现代起重机的特征和发展趋向

辰汐设计 · 发表于 2006-11-30 14:12:55

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北京起重运输机械研究所须雷*

随着现代科学技术的迅速发展，工业生产规模的扩大和自动化程度的提高，起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机的要求也越来越高。尤其是电子计算机技术的广泛应用，促使了许多跨学科的先进设计方法出现，推动了现代制造技术和检测技术的提高。激烈的国际市场竞争也越来越依赖于技术的竞争。这些都促使起重机的技术性能进入崭新的发展阶段，起重机正经历着一场巨大的变革。
我国正以前所未有的速度进入全球化国际竞争市场，中国的起重机制造业面临着机遇与挑战并存的新形势。因此起重机的不断发展和创新是关键。现根据国内外起重机的新理论、新技术和新动向，结合实例，简要论述现代起重机的特征和发展趋向。

1 重点产品大型化、高速化、耐久化和专用化
由于工业生产规模不断扩大，生产效率日益提高，以及产品生产过程中物料装卸搬运费用所占比例逐渐增加，促使大型或高速起重机的需求量不断增长。起重量越来越大，工作速度越来越高，并对能耗和可靠性提出更高的要求。起重机已成为自动化生产流程中的重要环节。起重机不但要好用，容易维护，操作方便，而且安全性要好，故障要少，平均无故障工作时间要长。可靠性是国际市场产品竞争的焦点，国外许多大公司都制定了可靠性内控标准。我国起重机的性能要赶超世界先进水平，最关键的是要提高可靠性，使起重机具有优异的耐久性、无故障性、维修性和使用经济性。
目前世界上最大的浮游起重机起重量6500t，最大的履带起重机起重量3000t，最大的桥式起重机起重量1200t，自动化立体仓库堆垛起重机最大运行速度达240m／min。
工业生产方式和用户需求的多样性，使专用起重机的市场不断扩大，品种也不断更新，以特有的功能满足特殊的需要，发挥出最佳的效用。冶金专用起重机，防爆、防腐、绝缘起重机和铁路、船舶、车辆专用起重机的功能不断增加，性能不断提高，适应性比以往更强。德国德马格公司研制出一种飞机维修保养专用起重机，在国际市场上打开了销路。这种起重机跨度大，起升高度大，停准精度高。在起重小车下面安装有可伸缩回转的维修平台，可到达飞机任一部位。随着世界核电站的迅速发展，核电站专用起重机也得到相应发展，如反应堆室内的环形桥式起重机在放射性环境中工作，用于起吊压力容器顶盖及堆内构件等危险载荷，要求可靠性高，安全性好，能自动精确定位和缓慢下放物品等，并有多种保护装置和特殊安全装置。

[ 本帖最后由 et998866 于 2006-12-2 21:36 编辑 ]

辰汐设计 · 发表于 2006-11-30 14:14:10

2 系列产品模块化、组合化、标准化和实用化

许多起重机是成系列成批量的产品，采用系统多目标整体优化方法进行起重机系列设计已成为发展重点，通过全面考虑性能、成本、工艺、生产管理、制造批量和使用维护等多种因素对系列主参数进行合理匹配，以达到改善整机性能．降低制造成本，提高通用化程度，用较少规格数的零部件组成多品种、多规格的系列产品，充分满足用户需求。

用模块化设计代替传统的整机设计方法，将起重机上功能基本相同的构件、部件和零件制成有多种用途，有相同联接要素和可互换的标准模块，通过不同模块的组合，形成不同类型和规格的起重机。对起重机进行改进，只需针对某几个模块。设计新型起重机，只需选用不同模块重新进行组合。由于提高了通用化程度，可使单件小批生产的产品改换成具有相当批量的模块生产，实现高效率的专业化生产，降低制造成本。能以较少的模块形式，组合成多品种多规格的起重机，满足市场需求，增加竞争能力。

