起重機是一種集物料起重起重機的輕量化和智能化發展
發布人： 發布時間：2020-06-17 09:45:18
起重機是一種集物料起重、運輸和裝卸為一體的輸送設備和工業安裝設備，在現代化生產中起著不可或缺的作用。長期以來，我國對起重機的設計質量和設計水平的衡量通常側重于技術角度，而對經濟性、環保性等方面的要求考慮較少，致使起重機能耗高、自重及體積較大且安全系數裕量也較大，造成資源的浪費，并且針對目前起重機行業單一起重機設備價格過于低廉和低端起重機產品過剩，造成惡性競爭的現狀，產品的技術含量不斷升級，產品附加值和業務拓展范圍隨之擴大。對于用戶來說，人力成本的增加占企業成本比重越來越大，這就促成了一部分市場的需求。起重機的輕量化和智能化技術正好符合了目前的市場潮流，也響應了國家號召的工業4.0戰略，提高了用戶的現代化管理，節省用工數量和成本，又為起重機企業提供了設備升級和利潤增長點，為今后起重機行業發展方向指明了通道。
為了滿足實際需求，現代起重機械正向著大起重量的方向發展。輕量化技術就是在保證起重重量的同時，減少起重機的自重。我國的起重機自重普遍比國外先進的起重機重 20%-50%以上，據此可看出我國起重機自重與歐式起重機之間的巨大差距，在起重機的輕量化設計方面，我國還有很大的提升空間。起重機輕量化主要體現在五個方面：
（1）我國起重機的設計方法通常為許用應力法，為保證起重機產品使用的安全性，在實際設計中通常采用較大的安全系數，從而導致起重機產品自重增加，尺寸偏大，造成資源的浪費。應廣泛使用極限狀態的設計法，提高計算精度，使計算結果更逼近金屬結構在實際工作中的狀態；應用有限元法、模糊優化設計等現代設計方法，深入剖析并動態模擬鋼材結構的力學和材料性能；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新，并進一步發展自己的新技術和新產品。反求工程設計是針對消化吸收先進技術的一系列方法和應用技術的組合。反求工程設計通過實物或技術資料對已有的先進產品進行分析、研究、解剖和試驗，了解其參數、性能、構造和功能，掌握其關鍵技術、工作原理和工藝原理，以進行仿制、改進或發展創造新產品的一種方法。
（2）對于起重機中的非主要受力構件，可采用工字鋼、槽鋼等；可多采用焊接結構代替鑄件，運用機器人焊接等先進焊接技術，與人工焊接相比，在保證焊接質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齒輪等構件的表面強度，確保結構優化的情況下起重機具有足夠的安全性。
（3）國內起重機材料多為 Q235 和 Q345，而較少采用高分子材料、高強鋼等材料。為了保證設計出的產品足夠安全，設計者往往增加鋼板厚度，并額外設計加強結構，從而提高了起重機的自重。國外的相關起重機企業采用鋁合金材料制造起重機的主要構件，與鋼制起重機相比，鋁合金材料起重機可減重 30%以上；針對不同類型的構件了采用不同的材料，盡可能用 H 型鋼材代替板材，節約結構鋼材，并提高結構的抗彎強度。（
（4）傳統的起重機可分為桁架式和箱形結構，通常以型鋼和鋼板作為主要組成構件，通過焊接或螺紋連接的方法實現不同構件的連接，這些結構偏重于穩定性和安全性，而對經濟性考慮較少，使用型鋼代替焊接橫梁；采用柔性小車架，將“井字型”4 梁結構改為“工字型”梁結構；降低小車的總體高度，并采用“多合一”小車運行機構，這樣在保證結構穩定性和安全性的前提下，對起重機的部分結構進行了改進，減小了起重機的自重。
（5）國內起重機的起升機構零部件的加工質量粗糙，傳動系統效率低下，電氣控制系統性能差，對起重機構和電氣系統改進，采用緊湊型起升機構，選用高速電機并配用制動力矩小的制動器；采用變頻調速技術，提高起重機的節能效果；起升機構可采用電動葫蘆；根據起升高度和起升速度的不同選擇合適的倍率。
