橋式起重機(jī)輕量化技術(shù)與智能化技術(shù)的應(yīng)用

革新橋式起重機(jī)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，優(yōu)化整機(jī)性能并實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，突破輕量化關(guān)鍵技術(shù)，既是起重機(jī)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，更是實(shí)現(xiàn)我國(guó)綠色制造總體目標(biāo)的關(guān)鍵。

起重機(jī)械廣泛應(yīng)用于冶金、裝備制造業(yè)、運(yùn)輸與物流業(yè)、造船等國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱行業(yè)，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。橋式起重機(jī)作為起重機(jī)械中量大面廣的一種機(jī)型，在實(shí)際應(yīng)用中更具有廣泛性、基礎(chǔ)性和通用性的特點(diǎn)。因此革新橋式起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱起重機(jī))傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，優(yōu)化整機(jī)性能并實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，突破輕量化關(guān)鍵技術(shù)，既是起重機(jī)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，更是實(shí)現(xiàn)我國(guó)綠色制造總體目標(biāo)的關(guān)鍵。

1. 輕量化技術(shù)

(1)橋架輕量化技術(shù)新型輕量化起重機(jī)橋架一般采用四梁結(jié)構(gòu)形式，如圖 1 所示。其主梁采用窄翼緣全偏軌焊接箱型梁結(jié)構(gòu)，小車輪壓力通過(guò)軌道直接傳遞到上蓋板與主腹板的焊縫上。

與傳統(tǒng)的半偏軌形式相比，采用全偏軌箱型梁因主、副腹板受力不同，副腹板板厚選取可比主腹板小，并可取消半偏軌箱形梁內(nèi)部眾多小隔板。采用該結(jié)構(gòu)形式，能明顯改善主梁上蓋板的焊接變形和波浪變形，且焊接下?lián)献冃瘟枯^小。大噸位偏軌箱形梁系寬形梁，為此可省略走臺(tái)，從而使制造工藝進(jìn)一步簡(jiǎn)化，總體質(zhì)量進(jìn)一步降低。與傳統(tǒng)起重機(jī)采用壓板固定的軌道不同，輕

量化起重機(jī)小車軌道采用方鋼(或扁鋼)直接焊接在主梁上，能使軌道和箱型梁組成整體結(jié)構(gòu)，共同承受載荷，提高了主梁的強(qiáng)度和剛度，較大幅度降低了主梁高度和主梁質(zhì)量。

通過(guò)采用四梁橋架結(jié)構(gòu)形式、全偏軌焊接軌道箱形主梁，合理選配材料，應(yīng)用先進(jìn)的端梁模塊化等設(shè)計(jì)思想，可使起重機(jī)從結(jié)構(gòu)方案上達(dá)到輕量化的目標(biāo)。

(2)小車架輕量化技術(shù)

傳統(tǒng)起重小車架采用超靜定結(jié)構(gòu)的布局方式，選用的零部件技術(shù)陳舊，布置缺乏優(yōu)化，由此導(dǎo)致起升機(jī)構(gòu)大而笨重。其承載起升機(jī)構(gòu)的小車架則多采用由 2 根端梁、多根橫梁以及多處加強(qiáng)筋焊接成的超靜定剛性框架結(jié)構(gòu)形式，框架上面還需鋪設(shè)厚重的鋼板。由此看出，傳統(tǒng)小車架結(jié)構(gòu)不僅存在質(zhì)量大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接工藝復(fù)雜、剛性大等缺點(diǎn)，且極易出現(xiàn)車輪三點(diǎn)著地、輪壓分配不均衡、車輪啃軌現(xiàn)象，嚴(yán)重影響作業(yè)的安全性和壽命。

輕量化起重機(jī)采用如圖 2 所示的三支點(diǎn)靜定支承形式的工字形三梁小車架，其橫梁為開(kāi)口滑輪梁。該型小車架在垂直方向有足夠的剛度，以減小起吊重物的振動(dòng)。在水平扭轉(zhuǎn)方面，有一定的柔性，允許小車架承受一定量的扭轉(zhuǎn)變形，以確保四輪支點(diǎn)適應(yīng)主梁的變形。

(3)起升機(jī)構(gòu)輕量化技術(shù)

