李景恒 杜 海 徐万鑫

中国电建集团长春发电设备有限公司 长春 130033

0 引言

“中国制造2025” 战略发展规划是促进工业化和信息化深度融合，是实现我国制造业向智能化方向发展的战略举措。其中针对我国制造业的发展方向提出了坚持创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化的基本方针。按其要求，物料搬运机械行业确定了夯实基础、自主创新、提质增效、转型升级的发展基线。由此可见，技术创新已成为行业发展的主旋律。斗轮堆取料机（以下简称斗轮机）作为最常用的物料搬运装卸设备，必须进行技术创新以满足政策引导和市场导向对行业发展提出的最新要求[1]。落实到具体技术层面包括智能化控制、全方位环保及绿色节能等3方面技术创新研究。这3方面技术创新水平直接影响斗轮机制造企业的市场竞争力，代表了斗轮机技术前沿和发展方向，成为了国内学者深入研究和探索的热点领域。文中论述了近年来斗轮机在上述技术创新方面的研究进展和存在的不足，探究改进措施，以期对物料搬运机械行业健康发展和技术深入研究有所助益。

1 智能化控制创新进展

1.1 智能化控制发展现状

斗轮机智能化控制一直是行业的关注焦点和发展前沿，体现了“中国制造2025”战略规划核心宗旨和创新理念。当前斗轮机智能化控制是实现无人值守料场管理的基础，也是解放劳动生产力改善劳动环境、提高操作者身心健康的爱心举措。21世纪初，德国、日本等发达国家已经进行了斗轮机智能化控制的研究和应用。出现了以日本为代表的远程操控控制模式和以德国为代表的欧洲全自动模式。经过近20年的发展，欧洲全自动模式逐渐被行业认可并发展为典型的智能化控制模式在业内推广[2]。目前欧洲斗轮机行业已经发展为第4代智能化控制系统技术。国内近几年也加大了斗轮机智能化控制研发力度。2007年在宝钢马迹山港斗轮机项目实现了智能化无人作业的首次尝试；2016年在澳大利亚罗伊山铁矿取料机和堆料机项目实现了设备在2 000 km外的远程操控探索；据悉2018年初国内已经引进了欧洲第4代斗轮机智能控制系统，并进行了适应国内市场环境的二次开发[3]。但其具体在业内推广使用情况未发现相关报道。同时业内也达成共识，单机智能化不等于料场智能化，提出了智能化料场的创新概念。因此国内在斗轮机智能化控制技术创新研究和实践方面投入力度巨大。但由于国内斗轮机应用领域广泛，各行业基础设施等硬件条件发展不均，故智能化控制技术的实际应用的普及程度与发达国家相比还存在差距。

1.2 智能化控制研究进展及存在不足

斗轮机智能化控制系统的元件组成国内外几近相同。均包含硬件系统及软件系统[4]。其中硬件系统主要组件PLC 可编程逻辑器、工控机交换站、中控室服务器、3D激光扫描系统及GPS系统等元件都已经非常成熟，国内外选用产品品牌和参数几乎无差别，但目前国内软件系统的性能还有待提高。国内自主开发的专业工控软件与国外相比性能仍存在差距，主要存在图像处理周期长、抗干扰能力弱、实时性差及稳定性不高等问题。针对这些问题国内学者也进行了相关研究。

瞿蔚波[5]等对料场中斗轮机精准定位实现及验证方法进行了研究，利用2D、3D激光器扫描成像系统扫描定位，结合球坐标三维直角坐标系，确定斗轮机在料场位置的研究方法。该系统存在的问题在于现有激光扫描系统受雾霾等大气悬浮物浓度影响很大，空气质量差能见度低时会出现系统处理速度慢、定位不准确的问题。系统的扫描精度抗干扰能力还有待提高。

刘鹏飞[6]等利用机器人运动学原理，研究斗轮机作业空间运动轨迹，通过定义料场、设备走行、回转、俯仰各转动面及悬臂端部坐标系，建立D-H模型，构建悬臂端运动学正解，应用Matlab软件求解悬臂端运动学反解。该研究对斗轮机自动作业和防碰撞都有研究价值，但存在的问题在于为方便建模、缩短计算时间。该计算模型属于斗轮机真实工况的简化版，斗轮机实际工作情况非常复杂，若完全按真实工况系统建模，会出现模型复杂、硬件要求高、计算时间过长、实时性差及稳定性不高等问题。

王旭修[7]等设计了一种斗轮机全自动控制系统，该系统利用激光雷达机器视觉原理，通过3D激光扫描仪实时采样料堆数据,对料堆的在线实时建模。并提出了在视觉图像处理算法基础上的作业路径规划算法，通过实时提前预测作业轨迹来指导堆取料机自动作业。该研究属于参考文献[5]研究成果的进一步完善，但未能有效解决抗干扰能力差的问题。

