徐格寧：《起重機(jī)械全生命周期綠色化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展》

2024年5月16日，以“高端·智能·綠色”為主題的工程機(jī)械行業(yè)科技節(jié)（以下簡(jiǎn)稱科技節(jié)）在浙江杭州盛大開(kāi)幕?？萍脊?jié)主題演講環(huán)節(jié)，太原科技大學(xué)原副校長(zhǎng)徐格寧教授作《起重機(jī)械全生命周期綠色化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展》主題演講。

一、機(jī)械工程技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

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(shí)和行動(dòng)；二是有限資源難以支撐傳統(tǒng)工業(yè)的粗放型增長(zhǎng)，迫切要求改變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，走可持續(xù)發(fā)展道路；三是經(jīng)濟(jì)全球化背景下，新能源和綠色經(jīng)濟(jì)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(guó)提出的雙碳發(fā)展目標(biāo)和質(zhì)量強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略，確立了綠色發(fā)展導(dǎo)向?！吨袊?guó)機(jī)械工程技術(shù)路線圖》（2021版）提出5大發(fā)展趨勢(shì)，聚焦10大技術(shù)，綠色化成為機(jī)械工程技術(shù)五大發(fā)展之首。綠色發(fā)展的途徑是通過(guò)綠色設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)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(jì)制造系統(tǒng)方法是實(shí)現(xiàn)起重機(jī)全生命周期綠色化的必然選擇和必由之路。

二、起重機(jī)械全生命周期綠色化思路

實(shí)現(xiàn)起重機(jī)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(jì)制造減量化、運(yùn)維低耗化、回收再制造、報(bào)廢處置綜合化等方面考慮。

歐洲物料搬運(yùn)協(xié)會(huì)和德國(guó)慕尼黑大學(xué)的研究顯示，起重機(jī)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(jì)制造減量化層面，要從設(shè)計(jì)階段開(kāi)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(jì)知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)，確立相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)方法，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理，對(duì)起重機(jī)械的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)、控制、尺寸和工藝等方面創(chuàng)新設(shè)計(jì)。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(gè)生命周期內(nèi)減少對(duì)環(huán)境的影響，提升了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

制造層面要采用先進(jìn)綠色制造系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)制造模式，開(kāi)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(shí)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(yùn)維環(huán)節(jié)的低耗化，要注重兩個(gè)方面，一是運(yùn)行中的低耗和高效化，二是運(yùn)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(guò)度維修，降低運(yùn)維成本。

回收再制造的充分化，一是通過(guò)再制造，使產(chǎn)品節(jié)能再生的同時(shí)實(shí)現(xiàn)價(jià)格下降；二是科學(xué)健全剩余壽命及報(bào)廢準(zhǔn)則評(píng)價(jià)體系，確定整機(jī)和零部件產(chǎn)品再制造準(zhǔn)入期和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。

三、創(chuàng)新低碳技術(shù)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械綠色化

開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)分析軟件。針對(duì)工業(yè)起重機(jī)進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)軟件；針對(duì)載荷試驗(yàn)進(jìn)行當(dāng)量相似理論試驗(yàn)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(shí)施的《起重機(jī)械安全技術(shù)規(guī)程》（TSG51-2023 ）中，設(shè)計(jì)部分首次采用45%的篇幅對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行法規(guī)約束和要求，也是對(duì)產(chǎn)品選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面綠色化的要求和規(guī)定。

我國(guó)起重機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域?qū)贗SO組織是ISO/TC96起重機(jī)技術(shù)委員會(huì)。目前，我國(guó)是ISO/TC96的主席國(guó)和秘書國(guó)。根據(jù)國(guó)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系時(shí)，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(shí)施和基本達(dá)成。當(dāng)前，起重機(jī)械綠色化標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從初期的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)。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(guò)程中。

創(chuàng)新低碳減量化技術(shù)。注重兩大內(nèi)容，一是針對(duì)專家系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)工業(yè)軟件系統(tǒng)，可以根據(jù)工業(yè)起重機(jī)的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析、選材、圖紙報(bào)告、說(shuō)明書、生產(chǎn)指導(dǎo)全流程定制化、綠色化開(kāi)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(jì)出來(lái)通常是一個(gè)大型機(jī)構(gòu)。使用模塊化思路后，可以有效減少部件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)整機(jī)尺寸、材料、成本的變化。通過(guò)實(shí)際案例測(cè)算，模塊化思路設(shè)計(jì)出來(lái)的起重小車，使得主梁變小，廠房高度也可以隨之降低，整個(gè)廠房的投資會(huì)降低20%~30%。

