“中國制造2025”背景下斗輪堆取料機技術創(chuàng)新研究

李景恒 杜 海 徐萬鑫

中國電建集團長春發(fā)電設備有限公司 長春 130033

0 引言

“中國制造2025” 戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃是促進工業(yè)化和信息化深度融合，是實現(xiàn)我國制造業(yè)向智能化方向發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。其中針對我國制造業(yè)的發(fā)展方向提出了堅持創(chuàng)新驅動、質量為先、綠色發(fā)展、結構優(yōu)化的基本方針。按其要求，物料搬運機械行業(yè)確定了夯實基礎、自主創(chuàng)新、提質增效、轉型升級的發(fā)展基線。由此可見，技術創(chuàng)新已成為行業(yè)發(fā)展的主旋律。斗輪堆取料機（以下簡稱斗輪機）作為最常用的物料搬運裝卸設備，必須進行技術創(chuàng)新以滿足政策引導和市場導向對行業(yè)發(fā)展提出的最新要求[1]。落實到具體技術層面包括智能化控制、全方位環(huán)保及綠色節(jié)能等3方面技術創(chuàng)新研究。這3方面技術創(chuàng)新水平直接影響斗輪機制造企業(yè)的市場競爭力，代表了斗輪機技術前沿和發(fā)展方向，成為了國內(nèi)學者深入研究和探索的熱點領域。文中論述了近年來斗輪機在上述技術創(chuàng)新方面的研究進展和存在的不足，探究改進措施，以期對物料搬運機械行業(yè)健康發(fā)展和技術深入研究有所助益。

1 智能化控制創(chuàng)新進展

1.1 智能化控制發(fā)展現(xiàn)狀

斗輪機智能化控制一直是行業(yè)的關注焦點和發(fā)展前沿，體現(xiàn)了“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃核心宗旨和創(chuàng)新理念。當前斗輪機智能化控制是實現(xiàn)無人值守料場管理的基礎，也是解放勞動生產(chǎn)力改善勞動環(huán)境、提高操作者身心健康的愛心舉措。21世紀初，德國、日本等發(fā)達國家已經(jīng)進行了斗輪機智能化控制的研究和應用。出現(xiàn)了以日本為代表的遠程操控控制模式和以德國為代表的歐洲全自動模式。經(jīng)過近20年的發(fā)展，歐洲全自動模式逐漸被行業(yè)認可并發(fā)展為典型的智能化控制模式在業(yè)內(nèi)推廣[2]。目前歐洲斗輪機行業(yè)已經(jīng)發(fā)展為第4代智能化控制系統(tǒng)技術。國內(nèi)近幾年也加大了斗輪機智能化控制研發(fā)力度。2007年在寶鋼馬跡山港斗輪機項目實現(xiàn)了智能化無人作業(yè)的首次嘗試；2016年在澳大利亞羅伊山鐵礦取料機和堆料機項目實現(xiàn)了設備在2 000 km外的遠程操控探索；據(jù)悉2018年初國內(nèi)已經(jīng)引進了歐洲第4代斗輪機智能控制系統(tǒng)，并進行了適應國內(nèi)市場環(huán)境的二次開發(fā)[3]。但其具體在業(yè)內(nèi)推廣使用情況未發(fā)現(xiàn)相關報道。同時業(yè)內(nèi)也達成共識，單機智能化不等于料場智能化，提出了智能化料場的創(chuàng)新概念。因此國內(nèi)在斗輪機智能化控制技術創(chuàng)新研究和實踐方面投入力度巨大。但由于國內(nèi)斗輪機應用領域廣泛，各行業(yè)基礎設施等硬件條件發(fā)展不均，故智能化控制技術的實際應用的普及程度與發(fā)達國家相比還存在差距。

1.2 智能化控制研究進展及存在不足

斗輪機智能化控制系統(tǒng)的元件組成國內(nèi)外幾近相同。均包含硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)[4]。其中硬件系統(tǒng)主要組件PLC 可編程邏輯器、工控機交換站、中控室服務器、3D激光掃描系統(tǒng)及GPS系統(tǒng)等元件都已經(jīng)非常成熟，國內(nèi)外選用產(chǎn)品品牌和參數(shù)幾乎無差別，但目前國內(nèi)軟件系統(tǒng)的性能還有待提高。國內(nèi)自主開發(fā)的專業(yè)工控軟件與國外相比性能仍存在差距，主要存在圖像處理周期長、抗干擾能力弱、實時性差及穩(wěn)定性不高等問題。針對這些問題國內(nèi)學者也進行了相關研究。