从上述研究进展可以看出，国内相关研究主要集中在斗轮机在料场中的位置定位及设备间的防碰撞两个方面，这是斗轮机智能化控制的基础。虽然相关研究取得了一定进展，但应用于工程实际还有待完善。因此目前国内斗轮机智能化控制软件系统性能和流畅程度还需要加大研发力度。要实现料场智能化控制成熟全方位推广，还需要业内专业技术人员不断努力。

2 全方位环保创新进展

斗轮机工作扬尘污染环境一直是困扰设备发展及推广的行业难题，故针对斗轮机环保技术的研究也一直是行业的研究焦点。“中国制造2025”战略规划提出的技术创新要求使其表现出全方位、多角度共同推进的特点。具体包括封尘技术、减尘技术及抑尘技术。其中封尘技术是指近年来为响应国家及地方政府出台的环保政策要求，新建及原有储料场均须采用封闭或半封闭管理[8]。斗轮机作业料场采用钢结构网架封闭管理逐渐在各行业推广并已发展为新常态。因此，封尘技术可以杜绝斗轮机作业时对周边环境的污染。减尘技术是指斗轮机有必要采取措施减少各扬尘点的产尘量；抑尘技术是指采用喷水降尘装置对斗轮机扬尘点进行除尘处理，按当前具体料场情况可分为露天和封闭2种。

2.1 减尘技术研究概况

斗轮机减尘技术是指采取合理措施改善落料点产尘量。目前常用的措施为：首先对斗轮机各物料转运点实行导料槽、护罩开口封闭的设计，增加2层以上的防尘挡帘，防止灰尘外溢；其次是采用离散元EDEM软件仿真设计新型曲线料斗，合理布置导料板，减弱料流转运冲击，减少扬尘；另外，采用新型的迷宫式的防溢裙板，防止转运点撒料，也能有效减少粉尘产生；此外对于风力较大的露天布置的斗轮机，机载悬臂带式输送机及尾车带式输送机尽量全程加装防风挡板或防风护罩，防止皮带运输时大风吹动物料灰尘飞扬。

2.2 抑尘技术研究概况

斗轮机抑尘技术通常采用喷水除尘的方式。国内学者对其进行了深入研究，喷水除尘目前常用的形式包括以下3种：喷淋除尘、高压微雾除尘和干雾除尘[9]。在具体工程中，需要结合料场布置情况、自然条件、物料特性、水质情况等客观条件综合选择。如表1所示[10，11]。

表1 喷水除尘推荐表

2.3 环保创新存在的不足

斗轮机环保技术现阶段技术创新研究成果一定程度上满足当前市场技术要求，存在的主要问题是现有抑尘装置形式单一，无法适应环境多变、单机输送多种物料工况要求，控制方式智能化水平不高，因此还需进一步研发和完善。

3 绿色节能创新进展

绿色节能可持续发展已经成为当今社会全行业共同理念和永恒的主题，也是“中国制造2025”战略规划基本方针对构建生态循环经济、可持续发展制造业的重要指示。斗轮机的节能增效对提高制造企业的市场竞争力和促进行业可持续健康发展至关重要。故斗轮机节能技术的研究具有重要的现实意义。当前斗轮机绿色节能技术创新主要包括以下3方面：结构部件轻量化优化设计研究、传动机构提高传动效率研究及循环再利用技术研究。

3.1 结构部件的节能研究及存在不足

斗轮机属于重型工作制机械设备，机型庞大，目前设备最长回转半径可达65 m，整机的长度可达150 m以上，质量达到几百吨，甚至几千吨。其中结构件占其质量80%以上，故对其轻量化优化设计是节能降耗的必然要求。斗轮机主要结构支撑部件均采用薄壁钢板或型钢组焊成型的桁梁结构，对其结构进行轻量化优化设计，可以减小其质量和结构尺寸，从而降低相应传动机构功耗，提高产品性价比。目前业内常用的方法是利用先进计算机软件并结合现代机械设计优化算法对结构件进行轻量化优化。

武帅[12]等利用APDL语言编辑驱动参数建立斗轮机斗轮轮体的参数化Ansys有限元模型，采用变量几何法，以最大应力、最小实体为几何约束条件，完成了斗轮体的轻量化的优化设计，实现了有限元分析与优化设计方法的有机结合。

宋鹏程[13]等利用APDL驱动 Ansys合并Matlab优化设计软件参数化建模，结合可靠性优化设计方法，对研究对象进行综合优化。利用参数化有限元分析，结合BP神经网络合并粒子群优化算法对研究构件进行轻量化优化。

由此可知，斗轮机结构部件轻量化优化设计研究业内开展较早，并且技术相对成熟，但目前研究都是针对单一部件的个体优化，缺乏整机协同优化的宏观思想，忽略了设备整体的关联性。

