(1.河南林业职业学院，河南 洛阳 471000；2.卫华集团有限公司，河南 长垣 453400）

桥门式起重设备轻量化技术的应用

安存胜1，聂福全2

(1.河南林业职业学院，河南 洛阳 471000；2.卫华集团有限公司，河南 长垣 453400）

起重机设备轻量化设计是节能减排技术之一，不仅能减少起重机自身原材料用量及能耗，同时对厂房的要求降低，因此节约效益可观。

起重机；轻量化；应用

一、问题提出

桥门式起重机用途广泛，但其粗、大、笨、重的传统起重机的典型特征致使其使用条件要求过高，能耗相对较大。随着世界工业和科学技术的发展，欧美国家从上世纪80年代后，对起重机进行轻量化设计，轻巧型起重机在90年代后进入中国，并取得了显著的效果。

二、起重机轻量化设计的主要技术

1．电动葫芦代替卷扬起升机构

以同样起升重量10t，跨度16．5m，工作级别A5的起重机为例，上世纪80年代后开发的LH型双梁电动葫芦桥式起重机（简称葫双）与QD型双梁吊钩桥式起重机（简称桥双）技术参数的对比见表1。

从表1中可以看出，LH型比QD型有很大的优势，在欧美国家，对中小吨位桥式起重机，普遍以葫双代替桥双。葫双重量之所以能够减轻，是因为葫双采用了高度集成的模块化设计，将起升机构的主要元件电动机、联轴器、减速器、制动器、卷筒集成设计在一起，从而大幅度减小了体积，减轻了起重机自重。而目前国内新一代ND型葫芦起升机构减速机采用行星齿轮减速机，其结构紧凑、轻巧，便于安装在卷筒内，进一步缩小了电动葫芦的外形尺寸，且其传动平稳、噪声较小；外形采用了方形外壳结构，模块化设计，具有外形美观，通用性强等优点；采用了低净空式设计，在保证起升平衡的前提下，尽量减小配重箱所占空间，且使起升主机、配重箱、电气装置的布置合理、美观；运行部分的设计实现集中传动，彻底解决运行小车单侧驱动因轮压分布不均而出现的打滑现象。具有结构紧凑、空间利用率高，可靠性强，工作范围大，运行平稳、定位准确、使用寿命长等特点。

电动葫芦起重机在国内难以大面积推广的原因主要是：国产电动葫芦性能、内部齿轮传动精度、齿轮材质热处理、配套的电动机和制动器质量等方面与国外产品尚有一定差距，最终表现在电动葫芦的可靠性差、噪声大、能耗大、故障率高。

2．桥架结构轻量化设计

在主要结构件方面，利用Pro/E和ANSYS等软件对桥门式起重机桥架和金属结构进行有限元分析、优化设计和动态仿真。充分验证设计与理论计算之间的差距，优化并减轻设计结构，使主梁结构尺寸最小、结构重量最轻，图1为某250t起重机主梁有限元分析应力云图。

图1 采用轻量化设计的主梁有限元分析

3．低净空设计

在小车结构布置方面采用了变截面的小车架布置方式，根据小车架上的受力特点来布置小车架。由于滑轮梁和卷筒是小车架的主要受力部位，对此部位进行了相应的加强。而作为起升电机的支撑部位，由于没有较大的受力影响，将它的支撑结构相应的减小，这就形成了变截面小车架结构。使得小车的高度有了明显的降低，重量大幅度减轻。图2为轻量化欧式起重机现场应用示意图。

图2 轻量化起重机现场应用示意图

4．新型行走机构设计

设计新型车轮组单元，采用锻造车轮替代传统铸造车轮，减小车轮尺寸，减轻重量，降低轮压。

5．新型小车架结构设计

小车布置结构突破原有结构，是以“井字形”的布置方式，它主要由两个小车端梁，1个定滑轮梁和1个由卷筒组成的承载梁组成。其主要特点是定滑轮梁采用双排滑轮梁结构，同时主起升减速机的布置采用空心轴式的套装减速机布置在小车架的侧面的布置方式，此时卷筒轴可以直接装配在减速机的低速输出轴孔内，省去了传统结构大吨位的减速机与卷筒连接用了大型联轴器，使得起升机构布置更加紧凑。而减速机的侧面布置又可以将卷筒布置于小车架内部，在小车架端梁上整体加工出用于支撑卷筒的轴承座镗孔。这样起升机构中的减速机和卷筒都降低到小车架的上平面以下，使得小车的高度有了明显的降低，重量大幅度减轻。在运行机构布置中，使用了“三合一”减速电机的结构，此种结构布置紧凑，占用空间较小，也可使安装位置相应减小。同时起升机构采用新型高精度硬齿面起升减速机代替传统的中硬齿面减速机，使得起升机构高度和重量大幅度降低。

