波纹腹板起重机(能抓娃娃的铁臂机？国产龙门吊厉害在哪儿？)

Posted 2023-05-31

篇首语：缥帙各舒散，前后互相逾。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了波纹腹板起重机(能抓娃娃的铁臂机？国产龙门吊厉害在哪儿？)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

波纹腹板起重机(能抓娃娃的铁臂机？国产龙门吊厉害在哪儿？)

出品|网易新闻

导语：随着国内制造、建筑、采矿和航运业的蓬勃发展，在城市工地、海边码头等场景下，越来越多形形色色的起重机出现在我们的身边，其中龙门吊通用性强、是适应面最广的一种。如今，国产龙门吊不断“做大做强”，更在5G兴起的背景下“再出发”。

一、异形铁臂：龙门吊兴起的背景与价值

龙门吊的专业名是叫门式起重机，因为它的金属结构像门形框架，而它的承载主梁下方还安装上了两条支架，整体类似拱门形，人们简称它为龙门吊。而它是由传统的桥式起重机演变而来的——桥式起重机是一种横架于仓库，料场等室内上方的起重机。

集装箱海铁公联运

从港口船舶卸载到陆路交通平台，龙门吊是实现集装箱海铁公联运的关键枢纽。

其中以宏海号为代表的巨型龙门吊可谓是全球门式起重机中“扛把子”的存在，它的兴起与模块化集成制造有关。由于造船方式如同搭积木一般，需在陆地上建造完成后，再送到船台上进行分段合拢。所以这就依赖于载重强大的巨型龙门吊进行分段组装，这样的龙门吊跨度往往上百米、起重量更是超过千吨。

正在吊装船舶模块的“宏海号”

而无论龙门起重机的尺寸与起重能力如何，其结构主要由门架结构、载重小车、大车运行机构、电气设备和驾驶室等几大部分组成。虽然龙门吊看似技术不复杂，但哪怕更为常见的数十、百吨级龙门吊也涉及到钢铁冶炼、结构力学、机械学等诸多学科。

二、如何让撑起千钧的铁臂更轻更强

门架结构是龙门吊最为基础、也是最重要的部件。龙门吊的门架结构主要采用箱体式门架结构（由平面金属板焊接的箱体），这种结构便于制造，具有刚度大、安全性较高等优点。但作为直接承力部件，传统的箱体式金属中仅主梁结构重量，即占其自重的40%-70%，较大的结构重量一方面增加了龙门吊行走基础的设计难度，同时其建设成本对结构寿命和运行稳定性也会带来影响；另一方面为了抵消因龙门吊总重对承压梁的剪压作用产生结构形变与局部失稳，又必须对箱体主梁进一步加强、即造成整个龙门吊结构自重的“水涨船高”。

因此，改进门架结构形式、实现轻量化是龙门吊做大做强的关键，而国内目前有两种技术路线。一种是借鉴国内建筑领域已应用广泛的波纹腹板箱形梁结构（将传统工型钢的平腹板改为波浪状腹板）。早在上世纪70年代国内已先在回臂起重机与桥式起重机应用这种结构，由于波纹腹板工字梁的剪切屈曲极限载荷明显大于普通工字梁，使得门机的强度和刚度不变的前提下起重机结构自重可降低20％。

波纹腹板材料

该材料以其结构轻、强度大等特点已被广泛运用于国内建筑行业。

但随着龙门吊的尺寸与吊力需求进一步提升，门机主梁波纹腹板的屈曲极限载荷逐渐减小，要保障门机的强度和刚度的同时，继续降低结构自重也愈发困难。目前，“宏海号”采用比较复杂的桁架与箱形梁的组合式结构，在承载横截面积的情况下减少钢结构重量，同时结构风阻相对也更小。这使得有124米跨度、150米高的“宏海号”在一定风力条件下的沿海地区仍能安全作业。

宏海号采用的桁架结构支撑腿

除了看得见的结构变化，另一个让国产龙门吊减重增效的关键即是基于计算机仿真设计的引入。传统的起重机设计方法主要依靠经验和类比，设计出的起重机往往比较笨重且设计过程较为繁复。随着计算机技术的发展，以有限元法为代表的现代设计方法已经在起重机设计领域得到了大规模的应用。通过ANSYS等有限元分析软件，使得国内设计师可以对龙门吊的静、动态特性进行全面的分析，并为结构的进一步优化提供依据。

三、动起来后，龙门吊下盘更稳的秘密在这里

有了坚挺的结构仅仅是使龙门吊的运作能够抬的住几百吨或者上千吨的货物，一台龙门吊还需要载荷精准的吊装作业区域。否则轻则影响吊装作业效率，重则会导致货物与作业区域损坏，甚至会祸及龙门吊自身。

1.给铁臂穿上“滑板鞋”

