起重機械廣泛應用于冶金、裝備制造業(yè)、運輸與物流業(yè)、造船等國民經(jīng)濟支柱行業(yè)，在經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。橋式起重機作為起重機械中量大面廣的一種機型，在實際應用中更具有廣泛性、基礎(chǔ)性和通用性的特點。因此革新橋式起重機（以下簡稱起重機）傳統(tǒng)的設(shè)計與制造技術(shù)，優(yōu)化整機性能并實現(xiàn)節(jié)能降耗，突破輕量化關(guān)鍵技術(shù)，既是起重機行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，更是實現(xiàn)我國綠色制造總體目標的關(guān)鍵。
1. 智能化控制技術(shù)
（1）精確定位與防搖擺技術(shù)
起重機防電氣搖擺自動定位控制技術(shù)，綜合懸掛物搖擺的物理特性和起重載荷搖擺的實測數(shù)據(jù)，經(jīng)建模和計算可預測出載荷搖擺的幅值和相位。其利用智能化防搖擺自動定位控制理論和控制方法，通過可編程控制、現(xiàn)場總線通信、變頻調(diào)速驅(qū)動等現(xiàn)代電氣控制技術(shù)，可實時地控制起重機的運行速度。
精確定位及防搖擺技術(shù)的研究內(nèi)容主要需圍繞 3 個方面展開：一是檢測裝置的選用，二是信號傳輸方式、檢測系統(tǒng)構(gòu)架、抗干擾能力、分辨率、可擴展性的確定，三是可視化操作技術(shù)與 PLC 控制技術(shù)的綜合應用。具體包括以下 3個方面研究內(nèi)容：一是開發(fā)出新型實用起重機防搖擺控制理論和方法，二是開發(fā)出新型實用起重機自動精確定位控制理論和方法，三是開發(fā)出適合推廣應用的起重機電氣防搖擺自動定位控制系統(tǒng)。電氣防搖擺自動定位控制系統(tǒng)打破了人們一直以來對起重機載荷搖擺問題的固有認知，使起重機轉(zhuǎn)變成為新型的“起重機器人”成為可能。
（2）故障診斷及安全保護系統(tǒng)
智能故障診斷及安全保護系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、控制、處理、儲存、導出、遠程監(jiān)視平臺等單元。為保障起重機械運行高效安全，可將動態(tài)運行狀態(tài)、快速維護、部件監(jiān)測等內(nèi)容列為重點。具體內(nèi)容包括 3 項：一是規(guī)劃數(shù)據(jù)采集范圍、控制方案，提出數(shù)據(jù)處理、儲存、導出要求；二是明確遠程監(jiān)視平臺功能要求；三是建立智能故障診斷及安全保護系統(tǒng)研發(fā)框架等。
（3）自動控制系統(tǒng)
智能自動控制主要體現(xiàn)在起重機械能夠適應不同環(huán)境，能夠精確靈活、安全可靠自動運行。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、模糊控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，起重機智能自動控制運行研發(fā)基礎(chǔ)逐漸成型，并在垃圾起重機、全自動冶金起重機等領(lǐng)域的應用已取得一定的成效。起重機自動控制研究重點在于在線運行空間檢測、負載特性、物料掃描。研發(fā)人員可根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝布局和
施工路線，通過與吊鉤定位、智能故障診斷系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)以及專用吊具的結(jié)合，提出智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動運行的功能方案。
（4）在線監(jiān)測及安全評估技術(shù)
此項技術(shù)的關(guān)鍵是起重機安全光纖光柵傳感數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)的基本理論和應用技術(shù)。基于光纖光柵起重機安全監(jiān)測系統(tǒng)，形成的起重機專用光纖光柵傳感器及光纖光柵高速解調(diào)器等新裝置，如圖 6 所示。對于研發(fā)人員而講，可根據(jù)大型橋式起重機結(jié)構(gòu)特點、在線監(jiān)測要求，確立起重機專用光纖光柵傳感器設(shè)計方法和封裝與埋設(shè)工藝。
此外，研發(fā)人員結(jié)合大型橋式起重機結(jié)構(gòu)的特點，應用基于光纖光柵傳感技術(shù)還可構(gòu)建應變監(jiān)測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測評價系統(tǒng)?；诠饫w傳感的在線應用如圖 7 所示。根據(jù)橋式起重機運行時動態(tài)應變數(shù)據(jù)信息量大、系統(tǒng)頻響快的特點，采用先進的 C/S 結(jié)構(gòu)和 3D 建模技術(shù)，可模擬橋式起重機動態(tài)作業(yè)過程，形成友好的人機交互環(huán)境。
（5）材料損傷壽命評價技術(shù)
