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【摘要】文章通过对传统桥式及门式起重机进行优化设计的论述，实现轻量化和模块化，结构紧凑，外形尺寸小，采用了很多新型的技术设计，达到改善整机性能，降低制造成本，提高通用化程度，为国内同类设备设计提供一些有益的资料。
【关键词】起重机；轻量化；模块化；优化设计
现代经济的快速发展推动了一系列的工程建设，为起重机提供了充分的发展条件。为了降低能耗、节约成本，起重机轻量化和模块化也将成为未来的主要目标。
1、概述
起重机与门式起重机是使用量最多的起重设备，对其进行优化设计，实现轻量化和模块化，对节能降耗和推动绿色低碳经济具有重要意义。KONE、DEMAG等传统起重机强企已是成熟技术，系列化、标准化、模块化。国内一些厂家已经开始生产，经轻量化设计后的产品可替代一些进口起重机产品，市场前景好。
2、技术特点
2.1起升机构优化设计
起升机构低净空设计。对于起升机构低净空设施需寻求新的布置形式，挖掘新的外购件供应商，对卷筒、定滑轮组（梁）进行标准化低净空设计，之后再进行新型减速器的设计。起升机构采用全新的布置形式，能够有效降低小车整体高度，结构紧凑，外形尺寸小，适应范围广，尤其是客户厂房顶部到轨道面较低的车间厂房。 起升机构系列（t）有50t、75t、100t、150t、200t、300t。
2.2轮组与端梁优化设计
采用轻量化设计的轮组，加工精度高，废品率低，装配维护方便，零部件可模块化。根据轮压及运行速度对车轮进行轻型标准化设计，采用新型偏心轴承箱，进行新型加工及装配工艺研究。降低轮组及端梁部分重量及外形尺寸，标准化设计，减少设计及加工周期，降低成本。轮组直径系列（mm）有200、250、315、400、500、630、710以及与轮组配套的端梁。
3、结构优化设计
3.1国内外技术对比
以国内生产的额定起重量100t，起升高度20m起重机的起重小车为例，与国外科尼公司设计进行对比。外形对比结果：（1）科尼高度低，能够降低厂房高度，降低客户厂房建造成本；（2）科尼轨距小，减少端梁和小车连接梁的重量，降低成本；（3）科尼轮距小，端梁截面小，降低成本，吊钩至左右极限距离也相应减小；（4）同一轨道面时，科尼起升高度高；（5）科尼自重轻。
3.2卷筒
卷筒结构对比结果：（1）科尼钢丝绳的选型、入绳角和国家标注造成卷筒外形尺寸和重量都较小；（2）科尼轴承安装在卷筒内，可以直接将支撑座做小，降低卷筒高度；（3）排绳器可以允许入绳角增大；（4）科尼在卷筒内增加了一套行星齿轮减速，这样可以减小减速器的机座号，降低成本。
3.3行走轮组
行走轮组对比结果：（1）科尼车轮数量多，单个车轮轮压小，车轮直径小，可降低整个台车横梁高度；（2）由轮组的装配形式可以看出，科尼车轮所用行走配件较少，易于安装拆卸，而且方便维护；（3）科尼轮距较小，这样可以减小端梁的横截面积，既降低了成本，又降低了小车高度，同时减小了左右极限距离；（4）车轮较小时，在运行速度相同的情况下，减速器的输出速度大，选型时，减速器机座号小，降低了外购件成本。
3.4起升机构整体布置
布置形式對比结果：（1）科尼的小车形式充分利用了空间布置，有效地降低整个小车的高度；（2）科尼的整个小车通过螺栓连接，方便了运输，同时可以对台车梁和各个部件进行标准化设计，进行批量生产，满足不同轨距要求。
3.5材料改进
材料的选择也会对起重机轻量化设计产生影响，目前倾向于选择轻质材料来制作起重机的各部分结构。比如，对于起重机臂架的设计，国外有成功使用铝合金结构制造起重机，使用这种材料比使用常规材料的自重少30%-60%。对于主梁的设计，使用铝合金箱形单主梁制造起重机，这样可以来代替参数一样的钢制双主梁，相比而言，前者比后者自重少70%左右。对于主梁强度的设计，目前使用的是普通钢材，为了减少起重机的材料用量，可以使用高强度的钢材进行设计，由此降低整体自重。此外，如果使用H型钢来替代现在普遍使用的板材，能够极大地减少材料的使用，节约材料和成本，并且H型钢的抗弯能力也会有所提高。如果使用尼龙柱销联轴器来替代现在普遍使用的齿轮联轴器，也可以减少桥式起重机的自重，实现起重机的轻量化设计。除了对材料的选择之外，材料的使用应当注意合理性。由于辅助材料占据主梁自重的20%-30%，因此要尽可能地减少对辅助材料的使用量，以减少自重。设计人员的设计原则是在原来结构的基础上做减法，使每一块材料都能获得最有价值的使用，而不要平添自重却毫无意义。
