摘 要：針對(duì)當(dāng)前塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中存在的效率不高和安全性能不足的問(wèn)題，進(jìn)行了深入研究，系統(tǒng)闡述工程機(jī)械的基本原理及其在塔式起重機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用，探討智控技術(shù)的核心原理，研究其在機(jī)械控制領(lǐng)域的潛力。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械；智控技術(shù)；塔式起重機(jī)；設(shè)計(jì)優(yōu)化；智能控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-6903（2024）07-0043-03

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)與建筑領(lǐng)域中，塔式起重機(jī)作為關(guān)鍵的重型工程機(jī)械設(shè)備，在高層建筑、橋梁建設(shè)以及大型工程項(xiàng)目的物料吊裝作業(yè)中扮演著不可或缺的角色。隨著工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)需求的不斷提升，現(xiàn)有塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)制造有著效率不高、安全性能有待增強(qiáng)等問(wèn)題。這些問(wèn)題不僅影響了施工進(jìn)度，也對(duì)工程質(zhì)量和人員安全構(gòu)成了潛在威脅。

智控技術(shù)包括智能算法、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析4N/ssVXW4k0ay8ahq5G/+A==、機(jī)器視覺(jué)及自動(dòng)化控制等技術(shù)，在提升機(jī)械設(shè)備智能化水平、優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行性能方面展現(xiàn)出巨大的潛力。鑒于此，將先進(jìn)的智控技術(shù)與傳統(tǒng)的工程機(jī)械設(shè)計(jì)相結(jié)合，成為推動(dòng)塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)制造升級(jí)轉(zhuǎn)型的重要途徑。

1 工程機(jī)械與智控技術(shù)的基本原理和應(yīng)用

1.1 工程機(jī)械的基本原理

工程機(jī)械的基本原理涵蓋了多個(gè)工程科學(xué)領(lǐng)域，包括力學(xué)、結(jié)構(gòu)工程、材料科學(xué)、傳動(dòng)技術(shù)和流體動(dòng)力學(xué)等?；陟o力學(xué)和動(dòng)力學(xué)原則，為確保起重機(jī)在各種工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性及安全性，通過(guò)精確計(jì)算重心位置和各部件受力情況來(lái)避免傾覆風(fēng)險(xiǎn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用合理的結(jié)構(gòu)形式和高強(qiáng)度材料以滿(mǎn)足承載力需求，并確保設(shè)備具備良好的剛度和耐久性。塔式起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制如起升、變幅和回轉(zhuǎn)等功能，則依賴(lài)于精密的傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，部分現(xiàn)代起重機(jī)還引入液壓或氣壓系統(tǒng)增強(qiáng)其動(dòng)作靈活性和可控性。

1.2 智控技術(shù)的基本原理

智控技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械控制深度融合的產(chǎn)物，其基本原理涉及智能算法、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、機(jī)器視覺(jué)等多種先進(jìn)技術(shù)。

智能算法是實(shí)現(xiàn)智控技術(shù)核心功能的關(guān)鍵手段，涵蓋了模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法、粒子群優(yōu)化、深度學(xué)習(xí)等方法。例如，在起重機(jī)械中，智能算法用于自適應(yīng)控制以應(yīng)對(duì)負(fù)載變化和環(huán)境擾動(dòng)，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的控制參數(shù)，確保起重機(jī)動(dòng)作平穩(wěn)、精確且高效。比如，模糊控制器可以根據(jù)當(dāng)前工況輸入，輸出最優(yōu)控制信號(hào)，使吊鉤定位更加精準(zhǔn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可用于預(yù)測(cè)和補(bǔ)償設(shè)備的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)特性。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在起重機(jī)械控制領(lǐng)域主要體現(xiàn)在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制及維護(hù)等方面。通過(guò)集成傳感器、無(wú)線(xiàn)通信模塊以及云計(jì)算平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)收集起重機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)（如載荷、速度、溫度、振動(dòng)等），并將這些數(shù)據(jù)傳輸至中央監(jiān)控系統(tǒng)或云端進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)、故障預(yù)警、效率優(yōu)化等功能，從而提高設(shè)備安全性和使用壽命。