起重機智能化研究的總體目標，是突破復雜環境下人工智能、作業空間識別、復雜裝備全壽命周期管理等智能化技術等關鍵技術，開發出面向具有高智能化、帶操作安全管理系統的智能裝備，實現單機與機群智能化控制，并使我國重大施工裝備、技術達到國際領先水平。智能化起重機應具有檢測和識別工作對象與工作條件的功能，具有根據吊裝目標自行決策的功能，具有響應決策、執行預定動作的伺服功能，具有自動監測吊裝過程與及時修正的功能，具有自我安全防護及排除故障的功能。綜合來看，起重機智能化的發展趨勢包括以下 8個方面：
（1）機器人化的精準操作
智能起重機應具備全面感知、自動規劃、主動動作、多機協同、自主學習以及決策控制等能力，為此采用環境自識別、軌跡規劃、自動避障礙、遠程操控、自主作業、故障診斷等智能化技術，將是起重機智能化的目標。這將使起重機的操作更安全、更舒適、更方便、更精準，操作人員可以在遠離施工現場的情況下，遠距離監控起重機械，完成指定吊裝工程。同時應加大力度研究惡劣環境下的嵌入式系統開發，與單機智能化形成具有自動化操作、智能化作業規劃和自適應環境識別的工程機械機器人系統，解決工程機械安全、高效、精準作業的問題。智能化起重機的另一方向是研究具有人工智能的吊裝作業動作，融入人的經驗，從而在快捷的基礎上實現吊裝作業安全、平穩、高效。可根據起重機工作典型特性，將汽車與航天的導航、環境識別、人工智能、精密遙控等融入進來，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，應重點研究具有人工智能的起重機臂架技術，形成面向風電拆裝工況的技術方案及裝備，解決安全、高效、精準吊裝的行業難題。在起重量大、起重臂架長、作業環境復雜、作業對象不確定等各種條件限制下，起重機將無法進行設備對作業環境和吊裝對象的識別，從而造成精準對接困難。機器人領域在多關節運動軌跡控制技術、人工智能、環境識別等方向的深入研究成果，可應用于起重機臂架智能化控制。隨著人工智能的介入，起重機現代化進程將會進一步加快，未來起重機將從目前的局部自動化向全面自動化過渡，并向遠距離操控甚至無人駕駛的方向發展。
（2）作業環境自識別
開發具備環境識別能力并具有自我安全防護意識的起重機，能大大降低起重機故障，人員傷亡等事故的發生率。基于以上目的，需采用更多傳感器系統及電子設備來持續監控起重機實際操作情況，提高起重機作業安全性和操作簡便性。智能起重機要能在不同環境精確靈活地進行作業，高性能傳感器的研究開發是必不可少的。智能系統完善和傳感器性能改善是增強起重機智能化的重要手段，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及高精度差分 GPS 定位技術，準確定位吊重物位置，通過控制軟件引導用戶準確將起重姿態調整到較佳。而通過影像、聲波、電磁感應、溫度、壓力等多傳感技術實現吊裝行駛路況規劃、作業環境的自識別，可使起重機在千變萬化的作業環境中實現安全精準作業。
（3）多機協同作業
隨著工程建設中吊裝的結構物不斷向大型化發展，單臺起重機的起重性能很難滿足吊裝要求，而應用多臺起重機協同作業的需求日益增多。目前起重機多機協同作業時，由于需要多人采用對講系統協調指揮，再依據指揮員主觀判斷來協調各起重機動作，為此吊裝作業效率低、安全隱患較大。為有效提高起重機多機協同作業的工作效率及安全性，必須開展無線監控系統的研究課題。應用成熟的檢測系統、無線通訊技術及監控終端，可實現多臺起重機工作參數的實時監測、動作精準控制及動態報警，從而實現多機協同控制功能。具體上，多臺起重機協同作業的通訊方式、載荷分配、動力學分析、協同控制算法、數據管理及檢測均課題的研究重點。
