起重機(jī)的輕量化和智能化發(fā)展
發(fā)布時間：2018-03-19
起重機(jī)是一種集物料起重、運輸和裝卸為一體的輸送設(shè)備和工業(yè)安裝設(shè)備，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著不可或缺的作用。長期以來，我國對起重機(jī)的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計水平的衡量通常側(cè)重于技術(shù)角度，而對經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面的要求考慮較少，致使起重機(jī)能耗高、自重及體積較大且安全系數(shù)裕量也較大，造成資源的浪費，并且針對目前起重機(jī)行業(yè)單一起重機(jī)設(shè)備價格過于低廉和低端起重機(jī)產(chǎn)品過剩，造成惡性競爭的現(xiàn)狀，產(chǎn)品的技術(shù)含量不斷升級，產(chǎn)品附加值和業(yè)務(wù)拓展范圍隨之?dāng)U大。對于用戶來說，人力成本的增加占企業(yè)成本比重越來越大，這就促成了一部分市場的需求。起重機(jī)的輕量化和智能化技術(shù)正好符合了目前的市場潮流，也響應(yīng)了國家號召的工業(yè)4.0戰(zhàn)略，提高了用戶的現(xiàn)代化管理，節(jié)省用工數(shù)量和成本，又為起重機(jī)企業(yè)提供了設(shè)備升級和利潤增長點，為今后起重機(jī)行業(yè)發(fā)展方向指明了通道。
為了滿足實際需求，現(xiàn)代起重機(jī)械正向著大起重量的方向發(fā)展。輕量化技術(shù)就是在保證起重重量的同時，減少起重機(jī)的自重。我國的起重機(jī)自重普遍比國外先進(jìn)的起重機(jī)重 20%-50%以上，據(jù)此可看出我國起重機(jī)自重與歐式起重機(jī)之間的巨大差距，在起重機(jī)的輕量化設(shè)計方面，我國還有很大的提升空間。起重機(jī)輕量化主要體現(xiàn)在五個方面：
（1）我國起重機(jī)的設(shè)計方法通常為許用應(yīng)力法，為保證起重機(jī)產(chǎn)品使用的安全性，在實際設(shè)計中通常采用較大的安全系數(shù)，從而導(dǎo)致起重機(jī)產(chǎn)品自重增加，尺寸偏大，造成資源的浪費。應(yīng)廣泛使用極限狀態(tài)的設(shè)計法，提高計算精度，使計算結(jié)果更逼近金屬結(jié)構(gòu)在實際工作中的狀態(tài)；應(yīng)用有限元法、模糊優(yōu)化設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法，深入剖析并動態(tài)模擬鋼材結(jié)構(gòu)的力學(xué)和材料性能；目前世界各國都在充分利用別國的科技成果加以消化吸收與創(chuàng)新，并進(jìn)一步發(fā)展自己的新技術(shù)和新產(chǎn)品。反求工程設(shè)計是針對消化吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列方法和應(yīng)用技術(shù)的組合。反求工程設(shè)計通過實物或技術(shù)資料對已有的先進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)行分析、研究、解剖和試驗，了解其參數(shù)、性能、構(gòu)造和功能，掌握其關(guān)鍵技術(shù)、工作原理和工藝原理，以進(jìn)行仿制、改進(jìn)或發(fā)展創(chuàng)造新產(chǎn)品的一種方法。
（2）對于起重機(jī)中的非主要受力構(gòu)件，可采用工字鋼、槽鋼等；可多采用焊接結(jié)構(gòu)代替鑄件，運用機(jī)器人焊接等先進(jìn)焊接技術(shù)，與人工焊接相比，在保證焊接質(zhì)量的同時可減少對焊料的使用；運用熱處理等工藝提高起重機(jī)齒輪等構(gòu)件的表面強(qiáng)度，確保結(jié)構(gòu)優(yōu)化的情況下起重機(jī)具有足夠的安全性。