機(jī)器視覺(jué)在起重機(jī)械中的應(yīng)用主要是為了增強(qiáng)設(shè)備的自主感知能力和安全性。例如，安裝在起重機(jī)上的高精度攝像頭可捕捉周?chē)h(huán)境和吊裝目標(biāo)的信息，通過(guò)圖像識(shí)別和處理算法判斷貨物的位置、姿態(tài)乃至潛在風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)起重機(jī)執(zhí)行準(zhǔn)確無(wú)誤的操作。此外，機(jī)器視覺(jué)還可應(yīng)用于無(wú)人駕駛起重機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的路徑規(guī)劃和目標(biāo)定位。

2 塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)制造中存在的問(wèn)題

2.1 設(shè)計(jì)階段的問(wèn)題及其對(duì)效率的影響

在設(shè)計(jì)階段，起重機(jī)械的設(shè)計(jì)問(wèn)題對(duì)效率的影響是顯著的。首先，設(shè)計(jì)參數(shù)選擇不合理。如果在設(shè)計(jì)時(shí)低估了起重機(jī)需要承受的載荷或疲勞應(yīng)力，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件過(guò)早損壞、故障頻發(fā)，頻繁停機(jī)維修將嚴(yán)重影響作業(yè)效率。如果電動(dòng)機(jī)功率選型偏小，無(wú)法滿(mǎn)足快速起升和運(yùn)行的需求，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備響應(yīng)遲緩，降低工作效率。若功率過(guò)大，則造成能源浪費(fèi)和成本增加。在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如果傳動(dòng)比不合適，會(huì)導(dǎo)致速度控制不夠精確，或無(wú)法充分利用電機(jī)輸出扭矩，影響整體性能。

過(guò)多的結(jié)構(gòu)冗余會(huì)使得整機(jī)自重加大，不僅增加了制造成本，還加重了支撐結(jié)構(gòu)及移動(dòng)機(jī)構(gòu)（如輪胎、軌道等）的負(fù)擔(dān)，從而降低了有效載荷率和機(jī)動(dòng)性。過(guò)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致維護(hù)困難，增加日常保養(yǎng)與維修時(shí)間，間接影響到設(shè)備的工作效率，導(dǎo)致不必要的高強(qiáng)度材料使用，提高了制造成本。

未充分考慮操作便利性和智能化需求，設(shè)計(jì)時(shí)忽視人機(jī)交互界面友好性，將使操作人員不易掌握操作技巧，延長(zhǎng)訓(xùn)練周期并引發(fā)誤操作，進(jìn)而影響作業(yè)安全和效率。未能前瞻性地融入智能控制系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，限制設(shè)備在未來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程操控和數(shù)據(jù)化管理的能力，將降低設(shè)備的整體運(yùn)行效率和服務(wù)水平。

2.2 制造階段效率低下的原因

首先，復(fù)雜的工藝流程是導(dǎo)致制造階段效率降低的重要原因。如果設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝步驟過(guò)多、冗余或不合理，會(huì)顯著增加產(chǎn)品從原材料到成品過(guò)程中的流轉(zhuǎn)時(shí)間、等待時(shí)間和轉(zhuǎn)換成本。例如，在零部件加工過(guò)程中，若缺乏標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化的生產(chǎn)理念，每種部件都需獨(dú)立完成多道工序，無(wú)法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和快速裝配，無(wú)疑延長(zhǎng)了整體的生產(chǎn)周期，降低了單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出產(chǎn)品的數(shù)量。

其次，自動(dòng)化程度不高也是制約制造階段效率提升的原因所在。當(dāng)前，部分工廠仍存在大量手動(dòng)操作環(huán)節(jié)，由于人工操作速度受限且易受操作者技能水平、疲勞度等因素的影響，難以保持穩(wěn)定的生產(chǎn)節(jié)拍和產(chǎn)品質(zhì)量。

最后，使用老舊設(shè)備和技術(shù)落后于時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，將使自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的功能得不到充分發(fā)揮，進(jìn)一步限制了產(chǎn)能的提高。智能工廠強(qiáng)調(diào)高度集成的生產(chǎn)線(xiàn)，包括機(jī)器人自動(dòng)化、智能物流以及信息化管理等技術(shù)的應(yīng)用，而這些先進(jìn)技術(shù)的缺失則意味著制造系統(tǒng)的運(yùn)行效率遠(yuǎn)未達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