（4）系統在線故障自診斷
大噸位起重機普遍采用機械、液壓、電氣綜合控制，由大量的動力元件、檢測元件、控制元件及執行元件有機組合而成。系統內部各元件之間呈現高度耦合性，出現的故障往往具有多樣性、偶然性、復雜性、模糊性等特點，故障狀態與原因間不具備可遵循的線性關系。目前國內起重機診斷能力弱，挖掘深度不夠，處理方法簡單，傳統的故障診斷方法如故障庫、專家診斷等均難以滿足要求。針對起重機系統錯綜復雜的故障現象，利用新技術手段、研究新診斷方法將是起重機智能化的重要研究方向之一。對于起重機故障診斷技術，將從傳統的人工診斷向以集成多傳感器融合技術、信號分析處理技術、動態監控技術于一體的現代診斷技術發展。對于起重機故障診斷方式，將從以往的事后故障維修模式向按設備監控參數狀態的維修模式轉變。
（5）人機交互功能
國產起重機整機人性化水平較弱，未充分體現人性化，常顧此失彼。隨著“以人為中心”設計思想逐漸被認可，傳統的人機關系也在發生改變，人機系統的重心從“機”的因素轉移到了“人”的因素上。在人機交互方面，近期的研究方向應考慮以下 4 點：一是將汽車、航天的導航、環境識別、人工智能、精密遙控等技術根據起重機工作典型特性融入進來，以簡化對操作人員技能要求，降低勞動強度，提高操作安全性。二是使用人機工程軟件，例如利用 PROE、UG 等三維設計軟件自帶的人機模塊指導產品設計。三是搭建專有人機實驗驗證系統，利用眼動儀、數據手套等電子設備，通過數據采集判斷產品顯示、攀爬、維修、拆裝等裝置設置的合理性。四是搭建虛擬操作平臺，系統評判起重機操縱系統的人性化水平。其中重點是考慮整機人性化，提高與人相關的視、聽、說、觸、做等各方面的人性化水平，并搭建參數化的測評系統，給出具體測評指標。
隨著起重機市場的競爭越趨激烈，，起重機產品的利潤空間進一步被壓縮，輕量化.智能化設計已成為很多起重機企業提高市場競爭力、減少生產成本的重要舉措。而且起重機械制造行業正在進入新的技術革命時代，大量新技術出現，知識的不斷更新，生產達到高度柔性化階段，作為學生的我們，響應國家號召的工業4.0戰略，努力學習先進技術，時刻了解起重機前沿技術，不斷創新，為起重機的輕量化和智能化貢獻自己的一份力量，為我國的社會主義經濟建設做出貢獻。
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為了滿足實際需求，現代起重機械正向著大起重量的方向發展。輕量化技術就是在保證起重重量的同時，減少起重機的自重。我國的起重機自重普遍比國外先進的起重機重 20%-50%以上，據此可看出我國起重機自重與歐式起重機之間的巨大差距，在起重機的輕量化設計方面，我國還有很大的提升空間。起重機輕量化主要體現在五個方面：
（1）我國起重機的設計方法通常為許用應力法，為保證起重機產品使用的安全性，在實際設計中通常采用較大的安全系數，從而導致起重機產品自重增加，尺寸偏大，造成資源的浪費。應廣泛使用極限狀態的設計法，提高計算精度，使計算結果更逼近金屬結構在實際工作中的狀態；應用有限元法、模糊優化設計等現代設計方法，深入剖析并動態模擬鋼材結構的力學和材料性能；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新，并進一步發展自己的新技術和新產品。反求工程設計是針對消化吸收先進技術的一系列方法和應用技術的組合。反求工程設計通過實物或技術資料對已有的先進產品進行分析、研究、解剖和試驗，了解其參數、性能、構造和功能，掌握其關鍵技術、工作原理和工藝原理，以進行仿制、改進或發展創造新產品的一種方法。
