雙主梁門式起重機輕量化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

劉新波，王金剛，侯永強

（河南衛(wèi)華重型機械股份有限公司，河南新鄉(xiāng) 453400）

0 引言

科尼、德馬格等歐式起重機以產(chǎn)品輕巧、外觀美觀、運行平穩(wěn)、噪聲低、自重輕、控制方式靈活可靠等優(yōu)勢進入中國市場，對國內(nèi)傳統(tǒng)起重機市場形成巨大沖擊，同時也推動了國內(nèi)起重機的發(fā)展。

起重機用戶追求性能穩(wěn)定、質(zhì)量好、效率高、成本低的產(chǎn)品，制造商要求自重輕、質(zhì)量高、模塊化、成本低；綜合考慮以上因素，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性的前提下，分別從小車、結(jié)構(gòu)、電氣等關(guān)鍵部分進行輕量化設(shè)計。

1 小車的輕量化設(shè)計

在同等額定起重量的前提下，小車自重的降低可有效減輕移動載荷，對門架輕量化設(shè)計有很大影響。

1.1 起升機構(gòu)

傳統(tǒng)的起升機構(gòu)采用電機、減速機、制動器、浮動軸、聯(lián)軸器、卷筒、滑輪組、鋼絲繩、吊鉤組等多個部件組成，見圖1。該種結(jié)構(gòu)體積大、重量重，安裝精度差，如果對起升機構(gòu)的多個部件進行集成化，如采用歐式電動葫蘆作為起升單元（一般用于中小噸位），將大大減輕自重（圖2）。對于中、大噸位起重量的起升機構(gòu)，通過以下5點進行輕量化設(shè)計:

（1）采用級數(shù)低的4級電機與減速機通過法蘭直聯(lián)，省去浮動軸、聯(lián)軸器，減少傳動環(huán)節(jié)，提升傳動效率，同樣功率的電機，級數(shù)越低自重越輕。

（2）減速機與卷筒采用套裝結(jié)構(gòu)，將卷筒軸承座和定滑輪梁支撐在小車架兩側(cè)端梁上，此時卷筒和定滑輪梁也可以作為小車架的結(jié)構(gòu)梁，使小車架的受力結(jié)構(gòu)清晰，簡潔（圖3）。

（3）卷筒采用鋼管或焊接成型，利于減薄壁厚，減輕自重。

（4）采用壓實股、破斷拉力較大的鋼絲繩，利于減小鋼絲繩直徑，減輕自重。

圖1 傳統(tǒng)起升機構(gòu)

（5）滑輪采用軋制或高強度尼龍，吊鉤采用強度等級較高的鉤頭，尺寸小、自重輕。

以上兩種起升單元結(jié)構(gòu)均有利于實現(xiàn)模塊化、標準化生產(chǎn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、傳動效率高、安裝快捷的優(yōu)點。

圖2 集成化起升機構(gòu)

1.2 小車架

傳統(tǒng)小車架由兩側(cè)端梁和中間多個橫梁以及許多小筋板焊接成剛性型（圖4），該種結(jié)構(gòu)制作復雜、重量重，結(jié)構(gòu)焊接量大，整體易變形。

小車架可以采用H形結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計，起升機構(gòu)放置在兩側(cè)端梁上，車架受力簡單，其中兩側(cè)端梁采用矩形管制作，整體加工，結(jié)構(gòu)簡潔（圖5）。

圖3 中、大噸位起升機構(gòu)輕量化設(shè)計

1.3 運行機構(gòu)

傳統(tǒng)運行機構(gòu)車輪組一般采用角箱結(jié)構(gòu)，車輪材料為ZG（340～640），內(nèi)部配滾動軸承，車輪承載能力小，尺寸大，自重較重。若車輪采用65Mn或42CrMo等合金鋼材料，配承載能力較強的調(diào)心軸承，車輪組承載能力不僅得到提高，而且尺寸也可大大減小。運行機構(gòu)采用F，K型三合一減速機驅(qū)動方式，即電機、制動器和減速機集成為一個整體，使布置更加緊湊，體積小、重量輕，易于實現(xiàn)系列化和模塊化設(shè)計。