瞿蔚波[5]等對料場中斗輪機精準定位實現(xiàn)及驗證方法進行了研究，利用2D、3D激光器掃描成像系統(tǒng)掃描定位，結合球坐標三維直角坐標系，確定斗輪機在料場位置的研究方法。該系統(tǒng)存在的問題在于現(xiàn)有激光掃描系統(tǒng)受霧霾等大氣懸浮物濃度影響很大，空氣質量差能見度低時會出現(xiàn)系統(tǒng)處理速度慢、定位不準確的問題。系統(tǒng)的掃描精度抗干擾能力還有待提高。

劉鵬飛[6]等利用機器人運動學原理，研究斗輪機作業(yè)空間運動軌跡，通過定義料場、設備走行、回轉、俯仰各轉動面及懸臂端部坐標系，建立D-H模型，構建懸臂端運動學正解，應用Matlab軟件求解懸臂端運動學反解。該研究對斗輪機自動作業(yè)和防碰撞都有研究價值，但存在的問題在于為方便建模、縮短計算時間。該計算模型屬于斗輪機真實工況的簡化版，斗輪機實際工作情況非常復雜，若完全按真實工況系統(tǒng)建模，會出現(xiàn)模型復雜、硬件要求高、計算時間過長、實時性差及穩(wěn)定性不高等問題。

王旭修[7]等設計了一種斗輪機全自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用激光雷達機器視覺原理，通過3D激光掃描儀實時采樣料堆數(shù)據(jù),對料堆的在線實時建模。并提出了在視覺圖像處理算法基礎上的作業(yè)路徑規(guī)劃算法，通過實時提前預測作業(yè)軌跡來指導堆取料機自動作業(yè)。該研究屬于參考文獻[5]研究成果的進一步完善，但未能有效解決抗干擾能力差的問題。

從上述研究進展可以看出，國內(nèi)相關研究主要集中在斗輪機在料場中的位置定位及設備間的防碰撞兩個方面，這是斗輪機智能化控制的基礎。雖然相關研究取得了一定進展，但應用于工程實際還有待完善。因此目前國內(nèi)斗輪機智能化控制軟件系統(tǒng)性能和流暢程度還需要加大研發(fā)力度。要實現(xiàn)料場智能化控制成熟全方位推廣，還需要業(yè)內(nèi)專業(yè)技術人員不斷努力。

2 全方位環(huán)保創(chuàng)新進展

斗輪機工作揚塵污染環(huán)境一直是困擾設備發(fā)展及推廣的行業(yè)難題，故針對斗輪機環(huán)保技術的研究也一直是行業(yè)的研究焦點。“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃提出的技術創(chuàng)新要求使其表現(xiàn)出全方位、多角度共同推進的特點。具體包括封塵技術、減塵技術及抑塵技術。其中封塵技術是指近年來為響應國家及地方政府出臺的環(huán)保政策要求，新建及原有儲料場均須采用封閉或半封閉管理[8]。斗輪機作業(yè)料場采用鋼結構網(wǎng)架封閉管理逐漸在各行業(yè)推廣并已發(fā)展為新常態(tài)。因此，封塵技術可以杜絕斗輪機作業(yè)時對周邊環(huán)境的污染。減塵技術是指斗輪機有必要采取措施減少各揚塵點的產(chǎn)塵量；抑塵技術是指采用噴水降塵裝置對斗輪機揚塵點進行除塵處理，按當前具體料場情況可分為露天和封閉2種。

2.1 減塵技術研究概況

斗輪機減塵技術是指采取合理措施改善落料點產(chǎn)塵量。目前常用的措施為：首先對斗輪機各物料轉運點實行導料槽、護罩開口封閉的設計，增加2層以上的防塵擋簾，防止灰塵外溢；其次是采用離散元EDEM軟件仿真設計新型曲線料斗，合理布置導料板，減弱料流轉運沖擊，減少揚塵；另外，采用新型的迷宮式的防溢裙板，防止轉運點撒料，也能有效減少粉塵產(chǎn)生；此外對于風力較大的露天布置的斗輪機，機載懸臂帶式輸送機及尾車帶式輸送機盡量全程加裝防風擋板或防風護罩，防止皮帶運輸時大風吹動物料灰塵飛揚。

2.2 抑塵技術研究概況

斗輪機抑塵技術通常采用噴水除塵的方式。國內(nèi)學者對其進行了深入研究，噴水除塵目前常用的形式包括以下3種：噴淋除塵、高壓微霧除塵和干霧除塵[9]。在具體工程中，需要結合料場布置情況、自然條件、物料特性、水質情況等客觀條件綜合選擇。如表1所示[10，11]。

