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港口起重机轻量化技术的研究与应用
摘要：港口起重机由于其高功率和高效率而成为港口的主要能耗节点。轻量化是实现港口起重机节能减排的重要技术。在研究国内外现状的基础上，对港口起重机的轻量化技术进行了研究。首先，分析了影响港口起重机能耗的主要因素。总结了可以应用于起重机的轻量化技术。其次，研究了整体结构优化技术。介绍了三种结构优化的港口起重机。最后介绍了轻量化技术在港口起重机中的应用和实施效果。
关键词：轻量化技术，港口起重机，轮胎式龙门起重机，节能减排
1.介绍
节能减排是中国的一项基本国策。港口起重机功率大，效率高。其能耗占港口总能耗的60％以上。港口起重机一直是港口的主要能源消耗节点。中国企业生产的港口起重机占世界市场份额的70％以上，技术处于世界领先水平。但是，目前，传统的港口起重机的提升机构和小车行走机构被布置在起重机上部的小车框架上，这导致小车组件的质量大，上部运动部件的质量大。整机结构的重量很大。
因此，轻量化首先用于汽车领域。KANG [1]和FAN [2]等。已经完成了汽车轻量化技术的研究，随着技术的成熟，该技术已逐渐应用于其他领域。
轻量化是解决港口起重机能耗大的重要技术。文献[3] [4] [5] [6]港口起重机的轻量化是在保证起重机的强度和安全性的前提下，尽可能减轻起重机的总重量，以减少油耗和大气污染。轻量级是将设计，制造，材料和零件技术集成在一起的系统工程。
国家发布的《中国制造2025战略》 [7]明确规定“加强绿色产品的研究，开发和应用，推广轻巧低功耗的技术工艺和设备”和“发展先进，可靠且适用的轻型，模块化和家谱产品”。对此，本文总结了可应用于港口起重机的轻量化技术，提出了三种可行的结构优化技术方案和应用实例，并分析了其实施效果。
2.起重机能耗的影响因素
根据试验数据，在集装箱起重机装卸集装箱的工作循环中，提升机构的能耗比例约为60-70％，小车行走机构的能耗比例约为10％。因此，升降机构是起重机的主要耗能机构。起重机能耗的影响因素分析如下：
1）起升机构和起升重量的影响
起重机的升降机构中随货物一起移动的部分主要由集装箱吊具（吊钩）组成。集装箱吊具和货物的重量会影响起重机的主要能耗。货物的重量是固定的。因此，为了减少提升机构的能量消耗，可以减轻集装箱吊具的重量。
2）整机重量
堆垛起重机具有整机的装卸行走功能，主要起吊集装箱进行短距离行走，也构成了起重机能耗的一部分。沿自动集装箱码头垂直海岸线布置的堆垛起重机采用中继式布置形式，需要长距离载运，因此能耗比例较大。
3）小车总成的重量
小车组件的重量占整个起重机重量的10％-20％。根据估算跨距结构起重机自重的经验公式，每减少10％的移动负载，主梁的重量就可以减少4％[8]。通过优化布置，可以合理地实现吊具和小车的行进功能，可以减轻上部机构的移动负载重量，并使整个起重机的重心向下移动，从而达到优化起重机整体的目的。
3.港口起重机轻量化技术的分析与比较
按照技术类别，港口起重机轻量化技术包括高强度轻质材料，集成零件，绿色制造技术，结构优化等。相应的技术建议和应用区域示例如下：
A．高强度轻质材料
1）用高强度钢代替普通钢
起重机钢结构的材料用Q355B代替Q235B，具有较高的强度和良好的耐腐蚀性。根据估计，相同尺寸的材料的重量可以减少20％-30％。
Q460钢已用于某些起重机的钢结构中。随着钢材质量和焊接工艺的提高，性能更高的Q460或钢材可以推广应用在关键零件上，以满足钢材减薄和增加强度的要求。
高强度钢板用于驾驶室制造，以进一步减轻移动负载的重量。
2）使用复合材料
