起重機械能耗評價技術的研究現狀分析與展望

曾漢生 葛志浩 帥飛

摘? ?要：本文介紹了國內起重機械市場狀況，結合當前國家戰(zhàn)略發(fā)展部署與要求，分析了能耗評價的必要性;針對當前起重機械兩大類節(jié)能技術，重點綜述了起重機械能耗評價方法的現狀及發(fā)展，對有關方法進行了總結與評述，同時給出了針對橋式起重機的能耗評價過程及涉及的關鍵技術，包括起重機能耗特性分析、能耗評價指標體系建立、能耗測試與數據分析、起重機聚類分析及起重機能耗分級與評價等。

關鍵詞：起重機械? 能耗評價? 能耗分級? 節(jié)能研究

中圖分類號：TH21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（c）-0240-02

被喻為“巨人之臂”的起重機械是減輕勞動強度、提高作業(yè)效率，實現機械化、自動化以及安全生產的重要設備。目前，起重機械已經廣泛應用于工礦企業(yè)、港口碼頭、貨運倉庫、海洋探索、能源建設、航天航空等國計民生部門，是形成大批量生產、機械化流水作業(yè)的工業(yè)基礎，也是現代化生產必不可少的重要標志，可以表征一個國家生產過程的機械化和自動化水平[1]。

隨著中國經濟持續(xù)快速增長，全國各地城鎮(zhèn)化建設的陸續(xù)展開和加速發(fā)展，包括鐵路交通、建筑建設、能源水利等各個方面的諸多工程建設，給中國起重機行業(yè)的發(fā)展提供了一個更為廣闊的前景。目前，中國已經成為全球最重要的工程機械市場[2]。

能源是人類生存和發(fā)展的基本條件，隨著社會經濟的快速發(fā)展，我國能源需求與供給的矛盾日益突出。針對能源需求和供給的矛盾，《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中明確指出“能源在國民經濟中具有特別重要的戰(zhàn)略地位”，以及“堅持節(jié)能優(yōu)先，降低能耗[3]，攻克主要耗能領域的節(jié)能關鍵技術，積極發(fā)展建筑節(jié)能技術，大力提高一次能源利用效率和終端用能效率”的發(fā)展思路。同時，國務院最新印發(fā)的《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》也提出要以提高能源利用效率和改善生態(tài)環(huán)境質量為目標[4]。

起重機械作為一種典型的特種設備，其應用領域包括了國家重點發(fā)展的能源、電力、石化、冶金、造船、交通等。目前我國起重機械的年產量和保有量已居世界前列。起重機械耗能量迅速增多的現狀，已經引起社會和政府部門的重點關注。雖然，目前起重機械行業(yè)已經設定了起重機械的節(jié)能技術要求，但依然沒有建立起重機械節(jié)能技術的規(guī)范和考核標準，而起重機械能耗檢測與評價正是制定和推廣規(guī)范和標準的必要條件。因此，結合起重機械行業(yè)的發(fā)展現狀，開展能耗檢測技術、評價方法的研究，以科學的方法填補我國起重機能耗檢測和評價領域的不足，有利于起重機械節(jié)能技術的推廣及《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》中目標和任務的落實。本文在綜述國內外起重機械能耗評價方法的基礎上給出了針對橋式起重機能耗評價的具體研究過程。

1? 國內外研究現狀

依據已有的研究成果，起重機械的節(jié)能技術可歸納為兩大類：基于減少能量損失的節(jié)能研究和基于能量回收再利用的節(jié)能研究。傳統(tǒng)的起重機械結構形式粗大笨重，制造成本和運行能耗高，控制智能化程度低，產品可靠性差，因此，國內外在減少能量損失的節(jié)能研究方面，主要針對起重機械的輕量化和智能化進行研究[5]。

