張旭輝， 潘格格 ， 張雨萌， 樊紅衛(wèi)， 毛清華， 車萬里， 薛旭升， 王川偉， 趙友軍

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測重點實驗室， 陜西 西安 710054； 3.西安煤礦機(jī)械有限公司， 陜西 西安 710032)

0 引言

“綠色制造工程”作為“中國制造2025”重點實施的五大工程之一，是當(dāng)前推行綠色制造的導(dǎo)向[1]。綠色設(shè)計是推動產(chǎn)品可持續(xù)發(fā)展的核心理念，實現(xiàn)產(chǎn)品綠色化、評價產(chǎn)品綠色化程度對其具有重大意義。

《中國制造2025——能源裝備實施方案》中指出，突破一批能源清潔低碳和安全高效發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)裝備并開展示范應(yīng)用。采掘裝備作為煤炭開采的關(guān)鍵設(shè)備，研究其綠色設(shè)計與評價技術(shù)對實現(xiàn)煤炭綠色開采、資源合理利用、生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的實踐意義[2-6]。

傳統(tǒng)的采掘裝備設(shè)計大多依靠經(jīng)驗，通過類比分析或經(jīng)驗公式來確定設(shè)計方案，人工計算偏差較大；采用近似法、靜態(tài)法時，參照數(shù)據(jù)偏向歸納與囊括，數(shù)學(xué)建模過程中忽視了一些非主導(dǎo)因素，導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果的近似性偏大，設(shè)計質(zhì)量差、周期長、費(fèi)用高。以綠色設(shè)計平臺為目標(biāo)，構(gòu)建綠色評價體系和綠色設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫，在設(shè)計階段考慮采掘裝備的綠色性，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新和綠色化改造，可提高采掘裝備的生產(chǎn)質(zhì)量。

本文基于目前綠色設(shè)計及評價技術(shù)方面的研究成果[7-10]，提出了采掘裝備全生命周期設(shè)計內(nèi)涵；考慮到設(shè)計制造、運(yùn)用維護(hù)、銷售運(yùn)輸與回收處置等階段的綠色設(shè)計要求，以及綠色設(shè)計平臺建設(shè)需求，分析了采掘裝備綠色設(shè)計內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)；以采煤機(jī)為研究對象，構(gòu)建了采煤機(jī)綠色設(shè)計評價指標(biāo)體系，并建立了面向采煤機(jī)的綠色設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫。

1 采掘裝備綠色設(shè)計

1.1 采掘裝備綠色設(shè)計總體方案

采掘裝備綠色設(shè)計以提升生產(chǎn)過程綠色度為目標(biāo)，依托自然資源、能源及企業(yè)多年積累的先進(jìn)技術(shù)、平臺資源，重點解決產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計、加工制造、運(yùn)輸、使用維護(hù)、拆卸回收及服役再制造各個環(huán)節(jié)綠色發(fā)展的前沿問題及煤礦的共性問題。

采掘裝備綠色設(shè)計圍繞需求分析、綠色設(shè)計、評價三大環(huán)節(jié)， 以綠色化設(shè)計為準(zhǔn)則，對設(shè)計方案進(jìn)行評估并不斷反饋優(yōu)化，具體如圖1所示。

依據(jù)產(chǎn)品全生命周期管理理念，遵循能源資源消耗最低化、生態(tài)環(huán)境影響最小化、可再生率最大化原則，面向全生命周期各個環(huán)節(jié)實施綠色化改造。采掘裝備全生命周期內(nèi)容如圖2所示。

圖1 采掘裝備綠色設(shè)計總體方案Fig.1 General scheme of green design for mining equipment

圖2 采掘裝備全生命周期內(nèi)容Fig.2 Full life cycle contents of mining equipment

1.2 采掘裝備綠色設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 設(shè)計綠色化

采掘裝備綠色設(shè)計以并行工程為指導(dǎo)思想，以面向采掘裝備全生命周期過程為基礎(chǔ)，全方位考慮產(chǎn)品及其生命周期信息，并動態(tài)改變產(chǎn)品開發(fā)流程。采掘裝備綠色設(shè)計對傳統(tǒng)串行開發(fā)過程中存在的信息反饋非實時性、開發(fā)周期長、成本高等問題進(jìn)行改進(jìn)，采用CAXA電子圖版等現(xiàn)代設(shè)計軟件進(jìn)行虛擬仿真，并根據(jù)結(jié)果不斷反饋，從而確定最終方案。采掘裝備綠色設(shè)計過程如圖3所示。

