淺談門式起重機全生命周期發展趨勢

鄒志文

摘? ?要：門式起重機使用場所通常是工廠廠區、水電站、造船廠、貨運碼頭等室外惡劣環境。隨著新時代制造業高速發展的需求，門式起重機應在滿足安全、可靠使用的前提下，必須向智能化、綠色化、可控化的發展來適應工業4.0和中國制造2025的需求。應以全新的生命發展周期為發展趨勢，形成多元化設計、綠色化制造、大數據分析下使用的剩余壽命預測評估系統等一個完整的閉環系統。資能節約、再生利用、智能化控制、本質安全監控、自動化吊裝成為門式起重機技術發展方向，提高產品核心競爭力，助力門式起重機緊跟時代發展步伐。

關鍵詞：多元化設計? 綠色化制造? 門式起重機? 剩余壽命預測評估系統

中圖分類號：TH213.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0090-03

Abstract： Portal cranes are usually used in factory areas， hydropower stations， shipyards， cargo terminals and other outdoor harsh environment. With the rapid development of manufacturing industry in the new era. On the premise of safe and reliable use， gantry cranes must develop intellectually， greenly and controllably to meet the needs of industrial 4.0 and 2025 made in China. A complete closed-loop system， such as diversified design， green manufacturing and residual life prediction and evaluation system， should be formed with a new life cycle as the development trend. Energy saving， recycling， intelligent control， intrinsic safety monitoring and automatic hoisting have become the development direction of gantry crane technology， improve the core competitiveness of products， and help gantry crane keep pace with the development of the times.

Key Words： Diversified Design; Green Manufacturing; Use under Large Data Analysis; Residual Life Prediction and Evaluation System

隨著時代化建設進程越來越快，現代化工廠、大型水電站、造船廠及大型貨運碼頭數量越來越多，對門式起重機的要求越來越高。門式起重機向大型化、自動化、專業化趨勢發展。目前我國門式起重機的市場競爭主要是通過打價格戰，然而價格戰比較低級同時也是比較殘酷，最終導致各企業利潤不斷下降，形成一個惡性循環，進而也連帶著產品的品質逐漸下降，整個行業水平的降低，造成全國大部分的生產企業的產品差異性極小，產品性能參數以及圖紙基本相似，門式起重機的結構形式及控制方法幾十年沒有發生改變，因此面對來自國外的競爭壓力，傳統的門式起重機的設計、制造、銷售等生存空間堪憂。在經濟全球化進程中，新能源和綠色化已成為引領科技和產業革命的重要動力，技術性貿易壁壘從早期的安全、標準、性能方面延伸到環境保護、資能節約、再生利用等領域。新概念全生命周期綠色化、控制系統的智能化、本質安全監控、自動化吊裝成為門式起重機技術發展的突破方向，是提升產品在國內外核心競爭中力的關鍵。

1? 多元化設計

1.1 傳統與現代設計方法的區別簡述

傳統設計方法基本上是一種通過經驗設計、靜態分析、近似計算特征的設計方法。現代設計是在過去長期傳統設計活動的延伸和發展，不但繼承了傳統設計的精華，而且還吸收了當代科技成果，并且運用計算機技術。現代設計是一種以動態分析、精確計算、優化設計的主要方法。其主要轉變在于使產品結構分析定量化、工況分析動態化、質量分析可靠化、設計過程高效化和自動化、設計結果最優化。

1.2 主要設計方法

1.2.1 極限狀態及許用應力法

是以鋼材的屈服點除以總的單一安全系數作為結構設計的靜強度標準。根據具體結構，因承受的載荷、結構的材料、工作情況不同而取不同的系數。其設計依據是結構達到最大承載能力或喪失其使用功能為極限狀態。因此，前者用分項載荷、材料抗力系數，后者用單一安全系數。結構的載荷、材料的質量和制造質量都具有隨機性，只有運用概率論才能更真實描述和反映結構的真實性。

1.2.2 優化設計法

20世紀60年代隨著計算機的廣泛使用而迅速發展起來的一種現代設計方法。是最優化技術和計算機技術相結合的產物。優化設計能根據產品要求，從眾多的設計方案中尋得盡可能完善的或最適宜的設計方案，合理確定和計算各項參數，以期達到最佳設計目標，能為工程及產品設計提供重要的科學設計方法，用最少規格數的零部件組成盡可能多的起重機規格型號數，解決了門式起重機整體優化問題，提高設計質量和工作效率。

