制設備，電氣制動狀態不同，相應的下降時的能耗不同。比如通用起重機電動機轉子串電阻類電控柜PQR2和PQR4系列，下降采用一擋反接制動，一擋單項制動加一擋再生發電制動。比如適用于經常重載工作的QR2S控制柜，下降為2擋反接制動加一擋再生發電制動。再比如采用變頻驅動，下降不但不耗能，還可以將電能回饋給直流母線或者電網。目前大多數情況，下降時重物勢能不回收，則下降的能耗E下為

式中，勢能EP一部分轉換為重物動能EK和E損耗，剩余部分和電機提供的驅動能抵消。制動器的能耗單獨計算。小車運行和大車運行狀態能耗機理基本一致。運行機構能耗主要用來克服摩擦力做功、提供動能、抵消驅動機構內部損耗和制動器能耗。總的運行能耗用下式表示，

式中，E摩擦主要指車輪與軌道的摩擦阻力做功，Ek是整機或小車（包括吊重）的動能，E損耗指驅動系統和車輪組的電損耗和摩擦損耗。

1.2影響能耗主要因素

通過分析了起升、下降和運行工作狀態，得到了能耗的表達式，式中的EP、EK是由起重機設計需求決定的，是所謂的有用功。用戶在技術協議中規定了起重機的額定起吊重量、額定速度（包括起升和運行速度）和額定起升高度，這3個參數決定了EP、EK的大小，參數不能改變，也就無法通過優化這些參數降低能耗。E制動是制動器的能耗。由制動器的原理可知，制動力靠彈簧力使閘瓦和制動輪摩擦，開閘和保持開閘狀態靠液壓推桿的推力克服彈簧力，因此制動器的耗能（耗電）部件是液壓推桿。不考慮開閘的瞬間，液壓推桿的推力在整個工作過程中保持恒定，即彈簧的彈性力，其耗能與起重機參數沒有密切關系[1]。E損耗由以下參數決定：包括電機效率、減速器效率、軸承效率、傳動軸效率、滑輪效率、控制方式、轉子電阻等。這是整機能耗水平或能量使用效率的關鍵一項，提高各部件效率，采用更先進的控制方式，相同水平下能有效降低能耗。E摩擦由整機或小車重量和車輪摩擦系數決定。整機或小車重量由機構和結構重量組成，摩擦系數與車輪直徑、車輪材料有關。這也是影響整機能耗水平的重要因素之一。

2導致失效的因素分析

起重機失效的主要表現為：結構或機構破壞；傳動機構振動、噪聲超標；電機、電氣元件過熱導致性能降低或功能異常，相應導致失效的原因是沖擊、摩擦、發熱。摩擦導致傳動機構噪聲和振動超標也是常見失效形式之一。檢驗中曾遇到典型的例子是一臺改造過的橋式起重機，改造項目是更換新的起升機構，現場施工人員在處理電機、減速器的基座墊高時，沒有測量準確，導致新安裝的電機、減速器同軸度誤差太大。起重機試運行時，軸承與齒輪摩擦超過正常水平，結果噪音和振動嚴重超標，無法正常使用[2]。

3節能設計與避免失效的相關性分析

起重機行業內非常熱門的降低能耗的措施之一是結構輕量化，例如優化主梁、端梁、支腿、小車架等主要結構件，使得自重變輕，從而運行機構的功率變小，動能Ek和摩擦損耗E損耗相應減小。但是同時，這種優化后的結構對于可靠性來說，很有可能降低了。一般來說優化后的結構安全系數要比原來小，如果采用形狀優化，通常是結構比原來復雜了，給控制制造質量帶來不確定性。控制方式改變對起重機能耗和可靠性的影響比較復雜。目前常見的轉子串電阻和變頻驅動控制方式，對于節能來說，變頻驅動方式顯然有優勢。從結構可靠性來說，變頻驅動能減小對起重機結構沖擊，相同吊重情況下提高了結構可靠性。前面提到的主梁塑性變形的案例，有一部分原因就是制停時沖擊過大，使得主梁局部失穩。從控制系統本身可靠性來說，轉子串電阻因結構簡單反而有優勢[3]。采用高效率的驅動部件在節能方面是不言而喻的，更進一步，高效率意味著各種發熱、振動、摩擦的損耗減小，一般來說能提高部件可靠性。在起重機使用階段，正確、及時的維護保養，確保各部件潤滑正常，有利于各運動部件保持高效率，降低磨損，既能降低能耗，也能提高可靠性。

結束語

在起重機的節能研究與失效研究中綜合考慮各方因素，針對不同用途的起重機，區別對待節能和可靠性的重要性，才能得出具有實際意義的研究結論，便于推廣應用。

參考文獻：

[1]周超，李向東. 起重機節能與失效的關系研究[J]. 建筑機械，2018（05）：47-49.

[2]李向東， 原徐成， 葉偉，等. 淺談起重機節能研究[J]. 起重運輸機械， 2013（8）：64-65.

[3]葉偉. 橋式起重機節能評價技術研究及系統開發[D]. 南京理工大學， 2014.