徐格寧：《起重機械全生命周期綠色化關鍵技術進展》
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科技節（以下簡稱科技節）在浙江杭州盛大開幕。科技節主題演講環節，太原科技大學原副校長徐格寧教授作《起重機械全生命周期綠色化關鍵技術進展》主題演講。
一、機械工程技術的發展趨勢
當前，世界面臨三大挑戰：一是面臨氣候變化、能源和人口壓力等挑戰，綠色發展呼聲已成為共識和行動；二是有限資源難以支撐傳統工業的粗放型增長，迫切要求改變經濟發展模式，走可持續發展道路；三是經濟全球化背景下，新能源和綠色經濟將引領科技和產業革命的主要方向，綠色低碳成為新質挑戰。
我國提出的雙碳發展目標和質量強國建設戰略，確立了綠色發展導向。《中國機械工程技術路線圖》（2021版）提出5大發展趨勢，聚焦10大技術，綠色化成為機械工程技術五大發展之首。綠色發展的途徑是通過綠色設計制造，在保證產品功能屬性、性能、質量、成本的前提下，綜合考慮環境屬性的影響和資源效率，實現現代化設計制造模式，保證產品全生命周期綠色化發展。
因此，采用全生命周期理論和設計制造系統方法是實現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
實現起重機全生命周期綠色化發展，就要從材料生產和綠色化、設計制造減量化、運維低耗化、回收再制造、報廢處置綜合化等方面考慮。
歐洲物料搬運協會和德國慕尼黑大學的研究顯示，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，在設計制造減量化層面，要從設計階段開始，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設計知識庫和數據庫，確立相關技術規范和標準，以指導整個設計過程。采用系統化的綠色減量化技術和全生命周期生態化設計方法，結合人機工程學原理，對起重機械的結構、機構、傳動、控制、尺寸和工藝等方面創新設計。這樣不僅確保了設備的低能耗和低排放，而且提高了設備的易拆解性、易維修性和易回收性，從而在整個生命周期內減少對環境的影響，提升了經濟效益和社會效益。
制造層面要采用先進綠色制造系統，轉變傳統制造模式，開發綠色新工藝、精確控制、精確成形、3D快速成型技術，提高材料利用率和生產效率，實現材料的輕量、精確、節能、省材、降耗、健康安全等目標。
使用運維環節的低耗化，要注重兩個方面，一是運行中的低耗和高效化，二是運維中的常態化和規范化，以此避免不當和違規使用導致失度和過度維修，降低運維成本。
回收再制造的充分化，一是通過再制造，使產品節能再生的同時實現價格下降；二是科學健全剩余壽命及報廢準則評價體系，確定整機和零部件產品再制造準入期和經濟性評估。
三、創新低碳技術實現起重機械綠色化
開發設計分析軟件。針對工業起重機進行定制化設計評價軟件；針對載荷試驗進行當量相似理論試驗等。
構建全生命周期綠色法規標準體系。2023年頒布、2024年實施的《起重機械安全技術規程》（TSG51-2023）中，設計部分首次采用45%的篇幅對設計進行法規約束和要求，也是對產品選型、結構設計進行全面綠色化的要求和規定。
我國起重機械標準領域對口ISO組織是ISO/TC96起重機技術委員會。目前，我國是ISO/TC96的主席國和秘書國。根據國內外標準體系研究，TC96/SC10基礎標準體系尚缺全生命周期和綠色低碳要素。因此，在構建中國標準體系時，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。當前，起重機械綠色化標準已經從初期的團體標準進展到國家標準的立項。此外，有關智能化、全生命周期維度的標準也在編制過程中。
創新低碳減量化技術。注重兩大內容，一是針對專家系統智能設計的技術要求，提出了有關參數、數字、減量和模塊化的思路，開發工業軟件系統，可以根據工業起重機的實際需求，實現設計、分析、選材、圖紙報告、說明書、生產指導全流程定制化、綠色化開發。二是建立部件的標準模塊和批量定制思路。傳統思路是離散型思路，設計出來通常是一個大型機構。使用模塊化思路后，可以有效減少部件數量，實現整機尺寸、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%。
現在，結構優化技術在橋門式起重機等產品上應用廣泛。如榮獲2015年“紅點設計大獎”的德馬格V型起重機，其桁架腹桿結構采用榫卯方式連接，一般節點卡死，關鍵節點焊死，因此帶來的局部應力集中大幅下降，疲勞壽命翻倍提高。這是一個值得借鑒的案例。
數字樣機與設計仿真模擬。在工程項目中，利用數字化手段創建數字樣機，并進行仿真模擬，預測裝備在實際施工和轉場過程中可能出現的干涉問題。
高腹板抗失穩結構分析。通過理論分析，確定合適的加筋方案，以確保結構的穩定性。如煙臺來福士船廠20000t橋式起重機大型結構件在設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，都應被引用到起重機械產品設計和制造中，在保證產品性能的同時，實現設備的輕量化。綠色能源建設過程，首先要實現設備的綠色化，要吊得起，起得高，裝得穩。
四、工程應用實踐
數字孿生螺旋閉環設計方法是一種先進的設計技術，通過創建起重機數字孿生模型，反饋使用場景數據，驅動仿真形成閉環再現，螺旋優化設計，重構新質起重機，解決設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”的不當配置。即使起重機已經制造完成，也可以根據實際應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，設計輸入與使用場景之間的巨大差異導致了起重機出現7類83項早期失效問題。通過現場診斷和專家評審，得出了調整工作級別的結論，更換了大車運行機構，改造了部分結構和機構。改造實施后，5年內未再發生任何失效問題，且該設備已經轉場服務至廣東某核電站。
數字孿生技術預測起重機結構疲勞壽命技術，即將物理空間的實際測試和數字孿生模型的虛擬分析相結合，實現對設備壽命的實時預測。通過將實測數據不斷輸入到模型中進行訓練，優化預測結果。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測模型。
再舉一個對立體停車設備進行壽命和系統風險評估的案例。首先，對停車設備進行實體現場測試，將收集到的數據上傳至網絡數據庫。利用數據庫中的數據，構建時間和應力歷程，并對停車設備的模型進行強度、剛度、穩定性和模態分析，以評估設備在不同載荷下的性能。通過統計分析不同車位在不同時間的加載情況，考察不同車載結構應力的變化。最后基于承載能力和應力時間歷程，進行壽命、風險、維護和安全的綜合評估，為設備的運營和維護提供決策支持。
最后，結合這次主題，推薦一本書——《工程機械綠色設計與制造技術》。這本書為中國機械工程學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、中聯重科參與，涵蓋了理論、方法、技術、設備、成果、應用和評價等內容，是一本內容豐富的綜合性專業書籍，希望將工程機械綠色設計與制造技術的先進理念和實踐成果分享給更廣泛的讀者群體，以推動行業的綠色發展和技術進步。
謝謝大家。
作者：徐格寧 協會宣傳部整理并本人審核同意
初審：董萌
復審：張宏梅
終審：吳培國
編輯：楊艷麗
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