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摘要：基于起重机械重复、间歇的周期作业过程和工作方式中绝对耗能较大的特点，作为能效测试技术指标的能效比，首先通过能效比的纵向对比试验，测试不同载荷下一系列的能效比数值；其次通过能效比的横向对比试验，测试不同样品在相同载荷下的能效比数值。根据能效比数值的分析结果，在起重机械的节能环节中制定出相应措施，对业内同仁具有一定的参考意义。
关键词：起重机械；能效比；测试；节能；措施
目前，对比国外先进的起重机，我国门、桥式起重机（以下简称龙门吊）的自重普遍超重20%～50%，尺寸结构也相对较大；在制造、运输、安装中物力人力浪费很大、使用中电能消耗更多；龙门吊轮压的大小对厂房的高度及安装基础和结构的设计要求会产生直接影响，进而绝对增加了建筑成本。
图1为2010年起至今，笔者所在建筑施工现场的10t和100t龙门吊。根据龙门吊参与承建项目施工中耗能与工作的对比，既设计此能效测试实验并分析其节能措施，望结果亦可对起重机械具有参考价值。
此篇计算分析起重机械的能效比采用输入输出的方式，从转矩输出到电动机输入的过程作为一个整体结构来处理。
一、测试系统
随着计算机技术、电子信息技术、测量总线等技术的发展，加上良好的人机交互界面和完整的数据分析，采用高精度智能化电子测量仪器，就是虚拟仪器技术，组建完整并且开放的自动测试系统，在国际测试技术中，目前这是发展的主流趋势。
此次测试能效比的试验台主要系统框架是采用国际上先进的LXI总线测量技术，它可保证系统良好的电磁兼容性和测量精度，并组成一个总线混合测试系统与RS485、USB等常用通讯接口相互结合。由于USB、RS485和LXI均为通用的通讯接口，特别是LXI测试总线接口更具有开放性、高性价比和先进性，此种测试系统进行功能扩展就很容易，并且有着比较好的RS485和LXI抗干扰性。
测试系统设备布局分为室内和室外两部分（是以操作室区分的），室外设备包括动力柜、调压器、接线箱和变频电源等；室内设备包括测试机柜、控制机柜和操作台等。系统原理示意图（图2）、系统操作室实物图（图3）以及室外系统实物图（图4）所示如下：
二、测试方法
（一）测试工况
在物料搬运过程中起重机械总是重复性且周期间歇性的动作。因此，作为一个测试周期可将吊具吊起载荷加速至额定起升速度运行，从初始状态正常操作达到规定高度，在能效测试起重机械中，以额定速度起升机构运行1分钟的高度为规定高度。由于系统误差和随机误差的存在，为了提高测量结果的可靠程度需要重复多次规定动作，得到的结果才能切合真值。测试流程图如图5所示。
（二）供给能的计算
在建筑工程中使用龙门吊，都是电力驱动结构。作为输入能量的电网供给起重机电能，在起重机械馈电线接入处供电系统不应超过额定值的±10%的电压波动。在作业过程中起重机械启动频繁，启动过程中不可忽略其所消耗的能量，特别是未安装变频装置的起重机械。因此，为了使供给能比较科学合理，要使用电能表测量输入，在供给能中累加启动能量损耗值。计算供给能的公式为：
式中：D为数字式电能表（仪）测量值，EG为供给能。
（三）有效能的计算
完成一个工作周期时，理论上有效能是起重机械消耗的能量，即提升到规定位置时目标物所做的有用功。有用功的大小等于加速阶段目标物的动能和势能的增加，有效能的计算公式为：
式中：Eqs为起升机构有效能，m为试载荷质量，m1为吊具（含索具、吊具）质量，h为带载时起升的高度，v1为带载时起升的速度。
（四）能效比的计算