（2）對于起重機中的非主要受力構件，可采用工字鋼、槽鋼等；可多采用焊接結構代替鑄件，運用機器人焊接等先進焊接技術，與人工焊接相比，在保證焊接質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齒輪等構件的表面強度，確保結構優化的情況下起重機具有足夠的安全性。
（3）國內起重機材料多為 Q235 和 Q345，而較少采用高分子材料、高強鋼等材料。為了保證設計出的產品足夠安全，設計者往往增加鋼板厚度，并額外設計加強結構，從而提高了起重機的自重。國外的相關起重機企業采用鋁合金材料制造起重機的主要構件，與鋼制起重機相比，鋁合金材料起重機可減重 30%以上；針對不同類型的構件了采用不同的材料，盡可能用 H 型鋼材代替板材，節約結構鋼材，并提高結構的抗彎強度。（
（4）傳統的起重機可分為桁架式和箱形結構，通常以型鋼和鋼板作為主要組成構件，通過焊接或螺紋連接的方法實現不同構件的連接，這些結構偏重于穩定性和安全性，而對經濟性考慮較少，使用型鋼代替焊接橫梁；采用柔性小車架，將“井字型”4 梁結構改為“工字型”梁結構；降低小車的總體高度，并采用“多合一”小車運行機構，這樣在保證結構穩定性和安全性的前提下，對起重機的部分結構進行了改進，減小了起重機的自重。
（5）國內起重機的起升機構零部件的加工質量粗糙，傳動系統效率低下，電氣控制系統性能差，對起重機構和電氣系統改進，采用緊湊型起升機構，選用高速電機并配用制動力矩小的制動器；采用變頻調速技術，提高起重機的節能效果；起升機構可采用電動葫蘆；根據起升高度和起升速度的不同選擇合適的倍率。
起重機智能化研究的總體目標，是突破復雜環境下人工智能、作業空間識別、復雜裝備全壽命周期管理等智能化技術等關鍵技術，開發出面向具有高智能化、帶操作安全管理系統的智能裝備，實現單機與機群智能化控制，并使我國重大施工裝備、技術達到國際領先水平。智能化起重機應具有檢測和識別工作對象與工作條件的功能，具有根據吊裝目標自行決策的功能，具有響應決策、執行預定動作的伺服功能，具有自動監測吊裝過程與及時修正的功能，具有自我安全防護及排除故障的功能。綜合來看，起重機智能化的發展趨勢包括以下 8個方面：
（1）機器人化的精準操作
智能起重機應具備全面感知、自動規劃、主動動作、多機協同、自主學習以及決策控制等能力，為此采用環境自識別、軌跡規劃、自動避障礙、遠程操控、自主作業、故障診斷等智能化技術，將是起重機智能化的目標。這將使起重機的操作更安全、更舒適、更方便、更精準，操作人員可以在遠離施工現場的情況下，遠距離監控起重機械，完成指定吊裝工程。同時應加大力度研究惡劣環境下的嵌入式系統開發，與單機智能化形成具有自動化操作、智能化作業規劃和自適應環境識別的工程機械機器人系統，解決工程機械安全、高效、精準作業的問題。智能化起重機的另一方向是研究具有人工智能的吊裝作業動作，融入人的經驗，從而在快捷的基礎上實現吊裝作業安全、平穩、高效。可根據起重機工作典型特性，將汽車與航天的導航、環境識別、人工智能、精密遙控等融入進來，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，應重點研究具有人工智能的起重機臂架技術，形成面向風電拆裝工況的技術方案及裝備，解決安全、高效、精準吊裝的行業難題。在起重量大、起重臂架長、作業環境復雜、作業對象不確定等各種條件限制下，起重機將無法進行設備對作業環境和吊裝對象的識別，從而造成精準對接困難。機器人領域在多關節運動軌跡控制技術、人工智能、環境識別等方向的深入研究成果，可應用于起重機臂架智能化控制。隨著人工智能的介入，起重機現代化進程將會進一步加快，未來起重機將從目前的局部自動化向全面自動化過渡，并向遠距離操控甚至無人駕駛的方向發展。
（2）作業環境自識別