1.2.3 可靠性設計法

以概率和數理統計理論為基礎，結合數學、力學、機械工程學、人機工程學、系統工程學、運籌學等研究產品失效規律的綜合性設計方法。根據產品的設計要求，確定可靠性指標及其量值;通過對產品可靠性進行定量計算，評價產品在規定的條件下和規定的時間內完成功能的能力，研究產品的故障機理和失效模式;運用以往的可靠性數據資料計算系統可靠性的特征量以預測可靠性。

1.2.4 有限元設計法

隨著計算機的發展，在工程領域得以廣泛應用，根據變分原理求解數學物理問題的一種數值計算方法。采用有限元法則優越得多，能夠實現多工況隨意組合，進行復雜的線性和非線性分析，此設計方法對多自由度系統的分析及復雜結構或十分有效。通過定量分析計算對門式起重機實際使用結構邊界條件設計提供真實有效多元化的計算結果，并可配有豐富的動態展示功能。

1.2.5 動態仿真設計法

是在起重機復雜工況下工作的大型結構系統，其動態性能受多種因素影響，以往由于設計者缺乏有效的理論與工具，所以門式起重機設計往往以靜態設計為主。但靜態設計方法具有很大的局限性。想要準確分析門式起重機的運行過程中的動態性能，實際測量是一個有效地方法，門式起重機所承受的載荷和結構響應能夠有效的呈現出來，但需要在門式起重機產品制成以后方有可能實際測量，因此這樣做風險大、成本高、產品的研發周期長。近年來國內外在門式起重機設計中采用動態仿真設計新方法，即計算機對門式起重機的運行機構與結構在各種工況下承受載荷，對運行狀態隨時間變化過程的仿真模擬，得到動態仿真輸出參數，以此來估計和推斷實際運行的各種數據。為設計提供數據支撐。

2? 綠色化制造

綠色制造是一個綜合考慮環境影響和資源效益的現代化制造模式，綠色制造技術是指在保證產品的質量、功能、成本的前提下，綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式。使產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命周期中，對環境的影響最小，資源利用率最高。使企業經濟效益和社會效益協調優化。它使產品從設計、制造、使用到報廢整個產品生命周期中不產生環境污染或環境污染最小化，符合環境保護要求，對生態環境無害或危害極小，資源利用率最高，能源消耗率最低。通過以下制造模式，能夠更好地推動綠色化制造的進程。

2.1 模塊化制造

用模塊化代替傳統的整機一體化，將門式起重機上功能基本相同的結構部件及零件制成有多種用途、相同聯接、可互換的標準模塊。通過不同模塊的相互組合，形成不同類型和規格的門式起重機。企業的生產組織可由產品管理變為模塊管理。如對現有門式起重機要進行改進，只需針對起重機上某幾個模塊進行替換便可。如想設計新型起重機，只需選用不同模塊重新進行組合，優化現有需要提升的模塊。可使單件小批量生產的起重機改換成具有相當批量的模塊的生產模式。從而實現高效率的專業化生產。目前，國外的著名起重機公司都已采用起重機模塊化設計制造，產品效果明顯提升。德國德馬格公司的標準起重機系列改用模塊化設計后，比單件設計的設計費用下降12%，生產成本下降45%，提高資源利用率。

2.2 輕型化制造

有相當批量的門式起重機是企業工廠中使用，工作頻率和吊運重量并不高。這類門式起重機生產批量大、實際用途廣。在考慮制造企業的綜合效益，應對門式起重機盡量滿足使用的同時降低其高度，簡化其部件，減小自重和輪壓，主體結構輕型化，從而降低造價。國外某起重機生產公司經過幾十年的開發和創新，已形成了一個輕型組合式的標準門式起重機系列。起重量1～80t，工作級別A1～A7，整個系列由工字形和箱型單梁、懸掛箱形單梁、角形小車箱形單梁和箱形雙梁等多個品種組成。生產批量大，生產效率高，能夠滿足現有工況需要，節約資源。