3.6机构改进
3.6.1 对运行机构的改进
尽量不要选择中硬齿面减速器，使用硬齿面减速器。零部件数量要尽可能地少，使结构更加紧凑。过多的零部件不仅会造成浪费，使系统容易出现故障，并且也会使起重机的自重过高。现在使用的电动机、制动器、减速器合为一体的运行机构在起重机中得到了普遍的利用，这种设计的思想就是精简零部件，减小自重。近些年来，在三合一运行结构的基础上，采用了一种将电动机、制动器、减速器和主动车轮直接串接成一体，中间不用联轴器连接的桥架运行机构，形成“四合一”的运行机构。这种运行机构比较适合小型的起重机的应用，目前在我国尚处于探索研究阶段。对于新型传动系统的研发对未来起重机轻量化设计有着重要的影响。
3.6.2对起升机构的改进
电动葫芦作为起升机构，既可以减少小车的重量，也可以减少起升机构的重要，从而达到减少自重的目的。因此可以大力推广使用电动葫芦作为起升机构。国产电动葫芦的最大起重重量虽然相比国外还有一定的差距，但是依然可以在中小型起重机中推广，作为起升机构。另外，电动葫芦的起重重量还在不断研究和提高，未来可以在所有类型的起重机中推广使用。除了以上改进，还有以下的改进途径：以焊接代替铸接零部件；使用内平动齿轮；选择高转速的电动机；对节能卷筒、滑轮和节能吊钩等进行进一步研发等。这些对起升机构的改进均是轻量化设计中的重要因素。
3.7意义
经优化设计后的起重机与传统起重机相比有如下优点：（1）有效降低整机自重；（2）相应可减轻机构的负荷及降低承载基础结构的造价；（3）改善整机性能，降低制造成本，提高通用化程度。
结语：
设计新型起重机只需选用不同模块重新进行组合，可使单件小批量生产的起重机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，企业的生产组织也可由产品管理变为模块管理，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。
参考文献：
[1]起重机设计规范（GB/T3811-2008）[S].
[2]起重机械安全规程（GB6067.1-2010）[S].
[3]张质文，虞和谦，王金诺，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，1998.
【关键词】起重机；轻量化；模块化；优化设计
现代经济的快速发展推动了一系列的工程建设，为起重机提供了充分的发展条件。为了降低能耗、节约成本，起重机轻量化和模块化也将成为未来的主要目标。
1、概述
起重机与门式起重机是使用量最多的起重设备，对其进行优化设计，实现轻量化和模块化，对节能降耗和推动绿色低碳经济具有重要意义。KONE、DEMAG等传统起重机强企已是成熟技术，系列化、标准化、模块化。国内一些厂家已经开始生产，经轻量化设计后的产品可替代一些进口起重机产品，市场前景好。
2、技术特点
2.1起升机构优化设计
起升机构低净空设计。对于起升机构低净空设施需寻求新的布置形式，挖掘新的外购件供应商，对卷筒、定滑轮组（梁）进行标准化低净空设计，之后再进行新型减速器的设计。起升机构采用全新的布置形式，能够有效降低小车整体高度，结构紧凑，外形尺寸小，适应范围广，尤其是客户厂房顶部到轨道面较低的车间厂房。 起升机构系列（t）有50t、75t、100t、150t、200t、300t。
2.2轮组与端梁优化设计
采用轻量化设计的轮组，加工精度高，废品率低，装配维护方便，零部件可模块化。根据轮压及运行速度对车轮进行轻型标准化设计，采用新型偏心轴承箱，进行新型加工及装配工艺研究。降低轮组及端梁部分重量及外形尺寸，标准化设计，减少设计及加工周期，降低成本。轮组直径系列（mm）有200、250、315、400、500、630、710以及与轮组配套的端梁。
3、结构优化设计
3.1国内外技术对比
以国内生产的额定起重量100t，起升高度20m起重机的起重小车为例，与国外科尼公司设计进行对比。外形对比结果：（1）科尼高度低，能够降低厂房高度，降低客户厂房建造成本；（2）科尼轨距小，减少端梁和小车连接梁的重量，降低成本；（3）科尼轮距小，端梁截面小，降低成本，吊钩至左右极限距离也相应减小；（4）同一轨道面时，科尼起升高度高；（5）科尼自重轻。
3.2卷筒
