桥门式起重机节能设计研究

前言

起重机是我国工矿、港口、造船等行业中重要的物资搬运设备，在促进我国经济建设中发挥着重要作用，随着我国科学技术的进步和绿色环保理念的深入人心，对于起重机的节能设计的研究逐步增多，在保证起重机的质量和工作性能的前提下，通过采用新技术、新材料实现起重机的节能设计，是当下起重机行业的热点课题，对于实现我国低碳经济发展具有重要意义。

1、国内外起重机节能技术发展趋势与现状

目前，起重机的节能设计主要采用简化设备结构以减轻自重、基于启发式算法的轻量化设计，多是从结构设计方面考虑改进。然而，单纯从结构设计方面减轻起重机的自重己很有限，而且盲目减轻自重会留下安全隐患。由于起重机是一个由很多子系统构成的复杂系统，各主要子系统之间均有强弱不同的藕合关系，所以，起重机的节能设计问题是一个多学科藕合问题，涉及结构设计、机械传动以及电气控制等学科，且起重机的节能设计并非各学科设计的简单叠加与排列组合，各学科之间存在着相互影响制约的藕合关系。此外，对起重机械节能检测方法和评价体系尚需进一步进行系统而全面的研究，这就迫切需要从结构、机械传动、电气控制等多学科级角度，结合能耗检测与评价，进行桥式起重机的系统级节能设计。

根据有关资料，芬兰Kone公司设计的一款起重机，其起升结构减速器外壳与小车架端梁合二为一，定滑轮组与卷筒组连为一体，小车运行机构采用三合一驱动装置，从而整机自重大幅度减轻。法国Patain公司采用高、宽比为4一3.5的窄偏轨箱形梁做主梁，大筋板间距为梁高的2倍，不用小筋板，从而提高了起重机整机性能。德国DEMAG公司的DR系列钢丝绳电动葫芦，其电动机、减速器和卷筒采用了C形布置方式，结构简单紧凑，组合性好，且方便葫芦的安装和维护。大连重工起重集团有限公司设计的一种起重机小车运行机构，采用“三合一”减速器，将传统的平面布置改为立体布置，使小车整体结构简单紧凑，运行平稳。这些研究成果都分别是单纯从结构、传动装置或控制方面对起重机进行节能设计及研究的，并未从影响起重机能耗的全局考虑，未考虑起重机子系统间复杂的相互影响，也并未从起重机能耗检测与评价考虑，因此，目前国内外对起重机的节能设计还有一定的局限性，缺乏系统和全面研究。

2、桥门式起重机节能设计

2.1遥控器和PLC的使用

目前遥控器和PLC乃至触摸屏的使用已很普遍。应借助遥控器多点收发和小型PLC总线控制功能．将控制箱尽可能地布置在小车上，以大幅度降低输电线用量和能耗。对大吨位、大跨度行车来说，随着输电线用量的减少，在电缆价格快速增长的情况下可使总体成本不涨反降。相信遥控器和PLC价格成本降低后，所有行车都会因此受益。遥控器的多点收发及PLC总线控制的使用，使起重机控制系统更为简单，便于安装和维修。

2.2变频调速系统的使用

起重机起升机构，普遍采用的是交流绕线式异步电动机。转速的调节是通过在电动机转子回路里串入外接电阻来实现的。在运行过程中，消耗在外接电阻中的能量是非常可观的。有试验表明，桥式起重机在各种工作状态下，平均消耗于外接电阻中的电能占全部输入电能的20％左右。运行速度越低，需要串人转子的外接电阻就越大，消耗在其中的能量就越多。采用变频调速后，调速系统从电网摄取的功率是随转速而变化的。或者说，是根据负载的需要而变化的。这不但节约了串电阻调速系统中消耗在外接电阻中的大量能量。甚至还能通过能量回馈装置不时地向电网反馈电能。此外，变频调速将大型起重机由绕线转子电机改变成了鼠笼式电机，降低了1，5以上铜的用量，同时将起动电流由原来的2～2．5倍降至1．5倍，降低了对电源变压器的容量配置的要求，节约了能源。变频调速所带来的显著经济效益．将会被越来越多的企业所利用。