表1 噴水除塵推薦表

2.3 環(huán)保創(chuàng)新存在的不足

斗輪機環(huán)保技術現(xiàn)階段技術創(chuàng)新研究成果一定程度上滿足當前市場技術要求，存在的主要問題是現(xiàn)有抑塵裝置形式單一，無法適應環(huán)境多變、單機輸送多種物料工況要求，控制方式智能化水平不高，因此還需進一步研發(fā)和完善。

3 綠色節(jié)能創(chuàng)新進展

綠色節(jié)能可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為當今社會全行業(yè)共同理念和永恒的主題，也是“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃基本方針對構建生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展制造業(yè)的重要指示。斗輪機的節(jié)能增效對提高制造企業(yè)的市場競爭力和促進行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展至關重要。故斗輪機節(jié)能技術的研究具有重要的現(xiàn)實意義。當前斗輪機綠色節(jié)能技術創(chuàng)新主要包括以下3方面：結構部件輕量化優(yōu)化設計研究、傳動機構提高傳動效率研究及循環(huán)再利用技術研究。

3.1 結構部件的節(jié)能研究及存在不足

斗輪機屬于重型工作制機械設備，機型龐大，目前設備最長回轉半徑可達65 m，整機的長度可達150 m以上，質量達到幾百噸，甚至幾千噸。其中結構件占其質量80%以上，故對其輕量化優(yōu)化設計是節(jié)能降耗的必然要求。斗輪機主要結構支撐部件均采用薄壁鋼板或型鋼組焊成型的桁梁結構，對其結構進行輕量化優(yōu)化設計，可以減小其質量和結構尺寸，從而降低相應傳動機構功耗，提高產(chǎn)品性價比。目前業(yè)內(nèi)常用的方法是利用先進計算機軟件并結合現(xiàn)代機械設計優(yōu)化算法對結構件進行輕量化優(yōu)化。

武帥[12]等利用APDL語言編輯驅動參數(shù)建立斗輪機斗輪輪體的參數(shù)化Ansys有限元模型，采用變量幾何法，以最大應力、最小實體為幾何約束條件，完成了斗輪體的輕量化的優(yōu)化設計，實現(xiàn)了有限元分析與優(yōu)化設計方法的有機結合。

宋鵬程[13]等利用APDL驅動 Ansys合并Matlab優(yōu)化設計軟件參數(shù)化建模，結合可靠性優(yōu)化設計方法，對研究對象進行綜合優(yōu)化。利用參數(shù)化有限元分析，結合BP神經(jīng)網(wǎng)絡合并粒子群優(yōu)化算法對研究構件進行輕量化優(yōu)化。

由此可知，斗輪機結構部件輕量化優(yōu)化設計研究業(yè)內(nèi)開展較早，并且技術相對成熟，但目前研究都是針對單一部件的個體優(yōu)化，缺乏整機協(xié)同優(yōu)化的宏觀思想，忽略了設備整體的關聯(lián)性。

3.2 傳動機構的節(jié)能研究

斗輪機機構傳動包括機械傳動和液壓傳動2種方式。傳統(tǒng)機械傳動方式傳動效率可提升空間有限。隨著新技術、新材料及新工藝的不斷發(fā)展，永磁電機直驅系統(tǒng)作為新興動力驅動形式，具有傳統(tǒng)傳動方式無法相比的高效平穩(wěn)、故障率低維護量小等優(yōu)勢。已經(jīng)引起斗輪機行業(yè)的關注，目前已有相關科研單位進行了其在斗輪機應用的研究和嘗試，但研究成果還處于實驗室階段，應用到工程實際其技術性能還需要進一步完善。液壓傳動方式目前在斗輪機應用廣泛，雖然其具有功率質量比大的優(yōu)點，但傳動效率低，故提高其傳動效率也對斗輪機傳動機構節(jié)能研究至關重要[14]。具體在斗輪機液壓系統(tǒng)設計時，要深入挖掘液壓系統(tǒng)原理特性，充分引入節(jié)能的理念。優(yōu)化元件和回路布置，選用變量泵、比例閥等新型能耗小的液壓元件，進一步優(yōu)化液壓回路。采用容積調(diào)速等負載功率匹配技術，系統(tǒng)盡量采用閉式回路控制，減少能量損失。

3.3 循環(huán)再利用技術研究

1) 延長易損件使用壽命研究

斗輪機在裝卸輸送物料時，物料與設備的沖擊及摩擦部位均需要耐磨處理，采用堆焊或加裝耐磨襯板方式提高母體部件的使用壽命。若物料磨琢性很大，會造成襯板的磨損很快，襯板消耗大，更換周期很短。易損件的頻繁大量更換對設備運營來說也是能源的損耗。因此針對該問題，斗輪機設計時應在物料沖擊點合理選用導流板的形式，可采用WEBA型導流板具備料打料功能，減少襯板磨損[15]。另外還需要引入EDEM離散元分析軟件優(yōu)化料斗結構，減少物料輸送過程中的沖擊，這對延長襯板使用壽命也非常重要。