（3）國內(nèi)起重機(jī)材料多為 Q235 和 Q345，而較少采用高分子材料、高強(qiáng)鋼等材料。為了保證設(shè)計出的產(chǎn)品足夠安全，設(shè)計者往往增加鋼板厚度，并額外設(shè)計加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，從而提高了起重機(jī)的自重。國外的相關(guān)起重機(jī)企業(yè)采用鋁合金材料制造起重機(jī)的主要構(gòu)件，與鋼制起重機(jī)相比，鋁合金材料起重機(jī)可減重 30%以上；針對不同類型的構(gòu)件了采用不同的材料，盡可能用 H 型鋼材代替板材，節(jié)約結(jié)構(gòu)鋼材，并提高結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度。（
（4）傳統(tǒng)的起重機(jī)可分為桁架式和箱形結(jié)構(gòu)，通常以型鋼和鋼板作為主要組成構(gòu)件，通過焊接或螺紋連接的方法實現(xiàn)不同構(gòu)件的連接，這些結(jié)構(gòu)偏重于穩(wěn)定性和安全性，而對經(jīng)濟(jì)性考慮較少，使用型鋼代替焊接橫梁；采用柔性小車架，將“井字型”4 梁結(jié)構(gòu)改為“工字型”梁結(jié)構(gòu)；降低小車的總體高度，并采用“多合一”小車運行機(jī)構(gòu)，這樣在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性的前提下，對起重機(jī)的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，減小了起重機(jī)的自重。
（5）國內(nèi)起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)零部件的加工質(zhì)量粗糙，傳動系統(tǒng)效率低下，電氣控制系統(tǒng)性能差，對起重機(jī)構(gòu)和電氣系統(tǒng)改進(jìn)，采用緊湊型起升機(jī)構(gòu)，選用高速電機(jī)并配用制動力矩小的制動器；采用變頻調(diào)速技術(shù)，提高起重機(jī)的節(jié)能效果；起升機(jī)構(gòu)可采用電動葫蘆；根據(jù)起升高度和起升速度的不同選擇合適的倍率。
起重機(jī)智能化研究的總體目標(biāo)，是突破復(fù)雜環(huán)境下人工智能、作業(yè)空間識別、復(fù)雜裝備全壽命周期管理等智能化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出面向具有高智能化、帶操作安全管理系統(tǒng)的智能裝備，實現(xiàn)單機(jī)與機(jī)群智能化控制，并使我國重大施工裝備、技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。智能化起重機(jī)應(yīng)具有檢測和識別工作對象與工作條件的功能，具有根據(jù)吊裝目標(biāo)自行決策的功能，具有響應(yīng)決策、執(zhí)行預(yù)定動作的伺服功能，具有自動監(jiān)測吊裝過程與及時修正的功能，具有自我安全防護(hù)及排除故障的功能。綜合來看，起重機(jī)智能化的發(fā)展趨勢包括以下 8個方面：
（1）機(jī)器人化的精準(zhǔn)操作
智能起重機(jī)應(yīng)具備全面感知、自動規(guī)劃、主動動作、多機(jī)協(xié)同、自主學(xué)習(xí)以及決策控制等能力，為此采用環(huán)境自識別、軌跡規(guī)劃、自動避障礙、遠(yuǎn)程操控、自主作業(yè)、故障診斷等智能化技術(shù)，將是起重機(jī)智能化的目標(biāo)。這將使起重機(jī)的操作更安全、更舒適、更方便、更精準(zhǔn)，操作人員可以在遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場的情況下，遠(yuǎn)距離監(jiān)控起重機(jī)械，完成指定吊裝工程。