门式起重机轻量化发展研究综述

摘要：轻量化起重机设计是符合国家节能减排政策，时代发展主题要求的。文中通过对门式起重机金属结构进行简单的介绍，从门式起重机的结构、材料和制造工艺等方面对其轻量化设计进行了探讨，考虑目前起重机的发展现状，阐述了未来起重机机械的一个发展趋势。

关键词：起重机;轻量化设计;发展趋势

在如今工业化快速发展的时代，为提高物料搬运速度和效率，作为一种通用的起重设备，门式起重机被广泛应用在我国的国民经济各物质生产部门和流通领域。传统的起重机结构设计方法主要以类比法和半经验半理论法为主，设计的起重机结构笨重，材料冗余较多，己不符合市场上节能、低碳、经济的新要求，不能满足工业发展的需求。为节省制造成本、提高整机承载能力，起重机的轻量化设计成为了人们研究的热点问题。

一、门式起重机结构

门式起重机是桥式起重机结构的一种变形，形状酷似门形框架，又简称龙门吊。通用门式起重机一般由金属结构、运行机构、起吊装置和电气设备等部分组成。其金属结构主要包括主梁、端梁、支腿、马鞍架、下横梁等部分组成。

二、轻量化设计途径

轻量化设计是一个复杂的系统工程，需要对成本、性能和质量等因素的影响进行综合考虑，即：在实现结构轻量化的同时，不降低产品的工作性能和安全标准，不增加产品的制造成本。通常，结构的轻量化设计一般从以下三个方面进行考虑[1][2][3]：

（一）结构优化

结构优化是通过减少材料的冗余，实现结构的轻量化设计，结构优化分为拓扑优化和尺寸优化，拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料重新分布进行的一种结构优化;尺寸优化是一种在给定结构的类型、材料、布局和外形几何的情况下，优化各个组成构件的截面尺寸，使结构最轻或最经济的一种结构优化。目前，对门式起重机金属结构以质量最轻为评价指标的单目标尺寸优化是现阶段起重机轻量化设计的最常用方法，以后综合考虑起重机的性能、制造成本、生产工艺等多种因素，采用多目标优化方法，通过有限元分析求解灵敏度来筛选对目标函数影响较大的参数，进行有针对性的优化设计进行的综合优化，是未来的发展趋势。

（二）轻量化材料

随着材料技术的发展，应用到起重机上的轻型环保材料的日益增多，研究人员采用高强度、低质量钢进行金属材料替换，对结构参数进行优化，有效的减轻了结构的自重。选用高强度钢代替普通钢，选用铝合金代替钢材[4]，有些国家尝试制造过铝合金结构的轮式起重机、桥式起重机以及龙门起重机的臂架。他的自重比之前的轻30%-60%。由德国制造出来的铝合金箱型的单主梁桥式起重机的自重比参数相同的钢制的双梁桥式起重机少70%.在对起重机主梁的强度进行设计时，可以使用高强度的钢材来取代原有的普通钢材，从而在生产过程中使生产起重机材料的用量减少，并使设备的重量进一步降低。

（三）先进的制造工艺

先进的制造工艺主要包括连接工艺和先进的成型技术，例如薄板热成型、内高压成型、低压液压成型和真空压铸等等。通过先进的制造工艺可使原有材料的强度变得更高，例如高强钢辊压可生产出屈服强度达到1200MPa的超高强度钢。先进的制造工艺在保证整体结构安全性的同时，会受到成本、设备和设计等因素的制约。

三、起重机未来发展趋势

经过半个多世纪的发展，我国起重机设计经历了早期直觉设计阶段、传统设计阶段和现代设计阶段。一些诸如优化设计、灵敏度分析、可靠性设计、计算机辅助设计（CAD）、有限元理论等现代设计方法逐渐涌现出来，使起重机设计进入高效、创新和高质量的新阶段，逐渐呈现以下几种发展趋势[5][6]：

（一）模块化、组合化

模块化的设计思想是将起重机上功能基本相同的零部件制成具有相同连接要素且用途多样可互换的标准化模块。通过模块不同的组合形式，形成具有不同规格和型号的起重机类型。在对新型起重机设计和修改时，无需再对整机进行重新设计，只需将模块化的产品修改和重新组合即可实现新产品的修改和更新换代。模块化设计思路使传统小批量生产的起重机转变为大批量模块化生产，降低了企业的生产成本、提高了企业的生产效率和产品的通用化程度，增强了企业在市场的竞争力。目前，日本和一些欧美国家的大型生产企业已经开始采用模块化的设计思想，并取得了十分可观的经济效益。例如：德国的德马格公司采用模块化的设计思想设计的葫芦双梁起重机使设计费用降低12%，相比国内起重机的自重减轻了35%左右，取得了明显经济效益。

（二）大型化和高速化

随着目前工业发展水平和劳动生产率的提高，产品的物料搬运费用也逐渐的增加，这就促使起重机不断向更大起重量和更高速度转变。目前，全球最大的履带起重机起重量为3600t，浮游起重机为6500t。大型化和高速化的起重机产品正在顺应市场潮流，成为今后起重机的一个发展趋势。

（三）自动化和智能化

起重机上的电气元件和控制系统的升级和改进对起重机的自动化和智能化发展起着至关重要的作用。它需要依靠液压技术、电力电子技术、电子技术、机械技术、计算机技术、模糊控制技术和微电子技术的相互结合，将它们应用到起重机上的驱动系统和控制系统中，推动其电气元件和控制系统的升级和改进，从而达到起重机自动化、智能化的目的。

（四）轻型化和多样化

为达到节省耗材、提高整机的承载能力，适应不同的工作场合，起重机的发展也越来越趋于向轻量化和多样化的发展。相比国外的起重机，国内生产的起重机整机尺寸偏大，结构笨重。起重机的轻量化发展也正在引起国内起重机生产厂家的关注。国外一些起重机企业应用铝合金材料和高强度钢等新型轻量化材料，大大减轻了起重机金属结构的质量。另外，随着优化技术的广泛应用、新型切割工艺和焊接工艺的发展也为起重机轻型化发展带来了便利条件。

四、总结

当今世界是一个节约材料和能源的社會，作为一种使用量较大的起重设备，推出新型轻量化起重机，不断提高起重机的技术含量，简化其结构，并提高性能促进起重机轻量化研究的不断进展，必将对我国起重运输行业的进步起到十分积极的推动作用。

参考文献：

[1]刘全兴，刘蕴，殷国富.我国起重机轻量化设计研究[J].机械设计与制造工程，2016，45（05）：71-73.

[2]贾旺兴，房师平，张鹏鹏.谈我国起重机轻量化的推广应用[J].现代制造技术与装备，2013（01）：70-72.

[3]李磊.国内起重机的发展研究[J].中国设备工程，2017（15）：212-213.