剖析桥式起重机与门式起重机轻量化设计的关键要素

董志伟

（赤峰市特种设备检验所，内蒙古 赤峰 024000）

1 轻量化设计概念

轻量化设计的优势是重量较小，因此操作更加方便，效率更高。将其应用在起重机设计优化中，主要也是基于何节能环保的理念，其主要目的是为了提高起重机的整体性能。在对起重机进行轻量化研究和分析的过程中，在确保机器运行质量和安全的基础上最大程度上减少机器的整体质量从而来提升机器运行的动力性能、减少燃烧的消耗和污染气体的排放。现阶段，在轻量化设计中，通过向国外技术的学习和国外起重机设计的借鉴发现，车辆重量降低可有效提高燃油的效率。

轻量化设计是系统性工程，其目标是实现产品质量、性能和成本的最优化配置，在满足性能和质量要求的基础上尽可能地减少产品的质量，降低运行功率和功耗，同时还可以保证运行的安全可靠性。桥式起重机和门式起重机是最常见的起重机械，对这些起重机进行轻量化设计，可从很大程度上降低能耗、节约资源，推动绿色低碳经济的可持续发展，对于实现节能环保的目标具有重要意义。通过轻量化设计，可以将产品制造得更加轻巧美观，且因为整体重量降低了控制起来也更加灵活，运行更加稳定安全且具有减震和减噪音的作用，为用户提供了更多的选择空间。

2 起重机轻量化设计的意义

起重机的轻量化设计是为了满足社会发展的需要，这些年来起重机在结构设计方面取得了很大的进展，促进了整个市场的发展，也刺激了国内外对起重机的需求。而正是因为如此，对于起重机的技术研究和设计优化也日益重视，尤其在起重机的轻量化设计方面，国家出台了相关政策给予支持。但是，现阶段我国自主研发的起重机和国外发达国家研发的起重机相比还是存在一定的距离，主要原因在于我国起重机的自重力较大，几乎是其他国家起重机重量的1.5～2 倍。所以开展起重机轻量化设计研究是必然趋势，只有结构得到优化了才能提高市场竞争力。此外，随着环保节能意识的强化，为了提高资源的利用率、降低环境污染，开展起重机轻量化设计也势在必行。这是因为起重机是金属结构，金属的重量占整个起重机重量的一半，甚至有的大型起重机大部分都是金属制造的在，为此制造起重机对金属的需求量极大，如果可以实现金属结构的轻量化设计就可以大大减少对金属的需求量，同时可以有效降低制造成本，实现资源的最优化配置以及用最低的成本制造出性能优良的起重机。

3 轻量化小车设计

起重小车是桥式起重机和门式起重机的重要组成结构，小车的性能直接影响着整个起重机的性能和成本，因此也是轻量化设计的关键。比较我国和其他发达国家制造的起重机发现，其他国家已经开始使用铝合金结构的轮式起重机和桥式起重机臂架，自重力降低了一般。如果能在制造起重机的过程中使用H 型刚才可节约大量的结构钢材，还能提高机械的抗弯能力。在进行主梁结构强度设计时，采用刚强度的刚才可减少一部分生产材料而且可以降低起重机的整体重量。具体小车轻量化设计可以从以下几个方面进行研究改进：第一，吊钩设计，吊钩材料和强度等级不同，使得吊钩的质量也有较大的差异。为降低重量，可使用较好的合金材料以及强度较高的材料，使吊钩外形设计更加小巧美观。第二，滑轮设计，现阶段普遍使用的是铸造、焊接以及高温压膜滑轮，首先灰铸铁的强度和韧性较低，导致在使用过程中容易破损。而球墨铸铁材料虽然强度和韧性较高但是制作工艺很差，硬度高，会对钢丝绳的使用造成影响。焊接滑轮采用的是20 号钢制作，含碳量较低，塑性和抗冲击能力较强，但是焊接滑轮无法有效保证质量且会对起重机的起重作用和整体性能造成不利影响，更重要的是焊接滑轮质量不佳且重量较大，不利于提升起重机的整体性能。在改进设计中，可尝试使用强度高、刚性较好且比重小、耐磨耐油抗腐蚀能力较好的工程尼龙塑料，该材料还具有抗紫外线和抗低温脆化的作用，将其用作滑轮的材料可提高滑轮和钢丝绳的使用寿命，同时也减轻了自身的重量。在桥门式起重机中使用高强度的尼龙作为滑轮材料，还能减少噪音污染，提高整体起重机的性能。第三，起升机构优化，可参考欧式起重机的设计，使用电动葫芦式起升机构并进行模块化生产。第四，小车架的框架设计，将其设计为H 型三梁结构可以使结构简化、轻量化。