開發具備環境識別能力并具有自我安全防護意識的起重機，能大大降低起重機故障，人員傷亡等事故的發生率。基于以上目的，需采用更多傳感器系統及電子設備來持續監控起重機實際操作情況，提高起重機作業安全性和操作簡便性。智能起重機要能在不同環境精確靈活地進行作業，高性能傳感器的研究開發是必不可少的。智能系統完善和傳感器性能改善是增強起重機智能化的重要手段，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及高精度差分 GPS 定位技術，準確定位吊重物位置，通過控制軟件引導用戶準確將起重姿態調整到較佳。而通過影像、聲波、電磁感應、溫度、壓力等多傳感技術實現吊裝行駛路況規劃、作業環境的自識別，可使起重機在千變萬化的作業環境中實現安全精準作業。
（3）多機協同作業
隨著工程建設中吊裝的結構物不斷向大型化發展，單臺起重機的起重性能很難滿足吊裝要求，而應用多臺起重機協同作業的需求日益增多。目前起重機多機協同作業時，由于需要多人采用對講系統協調指揮，再依據指揮員主觀判斷來協調各起重機動作，為此吊裝作業效率低、安全隱患較大。為有效提高起重機多機協同作業的工作效率及安全性，必須開展無線監控系統的研究課題。應用成熟的檢測系統、無線通訊技術及監控終端，可實現多臺起重機工作參數的實時監測、動作精準控制及動態報警，從而實現多機協同控制功能。具體上，多臺起重機協同作業的通訊方式、載荷分配、動力學分析、協同控制算法、數據管理及檢測均課題的研究重點。
（4）系統在線故障自診斷
大噸位起重機普遍采用機械、液壓、電氣綜合控制，由大量的動力元件、檢測元件、控制元件及執行元件有機組合而成。系統內部各元件之間呈現高度耦合性，出現的故障往往具有多樣性、偶然性、復雜性、模糊性等特點，故障狀態與原因間不具備可遵循的線性關系。目前國內起重機診斷能力弱，挖掘深度不夠，處理方法簡單，傳統的故障診斷方法如故障庫、專家診斷等均難以滿足要求。針對起重機系統錯綜復雜的故障現象，利用新技術手段、研究新診斷方法將是起重機智能化的重要研究方向之一。對于起重機故障診斷技術，將從傳統的人工診斷向以集成多傳感器融合技術、信號分析處理技術、動態監控技術于一體的現代診斷技術發展。對于起重機故障診斷方式，將從以往的事后故障維修模式向按設備監控參數狀態的維修模式轉變。
（5）人機交互功能
國產起重機整機人性化水平較弱，未充分體現人性化，常顧此失彼。隨著“以人為中心”設計思想逐漸被認可，傳統的人機關系也在發生改變，人機系統的重心從“機”的因素轉移到了“人”的因素上。在人機交互方面，近期的研究方向應考慮以下 4 點：一是將汽車、航天的導航、環境識別、人工智能、精密遙控等技術根據起重機工作典型特性融入進來，以簡化對操作人員技能要求，降低勞動強度，提高操作安全性。二是使用人機工程軟件，例如利用 PROE、UG 等三維設計軟件自帶的人機模塊指導產品設計。三是搭建專有人機實驗驗證系統，利用眼動儀、數據手套等電子設備，通過數據采集判斷產品顯示、攀爬、維修、拆裝等裝置設置的合理性。四是搭建虛擬操作平臺，系統評判起重機操縱系統的人性化水平。其中重點是考慮整機人性化，提高與人相關的視、聽、說、觸、做等各方面的人性化水平，并搭建參數化的測評系統，給出具體測評指標。
隨著起重機市場的競爭越趨激烈，，起重機產品的利潤空間進一步被壓縮，輕量化.智能化設計已成為很多起重機企業提高市場競爭力、減少生產成本的重要舉措。而且起重機械制造行業正在進入新的技術革命時代，大量新技術出現，知識的不斷更新，生產達到高度柔性化階段，作為學生的我們，響應國家號召的工業4.0戰略，努力學習先進技術，時刻了解起重機前沿技術，不斷創新，為起重機的輕量化和智能化貢獻自己的一份力量，為我國的社會主義經濟建設做出貢獻。
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