2.3 智能化制造

門式起重機的更新和發展，在很大程度上取決于電氣傳動與控制的改進。將先進的計算機技術、微電子技術、電力電子技術、光纜技術、液壓技術、模糊控制技術應用到機械的驅動和控制系統，實現起重機的自動化和智能化。大型高效門式起重機新一代電氣控制裝置已發展為全電子數字化控制系統。主要由全數字化控制驅動裝置、數字化操縱給定檢測、可編程序控制器、故障診斷及數據管理系統等設備組成。變壓變頻調速、射頻數據通訊、故障自診監控、吊具防搖的模糊控制、激光查找起吊物重心、近場感應防碰撞技術、現場總線、載波通訊及控制、無接觸供電及三維條形碼技術等將廣泛得到應用。使起重機具有更高的柔性，以適合多批次少批量的柔性生產模式，提高單機綜合自動化水平。重點開發以微處理機為核心的高性能電氣傳動裝置，使起重機具有優良的調速和靜動特性，可進行操作的自動控制、自動顯示與記錄，起重機運行的自動保護與自動檢測，特殊場合的遠距離遙控等，以適應自動化生產的需要，實現綠色化制造。

3? 大數據監測下使用

通過對操作員實際操作檢測，分析操作者作業習慣，甄別出操作時可能造成的危險動作，建立數據庫，將不安全行為和不安全動作形成數據指令，再將過去發生過起重機安全事故的操作動作和起重機故障的數據形成數據，有人工智能系統監測分析起重機上各工作部件的使用狀態和操作者的操作規范性及智能化監測周圍環境對門式起重機的安全帶來的影響。

3.1 門式起重機主梁撓度監測

門式起重機在使用過程中由于主梁剛性不足、長期滿負載工作或起重機工作環境惡劣等諸因素影響，會使主梁產生永久變形。當拱度、翹度降低到一定程度時就必須采取相應措施，否則，會對起重機安全造成影響。通過激光觸點裝置，測量起重機主梁各點位置，通過數據分析形成一條主梁撓度圖，通過實時監測主梁撓度圖變化分析吊裝重量、主梁經常受力點位置、主梁撓度變化趨勢及主梁永久變形預判等數據分析。

3.2 門式起重機導軌處情況監測

門式起重機有別于橋式起重機的危險點在于支腿的行走機構和導軌接觸處與物體或人員接觸的危險，在多臺同時作業或者操作者存在視覺盲區時易對門式起重機導軌兩側的人造成擠壓危險。在門式起重機行走機構上裝設未接觸式位置傳感器，如電容式、超聲波和光電式等，在軌道上有人員靠近或靠近物體時先是聲光預警裝置工作，當人員或物體繼續靠近時起重機緩速停止。同時，行走機構對運行的導軌進行監測，包括導軌上結冰、導軌槽異物等軌道的監測，并在行走機構上設置輪加熱系統和導軌自清掃系統。

3.3 操作者操作規范性監測

通過大數據監測起重機作業者的操作習慣，分析對比哪些行為是不規范行為，哪些行為可能存在安全隱患，如用終點開關做停車手段、采用反車制動、起重機吊著重物時操作者隨意離開崗位、用主鉤和副鉤同時工作等不安全行為，并利用聲光提醒或在操作面板進行提醒。吊運大型重物時，監測重物周圍1m是否有人員。監測起重機有無漏電處等通過大數據收集分析操作者作業習慣，規避因人員惡習操作不當造成的安全事故，同時也檢測起重機漏電問題，避免人員發生觸電。

4? 剩余壽命預測評估系統

門式起重機剩余壽命評估的發展趨勢是利用計算機的虛擬技術，通過對實測數據的處理，建立起重機結構件的專家系統，評定起重機的疲勞剩余壽命和其余技術指標。堅持可操作性評估為原則、以預測結果準確為目標，把握破壞機理應對、強調失效模式適用，采用高敏度長壽命多用途傳感器技術，無損檢測的失效狀態辨識技術，高效三網融合的物聯網+技術。基于追加學習訓練機制載荷譜大數據采集處理分析技術以及Miner線性積累損傷理論、斷裂力學、損傷力學等理論融合技術，使得起重機的剩余壽命預測結果最大限度地符合實際，為起重機的報廢和延用提供科學依據和適用方法。提高起重機壽命評估的可靠性和實時性，能夠隨時知道起重機的剩余壽命。提高起重機壽命評估的可實施性，能夠在包括老式起重機上進行應用。

5? 結語

在新技術、新材料和智能化推動下，未來門式起重機從設計、制造、使用、預測報廢的全生命周期內均有人工智能的參與，使設計更優化合理，制造模塊化更標準、使用時因誤操作或不良習慣造成的安全事故大幅度降低，能夠準確及時地預測門式起重機的剩余壽命，降低安全事故的發生。

參考文獻

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