德国德马格公司生产的桥式起重机充分考虑了模块化和组合化，使系列、整机、机构、部件和零件互相之间的参数匹配，能力分布达到最为经济合理的搭配效果。利用起重量与起升速度的乘积为常数的方法使起升机构主要部件达到最大限度的通用。再通过滑轮倍率的变化派生出更多的规格。5～125t桥式起重机系列，多种工作级别，只需4种基型的起重小车。该公司开发的标准车轮箱模块系列，上面有多组联接孔，可选装不同型号的驱动单元，可组装成台车，可与金属结构件组合后用作各种桥式、门式起重机，巷道堆垛起重机或其它轨行式起重运输机械的运行机械，其车轮有多种踏面形式可供选用。由于不受基距限制，组合灵活，用途广泛。该公司的端梁标准模块系列已经商品化，与主梁之间采用摩擦环和高强度螺栓的连接方式，提高了互换性和尺寸精度，减少了接合面的加工量。与任一主梁都可快速有效相接。有适用于单梁或双梁两种形式的端梁模块，根据起重量及跨度就可确定出适用的端梁型号。

3 通用产品小型化、轻型化、简易化和多样化

有相当批量的起重机是在一般的车间仓库使用，要求并不很高，工作并不十分繁重。如何提高这些起重机的适用性，降低制造成本，是市场竞争能否获胜的关键。考虑综合效益，要求起重机尽量降低外形高度，简化结构，减小自重和轮压，也可使整个建筑物高度下降，建筑结构轻型化，降低造价和使用维护费用。因此电动葫芦桥式起重机和轻型梁式起重机会有更快的发展，并将大部分取代中小吨位一般用途桥式起重机。

用户的需求性促进了起重机的多样性。起重机的系列参数范围进一步扩大，功能选择进一步增加，一机多用产品进一步得到发展，以增强应变能力。在一般使用场合采用无线遥控操作的比例也将逐步增多。

德国德马格公司经过长期的开发和创新，已形成一个轻型组合式标准起重机系列。整个系列由组合式工字形单梁、悬挂箱形单梁、角形小车箱形单梁和箱形双梁多个品种组成。主梁与端梁相接共有15种形式，可适合不同建筑物和不同起吊物的要求。每种规格起重机都有三种单速及三种双速可供任意选择。操纵方式有地面手电门自行移动、手电门随小车移动、手电门固定、远红外或无线电遥控、司机室固定、司机室随小车移动、司机室自行移动等7种选择，外加不同的导电形式，不同的电控形式，通过不同的组合，可搭配成百上千种起重机，充分满足用户不同的需求。这种起重机的另一最大优点是轻型化，与国内产品相比较，起重量32t，跨度25.5m，国内双梁桥式起重机自重为46.4t，电动葫芦桥式起重机自重为28.3t，而德马格电动葫芦桥式起重机的自重只有18.5t，比国内产品分别轻60％和35％。

辰汐设计 · 发表于 2006-11-30 14:15:14

4 产品性能自动化、智能化、集成化和高效化

起重机的更新和发展，很大程度上取决于电气传动与控制的改进。将自动化技术和机械传动技术相结合，将先进的微电子技术、电力电子技术、光缆通讯技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现自动化和半自动化。使起重机组成的物料搬运系统具有更高的柔性，以适应未来多批次少批量的柔性生产模式。

大型高效起重机的新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由全数字化控制驱动装置、可编程序控制器PLC、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。它赋于起重机以信息功能，可进行信息传递、处理及动力控制，大大提高了综合自动化水平。目前控制方面重点发展吊具防偏防摇技术，取物装置自动取、卸物技术，位置检测及自动位置控制技术，故障自诊断监控技术等。

电气传动方面重点开发以微处理机为核心的高性能电气传动装置，使起重机具有优良的调速和静动特性，可进行操作的自动控制、自动显示与记录，起重机运行的自动保护与自动检测，复杂条件下的远距离遥控等，以适应自动化生产的需要。

