起重机轻量化设计技术研究

袁明敏

摘 要：起重机轻量化是当前起重机设计的发展趋势，也是国家节能环保战略的具体实施。通过对目前我国起重机轻量化设计研究进展进行分析，从设计理念、设计方法、材料、结构、机构和电气等方面研究了起重机轻量化设计技术，为起重机的节能环保设计和使用提供参考。

关键词：起重机；轻量化技术；研究进展

引言

起重机是一种集物料起重、运输和装卸为一体的输送设备和工业安装设备，在现代化生产中起着不可或缺的作用。长期以来，我国对起重机的设计质量和设计水平的衡量通常侧重于技术角度，而对经济性、环保性等方面的要求考虑较少，致使起重机能耗高、自重及体积较大且安全系数裕量也较大，造成资源的浪费。随着现代工业设计和制造能力的提高，以及国际钢铁及能源价格不断攀升，提高起重机械的轻量化和节能化水平，将极大的促进企业的市场竞争力。文章首先分析了我国起重机轻量化设计存在的问题，在此基础上从设计理念、设计方法等几个方面对起重机轻量化设计技术进行了研究。

1 起重机轻量化设计现状

自重是起重机性能的一项重要指标，为满足实际需求，现代起重机械正向着大起重量的方向发展，很多大型起重机械自重达数千吨，这其中有60%到70%为金属结构。因此，需要耗费大量的金属材料。此外，起重机自重过大还会导致引起轮压过大，从而对施工场地建筑物的承载力提出了更高的要求。因此，在保证起重重量同时，需采用轻量化技术减少起重机的自重。

1.1 国外起重机轻量化设计现状

国外起重机轻量化设计的研究始于20世纪70年代。目前国外已有多家起重机制造企业研发了起重机轻量化产品，如德国的Demag Cranes AG、STAHL Crane、ABUS Crane，芬兰的Kone Crane，美国的Gorbel Cranes、法国Euro cranes，西班牙的Linden-Comansas，日本的Hitachi Sumitomo Heavy Industries Construction Crane、Kobelco Cranes等。这些企业大部分针对起重机的结构、电气设备等方面进行了相关改进，不仅降低了起重机的重量和工作能耗，也提高了产品的美观性，此外还节省了大量的社会资源，极大地催进了世界经济的迅速发展。

1.2 国内起重机轻量化设计现状

我国的起重机自重普遍比国外先进的起重机重20%～50%以上，以表1中所示的起重机的10吨起重小车质量为例，欧式起重机（如SWF公司的NOVA）的小车质量仅为QD型小车质量的四分之一，据此可看出我国起重机自重与欧式起重机之间的巨大差距，在起重机的轻量化设计方面，我国还有很大的提升空间。

1.3 我国起重机轻量化设计中存在的不足

1.3.1 设计计算

目前我国起重机的设计方法通常为许用应力法，该方法较为简便，但由于金属结构的安全系数单一，因而不能有效反映起重机的实际用途和受力情况，为保证起重机产品使用的安全性，在实际设计中通常采用较大的安全系数，从而导致起重机产品自重增加、尺寸偏大，造成资源的浪费。

1.3.2 工艺

我国目前的起重机中的受力构件多为钢板焊接的箱形结构，生产过程为半机械化手工制造，结构较为笨重，施工周期长，产品美观性不足。

1.3.3 材料

国内起重机材料多为Q235和Q345，而较少采用高分子材料、高强钢等材料。与此同时，我国钢材行业普遍存在钢材性能参数不全的现象，为了保证设计出的产品足够安全，设计者往往增加钢板厚度，并额外设计加强结构，从而提高了起重机的自重。

1.3.4 结构

传统的起重机可分为桁架式和箱形结构，通常以型钢和钢板作为主要组成构件，通过焊接或螺纹连接的方法实现不同构件的连接，这些结构偏重于稳定性和安全性，而对经济性考虑较少。

1.3.5 机构和电气

起重机起升机构零部件的加工质量是决定起重机性能的重要因素。此外，起重机传动系统的效率以及电气控制系统的性能也会对起重机的总体性能产生重要影响，这些方面的落后是造成我国目前起重机轻量化水平较低的关键因素之一。

2 起重机轻量化设计方法

2.1 改进计算和设计方法

广泛使用极限状态的设计法，提高计算精度，使计算结果更逼近金属结构在实际工作中的状态；应用有限元法、模糊优化设计等现代设计方法，深入剖析并动态模拟钢材结构的力学和材料性能，在保证起重机总体性能的情况下，通过结构优化最大程度的降低起重机的自重。

2.2 工艺改进

对于起重机中的非主要受力构件，可采用工字钢、槽钢等；可多采用焊接结构代替铸件，运用机器人焊接等先进焊接技术，与人工焊接相比，在保证焊接质量的同时可减少对焊料的使用；运用热处理等工艺提高起重机齿轮等构件的表面强度，确保结构优化的情况下起重机具有足够的安全性。

2.3 使用轻质材料

国外的相关起重机企业采用铝合金材料制造起重机的主要构件，与钢制起重机相比，铝合金材料起重机可减重30%以上；针对不同类型的构件了采用不同的材料，尽可能用H型钢材代替板材，节约结构钢材，并提高结构的抗弯强度。

2.4 结构改进

使用型钢代替焊接横梁；采用柔性小车架，将“井字型”4梁结构改为“工字型”梁结构；降低小车的总体高度，并采用“多合一”小车运行机构

2.5 机构和电气系统改进

采用紧凑型起升机构；选用高速电机并配用制动力矩小的制动器；采用变频调速技术，提高起重机的节能效果；起升机构可采用电动葫芦；根据起升高度和起升速度的不同选择合适的倍率。

3 结束语

随着国际能源价格的不断增长，起重机市场的竞争也越趋激烈，起重机产品的利润空间进一步被压缩，轻量化设计已成为很多起重机企业提高市场竞争力、减少生产成本的重要举措。目前已有相关研究机构借鉴欧美发达国家的起重机轻量化设计技术生产了多种产品，取得了较好的社会效益和经济效益，然而在结构、材料、电气系统和设计方法等方面还存在着较大的改进空间。因此，需要国家和企业持续投入资金和精力，并完善起重机能效测试和节能监管法律法规，以从技术和政策上为起重机的轻量化设计营造一个良好的发展环境。

参考文献

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