圖3 采掘裝備綠色設(shè)計過程Fig.3 Green design process of mining equipment

近年來，有單位采用CAXA電子圖版、Solidworks三維建模、ABAQUS有限元分析等軟件，對采掘裝備整機(jī)及關(guān)鍵零部件進(jìn)行三維設(shè)計[11]、運(yùn)動仿真[12-13]、動力學(xué)建模[14]和有限元優(yōu)化分析[15]，解決了整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、滑靴受力分析[16]、搖臂部受力及共振等問題，提高了采掘裝備的可靠性。部分關(guān)鍵零部件有限元分析如圖4所示。

(a) 整機(jī)(b) 齒軌輪(c) 齒形(d) 驅(qū)動輪嚙合(e) 行走箱(f) 扭矩軸力(g) 階梯軸(h) 搖臂殼體

圖4 關(guān)鍵零部件有限元分析
Fig.4 Finite element analysis of key components

采掘裝備綠色設(shè)計主要圍繞產(chǎn)品的三維設(shè)計、數(shù)字化仿真，開展輕量化選材和高可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計等相關(guān)工作，在產(chǎn)品設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和驗證反饋階段，對總體方案預(yù)校核、部件設(shè)計模塊化、零件設(shè)計仿真化、裝配過程虛擬化等節(jié)點進(jìn)行綠色化設(shè)計創(chuàng)新。綠色設(shè)計內(nèi)容主要圍繞以下方面展開。

(1) 產(chǎn)品設(shè)計模塊化。針對采掘裝備的不同功能模塊或相同功能下的不同配套適應(yīng)性需求，在對不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計一系列功能模塊，一般根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格予以實現(xiàn)。通過模塊構(gòu)成和選擇，可使產(chǎn)品滿足不同用戶需求。模塊化設(shè)計不僅有助于降低產(chǎn)品規(guī)格，還有助于提升產(chǎn)品質(zhì)量，為提升產(chǎn)品競爭力打下良好基礎(chǔ)。

(2) 產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計。借助三維建模和虛擬仿真進(jìn)行產(chǎn)品抽象構(gòu)思，擴(kuò)展設(shè)計思維、評估優(yōu)化設(shè)計方案。通過合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)，或采用新技術(shù)、新材料、新工藝等手段，改進(jìn)產(chǎn)品薄弱點設(shè)計，提高整個系統(tǒng)可靠性，延長產(chǎn)品使用壽命。

(3) 產(chǎn)品智能化。借助人工智能和專家系統(tǒng)，提升產(chǎn)品控制系統(tǒng)智能化水平。通過虛擬煤層建模、截割軌跡預(yù)測、采煤機(jī)精準(zhǔn)定位和智能控制，進(jìn)一步提升采掘裝備智能化水平。

(4) 產(chǎn)品系統(tǒng)化。將采掘裝備產(chǎn)品設(shè)計擴(kuò)展到整個產(chǎn)品生命周期，運(yùn)用并行工程引導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行新產(chǎn)品的生產(chǎn)改革與管理，運(yùn)用模塊化設(shè)計、相似性設(shè)計來迎合不斷變化的社會需求，運(yùn)用逆向工程技術(shù)來吸收并掌握世界先進(jìn)技術(shù)，形成完整的產(chǎn)品綠色設(shè)計系統(tǒng)。在設(shè)計中考慮制造、包裝、運(yùn)輸、維修、回收、成本等因素，以定量的市場分析、經(jīng)濟(jì)分析和價值分析來支撐設(shè)計過程中原理方案、結(jié)構(gòu)方案和選型方案的確定。

(5) 綠色設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)。借助互聯(lián)網(wǎng)+設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)和經(jīng)驗，構(gòu)建采掘裝備從設(shè)計開發(fā)到回收利用的綠色設(shè)計平臺，建立具有行業(yè)代表性的綠色設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫，積極構(gòu)建綠色設(shè)計眾創(chuàng)平臺，推進(jìn)綠色設(shè)計資源的共建共享。

1.2.2 制造工藝綠色化

以采掘裝備關(guān)鍵零部件(如齒輪、超大型殼體等)為核心，對其生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行綠色改造。綠色制造工藝技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 綠色制造工藝技術(shù)路線Fig.5 Green manufacturing technical route

