工業4.0時代旋挖鉆機的技術突破路徑

工業4.0時代的到來，使工程機械行業面臨新的挑戰和機遇。以旋挖鉆機為例，其國內市場保有量大，施工效率高，工法多樣，技術先進且較為成熟，相關廠商自動化生產能力較強，技術人員眾多，完全具備進入工業4.0時代的條件。

1.工業4.0的可行性

2013年4月的漢諾威工業博覽會上，德國政府正式提出了工業4.0戰略，目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式，旨在支持工業領域新一代革命性技術的研發與創新，以提高德國工業的競爭力，在新一輪工業革命中占領先機。德國學術界和產業界對“工業4.0”概念的一個比較統一的闡釋，是繼機械化（蒸汽機，工業革命1.0）、電氣化（電力廣泛應用，工業革命2.0）和信息技術（電子、IT、工業機器人，工業革命3.0）之后，以智能制造為主導的第4次工業革命。

工業4.0的目的和方法是利用大數據挖掘新知識并創造競爭力與社會價值，重點在于把信息互聯技術與傳統工業制造相結合。工業4.0項目主要分為2大主題，一是“智能工廠”，重點是研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現；二是“智能生產”，主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等。未來的生產過程將不僅是人與人之間的交流，機器之間也會形成數字互聯，進行信息交流。據德國國家科學與工程院估計，工業4.0可以使企業的生產效率提高30%。

在中國，已經出臺的“智能制造科技發展‘十二五’專項規劃”中，明確表示要大力發展智能制造，在信息化和自動化的基礎上，將專家的知識不斷融入制造過程以實現設計過程智能化、制造過程智能化和制造裝備智能化，實現擬人化制造。其目的是使制造過程具有更完善的判斷與適應能力，提高產品質量、生產效率，并顯著減少制造過程物耗、能耗和排放。中國工業與德國工業在發展上高度一致性，給國內廠商提供了良好的市場表現機會。工程機械中的樁工行業，旋挖鉆機市場保有量大，施工效率高，工法多樣，技術先進且較為成熟，廠商自動化生產程度較高，完全具有進入4.0時代的條件。

2.可實現的功能及方法

工業4.0的核心思想是價值創造，解決客戶未知和不可見的問題。旋挖鉆機實現工業4.0必須具備的條件，是應用智能傳感器采集及傳輸信號，進行大數據處理，并針對大數據作出響應。

目前，國內市場上的旋挖鉆機幾乎都裝有各種傳感器和GPS系統，但經常使用的功能是開工時間統計和鎖機功能。為此需要所有的鉆機聯網（至少一個公司所有的鉆機聯網），并增加傳感器的種類和數量，增大傳輸的帶寬和速度，提升服務器的數據處理能力，加強針對大數據的響應。旋挖鉆機進入工業4.0，可實現壽命預測、虛擬鉆機管理和工況分析等功能，這3種功能實現方法如下所述。

（1）壽命預測

根據旋挖鉆機以往多發故障類型，可分為機械故障（結構件損壞及失效）、控制系統（含液壓和電氣控制系統）故障、系統匹配存在問題等3大類。對于一個成熟的產品，結構件損壞的主要形式是疲勞失效。例如桅桿的疲勞斷裂、軸承與銷軸磨損、振動引起的疲勞失效、發動機效率降低、系統精度降低等。

實現壽命預測，關鍵是在重要部位安裝傳感器。對于旋挖鉆機來講，不同位置所需的傳感器有所不同。對于桅桿、動臂、三角架以及底盤的H梁等關鍵受力結構件，可在易發生開裂等故障部位安裝測應力傳感器。對于關鍵部位的軸承等運動部件，可安裝溫度傳感器和聲音傳感器（拾音器）。軸承損壞首先是溫度升高和異響，選用這2類傳感器能夠很容易檢測出軸承異常。用銷軸傳感器（拉力傳感器）和磁性傳感器檢測主卷揚鋼絲繩的拉力，不僅可判斷鋼絲繩是否存在斷絲或縮頸故障，還可依此判斷發動機的輸出功率是否滿足要求。此外，還可利用速度傳感器檢測發動機、主卷揚、風扇的轉速，利用溫度傳感器與風速傳感器檢測發動機倉、液壓油、冷卻液及散熱器的溫度和風速，從而保障系統處于安全的熱平衡溫度。