此外，目前國內外針對起重機械的能耗評價研究工作開展的較少。陳瑞峰[6]以橋式起重機為研究對象，通過分析起重機械的機械特性，提出將工作機構分開評價的原則，綜合利用回歸分析、神經網絡和箱線圖理論，以單位質量能耗、單位位移能耗以及單位速度能耗作為能耗評價指標，實現了橋式起重機能耗的評價和分級;葉偉[7]從橋式起重機的全生命周期出發(fā)，分析了影響能耗的因素，結合粗糙集理論、BP神經網絡以及DS證據理論進行了數據融合，并對橋式起重機的能耗進行了評價，劃分了能耗等級，通過進一步研究提出根據評價結果指導起重機設計人員優(yōu)化起重機械的方法。孫建銳[8]以岸邊集裝箱起重機為研究對象，對現代岸邊集裝箱起重機的分類進行了研究，提出以起重量和起升高度為起重機分類依據，并根據運輸行業(yè)對高能耗設備的相關定義，結合岸邊集裝箱起重機作業(yè)特點，給出了岸邊集裝箱起重機能耗等級分級原則和分級指標。

2? 展望

本文闡述了起重機械能耗評價的理論方法和研究應用現狀，在前述研究的基礎上提出針對橋式起重機的能耗評價過程：

（1）橋式起重機能耗特性分析。依托于對電力拖動系統(tǒng)的理論研究，建立橋式起重機工作機構的平衡方程。分析橋式起重機能量損失對作業(yè)水平和橋式起重機性能的影響。

（2）建立能耗評價指標體系。根據橋式起重機工作機構的運行特性，建立物理模型，并結合對橋式起重機能耗特性的分析，研究影響橋式起重機能耗的主要因素。通過比較分析已有的能耗評價技術，提出以工作機構的單位能耗作為橋式起重機能耗評價的關鍵指標。以影響因素和機構單位能耗為基礎，結合評價指標篩選的原則，構建可用于橋式起重機能耗分級與評價的指標體系。

（3）能耗測試與數據分析。綜合分析橋式起重機工作機構的工作特性和運行狀態(tài)后，依據現有的國家標準以及常用測試方法，結合橋式起重機實際的作業(yè)情況，設計符合本研究需求的測試方案?？蛇x取部分具有代表性的橋式起重機，依據設定的測試方案進行現場試驗，采集能耗評價所需的能耗數據，并對數據進行了處理與分析，驗證單位工作量能耗作為關鍵評價指標的合理性和科學性。

（4）橋式起重機聚類分析。在橋式起重機能耗數據缺少明確等級標簽的情況下，基于無監(jiān)督學習的評價方法提出“先聚類后分級”的橋式起重機能耗評級思想。利用神經網絡和聚類算法相結合的方法，實現橋式起重機能耗的聚類劃分，計算每個類別的聚類中心。

（5）基于熵值法加權的橋式起重機能耗分級與評價，以試驗測試的能耗數據為基礎，利用熵值法對評價指標的權重進行賦值，提出依據聚類中心和指標權重利用線性加權計算橋式起重機綜合能耗分數的方法，并以綜合能耗分數為依據，實現橋式起重機能耗分級與評價。

參考文獻

[1] 王超.起重機行業(yè)發(fā)展綜述[J].工程建設， 2011， 43（5）：50-53.

[2] 宋希文.我國起重機械產業(yè)發(fā)展狀況及標準化現狀分析[J].科技風， 2018（3）：138.

[3] 中華人民共和國國務院.國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）（中華人民共和國國務院）[J].經濟管理文摘， 2006（4）：4-19.

[4] 國家發(fā)展改革委，環(huán)境保護部.《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》解讀[J].建設科技，2017（1）：16-18.

[5] Hamid M， Jami M， Butt S I. Intelligent Control of Industrial Robotic Three Degree of Freedom Crane Using Artificial Neural Network[C].Information Technology， Networking， Electronic & Automation Control Conference， IEEE. 2016.

[6] 陳瑞峰. 橋式起重機運行能耗等級分類方法研究[D]. 東華大學， 2015.

[7] 葉偉. 橋式起重機節(jié)能評價技術研究及系統(tǒng)開發(fā)[D]. 南京理工大學， 2014.

[8] 孫建銳. 岸邊集裝箱起重機能耗等級試驗研究[J]. 港口裝卸， 2016（4）：52-55.