能效比为能源利用效率。能效比的大小是衡量起重机提升目标物时，起重机械设计是否合理的结构验证，也是为节能评价提供依据。在确定有效能和供给能的情况下，计算能效比的公式为：
式中：ηqs为起重机械起升机构能源利用效率，Eqs为起升机构有效能，EG为供给能。
三、能效比的对比试验
对不同的试验样品进行能效对比试验，在同样负载条件下，可以评判各类型产品的节能水平，从而为能效评价提供数据支撑。
由于受到条件限制的实验室试验，作为试验样品可选取轻小型的电动葫芦起重机械，一方面，便于在实验室改装电动葫芦的电气控制系统；另一方面，电动葫芦操作使用方便，可节省大量的财力物力和试验时间。
室外部分选择1t、2t、3t、5t钢丝绳电动葫芦为试验的样品，起升速度为8m/min的电动葫芦，工作级别可调整为M3、M2。在公式Eqs=9800（m+m1）h+500（m+m1）v12中，9800（m+m1）h≥500（m+m1）v12，为0.03%～0.05%。因此，在该能效对比试验中，动能的影响可忽略不计。
取5t的电动葫芦样品4台，1t、2t、3t的电动葫芦样品各2台。2台5t样品以M2、M3工作级别进行试验，以变频调速方式运行；另外1t、2t、3t、5t的2台样品分别以单速方式运行，以M3、M2工作级别进行试验。按照钢丝绳电动葫芦的试验标准，M2的运行周期为60s，M3运行周期为48s，其工作循环特点分别见图6、图7。利用LXI测试系统对每台样品进行30个周期的试验，按照测试方法计算其平均值，能效比数值计算结果见表1。
对比表1中1—1与1—2、2—1与2—2、3—1与3—2、5—1与5—2、5—3与5—4的能效比数据可知，由于按M3工作级别设计常用的电动葫芦工作级别，按照M3工作级别选取电力驱动机构（电动机）的功率，故在M3工作级别下1 t、2 t、3 t、5 t电动葫芦的运行效率比在M2工作级别下的运行效率要高。从图6、图7可以看出，运行的电动葫芦在M2工作级别下每小时启动次数Z（t/s）相对M3较大，而Z是影响电动机发热的重要参数，M2工作级别下的电动机Z值较大，导致产生的总热量较大，故电动葫芦M2工作级别下的能效比数值低。 从表1中5—2与5—4、5—1与5—3的能效比数据分析可知，变频调速运行方式能够大大提高电动葫芦的能效比。这是因为通过变频调速改变了定子电源的频率，从而改变了同步转速，即输出转矩也被改变，这相当于改变了电动机的容量。那么，随负载状况的改变，在变频调速运行方式下，即可改变电动机的容量，提高了功率和效率因素，继而降低电动机发热量，达到节能的目的。
由表1可知，1—2、2—2、3—2、5—2的电动葫芦在M3工作级别下的能效比呈逐渐增大趋势。1t、2t、3t、5t电动葫芦选用分别1.5 kW、3 kW、4.5 kW、7.5 kW的电动机功率。一般地，运行效率与电动机功率成正比，根据能效比等于电动葫芦的有效能与电动机供给能的比值，能效比数值大的电动葫芦吨位就较大。
能效比对比试验采用的是轻小型的电动葫芦样品，来证明变频技术的利用对于能效比的变化，随着电机的消耗功率的增加，无论是本身的发热损耗还是摩擦发热消耗对能效比的影响会越来越小。那么变频技术的利用对于超大吨位的起重机械就具有了实际意义。
四、节能措施
由表1中的能效比数据可知，起重机械轻小型的电动葫芦利用能源效率较低，而大型起重机械设备的机械效率损失太多，传动链更多，其利用能源效率较之更低。这是由于沿袭前苏联设计模式的我国起重机械，参考了太多的备用系数，使得在选择电动机时电动机功率远远超过起重机械的轴功率；另外，在计算起重机轴功率时叠加了较多的安全系数，使得轴功率偏大。