2.3 安全性能不足的具體表現(xiàn)及后果

在塔式起重機(jī)的安全性能方面，存在的不足具體表現(xiàn)為以下4個(gè)層面。

一是監(jiān)控系統(tǒng)不完善?，F(xiàn)有的塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)僅限于基本的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，如起升高度、吊裝質(zhì)量等，而對(duì)于一些關(guān)鍵安全指標(biāo)如結(jié)構(gòu)應(yīng)力、疲勞狀況、工作環(huán)境變化（如風(fēng)速、溫度）等缺乏實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控。部分設(shè)備未配備先進(jìn)的視覺(jué)識(shí)別和障礙物檢測(cè)技術(shù)，導(dǎo)致操作人員無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地獲取全面的工作現(xiàn)場(chǎng)信息，從而增大了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

二是故障預(yù)警機(jī)制缺失或功能有限。許多傳統(tǒng)起重機(jī)缺乏有效的故障預(yù)測(cè)與診斷功能，不能對(duì)潛在的機(jī)械故障或電氣問(wèn)題提前發(fā)出預(yù)警，使得維修保養(yǎng)往往是在設(shè)備出現(xiàn)明顯故障后才進(jìn)行，這不僅影響工作效率，更可能因突發(fā)性故障造成安全事故。例如，塔機(jī)本身的作業(yè)動(dòng)作、負(fù)載、風(fēng)速大小、摩擦力大小等因素都會(huì)導(dǎo)致重物來(lái)回?cái)[動(dòng)，造成安全事故[1]。如果得不到及時(shí)預(yù)警和處理，將直接影響到起重機(jī)的安全使用。

三是安全防護(hù)措施不足。這包括超載保護(hù)失效、行程限位不準(zhǔn)、緊急制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍等問(wèn)題。這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生過(guò)載、沖頂、溜鉤等嚴(yán)重安全隱患，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐扇藛T傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

四是人機(jī)交互設(shè)計(jì)不合理。操作界面復(fù)雜難懂，或者對(duì)操作人員的操作技能培訓(xùn)不足，都可能導(dǎo)致誤操作頻發(fā)，進(jìn)而引發(fā)安全事故。智能化程度較低的起重機(jī)則無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，增加了操作難度和安全隱患。

3 融合工程機(jī)械與智控技術(shù)的塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)制造方法

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

在塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化策略中，將工程設(shè)計(jì)原理與智能算法相結(jié)合，不僅有助于提升塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減小質(zhì)量，還可以精準(zhǔn)匹配設(shè)備性能參數(shù)，有效降低成本，提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。這一融合主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

3.1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用有限元分析等方法對(duì)關(guān)鍵部件如塔身、起重臂、底座和傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變以及疲勞壽命的計(jì)算分析，智能算法可以輔助工程師快速尋優(yōu)，確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸和材料分布，減輕自重同時(shí)保證足夠的強(qiáng)度和剛度。結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，通過(guò)智能算法自動(dòng)搜索滿(mǎn)足約束條件下的最佳結(jié)構(gòu)形態(tài)，去除冗余材料，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

3.1.2 性能參數(shù)優(yōu)化

利用機(jī)器學(xué)習(xí)或遺傳算法等智能算法，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)際工況預(yù)測(cè)不同負(fù)載及環(huán)境條件下的性能需求，精確調(diào)整電機(jī)功率、速度控制、制動(dòng)性能等參數(shù)，提高起重機(jī)的工作效率和穩(wěn)定性。通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化算法，在滿(mǎn)足多種性能指標(biāo)（例如起升速度、承載能力、能耗等）的同時(shí)，尋求性能與成本之間的平衡點(diǎn)，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化的目標(biāo)。

3.1.3 模塊化設(shè)計(jì)與協(xié)同優(yōu)化

應(yīng)用智能算法對(duì)起重機(jī)各子系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，確保各個(gè)模塊既可獨(dú)立優(yōu)化又可協(xié)同工作，便于后期維護(hù)和升級(jí)，并且能夠適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求變化。并在設(shè)計(jì)過(guò)程中，引入并行工程理念，利用智能算法協(xié)調(diào)解決各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域間的接口問(wèn)題，減少設(shè)計(jì)沖突，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

3.2 構(gòu)建智能控制系統(tǒng)

塔式起重機(jī)在運(yùn)行中需要測(cè)量多種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，所以需要使用到不同的傳感器分別對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量[2]。通過(guò)精心選擇和配置智能傳感器與執(zhí)行器，并結(jié)合先進(jìn)的智能控制策略，能夠顯著提升塔式起重機(jī)的自動(dòng)化水平和整體性能，有效解決傳統(tǒng)控制方法難以處理的問(wèn)題，從而推動(dòng)起重機(jī)行業(yè)的智能化發(fā)展。