德国的起重机，采用激光装置查找起吊物的重心位置，依靠超声波传感器引导取物装置抓取货物。大车和小车运行采用编码轨系统测定路径，起升高度采用恒定张紧的测量索和角度发生器测定。起重机采用磁场变换器或激光达到高精度定位。英国的起重机上安装了近场感应系统，可避免起重机之间的互相碰撞。采用无线遥控时载重称量也能在远控发射机上显示。起重机上还装有微机自诊断监控系统，该系统能提供大部分常规维护检查内容，如钢丝绳状况，减速器油温油位，车轮轴承温度，起重机载荷、应力和振动情况，制动器摩擦衬片的寿命及温度状况等。德国近年为解决起重机吊具的防摇控制，开发了模糊逻辑电路的控制技术。用神经信息技术和模糊技术来寻找开始加速的最佳时刻，将有经验司机防摇实际操作的数据输入系统，实现最优控制。模糊控制方式能确定实施自动工作的控制指令，将人们主观上的模糊量通过模糊集合进行数字化定量，再利用微处理机实现像熟练司机一样的自如操作，取得了更高的效率和安全性。

最近国外的起重机专家们估计，将有20％～30％的起重机需要安装自动化系统。

5 产品组合成套化、系统化、复合化和信息化

在起重机单机自动化的基础上，通过计算机把各种起重运输机械组成一个物料搬运集成系统，通过中央控制室的控制，能与生产设备有机结合，能与生产系统协调配合。这类起重机自动化程度较高，具有信息处理功能，可将传感器检测出来的各种信息实施存贮、运算、逻辑判断、变换等处理加工，进而向执行机构发出控制指令。这类起重机还具有较好的信息输入输出接口，实现信息全部、准确、可靠地在整个物料搬运系统中的传输。

起重机通过系统集成，能形成不同机种的最佳匹配和组合，取长补短，发挥最佳效用。目前重点发展的有工厂生产搬运自动化系统，商业货物配送集散系统，集装箱装卸搬运系统，交通运输和邮电部门行包货物的自动分拣与搬运系统等。

生产工程机械的美国卡特皮勒公司金属结构厂购置了一条以桥式起重机为主的物料自动搬运系统，用以钢板喷丸处理、自动切割和出入库的自动装卸运输作业，比原先采用单机操作工作效率提高65％。日本东芝浜川崎工厂采用由全自动桥式起重机组成的物料输送系统来搬运柔性加工线上的夹具和工件，为机床运送毛坯或将加工好的零件送到下一工序或仓库。这些在空间移动的搬运起重机代替了过去通常在地面行驶的自动导向搬运车，使车间地面面积得到充分利用。

辰汐设计 · 发表于 2006-11-30 14:16:41

6 产品设计微机化、精确化、快速化和全面化

随着电子计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价值工程、可靠性工程、创造工程和人机工程等现代设计理论的不断发展，促使许多跨学科的现代设计方法出现，使起重机的设计进入创新、高质量、高效率的新阶段。目前，计算机辅助设计(CAD)已逐步深入到设计的各个阶段和设计工作所涉及的各个领域。不仅能利用计算机运算速度快、计算精度高、存储信息量大和逻辑推理能力强等优点代替人工进行方案选择、计算分析与绘图，而且还能通过人机交互，最大限度地发挥设计人员的创造力和经验。美国，德国，、日本等一些起重机公司都广泛应用CAD彻底抛弃了传统的图板。并且还与计算机辅助工艺规划(CAPP)和计算机辅助制造(CAM)相衔接，做到了无图化生产。

起重机是在复杂工况下工作的大型结构系统，其动态性能受多种因素影响，运动参数与载荷不能用一个简单的数学模型描述。以往多以静态设计为主，局限性很大。国内外近年来在起重机设计中采用了动态仿真设计新方法，用计算机对机构与结构在各种工况下承受载荷进行运动状态及随时间变化过程的仿真模拟，得到仿真输出参数和结果，以此来估计和推断实际运行的各种数据。