工程塑料具有强度高，密度低，耐腐蚀，综合机械性能优良等特点，但价格较高。所用的MC尼龙滑轮不仅具有自润滑功能，而且可以延长长钢丝绳的使用寿命。重量轻，便于空中安装。
电动机和制动器的防护罩采用玻璃纤维增强塑料等轻质材料，不仅减轻了重量，而且便于保养和维护。
B．集成零件
使用集成零件替换由多种机制组成的零件。小车和起重机的行进由动力，减速和制动集成，可以使行进机构紧凑，体积小，重量轻。
永磁电动机加速器和减速器的结构替代了传统的行进机构、提升机构和变幅机构中的异步电动机结构，结构简单，效率高。
C．绿色制造技术
1）焊接零件优先
在满足零件力学性能的前提下采用焊接方式，焊接零件的重量要小于具有相同性能的铸件的重量。据估计，焊接卷筒比铸造卷筒轻30％-40％。
2）选择合适的焊接方法
选择合适的焊接方法不仅可以减少环境污染，而且是一种绿色的，低消耗的制造方法。
3）批次零件使用高压成型零件
异形零件使用高压成型技术代替传统的焊接工艺，以减轻焊接产生的重量和制造成本。
D.结构优化
起重机上部的提升驱动机构移至下部以减轻上部的重量，请参见IV中的详细信息，结构优化的技术建议与比较。
E.技术参数
由于起重机起升高度和运行距离的限制，不是速度越快，效益越好，而是应该通过整体优化来设置适当的技术参数。
4.结构优化的理论基础和方法
A．复合运动的理论基础
轻型轮胎式龙门起重机采用了卷扬机与小车的联合操作控制系统。通过理论推导推导复合速度的关系方程组。参见公式（1）：
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v2= vX vyuml; v1= vyuml;minus; vX |
（1） |
式中Vyuml;——吊具垂直方向的速度
vX——吊具水平方向的速度
v1——卷筒I牵拉钢丝绳的收卷速度
v2——鼓II拉动的钢丝绳的卷取速度。
联合运行频率输出通过速度v 1和v 2计算得出。PLC运行后的复合速度通过通讯总线模式传输到变频器。变频器控制相应的电机实现复合运动。
B．基于结构优化的计算验证
起重机可以看作是可变质量（吨），刚度ķ（吨）和阻尼 C（吨）的多刚体，在传统静力计算的基础上，对整个起重机结构进行了动力理论分析。得出集装箱门式起重机综合系统的动力学方程。公式请参见公式（2）。
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（吨）Xuml; C（吨）X˙ K（吨）X= F（吨） |
（2） |
通过计算机分析软件的结构动力学仿真优化（见图1），交通运输行业重点实验室的理论分析和模型测试，为整个起重机的轻量化研究提供了可靠的测试模型和数据。
图.1.动态分析应力图
5.结构优化的技术建议与比较
结构优化是起重机总体布局的优化。根据研究结果，存在三种主要的结构优化技术建议。
A．升降台车的综合驱动方式
升降机与小车的集成驱动技术是指起重机的升降机构和小车行走机构共用驱动装置，并安装在起重机两侧的底梁上。升降机构和小车的操作分别通过底梁上两个卷筒的组合来控制。起重机上部的小车上未安装驱动机构。
图2示出了小车的向前和向后运动，货物的提升运动和卷筒运动之间的关系。当两侧的两个电动机以相同的速度驱动和滚动四个卷筒时，货物仅执行上下运动，而小车则不动。当一侧的一个电动机带动两个卷筒滚动而另一侧的电动机带动两个卷筒以相同速度滚动时，小车仅执行向前和向后的运动，而没有进行起升运动。当两侧的电动机具有不同的转速时，可以实现复合运动，即起升和小车的联合行驶。
由于这种布置形式的小车组件仅具有小车框架并且不具有驱动装置，因此大大减少了小车组件的重量。而且，小车的移动负荷较小，这减轻了结构框架的重量并增加了结构稳定性。以轮胎式龙门起重机为例，与普通轮胎式龙门起重机相比，小车组件的重量从25吨减少到7吨，整机的重量减少了约30％。