起重机械的节能途径复杂。针对不同的功率选型、结构设计、电网环境、辅助用电以及不同的作业工况，其节能的措施也不同。在能效测试计算起重机械后，依据具体分析能效比数据结果应找到有针对性的节能措施。虽然有很多因素影响起重机械的节能，但分析其中的主要共性因素，可以得出以下节能措施：
1、影响机械效率的重要因素是起重机械的结构精密度，卷筒及导向滑轮效率、减速机的传动效率、滑轮组的效率等，这些都是制约机械效率的部分。
2、提高起重机械的能效比在于电动机的工作特性与负载特性的匹配度。比如电动机容量相对较小，则会造成电动机的发热、过载，降低能效比，还不利于设备作业能力的发挥。
3、在起重机械启动时变频装置的使用可有效地削弱对电网的冲击，减少调速电阻的转差功率损耗和启动能耗，且在下降过程中不从电网中获取能量，从而使得起重机械的能效比极大地提高。
4、起重机的节能设计是最根本的节能途径。目前，由于国内起重机生产厂家比较多但规模小，技术实力有限，设计理念比较落后，材料和工艺也存在不足之处，大多数起重机制造企业是按照系列图纸施工的，没有考虑起重机使用环境和有效工作范围，从而造成浪费。
五、结论
1、根据起重机械的工作特点，提出能效测试起重机械的方法，于起重机械建立能效测试系统，绘出能效比的测算流程图；
2、通过试验样品的横向能效对比试验与纵向能效对比试验，其数据分析结果说明，重载的起重机械能效比数值较高，变频调速运行方式下的起重机械能效比数值更高。
3、起重机械的能效试验为其节能措施提供了研究基础。电动机容量与起重机械的能力匹配、电动机的选型、精密机械结构的节能设计及传动效率都是有效、可取的提高能效比的因素。
参考文献：
[1] 王松雷.桥门式起重机节能设计[J]建筑机械，2010（09）
[2] 黄威，黄禹.变频器的使用与节能改造[M].北京：化学工业出版社，2011
[3] GB/T 3811-2008 起重机设计规范[S]
关键词：起重机械；能效比；测试；节能；措施
目前，对比国外先进的起重机，我国门、桥式起重机（以下简称龙门吊）的自重普遍超重20%～50%，尺寸结构也相对较大；在制造、运输、安装中物力人力浪费很大、使用中电能消耗更多；龙门吊轮压的大小对厂房的高度及安装基础和结构的设计要求会产生直接影响，进而绝对增加了建筑成本。
图1为2010年起至今，笔者所在建筑施工现场的10t和100t龙门吊。根据龙门吊参与承建项目施工中耗能与工作的对比，既设计此能效测试实验并分析其节能措施，望结果亦可对起重机械具有参考价值。
此篇计算分析起重机械的能效比采用输入输出的方式，从转矩输出到电动机输入的过程作为一个整体结构来处理。
一、测试系统
随着计算机技术、电子信息技术、测量总线等技术的发展，加上良好的人机交互界面和完整的数据分析，采用高精度智能化电子测量仪器，就是虚拟仪器技术，组建完整并且开放的自动测试系统，在国际测试技术中，目前这是发展的主流趋势。
此次测试能效比的试验台主要系统框架是采用国际上先进的LXI总线测量技术，它可保证系统良好的电磁兼容性和测量精度，并组成一个总线混合测试系统与RS485、USB等常用通讯接口相互结合。由于USB、RS485和LXI均为通用的通讯接口，特别是LXI测试总线接口更具有开放性、高性价比和先进性，此种测试系统进行功能扩展就很容易，并且有着比较好的RS485和LXI抗干扰性。