綠色制造工藝關(guān)鍵技術(shù)包括多用爐無氧化少變形熱處理技術(shù)，焊接機(jī)器人生產(chǎn)線程序編制技術(shù)，DMG五軸聯(lián)動加工中心的數(shù)控編程、后置處理及加工仿真技術(shù)，分布式數(shù)控系統(tǒng)技術(shù),對刀儀、刀具測量管理系統(tǒng),高速小切深小切削量技術(shù)，鑄鋼件鑄造計算機(jī)模擬技術(shù)等。通過上述技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用實踐，以保證生產(chǎn)質(zhì)量為前提，縮短生產(chǎn)周期，提高零部件制造成功率和材料利用率，大幅降低生產(chǎn)成本。

1.2.3 激光熔覆修復(fù)再制造技術(shù)

礦山采掘工作環(huán)境惡劣，機(jī)械部件長期重載且承受大的沖擊載荷，行走部齒軌輪、滑靴、殼體等零部件磨損嚴(yán)重，是井下生產(chǎn)中的常規(guī)易損件。不斷截割使截齒承受較大的剪切應(yīng)力、壓應(yīng)力和沖擊載荷，截齒表體溫度大幅提升，截齒表體形式出現(xiàn)多樣化改變，最終損壞。在不影響基體性質(zhì)前提下，激光熔覆修復(fù)再制造技術(shù)可以改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及抗氧化等性能。該技術(shù)的應(yīng)用可有效提高關(guān)鍵零部件的重復(fù)使用率，減少資源浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本。

1.2.4 掘進(jìn)系統(tǒng)智能化

針對人為操作困難、測量精度不高造成的掘進(jìn)效率低、巷道成型質(zhì)量不佳及截割頭故障率增加等問題，利用視覺測量技術(shù)研制掘進(jìn)機(jī)可視化輔助截割系統(tǒng)[17]，提高采掘裝備使用率，降低故障率，減少能源消耗，實現(xiàn)采掘裝備的自動化、智能化。可視化輔助截割導(dǎo)引界面如圖6所示。

圖6 可視化輔助截割導(dǎo)引界面Fig.6 Guide interface of visual auxiliary cutting

1.2.5 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

目前煤礦對采掘裝備遠(yuǎn)程監(jiān)測、監(jiān)控與診斷應(yīng)用不足，且缺乏對現(xiàn)場設(shè)備故障診斷和運(yùn)行維護(hù)的決策支持等。針對上述問題，建設(shè)智能采掘裝備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，提高采掘裝備設(shè)計、制造、狀態(tài)監(jiān)測及維護(hù)過程的信息化水平和全生命周期服務(wù)能力，實現(xiàn)采掘裝備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化[18]。

2 采掘裝備綠色設(shè)計評價

以采煤機(jī)為例，依據(jù)全生命周期理念對其進(jìn)行綠色設(shè)計分析并構(gòu)建評價體系，減少物質(zhì)和能源消耗及有害物質(zhì)排放，并提高產(chǎn)品再利用率及再制造率。

2.1 采煤機(jī)生命周期評價

生命周期設(shè)計(Life Cycle Design，LCD)是從產(chǎn)品性能、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)可行性的角度，考慮產(chǎn)品開發(fā)全生命周期。為了定量評價LCD對產(chǎn)品的影響，逐步產(chǎn)生了評估方法和工具，即生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)，用于評估產(chǎn)品在整個生命周期(從原材料獲取、產(chǎn)品生產(chǎn)直至產(chǎn)品使用后的處置)中對資源和環(huán)境的影響，并提供改進(jìn)指導(dǎo)原則。因此LCA被認(rèn)為是支持綠色產(chǎn)品設(shè)計的核心工具。

采煤機(jī)LCA不僅是對關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵環(huán)節(jié)綠色化改進(jìn)的量化評估，也是不斷優(yōu)化產(chǎn)品、提高其生產(chǎn)質(zhì)量的重要手段之一。基于LCA的采煤機(jī)綠色設(shè)計方案評價根據(jù)方案綠色度判斷當(dāng)前設(shè)計是否滿足綠色要求，并將各環(huán)節(jié)評估結(jié)果不斷反饋，根據(jù)反饋結(jié)果不斷優(yōu)化設(shè)計方案，如圖7所示。

圖7 采煤機(jī)綠色設(shè)計方案評價過程Fig.7 Evaluation process of green design scheme of shearer