卷筒结构对比结果：（1）科尼钢丝绳的选型、入绳角和国家标注造成卷筒外形尺寸和重量都较小；（2）科尼轴承安装在卷筒内，可以直接将支撑座做小，降低卷筒高度；（3）排绳器可以允许入绳角增大；（4）科尼在卷筒内增加了一套行星齿轮减速，这样可以减小减速器的机座号，降低成本。
3.3行走轮组
行走轮组对比结果：（1）科尼车轮数量多，单个车轮轮压小，车轮直径小，可降低整个台车横梁高度；（2）由轮组的装配形式可以看出，科尼车轮所用行走配件较少，易于安装拆卸，而且方便维护；（3）科尼轮距较小，这样可以减小端梁的横截面积，既降低了成本，又降低了小车高度，同时减小了左右极限距离；（4）车轮较小时，在运行速度相同的情况下，减速器的输出速度大，选型时，减速器机座号小，降低了外购件成本。
3.4起升机构整体布置
布置形式對比结果：（1）科尼的小车形式充分利用了空间布置，有效地降低整个小车的高度；（2）科尼的整个小车通过螺栓连接，方便了运输，同时可以对台车梁和各个部件进行标准化设计，进行批量生产，满足不同轨距要求。
3.5材料改进
材料的选择也会对起重机轻量化设计产生影响，目前倾向于选择轻质材料来制作起重机的各部分结构。比如，对于起重机臂架的设计，国外有成功使用铝合金结构制造起重机，使用这种材料比使用常规材料的自重少30%-60%。对于主梁的设计，使用铝合金箱形单主梁制造起重机，这样可以来代替参数一样的钢制双主梁，相比而言，前者比后者自重少70%左右。对于主梁强度的设计，目前使用的是普通钢材，为了减少起重机的材料用量，可以使用高强度的钢材进行设计，由此降低整体自重。此外，如果使用H型钢来替代现在普遍使用的板材，能够极大地减少材料的使用，节约材料和成本，并且H型钢的抗弯能力也会有所提高。如果使用尼龙柱销联轴器来替代现在普遍使用的齿轮联轴器，也可以减少桥式起重机的自重，实现起重机的轻量化设计。除了对材料的选择之外，材料的使用应当注意合理性。由于辅助材料占据主梁自重的20%-30%，因此要尽可能地减少对辅助材料的使用量，以减少自重。设计人员的设计原则是在原来结构的基础上做减法，使每一块材料都能获得最有价值的使用，而不要平添自重却毫无意义。
3.6机构改进
3.6.1 对运行机构的改进
尽量不要选择中硬齿面减速器，使用硬齿面减速器。零部件数量要尽可能地少，使结构更加紧凑。过多的零部件不仅会造成浪费，使系统容易出现故障，并且也会使起重机的自重过高。现在使用的电动机、制动器、减速器合为一体的运行机构在起重机中得到了普遍的利用，这种设计的思想就是精简零部件，减小自重。近些年来，在三合一运行结构的基础上，采用了一种将电动机、制动器、减速器和主动车轮直接串接成一体，中间不用联轴器连接的桥架运行机构，形成“四合一”的运行机构。这种运行机构比较适合小型的起重机的应用，目前在我国尚处于探索研究阶段。对于新型传动系统的研发对未来起重机轻量化设计有着重要的影响。
3.6.2对起升机构的改进
电动葫芦作为起升机构，既可以减少小车的重量，也可以减少起升机构的重要，从而达到减少自重的目的。因此可以大力推广使用电动葫芦作为起升机构。国产电动葫芦的最大起重重量虽然相比国外还有一定的差距，但是依然可以在中小型起重机中推广，作为起升机构。另外，电动葫芦的起重重量还在不断研究和提高，未来可以在所有类型的起重机中推广使用。除了以上改进，还有以下的改进途径：以焊接代替铸接零部件；使用内平动齿轮；选择高转速的电动机；对节能卷筒、滑轮和节能吊钩等进行进一步研发等。这些对起升机构的改进均是轻量化设计中的重要因素。
3.7意义
经优化设计后的起重机与传统起重机相比有如下优点：（1）有效降低整机自重；（2）相应可减轻机构的负荷及降低承载基础结构的造价；（3）改善整机性能，降低制造成本，提高通用化程度。
结语：
设计新型起重机只需选用不同模块重新进行组合，可使单件小批量生产的起重机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，企业的生产组织也可由产品管理变为模块管理，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。
参考文献：
[1]起重机设计规范（GB/T3811-2008）[S].
[2]起重机械安全规程（GB6067.1-2010）[S].
[3]张质文，虞和谦，王金诺，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，1998.