前言

起重機(jī)是我國工礦、港口、造船等行業(yè)中重要的物資搬運(yùn)設(shè)備，在促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和綠色環(huán)保理念的深入人心，對于起重機(jī)的節(jié)能設(shè)計(jì)的研究逐步增多，在保證起重機(jī)的質(zhì)量和工作性能的前提下，通過采用新技術(shù)、新材料實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的節(jié)能設(shè)計(jì)，是當(dāng)下起重機(jī)行業(yè)的熱點(diǎn)課題，對于實(shí)現(xiàn)我國低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

1、國內(nèi)外起重機(jī)節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢與現(xiàn)狀

目前，起重機(jī)的節(jié)能設(shè)計(jì)主要采用簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)以減輕自重、基于啟發(fā)式算法的輕量化設(shè)計(jì)，多是從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮改進(jìn)。然而，單純從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面減輕起重機(jī)的自重己很有限，而且盲目減輕自重會(huì)留下安全隱患。由于起重機(jī)是一個(gè)由很多子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，各主要子系統(tǒng)之間均有強(qiáng)弱不同的藕合關(guān)系，所以，起重機(jī)的節(jié)能設(shè)計(jì)問題是一個(gè)多學(xué)科藕合問題，涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械傳動(dòng)以及電氣控制等學(xué)科，且起重機(jī)的節(jié)能設(shè)計(jì)并非各學(xué)科設(shè)計(jì)的簡單疊加與排列組合，各學(xué)科之間存在著相互影響制約的藕合關(guān)系。此外，對起重機(jī)械節(jié)能檢測方法和評(píng)價(jià)體系尚需進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)而全面的研究，這就迫切需要從結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)、電氣控制等多學(xué)科級(jí)角度，結(jié)合能耗檢測與評(píng)價(jià)，進(jìn)行橋式起重機(jī)的系統(tǒng)級(jí)節(jié)能設(shè)計(jì)。

根據(jù)有關(guān)資料，芬蘭Kone公司設(shè)計(jì)的一款起重機(jī)，其起升結(jié)構(gòu)減速器外殼與小車架端梁合二為一，定滑輪組與卷筒組連為一體，小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用三合一驅(qū)動(dòng)裝置，從而整機(jī)自重大幅度減輕。法國Patain公司采用高、寬比為4一3.5的窄偏軌箱形梁做主梁，大筋板間距為梁高的2倍，不用小筋板，從而提高了起重機(jī)整機(jī)性能。德國DEMAG公司的DR系列鋼絲繩電動(dòng)葫蘆，其電動(dòng)機(jī)、減速器和卷筒采用了C形布置方式，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，組合性好，且方便葫蘆的安裝和維護(hù)。大連重工起重集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)的一種起重機(jī)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，采用“三合一”減速器，將傳統(tǒng)的平面布置改為立體布置，使小車整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運(yùn)行平穩(wěn)。這些研究成果都分別是單純從結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)裝置或控制方面對起重機(jī)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)及研究的，并未從影響起重機(jī)能耗的全局考慮，未考慮起重機(jī)子系統(tǒng)間復(fù)雜的相互影響，也并未從起重機(jī)能耗檢測與評(píng)價(jià)考慮，因此，目前國內(nèi)外對起重機(jī)的節(jié)能設(shè)計(jì)還有一定的局限性，缺乏系統(tǒng)和全面研究。

2、橋門式起重機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1遙控器和PLC的使用

目前遙控器和PLC乃至觸摸屏的使用已很普遍。應(yīng)借助遙控器多點(diǎn)收發(fā)和小型PLC總線控制功能．將控制箱盡可能地布置在小車上，以大幅度降低輸電線用量和能耗。對大噸位、大跨度行車來說，隨著輸電線用量的減少，在電纜價(jià)格快速增長的情況下可使總體成本不漲反降。相信遙控器和PLC價(jià)格成本降低后，所有行車都會(huì)因此受益。遙控器的多點(diǎn)收發(fā)及PLC總線控制的使用，使起重機(jī)控制系統(tǒng)更為簡單，便于安裝和維修。

2.2變頻調(diào)速系統(tǒng)的使用

起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)，普遍采用的是交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是通過在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路里串入外接電阻來實(shí)現(xiàn)的。在運(yùn)行過程中，消耗在外接電阻中的能量是非常可觀的。有試驗(yàn)表明，橋式起重機(jī)在各種工作狀態(tài)下，平均消耗于外接電阻中的電能占全部輸入電能的20％左右。運(yùn)行速度越低，需要串人轉(zhuǎn)子的外接電阻就越大，消耗在其中的能量就越多。采用變頻調(diào)速后，調(diào)速系統(tǒng)從電網(wǎng)攝取的功率是隨轉(zhuǎn)速而變化的?；蛘哒f，是根據(jù)負(fù)載的需要而變化的。這不但節(jié)約了串電阻調(diào)速系統(tǒng)中消耗在外接電阻中的大量能量。甚至還能通過能量回饋裝置不時(shí)地向電網(wǎng)反饋電能。此外，變頻調(diào)速將大型起重機(jī)由繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)改變成了鼠籠式電機(jī)，降低了1，5以上銅的用量，同時(shí)將起動(dòng)電流由原來的2～2．5倍降至1．5倍，降低了對電源變壓器的容量配置的要求，節(jié)約了能源。變頻調(diào)速所帶來的顯著經(jīng)濟(jì)效益．將會(huì)被越來越多的企業(yè)所利用。

