徐格宁：《起重机械全生命周期绿色化关键技术进展》

2024年5月16日，以“高端·智能·绿色”为主题的工程机械行业科技节（以下简称科技节）在浙江杭州盛大开幕。科技节主题演讲环节，太原科技大学原副校长徐格宁教授作《起重机械全生命周期绿色化关键技术进展》主题演讲。

太原科技大学原副校长徐格宁教授

一、机械工程技术的发展趋势 

当前，世界面临三大挑战：一是面临气候变化、能源和人口压力等挑战，绿色发展呼声已成为共识和行动；二是有限资源难以支撑传统工业的粗放型增长，迫切要求改变经济发展模式，走可持续发展道路；三是经济全球化背景下，新能源和绿色经济将引领科技和产业革命的主要方向，绿色低碳成为新质挑战。

我国提出的双碳发展目标和质量强国建设战略，确立了绿色发展导向。《中国机械工程技术路线图》（2021版）提出5大发展趋势，聚焦10大技术，绿色化成为机械工程技术五大发展之首。绿色发展的途径是通过绿色设计制造，在保证产品功能属性、性能、质量、成本的前提下，综合考虑环境属性的影响和资源效率，实现现代化设计制造模式，保证产品全生命周期绿色化发展。

因此，采用全生命周期理论和设计制造系统方法是实现起重机全生命周期绿色化的必然选择和必由之路。

二、起重机械全生命周期绿色化思路 

实现起重机全生命周期绿色化发展，就要从材料生产和绿色化、设计制造减量化、运维低耗化、回收再制造、报废处置综合化等方面考虑。

欧洲物料搬运协会和德国慕尼黑大学的研究显示，起重机全生命周期各阶段碳排放中，材料、使用、再生占比90%。因此，要从源头控制整体的绿色化。

所以，在设计制造减量化层面，要从设计阶段开始，基于减量再利用和资源化原则，建立面向新能源和碳排放模型的生态设计知识库和数据库，确立相关技术规范和标准，以指导整个设计过程。采用系统化的绿色减量化技术和全生命周期生态化设计方法，结合人机工程学原理，对起重机械的结构、机构、传动、控制、尺寸和工艺等方面创新设计。这样不仅确保了设备的低能耗和低排放，而且提高了设备的易拆解性、易维修性和易回收性，从而在整个生命周期内减少对环境的影响，提升了经济效益和社会效益。

制造层面要采用先进绿色制造系统，转变传统制造模式，开发绿色新工艺、精确控制、精确成形、3D快速成型技术，提高材料利用率和生产效率，实现材料的轻量、精确、节能、省材、降耗、健康安全等目标。

使用运维环节的低耗化，要注重两个方面，一是运行中的低耗和高效化，二是运维中的常态化和规范化，以此避免不当和违规使用导致失度和过度维修，降低运维成本。

回收再制造的充分化，一是通过再制造，使产品节能再生的同时实现价格下降；二是科学健全剩余寿命及报废准则评价体系，确定整机和零部件产品再制造准入期和经济性评估。

三、创新低碳技术实现起重机械绿色化 

开发设计分析软件。针对工业起重机进行定制化设计评价软件；针对载荷试验进行当量相似理论试验等。

构建全生命周期绿色法规标准体系。2023年颁布、2024年实施的《起重机械安全技术规程》（TSG51-2023 ）中，设计部分首次采用45%的篇幅对设计进行法规约束和要求，也是对产品选型、结构设计进行全面绿色化的要求和规定。

我国起重机械标准领域对口ISO组织是ISO/TC96起重机技术委员会。目前，我国是ISO/TC96的主席国和秘书国。根据国内外标准体系研究，TC96/SC10基础标准体系尚缺全生命周期和绿色低碳要素。因此，在构建中国标准体系时，特别引入了全生命周期和低碳绿色的维度，并已完成策划，正在实施和基本达成。当前，起重机械绿色化标准已经从初期的团体标准进展到国家标准的立项。此外，有关智能化、全生命周期维度的标准也在编制过程中。