起升機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量、高度等參數(shù)對(duì)起重機(jī)整機(jī)的輕量化指標(biāo)，特別是主梁質(zhì)量、整機(jī)凈空高度等都會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。傳統(tǒng)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)如圖 3 所示。其卷筒兩端用2個(gè)軸承座支撐，卷筒通過(guò)卷筒聯(lián)軸器與減速器的低速軸相連，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與減速器的高速軸相連。卷筒的 2 個(gè)軸承座，電機(jī)、減速器、制動(dòng)器的支座均用地腳螺栓固定在小車架上。由于該種起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈尺寸龐大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、整體小車架剛性過(guò)大，導(dǎo)致其整體質(zhì)量和外形尺寸均偏大。

優(yōu)化后的新型起升機(jī)構(gòu)布置如圖 4 所示。其采用工字型梁、無(wú)整體安裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)，卷筒通過(guò)一個(gè)卷筒軸承座和一個(gè)減速器簡(jiǎn)支座半臥式布置在 2 個(gè)車輪梁之間。減速器的花鍵輸出軸端通過(guò)剛性錐形接手與卷筒法蘭板相連，電機(jī)通過(guò)法蘭固定在減速器箱體上。整個(gè)起升機(jī)構(gòu)僅有一個(gè)

減速器簡(jiǎn)支座、一個(gè)鉸接支座和一個(gè)卷筒軸承座與小車架端梁相連，支承形式簡(jiǎn)單，受力清晰。該結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)傳動(dòng)鏈的優(yōu)化，提高了起升高度、增加了空間利用率，實(shí)現(xiàn)了起重小車整體結(jié)構(gòu)緊湊、整機(jī)高度大幅度降低的目的。

減速器的安裝形式既要保證傳動(dòng)的穩(wěn)定，又要滿足輕量化起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的需求。輕量化起重機(jī)小車空間布置緊湊，沒(méi)有傳統(tǒng)的小車平臺(tái)用以安裝零部件，其端梁較窄且剛性小，為此需對(duì)傳統(tǒng)減速器的安裝形式進(jìn)行優(yōu)化，以壓縮傳動(dòng)鏈尺寸、減小傳動(dòng)振動(dòng)。具體可采取以下方案：對(duì)于電機(jī)、制動(dòng)器等無(wú)底座部件，可采用剛性接口連接在減速器箱體上，如圖 5 所示。從有利于

起升小車穩(wěn)定性的角度考慮，電機(jī)的長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，質(zhì)量應(yīng)盡量輕。

通過(guò)上述金屬結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究及輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，新型起重機(jī)產(chǎn)品整機(jī)質(zhì)量平均可減少20% ～ 25%，高度可降低 10% ～ 30%，能耗可降低 10% ～ 30%。同時(shí)，采用輕量化技術(shù)的起重機(jī)可以有效降低廠房建筑高度，節(jié)省取暖和照明等費(fèi)用，顯著降低綜合使用成本。

2. 智能化控制技術(shù)

(1)精確定位與防搖擺技術(shù)

起重機(jī)防電氣搖擺自動(dòng)定位控制技術(shù)，綜合懸掛物搖擺的物理特性和起重載荷搖擺的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)建模和計(jì)算可預(yù)測(cè)出載荷搖擺的幅值和相位。其利用智能化防搖擺自動(dòng)定位控制理論和控制方法，通過(guò)可編程控制、現(xiàn)場(chǎng)總線通信、變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)等現(xiàn)代電氣控制技術(shù)，可實(shí)時(shí)地控制起重機(jī)的運(yùn)行速度。

精確定位及防搖擺技術(shù)的研究?jī)?nèi)容主要需圍繞 3 個(gè)方面展開(kāi)：一是檢測(cè)裝置的選用，二是信號(hào)傳輸方式、檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架、抗干擾能力、分辨率、可擴(kuò)展性的確定，三是可視化操作技術(shù)與 PLC 控制技術(shù)的綜合應(yīng)用。具體包括以下 3個(gè)方面研究?jī)?nèi)容：一是開(kāi)發(fā)出新型實(shí)用起重機(jī)防搖擺控制理論和方法，二是開(kāi)發(fā)出新型實(shí)用起重機(jī)自動(dòng)精確定位控制理論和方法，三是開(kāi)發(fā)出適合推廣應(yīng)用的起重機(jī)電氣防搖擺自動(dòng)定位控制系統(tǒng)。電氣防搖擺自動(dòng)定位控制系統(tǒng)打破了人們一直以來(lái)對(duì)起重機(jī)載荷搖擺問(wèn)題的固有認(rèn)知，使起重機(jī)轉(zhuǎn)變成為新型的“起重機(jī)器人”成為可能。