2.3起重機(jī)的輕型環(huán)保材料

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用到起重機(jī)上的輕型環(huán)保材料日益增多。其中，采用輕合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼制造的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，重量輕，有效地節(jié)約了金屬材料，如瑞典SSAB生產(chǎn)的僅4mm的Weldoxl100型鋼板，SSAB目前正在研制1300MPa的超高強(qiáng)度鋼板。尼龍滑輪不僅可以延長使用壽命，還能降低噪聲，用高強(qiáng)度尼龍代替鋼質(zhì)滑輪。另外，尼龍柱銷聯(lián)軸器運(yùn)用于小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)中，可以減輕自重和降低制造成本。高陶瓷滾動(dòng)軸承的運(yùn)用，不僅機(jī)械性能優(yōu)于鋼質(zhì)軸承，而且耐高溫、能耗小、摩擦因數(shù)小。

2.4結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)節(jié)能

起重機(jī)工作繁忙，結(jié)構(gòu)自重大，金屬結(jié)構(gòu)約占整機(jī)成本的1/3，重量的4000^7000，重型起重機(jī)可達(dá)90%以上，減輕自重不但可以節(jié)省原材料，而且也相應(yīng)減輕了機(jī)構(gòu)的負(fù)荷和降低支承結(jié)構(gòu)的造價(jià)。在保證起重機(jī)安全性能的條件下，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是有效減輕起重機(jī)自重的方法之一。

減輕橋架的自重

1)采用析架結(jié)構(gòu)。同等額定起重量的起重機(jī)箱形梁式橋架的自重比析架式大，尤其是在起重量小(<15~20t))而跨度又較大(>17m)的情況下更為顯著，這時(shí)起重機(jī)輪壓可相差約20%。例如鐵路部門設(shè)計(jì)并制造的三角形斷而析架門式起重機(jī)，金屬結(jié)構(gòu)自重比相同參數(shù)的雙梁箱形門式起重機(jī)輕15%~20%。但兩種橋架的自重差別是隨著起重量增大和跨度減小而逐步接近。

2)采用空腹箱型結(jié)構(gòu)。近年來在大起重量橋架結(jié)構(gòu)中采用了一種空腹箱型結(jié)構(gòu)，也稱為無斜桿系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)自重輕且制造方便，剛性也較為優(yōu)異。

3)采用單梁代替雙梁。單梁起重機(jī)與雙梁起重機(jī)相比自重較輕，對于大跨度尤為明顯。單主梁門式起重機(jī)還能使支腿得到簡化，因而應(yīng)用廣泛，且正向大型化發(fā)展。

4)采用無司機(jī)室操縱方式。采用地而操縱或遙控控制方式，取消司機(jī)室，也可減輕橋架的自重。

5)小噸位、精度要求不高的起重機(jī)采用簡易單梁，如壓制箱型梁、工字鋼梁、H型鋼梁等。

2.5節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的起重機(jī)再生電能，由串聯(lián)在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的制動(dòng)電阻把這部分能量消耗掉，不僅浪費(fèi)能源，還會(huì)增加起重機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行溫度，容易發(fā)生故障。節(jié)能設(shè)計(jì)的起重機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，將電力電子技術(shù)、PLC技術(shù)、變頻器技術(shù)結(jié)合在一起，將起重機(jī)重物下放過程中產(chǎn)生的再生電能無污染地送回電網(wǎng)再利用，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，改善系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)為變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用四象限變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)。起重機(jī)起升重物時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，四象限變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)克服重力做工，消耗電能。起重機(jī)下放重物時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，當(dāng)四象限變頻器直流母線電壓升高到一定程度時(shí)，起重機(jī)的節(jié)能控制系統(tǒng)開始工作，將電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)下的再生能量回饋到電網(wǎng)。

3、橋門式起重機(jī)的節(jié)能評(píng)價(jià)體系

對橋門式起重機(jī)進(jìn)行節(jié)能評(píng)價(jià)研究時(shí)，應(yīng)先建立橋式起重機(jī)節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，再通過粗集理論中的屬性約簡的算法對橋式起重機(jī)節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行約簡，得到優(yōu)化后的指標(biāo)體系；利用粗集理論中的屬性重要度求出橋式起重機(jī)節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，評(píng)價(jià)人員結(jié)合權(quán)重對照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對指標(biāo)進(jìn)行打分得到指標(biāo)值，將指標(biāo)值保存到數(shù)據(jù)庫中，在所有指標(biāo)評(píng)價(jià)完成后顯示評(píng)價(jià)結(jié)果、評(píng)價(jià)指標(biāo)分為2類：對于能耗型指標(biāo)，指標(biāo)值越高，節(jié)能性越好；對于成本型指標(biāo)，指標(biāo)值越低，節(jié)能性越好。

4、結(jié)語

綜上所述，節(jié)能、環(huán)保已經(jīng)成為世界發(fā)展面臨的共同課程，我國在相關(guān)領(lǐng)域，無論是技術(shù)上，還是制度上都還存在一定差距，不利于我國綠色節(jié)能機(jī)械的發(fā)展，但相信隨著我國相關(guān)制度的不斷完善和相關(guān)節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國的節(jié)能機(jī)械對于我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮重要作用。