工程機(jī)械與智控技術(shù)在塔式起重機(jī)設(shè)計制造中的融合研究

摘 要：針對當(dāng)前塔式起重機(jī)設(shè)計與制造過程中存在的效率不高和安全性能不足的問題，進(jìn)行了深入研究，系統(tǒng)闡述工程機(jī)械的基本原理及其在塔式起重機(jī)中的實際應(yīng)用，探討智控技術(shù)的核心原理，研究其在機(jī)械控制領(lǐng)域的潛力。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械；智控技術(shù)；塔式起重機(jī)；設(shè)計優(yōu)化；智能控制

中圖分類號：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）07-0043-03

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)與建筑領(lǐng)域中，塔式起重機(jī)作為關(guān)鍵的重型工程機(jī)械設(shè)備，在高層建筑、橋梁建設(shè)以及大型工程項目的物料吊裝作業(yè)中扮演著不可或缺的角色。隨著工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和市場需求的不斷提升，現(xiàn)有塔式起重機(jī)的設(shè)計制造有著效率不高、安全性能有待增強(qiáng)等問題。這些問題不僅影響了施工進(jìn)度，也對工程質(zhì)量和人員安全構(gòu)成了潛在威脅。

智控技術(shù)包括智能算法、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析4N/ssVXW4k0ay8ahq5G/+A==、機(jī)器視覺及自動化控制等技術(shù)，在提升機(jī)械設(shè)備智能化水平、優(yōu)化設(shè)計與運行性能方面展現(xiàn)出巨大的潛力。鑒于此，將先進(jìn)的智控技術(shù)與傳統(tǒng)的工程機(jī)械設(shè)計相結(jié)合，成為推動塔式起重機(jī)設(shè)計制造升級轉(zhuǎn)型的重要途徑。

1 工程機(jī)械與智控技術(shù)的基本原理和應(yīng)用

1.1 工程機(jī)械的基本原理

工程機(jī)械的基本原理涵蓋了多個工程科學(xué)領(lǐng)域，包括力學(xué)、結(jié)構(gòu)工程、材料科學(xué)、傳動技術(shù)和流體動力學(xué)等。基于靜力學(xué)和動力學(xué)原則，為確保起重機(jī)在各種工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性及安全性，通過精確計算重心位置和各部件受力情況來避免傾覆風(fēng)險。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用合理的結(jié)構(gòu)形式和高強(qiáng)度材料以滿足承載力需求，并確保設(shè)備具備良好的剛度和耐久性。塔式起重機(jī)的運動控制機(jī)制如起升、變幅和回轉(zhuǎn)等功能，則依賴于精密的傳動技術(shù)實現(xiàn)，部分現(xiàn)代起重機(jī)還引入液壓或氣壓系統(tǒng)增強(qiáng)其動作靈活性和可控性。

1.2 智控技術(shù)的基本原理

智控技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械控制深度融合的產(chǎn)物，其基本原理涉及智能算法、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、機(jī)器視覺等多種先進(jìn)技術(shù)。

智能算法是實現(xiàn)智控技術(shù)核心功能的關(guān)鍵手段，涵蓋了模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法、粒子群優(yōu)化、深度學(xué)習(xí)等方法。例如，在起重機(jī)械中，智能算法用于自適應(yīng)控制以應(yīng)對負(fù)載變化和環(huán)境擾動，通過實時調(diào)整系統(tǒng)的控制參數(shù)，確保起重機(jī)動作平穩(wěn)、精確且高效。比如，模糊控制器可以根據(jù)當(dāng)前工況輸入，輸出最優(yōu)控制信號，使吊鉤定位更加精準(zhǔn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可用于預(yù)測和補(bǔ)償設(shè)備的非線性動態(tài)特性。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在起重機(jī)械控制領(lǐng)域主要體現(xiàn)在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制及維護(hù)等方面。通過集成傳感器、無線通信模塊以及云計算平臺，能夠?qū)崟r收集起重機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)（如載荷、速度、溫度、振動等），并將這些數(shù)據(jù)傳輸至中央監(jiān)控系統(tǒng)或云端進(jìn)行分析處理，實現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)、故障預(yù)警、效率優(yōu)化等功能，從而提高設(shè)備安全性和使用壽命。

機(jī)器視覺在起重機(jī)械中的應(yīng)用主要是為了增強(qiáng)設(shè)備的自主感知能力和安全性。例如，安裝在起重機(jī)上的高精度攝像頭可捕捉周圍環(huán)境和吊裝目標(biāo)的信息，通過圖像識別和處理算法判斷貨物的位置、姿態(tài)乃至潛在風(fēng)險，指導(dǎo)起重機(jī)執(zhí)行準(zhǔn)確無誤的操作。此外，機(jī)器視覺還可應(yīng)用于無人駕駛起重機(jī)，實現(xiàn)自動化的路徑規(guī)劃和目標(biāo)定位。