(2)故障診斷及安全保護(hù)系統(tǒng)

智能故障診斷及安全保護(hù)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、控制、處理、儲(chǔ)存、導(dǎo)出、遠(yuǎn)程監(jiān)視平臺(tái)等單元。為保障起重機(jī)械運(yùn)行高效安全，可將動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)、快速維護(hù)、部件監(jiān)測(cè)等內(nèi)容列為重點(diǎn)。具體內(nèi)容包括 3 項(xiàng)：一是規(guī)劃數(shù)據(jù)采集范圍、控制方案，提出數(shù)據(jù)處理、儲(chǔ)存、導(dǎo)出要求;二是明確遠(yuǎn)程監(jiān)視平臺(tái)功能要求;三是建立智能故障診斷及安全保護(hù)系統(tǒng)研發(fā)框架等。

(3)自動(dòng)控制系統(tǒng)

智能自動(dòng)控制主要體現(xiàn)在起重機(jī)械能夠適應(yīng)不同環(huán)境，能夠精確靈活、安全可靠自動(dòng)運(yùn)行。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，起重機(jī)智能自動(dòng)控制運(yùn)行研發(fā)基礎(chǔ)逐漸成型，并在垃圾起重機(jī)、全自動(dòng)冶金起重機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用已取得一定的成效。起重機(jī)自動(dòng)控制研究重點(diǎn)在于在線運(yùn)行空間檢測(cè)、負(fù)載特性、物料掃描。研發(fā)人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝布局和

施工路線，通過(guò)與吊鉤定位、智能故障診斷系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)以及專用吊具的結(jié)合，提出智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行的功能方案。

(4)在線監(jiān)測(cè)及安全評(píng)估技術(shù)

此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是起重機(jī)安全光纖光柵傳感數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本理論和應(yīng)用技術(shù)?；诠饫w光柵起重機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，形成的起重機(jī)專用光纖光柵傳感器及光纖光柵高速解調(diào)器等新裝置，如圖 6 所示。對(duì)于研發(fā)人員而講，可根據(jù)大型橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、在線監(jiān)測(cè)要求，確立起重機(jī)專用光纖光柵傳感器設(shè)計(jì)方法和封裝與埋設(shè)工藝。

此外，研發(fā)人員結(jié)合大型橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，應(yīng)用基于光纖光柵傳感技術(shù)還可構(gòu)建應(yīng)變監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)?；诠饫w傳感的在線應(yīng)用如圖 7 所示。根據(jù)橋式起重機(jī)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)信息量大、系統(tǒng)頻響快的特點(diǎn)，采用先進(jìn)的 C/S 結(jié)構(gòu)和 3D 建模技術(shù)，可模擬橋式起重機(jī)動(dòng)態(tài)作業(yè)過(guò)程，形成友好的人機(jī)交互環(huán)境。

(5)材料損傷壽命評(píng)價(jià)技術(shù)

該技術(shù)是指采用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，研究起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)材料與焊接結(jié)構(gòu)材料的過(guò)載形變損傷及疲勞損傷的信號(hào)特征，并依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)研究預(yù)測(cè)橋式起重機(jī)械材料的損傷狀態(tài)或剩余壽命。采用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。

該技術(shù)從斷裂力學(xué)入手，引入聲發(fā)射能量理論，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)缺陷尺寸、增長(zhǎng)狀態(tài)及結(jié)構(gòu)失效概率，建立參數(shù)擬合模型、概率預(yù)測(cè)模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等模型。然后根據(jù)上述模型進(jìn)行缺陷擴(kuò)張情況預(yù)測(cè)，并結(jié)合臨界缺陷尺寸及損傷容限探討，預(yù)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)剩余壽命。