桥式起重机轻量化技术及其应用

焦 健

(山西晋路投资开发有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

在经济发展中，起重机是极为重要的物料搬运输送设备。在当前形势背景下，我国起重机设计制造水平已经趋近于世界先进水平。由于一些历史原因，我国起重机设计借鉴了前苏联设计理念，使得起重机体积较大，并且自重大。但伴随着科学技术的快速发展，起重机设计逐渐向轻量化方向发展，与传统设计和制造技术相比，桥式起重机能够节能降耗，其中轻量化技术的有效利用，实现了绿色制造总体目标。本文以桥式起重机为例，全面阐述起重机轻量化技术及其应用。

1 当前我国桥式起重机自重的现状

在桥式起重机中，自重是一种极为关键的技术性能指标，随着起重机朝着大起重量方向发展，起重机自重愈发增大。例如太重集团为三峡工程制造的桥式起重机自重在800 t，大连重工制造的桥式起重机自重达到1 000 t。因此不难看出，起重机行业利用的金属材料越来越多。由于桥式起重机自重较大，容易造成轮压的增大，因此对码头与道路相关建筑物承载能力提出了严格化要求。所以在桥式起重机设计中，应在确保基础能力的同时还应减少自重。

传统的桥式起重机如图1所示。桥式起重机自重包括结构重量和机构重量。其中，在起重机整机重量中结构重量占比较大，巨型起重机结构重量占比高达80%，并且与国外桥式起重机对比，我国桥式起重机要重得多，例如我国起重量为10 t、跨度为20 m的通用双梁桥式起重机自重在22 t，而德国同等的桥式起重机自重仅仅为7 t。

图1 传统的桥式起重机

2 当前起重机轻量化设计中的不足

2.1 设计计算

起重机设计方法一般以许用应力法为主，这种方法具有简便性，在金属结构上，安全系数极为单一，不能彰显出起重机用途与受力情况。要想确保起重机产品具备安全性，在具体设计中，一般采用较大的安全系数，从而也造成了起重机产品在自重增加的基础上尺寸较大，从而导致资源的浪费。

2.2 工艺

当前起重机受力构件主要以钢板焊接箱形结构为主，生产过程呈半机械化手工制造，结构笨，施工周期较长，缺乏一定的产品美观性。

2.3 材料

纵观国内，起重机材料主要以Q235与Q345为主，高分子材料很少利用。除此之外，在钢材行业中，钢材性能参数不全面，要想确保设计产品的安全性，设计者一般要提高钢板厚度，并增添加强结构，从而提高了起重机自重。

2.4 结构

起重机主要有两种结构，一种是桁架式，另一种是箱形结构。以型钢与钢板为主要构件，利用焊接和螺纹连接的方式确保构件的连接强度，虽然达到了结构的稳定性，但没有过多考虑经济性。

3 桥式起重机轻量化技术

桥式起重机轻量化的目标是在确保基础能力的同时减少自重、节能降耗，实现绿色制造。要实现桥式起重机轻量化需从桥式起重机整体结构上进行改进，包括桥架轻量化、小车架轻量化和起升机构轻量化。

3.1 桥架轻量化技术

新型轻量化起重机桥架以四梁结构形式为主,如图2所示。从主梁看，利用的是窄翼缘全偏轨焊接箱型梁结构，小车轮压力在轨道上传递，最终传递到上盖板和主腹板焊缝上。与传统的半偏轨焊接箱型梁结构相比，全偏轨箱型梁由于副腹板与主腹板受力的差异，副腹板板厚选取要小于主腹板。采用全偏轨焊接箱型梁结构能明显改善主梁上盖板的焊接变形和波浪变形，且焊接下挠变形量较小。大吨位偏轨箱型梁系宽型梁，为此可省略走台，从而使制造工艺进一步简化，真正减少总体质量。轻量化起重机小车轨道采用方钢，与以往起重机采用的压板固定轨道相比有较大差异，其在主梁上直接焊接，确保轨道与箱型为整体结构，提升了主梁刚度。除此之外，利用四梁桥架结构形式科学选择材料，采用端梁模块化设计理念，确保起重机在结构方案上与轻量化目标相一致。

图2 桥式起重机四梁结构桥架

3.2 小车架轻量化技术

承载起升机构小车架为端梁与多处加强筋焊接的超静定刚性框架结构形式，并在框架上面还铺设了厚重的钢板，而且其零部件设计制造技术陈旧，且布置不合理，因此传统小车架结构不仅存在质量大、成本高、结构复杂、焊接工艺复杂、刚性大等缺点，且极易出现车轮三点着地、轮压分配不均衡、车轮啃轨现象，严重影响作业的安全性和寿命。

而轻量化起重机采用三支点静定支承形式，呈工字形三梁小车架，其中横梁为开口滑轮梁，如图3所示。从垂直方向看，小车架具备一定的刚度，能够降低起吊重物振动；在水平扭转角度讲，具备柔性特征，小车架能够承受相关的扭转变形，以确保四轮支点适应主梁的变形。

图3 桥式起重机工字形三梁小车架 图4 传统的起重机起升机构 图5 新型轻量化起重机起升机构

3.3 起升机构轻量化技术

对于起升机构而言，不管是其结构形式还是质量和高度参数，都严重影响着起重机轻量化指标，并影响着主梁质量。传统的起重机起升机构，其卷筒两端用2个轴承座支撑，卷筒通过卷筒联轴器与减速器的低速轴相连，电动机通过联轴器与减速器的高速轴相连。卷筒的2个轴承座、电机、减速器、制动器的支座均用地脚螺栓固定在小车架上，如图4所示。由于该种起升机构传动链尺寸庞大、结构形式复杂、整体小车架刚性过大，导致其整体质量和外形尺寸均偏大。

新型轻量化起升机构采用工字型梁结构，卷筒利用卷筒轴承座与减速器简支座半卧式在车轮梁间进行布置，如图5所示。从整体上看，起升机构仅仅依靠一个减速器简支座与卷筒轴承座进行连接，支承形式极为简单，受力清晰，通过优化传动链，提升了起升高度和空间利用率，确保起重小车结构具备紧凑性，减少整机高度；从安装形式看，减速器在确保传动稳定的基础上，满足了轻量化起重机起升机构实际需求。轻量化起重机小车在空间布置上极为紧凑，不像传统小车平台，可以安装零部件，端梁窄并且刚性小。因此，全面优化传统减速器安装形式，压缩传动链尺寸，降低传动振动，确保起升小车的稳定性。

4 结束语

伴随着国际能源价格的逐渐上涨，起重机市场竞争愈发增大，在这样的形势背景下，起重机产品利润空间逐渐被挤压，轻量化设计受到了广泛关注。当前国内相关研究机构，根据欧美发达国家起重机轻量化设计技术，生产制造出很多轻量化起重机，获得了良好的经济效益，但在结构、材料及电气系统上还存在着一定的改进空间。