2 塔式起重機(jī)設(shè)計制造中存在的問題

2.1 設(shè)計階段的問題及其對效率的影響

在設(shè)計階段，起重機(jī)械的設(shè)計問題對效率的影響是顯著的。首先，設(shè)計參數(shù)選擇不合理。如果在設(shè)計時低估了起重機(jī)需要承受的載荷或疲勞應(yīng)力，就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件過早損壞、故障頻發(fā)，頻繁停機(jī)維修將嚴(yán)重影響作業(yè)效率。如果電動機(jī)功率選型偏小，無法滿足快速起升和運行的需求，會導(dǎo)致設(shè)備響應(yīng)遲緩，降低工作效率。若功率過大，則造成能源浪費和成本增加。在傳動系統(tǒng)設(shè)計中，如果傳動比不合適，會導(dǎo)致速度控制不夠精確，或無法充分利用電機(jī)輸出扭矩，影響整體性能。

過多的結(jié)構(gòu)冗余會使得整機(jī)自重加大，不僅增加了制造成本，還加重了支撐結(jié)構(gòu)及移動機(jī)構(gòu)（如輪胎、軌道等）的負(fù)擔(dān)，從而降低了有效載荷率和機(jī)動性。過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計會導(dǎo)致維護(hù)困難，增加日常保養(yǎng)與維修時間，間接影響到設(shè)備的工作效率，導(dǎo)致不必要的高強(qiáng)度材料使用，提高了制造成本。

未充分考慮操作便利性和智能化需求，設(shè)計時忽視人機(jī)交互界面友好性，將使操作人員不易掌握操作技巧，延長訓(xùn)練周期并引發(fā)誤操作，進(jìn)而影響作業(yè)安全和效率。未能前瞻性地融入智能控制系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，限制設(shè)備在未來實現(xiàn)自動化、遠(yuǎn)程操控和數(shù)據(jù)化管理的能力，將降低設(shè)備的整體運行效率和服務(wù)水平。

2.2 制造階段效率低下的原因

首先，復(fù)雜的工藝流程是導(dǎo)致制造階段效率降低的重要原因。如果設(shè)計的生產(chǎn)工藝步驟過多、冗余或不合理，會顯著增加產(chǎn)品從原材料到成品過程中的流轉(zhuǎn)時間、等待時間和轉(zhuǎn)換成本。例如，在零部件加工過程中，若缺乏標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化的生產(chǎn)理念，每種部件都需獨立完成多道工序，無法實現(xiàn)批量生產(chǎn)和快速裝配，無疑延長了整體的生產(chǎn)周期，降低了單位時間內(nèi)產(chǎn)出產(chǎn)品的數(shù)量。

其次，自動化程度不高也是制約制造階段效率提升的原因所在。當(dāng)前，部分工廠仍存在大量手動操作環(huán)節(jié)，由于人工操作速度受限且易受操作者技能水平、疲勞度等因素的影響，難以保持穩(wěn)定的生產(chǎn)節(jié)拍和產(chǎn)品質(zhì)量。

最后，使用老舊設(shè)備和技術(shù)落后于時代發(fā)展的趨勢，將使自動化生產(chǎn)線的功能得不到充分發(fā)揮，進(jìn)一步限制了產(chǎn)能的提高。智能工廠強(qiáng)調(diào)高度集成的生產(chǎn)線，包括機(jī)器人自動化、智能物流以及信息化管理等技術(shù)的應(yīng)用，而這些先進(jìn)技術(shù)的缺失則意味著制造系統(tǒng)的運行效率遠(yuǎn)未達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

2.3 安全性能不足的具體表現(xiàn)及后果

在塔式起重機(jī)的安全性能方面，存在的不足具體表現(xiàn)為以下4個層面。

一是監(jiān)控系統(tǒng)不完善。現(xiàn)有的塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)僅限于基本的運行參數(shù)監(jiān)測，如起升高度、吊裝質(zhì)量等，而對于一些關(guān)鍵安全指標(biāo)如結(jié)構(gòu)應(yīng)力、疲勞狀況、工作環(huán)境變化（如風(fēng)速、溫度）等缺乏實時有效的監(jiān)控。部分設(shè)備未配備先進(jìn)的視覺識別和障礙物檢測技術(shù)，導(dǎo)致操作人員無法及時準(zhǔn)確地獲取全面的工作現(xiàn)場信息，從而增大了作業(yè)風(fēng)險。

