浅谈门式起重机全生命周期发展趋势

邹志文

摘   要：门式起重机使用场所通常是工厂厂区、水电站、造船厂、货运码头等室外恶劣环境。随着新时代制造业高速发展的需求，门式起重机应在满足安全、可靠使用的前提下，必须向智能化、绿色化、可控化的发展来适应工业4.0和中国制造2025的需求。应以全新的生命发展周期为发展趋势，形成多元化设计、绿色化制造、大数据分析下使用的剩余寿命预测评估系统等一个完整的闭环系统。资能节约、再生利用、智能化控制、本质安全监控、自动化吊装成为门式起重机技术发展方向，提高产品核心竞争力，助力门式起重机紧跟时代发展步伐。

关键词：多元化设计  绿色化制造  门式起重机  剩余寿命预测评估系统

中图分类号：TH213.5                              文献标识码：A                        文章编号：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

隨着时代化建设进程越来越快，现代化工厂、大型水电站、造船厂及大型货运码头数量越来越多，对门式起重机的要求越来越高。门式起重机向大型化、自动化、专业化趋势发展。目前我国门式起重机的市场竞争主要是通过打价格战，然而价格战比较低级同时也是比较残酷，最终导致各企业利润不断下降，形成一个恶性循环，进而也连带着产品的品质逐渐下降，整个行业水平的降低，造成全国大部分的生产企业的产品差异性极小，产品性能参数以及图纸基本相似，门式起重机的结构形式及控制方法几十年没有发生改变，因此面对来自国外的竞争压力，传统的门式起重机的设计、制造、销售等生存空间堪忧。在经济全球化进程中，新能源和绿色化已成为引领科技和产业革命的重要动力，技术性贸易壁垒从早期的安全、标准、性能方面延伸到环境保护、资能节约、再生利用等领域。新概念全生命周期绿色化、控制系统的智能化、本质安全监控、自动化吊装成为门式起重机技术发展的突破方向，是提升产品在国内外核心竞争中力的关键。

1  多元化设计

1.1 传统与现代设计方法的区别简述

传统设计方法基本上是一种通过经验设计、静态分析、近似计算特征的设计方法。现代设计是在过去长期传统设计活动的延伸和发展，不但继承了传统设计的精华，而且还吸收了当代科技成果，并且运用计算机技术。现代设计是一种以动态分析、精确计算、优化设计的主要方法。其主要转变在于使产品结构分析定量化、工况分析动态化、质量分析可靠化、设计过程高效化和自动化、设计结果最优化。

1.2 主要设计方法

1.2.1 极限状态及许用应力法

是以钢材的屈服点除以总的单一安全系数作为结构设计的静强度标准。根据具体结构，因承受的载荷、结构的材料、工作情况不同而取不同的系数。其设计依据是结构达到最大承载能力或丧失其使用功能为极限状态。因此，前者用分项载荷、材料抗力系数，后者用单一安全系数。结构的载荷、材料的质量和制造质量都具有随机性，只有运用概率论才能更真实描述和反映结构的真实性。

1.2.2 优化设计法

20世纪60年代随着计算机的广泛使用而迅速发展起来的一种现代设计方法。是最优化技术和计算机技术相结合的产物。优化设计能根据产品要求，从众多的设计方案中寻得尽可能完善的或最适宜的设计方案，合理确定和计算各项参数，以期达到最佳设计目标，能为工程及产品设计提供重要的科学设计方法，用最少规格数的零部件组成尽可能多的起重机规格型号数，解决了门式起重机整体优化问题，提高设计质量和工作效率。

1.2.3 可靠性设计法

以概率和数理统计理论为基础，结合数学、力学、机械工程学、人机工程学、系统工程学、运筹学等研究产品失效规律的综合性设计方法。根据产品的设计要求，确定可靠性指标及其量值;通过对产品可靠性进行定量计算，评价产品在规定的条件下和规定的时间内完成功能的能力，研究产品的故障机理和失效模式;运用以往的可靠性数据资料计算系统可靠性的特征量以预测可靠性。

1.2.4 有限元设计法

随着计算机的发展，在工程领域得以广泛应用，根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。采用有限元法则优越得多，能够实现多工况随意组合，进行复杂的线性和非线性分析，此设计方法对多自由度系统的分析及复杂结构或十分有效。通过定量分析计算对门式起重机实际使用结构边界条件设计提供真实有效多元化的计算结果，并可配有丰富的动态展示功能。

1.2.5 动态仿真设计法

是在起重机复杂工况下工作的大型结构系统，其动态性能受多种因素影响，以往由于设计者缺乏有效的理论与工具，所以门式起重机设计往往以静态设计为主。但静态设计方法具有很大的局限性。想要准确分析门式起重机的运行过程中的动态性能，实际测量是一个有效地方法，门式起重机所承受的载荷和结构响应能够有效的呈现出来，但需要在门式起重机产品制成以后方有可能实际测量，因此这样做风险大、成本高、产品的研发周期长。近年来国内外在门式起重机设计中采用动态仿真设计新方法，即计算机对门式起重机的运行机构与结构在各种工况下承受载荷，对运行状态随时间变化过程的仿真模拟，得到动态仿真输出参数，以此来估计和推断实际运行的各种数据。为设计提供数据支撑。

2  绿色化制造

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式，绿色制造技术是指在保证产品的质量、功能、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响最小，资源利用率最高。使企业经济效益和社会效益协调优化。它使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化，符合环境保护要求，对生态环境无害或危害极小，资源利用率最高，能源消耗率最低。通过以下制造模式，能够更好地推动绿色化制造的进程。

