起重机节能与失效的关系研究

薛辉

摘 要：从起重机节能与失效2个方面，分析了不同工作状态下能耗组成和影响能耗的主要因素，结合日常检验中失效的案例和原因，综合论述了各种措施对起重机节能和提高可靠性的影响，指出了零部件的效率和装配精度以及维护保养在起重机节能和失效研究中的重要性。

关键词：起重机；节能；失效；相关性

引言

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。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。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[1]。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。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導致失效的因素分析

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。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[2]。

3节能设计与避免失效的相关性分析

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[3]。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。

结束语

在起重机的节能研究与失效研究中综合考虑各方因素，针对不同用途的起重机，区别对待节能和可靠性的重要性，才能得出具有实际意义的研究结论，便于推广应用。

参考文献：

[1]周超，李向东. 起重机节能与失效的关系研究[J]. 建筑机械，2018（05）：47-49.

[2]李向东， 原徐成， 叶伟，等. 浅谈起重机节能研究[J]. 起重运输机械， 2013（8）：64-65.

[3]叶伟. 桥式起重机节能评价技术研究及系统开发[D]. 南京理工大学， 2014.