同時應(yīng)加大力度研究惡劣環(huán)境下的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，與單機(jī)智能化形成具有自動化操作、智能化作業(yè)規(guī)劃和自適應(yīng)環(huán)境識別的工程機(jī)械機(jī)器人系統(tǒng)，解決工程機(jī)械安全、高效、精準(zhǔn)作業(yè)的問題。智能化起重機(jī)的另一方向是研究具有人工智能的吊裝作業(yè)動作，融入人的經(jīng)驗，從而在快捷的基礎(chǔ)上實現(xiàn)吊裝作業(yè)安全、平穩(wěn)、高效?？筛鶕?jù)起重機(jī)工作典型特性，將汽車與航天的導(dǎo)航、環(huán)境識別、人工智能、精密遙控等融入進(jìn)來，以固定模式、方法來簡化操作人員技能要求，從而提高操作安全性。目前來看，應(yīng)重點研究具有人工智能的起重機(jī)臂架技術(shù)，形成面向風(fēng)電拆裝工況的技術(shù)方案及裝備，解決安全、高效、精準(zhǔn)吊裝的行業(yè)難題。在起重量大、起重臂架長、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)對象不確定等各種條件限制下，起重機(jī)將無法進(jìn)行設(shè)備對作業(yè)環(huán)境和吊裝對象的識別，從而造成精準(zhǔn)對接困難。機(jī)器人領(lǐng)域在多關(guān)節(jié)運動軌跡控制技術(shù)、人工智能、環(huán)境識別等方向的深入研究成果，可應(yīng)用于起重機(jī)臂架智能化控制。隨著人工智能的介入，起重機(jī)現(xiàn)代化進(jìn)程將會進(jìn)一步加快，未來起重機(jī)將從目前的局部自動化向全面自動化過渡，并向遠(yuǎn)距離操控甚至無人駕駛的方向發(fā)展。
（2）作業(yè)環(huán)境自識別
開發(fā)具備環(huán)境識別能力并具有自我安全防護(hù)意識的起重機(jī)，能大大降低起重機(jī)故障，人員傷亡等事故的發(fā)生率。基于以上目的，需采用更多傳感器系統(tǒng)及電子設(shè)備來持續(xù)監(jiān)控起重機(jī)實際操作情況，提高起重機(jī)作業(yè)安全性和操作簡便性。智能起重機(jī)要能在不同環(huán)境精確靈活地進(jìn)行作業(yè)，高性能傳感器的研究開發(fā)是必不可少的。智能系統(tǒng)完善和傳感器性能改善是增強(qiáng)起重機(jī)智能化的重要手段，而來自傳感器的信息如何組合，即傳感器的信息融合問題必須解決。具體來講，可通過圖像識別技術(shù)及高精度差分 GPS 定位技術(shù)，準(zhǔn)確定位吊重物位置，通過控制軟件引導(dǎo)用戶準(zhǔn)確將起重姿態(tài)調(diào)整到最佳。而通過影像、聲波、電磁感應(yīng)、溫度、壓力等多傳感技術(shù)實現(xiàn)吊裝行駛路況規(guī)劃、作業(yè)環(huán)境的自識別，可使起重機(jī)在千變?nèi)f化的作業(yè)環(huán)境中實現(xiàn)安全精準(zhǔn)作業(yè)。
（3）多機(jī)協(xié)同作業(yè)
隨著工程建設(shè)中吊裝的結(jié)構(gòu)物不斷向大型化發(fā)展，單臺起重機(jī)的起重性能很難滿足吊裝要求，而應(yīng)用多臺起重機(jī)協(xié)同作業(yè)的需求日益增多。目前起重機(jī)多機(jī)協(xié)同作業(yè)時，由于需要多人采用對講系統(tǒng)協(xié)調(diào)指揮，再依據(jù)指揮員主觀判斷來協(xié)調(diào)各起重機(jī)動作，為此吊裝作業(yè)效率低、安全隱患較大。為有效提高起重機(jī)多機(jī)協(xié)同作業(yè)的工作效率及安全性，必須開展無線監(jiān)控系統(tǒng)的研究課題。應(yīng)用成熟的檢測系統(tǒng)、無線通訊技術(shù)及監(jiān)控終端，可實現(xiàn)多臺起重機(jī)工作參數(shù)的實時監(jiān)測、動作精準(zhǔn)控制及動態(tài)報警，從而實現(xiàn)多機(jī)協(xié)同控制功能。具體上，多臺起重機(jī)協(xié)同作業(yè)的通訊方式、載荷分配、動力學(xué)分析、協(xié)同控制算法、數(shù)據(jù)管理及檢測均課題的研究重點。