現(xiàn)在，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在橋門式起重機(jī)等產(chǎn)品上應(yīng)用廣泛。如榮獲2015年“紅點(diǎn)設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)”的德馬格V型起重機(jī)，其桁架腹桿結(jié)構(gòu)采用榫卯方式連接，一般節(jié)點(diǎn)卡死，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)焊死，因此帶來(lái)的局部應(yīng)力集中大幅下降，疲勞壽命翻倍提高。這是一個(gè)值得借鑒的案例。

數(shù)字樣機(jī)與設(shè)計(jì)仿真模擬。在工程項(xiàng)目中，利用數(shù)字化手段創(chuàng)建數(shù)字樣機(jī)，并進(jìn)行仿真模擬，預(yù)測(cè)裝備在實(shí)際施工和轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的干涉問(wèn)題。

高腹板抗失穩(wěn)結(jié)構(gòu)分析。通過(guò)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(tái)來(lái)福士船廠20000t橋式起重機(jī)大型結(jié)構(gòu)件在設(shè)計(jì)階段通過(guò)理論分析確定最佳加筋方案。

新材料的選用。高強(qiáng)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(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中，在保證產(chǎn)品性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕量化。綠色能源建設(shè)過(guò)程，首先要實(shí)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(shí)踐

數(shù)字孿生螺旋閉環(huán)設(shè)計(jì)方法是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)創(chuàng)建起重機(jī)數(shù)字孿生模型，反饋使用場(chǎng)景數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)仿真形成閉環(huán)再現(xiàn)，螺旋優(yōu)化設(shè)計(jì)，重構(gòu)新質(zhì)起重機(jī)，解決設(shè)計(jì)輸入與實(shí)際場(chǎng)景不匹配的問(wèn)題，如“小馬拉大車”或“大馬拉小車”的不當(dāng)配置。即使起重機(jī)已經(jīng)制造完成，也可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行必要的修正和加強(qiáng)。

舉個(gè)例子。國(guó)家重大專項(xiàng)CAP1400示范工程項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)輸入與使用場(chǎng)景之間的巨大差異導(dǎo)致了起重機(jī)出現(xiàn)7類83項(xiàng)早期失效問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)診斷和專家評(píng)審，得出了調(diào)整工作級(jí)別的結(jié)論，更換了大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，改造了部分結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)。改造實(shí)施后，5年內(nèi)未再發(fā)生任何失效問(wèn)題，且該設(shè)備已經(jīng)轉(zhuǎn)場(chǎng)服務(wù)至廣東某核電站。

數(shù)字孿生技術(shù)預(yù)測(cè)起重機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命技術(shù)，即將物理空間的實(shí)際測(cè)試和數(shù)字孿生模型的虛擬分析相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備壽命的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。通過(guò)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不斷輸入到模型中進(jìn)行訓(xùn)練，優(yōu)化預(yù)測(cè)結(jié)果。通過(guò)五種不同的方法進(jìn)行模型比對(duì)，最終確定了誤差最小的方法作為最終預(yù)測(cè)模型。

再舉一個(gè)對(duì)立體停車設(shè)備進(jìn)行壽命和系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的案例。首先，對(duì)停車設(shè)備進(jìn)行實(shí)體現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將收集到的數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，構(gòu)建時(shí)間和應(yīng)力歷程，并對(duì)停車設(shè)備的模型進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和模態(tài)分析，以評(píng)估設(shè)備在不同載荷下的性能。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析不同車位在不同時(shí)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(shí)間歷程，進(jìn)行壽命、風(fēng)險(xiǎn)、維護(hù)和安全的綜合評(píng)估，為設(shè)備的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提供決策支持。

最后，結(jié)合這次主題，推薦一本書——《工程機(jī)械綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)》。這本書為中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)牽頭組織的綠色制造叢書之一，由機(jī)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(jī)、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(píng)價(jià)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(jī)械綠色設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的先進(jìn)理念和實(shí)踐成果分享給更廣泛的讀者群體，以推動(dòng)行業(yè)的綠色發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。

謝謝大家。

作者：徐格寧　協(xié)會(huì)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(guó)

編輯：李吉旺

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