3.2.1 智能傳感器的選擇與配置

選擇適配的智能傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)起重機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，如載荷傳感器用于測(cè)量吊鉤上負(fù)載質(zhì)量的變化，角度和位置傳感器監(jiān)測(cè)起重臂的角度和高度，風(fēng)速和風(fēng)向傳感器檢測(cè)環(huán)境風(fēng)力條件等。在配置傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)需考慮其覆蓋范圍、精度要求、抗干擾能力及使用壽命等因素，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至中央控制器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。

3.2.2 執(zhí)行器的選型與布置

執(zhí)行器是控制系統(tǒng)中接收并執(zhí)行控制指令的裝置，通常包括電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。在塔式起重機(jī)中，需要根據(jù)實(shí)際功能需求選取適配的執(zhí)行器類(lèi)型，例如起升系統(tǒng)采用大扭矩的電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)使用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。對(duì)于執(zhí)行器的布置設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)布局、運(yùn)動(dòng)特性以及安全性要求，保證在接收到智能控制器發(fā)出的指令后能夠迅速且精準(zhǔn)地完成相應(yīng)動(dòng)作。

3.3 安全性能提升

在塔式起重機(jī)的安全性能提升過(guò)程中，通過(guò)集成各類(lèi)智控技術(shù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)塔式起重機(jī)的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警以及有效防護(hù)，提高其安全性能，減少事故風(fēng)險(xiǎn)，保障施工過(guò)程的安全穩(wěn)定。

H8tYjt8tJD6fhJvbVjPzokqXAPjaxd5raoPIY3u6PXg=3.3.1 智能傳感器網(wǎng)絡(luò)

應(yīng)建立全方位的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括載荷傳感器、角度傳感器、位移傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)起重機(jī)關(guān)鍵部位的工作狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。采用先進(jìn)的振動(dòng)分析和聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的疲勞裂紋或磨損問(wèn)題。

3.3.2 大數(shù)據(jù)分析與故障診斷系統(tǒng)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將收集到的數(shù)據(jù)傳輸至中央處理平臺(tái)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘與解析，提前識(shí)別設(shè)備可能出現(xiàn)的故障模式。設(shè)計(jì)并實(shí)施基于人工智能的故障診斷系統(tǒng)，如機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于預(yù)測(cè)維護(hù)需求和可能發(fā)生的故障，從而提前采取預(yù)防措施。

3.3.3 安全閾值設(shè)定與預(yù)警機(jī)制

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范設(shè)定各項(xiàng)安全閾值，例如最大允許載荷、起重臂偏轉(zhuǎn)角、回轉(zhuǎn)速度等，并通過(guò)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)立即觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，提示操作人員采取應(yīng)對(duì)措施，同時(shí)自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的安全保護(hù)程序，如限制動(dòng)作范圍、降低運(yùn)行速度或者緊急停止。

結(jié)合GPS定位、雷達(dá)探測(cè)、激光掃描等技術(shù)構(gòu)建三維空間感知系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)起重機(jī)與其他障礙物（包括其他起重機(jī)、建筑物等）之間的相對(duì)位置關(guān)系。當(dāng)檢測(cè)到發(fā)生碰撞的情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提前發(fā)出警告并自主干預(yù)控制，防止事故發(fā)生。

3.3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理平臺(tái)

建立遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將位置分散的硬件組合成統(tǒng)一的整體，并且直接向用戶(hù)提供最有用的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)分散在各地的塔式起重機(jī)進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制[3]。監(jiān)控平臺(tái)上可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，提供詳盡的歷史數(shù)據(jù)分析報(bào)告，為管理人員提供決策支持，進(jìn)一步提升整體安全管理水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)充分融合工程機(jī)械與智控技術(shù)，不僅能解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的瓶頸問(wèn)題，還極大地提高了設(shè)備的工作效率和安全性。這不僅為塔式起重機(jī)行業(yè)提供了新的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)支持，也為整個(gè)工程機(jī)械行業(yè)的智能化發(fā)展提供了重要參考和實(shí)踐依據(jù)。隨著科技的持續(xù)進(jìn)步，未來(lái)將進(jìn)一步探索和完善基于智控技術(shù)的起重機(jī)設(shè)計(jì)制造體系，以滿(mǎn)足更高標(biāo)準(zhǔn)的施工需求和更加嚴(yán)苛的安全要求。

參考文獻(xiàn)

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