承载载荷的巨大龙门吊要想动起来，首先需要一个靠谱的运行支撑，而支撑的基本形式又分为滚动摩擦和滑动摩擦。无论是选用何种结构，都需要一种既耐压、耐磨，摩擦因数又小，最好还具有自润滑特性的摩擦材料。国内一些桥式、门式起重机近年来采用了一种改性聚四氟乙烯板材料作为运作机构的摩擦件。它通过聚四氟乙烯中添加一定量填充剂，如二硫化钼、碳纤维等，经高温混合均匀后用模塑成型，再经高温烧结支承，这种材料的摩擦因数低于0．04，耐压强度0．1～6．4 MPa，工作温度为零下20℃～零上250℃，是目前已知的固体材中防粘性最好的材料，且长期暴露于大气中，表面性能保持不变。

聚四氟乙烯也被广泛运用于滑动支座、管道、密封件等领域

2.站起来更要动起来

两种运行支撑形式在龙门吊的驱动方式上存在不同：滑动摩擦的驱动系统目前只有牵引或推动两种运作方式。许多小型龙门吊选用卷扬机钢丝绳牵引方式，这种方式成本低、运行也较为平稳。但载荷大、尺寸大的龙门吊，有弹性的钢丝绳会使起重机主梁从静止到运动的状态转换过程会产生很大的冲击，而且行程难以控制。对于诸如“泰山号”这样的宽度较宽、高度较高的龙门吊运行时会存在较大的晃动甚至有被拉倒的风险。而容易绷断的钢丝绳本身也会对作业场带来一定安全隐患。

“泰山号”龙门吊

因此国内像“泰山号”等尺寸与载荷较大、采用滑动摩擦的龙门吊，选择以液压缸驱动：每次动作先通过小液压缸带动一对自锁楔形块预夹紧方钢导轨，另一对自锁楔形块处于松弛状态，然后活塞杆动作推动液压缸支持架带动主梁向前移动，通过循环往复，直到满足每次运行距离的要求。而尺寸更大“宏海号”的驱动形式，采用滚动摩擦支承形式，选择了变频电机减速器驱动齿轮。通过齿轮与齿条啮合传动，带动横梁移动。

液压缸驱动与电机齿轮驱动台车图源：《"泰山号"与"宏海号"多吊点桥门式起重机的运行机构》

3.“啃轨”现象怎么破?

大跨度、大起升高度的起重设备，运行机构在起、制动后，还将面对主梁两端运行的同步性、以及主梁在变形时对运行机构的影响等，这一环节也是龙门吊的事故“高发地带”。为保证轨道两侧运行机构同步，不出现偏斜，一方面通过设置优化导向槽、导向轮设计降低支承面的接触强度，避免“啃轨”现象；另一方面国内大型龙门吊则通过传感器检测、程序控制，变频调速等手段，以减轻两侧风载荷、摩擦阻力载荷不同造成的支腿两侧静阻力受力不均，避免龙门吊整机结构的运行偏斜而发生事故。

四、“5G”赋能：如何让龙门吊实现钢铁智变

虽然龙门吊的尺寸越来越大、吊力越来越强，但出于运行稳定与安全考虑，龙门吊反而是越大越慢，如“泰山号”“宏海号”的运作速度不超过1 m／min,而其他吊力数十上百吨级的龙门吊运作速度也快不到哪去。而随着国内外港口运输、造船工业业务量日渐饱和，龙门吊的运作需求也日渐增长、作业时间不断增长。

由于极慢的作业速度，以及需要依赖人工直接驾驶操作的传统龙门吊存在许多痛点——司机长期在上十米高的狭小操作间内低头弯腰作业，工作环境恶劣，颈椎、腰椎易患上职业病。并且受限于人员疲劳等因素使传统龙门吊的设备利用率较低，仅不到30%，易产生安全隐患。而要进一步提高作业强度则需要招募更多的作业人员，这进而抬高码头、船厂的运作成本。

而国内高速发展的“5G”则改变了传统龙门吊的作业面貌：在2019年，江阴港、舟山港等国内港口即有相关通讯供应商、集团企业等，充分依靠5G低时延、大带宽以及边缘计算能力，对传统龙门吊进行5G远程改造；通过灵活使用2.6GHz和1.8GHz频谱资源，实现了9台龙门吊同时遥控作业，而龙门吊的作业延迟仅在18毫秒内。工作人员作业由狭小的格子舱后移至更为宽敞舒适的办公室，通过电脑远程控制龙门吊即可实现24小时不间断抓箱、放箱。在对7成的龙门吊进行5G远程操作升级后，宁波港节省了2/3的龙门吊驾驶员，而港区业务效率则提高30%。

正在室内遥控作业的龙门吊驾驶员图源：宁波晚报

结语：

国产龙门吊作为海洋工业体系中的一部分，伴随着相关产业而兴。随着我国重大装备制造业的迅速发展，国产龙门吊这种非标工业品的出没场景也从海边延伸到内陆，并为企业带来事半功倍的效益。为应对愈发复杂的市场变化，中国龙门吊企业也在不断提高自身技术水平，在未来我们也将看到更多实用而富有特色的龙门吊。

参考文献：

[1]吴永明.门式起重机波纹腹板主梁结构性能分析及优化设计[D].西南交通大学.2017

[2]严旭东，马骏."泰山号"与"宏海号"多吊点桥,门式起重机的运行机构[J].起重运输机械.2017, (1)

[3]5G远程龙门吊：探索智慧港口先行者.[J]信息化建设.2020, (4)

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