袁明敏
摘 要:起重機(jī)輕量化是當(dāng)前起重機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì),也是國(guó)家節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略的具體實(shí)施。通過(guò)對(duì)目前我國(guó)起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展進(jìn)行分析,從設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法、材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)和電氣等方面研究了起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù),為起重機(jī)的節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)和使用提供參考。
關(guān)鍵詞:起重機(jī);輕量化技術(shù);研究進(jìn)展
引言
起重機(jī)是一種集物料起重、運(yùn)輸和裝卸為一體的輸送設(shè)備和工業(yè)安裝設(shè)備,在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著不可或缺的作用。長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)對(duì)起重機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)水平的衡量通常側(cè)重于技術(shù)角度,而對(duì)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面的要求考慮較少,致使起重機(jī)能耗高、自重及體積較大且安全系數(shù)裕量也較大,造成資源的浪費(fèi)。隨著現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)和制造能力的提高,以及國(guó)際鋼鐵及能源價(jià)格不斷攀升,提高起重機(jī)械的輕量化和節(jié)能化水平,將極大的促進(jìn)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。文章首先分析了我國(guó)起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題,在此基礎(chǔ)上從設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法等幾個(gè)方面對(duì)起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究。
1 起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀
自重是起重機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),為滿足實(shí)際需求,現(xiàn)代起重機(jī)械正向著大起重量的方向發(fā)展,很多大型起重機(jī)械自重達(dá)數(shù)千噸,這其中有60%到70%為金屬結(jié)構(gòu)。因此,需要耗費(fèi)大量的金屬材料。此外,起重機(jī)自重過(guò)大還會(huì)導(dǎo)致引起輪壓過(guò)大,從而對(duì)施工場(chǎng)地建筑物的承載力提出了更高的要求。因此,在保證起重重量同時(shí),需采用輕量化技術(shù)減少起重機(jī)的自重。
1.1 國(guó)外起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀
國(guó)外起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的研究始于20世紀(jì)70年代。目前國(guó)外已有多家起重機(jī)制造企業(yè)研發(fā)了起重機(jī)輕量化產(chǎn)品,如德國(guó)的Demag Cranes AG、STAHL Crane、ABUS Crane,芬蘭的Kone Crane,美國(guó)的Gorbel Cranes、法國(guó)Euro cranes,西班牙的Linden-Comansas,日本的Hitachi Sumitomo Heavy Industries Construction Crane、Kobelco Cranes等。這些企業(yè)大部分針對(duì)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備等方面進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn),不僅降低了起重機(jī)的重量和工作能耗,也提高了產(chǎn)品的美觀性,此外還節(jié)省了大量的社會(huì)資源,極大地催進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展。
1.2 國(guó)內(nèi)起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀
我國(guó)的起重機(jī)自重普遍比國(guó)外先進(jìn)的起重機(jī)重20%~50%以上,以表1中所示的起重機(jī)的10噸起重小車質(zhì)量為例,歐式起重機(jī)(如SWF公司的NOVA)的小車質(zhì)量?jī)H為QD型小車質(zhì)量的四分之一,據(jù)此可看出我國(guó)起重機(jī)自重與歐式起重機(jī)之間的巨大差距,在起重機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)方面,我國(guó)還有很大的提升空間。
1.3 我國(guó)起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)中存在的不足
1.3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算
目前我國(guó)起重機(jī)的設(shè)計(jì)方法通常為許用應(yīng)力法,該方法較為簡(jiǎn)便,但由于金屬結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)單一,因而不能有效反映起重機(jī)的實(shí)際用途和受力情況,為保證起重機(jī)產(chǎn)品使用的安全性,在實(shí)際設(shè)計(jì)中通常采用較大的安全系數(shù),從而導(dǎo)致起重機(jī)產(chǎn)品自重增加、尺寸偏大,造成資源的浪費(fèi)。