图.2升降台车的综合驱动方式
1-卷筒（两左两右）；2-结构框架滑轮系统；3-小车滑轮系统；4-钢丝绳I；5-吊具旋转系统Ⅰ；6-钢丝绳Ⅱ； 7-吊具旋转系统Ⅱ；8-钢丝绳Ⅲ；9-钢丝绳Ⅳ；10-集装箱卸料机滑轮系统；11-集装箱吊具
B．牵引提升的驱动方式
牵引提升的驱动结构是将起升机构安装在起重机下方一侧的底梁上，通过牵引实现货物的升降。小车行驶由“三合一”电机，制动器和减速器直接驱动。
在装卸操作中，升降机构的电动机和减速器在两侧驱动双面卷筒。当双面卷筒收集钢丝绳时，四根钢丝绳将货物拉动并垂直将其提起。当双面卷筒释放钢丝绳时，四根钢丝绳将货物拉出并垂直降下。小车行走机构的小车电动机直接驱动车轮在结构框架的主梁的轨道上移动，以实现货物的横向移动。此外，可以通过程序控制来实现小车的升降和联合行驶。
图.3牵引提升的驱动原理
1-卷筒；2-钢丝绳；3-结构框架滑轮系统 4-小车滑轮系统；5-集装箱卸料机滑轮系统6-结构框架的转向轮系统；7-吊具旋转系统；
C．配重牵引提升的驱动方式
在牵引起升的基础上，将平衡重物添加到该驱动类型中。平衡重结构通过皮带轮组设置。在绳索的下降过程中，平衡重被拉起以存储重力势能。在用吊具提起集装箱的过程中，平衡重下降以释放重力势能。能量的存储和平衡重的释放可以大大降低起重机的能耗，从而降低了使用成本。
图.4配重牵引提升的驱动原理图
2-卷筒；4，10，17，18-结构框架滑轮系统；8-钢丝绳Ⅰ；9-钢丝绳Ⅱ；11，12，15，16-小车滑轮系统；13，14-集装箱卸料机滑轮系统；20，21-平衡重滑轮系统；22，23，24-吊具旋转系统
6.应用实例与效果分析
A．应用实例
1）升降机与小车的综合驱动方式
这种应用实例在图5中示出。中国水运研究院所制造的轻型轮胎式龙门起重机已应用于中国广东省的一些码头。自2006年以来，在集装箱堆场已使用了八套设备。
2）牵引提升的驱动方式
这种应用实例在图6中示出。中国水运研究院所制造的起重机已应用于中国河北省的一些陆港码头。自2012年以来，集装箱堆场共使用了六套设备。
3）配重牵引提升的驱动方式
2014年，通力起重机推出了一种新型的集装箱门式起重机BOXHUNTER [9]，如图7所示。起升机构设置在底梁下部的一侧。在另一侧，起重配重沿着门腿布置，驾驶室布置在底梁上，这减少了小车的移动负载。
图5.升降机与小车一体驱动式的应用实例
图6.牵引提升驱动方式的应用实例
图7.平衡重牵引提升驱动方式的应用实例
B．实施效果分析
新型轮胎式龙门起重机是电力驱动和轻量化技术的综合应用，将新型轮胎式龙门起重机（RTG）与普通动力驱动轮胎式龙门起重机和普通燃油驱动轮胎式龙门起重机进行了比较，对比见表
表I：具有动力驱动的轮胎式龙门起重机和燃料驱动的轮胎式龙门起重机的新型轮胎式龙门起重机的主要参数和优点的比较
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比较内容 |
新型起重机 |
电力驱动起重机 |
燃料驱动起重机 |
|
额定起重量（吨） |
35 |
35 |
35 |
|
堆叠层 |
5 |
5 |
5 |
|
跨度（米） |
23.47 |
23.47 |
23.47 |
|
单位能耗 |
0.92 （千瓦时） |
1.3~2.0 （千瓦时） 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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