圖4 傳統(tǒng)小車架

圖5 小車架H形結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

2 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

雙梁門式起重機主結(jié)構(gòu)部分主要由主梁、馬鞍、端梁、支腿、下橫梁及附屬件組成，此部分重量約占整機的70%，是輕量化設(shè)計的重點。

國內(nèi)雙梁門式起重機跨度＜30 m時不考慮溫度變形的影響，采用雙剛性支腿結(jié)構(gòu)，將整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的具有足夠的剛性，以保證整體不變形，但往往在承載額定載荷后，各結(jié)構(gòu)均會發(fā)生變形，尤其是主梁會產(chǎn)生較大的下?lián)希偌由现髁汉蛢蓚?cè)支腿采用螺栓剛性連接，支腿會產(chǎn)生較大的水平橫推力，很大程度上造成大車啃。當跨度＞30 m時，門架采用一剛一柔支腿結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)絕大部分起重機的柔性支腿與主梁仍采用螺栓連接，名為柔性實為假柔性支腿，并沒有將應(yīng)力進行釋放。

結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計應(yīng)不分跨度大小，門架統(tǒng)一采用一剛、一柔支腿，柔性支腿與主梁采用圓柱鉸接形式，將門架結(jié)構(gòu)由超靜定變?yōu)殪o定結(jié)構(gòu)，受力清晰，易于將因主梁受力產(chǎn)生的應(yīng)力釋放。

2.1 主梁

以往主梁常采用薄鋼板大截面，內(nèi)部設(shè)置工藝角鋼和板條以保證局部穩(wěn)定性，軌道采用P型軌，通過軌道壓板等間距固定，為便于更換被磨損的軌道，軌道并不焊接在翼緣板上，計算主梁應(yīng)力時不計入軌道截面。因軌道和壓板置于主腹板頂上，使上蓋板的懸伸寬度加大，需要設(shè)置三角加強筋來保證懸伸部分的局部穩(wěn)定。

在承載同等載荷的前提下，采用厚板窄偏軌梁設(shè)計，可減少內(nèi)部工藝角鋼和板條，軌道采用方鋼焊接在上蓋板上，使其參與受力，可降低主梁應(yīng)力和局部擠壓應(yīng)力。因方鋼軌道寬度小，上蓋板厚度較厚，無需設(shè)置三角加強筋（圖6）。

圖6中a，b兩種主梁截面的慣性矩、抗彎截面模量基本相等，圖6b比圖6a截面積小13%，即自重可減輕約13%，見表1。同時由于工藝角鋼的減少，主梁截面的減小也省去大量焊縫，節(jié)省人工和焊材成本。

圖6 主梁輕量化設(shè)計

表1 兩種主梁截面的慣性矩和抗彎截面模量

2.2 端梁、馬鞍架、地梁

傳統(tǒng)的端梁、馬鞍、地梁采用薄鋼板焊接成型，內(nèi)部設(shè)置隔板，工藝板條或角鋼進行穩(wěn)定性加固，制作復雜；可采用力學性能好、壁厚較厚的方鋼管（材料Q345B）來替代薄鋼板焊接的箱梁。因方鋼管壁厚較厚，截面小，省去了隔板和工藝板條，自重也相應(yīng)降低，同樣也省去了大量焊縫，制作更加簡潔。

2.3 支腿

剛性支腿可采用力學性能好、壁厚較厚的方鋼管（材料Q345B）拼接成V字形結(jié)構(gòu)，替代薄鋼板焊接的箱梁，制作簡單，柔性支腿可直接采用方鋼管來制作。

2.4 附屬件

小車供電通常采用拖纜滑車供電，設(shè)置有大量的7形挑線架，可采用拖鏈進行替代，取消電纜滑車軌道及豎架等附屬件，此種饋電方式傳動性好，不易卡扭，電纜保護性好，便于維護，布線簡潔、美觀；走臺采用單邊走臺設(shè)計，也可考慮采用無走臺設(shè)計，使得整機自重更輕。

3 電氣輕量化設(shè)計

3.1 控制和操作方式

整機采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，使得起升、運行平穩(wěn)，沖擊小、噪音低，有效降低起升沖擊載荷和慣性載荷，利于結(jié)構(gòu)質(zhì)量的減輕。

采用地面操作或遙控操作方式來替代司機室，登機斜梯可用直梯進行替代，有效減輕附屬結(jié)構(gòu)重量。

3.2 電纜線的布置

小車電氣柜放置在小車上，供電采用拖鏈替代拖纜滑車，電纜橋架與大車柜布置在同一側(cè)，可使行車外部電纜的敷設(shè)減少約60%，節(jié)省了成本，也減輕了自重。

4 結(jié)束語

通過對雙梁門式起重機的機構(gòu)、結(jié)構(gòu)、附屬件及電氣進行全面的輕量化設(shè)計，可以看出輕量化后的起重機質(zhì)量更好、性能更高、壽命更長，鋼結(jié)構(gòu)占比大的起重機成本優(yōu)勢更加明顯。而且起重機自重的減輕可顯著減低運輸、安裝成本，以及地基造價成本。