3.2 传动机构的节能研究

斗轮机机构传动包括机械传动和液压传动2种方式。传统机械传动方式传动效率可提升空间有限。随着新技术、新材料及新工艺的不断发展，永磁电机直驱系统作为新兴动力驱动形式，具有传统传动方式无法相比的高效平稳、故障率低维护量小等优势。已经引起斗轮机行业的关注，目前已有相关科研单位进行了其在斗轮机应用的研究和尝试，但研究成果还处于实验室阶段，应用到工程实际其技术性能还需要进一步完善。液压传动方式目前在斗轮机应用广泛，虽然其具有功率质量比大的优点，但传动效率低，故提高其传动效率也对斗轮机传动机构节能研究至关重要[14]。具体在斗轮机液压系统设计时，要深入挖掘液压系统原理特性，充分引入节能的理念。优化元件和回路布置，选用变量泵、比例阀等新型能耗小的液压元件，进一步优化液压回路。采用容积调速等负载功率匹配技术，系统尽量采用闭式回路控制，减少能量损失。

3.3 循环再利用技术研究

1) 延长易损件使用寿命研究

斗轮机在装卸输送物料时，物料与设备的冲击及摩擦部位均需要耐磨处理，采用堆焊或加装耐磨衬板方式提高母体部件的使用寿命。若物料磨琢性很大，会造成衬板的磨损很快，衬板消耗大，更换周期很短。易损件的频繁大量更换对设备运营来说也是能源的损耗。因此针对该问题，斗轮机设计时应在物料冲击点合理选用导流板的形式，可采用WEBA型导流板具备料打料功能，减少衬板磨损[15]。另外还需要引入EDEM离散元分析软件优化料斗结构，减少物料输送过程中的冲击，这对延长衬板使用寿命也非常重要。

2) 机加件再制造技术探索

斗轮机取料机构、回转机构的传动轴、驱动行星减速器主轴、行走机构减速器传动轴等均属于大型锻压件，若设备大修改造时传动轴类零件整体报废会造成巨大浪费。因此，急需引入激光再制造技术[16]，对其主要配合面进行激光熔覆再制造，实现大型通用零件的循环再利用。

4 技术创新改进措施分析

4.1 智能化控制方面不足改进措施

国内斗轮机智能化控制软件性能存在不足,应用在工程实际效果不理想。建议国家加大智能化控制软件系统的研发投入和扶持力度，向科研实力强的软件开发企业政策倾斜，鼓励软件开发企业、斗轮机制造企业与高校3方产学研合作，以缩短研发周期，使其尽早满足工程实际需要；工程设计规划单位应充分落实智能化料场概念要求，合理规划整个智能化料场布局，斗轮机制造企业应提高产品整体质量和可靠性，设备用户应改善料场基础设施，培训和规范操作人员工作流程，改变不合理物料输送工艺。只有用户、设计院和制造企业三方协同合作，才能实现斗轮机智能化的全行业尽快推广。

4.2 环保技术方面不足改进措施

针对斗轮机环保技术应用中存在的不足问题，应紧跟国家环保政策导向，开发针对多种物料特性的定制化智能喷淋控制系统，能够满足多种物料混合作业、物料含水率不定、环境变化剧烈的特殊场合，能适应多因素影响的智能切换工作参数和模式的智能化抑尘装置。以适应斗轮机不同工况及使用环境的需要。

4.3 绿色节能方面不足改进措施

节能技术研究目前虽然取得了一定的研究进展，但在斗轮机结构优化方面缺乏整体宏观概念，对于整体协同优化和仿真技术还需要进一步加强研究和行业推广；另外，斗轮机制造企业应加大研发力度，多方面入手提高液压传动方式的传动效率。同时要实时关注永磁电机直驱系统研究进展，条件成熟要积极引进并在斗轮机行业推广，争取早日实现斗轮机传动方式的提质增效、更新换代；循环再利用技术研究在国内斗轮机行业处于刚起步阶段，技术研究并不成熟。因此应通过行业协会加强引导，唤起制造企业应予以足够重视并加大研发力度，尽快将相关行业已有的研究成果借鉴和嫁接到斗轮机设备上，使循环再利用技术在斗轮机行业得以快速发展。

5 结语

综上所述，“中国制造2025”战略规划对物料搬运机械行业意义深远，目前其政策效应已经逐步引领斗轮机的技术创新的研发方向。逐渐形成智能化控制、全方位环保及绿色节能多方向的研究热点，吸引广大学者深入研究并取得了重要的研究进展。促进了斗轮机的技术创新发展，一定程度上满足当前斗轮机市场需求。但其存在的不足还有待继续完善，还有很大的技术提升空间，需要进一步攻关和探索。国内斗轮机行业制造企业应继续加大技术研发投入，使技术创新的最新成果，尽快转化为生产力，促进斗轮机产品的整体技术提升；国内重型机械行业协会和工程项目设计规划单位应进一步解读“中国制造2025”的战略规划，规范斗轮机设备技术创新市场导向，使斗轮机设备紧跟“中国制造2025”的战略规划的创新要求，向着智能化、环保化、绿色节能的方向高速发展。