二是故障預(yù)警機(jī)制缺失或功能有限。許多傳統(tǒng)起重機(jī)缺乏有效的故障預(yù)測與診斷功能，不能對潛在的機(jī)械故障或電氣問題提前發(fā)出預(yù)警，使得維修保養(yǎng)往往是在設(shè)備出現(xiàn)明顯故障后才進(jìn)行，這不僅影響工作效率，更可能因突發(fā)性故障造成安全事故。例如，塔機(jī)本身的作業(yè)動作、負(fù)載、風(fēng)速大小、摩擦力大小等因素都會導(dǎo)致重物來回擺動，造成安全事故[1]。如果得不到及時預(yù)警和處理，將直接影響到起重機(jī)的安全使用。

三是安全防護(hù)措施不足。這包括超載保護(hù)失效、行程限位不準(zhǔn)、緊急制動系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍等問題。這些問題會導(dǎo)致起重機(jī)在運行過程中發(fā)生過載、沖頂、溜鉤等嚴(yán)重安全隱患，嚴(yán)重時甚至?xí)斐扇藛T傷亡及財產(chǎn)損失。

四是人機(jī)交互設(shè)計不合理。操作界面復(fù)雜難懂，或者對操作人員的操作技能培訓(xùn)不足，都可能導(dǎo)致誤操作頻發(fā)，進(jìn)而引發(fā)安全事故。智能化程度較低的起重機(jī)則無法實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，增加了操作難度和安全隱患。

3 融合工程機(jī)械與智控技術(shù)的塔式起重機(jī)設(shè)計制造方法

3.1 設(shè)計優(yōu)化策略

在塔式起重機(jī)的設(shè)計優(yōu)化策略中，將工程設(shè)計原理與智能算法相結(jié)合，不僅有助于提升塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減小質(zhì)量，還可以精準(zhǔn)匹配設(shè)備性能參數(shù)，有效降低成本，提高整個系統(tǒng)的綜合性能和市場競爭力。這一融合主要體現(xiàn)在以下3個方面。

3.1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用有限元分析等方法對關(guān)鍵部件如塔身、起重臂、底座和傳動系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變以及疲勞壽命的計算分析，智能算法可以輔助工程師快速尋優(yōu)，確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸和材料分布，減輕自重同時保證足夠的強(qiáng)度和剛度。結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，通過智能算法自動搜索滿足約束條件下的最佳結(jié)構(gòu)形態(tài)，去除冗余材料，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

3.1.2 性能參數(shù)優(yōu)化

利用機(jī)器學(xué)習(xí)或遺傳算法等智能算法，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實際工況預(yù)測不同負(fù)載及環(huán)境條件下的性能需求，精確調(diào)整電機(jī)功率、速度控制、制動性能等參數(shù)，提高起重機(jī)的工作效率和穩(wěn)定性。通過多目標(biāo)優(yōu)化算法，在滿足多種性能指標(biāo)（例如起升速度、承載能力、能耗等）的同時，尋求性能與成本之間的平衡點，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化的目標(biāo)。

3.1.3 模塊化設(shè)計與協(xié)同優(yōu)化

應(yīng)用智能算法對起重機(jī)各子系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計，確保各個模塊既可獨立優(yōu)化又可協(xié)同工作，便于后期維護(hù)和升級，并且能夠適應(yīng)不同應(yīng)用場景的需求變化。并在設(shè)計過程中，引入并行工程理念，利用智能算法協(xié)調(diào)解決各專業(yè)領(lǐng)域間的接口問題，減少設(shè)計沖突，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

3.2 構(gòu)建智能控制系統(tǒng)

塔式起重機(jī)在運行中需要測量多種不同類型的數(shù)據(jù)，所以需要使用到不同的傳感器分別對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行測量[2]。通過精心選擇和配置智能傳感器與執(zhí)行器，并結(jié)合先進(jìn)的智能控制策略，能夠顯著提升塔式起重機(jī)的自動化水平和整體性能，有效解決傳統(tǒng)控制方法難以處理的問題，從而推動起重機(jī)行業(yè)的智能化發(fā)展。

3.2.1 智能傳感器的選擇與配置

選擇適配的智能傳感器用于實時監(jiān)測起重機(jī)的關(guān)鍵運行參數(shù)，如載荷傳感器用于測量吊鉤上負(fù)載質(zhì)量的變化，角度和位置傳感器監(jiān)測起重臂的角度和高度，風(fēng)速和風(fēng)向傳感器檢測環(huán)境風(fēng)力條件等。在配置傳感器網(wǎng)絡(luò)時需考慮其覆蓋范圍、精度要求、抗干擾能力及使用壽命等因素，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至中央控制器，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。