测试系统设备布局分为室内和室外两部分（是以操作室区分的），室外设备包括动力柜、调压器、接线箱和变频电源等；室内设备包括测试机柜、控制机柜和操作台等。系统原理示意图（图2）、系统操作室实物图（图3）以及室外系统实物图（图4）所示如下：
二、测试方法
（一）测试工况
在物料搬运过程中起重机械总是重复性且周期间歇性的动作。因此，作为一个测试周期可将吊具吊起载荷加速至额定起升速度运行，从初始状态正常操作达到规定高度，在能效测试起重机械中，以额定速度起升机构运行1分钟的高度为规定高度。由于系统误差和随机误差的存在，为了提高测量结果的可靠程度需要重复多次规定动作，得到的结果才能切合真值。测试流程图如图5所示。
（二）供给能的计算
在建筑工程中使用龙门吊，都是电力驱动结构。作为输入能量的电网供给起重机电能，在起重机械馈电线接入处供电系统不应超过额定值的±10%的电压波动。在作业过程中起重机械启动频繁，启动过程中不可忽略其所消耗的能量，特别是未安装变频装置的起重机械。因此，为了使供给能比较科学合理，要使用电能表测量输入，在供给能中累加启动能量损耗值。计算供给能的公式为：
式中：D为数字式电能表（仪）测量值，EG为供给能。
（三）有效能的计算
完成一个工作周期时，理论上有效能是起重机械消耗的能量，即提升到规定位置时目标物所做的有用功。有用功的大小等于加速阶段目标物的动能和势能的增加，有效能的计算公式为：
式中：Eqs为起升机构有效能，m为试载荷质量，m1为吊具（含索具、吊具）质量，h为带载时起升的高度，v1为带载时起升的速度。
（四）能效比的计算
能效比为能源利用效率。能效比的大小是衡量起重机提升目标物时，起重机械设计是否合理的结构验证，也是为节能评价提供依据。在确定有效能和供给能的情况下，计算能效比的公式为：
式中：ηqs为起重机械起升机构能源利用效率，Eqs为起升机构有效能，EG为供给能。
三、能效比的对比试验
对不同的试验样品进行能效对比试验，在同样负载条件下，可以评判各类型产品的节能水平，从而为能效评价提供数据支撑。
由于受到条件限制的实验室试验，作为试验样品可选取轻小型的电动葫芦起重机械，一方面，便于在实验室改装电动葫芦的电气控制系统；另一方面，电动葫芦操作使用方便，可节省大量的财力物力和试验时间。
室外部分选择1t、2t、3t、5t钢丝绳电动葫芦为试验的样品，起升速度为8m/min的电动葫芦，工作级别可调整为M3、M2。在公式Eqs=9800（m+m1）h+500（m+m1）v12中，9800（m+m1）h≥500（m+m1）v12，为0.03%～0.05%。因此，在该能效对比试验中，动能的影响可忽略不计。
取5t的电动葫芦样品4台，1t、2t、3t的电动葫芦样品各2台。2台5t样品以M2、M3工作级别进行试验，以变频调速方式运行；另外1t、2t、3t、5t的2台样品分别以单速方式运行，以M3、M2工作级别进行试验。按照钢丝绳电动葫芦的试验标准，M2的运行周期为60s，M3运行周期为48s，其工作循环特点分别见图6、图7。利用LXI测试系统对每台样品进行30个周期的试验，按照测试方法计算其平均值，能效比数值计算结果见表1。
