徐格寧：《起重機械全生命周期綠色化關(guān)鍵技術(shù)進展》
2024年05月21日09:19
2024年5月16日，以“高端·智能·綠色”為主題的工程機械行業(yè)科技節(jié)（以下簡稱科技節(jié)）在浙江杭州盛大開幕?？萍脊?jié)主題演講環(huán)節(jié)，太原科技大學(xué)原副校長徐格寧教授作《起重機械全生命周期綠色化關(guān)鍵技術(shù)進展》主題演講。
一、機械工程技術(shù)的發(fā)展趨勢
當(dāng)前，世界面臨三大挑戰(zhàn)：一是面臨氣候變化、能源和人口壓力等挑戰(zhàn)，綠色發(fā)展呼聲已成為共識和行動；二是有限資源難以支撐傳統(tǒng)工業(yè)的粗放型增長，迫切要求改變經(jīng)濟發(fā)展模式，走可持續(xù)發(fā)展道路；三是經(jīng)濟全球化背景下，新能源和綠色經(jīng)濟將引領(lǐng)科技和產(chǎn)業(yè)革命的主要方向，綠色低碳成為新質(zhì)挑戰(zhàn)。
我國提出的雙碳發(fā)展目標(biāo)和質(zhì)量強國建設(shè)戰(zhàn)略，確立了綠色發(fā)展導(dǎo)向?！吨袊鴻C械工程技術(shù)路線圖》（2021版）提出5大發(fā)展趨勢，聚焦10大技術(shù)，綠色化成為機械工程技術(shù)五大發(fā)展之首。綠色發(fā)展的途徑是通過綠色設(shè)計制造，在保證產(chǎn)品功能屬性、性能、質(zhì)量、成本的前提下，綜合考慮環(huán)境屬性的影響和資源效率，實現(xiàn)現(xiàn)代化設(shè)計制造模式，保證產(chǎn)品全生命周期綠色化發(fā)展。
因此，采用全生命周期理論和設(shè)計制造系統(tǒng)方法是實現(xiàn)起重機全生命周期綠色化的必然選擇和必由之路。
二、起重機械全生命周期綠色化思路
實現(xiàn)起重機全生命周期綠色化發(fā)展，就要從材料生產(chǎn)和綠色化、設(shè)計制造減量化、運維低耗化、回收再制造、報廢處置綜合化等方面考慮。
歐洲物料搬運協(xié)會和德國慕尼黑大學(xué)的研究顯示，起重機全生命周期各階段碳排放中，材料、使用、再生占比90%。因此，要從源頭控制整體的綠色化。
所以，在設(shè)計制造減量化層面，要從設(shè)計階段開始，基于減量再利用和資源化原則，建立面向新能源和碳排放模型的生態(tài)設(shè)計知識庫和數(shù)據(jù)庫，確立相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)整個設(shè)計過程。采用系統(tǒng)化的綠色減量化技術(shù)和全生命周期生態(tài)化設(shè)計方法，結(jié)合人機工程學(xué)原理，對起重機械的結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、傳動、控制、尺寸和工藝等方面創(chuàng)新設(shè)計。這樣不僅確保了設(shè)備的低能耗和低排放，而且提高了設(shè)備的易拆解性、易維修性和易回收性，從而在整個生命周期內(nèi)減少對環(huán)境的影響，提升了經(jīng)濟效益和社會效益。
制造層面要采用先進綠色制造系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)制造模式，開發(fā)綠色新工藝、精確控制、精確成形、3D快速成型技術(shù)，提高材料利用率和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)材料的輕量、精確、節(jié)能、省材、降耗、健康安全等目標(biāo)。
使用運維環(huán)節(jié)的低耗化，要注重兩個方面，一是運行中的低耗和高效化，二是運維中的常態(tài)化和規(guī)范化，以此避免不當(dāng)和違規(guī)使用導(dǎo)致失度和過度維修，降低運維成本。
回收再制造的充分化，一是通過再制造，使產(chǎn)品節(jié)能再生的同時實現(xiàn)價格下降；二是科學(xué)健全剩余壽命及報廢準(zhǔn)則評價體系，確定整機和零部件產(chǎn)品再制造準(zhǔn)入期和經(jīng)濟性評估。
三、創(chuàng)新低碳技術(shù)實現(xiàn)起重機械綠色化
開發(fā)設(shè)計分析軟件。針對工業(yè)起重機進行定制化設(shè)計評價軟件；針對載荷試驗進行當(dāng)量相似理論試驗等。
構(gòu)建全生命周期綠色法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系。2023年頒布、2024年實施的《起重機械安全技術(shù)規(guī)程》（TSG51-2023）中，設(shè)計部分首次采用45%的篇幅對設(shè)計進行法規(guī)約束和要求，也是對產(chǎn)品選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計進行全面綠色化的要求和規(guī)定。
我國起重機械標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域?qū)贗SO組織是ISO/TC96起重機技術(shù)委員會。目前，我國是ISO/TC96的主席國和秘書國。根據(jù)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系研究，TC96/SC10基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系尚缺全生命周期和綠色低碳要素。因此，在構(gòu)建中國標(biāo)準(zhǔn)體系時，特別引入了全生命周期和低碳綠色的維度，并已完成策劃，正在實施和基本達成。當(dāng)前，起重機械綠色化標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從初期的團體標(biāo)準(zhǔn)進展到國家標(biāo)準(zhǔn)的立項。此外，有關(guān)智能化、全生命周期維度的標(biāo)準(zhǔn)也在編制過程中。
