徐格宁：工程机械关键理论与共性技术展望

【第一工程机械网 独家报道】2015年4月10日，“2015工程机械产品发展（北京）论坛暨中国工程机械年度产品TOP50颁奖典礼”在北京隆重举行。来自中国工程机械工业协会及下属分支机构、国家工程机械质量监督检验中心、相关行业协会以及工程机械制造企业、施工企业、科研机构、高校、新闻媒体的200余位嘉宾参加了这次年度盛会。

目前，受“三期叠加”效应等多重因素影响，工程机械行业仍处于暂时性“阵痛期”。在国内外市场需求不旺的背景下，工程机械企业更加注重产品的投入和研发，产品升级针对性更强，环保节能已成为工程机械产品升级的基本特征，超大型工程机械得到了更为广泛的应用。更加值得注意的是，市场保有量大、应用面广的工程机械主力机型升级换代已成为众多企业谋略新常态下进行工程机械产品布局的新思路，并取得了一定的规模效应和市场效益。

太原科技大学教授、副校长徐格宁先生，在2015工程机械产品发展（北京）论坛上发表了题目为《工程机械关键理论与共性技术展望》的主题演讲，以下为发言实录：

太原科技大学教授、副校长徐格宁先生发表演讲

关于十三五是受祁俊会长委托，代表我们工程机械工业协会，在一次科技部座谈当中提出这样一个展望。希望代表工程机械行业向国家制订十三五计划的时候提供一些建议。当今世界工程机械领域的科学技术日新月异，信息化、智能化、全球化趋势不可阻挡。随着我国工业化、信息化、城镇化，国际化进程深入发展，信息技术、绿色环保、节能技术、可靠性技术正向全领域加快渗透，各类技术间的相互融合更加频繁，将引发以绿色、可靠、耐用、安全、减量、智能为特征，新一轮工程机械技术系统变革、学科突破和产业革命，推动工程机械向绿色、智能、超长、融合、服务方向发展。下面就是根据技术发展规划纲要及制造2025，还有就是根据国内外技术发展趋势和国家机械工业发展三大要求的研判，出现了这样一个展望。高端制造业处于产业链高端，是相对与低端产业一种表述，是工业化发展高级阶段，具有显著的特征，两高两低。中国是制造大国，在220多种工业品产量居世界第一，制造业净出口居世界第一，制造业增加值在世界占比是20.8%，高端制造是8%，所以，刚刚讲了，我们产能过剩主要是在低端。中国制造业要缩小在高端领域与国际的差距，必须淘汰低端产能，走转型升级的创新之路。机械技术路线图2030对于工程机械的要求。这是中国机械工程学会制订的面向2030年一个基础性术发展路线图，提出了什么？10个字，5个词。就是绿色、智能、超常、融合、服务。中国制造2025战略对于工程机械的要求。我们是以智能制造为切入点，提高产业数据化和智能化水平，解决长期制约重点领域发展关键的工程技术，突破一批标志性产品和技术。所以，基于三个要求，我整理出来了六个方向。

第一、保护生态

就是工程机械全寿命周期绿色化的一个系统理论。工程机械全寿命周期设计理论和绿色设计制造系统方法，是实现工程机械全寿命周期的绿色化必然选择，是未来工程机械技术发展重要领域和研究方向。工程机械全寿命周期设计是在设计阶段就要考虑到产品寿命周期的所有历程，将所有相关因素综合规划和优化的设计理论。全寿命周期设计不仅要设计产品的功能属性，而且要设计产品的环境属性，更要规划设计、制造、营销、物流、使用、维修、回收、再利用，全寿命周期过程，产品绿色度体现在全生命周期的各个阶段。根据欧盟与德国慕尼黑大学研究，工程机械全寿命周期各个阶段炭排放占比中，材料使用占到了90%。因此，保护生态，更要重视工程机械全寿命周期绿色化系统理论。工程机械全寿命周期绿色化应考量产品设计、制造、使用与回收利用的系统化和一体化，将现代生态化设计技术以及知识库和数据库运用于工程机械设计全过程，使产品最大限度节约资源、减少污染、合理重新利用资源。这个是基于全寿命周期绿色化总体思路，从自然界获取物质经过人类使用以后，返还的最少。我们向国家标准委提交了一个申请，要研制中国第一个起重机报废标准。从产品准入到退出应该有制度，应该有标准。我前面所谈到的关于系统轻量化的思想，体现在材料轻量化和理论轻量化。我们往往从理论研究方面不够深入、不够专业、不够科学，导致很多产品设计，研用一些旧的方法。我们对于国外产品研究当中也是发现了这种差异性，体现在哪里？比如说，我们去跟踪国外的产品，高强度钢我们大量的使用。这种高强度钢大量使用对于产品约束条件来讲，是有不同区段的一个定位。如果定位的不准，盲目追求采用全部高强钢，是会带来一种浪费。对于结构来讲，我们有约束条件的基本上是考虑强度、钢度和稳定性。无论是高强钢，还是低炭合金钢，它的属性是不变的。换言之，对于稳定性条件下，采用高强钢所带来的抗稳能力的增量比强度增量小的多，我们做了一个研究。从曲线可以看出来。我们不同的方法和不同的材料的取值发生了很大的变化，这个曲线是可以看出来的。

