起重機(jī)械能耗評(píng)價(jià)技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析與展望

曾漢生 葛志浩 帥飛

摘? ?要：本文介紹了國(guó)內(nèi)起重機(jī)械市場(chǎng)狀況，結(jié)合當(dāng)前國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展部署與要求，分析了能耗評(píng)價(jià)的必要性;針對(duì)當(dāng)前起重機(jī)械兩大類節(jié)能技術(shù)，重點(diǎn)綜述了起重機(jī)械能耗評(píng)價(jià)方法的現(xiàn)狀及發(fā)展，對(duì)有關(guān)方法進(jìn)行了總結(jié)與評(píng)述，同時(shí)給出了針對(duì)橋式起重機(jī)的能耗評(píng)價(jià)過程及涉及的關(guān)鍵技術(shù)，包括起重機(jī)能耗特性分析、能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立、能耗測(cè)試與數(shù)據(jù)分析、起重機(jī)聚類分析及起重機(jī)能耗分級(jí)與評(píng)價(jià)等。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)械? 能耗評(píng)價(jià)? 能耗分級(jí)? 節(jié)能研究

中圖分類號(hào)：TH21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（c）-0240-02

被喻為“巨人之臂”的起重機(jī)械是減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化以及安全生產(chǎn)的重要設(shè)備。目前，起重機(jī)械已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、港口碼頭、貨運(yùn)倉(cāng)庫(kù)、海洋探索、能源建設(shè)、航天航空等國(guó)計(jì)民生部門，是形成大批量生產(chǎn)、機(jī)械化流水作業(yè)的工業(yè)基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的重要標(biāo)志，可以表征一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動(dòng)化水平[1]。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，全國(guó)各地城鎮(zhèn)化建設(shè)的陸續(xù)展開和加速發(fā)展，包括鐵路交通、建筑建設(shè)、能源水利等各個(gè)方面的諸多工程建設(shè)，給中國(guó)起重機(jī)行業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)更為廣闊的前景。目前，中國(guó)已經(jīng)成為全球最重要的工程機(jī)械市場(chǎng)[2]。

能源是人類生存和發(fā)展的基本條件，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)能源需求與供給的矛盾日益突出。針對(duì)能源需求和供給的矛盾，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中明確指出“能源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有特別重要的戰(zhàn)略地位”，以及“堅(jiān)持節(jié)能優(yōu)先，降低能耗[3]，攻克主要耗能領(lǐng)域的節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)，積極發(fā)展建筑節(jié)能技術(shù)，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(shí)，國(guó)務(wù)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(zhì)量為目標(biāo)[4]。

起重機(jī)械作為一種典型的特種設(shè)備，其應(yīng)用領(lǐng)域包括了國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的能源、電力、石化、冶金、造船、交通等。目前我國(guó)起重機(jī)械的年產(chǎn)量和保有量已居世界前列。起重機(jī)械耗能量迅速增多的現(xiàn)狀，已經(jīng)引起社會(huì)和政府部門的重點(diǎn)關(guān)注。雖然，目前起重機(jī)械行業(yè)已經(jīng)設(shè)定了起重機(jī)械的節(jié)能技術(shù)要求，但依然沒有建立起重機(jī)械節(jié)能技術(shù)的規(guī)范和考核標(biāo)準(zhǔn)，而起重機(jī)械能耗檢測(cè)與評(píng)價(jià)正是制定和推廣規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的必要條件。因此，結(jié)合起重機(jī)械行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，開展能耗檢測(cè)技術(shù)、評(píng)價(jià)方法的研究，以科學(xué)的方法填補(bǔ)我國(guó)起重機(jī)能耗檢測(cè)和評(píng)價(jià)領(lǐng)域的不足，有利于起重機(jī)械節(jié)能技術(shù)的推廣及《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》中目標(biāo)和任務(wù)的落實(shí)。本文在綜述國(guó)內(nèi)外起重機(jī)械能耗評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上給出了針對(duì)橋式起重機(jī)能耗評(píng)價(jià)的具體研究過程。

1? 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

依據(jù)已有的研究成果，起重機(jī)械的節(jié)能技術(shù)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(jī)械結(jié)構(gòu)形式粗大笨重，制造成本和運(yùn)行能耗高，控制智能化程度低，產(chǎn)品可靠性差，因此，國(guó)內(nèi)外在減少能量損失的節(jié)能研究方面，主要針對(duì)起重機(jī)械的輕量化和智能化進(jìn)行研究[5]。