6．新型传动机构设计

目前国内高端起重机所采用的减速机是以SEW、FLENDER为代表硬齿面减速机系列，具有体积小、自重轻、噪声低、性能可靠的特点，但上述减速机为标准减速机，并不是针对起重机工况领域设计，因此，需要打破齿宽系数传统规定的限制，设计起重机专用的新型减速机。主要的技术应用包括以下几个方面：

(1)增加啮合线长度的齿形创新设计，齿轮接触强度提高18%，弯曲强度提高10%。

(2)深层渗碳技术，层深大于欧洲SMS的值，便于热处理控制，同时可提高强度。

(3)硬齿面齿根圆滑过渡和喷丸强化技术，通过合理的刀具参数设计和工艺留量以达到磨齿后齿根圆滑过渡，提高齿轮的可靠性。

(4)非对称螺旋线修形技术，突破了传统的轮齿修形方法，提高承载能力的同时，降低噪声2～3dB。

(5)热后加工量的最小化和齿轮潜力利用的最大化的新工艺，对提高齿轮承载能力和环保节能方面有着突出的效果。

7．齿轮硬齿面减速机优点

同时在新型齿轮啮合技术应用方面，武汉理工大学开发的新型点线啮合齿轮硬齿面减速机是一种具有我国自主知识产权的新型齿轮。点线啮合齿轮的接触区域既有线啮合，又有点啮合，接触区变大，主要优点如下。

(1)强度提高较大，相同条件下，比渐开线齿轮接触强度提高2～3倍，弯曲强度提高15%～50%。

(2)噪声降低：相同条件下，噪声比渐开线齿轮低5～10dB，加载以后，噪声还会降低2～3dB。

(3)具有可分性：与圆弧齿轮相比较，不需专用刀具，并且对中心距不敏感。

因此通过采用优化算法设计，对不同目标下点线啮合齿轮优化设计的特征分析和建模，并应用于新型欧式电动葫芦和桥式起重机减速机上，也是可以有效解决目前困扰起重机行业技术发展的传动机构难题。

8．电器控制系统设计

目前以SEW为代表的新型变频在国内欧式起重机上得到广泛应用，同时集成电路嵌入式技术、PLC加变频器技术替代传统的继电器控制、串电阻调速等，使电器控制柜数量、体积和重量大幅度减小，运行平稳性增强，振动减小。

9．新型材料应用

逐步推广采用低合金高强度结构钢替代传统的Q235B材料，降低钢板厚度，减少钢板使用量，充分降低起重机重量；

10．其它关键零部件加工热处理技术

如折线卷筒加工技术、卷筒联轴器加工技术、齿轮等强度设计技术、变齿高技术，如吊钩组采用合理材料和优化截面；车轮组采用合理材料和热处理工艺，优化车轮组结构；卷筒组采用焊接钢板卷制卷筒和合理结构；滑轮组：采用新型滑轮槽形和材料；联轴器采用鼓形齿式联轴器代替直齿齿轮联轴器等。以及针对低碳低合金齿轮钢、中碳低合金齿轮钢的渗碳、渗氮、碳氮共渗、高频、中频、超音频淬火技术及新型淬火介质应用等。

三、起重机轻量化技术目前已取得的成效

目前国内一些企业研发的新型欧式中小吨位桥式起重机与传统5～50t系列中小吨位QD型桥式起重机相比，自重轻约15%～30%，高度降低20%～30%，总装机功率（能耗）降低30%～40%。以卫华集团出口英国的轻量化低净空250t桥式起重机为例，该起重机比传统的QD250t桥式起重机高度减小了34%，重量减轻了15%。该公司研发的50t以下新型ND、NH型电动葫芦，采用全新设计布局低净空设计理念，采用全新设计的反滚轮装置，最大限度地降低葫芦自身重量，在技术水平上有了跨越式的进步。同时使起重机主梁截面可得到近一步优化，模块化组合布局，先进的设计优化，使电动葫芦具有更小的净空高度，让用户在达到需求起升高度的前提下，最大限度地降低厂房建筑高度，节省基础成本。

四、结论

我国2013年桥门式起重机的总产值约为400亿元，如果推广轻量化技术成果，将带来一系列效益：如减少钢材消耗和这部分钢材生产的碳排放量；减少钢材加工、运输、搬运和安装等带来的能源消耗；降低作业过程中能耗与废气排放，降低工作噪声等。由于起重机的高度降低，使用户的厂房建筑高度降低、建造成本降低，同时由于起重机重量减轻，提高了起重机的动力性能，降低工作时的驱动力、接触力和摩擦力，减少驱动部件所需的能量，提高机构和配套元器件的使用寿命，也使得厂房的建造成本进一步降低，因此起重机轻量化所带来的节能减排直接、间接经济效益是巨大的，将对国内起重机技术的发展应用和产品结构升级换代带来深远的影响。

TH213

B

1671-0711（2014）05-0009-03

2014-02-28）