創(chuàng)新低碳減量化技術(shù)。注重兩大內(nèi)容，一是針對專家系統(tǒng)智能設(shè)計的技術(shù)要求，提出了有關(guān)參數(shù)、數(shù)字、減量和模塊化的思路，開發(fā)工業(yè)軟件系統(tǒng)，可以根據(jù)工業(yè)起重機的實際需求，實現(xiàn)設(shè)計、分析、選材、圖紙報告、說明書、生產(chǎn)指導(dǎo)全流程定制化、綠色化開發(fā)。二是建立部件的標(biāo)準(zhǔn)模塊和批量定制思路。傳統(tǒng)思路是離散型思路，設(shè)計出來通常是一個大型機構(gòu)。使用模塊化思路后，可以有效減少部件數(shù)量，實現(xiàn)整機尺寸、材料、成本的變化。通過實際案例測算，模塊化思路設(shè)計出來的起重小車，使得主梁變小，廠房高度也可以隨之降低，整個廠房的投資會降低20%~30%。
現(xiàn)在，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在橋門式起重機等產(chǎn)品上應(yīng)用廣泛。如榮獲2015年“紅點設(shè)計大獎”的德馬格V型起重機，其桁架腹桿結(jié)構(gòu)采用榫卯方式連接，一般節(jié)點卡死，關(guān)鍵節(jié)點焊死，因此帶來的局部應(yīng)力集中大幅下降，疲勞壽命翻倍提高。這是一個值得借鑒的案例。
數(shù)字樣機與設(shè)計仿真模擬。在工程項目中，利用數(shù)字化手段創(chuàng)建數(shù)字樣機，并進行仿真模擬，預(yù)測裝備在實際施工和轉(zhuǎn)場過程中可能出現(xiàn)的干涉問題。
高腹板抗失穩(wěn)結(jié)構(gòu)分析。通過理論分析，確定合適的加筋方案，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如煙臺來福士船廠20000t橋式起重機大型結(jié)構(gòu)件在設(shè)計階段通過理論分析確定最佳加筋方案。
新材料的選用。高強度鋼、輕質(zhì)合金輕量化材料等，包括高精度吊鉤、尼龍滑輪、工程塑料和碳纖維等新材料，都應(yīng)被引用到起重機械產(chǎn)品設(shè)計和制造中，在保證產(chǎn)品性能的同時，實現(xiàn)設(shè)備的輕量化。綠色能源建設(shè)過程，首先要實現(xiàn)設(shè)備的綠色化，要吊得起，起得高，裝得穩(wěn)。
四、工程應(yīng)用實踐
數(shù)字孿生螺旋閉環(huán)設(shè)計方法是一種先進的設(shè)計技術(shù)，通過創(chuàng)建起重機數(shù)字孿生模型，反饋使用場景數(shù)據(jù)，驅(qū)動仿真形成閉環(huán)再現(xiàn)，螺旋優(yōu)化設(shè)計，重構(gòu)新質(zhì)起重機，解決設(shè)計輸入與實際場景不匹配的問題，如“小馬拉大車”或“大馬拉小車”的不當(dāng)配置。即使起重機已經(jīng)制造完成，也可以根據(jù)實際應(yīng)用情況進行必要的修正和加強。
舉個例子。國家重大專項CAP1400示范工程項目中，設(shè)計輸入與使用場景之間的巨大差異導(dǎo)致了起重機出現(xiàn)7類83項早期失效問題。通過現(xiàn)場診斷和專家評審，得出了調(diào)整工作級別的結(jié)論，更換了大車運行機構(gòu)，改造了部分結(jié)構(gòu)和機構(gòu)。改造實施后，5年內(nèi)未再發(fā)生任何失效問題，且該設(shè)備已經(jīng)轉(zhuǎn)場服務(wù)至廣東某核電站。
數(shù)字孿生技術(shù)預(yù)測起重機結(jié)構(gòu)疲勞壽命技術(shù)，即將物理空間的實際測試和數(shù)字孿生模型的虛擬分析相結(jié)合，實現(xiàn)對設(shè)備壽命的實時預(yù)測。通過將實測數(shù)據(jù)不斷輸入到模型中進行訓(xùn)練，優(yōu)化預(yù)測結(jié)果。通過五種不同的方法進行模型比對，最終確定了誤差最小的方法作為最終預(yù)測模型。
再舉一個對立體停車設(shè)備進行壽命和系統(tǒng)風(fēng)險評估的案例。首先，對停車設(shè)備進行實體現(xiàn)場測試，將收集到的數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。利用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，構(gòu)建時間和應(yīng)力歷程，并對停車設(shè)備的模型進行強度、剛度、穩(wěn)定性和模態(tài)分析，以評估設(shè)備在不同載荷下的性能。通過統(tǒng)計分析不同車位在不同時間的加載情況，考察不同車載結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化。最后基于承載能力和應(yīng)力時間歷程，進行壽命、風(fēng)險、維護和安全的綜合評估，為設(shè)備的運營和維護提供決策支持。
最后，結(jié)合這次主題，推薦一本書——《工程機械綠色設(shè)計與制造技術(shù)》。這本書為中國機械工程學(xué)會牽頭組織的綠色制造叢書之一，由機械工程出版社出版，楊華勇院士作序，由我牽頭組織，振華重工、北起院、天工院、徐工建機、中聯(lián)重科參與，涵蓋了理論、方法、技術(shù)、設(shè)備、成果、應(yīng)用和評價等內(nèi)容，是一本內(nèi)容豐富的綜合性專業(yè)書籍，希望將工程機械綠色設(shè)計與制造技術(shù)的先進理念和實踐成果分享給更廣泛的讀者群體，以推動行業(yè)的綠色發(fā)展和技術(shù)進步。
謝謝大家。
作者：徐格寧 協(xié)會宣傳部整理并本人審核同意
初審：董萌
復(fù)審：張宏梅
終審：吳培國
編輯：楊艷麗
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