4 轻量化运行机构设计

轻量化运行机构设计包括车轮和三合一驱动两个方面的设计，首先在车轮轻量化设计方面，车轮的材料不同车轮踏面点接触强度材料系数k 值也不同，从而导致车轮承载能力存在较大差异。通过研究分析可知，使用强度更高的材料可使车轮直径减少，从而降低车轮的质量。在驱动方式设计上，电动机、制动器、减速器等多部件组合的驱动方式对安装的要求较高，且机器本身的体积较大、重量大，还受小车架的影响。为此，可参照欧式起重机运行机构，使用三合一驱动方式，将电动机、制动器和减速器合并起来组成一个部件，运行机构变紧凑以后有利于减轻质量和体积，且安装与调试时也比较方便易操作，受车架变形的影响较小，有利于提高承载能力和使用寿命。

5 轻量化结构设计

金属结构是起重机的重要组成，占据了整个起重机重量的一半以上，甚至有的大型起重机90%都是金属结构，为此必须加强对金属结构的轻量化设计研究。起重机结构一般由材料、小车轨道、纵向筋、结构形式和主梁截面参数构成，现阶段对相关组成功能结构也进行了设计创新，比如传统的桥门式起重机小车轨道一般使用的是工字型P型钢轨进行压板式固定，这种方式导致轨道和主梁盖板的贴合度不够，导致滑移现象的出现。为此，在轻量化设计中，可使用薄壁型材料和异型钢材料代替传统材料，可降低结构之间的焊缝数量，从而使结构连接更加紧密，同时也提高了结构的抗疲劳能力。现阶段，在桥门式起重机轻量化结构设计中，采用全偏轨的主梁布置方式，可以更好地受力和传力，使得结构运行更加安全稳定，同时也减少了对材料的使用，有利于降低成本。同时对于小车轨道和，可使用压板式和焊接式固定方式，或采用有限元分析方法分析两种固定方式对起重机金属结构的影响，通过分析计算可知，焊接式固定方式可更好地改善结构的刚度、降低主梁的应力，从而有效提升起重机的整体起重特性，同时还能减少起重机的结构自重力。

6 其他轻量化设计措施

为降低运行功耗，需要全面考虑起重机的性能、成本、生产工艺以及管理因素等，进行参数的合理配置才能完善各方面的性能、降低成本，提高工作效率。其次，可采用变频调速控制以及改善操作方式的措施，提高系统调速控制的稳定性、准确性，使操作更加简单，减少机构的冲击力，提高使用寿命，减少故障发生，从而降低维修成本，获得节能降耗的效果。此外，采用遥控操作方式，取消司机室、减少附属结构的重量和电气系统的重量也是桥门式起重机轻量化设计的一种方法，以自重轻、强度高、密封性好、安全可靠和人性化的设计来提高机器结构性能。

7 轻量化设计技术

在我国起重机轻量化设计发展中，设计的方法大多以古典力学和数学为基础的集理论设计、经验设计和类别设计于一体的传统设计方法。随着技术的不断发展和进步，对设计要求的提升，为减少设计周期、提高设计精确度和可靠性，必须改变传统的设计技术方法，将电子计算机技术和现代工程理论结合起来进行设计完善，出现了不少跨学科的设计方法，比如常见的有极限状态设计法、优化设计法、有限元设计法和模块化设计方法等。其中极限状态发设计是定值法的范围，具有算法简单、应用简便的优势，但在实际应用设计中限制因素较多，可能会出现控制失灵的现象。为此，在进行起重机结构部件设计时，以极限承载能力为依据并综合考虑失效概率和起重机的使用性能，提高对材料的利用率，可起到节约材料、减少自重力、节约成本的作用。

8 结语

综上所述，桥式起重机和门式起重机作为使用最为广泛的两种起重设备，进行轻量化设计不仅可以减少对资源的使用，实现对资源的最合理配置，而且还能节约成本、降低对环境的污染，确保起重机械在使用中的安全可靠性。但是轻量化设计是一项系统性的工作，必须从系统的角度进行认识研究，为此需要各个部门互相协调与合作，和厂家沟通，才能实现科学合理的起重机轻量化设计，制造出新型的性能优良的轻量化起重机，推动节能低碳型经济社会的发展。