2) 機加件再制造技術探索

斗輪機取料機構、回轉機構的傳動軸、驅動行星減速器主軸、行走機構減速器傳動軸等均屬于大型鍛壓件，若設備大修改造時傳動軸類零件整體報廢會造成巨大浪費。因此，急需引入激光再制造技術[16]，對其主要配合面進行激光熔覆再制造，實現(xiàn)大型通用零件的循環(huán)再利用。

4 技術創(chuàng)新改進措施分析

4.1 智能化控制方面不足改進措施

國內(nèi)斗輪機智能化控制軟件性能存在不足,應用在工程實際效果不理想。建議國家加大智能化控制軟件系統(tǒng)的研發(fā)投入和扶持力度，向科研實力強的軟件開發(fā)企業(yè)政策傾斜，鼓勵軟件開發(fā)企業(yè)、斗輪機制造企業(yè)與高校3方產(chǎn)學研合作，以縮短研發(fā)周期，使其盡早滿足工程實際需要；工程設計規(guī)劃單位應充分落實智能化料場概念要求，合理規(guī)劃整個智能化料場布局，斗輪機制造企業(yè)應提高產(chǎn)品整體質量和可靠性，設備用戶應改善料場基礎設施，培訓和規(guī)范操作人員工作流程，改變不合理物料輸送工藝。只有用戶、設計院和制造企業(yè)三方協(xié)同合作，才能實現(xiàn)斗輪機智能化的全行業(yè)盡快推廣。

4.2 環(huán)保技術方面不足改進措施

針對斗輪機環(huán)保技術應用中存在的不足問題，應緊跟國家環(huán)保政策導向，開發(fā)針對多種物料特性的定制化智能噴淋控制系統(tǒng)，能夠滿足多種物料混合作業(yè)、物料含水率不定、環(huán)境變化劇烈的特殊場合，能適應多因素影響的智能切換工作參數(shù)和模式的智能化抑塵裝置。以適應斗輪機不同工況及使用環(huán)境的需要。

4.3 綠色節(jié)能方面不足改進措施

節(jié)能技術研究目前雖然取得了一定的研究進展，但在斗輪機結構優(yōu)化方面缺乏整體宏觀概念，對于整體協(xié)同優(yōu)化和仿真技術還需要進一步加強研究和行業(yè)推廣；另外，斗輪機制造企業(yè)應加大研發(fā)力度，多方面入手提高液壓傳動方式的傳動效率。同時要實時關注永磁電機直驅系統(tǒng)研究進展，條件成熟要積極引進并在斗輪機行業(yè)推廣，爭取早日實現(xiàn)斗輪機傳動方式的提質增效、更新?lián)Q代；循環(huán)再利用技術研究在國內(nèi)斗輪機行業(yè)處于剛起步階段，技術研究并不成熟。因此應通過行業(yè)協(xié)會加強引導，喚起制造企業(yè)應予以足夠重視并加大研發(fā)力度，盡快將相關行業(yè)已有的研究成果借鑒和嫁接到斗輪機設備上，使循環(huán)再利用技術在斗輪機行業(yè)得以快速發(fā)展。

5 結語

綜上所述，“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃對物料搬運機械行業(yè)意義深遠，目前其政策效應已經(jīng)逐步引領斗輪機的技術創(chuàng)新的研發(fā)方向。逐漸形成智能化控制、全方位環(huán)保及綠色節(jié)能多方向的研究熱點，吸引廣大學者深入研究并取得了重要的研究進展。促進了斗輪機的技術創(chuàng)新發(fā)展，一定程度上滿足當前斗輪機市場需求。但其存在的不足還有待繼續(xù)完善，還有很大的技術提升空間，需要進一步攻關和探索。國內(nèi)斗輪機行業(yè)制造企業(yè)應繼續(xù)加大技術研發(fā)投入，使技術創(chuàng)新的最新成果，盡快轉化為生產(chǎn)力，促進斗輪機產(chǎn)品的整體技術提升；國內(nèi)重型機械行業(yè)協(xié)會和工程項目設計規(guī)劃單位應進一步解讀“中國制造2025”的戰(zhàn)略規(guī)劃，規(guī)范斗輪機設備技術創(chuàng)新市場導向，使斗輪機設備緊跟“中國制造2025”的戰(zhàn)略規(guī)劃的創(chuàng)新要求，向著智能化、環(huán)?；⒕G色節(jié)能的方向高速發(fā)展。