此外，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)起重機(jī)械的能耗評(píng)價(jià)研究工作開展的較少。陳瑞峰[6]以橋式起重機(jī)為研究對(duì)象，通過分析起重機(jī)械的機(jī)械特性，提出將工作機(jī)構(gòu)分開評(píng)價(jià)的原則，綜合利用回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和箱線圖理論，以單位質(zhì)量能耗、單位位移能耗以及單位速度能耗作為能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了橋式起重機(jī)能耗的評(píng)價(jià)和分級(jí);葉偉[7]從橋式起重機(jī)的全生命周期出發(fā)，分析了影響能耗的因素，結(jié)合粗糙集理論、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及DS證據(jù)理論進(jìn)行了數(shù)據(jù)融合，并對(duì)橋式起重機(jī)的能耗進(jìn)行了評(píng)價(jià)，劃分了能耗等級(jí)，通過進(jìn)一步研究提出根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果指導(dǎo)起重機(jī)設(shè)計(jì)人員優(yōu)化起重機(jī)械的方法。孫建銳[8]以岸邊集裝箱起重機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)現(xiàn)代岸邊集裝箱起重機(jī)的分類進(jìn)行了研究，提出以起重量和起升高度為起重機(jī)分類依據(jù)，并根據(jù)運(yùn)輸行業(yè)對(duì)高能耗設(shè)備的相關(guān)定義，結(jié)合岸邊集裝箱起重機(jī)作業(yè)特點(diǎn)，給出了岸邊集裝箱起重機(jī)能耗等級(jí)分級(jí)原則和分級(jí)指標(biāo)。

2? 展望

本文闡述了起重機(jī)械能耗評(píng)價(jià)的理論方法和研究應(yīng)用現(xiàn)狀，在前述研究的基礎(chǔ)上提出針對(duì)橋式起重機(jī)的能耗評(píng)價(jià)過程：

（1）橋式起重機(jī)能耗特性分析。依托于對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的理論研究，建立橋式起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)的平衡方程。分析橋式起重機(jī)能量損失對(duì)作業(yè)水平和橋式起重機(jī)性能的影響。

（2）建立能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)橋式起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特性，建立物理模型，并結(jié)合對(duì)橋式起重機(jī)能耗特性的分析，研究影響橋式起重機(jī)能耗的主要因素。通過比較分析已有的能耗評(píng)價(jià)技術(shù)，提出以工作機(jī)構(gòu)的單位能耗作為橋式起重機(jī)能耗評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)。以影響因素和機(jī)構(gòu)單位能耗為基礎(chǔ)，結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選的原則，構(gòu)建可用于橋式起重機(jī)能耗分級(jí)與評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。

（3）能耗測(cè)試與數(shù)據(jù)分析。綜合分析橋式起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)的工作特性和運(yùn)行狀態(tài)后，依據(jù)現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及常用測(cè)試方法，結(jié)合橋式起重機(jī)實(shí)際的作業(yè)情況，設(shè)計(jì)符合本研究需求的測(cè)試方案?？蛇x取部分具有代表性的橋式起重機(jī)，依據(jù)設(shè)定的測(cè)試方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采集能耗評(píng)價(jià)所需的能耗數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理與分析，驗(yàn)證單位工作量能耗作為關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性和科學(xué)性。

（4）橋式起重機(jī)聚類分析。在橋式起重機(jī)能耗數(shù)據(jù)缺少明確等級(jí)標(biāo)簽的情況下，基于無監(jiān)督學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)方法提出“先聚類后分級(jí)”的橋式起重機(jī)能耗評(píng)級(jí)思想。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和聚類算法相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)能耗的聚類劃分，計(jì)算每個(gè)類別的聚類中心。

（5）基于熵值法加權(quán)的橋式起重機(jī)能耗分級(jí)與評(píng)價(jià)，以試驗(yàn)測(cè)試的能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用熵值法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行賦值，提出依據(jù)聚類中心和指標(biāo)權(quán)重利用線性加權(quán)計(jì)算橋式起重機(jī)綜合能耗分?jǐn)?shù)的方法，并以綜合能耗分?jǐn)?shù)為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)能耗分級(jí)與評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 宋希文.我國(guó)起重機(jī)械產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r及標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀分析[J].科技風(fēng)， 2018（3）：138.

[3] 中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院.國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）（中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院）[J].經(jīng)濟(jì)管理文摘， 2006（4）：4-19.

[4] 國(guó)家發(fā)展改革委，環(huán)境保護(hù)部.《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》解讀[J].建設(shè)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(jī)運(yùn)行能耗等級(jí)分類方法研究[D]. 東華大學(xué)， 2015.

[7] 葉偉. 橋式起重機(jī)節(jié)能評(píng)價(jià)技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)[D]. 南京理工大學(xué)， 2014.

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