張龍 龐繼強 盛世鵬 張輝 吳晨曦

蘭州工業(yè)學院，中國·甘肅 蘭州 730050

1 引言

起重機械是在工業(yè)生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)，其工作內(nèi)容包括：安裝和維修、物料搬運與吊裝。按照能源的多少，起重機有兩種驅(qū)動模式：一種是內(nèi)燃機驅(qū)動，另一種是電動機驅(qū)動。電力系統(tǒng)的運行范圍一般是固定的，一般不太靈活，如在碼頭附近的起重機；內(nèi)燃機的起重機，由于其高度機動性，其工作區(qū)可以活動，可以很容易地轉(zhuǎn)移到諸如車輛起重機等工作場所。公用電網(wǎng)起重機在沿一條固定的運動線路上行駛時，利用纜繩或滑動式接觸線，不受干擾地提供電能。起重機吊裝重物是把電能轉(zhuǎn)換為勢能，如果重物中的能量沒有得到充分利用，則會產(chǎn)生大量的勢能轉(zhuǎn)換為熱量，最后會被浪費掉。所以，在吊裝時通過回收重物的能量，可以大大減少電能的消耗，節(jié)約能量。

2 起重機械基本概述

起重設備實質(zhì)上是將重物吊裝和頂舉，以達到以上的作用，起重設備包括起升機構(gòu)、動力機構(gòu)、操縱機構(gòu)、起升機構(gòu)、取物機構(gòu)等。起重機的核心部件是一個系統(tǒng)，它的作用是調(diào)節(jié)其他的機器的開合、幅度、力度和方向。動力裝置是為了方便動力能夠自如地打開和關閉，以達到抓起重物體的目的。升降裝置的作用其實是把重的東西往下吊，在通常的條件下，起重機是用來對重件進行豎向運輸?shù)?，而升降裝置則是為了以上的作用而設的。通常包含兩類常用的起重機：一類是以燃料作為動力的起重機，另一類是以電能作為動力的起重機。

3 起重機對能源的消耗以及對環(huán)境的污染。

3.1 起重機對能源消耗的特點

起重機是依靠內(nèi)部各機械的協(xié)同作用才能正常工作，它的能源是用來消耗電能的。起重機自身的結(jié)構(gòu)損耗主要由物料損耗構(gòu)成，結(jié)構(gòu)自身重量對其影響較大，而機械零件則以消耗過程為主，而控制系統(tǒng)則以能量消耗為主。由于起重機在運行時會產(chǎn)生大量的電能，因此會產(chǎn)生很多不必要的能源損耗。

3.2 起重機對環(huán)境的污染

起重機運行時的能源消耗情況不容樂觀，對周圍的環(huán)境也產(chǎn)生了一定的影響。起重機排出了很多瓦斯，出現(xiàn)噪聲等污染，對人們的日常生活造成了很大的干擾。若長此以往，不僅會導致不合理的使用能量，而且會給生態(tài)帶來極大的危害。

4 起重機械節(jié)能技術的應用

起重機作為一種機械設備，在企業(yè)的安裝、制造中占有重要地位，因其實用性強，靈活方便，作業(yè)范圍廣，采購方便，分批采購，投資低，因此在市場上有著巨大的需求量。起重機是把電能轉(zhuǎn)換為勢能的一種工藝，但由于其能耗高、效率低，工作時的噪聲較大，對周邊環(huán)境也有一定的影響。隨著中國環(huán)境保護意識的提高，尤其是在節(jié)能減排理念的推動下，對起重機的性能要求也隨之提高。起重機的節(jié)能技術主要有兩個方面：一是提升起重機的能源轉(zhuǎn)化效率，降低能源消耗，進而改善能源利用率，如減小傳動機構(gòu)摩擦力、優(yōu)化取物結(jié)構(gòu)、減輕設備重量等；二是對貯存的材料進行回收和利用，以減少起重機的能源消耗；

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術

一切的組成都是由各種元素組成的，這些元素組成的各種形態(tài)是不同的。從哲學的觀點看，物質(zhì)的變化其實是結(jié)構(gòu)性的變化。對物質(zhì)成分的組合形式進行優(yōu)化是達到質(zhì)量變化的一個主要途徑。起重機的結(jié)構(gòu)比較復雜，部件也很多，在使用過程中可以通過優(yōu)化的方式來減少能耗。目前，中國起重機大多采用橋式結(jié)構(gòu)，其體積較大，相對其他國家的大型起重機而言，體積龐大，能耗高，需要對其進行更多的改造，目前中國和其他國家的有關專家和學者對其進行了深入的研究。目前，該系統(tǒng)的開發(fā)主要分為兩大類，即MATLAB和ANSYS。

4.2 運用新興材料技術

在當今社會的進步與發(fā)展中，人們把重點放在了新型的材料上，并對各種新材料進行了研究，這些材料基本上是由多種元素組成的，具有良好的耐腐蝕性、高強度、輕質(zhì)、高韌性等優(yōu)點，目前已被大量使用。在吊裝設備的設計和生產(chǎn)中，必須合理使用新型復合材料。通常的起重機械都是以鋼材為主要原材料，其體積龐大、耗能大、耐腐蝕、韌性、強度等鋼材無法滿足起重機的設計要求，因此在使用起重機械的過程中，必須采用新材料。為了適應起重設備的設計要求，許多新型材料應運而生。