3.2.2 執(zhí)行器的選型與布置

執(zhí)行器是控制系統(tǒng)中接收并執(zhí)行控制指令的裝置，通常包括電動機(jī)、液壓馬達(dá)、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。在塔式起重機(jī)中，需要根據(jù)實際功能需求選取適配的執(zhí)行器類型，例如起升系統(tǒng)采用大扭矩的電機(jī)驅(qū)動卷筒，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)使用液壓馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。對于執(zhí)行器的布置設(shè)計應(yīng)充分考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)布局、運動特性以及安全性要求，保證在接收到智能控制器發(fā)出的指令后能夠迅速且精準(zhǔn)地完成相應(yīng)動作。

3.3 安全性能提升

在塔式起重機(jī)的安全性能提升過程中，通過集成各類智控技術(shù)和監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)塔式起重機(jī)的狀態(tài)實時監(jiān)測、故障預(yù)警以及有效防護(hù)，提高其安全性能，減少事故風(fēng)險，保障施工過程的安全穩(wěn)定。

H8tYjt8tJD6fhJvbVjPzokqXAPjaxd5raoPIY3u6PXg=3.3.1 智能傳感器網(wǎng)絡(luò)

應(yīng)建立全方位的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括載荷傳感器、角度傳感器、位移傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器等，實時監(jiān)測起重機(jī)關(guān)鍵部位的工作狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。采用先進(jìn)的振動分析和聲發(fā)射檢測技術(shù)，對起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的疲勞裂紋或磨損問題。

3.3.2 大數(shù)據(jù)分析與故障診斷系統(tǒng)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將收集到的數(shù)據(jù)傳輸至中央處理平臺，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析算法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘與解析，提前識別設(shè)備可能出現(xiàn)的故障模式。設(shè)計并實施基于人工智能的故障診斷系統(tǒng)，如機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于預(yù)測維護(hù)需求和可能發(fā)生的故障，從而提前采取預(yù)防措施。

3.3.3 安全閾值設(shè)定與預(yù)警機(jī)制

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范設(shè)定各項安全閾值，例如最大允許載荷、起重臂偏轉(zhuǎn)角、回轉(zhuǎn)速度等，并通過智能控制系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)閾值時，系統(tǒng)立即觸發(fā)預(yù)警信號，提示操作人員采取應(yīng)對措施，同時自動執(zhí)行相應(yīng)的安全保護(hù)程序，如限制動作范圍、降低運行速度或者緊急停止。

結(jié)合GPS定位、雷達(dá)探測、激光掃描等技術(shù)構(gòu)建三維空間感知系統(tǒng)，實時監(jiān)測起重機(jī)與其他障礙物（包括其他起重機(jī)、建筑物等）之間的相對位置關(guān)系。當(dāng)檢測到發(fā)生碰撞的情況時，系統(tǒng)會提前發(fā)出警告并自主干預(yù)控制，防止事故發(fā)生。

3.3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理平臺

建立遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，通過無線通信技術(shù)將位置分散的硬件組合成統(tǒng)一的整體，并且直接向用戶提供最有用的信息，實現(xiàn)對分散在各地的塔式起重機(jī)進(jìn)行全面、實時的在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制[3]。監(jiān)控平臺上可實時顯示設(shè)備運行狀態(tài)信息，提供詳盡的歷史數(shù)據(jù)分析報告，為管理人員提供決策支持，進(jìn)一步提升整體安全管理水平。

4 結(jié)束語

通過充分融合工程機(jī)械與智控技術(shù)，不僅能解決了傳統(tǒng)設(shè)計制造過程中的瓶頸問題，還極大地提高了設(shè)備的工作效率和安全性。這不僅為塔式起重機(jī)行業(yè)提供了新的設(shè)計理念和技術(shù)支持，也為整個工程機(jī)械行業(yè)的智能化發(fā)展提供了重要參考和實踐依據(jù)。隨著科技的持續(xù)進(jìn)步，未來將進(jìn)一步探索和完善基于智控技術(shù)的起重機(jī)設(shè)計制造體系，以滿足更高標(biāo)準(zhǔn)的施工需求和更加嚴(yán)苛的安全要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭宏遠(yuǎn)，盧寧，宋鵬程，等.智能塔式起重機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)電工程，2023，40（3）：435-443.

[2] 曠世強(qiáng).基于防碰撞算法的塔機(jī)智能化監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].湘潭：湘潭大學(xué)，2017.

[3] 孫宏軍，趙作霖，徐冠群.塔式起重機(jī)機(jī)器視覺監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016，35（8）：70-73.