控制系統的檢測方法較多。很多廠家的鉆機上電控部分都有故障自診斷系統，可以把相關信息傳回數據中心，進行大數據分析處理。對于液壓系統來講，需要檢測液壓油的溫度和清潔度，馬達、泵、閥的運行狀況，系統的壓力和溫度。為了方便，可將減速機的檢測也放在液壓系統里。主要檢測部位包括主卷揚、動力頭、行走減速機、行走馬達以及液壓缸等執行機構。采用的傳感器主要有壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器。

系統的匹配性分析具有一定的技術難度，需要通過采集多個傳感器的信號參數，進行綜合分析與判斷。例如樁孔的垂直度判定就涉及多個影響因素，其中包括桅桿的垂直度、鉆桿的垂直度、地質條件、鉆桿與鉆具組合、工法問題以及桅桿、動臂、三角架的連接間隙等。此外，還應在重點監控部位安裝攝像頭，采集主卷揚、鋼絲繩、液壓缸、液壓管路、履帶等的運轉情況及位置信息等。

（2）虛擬鉆機管理

旋挖鉆機所有的信息通過過濾、壓縮、編碼，通過GPs傳輸到數據中心，進行譯碼和大數據處理，在公司內建立虛擬鉆機。虛擬鉆機和在外工作的鉆機一一對應，以此分析每臺鉆機的運轉情況、施工效率，并進行健康分析。

根據分析結果，把每臺鉆機的每個系統、每個零部件都可分為4種狀態：壽命初期（健康高效）、壽命中期、壽命末期（即將失效）、異常（失效）等。建立虛擬鉆機的目的是消除第4階段失效狀態，重點關注和處理第3階段即將失效狀態。關注第3階段的重要作用，是在旋挖鉆機發生故障前處理故障，比客戶先知先覺，以便合理安排維修保養時間，減少故障停工率。

虛擬鉆機管理對生產廠家的優勢更為明顯。廠家可根據故障預測，提前按需準備備件。旋挖鉆機屬于多品種小批次的產品，提前準備備件能顯著降低庫存，降低客戶因等配件的停工時間，增加服務口碑，提高市場占有率。如果廠商擁有數千臺分布在全球各地的旋挖鉆機虛擬鉆機，便可以監控不同地區的施工效率及故障情況。針對某些地區進行差異化設計，可以細分市場，開發區域鉆機，從而提高生產效率及市場占有率。

（3）工況分析

工況分析的內容包括：在1作裝置（如嵌巖鉆斗）上安裝巖石硬度測試傳感器，測試不同深度巖石的硬度或抗壓強度；用安裝在鉆斗上的儀器測定土壤的成分及承載力；用安裝在鉆斗上的傳感器測試樁孔的垂直度。相關數據可在提鉆時通過無線傳輸到地面，再通過GPS傳輸到數據處理中心。經過大數據處理，技術人員可根據巖石的抗壓強度確定鉆具配置，根據土壤的成分確定護壁泥漿的配比及成分，根據巖石硬度、巖層位置、土壤承載力和建筑負載數據，確定樁的直徑與形狀、承力盤形狀、支盤位置與尺寸。根據大數據分析，確定施工工法、鉆桿與鉆具選配、加壓力與扭矩，不僅能有效提高施工效率，還能使樁基礎更安全合理。

3.綜合優勢

目前，國內大部分廠商生產的旋挖鉆機不僅裝有壓力傳感器、銷軸傳感器、傾角傳感器、溫度傳感器，還配裝GPS、轉速測量裝置和攝像頭等。根據需要配備相應傳感器，增加的硬件成本不會超過設備成本的10%，整機成本和國外同型號產品相比，仍具有巨大的價格優勢。旋挖鉆機實現工業4.0，能夠明顯降低設備的故障停工時間，提高施工效率，降低施工成本，增強鉆機、鉆具、工法的匹配性，使樁基礎更適合建筑施工的荷載，保護生態環境。

如果一個建設項目中參與施工的其他所有設備同步進入4.0時代，則在后臺（數據分析控制中心）會有一個虛擬的施工現場。根據大數據分析，管理者不僅可以了解在施工現場的鉆機、挖掘機、裝載機、起重機、泵車、混凝土攪拌運輸車等所有施工設備的健康情況及工作狀態，還可根據施工進度，合理調度相關設備及車輛。這對與降低施工機械的等候時間，提高設備施工效率和工程質量，提升整體管理水平，均為非常重大的意義。

我國已經錯過了第一次和第二次工業革命，第三次工業革命我們起步也較晚，這次我們應該抓住此次機會，和發達國家同步進入工業4.0時代。國產設備在國內工程機械市場具有較高的占有率，各企業應該加大研發創新，爭取率先進入4.0時代。

（作者地址：北京市昌平區南口三一產業園北京市三一重機有限公司102202）