4.3 變頻調(diào)速技術

間歇運動是起重機的一個基本特征，即在起重設備的操作中，卸載、搬運、取料等工作基本上是交替進行的，為了確保起重設備的安全、可靠，在配載的過程中，必須留出足夠的余量。正常情況下，設備在非滿載狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，不僅要達到動力傳動的要求，而且額外的轉(zhuǎn)矩也會在一定程度上增加功耗，造成電能的大量損耗，而且在正常轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)時，設備的剎車會對機體造成很大的損傷，同時還會增加能耗。

為解決以上問題，在機械設備的工作中，采用改變電動機的定子電源頻率來實現(xiàn)變頻技術。隨著科技的進步，變頻調(diào)速器的性能得到不斷改善，在起重機械中采用了變頻技術，可以有效地改善機械的性能，減少設備的碰撞。

變頻調(diào)速系統(tǒng)性能優(yōu)良，速度響應快，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)矩高，啟動轉(zhuǎn)矩高，電網(wǎng)適應性強。配有過流、過熱、輸入錯誤相斷相、接地等功能，可任意調(diào)節(jié)加、減速、剎車等多種形式，能有效監(jiān)測控制執(zhí)行系統(tǒng)。尤其是采用了直接轉(zhuǎn)矩和矢量控制技術，提高了電動機的性能，采用了先進的變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以在惡劣的工況下工作，提高其工作效率，改善調(diào)速性能，提高安全性能。節(jié)能技術適用于交流變頻器的節(jié)能技術，無論是采用裸滑接線、安全滑接線或纜繩繞組供電。系統(tǒng)利用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的直流母線上的勢能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)直流-交流變換器反饋給電網(wǎng)。該技術具有很好的普遍性，適用于各種類型的變頻調(diào)速，而且工程建設簡便，造價低廉。

4.4 采用高質(zhì)量減速器

目前，減速器在機械中的應用越來越普遍，各種類型的減速帶也在市面上逐漸形成。從20世紀80年代起，減速帶就在起重機上得到了廣泛的運用，但由于中國在這一領域起步較慢，與國外的技術相比還有很大的差距，壽命短，載力不足，無法真正的達到起重設備的工作需求。起重機是一種斷續(xù)運轉(zhuǎn)的設備，經(jīng)常會發(fā)生重新啟動和停止，因此，在實際工作中，它對減速裝置的承載能力和制動性能都有很高的要求。目前，在中國使用的是硬齒輪減速器，硬齒輪減速器的各個方面都有了很大的改善，同時也可以在某些特定的項目中使用，以減少消耗，減少制動磨損，達到節(jié)能和減少能耗的目的。由于交流變頻技術在起重機的生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，國內(nèi)外對交流變頻技術在起重機生產(chǎn)領域的應用進行了廣泛的探討，但由于改造需要投入巨大的資金，很多公司都不愿采用這種技術，在今后的研發(fā)中，要充分利用節(jié)能技術，從而達到可持續(xù)發(fā)展的目標。在實踐中，采用了能量回饋節(jié)能變頻器，以合理替代定子調(diào)壓式變頻器，采用逆變器、直流母線以及自主技術集成技術改造變線，以減少運行費用。

中國在起重機節(jié)能設計和改造上有了長足的進展，如港口、鐵路等抓斗起重機、集裝箱吊車等的節(jié)能改造，而繞線式主提升電動機采用可控硅改變電動機轉(zhuǎn)子電阻結(jié)合定子交流電壓的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)運行速度調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的接觸器由于操作頻率高，易發(fā)生故障，導致備件費用大幅上升，采用電能回饋裝置的變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以對此類起重機進行節(jié)能技術改造。獨立的電能回饋系統(tǒng)有許多優(yōu)勢，它使電力系統(tǒng)更加標準化，功耗低，體積小，電磁能量消耗小，靈活多變。

5 減少起重機節(jié)能技術所需的成本

工程中新增的起重機的電力驅(qū)動裝置，通常采用先進的技術。如果電力回饋技術與逆變器產(chǎn)品相結(jié)合，那么電力回饋組件就會很貴。由于生產(chǎn)成本過高，對起重機節(jié)能技術的應用產(chǎn)生了很大的影響。大量的使用者無法負擔如此高昂的成本，使得這項技術很難得到普及。在對各種逆變器產(chǎn)品進行深入的分析后，筆者孜孜不倦地開發(fā)出一系列適用于各種逆變器的技術。經(jīng)多年使用，證明其性能穩(wěn)定，性能與國際同類產(chǎn)品相當，具有很低的體積、低功率、極低的電磁諧波、適用范圍廣。對逆變器廠商進行的價格控制，使中國客戶更加便捷，同時也減少了生產(chǎn)成本。值得注意的是，用于橋式抓斗卸船機的交流變頻器和控制系統(tǒng)是一種單獨的電力回饋設備。通過對交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化與改造，引入了一種能夠?qū)菽苻D(zhuǎn)換成電能的功率反饋功能。

6 結(jié)語

起重機是一種能源密集型、高消耗的設備，在中國起重機的節(jié)能技術上已經(jīng)相當完善，而且在這一領域已經(jīng)有了很好的效果，但起重機的能源節(jié)約技術卻表現(xiàn)在起重機的設計理念和技術、材料、生產(chǎn)工藝、使用管理等諸多方法，其節(jié)約能源的潛力還很大，還有待于進一步的深入探討，以期推動中國起重機產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。