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4起重機是一種集物料起重起重機的轻量化和智能(neng)化(hua)发展

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起重機是一種集物料起重、運輸和裝(zhuang)卸為一體的輸送設備和工業(ye)安裝設備，在現代化生(sheng)產中起着(zhe)不可或缺的作用。长期以(yi)來，我國對起重機的(de)設計質量和設計水平的衡量通常侧重於技術角度(du)，而對經濟性、環保性等方面的要求(qiu)考虑较少(shao)，致使起重(zhong)機能耗高、自重及(ji)體积较(jiao)大且安全系数裕量也较大，造成(cheng)资源的(de)浪費，並且针對目前起重機行業單一起重機設備(bei)价格過於低廉和低端起重(zhong)機產品過剩，造成恶性竞争的(de)現状，產品的技術(shu)含量不(bu)断升級，產品附加(jia)值和業務拓展範围随之擴(kuo)大。對於用戶來說，人力成本的增加占企業成本(ben)比(bi)重越來越大，这就促成了(le)一部分市場的需求。起重機的轻量化和智能(neng)化(hua)技術正好符合了目前的市場潮流，也響(xiang)應了國家號召(zhao)的工業4.0战略，提高了用戶的現代化(hua)管理，節省用工数(shu)量和成本，又為起重機企業提供(gong)了設備(bei)升級和利润增长點，為今(jin)后起重機行業发展方向指明(ming)了通道。

為了(le)满(man)足實际需求，現代起重(zhong)機械正向着大起重量的方向(xiang)发展。轻(qing)量(liang)化技術就是在保證起重重量的同時，减少起重(zhong)機的(de)自重。我國的起(qi)重機自重普遍比國外(wai)先進的起重機重 20%-50%以上，據(ju)此可看出我國起重機自重與欧式起重機(ji)之間的巨大差距，在起重(zhong)機的(de)轻量化設計方面，我國還有很大的提升空間。起重機轻量化主要(yao)體現在五個方面：

（1）我國起重機(ji)的設計方(fang)法通常為許用應力法，為(wei)保證起重機產品(pin)使用的安全性，在實际設計中通常采用(yong)较大的(de)安全系数，从而导致(zhi)起重(zhong)機產品自重增加，尺寸(cun)偏大，造成(cheng)资源的(de)浪費。應廣泛使用限状態的設計法，提高計算精度，使計算結果更逼近金屬結構在(zai)實际工作中的状態；應用有限元法、模糊優化設計等現代設計方法，深入剖析並動態(tai)模擬鋼材(cai)結構的力學和材料性能；目前世界各國都(dou)在充分利用別國的科技成果加以消化吸收與创新，並進一步发展自己(ji)的新技(ji)術和新產品。反求工程設(she)計是(shi)针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(ji)通過實物或技術资料對已(yi)有的先進產品進行分析、研究、解剖(pou)和(he)試驗，了(le)解其(qi)參数、性能、構造和功能，掌握其關键(jian)技術(shu)、工作原理和工藝原(yuan)理，以進行仿製、改進(jin)或(huo)发展创造新產品的一種方法。

（2）對於起重機中的非主要受力構(gou)件，可采用工字鋼、槽鋼等(deng)；可多(duo)采用(yong)焊接結構代替鑄件，運用(yong)機器人焊接等先進焊(han)接技術，與人工焊接相比(bi)，在保證焊接質量的同時(shi)可减少對焊料的(de)使用；運用熱處(chu)理等工藝(yi)提高起重機齒轮等構件的表面強度，確保結構優化的情况下起重機具(ju)有足够的安全性。

（3）國内起重機材料多為(wei) Q235 和 Q345，而较少采用高分子材料、高強(qiang)鋼(gang)等材料。為了(le)保證設(she)計出的產品足够安全，設計(ji)者往往(wang)增加鋼板厚度，並额外設計加強結構(gou)，从而提(ti)高了起重機的自重。國外的相(xiang)關起(qi)重機企業采用铝合金材料製造起重機的主要構件，與鋼製起重機相比，铝合金材料起重機可减重 30%以上；针對(dui)不同類型(xing)的構件了采用不同的材料，盡可能用(yong) H 型鋼材代(dai)替板材，節約結構鋼材，並提高(gao)結構的抗弯強(qiang)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(ban)作為主要組成構件，通過焊接(jie)或螺纹连接的方法(fa)實現不同構件的连接，这些(xie)結構偏重於稳定性和安全(quan)性，而對經濟性考虑较少，使用型(xing)鋼代(dai)替焊接橫梁；采用柔性小车架，將“井字型(xing)”4 梁結構(gou)改為(wei)“工字(zi)型”梁結構；降低小车的总體高度，並采用“多合一”小车(che)運行機構，这樣在保證結構稳定性和安(an)全性的前提(ti)下，對起重機的部分結構進行了改進(jin)，减小了(le)起重機的自重。