创新低碳减量化技术。注重两大内容，一是针对专家系统智能设计的技术要求，提出了有关参数、数字、减量和模块化的思路，开发工业软件系统，可以根据工业起重机的实际需求，实现设计、分析、选材、图纸报告、说明书、生产指导全流程定制化、绿色化开发。二是建立部件的标准模块和批量定制思路。传统思路是离散型思路，设计出来通常是一个大型机构。使用模块化思路后，可以有效减少部件数量，实现整机尺寸、材料、成本的变化。通过实际案例测算，模块化思路设计出来的起重小车，使得主梁变小，厂房高度也可以随之降低，整个厂房的投资会降低20%~30%。

现在，结构优化技术在桥门式起重机等产品上应用广泛。如荣获2015年“红点设计大奖”的德马格V型起重机，其桁架腹杆结构采用榫卯方式连接，一般节点卡死，关键节点焊死，因此带来的局部应力集中大幅下降，疲劳寿命翻倍提高。这是一个值得借鉴的案例。

数字样机与设计仿真模拟。在工程项目中，利用数字化手段创建数字样机，并进行仿真模拟，预测装备在实际施工和转场过程中可能出现的干涉问题。

高腹板抗失稳结构分析。通过理论分析，确定合适的加筋方案，以确保结构的稳定性。如烟台来福士船厂20000t桥式起重机大型结构件在设计阶段通过理论分析确定最佳加筋方案。

新材料的选用。高强度钢、轻质合金轻量化材料等，包括高精度吊钩、尼龙滑轮、工程塑料和碳纤维等新材料，都应被引用到起重机械产品设计和制造中，在保证产品性能的同时，实现设备的轻量化。绿色能源建设过程，首先要实现设备的绿色化，要吊得起，起得高，装得稳。

四、工程应用实践 

数字孪生螺旋闭环设计方法是一种先进的设计技术，通过创建起重机数字孪生模型，反馈使用场景数据，驱动仿真形成闭环再现，螺旋优化设计，重构新质起重机，解决设计输入与实际场景不匹配的问题，如“小马拉大车”或“大马拉小车”的不当配置。即使起重机已经制造完成，也可以根据实际应用情况进行必要的修正和加强。

举个例子。国家重大专项CAP1400示范工程项目中，设计输入与使用场景之间的巨大差异导致了起重机出现7类83项早期失效问题。通过现场诊断和专家评审，得出了调整工作级别的结论，更换了大车运行机构，改造了部分结构和机构。改造实施后，5年内未再发生任何失效问题，且该设备已经转场服务至广东某核电站。

数字孪生技术预测起重机结构疲劳寿命技术，即将物理空间的实际测试和数字孪生模型的虚拟分析相结合，实现对设备寿命的实时预测。通过将实测数据不断输入到模型中进行训练，优化预测结果。通过五种不同的方法进行模型比对，最终确定了误差最小的方法作为最终预测模型。

再举一个对立体停车设备进行寿命和系统风险评估的案例。首先，对停车设备进行实体现场测试，将收集到的数据上传至网络数据库。利用数据库中的数据，构建时间和应力历程，并对停车设备的模型进行强度、刚度、稳定性和模态分析，以评估设备在不同载荷下的性能。通过统计分析不同车位在不同时间的加载情况，考察不同车载结构应力的变化。最后基于承载能力和应力时间历程，进行寿命、风险、维护和安全的综合评估，为设备的运营和维护提供决策支持。

最后，结合这次主题，推荐一本书——《工程机械绿色设计与制造技术》。这本书为中国机械工程学会牵头组织的绿色制造丛书之一，由机械工程出版社出版，杨华勇院士作序，由我牵头组织，振华重工、北起院、天工院、徐工建机、中联重科参与，涵盖了理论、方法、技术、设备、成果、应用和评价等内容，是一本内容丰富的综合性专业书籍，希望将工程机械绿色设计与制造技术的先进理念和实践成果分享给更广泛的读者群体，以推动行业的绿色发展和技术进步。

责任编辑：Yaodl