起重机节能与失效的关系研究

2018-05-28李向东

建筑机械 2018年5期

周超，李向东

（江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏南京 210032）

起重机是工业生产的基本装备之一，随着中国制造业的迅猛发展，其保有量得以快速增加。一方面，起重机是高耗能产品，一台普通的50t通用桥式起重机，整机功率就达到几十kW。另一方面，起重机属于特种设备，对安全性有很高的要求，力求避免出现不可预期的失效。围绕这两方面的要求，目前研究有两大热点：一是节能研究，包括节能设计、能耗评价、能耗检测等几大方向；二是失效研究，主要有失效分析、损伤分析、疲劳分析等［1-4］。

起重机的节能和失效涉及的是互不相同的2个领域，但2个方面要求集中在同一设备上，必然存在相互交叉的内容。举例来说，节能设计往往受到失效条件的约束：常见的如为节能而进行的主梁轻量化要考虑疲劳损伤和失效的影响；为了减小失效概率而提出冗余设计往往导致能耗增加；机构部分失效后，如轴承磨损、电机绝缘变化，大多数情况会导致能耗的增加。这些都说明，起重机的节能和失效其实是有内在关联性的。单一考虑某一方面，可能存在片面性。

本文将分析起重机节能的主要因素以及与失效的相互作用关系，为起重机节能设计评价和预防失效提供参考。

1 起重机能耗影响因素分析

一般的起重机，输入电能，将电能转化为位能、动能，同时克服摩擦做功，抵消各种损耗，达到搬运重物的功能。在不同的工作状态，消耗的电能差异比较大。归纳起来有如下5种工作状态，分别为待机、上升、下降、小车运行、大车运行。

1.1 不同工作状态的能耗消耗分析

待机时，主要耗能的部件有电控系统、照明和安全监控系统，统称待机能耗E待，

待机能耗在所有工作状态下都存在，在不同工况时，能耗值有所不同。虽然待机的功率比较低，但是工作期间累积起来的能耗也不少，要予以考虑。

上升状态时，电机将电能转化成重物的动能Ek和位能EP，这个过程中还需要额外电能抵消起升机构的内部损耗E损耗和制动器耗能E制。内部损耗E损耗包括电机电损耗和各种摩擦损耗等，制动器耗能E制主要指维持开闸状态的电机能耗。因此，上升状态的总能耗E上为

下降状态时，电机处于电气制动状态，不同的控制设备，电气制动状态不同，相应的下降时的能耗不同［5］。比如通用起重机电动机转子串电阻类电控柜PQR2和PQR4系列，下降采用一挡反接制动，一挡单项制动加一挡再生发电制动。比如适用于经常重载工作的QR2S控制柜，下降为2挡反接制动加一挡再生发电制动［6］。再比如采用变频驱动，下降不但不耗能，还可以将电能回馈给直流母线或者电网。

目前大多数情况，下降时重物势能不回收，则下降的能耗E下为

式中，势能EP一部分转换为重物动能EK和E损耗，剩余部分和电机提供的驱动能抵消。制动器的能耗单独计算。

小车运行和大车运行状态能耗机理基本一致。运行机构能耗主要用来克服摩擦力做功、提供动能、抵消驱动机构内部损耗和制动器能耗。总的运行能耗用下式表示，

式中，E摩擦主要指车轮与轨道的摩擦阻力做功，Ek是整机或小车（包括吊重）的动能，E损耗指驱动系统和车轮组的电损耗和摩擦损耗。

1.2 影响能耗主要因素

通过分析了起升、下降和运行工作状态，得到了能耗的表达式，式中的EP、EK是由起重机设计需求决定的，是所谓的有用功。用户在技术协议中规定了起重机的额定起吊重量、额定速度（包括起升和运行速度）和额定起升高度，这3个参数决定了EP、EK的大小，参数不能改变，也就无法通过优化这些参数降低能耗。

E制动是制动器的能耗。由制动器的原理可知，制动力靠弹簧力使闸瓦和制动轮摩擦，开闸和保持开闸状态靠液压推杆的推力克服弹簧力，因此制动器的耗能（耗电）部件是液压推杆。不考虑开闸的瞬间，液压推杆的推力在整个工作过程中保持恒定，即弹簧的弹性力，其耗能与起重机参数没有密切关系。