2.1 模块化制造

用模块化代替传统的整机一体化，将门式起重机上功能基本相同的结构部件及零件制成有多种用途、相同联接、可互换的标准模块。通过不同模块的相互组合，形成不同类型和规格的门式起重机。企业的生产组织可由产品管理变为模块管理。如对现有门式起重机要进行改进，只需针对起重机上某几个模块进行替换便可。如想设计新型起重机，只需选用不同模块重新进行组合，优化现有需要提升的模块。可使单件小批量生产的起重机改换成具有相当批量的模块的生产模式。从而实现高效率的专业化生产。目前，国外的著名起重机公司都已采用起重機模块化设计制造，产品效果明显提升。德国德马格公司的标准起重机系列改用模块化设计后，比单件设计的设计费用下降12%，生产成本下降45%，提高资源利用率。

2.2 轻型化制造

有相当批量的门式起重机是企业工厂中使用，工作频率和吊运重量并不高。这类门式起重机生产批量大、实际用途广。在考虑制造企业的综合效益，应对门式起重机尽量满足使用的同时降低其高度，简化其部件，减小自重和轮压，主体结构轻型化，从而降低造价。国外某起重机生产公司经过几十年的开发和创新，已形成了一个轻型组合式的标准门式起重机系列。起重量1～80t，工作级别A1～A7，整个系列由工字形和箱型单梁、悬挂箱形单梁、角形小车箱形单梁和箱形双梁等多个品种组成。生产批量大，生产效率高，能够满足现有工况需要，节约资源。

2.3 智能化制造

门式起重机的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现起重机的自动化和智能化。大型高效门式起重机新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由全数字化控制驱动装置、数字化操纵给定检测、可编程序控制器、故障诊断及数据管理系统等设备组成。变压变频调速、射频数据通讯、故障自诊监控、吊具防摇的模糊控制、激光查找起吊物重心、近场感应防碰撞技术、现场总线、载波通讯及控制、无接触供电及三维条形码技术等将广泛得到应用。使起重机具有更高的柔性，以适合多批次少批量的柔性生产模式，提高单机综合自动化水平。重点开发以微处理机为核心的高性能电气传动装置，使起重机具有优良的调速和静动特性，可进行操作的自动控制、自动显示与记录，起重机运行的自动保护与自动检测，特殊场合的远距离遥控等，以适应自动化生产的需要，实现绿色化制造。

3  大数据监测下使用

通过对操作员实际操作检测，分析操作者作业习惯，甄别出操作时可能造成的危险动作，建立数据库，将不安全行为和不安全动作形成数据指令，再将过去发生过起重机安全事故的操作动作和起重机故障的数据形成数据，有人工智能系统监测分析起重机上各工作部件的使用状态和操作者的操作规范性及智能化监测周围环境对门式起重机的安全带来的影响。

3.1 门式起重机主梁挠度监测

门式起重机在使用过程中由于主梁刚性不足、长期满负载工作或起重机工作环境恶劣等诸因素影响，会使主梁产生永久变形。当拱度、翘度降低到一定程度时就必须采取相应措施，否则，会对起重机安全造成影响。通过激光触点装置，测量起重机主梁各点位置，通过数据分析形成一条主梁挠度图，通过实时监测主梁挠度图变化分析吊装重量、主梁经常受力点位置、主梁挠度变化趋势及主梁永久变形预判等数据分析。

3.2 门式起重机导轨处情况监测

门式起重机有别于桥式起重机的危险点在于支腿的行走机构和导轨接触处与物体或人员接触的危险，在多台同时作业或者操作者存在视觉盲区时易对门式起重机导轨两侧的人造成挤压危险。在门式起重机行走机构上装设未接触式位置传感器，如电容式、超声波和光电式等，在轨道上有人员靠近或靠近物体时先是声光预警装置工作，当人员或物体继续靠近时起重机缓速停止。同时，行走机构对运行的导轨进行監测，包括导轨上结冰、导轨槽异物等轨道的监测，并在行走机构上设置轮加热系统和导轨自清扫系统。

3.3 操作者操作规范性监测

通过大数据监测起重机作业者的操作习惯，分析对比哪些行为是不规范行为，哪些行为可能存在安全隐患，如用终点开关做停车手段、采用反车制动、起重机吊着重物时操作者随意离开岗位、用主钩和副钩同时工作等不安全行为，并利用声光提醒或在操作面板进行提醒。吊运大型重物时，监测重物周围1m是否有人员。监测起重机有无漏电处等通过大数据收集分析操作者作业习惯，规避因人员恶习操作不当造成的安全事故，同时也检测起重机漏电问题，避免人员发生触电。

4  剩余寿命预测评估系统

门式起重机剩余寿命评估的发展趋势是利用计算机的虚拟技术，通过对实测数据的处理，建立起重机结构件的专家系统，评定起重机的疲劳剩余寿命和其余技术指标。坚持可操作性评估为原则、以预测结果准确为目标，把握破坏机理应对、强调失效模式适用，采用高敏度长寿命多用途传感器技术，无损检测的失效状态辨识技术，高效三网融合的物联网+技术。基于追加学习训练机制载荷谱大数据采集处理分析技术以及Miner线性积累损伤理论、断裂力学、损伤力学等理论融合技术，使得起重机的剩余寿命预测结果最大限度地符合实际，为起重机的报废和延用提供科学依据和适用方法。提高起重机寿命评估的可靠性和实时性，能够随时知道起重机的剩余寿命。提高起重机寿命评估的可实施性，能够在包括老式起重机上进行应用。

5  结语

在新技术、新材料和智能化推动下，未来门式起重机从设计、制造、使用、预测报废的全生命周期内均有人工智能的参与，使设计更优化合理，制造模块化更标准、使用时因误操作或不良习惯造成的安全事故大幅度降低，能够准确及时地预测门式起重机的剩余寿命，降低安全事故的发生。

参考文献

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