該技術(shù)是指采用聲發(fā)射檢測技術(shù)，研究起重機金屬結(jié)構(gòu)材料與焊接結(jié)構(gòu)材料的過載形變損傷及疲勞損傷的信號特征，并依據(jù)測試數(shù)據(jù)研究預測橋式起重機械材料的損傷狀態(tài)或剩余壽命。采用聲發(fā)射檢測技術(shù)檢測起重機鋼結(jié)構(gòu)
該技術(shù)從斷裂力學入手，引入聲發(fā)射能量理論，并結(jié)合實驗室或現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)預測缺陷尺寸、增長狀態(tài)及結(jié)構(gòu)失效概率，建立參數(shù)擬合模型、概率預測模型及神經(jīng)網(wǎng)絡分析等模型。然后根據(jù)上述模型進行缺陷擴張情況預測，并結(jié)合臨界缺陷尺寸及損傷容限探討，預測金屬結(jié)構(gòu)剩余壽命。
2. 輕量化技術(shù)
（1）橋架輕量化技術(shù)新型輕量化起重機橋架一般采用四梁結(jié)構(gòu)形式，如圖 1 所示。其主梁采用窄翼緣全偏軌焊接箱型梁結(jié)構(gòu)，小車輪壓力通過軌道直接傳遞到上蓋板與主腹板的焊縫上。
與傳統(tǒng)的半偏軌形式相比，采用全偏軌箱型梁因主、副腹板受力不同，副腹板板厚選取可比主腹板小，并可取消半偏軌箱形梁內(nèi)部眾多小隔板。采用該結(jié)構(gòu)形式，能明顯改善主梁上蓋板的焊接變形和波浪變形，且焊接下?lián)献冃瘟枯^小。大噸位偏軌箱形梁系寬形梁，為此可省略走臺，從而使制造工藝進一步簡化，總體質(zhì)量進一步降低。與傳統(tǒng)起重機采用壓板固定的軌道不同，輕
量化起重機小車軌道采用方鋼（或扁鋼）直接焊接在主梁上，能使軌道和箱型梁組成整體結(jié)構(gòu)，共同承受載荷，提高了主梁的強度和剛度，較大幅度降低了主梁高度和主梁質(zhì)量。
通過采用四梁橋架結(jié)構(gòu)形式、全偏軌焊接軌道箱形主梁，合理選配材料，應用先進的端梁模塊化等設(shè)計思想，可使起重機從結(jié)構(gòu)方案上達到輕量化的目標。
（2）小車架輕量化技術(shù)
傳統(tǒng)起重小車架采用超靜定結(jié)構(gòu)的布局方式，選用的零部件技術(shù)陳舊，布置缺乏優(yōu)化，由此導致起升機構(gòu)大而笨重。其承載起升機構(gòu)的小車架則多采用由 2 根端梁、多根橫梁以及多處加強筋焊接成的超靜定剛性框架結(jié)構(gòu)形式，框架上面還需鋪設(shè)厚重的鋼板。由此看出，傳統(tǒng)小車架結(jié)構(gòu)不僅存在質(zhì)量大、成本高、結(jié)構(gòu)復雜、焊接工藝復雜、剛性大等缺點，且極易出現(xiàn)車輪三點著地、輪壓分配不均衡、車輪啃軌現(xiàn)象，嚴重影響作業(yè)的安全性和壽命。
輕量化起重機采用如圖 2 所示的三支點靜定支承形式的工字形三梁小車架，其橫梁為開口滑輪梁。該型小車架在垂直方向有足夠的剛度，以減小起吊重物的振動。在水平扭轉(zhuǎn)方面，有一定的柔性，允許小車架承受一定量的扭轉(zhuǎn)變形，以確保四輪支點適應主梁的變形。
（3）起升機構(gòu)輕量化技術(shù)
起升機構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量、高度等參數(shù)對起重機整機的輕量化指標，特別是主梁質(zhì)量、整機凈空高度等都會產(chǎn)生巨大的影響。傳統(tǒng)起重機起升機構(gòu)如圖 3 所示。其卷筒兩端用2個軸承座支撐，卷筒通過卷筒聯(lián)軸器與減速器的低速軸相連，電動機通過聯(lián)軸器與減速器的高速軸相連。卷筒的 2 個軸承座，電機、減速器、制動器的支座均用地腳螺栓固定在小車架上。由于該種起升機構(gòu)傳動鏈尺寸龐大、結(jié)構(gòu)形式復雜、整體小車架剛性過大，導致其整體質(zhì)量和外形尺寸均偏大。
優(yōu)化后的新型起升機構(gòu)布置如圖 4 所示。其采用工字型梁、無整體安裝平臺結(jié)構(gòu)，卷筒通過一個卷筒軸承座和一個減速器簡支座半臥式布置在 2 個車輪梁之間。減速器的花鍵輸出軸端通過剛性錐形接手與卷筒法蘭板相連，電機通過法蘭固定在減速器箱體上。整個起升機構(gòu)僅有一個
減速器簡支座、一個鉸接支座和一個卷筒軸承座與小車架端梁相連，支承形式簡單，受力清晰。該結(jié)構(gòu)通過對傳動鏈的優(yōu)化，提高了起升高度、增加了空間利用率，實現(xiàn)了起重小車整體結(jié)構(gòu)緊湊、整機高度大幅度降低的目的。
減速器的安裝形式既要保證傳動的穩(wěn)定，又要滿足輕量化起重機起升機構(gòu)的需求。輕量化起重機小車空間布置緊湊，沒有傳統(tǒng)的小車平臺用以安裝零部件，其端梁較窄且剛性小，為此需對傳統(tǒng)減速器的安裝形式進行優(yōu)化，以壓縮傳動鏈尺寸、減小傳動振動。具體可采取以下方案：對于電機、制動器等無底座部件，可采用剛性接口連接在減速器箱體上，如圖 5 所示。從有利于
起升小車穩(wěn)定性的角度考慮，電機的長度應盡量短，質(zhì)量應盡量輕。
通過上述金屬結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究及輕量化優(yōu)化設(shè)計，新型起重機產(chǎn)品整機質(zhì)量平均可減少20% ～ 25%，高度可降低 10% ～ 30%，能耗可降低 10% ～ 30%。同時，采用輕量化技術(shù)的起重機可以有效降低廠房建筑高度，節(jié)省取暖和照明等費用，顯著降低綜合使用成本。