（5）國内起重(zhong)機的起(qi)升機構零部件的加工質量粗糙，傳動系統效(xiao)率低下，電氣(qi)控製系(xi)統性能差，對起重機構和電(dian)氣系統改進，采(cai)用紧凑型起升機構，選(xuan)用高速電機並配用製動力矩小的製動器；采用變頻調速技術(shu)，提高起重機的節能效果；起升機構(gou)可采用電(dian)動葫芦；根據起升高度和起升速度的(de)不同選擇合適(shi)的倍率。

起重機智能化研究的总體目標，是(shi)突破复雜環境下人工(gong)智能、作業空間识別、复雜裝備全寿命周期管理等智能化技(ji)術等關键技(ji)術，開发出面向具(ju)有(you)高智能化、带操作安全管理系統的(de)智能裝備，實現單機與機群智能化控製，並使我國重大施工裝備、技術達到國际(ji)领/先水(shui)平(ping)。智能化起重機應具有檢(jian)測和识別工作對象與工作条件的(de)功能，具有(you)根據吊裝目(mu)標自行決策的功能，具有響應決策、執行预定動作(zuo)的伺服功(gong)能，具有自動监測吊裝過程與及時(shi)修(xiu)正的功能，具有(you)自我安全防(fang)護及排除故障的功能。綜合來看，起重機(ji)智能化的发展趨勢包括(kuo)以下 8個方面：

（1）機器人化的精/準操作

智能起(qi)重機應具備全(quan)/面感(gan)知、自(zi)動規劃、主動(dong)動作、多機协(xie)同、自主學習以及決策控製等能力，為此采用環境自识(shi)別(bie)、轨(gui)迹規劃、自動避障碍、远程操控、自主作業、故障诊断等智能化技術，將是起重機智能化的目(mu)標。这將使起重機(ji)的操作更/安全、更舒(shu)/適、更方便、更精/準，操作人員可以在(zai)远(yuan)离施工現場的情况下，远距离(li)监控起重機械(xie)，完(wan)成指定吊裝工程(cheng)。同時應加(jia)大力度研究恶(e)劣環境下的嵌入式系統開发，與單(dan)機智能化形成具有(you)自動化操作、智能化作業規劃和自適(shi)應環境识別的工程機械機器人系(xi)統，解決工程機(ji)械安全、高/效、精/準作業的問題(ti)。智能化起重機的另一方向是研究具有人(ren)工智能的吊裝作業動作(zuo)，融入(ru)人的經(jing)驗，从(cong)而在快捷的基礎上實現吊裝作業安全、平稳(wen)、高/效。可根據起重機工作典型特性，將汽(qi)车與航天的导航、環境识(shi)別、人工智能、精/密遥控等融入進來，以固(gu)定模式、方法來簡化操作(zuo)人員技能要求，从而提高操作安全性。目前來看，應(ying)重(zhong)/點研究具有人工智能(neng)的起重(zhong)機臂架技術，形成面向風電拆裝工况的技術方案及裝備，解決安全、高/效、精/準吊裝的(de)行業难題。在起重量大、起重臂架长(zhang)、作業環(huan)境复雜、作業對象不確定等各(ge)種条件限製下，起重機將无法進行設(she)備對作業環境和吊裝對象的识(shi)別，从而造成精(jing)/準對接困难。機(ji)器人领域在(zai)多關節運動轨迹控製技術、人工智能、環境识別等方向的深入研(yan)究成果，可(ke)應(ying)用於起重機臂架智能化控製。随着(zhe)人工智能的介(jie)入，起重機現代化進程將會進一步(bu)加快(kuai)，未來(lai)起重機將从目前的局部自動化向全/面自動化過渡，並向远(yuan)距离操控甚至无人駕驶的方(fang)向发展。

（2）作業環境自识別

開发具備環境识別能力並具有自我安全防護意识的(de)起重機，能大(da)大降低起重機故障，人員伤亡(wang)等事故的发生率。基於以上目的(de)，需采用更多傳感器系統及電子設備來持續(xu)监控起重機實际操作(zuo)情况，提高(gao)起重機作業安全性和操(cao)作簡便性。智能(neng)起重機要能在不同環境精/確灵活地進行作業(ye)，高性能傳(chuan)感器的研究開(kai)发是必不可少的。智能系統完善和傳感器性能改善是增強起重機(ji)智能化的重要手段(duan)，而來自傳感(gan)器(qi)的信息如何組合，即傳感器的信息融合問題须(xu)解決(jue)。具體來講，可通過(guo)圖像(xiang)识別技術及高精度差分 GPS 定位技術，準確定位吊重物位置，通過控製软件引导用(yong)戶準確將起重姿態調整到较佳。而通過影(ying)像、聲波、電磁感應、温度、壓力等多傳感技術實現吊裝(zhuang)行驶路(lu)况規劃、作業環(huan)境的自识別，可使起(qi)重機在千變萬(wan)化的作業環境中實現安全精/準作業。