太原科技大学教授、副校长徐格宁先生发表演讲

第二、保证质量

工程机械可靠性保质设计理论。我国工程机械产品功能以及性能参数与国外标杆相差不大，但是可靠性与国外同类产品相比差距显著，大约是国外的二分之一。  造成这种差距主要原因有，第一，产品开发急于求成，先做再试，屡试再改，缺乏系统可靠性设计方法的源头研究，投入不够，被动应付。第二，对产品载荷环境认知不足，缺乏基础数据积累及升华。第三，缺乏工艺制造可靠性系统。产品可靠性低不仅影响了客户的满意度，而且制约我国工程机械产品参与国际市场竞争。提升整机和关键基础零部件的可靠性水平是工程机械行业质量一致性的需求。勤学森指出，产品可靠性是设计出来的、生产出来的、管理出来的，而设计决定了产品的固有可靠性。我们行业可靠性实验大量是什么？我把它叫做后端的可靠性，前端的时候，我们国内的企业基本上没有做。针对工程机械整机以及关键零部件开展可靠性设计理论与评估方法的研究，基于载荷谱以及故障数据采集与分析技术，综合多因素影响整机系统可靠性分配技术，建立概率与非概率混合可靠性模型，计算结构混合可靠度，形成整机以及关键零部件、结构件的可靠性分析与设计要求。为确定产品维护保养周期提供依据，实现产品多维问题不确定因素可靠性设计，制订设计规范和标准。建立可追加可追诉可靠性设计载荷谱，故障失效等基础数据库，开发可靠性实验技术以及装备，建设可靠性实验平台，制订实验规范和标准，提升制造工艺可靠性，开发检测关键技术以及装备，提供产品质量一致性。敢于提出我国工程机械可靠性设计指标，全面提升可靠性水平。我们希望在十三五期间，我们工程机械行业，我们开展的这一系列研究，包括从设计层面的，制造层面的，以及检测层面的，得到国家的科技部的支持。

第三、保证寿命

工程机械结构强度定寿设计结论。工程机械结构，工作装置多为焊接结构件，由于结构复杂性和载荷随机性以及工况多变性，使得结构受力复杂而瞬变，导致结构失效破坏时有发生，虽然企业在制造环节采取多种措施，但仍没有根本解决。因此，需要开展，第一、基于在线检测、无线传输、同步记录技术的工程机械多维作业载荷谱，路面谱的采集、编制、重现、保真研究，开发测试仪器装备，建立工程机械分类分级（工作级别）载荷谱库。第二、基于典型结构焊接构件疲劳试验，建立不同斜率常数特征疲劳强度数据库。第三、基于应力幅——极限状态法疲劳强度定寿设计理论、概率论的极限状态法非线性设计理论，开展工程机械结构抗疲劳非线性设计，保证结构的设计寿命。这个方法还是比较的粗糙，我们做过研究以后发现差异还是非常的大。

第四、保证安全

工程机械健康状态与剩余寿命评估理论。开展基于结构健康状况在线监测和信号采集传输技术，结构损伤识别、诊断以及定位技术、结构健康状况评估、剩余寿命预测与维护决策技术、结构损伤控制与智能修复技术。截至2014年，我国起重机保有量240万台，工程机械700万台。刚刚也是谈到了这个问题，在起重机行业设计是有寿命要求的。在工程机械行业应该有一个理论，工程机械产品在使用过程当中由于工况的不同和工作级别不同，产品寿命是有很大区别的。进入大修期，有一个名称，比如说汽车是以公里数为主，所以，这个地方要有一套技术进行识别。恶劣工况液压元件与系统物性参数实时精准检测技术。面向工程机械作业状态扩建传感物联网技术，基于传感数据传动件故障数据库自维护技术，典型传动件工作状态检测寿命评估技术，主要传动件破坏机理分析及设计方法研究。变被动修复为主动预防，实现结构件、传动件剩余寿命预测，对于早期损伤提出预警和经济性评估，及时保养维修更换，在保证整机无故障工作前提下降低维修成本，有效防治二次损伤，避免灾难性失效发生。

第五、保持减量

工程机械节能减排综合技术，我国是工程机械生产使用大国，根据英国工程机械咨询有限公司统计与预测，2008年到2012年期间，我国工程机械年平均销售量为32万多台，受宏观调控影响，2012年以来销量大幅度下降，但预计2013年到2017年年平均销售量仍将达到28万台。工程机械是属于典型能耗高，排放大的机械设备，根据日本某挖掘机企业测试，在正常作业相同时间内，20t级挖掘机废气排放量相当于30辆小型汽车排放量。因此，工程机械节能减排对于我国能耗以及炭排放减量有重要的影响。第一，基于动力匹配与控制优化的智能技术。在保证性能前提下，使发动机工作在经济耗油区，通过合理匹配参数和电喷控制，在大负载时输出大驱动力，小负载时输出高速度，充分利用发动机功率，减少功率浪费。通过采集工程机械典型工况数据，进行负载智能识别与预测。第二，基于机电液融合传动方式改善技术。发挥液力、机械、液压、传动无级变速功能和负载自适应功能，融合机械——液压传动与控制技术，开发液压调速、机械变速、分会流控制的液压功率流、机械功率流、控制信息流并联的新型传动方式，通过机械传动实现高传动效率。第三，基于能量回收高效元件，混合动力系统的能量回收技术。