2.3起重机的轻型环保材料

随着材料技术的发展，运用到起重机上的轻型环保材料日益增多。其中，采用轻合金高强度结构钢制造的起重机金属结构，强度高，重量轻，有效地节约了金属材料，如瑞典SSAB生产的仅4mm的Weldoxl100型钢板，SSAB目前正在研制1300MPa的超高强度钢板。尼龙滑轮不仅可以延长使用寿命，还能降低噪声，用高强度尼龙代替钢质滑轮。另外，尼龙柱销联轴器运用于小车运行机构和起升机构中，可以减轻自重和降低制造成本。高陶瓷滚动轴承的运用，不仅机械性能优于钢质轴承，而且耐高温、能耗小、摩擦因数小。

2.4结构和机构节能

起重机工作繁忙，结构自重大，金属结构约占整机成本的1/3，重量的4000^7000，重型起重机可达90%以上，减轻自重不但可以节省原材料，而且也相应减轻了机构的负荷和降低支承结构的造价。在保证起重机安全性能的条件下，创新结构和机构设计是有效减轻起重机自重的方法之一。

减轻桥架的自重

1)采用析架结构。同等额定起重量的起重机箱形梁式桥架的自重比析架式大，尤其是在起重量小(<15~20t))而跨度又较大(>17m)的情况下更为显著，这时起重机轮压可相差约20%。例如铁路部门设计并制造的三角形断而析架门式起重机，金属结构自重比相同参数的双梁箱形门式起重机轻15%~20%。但两种桥架的自重差别是随着起重量增大和跨度减小而逐步接近。

2)采用空腹箱型结构。近年来在大起重量桥架结构中采用了一种空腹箱型结构，也称为无斜杆系统，这种结构自重轻且制造方便，刚性也较为优异。

3)采用单梁代替双梁。单梁起重机与双梁起重机相比自重较轻，对于大跨度尤为明显。单主梁门式起重机还能使支腿得到简化，因而应用广泛，且正向大型化发展。

4)采用无司机室操纵方式。采用地而操纵或遥控控制方式，取消司机室，也可减轻桥架的自重。

5)小吨位、精度要求不高的起重机采用简易单梁，如压制箱型梁、工字钢梁、H型钢梁等。

2.5节能控制系统设计

传统的起重机再生电能，由串联在电机转子上的制动电阻把这部分能量消耗掉，不仅浪费能源，还会增加起重机控制系统的运行温度，容易发生故障。节能设计的起重机节能控制系统，将电力电子技术、PLC技术、变频器技术结合在一起，将起重机重物下放过程中产生的再生电能无污染地送回电网再利用，以实现节能环保，改善系统的运行环境。起重机的起升机构为变频调速系统，采用四象限变频器拖动电动机。起重机起升重物时，电动机处于电动状态，四象限变频器拖动电动机克服重力做工，消耗电能。起重机下放重物时，电动机处于再生发电状态，当四象限变频器直流母线电压升高到一定程度时，起重机的节能控制系统开始工作，将电机处于发电状态下的再生能量回馈到电网。

3、桥门式起重机的节能评价体系

对桥门式起重机进行节能评价研究时，应先建立桥式起重机节能评价指标体系，再通过粗集理论中的属性约简的算法对桥式起重机节能评价指标进行约简，得到优化后的指标体系；利用粗集理论中的属性重要度求出桥式起重机节能评价指标的权重，评价人员结合权重对照评价标准对指标进行打分得到指标值，将指标值保存到数据库中，在所有指标评价完成后显示评价结果、评价指标分为2类：对于能耗型指标，指标值越高，节能性越好；对于成本型指标，指标值越低，节能性越好。

4、结语

综上所述，节能、环保已经成为世界发展面临的共同课程，我国在相关领域，无论是技术上，还是制度上都还存在一定差距，不利于我国绿色节能机械的发展，但相信随着我国相关制度的不断完善和相关节能设计技术的不断发展，我国的节能机械对于我国的经济建设发挥重要作用。