1.3.2 工藝
我國(guó)目前的起重機(jī)中的受力構(gòu)件多為鋼板焊接的箱形結(jié)構(gòu),生產(chǎn)過(guò)程為半機(jī)械化手工制造,結(jié)構(gòu)較為笨重,施工周期長(zhǎng),產(chǎn)品美觀性不足。
1.3.3 材料
國(guó)內(nèi)起重機(jī)材料多為Q235和Q345,而較少采用高分子材料、高強(qiáng)鋼等材料。與此同時(shí),我國(guó)鋼材行業(yè)普遍存在鋼材性能參數(shù)不全的現(xiàn)象,為了保證設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品足夠安全,設(shè)計(jì)者往往增加鋼板厚度,并額外設(shè)計(jì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu),從而提高了起重機(jī)的自重。
1.3.4 結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的起重機(jī)可分為桁架式和箱形結(jié)構(gòu),通常以型鋼和鋼板作為主要組成構(gòu)件,通過(guò)焊接或螺紋連接的方法實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)件的連接,這些結(jié)構(gòu)偏重于穩(wěn)定性和安全性,而對(duì)經(jīng)濟(jì)性考慮較少。
1.3.5 機(jī)構(gòu)和電氣
起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)零部件的加工質(zhì)量是決定起重機(jī)性能的重要因素。此外,起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率以及電氣控制系統(tǒng)的性能也會(huì)對(duì)起重機(jī)的總體性能產(chǎn)生重要影響,這些方面的落后是造成我國(guó)目前起重機(jī)輕量化水平較低的關(guān)鍵因素之一。
2 起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)方法
2.1 改進(jìn)計(jì)算和設(shè)計(jì)方法
廣泛使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)法,提高計(jì)算精度,使計(jì)算結(jié)果更逼近金屬結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中的狀態(tài);應(yīng)用有限元法、模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,深入剖析并動(dòng)態(tài)模擬鋼材結(jié)構(gòu)的力學(xué)和材料性能,在保證起重機(jī)總體性能的情況下,通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化最大程度的降低起重機(jī)的自重。
2.2 工藝改進(jìn)
對(duì)于起重機(jī)中的非主要受力構(gòu)件,可采用工字鋼、槽鋼等;可多采用焊接結(jié)構(gòu)代替鑄件,運(yùn)用機(jī)器人焊接等先進(jìn)焊接技術(shù),與人工焊接相比,在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)可減少對(duì)焊料的使用;運(yùn)用熱處理等工藝提高起重機(jī)齒輪等構(gòu)件的表面強(qiáng)度,確保結(jié)構(gòu)優(yōu)化的情況下起重機(jī)具有足夠的安全性。
2.3 使用輕質(zhì)材料
國(guó)外的相關(guān)起重機(jī)企業(yè)采用鋁合金材料制造起重機(jī)的主要構(gòu)件,與鋼制起重機(jī)相比,鋁合金材料起重機(jī)可減重30%以上;針對(duì)不同類型的構(gòu)件了采用不同的材料,盡可能用H型鋼材代替板材,節(jié)約結(jié)構(gòu)鋼材,并提高結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度。
2.4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)
使用型鋼代替焊接橫梁;采用柔性小車架,將“井字型”4梁結(jié)構(gòu)改為“工字型”梁結(jié)構(gòu);降低小車的總體高度,并采用“多合一”小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)
2.5 機(jī)構(gòu)和電氣系統(tǒng)改進(jìn)
采用緊湊型起升機(jī)構(gòu);選用高速電機(jī)并配用制動(dòng)力矩小的制動(dòng)器;采用變頻調(diào)速技術(shù),提高起重機(jī)的節(jié)能效果;起升機(jī)構(gòu)可采用電動(dòng)葫蘆;根據(jù)起升高度和起升速度的不同選擇合適的倍率。
3 結(jié)束語(yǔ)
隨著國(guó)際能源價(jià)格的不斷增長(zhǎng),起重機(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也越趨激烈,起重機(jī)產(chǎn)品的利潤(rùn)空間進(jìn)一步被壓縮,輕量化設(shè)計(jì)已成為很多起重機(jī)企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、減少生產(chǎn)成本的重要舉措。目前已有相關(guān)研究機(jī)構(gòu)借鑒歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的起重機(jī)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)生產(chǎn)了多種產(chǎn)品,取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,然而在結(jié)構(gòu)、材料、電氣系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方法等方面還存在著較大的改進(jìn)空間。因此,需要國(guó)家和企業(yè)持續(xù)投入資金和精力,并完善起重機(jī)能效測(cè)試和節(jié)能監(jiān)管法律法規(guī),以從技術(shù)和政策上為起重機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)營(yíng)造一個(gè)良好的發(fā)展環(huán)境。
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