（4）系統(tǒng)在線故障自診斷
大噸位起重機(jī)普遍采用機(jī)械、液壓、電氣綜合控制，由大量的動力元件、檢測元件、控制元件及執(zhí)行元件有機(jī)組合而成。系統(tǒng)內(nèi)部各元件之間呈現(xiàn)高度耦合性，出現(xiàn)的故障往往具有多樣性、偶然性、復(fù)雜性、模糊性等特點，故障狀態(tài)與原因間不具備可遵循的線性關(guān)系。目前國內(nèi)起重機(jī)診斷能力弱，挖掘深度不夠，處理方法簡單，傳統(tǒng)的故障診斷方法如故障庫、專家診斷等均難以滿足要求。針對起重機(jī)系統(tǒng)錯綜復(fù)雜的故障現(xiàn)象，利用新技術(shù)手段、研究新診斷方法將是起重機(jī)智能化的重要研究方向之一。對于起重機(jī)故障診斷技術(shù)，將從傳統(tǒng)的人工診斷向以集成多傳感器融合技術(shù)、信號分析處理技術(shù)、動態(tài)監(jiān)控技術(shù)于一體的現(xiàn)代診斷技術(shù)發(fā)展。對于起重機(jī)故障診斷方式，將從以往的事后故障維修模式向按設(shè)備監(jiān)控參數(shù)狀態(tài)的維修模式轉(zhuǎn)變。
（5）人機(jī)交互功能
國產(chǎn)起重機(jī)整機(jī)人性化水平較弱，未充分體現(xiàn)人性化，常顧此失彼。隨著“以人為中心”設(shè)計思想逐漸被認(rèn)可，傳統(tǒng)的人機(jī)關(guān)系也在發(fā)生改變，人機(jī)系統(tǒng)的重心從“機(jī)”的因素轉(zhuǎn)移到了“人”的因素上。在人機(jī)交互方面，近期的研究方向應(yīng)考慮以下 4 點：一是將汽車、航天的導(dǎo)航、環(huán)境識別、人工智能、精密遙控等技術(shù)根據(jù)起重機(jī)工作典型特性融入進(jìn)來，以簡化對操作人員技能要求，降低勞動強(qiáng)度，提高操作安全性。二是使用人機(jī)工程軟件，例如利用 PROE、UG 等三維設(shè)計軟件自帶的人機(jī)模塊指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。三是搭建專有人機(jī)實驗驗證系統(tǒng)，利用眼動儀、數(shù)據(jù)手套等電子設(shè)備，通過數(shù)據(jù)采集判斷產(chǎn)品顯示、攀爬、維修、拆裝等裝置設(shè)置的合理性。四是搭建虛擬操作平臺，系統(tǒng)評判起重機(jī)操縱系統(tǒng)的人性化水平。其中重點是考慮整機(jī)人性化，提高與人相關(guān)的視、聽、說、觸、做等各方面的人性化水平，并搭建參數(shù)化的測評系統(tǒng)，給出具體測評指標(biāo)。
隨著起重機(jī)市場的競爭越趨激烈，，起重機(jī)產(chǎn)品的利潤空間進(jìn)一步被壓縮，輕量化.智能化設(shè)計已成為很多起重機(jī)企業(yè)提高市場競爭力、減少生產(chǎn)成本的重要舉措。而且起重機(jī)械制造行業(yè)正在進(jìn)入新的技術(shù)革命時代，大量新技術(shù)出現(xiàn)，知識的不斷更新，生產(chǎn)達(dá)到高度柔性化階段，作為學(xué)生的我們，響應(yīng)國家號召的工業(yè)4.0戰(zhàn)略，努力學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，時刻了解起重機(jī)前沿技術(shù)，不斷創(chuàng)新，為起重機(jī)的輕量化和智能化貢獻(xiàn)自己的一份力量，為我國的社會主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出貢獻(xiàn)。
靖江起重設(shè)備廠，唐經(jīng)理：13905261605