人机工程学把起重机、人和作业环境作为整个系统来研究，创造一种人与起重机最佳相互作用状态。人机工程学在起重机上的应用主要体现在司机室的设计，包括司机室的合理布置，减轻司机疲劳和提高工作效率的措施，加强环境保护，减少灰尘和废气污染，减少司机室的振动和噪声等。

随着起重机的高速化和大型化，还需进一步深入开展对起重机载荷变化规律、动态特性和疲劳特性的研究。进一步开展对起重机整机及零部件的可靠性试验研究，提供起重机新的设计方法和数据。极限状态设计、优化设计、可靠性设计、有限元法、模块化设计、反求工程设计、疲劳设计和健壮设计会更深入全面地得到应用。

7 产品构造新型化、美观化、宜人化和综合化

结构方面采用薄壁型材和异型钢，减少结构的拼接焊缝，提高抗疲劳性能。采用各种高强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和增加外形美观。桥式类型起重机桥架大多采用箱形四梁结构，主梁与端梁采用高强度螺栓联接，便于加工、运输与安装。

在机构方面进一步开发新型传动零部件，简化机构。“三合一”运行机构由于结构紧凑。拆装方便、调整简单并运行平稳，将成为起重机运行机构的主流，减速器壳体、卷筒及滑轮等的制造都以焊代铸，能减轻自重、增加承载能力和改善加工制造条件。减速器齿轮采用硬齿面，以减小体积，提高承载能力，增加使用寿命。

在电控方面开发性能好、成本低、可靠性高的调速系统和屯控系统，发展半自动和全自动操纵。采用机、电、仪、液一体化技术，提高使用性能和可靠性，增加起重机的功能。有专家指出，未来的起重机驱动技术，由于变频调速系统越来越多地得到应用，交流鼠笼电动机将会重新受到重视并被广泛采用。今后会更加注重起重机的安全性，研制新型安全保护装置和故障自动显示装置，并重视司机工作条件的改善

辰汐设计 · 发表于 2006-11-30 14:17:33

8 产品制造柔性化、灵捷化、精益化和规模化

在激烈的市场竞争条件下，要提高起重机的市场占有率，确保起重机的高性能高质量，并不断推出新产品，生产企业必须具备市场变化的适应能力和快速反应能力。包括提高生产效率，提高和保持产品质量的一致性，降低生产成本，缩短生产周期，加速产品的更新换代等。生产制造的柔性化是使工艺装备与工艺路线能适用于生产各种产品的需要，从适应当前单品种大批量生产方式向多品种小批量生产方式的转变。生产制造的灵捷化是使产品生产与推向市场的准备时间缩为最短，使企业机制能灵活转向。生产制造的精益化是使生产过程劳动生产率不断提高，保持产品质量稳定，强调企业各部门相互密切合作。良好的生产机制和管理机制是企业发展的前提。

起重机制造时广泛采用计算机辅助工艺规划(CAPP)、计算机辅助制造(CAM)和柔性制造系统(FMS)。采用挤压成型、冲压成型、精密铸造等少，无切削工艺，采用光电跟踪切割技术、焊接机器人技术。充分利用加工中心和全自动数控机床，提高加工制造的自动化水平。制造手段的现代化是保持质量稳定，提高劳动生产率的前提。

美国、德国和日本的起重机大公司生产自动化程度都很高，广泛全面采用了CAM，并对制造质量严格控制。如德国德马格公司生产桥式起重机主梁时，钢板都先经过预处理，并采用光电跟踪激光切割。吊运钢板采用真空吸盘，确保板材不变形。腹板和盖板焊接时采用液压装置对盖板加压，确保腹板与盖板能充分贴紧；提高主梁的承载能力和刚度．为保证质量，每条焊缝都打上焊工的工号，责任到人。由于提高了制造的自动化程度，德马格公司制造一根起重量5t的主梁只需约20个工时，端梁为14个工时，整台起重机100多个工时便可完成，大大缩短了交货周期。