2.2 采煤機(jī)綠色設(shè)計評價指標(biāo)體系構(gòu)建

采煤機(jī)綠色設(shè)計評價指標(biāo)體系的目標(biāo)在于保證采煤機(jī)在設(shè)計階段具有良好的綠色性，其結(jié)果可以反映設(shè)計方案的優(yōu)劣。遞階層次評價模型的建立不僅有助于描述綠色特征層次關(guān)系，而且能評價產(chǎn)品有關(guān)指標(biāo)與任務(wù)。為了簡化流程，以三層結(jié)構(gòu)問題為研究對象，依據(jù)采煤機(jī)要求與特性建立基于遞階層次模型的采煤機(jī)綠色設(shè)計評價指標(biāo)體系，如圖8所示。從資源、人機(jī)、能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)六大屬性出發(fā)，對指標(biāo)體系進(jìn)行分析。

2.3 采煤機(jī)環(huán)境影響評價

根據(jù)《環(huán)境管理——生命周期評估：原則與框架》可知，對于整個生命周期，采煤機(jī)環(huán)境影響評價可按照4個步驟進(jìn)行，即目標(biāo)和范圍界定、清單分析、影響評估和結(jié)果解釋。LCA基本技術(shù)框架如圖9所示。根據(jù)研究目標(biāo)和范圍界定，分析采煤機(jī)整個生命周期過程對環(huán)境的影響，為采煤機(jī)綠色制造提供相應(yīng)的理論依據(jù)。隨后收集采煤機(jī)各零部件在生命周期各個階段的輸入(如金屬、橡膠、塑料、電能等)和輸出(如廢氣、廢水、固體廢棄物等)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行清單分析及影響評估。

圖8 基于遞階層次模型的采煤機(jī)綠色設(shè)計評價指標(biāo)體系Fig.8 Evaluation index system of green design of shearer based on hierarchical model

圖9 LCA基本技術(shù)框架Fig.9 Basic technical framework of LCA

基于LCA的采煤機(jī)環(huán)境影響評價技術(shù)路線如圖10所示。采用生命周期分析法研究采煤機(jī)生命周期環(huán)境影響因素。首先，分析采煤機(jī)的環(huán)境排放與物質(zhì)流清單，并運(yùn)用采煤機(jī)綠色設(shè)計評價指標(biāo)體系對劃分結(jié)論實行特征化處理；其次，對處理結(jié)果進(jìn)行量化評估；最后，運(yùn)用LCA專業(yè)軟件平臺eFoot-print進(jìn)行產(chǎn)品全生命周期模型建立、環(huán)境影響計算及分析。

圖10 基于LCA的采煤機(jī)環(huán)境影響評價技術(shù)路線Fig.10 Technical route of environmental impact assessment of shearer based on LCA

3 采煤機(jī)綠色設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫建立

對于大型采掘裝備，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫是滿足其綠色設(shè)計需求的關(guān)鍵，為產(chǎn)品LCD及LCA提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

基于采煤機(jī)全生命周期的綠色設(shè)計特征屬性數(shù)據(jù)及LCA清單數(shù)據(jù)分析，提出了構(gòu)建面向采煤機(jī)全生命周期的綠色材料數(shù)據(jù)庫、綠色工藝數(shù)據(jù)庫、環(huán)境數(shù)據(jù)庫及綠色評價數(shù)據(jù)庫，如圖11所示。

在清單數(shù)據(jù)收集過程中，對采煤機(jī)進(jìn)行過程分析，得到詳細(xì)的單元數(shù)據(jù)?；谖覈鳯CA基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，不斷整理更新并建立煤礦行業(yè)數(shù)據(jù)庫。

采煤機(jī)綠色設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫的建立便于今后對不同型號采掘裝備進(jìn)行LCA，同時為采掘裝備綠色設(shè)計平臺建設(shè)提供重要支撐，是采掘裝備綠色設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

圖11 采煤機(jī)綠色設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫架構(gòu)Fig.11 Database framework of green design information for shearer

4 結(jié)語

為促進(jìn)煤礦開采的可持續(xù)發(fā)展，將環(huán)境保護(hù)、資源節(jié)約、高安全性等現(xiàn)代綠色設(shè)計理念充分融入到采掘裝備產(chǎn)品設(shè)計與制造中。采掘裝備綠色設(shè)計是煤炭開采智能化發(fā)展的必然，以綠色設(shè)計與評價為關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié),以綠色設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫為支撐，建立綠色設(shè)計平臺，有助于實現(xiàn)產(chǎn)品綠色化，提高生產(chǎn)質(zhì)量，是實現(xiàn)煤炭開采智能化、資源合理利用、生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的核心環(huán)節(jié)，對推進(jìn)煤炭行業(yè)綠色設(shè)計資源的共建共享及增強(qiáng)行業(yè)綠色化設(shè)計的示范作用具有重要意義。