（3）多機协同作業

随着工程建設中吊裝的結構物不断向大型化发展，單臺(tai)起重機的起重性能很难满足吊裝要求，而應用多臺起重機协同作業的需求日益(yi)增(zeng)多。目前起重機多機协同(tong)作業時，由於需要多人采用對講系統协調指(zhi)挥，再依據(ju)指(zhi)挥員主觀判断來协調各起重機動作，為此吊裝作業效率(lv)低、安全隐(yin)患较大。為有效提高起(qi)重機多機协同作業的工作效率及安(an)全性，须開展无線监控系(xi)統的研究課題。應用成熟(shu)的檢測系(xi)統、无線通訊技術及监控終端，可實現多臺起重機工作參数的(de)實時监測(ce)、動作精/準控製及(ji)動態報警，从而(er)實現多機协同控製(zhi)功能。具(ju)體上，多臺起重機(ji)协同作業的(de)通訊方式、载(zai)荷分配、動力學分析(xi)、协(xie)同控製算法、数據管理及檢測均課題的(de)研究重(zhong)/點。

（4）系統在線故障自诊断

大吨位起重機(ji)普遍采用機械、液壓、電氣(qi)綜(zong)合控製，由(you)大量的(de)動力元件、檢測元件、控製元件及執行元件有(you)機組合而成。系統内部各元件之間呈現高度耦(ou)合性(xing)，出現的故障往(wang)往具有多樣性、偶(ou)然性、复雜性、模(mo)糊性等特點，故障状態與原因間不(bu)具備(bei)可遵循的線性關系。目前國内起重機诊断能力(li)弱，挖掘深(shen)度不够，處理(li)方法簡(jian)單，傳統(tong)的故障诊断方法如故(gu)障库、專(zhuan)家诊断等均难以满足(zu)要求。针對起重機系統错綜(zong)复雜的故障現象，利用新技術手段、研究新诊断方法將(jiang)是起重機智能化的重要研究方(fang)向之一。對於起重機故(gu)障(zhang)诊断技術，將从傳統的人工诊断向以(yi)集成多傳感器融合(he)技術、信號分(fen)析(xi)處理技術、動態监控技術(shu)於一體的現代诊(zhen)断技術发展。對於(yu)起(qi)重機故障诊断方式，將从以往的(de)事后故障維修模式向按設備监控參数状態(tai)的維修模式轉變。

（5）人機交互功能

國產起重機整(zheng)機人性化水平较弱(ruo)，未充分體現人(ren)性(xing)化，常顧此失彼。随着“以(yi)人為中/心”設計思想逐(zhu)渐(jian)被認可，傳統的人機關系也在发生改變，人機系統(tong)的(de)重/心从“機”的因(yin)素轉移到了“人”的(de)因素(su)上。在人(ren)機交(jiao)互方面，近期的研(yan)究方向應考虑(lv)以下 4 點：一是將汽车、航天的导(dao)航、環境识(shi)別、人工智能、精/密遥控等技術根(gen)據起重機工作(zuo)典型特性融入進來，以簡化(hua)對操作人(ren)員技能要求，降(jiang)低劳動強度，提高(gao)操(cao)作安全性。二是使用(yong)人機工程软件，例如利用 PROE、UG 等三維設(she)計软件自(zi)带的人機模块指导產品設計。三是搭建專有人機實驗驗證系統(tong)，利用(yong)眼(yan)動儀、数據手套等(deng)電子設備，通過数據采集判断產品顯示、攀爬、維修、拆裝等裝置設置的合理性(xing)。四是搭建虚擬操作平臺(tai)，系統評判起重機操縱系統的人性化水(shui)平。其中重/點是(shi)考虑整機人性化(hua)，提高與人相關的視、聽、說、触、做等各(ge)方(fang)面的人性化水平，並搭建參数化的測評(ping)系(xi)統，給出具體測評指標。

随着起重機市場的竞争越趨激烈，，起重機(ji)產品的利(li)润空間進一步被壓縮，轻量化.智(zhi)能化設計已成為很多(duo)起重機企業提高市場竞争力、减少生產成本的重要(yao)舉措。而且起重機械製造(zao)行業(ye)正在進入新的技術革命時代，大量新技術出現，知识的不断更(geng)新，生產達到高度柔性化阶(jie)段，作為學生的我(wo)們，響應國家號召的工(gong)業4.0战略，努力學習先進(jin)技術，時刻(ke)了解起重機前沿(yan)技術，不断创(chuang)新，為起重機的轻量化和智能化貢献(xian)自己的一份力(li)量，為我國的社會主(zhu)義經濟建設做(zuo)出貢献。

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