对比表1中1—1与1—2、2—1与2—2、3—1与3—2、5—1与5—2、5—3与5—4的能效比数据可知，由于按M3工作级别设计常用的电动葫芦工作级别，按照M3工作级别选取电力驱动机构（电动机）的功率，故在M3工作级别下1 t、2 t、3 t、5 t电动葫芦的运行效率比在M2工作级别下的运行效率要高。从图6、图7可以看出，运行的电动葫芦在M2工作级别下每小时启动次数Z（t/s）相对M3较大，而Z是影响电动机发热的重要参数，M2工作级别下的电动机Z值较大，导致产生的总热量较大，故电动葫芦M2工作级别下的能效比数值低。 从表1中5—2与5—4、5—1与5—3的能效比数据分析可知，变频调速运行方式能够大大提高电动葫芦的能效比。这是因为通过变频调速改变了定子电源的频率，从而改变了同步转速，即输出转矩也被改变，这相当于改变了电动机的容量。那么，随负载状况的改变，在变频调速运行方式下，即可改变电动机的容量，提高了功率和效率因素，继而降低电动机发热量，达到节能的目的。
由表1可知，1—2、2—2、3—2、5—2的电动葫芦在M3工作级别下的能效比呈逐渐增大趋势。1t、2t、3t、5t电动葫芦选用分别1.5 kW、3 kW、4.5 kW、7.5 kW的电动机功率。一般地，运行效率与电动机功率成正比，根据能效比等于电动葫芦的有效能与电动机供给能的比值，能效比数值大的电动葫芦吨位就较大。
能效比对比试验采用的是轻小型的电动葫芦样品，来证明变频技术的利用对于能效比的变化，随着电机的消耗功率的增加，无论是本身的发热损耗还是摩擦发热消耗对能效比的影响会越来越小。那么变频技术的利用对于超大吨位的起重机械就具有了实际意义。
四、节能措施
由表1中的能效比数据可知，起重机械轻小型的电动葫芦利用能源效率较低，而大型起重机械设备的机械效率损失太多，传动链更多，其利用能源效率较之更低。这是由于沿袭前苏联设计模式的我国起重机械，参考了太多的备用系数，使得在选择电动机时电动机功率远远超过起重机械的轴功率；另外，在计算起重机轴功率时叠加了较多的安全系数，使得轴功率偏大。
起重机械的节能途径复杂。针对不同的功率选型、结构设计、电网环境、辅助用电以及不同的作业工况，其节能的措施也不同。在能效测试计算起重机械后，依据具体分析能效比数据结果应找到有针对性的节能措施。虽然有很多因素影响起重机械的节能，但分析其中的主要共性因素，可以得出以下节能措施：
1、影响机械效率的重要因素是起重机械的结构精密度，卷筒及导向滑轮效率、减速机的传动效率、滑轮组的效率等，这些都是制约机械效率的部分。
2、提高起重机械的能效比在于电动机的工作特性与负载特性的匹配度。比如电动机容量相对较小，则会造成电动机的发热、过载，降低能效比，还不利于设备作业能力的发挥。
3、在起重机械启动时变频装置的使用可有效地削弱对电网的冲击，减少调速电阻的转差功率损耗和启动能耗，且在下降过程中不从电网中获取能量，从而使得起重机械的能效比极大地提高。
4、起重机的节能设计是最根本的节能途径。目前，由于国内起重机生产厂家比较多但规模小，技术实力有限，设计理念比较落后，材料和工艺也存在不足之处，大多数起重机制造企业是按照系列图纸施工的，没有考虑起重机使用环境和有效工作范围，从而造成浪费。
五、结论
1、根据起重机械的工作特点，提出能效测试起重机械的方法，于起重机械建立能效测试系统，绘出能效比的测算流程图；
2、通过试验样品的横向能效对比试验与纵向能效对比试验，其数据分析结果说明，重载的起重机械能效比数值较高，变频调速运行方式下的起重机械能效比数值更高。
3、起重机械的能效试验为其节能措施提供了研究基础。电动机容量与起重机械的能力匹配、电动机的选型、精密机械结构的节能设计及传动效率都是有效、可取的提高能效比的因素。
参考文献：
[1] 王松雷.桥门式起重机节能设计[J]建筑机械，2010（09）
[2] 黄威，黄禹.变频器的使用与节能改造[M].北京：化学工业出版社，2011
[3] GB/T 3811-2008 起重机设计规范[S]