E损耗由以下参数决定：包括电机效率、减速器效率、轴承效率、传动轴效率、滑轮效率、控制方式、转子电阻等。这是整机能耗水平或能量使用效率的关键一项，提高各部件效率，采用更先进的控制方式，相同水平下能有效降低能耗。

E摩擦由整机或小车重量和车轮摩擦系数决定［7］。整机或小车重量由机构和结构重量组成，摩擦系数与车轮直径、车轮材料有关。这也是影响整机能耗水平的重要因素之一。

2 导致失效的因素分析

起重机失效的主要表现为：结构或机构破坏；传动机构振动、噪声超标；电机、电气元件过热导致性能降低或功能异常，相应导致失效的原因是冲击、摩擦、发热。

起升控制方式不合理或制动器制动力调整过大，容易对结构和机构产生额外冲击力，导致结构或机构的破坏。在检验过程中遇到过不少这样的案例。例如一台双梁桥式起重机，中轨梁结构（轨道在上盖板中间），在下降制停时，突然发生轮压附近的上盖板塌陷。经过分析可知主要原因是下降停车时，加速度过大，导致施加在结构上的冲击力超过设计许用值。

摩擦导致传动机构噪声和振动超标也是常见失效形式之一。检验中曾遇到典型的例子是一台改造过的桥式起重机，改造项目是更换新的起升机构，现场施工人员在处理电机、减速器的基座垫高时，没有测量准确，导致新安装的电机、减速器同轴度误差太大。起重机试运行时，轴承与齿轮摩擦超过正常水平，结果噪音和振动严重超标，无法正常使用。

电机和电气元件的过热失效一般是选型不当导致的，也有少部分情况是起重机操作不正确，频繁的点动操作使得发热量增大。例如抓斗起重机的起升机构电机，现实使用时，时常有用户反映电机过热或烧毁。原因是抓斗起重机的起升机构由起升和开闭2套驱动组成，设计规范规定在起升和开闭同步性较好的情况下，电机容量可以适当减小，没有经验的厂家往往忽略“同步”这个条件，直接减小了电机容量。

3 节能设计与避免失效的相关性分析

经分析起重机能耗的主要方面，列举了常见的失效现象和原因，有助于指导我们采取更有效的措施，以达到更低的能耗和更高的可靠性双重目标。

起重机行业内非常热门的降低能耗的措施之一是结构轻量化，例如优化主梁、端梁、支腿、小车架等主要结构件，使得自重变轻，从而运行机构的功率变小，动能Ek和摩擦损耗E损耗相应减小。但是同时，这种优化后的结构对于可靠性来说，很有可能降低了。一般来说优化后的结构安全系数要比原来小，如果采用形状优化，通常是结构比原来复杂了，给控制制造质量带来不确定性。

控制方式改变对起重机能耗和可靠性的影响比较复杂。目前常见的转子串电阻和变频驱动控制方式，对于节能来说，变频驱动方式显然有优势。从结构可靠性来说，变频驱动能减小对起重机结构冲击，相同吊重情况下提高了结构可靠性。前面提到的主梁塑性变形的案例，有一部分原因就是制停时冲击过大，使得主梁局部失稳。从控制系统本身可靠性来说，转子串电阻因结构简单反而有优势。

采用高效率的驱动部件在节能方面是不言而喻的，更进一步，高效率意味着各种发热、振动、摩擦的损耗减小，一般来说能提高部件可靠性。

在起重机使用阶段，正确、及时的维护保养，确保各部件润滑正常，有利于各运动部件保持高效率，降低磨损，既能降低能耗，也能提高可靠性。

对于某些特殊场合，起重机往往会采用部分冗余设计以提高其可靠性，如防爆起重机和冶金起重机的双制动设计，铸造起重机的双驱动设计等，但这些冗余设计显然增加了能耗。

驱动部件，如电机、减速器选型时，设计人员为了提高可靠性，往往会选择大一级的产品。而电机、减速器工作在额定值附近时效率最高，因此选择大的驱动部件意味着大马拉小车，对节能是不利的。

综合上述分析，得到图1的关系图。从图中可以看出，有一些措施会使起重机更节能，但对于可靠性来说是有负面影响的，有一些措施对于可靠性来说有益，但是耗能更高。其中提高传动部件的效率和机构装配精度这2项措施，对于节能和提高可靠性都是有利的，这也是欧式起重机相比国产起重机更为先进的地方。正确及时的维护保养，也有利于维持起重机处于最优能耗和高可靠性状态。