第六、保有智能

工程机械作业环境动态感知与决策关键技术。传统工程机械作业控制主要依靠司机的局部感知信息，而忽略了机械的整体作业含量信息感知与获取，因此迫切需要开展基于多感觉，多传感和工程机械作业环境动态感知和工作装置姿态检测系统的传感网络与状态监测技术。基于高沉浸感的主一从交互介面和多感觉，多传感工程机械作业环境三维感知系统。实现感知工作装置末端作业力与位移的感知，辨识作业对象，作业环境参数，决策合适的作业方式和作业参数。追求绿色化是人类解决自然供需矛盾的被动选择，基于全寿命周期的视角和六个方面的保证，结构件创新技术体系，实施创新驱动战略，提升工程机械品质和效益，支撑绿色减量持续发展。谢谢大家。

嘉宾互动：

国家工程机械质量监督检验中心副主任李铁生现场提问

嘉宾提问：徐老师好，刚刚徐老师从绿色设计，保证质量，保证安全，还有保持减量等方面介绍了我们工程机械行业未来的一些设计理念，这个内容非常丰富，我们得慢慢消化。请教徐老师跟这些相关一个话题，您讲到了保证寿命，在设计阶段强化寿命的一些设计理念。提到了建立实验设施，实验台架，以保证可靠性。这些也是工程机械检测中心未来要非常关注和将来发展的一个方向。这些对于我们受益非常大。工程机械目前有将近700万社会保有量，700万量存在着再制造的问题。目前一些院校也是在研究这些，在整个再制造工艺环节过程当中，从清洗、拆解、故障寿命评估、检测、装配整个环节，市场上目前存在一些相关问题，比如说，外国的模式在中国有一些水土不服，利润低，规范标准方面不健全。想问一下，您认为工程机械目前在再制造环节当中，企业在共性技术方面有哪些问题？企业进入再制造工程比较多，效果不是很好。想请您谈谈我们学校或者您对此的见解？

徐格宁：举一个例子，美国现在服务费用超过主营费用，在中国工程机械，现在是大批量生产，这么大一个保有量，从排放角度强制推出。他就说结构不合格，换一个发动机是不是就是可以了？这个是一个概念。第二个概念，我们在工程机械设计的过程当中，工程机械现在设计的过程当中没有前端的一个输入。所以，我们做过那些载荷谱实验,工程机械企业做过那些载荷谱实验？这些载荷谱有没有公众性？我们有没有国家的谱？如果没有就是没谱，起重机是有的。这个问题就是来了，这么大的保有量，每一台车设计寿命是多少？你怎么来评价？所以，这个问题问了一个点，串起来很大。所以，前端一定得有，把寿命设计出来。然后，用工艺保证这个寿命。使用工况一定是什么？就是在我设备使用的要求中去用，别去超载，随意超载是不可以的。起重机行业有一个公司，100年到老字号，他原来是没有传感器，后来加了传感器，主要用途不是安全，是免责。为什么免责，我们车出问题了，老是去报修索赔。检测人员用特殊仪器有编码，什么时间超载了多少？一天超载了多少次？违反了哪些操作规则。坏了东西，服务就是修，在中装这个，在国外不装。作业是非常的规范。而我们工程机械不知道超载量多大，起重机行业我知道，工程也是有起重机。那么，这种情况使得你的使用寿命是提高了还是降低了？一定是降低了。设计寿命和剩余寿命之间是不一样的。所以，我有一个想法，整个线都是要做下来，才能够保证我回答的问题。作为再制造来讲有一个技术。按时间来算还是按公里数来算？我们工程机械按什么来算？我们现在可以加很多的监控仪器，我问一句话？这些系统所收集到数据有没有再利用？再去研判？对于你设备的状态起到了什么样的作用？我想回答是否定的。我们都是加了很多。我们就是把它的提出来已经做什么？到底是什么级别？我们来算这个寿命。这个寿命是什么？需要再制造就去再制造。挖掘机用多长时间以后，2年都是重修去，有的时候没有用过，没有让我们修。有的时候就是使劲干一年就报废了。中国人也是很聪明就把监控器卸掉，你一查也是没有证据，我一天就是8个小时。我觉得什么呢？我们应该做一些共性技术，大家都是可以用的。光靠中心来做也是不可能的，是全行业来做，这个才有可能。这个应该代表行业来呼吁大家一起来做这种关键的共性技术，分享给全行业。所以，中国的制造才能够走向强国。

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