采掘裝備綠色設計與評價技術研究

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

(1.西安科技大學 機械工程學院， 陜西 西安 710054； 2.陜西省礦山機電裝備智能監測重點實驗室， 陜西 西安 710054； 3.西安煤礦機械有限公司， 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，是當前推行綠色制造的導向[1]。綠色設計是推動產品可持續發展的核心理念，實現產品綠色化、評價產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展的關鍵技術裝備并開展示范應用。采掘裝備作為煤炭開采的關鍵設備，研究其綠色設計與評價技術對實現煤炭綠色開采、資源合理利用、生態經濟協調發展具有重要的實踐意義[2-6]。

傳統的采掘裝備設計大多依靠經驗，通過類比分析或經驗公式來確定設計方案，人工計算偏差較大；采用近似法、靜態法時，參照數據偏向歸納與囊括，數學建模過程中忽視了一些非主導因素，導致設計結果的近似性偏大，設計質量差、周期長、費用高。以綠色設計平臺為目標，構建綠色評價體系和綠色設計信息數據庫，在設計階段考慮采掘裝備的綠色性，并對關鍵技術進行創新和綠色化改造，可提高采掘裝備的生產質量。

本文基于目前綠色設計及評價技術方面的研究成果[7-10]，提出了采掘裝備全生命周期設計內涵；考慮到設計制造、運用維護、銷售運輸與回收處置等階段的綠色設計要求，以及綠色設計平臺建設需求，分析了采掘裝備綠色設計內容及關鍵技術；以采煤機為研究對象，構建了采煤機綠色設計評價指標體系，并建立了面向采煤機的綠色設計信息數據庫。

1 采掘裝備綠色設計

1.1 采掘裝備綠色設計總體方案

采掘裝備綠色設計以提升生產過程綠色度為目標，依托自然資源、能源及企業多年積累的先進技術、平臺資源，重點解決產品研發設計、加工制造、運輸、使用維護、拆卸回收及服役再制造各個環節綠色發展的前沿問題及煤礦的共性問題。

采掘裝備綠色設計圍繞需求分析、綠色設計、評價三大環節， 以綠色化設計為準則，對設計方案進行評估并不斷反饋優化，具體如圖1所示。

依據產品全生命周期管理理念，遵循能源資源消耗最低化、生態環境影響最小化、可再生率最大化原則，面向全生命周期各個環節實施綠色化改造。采掘裝備全生命周期內容如圖2所示。

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

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

1.2 采掘裝備綠色設計關鍵技術

1.2.1 設計綠色化

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

圖3 采掘裝備綠色設計過程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，對采掘裝備整機及關鍵零部件進行三維設計[11]、運動仿真[12-13]、動力學建模[14]和有限元優化分析[15]，解決了整機結構優化、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。部分關鍵零部件有限元分析如圖4所示。

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

圖4 關鍵零部件有限元分析
Fig.4 Finite element analysis of key components

采掘裝備綠色設計主要圍繞產品的三維設計、數字化仿真，開展輕量化選材和高可靠性結構設計等相關工作，在產品設計、結構設計和驗證反饋階段，對總體方案預校核、部件設計模塊化、零件設計仿真化、裝配過程虛擬化等節點進行綠色化設計創新。綠色設計內容主要圍繞以下方面展開。

(1) 產品設計模塊化。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性需求，在對不同規格的產品進行功能分析的基礎上，劃分并設計一系列功能模塊，一般根據產品規格予以實現。通過模塊構成和選擇，可使產品滿足不同用戶需求。模塊化設計不僅有助于降低產品規格，還有助于提升產品質量，為提升產品競爭力打下良好基礎。

(2) 產品優化設計。借助三維建模和虛擬仿真進行產品抽象構思，擴展設計思維、評估優化設計方案。通過合理優化結構，或采用新技術、新材料、新工藝等手段，改進產品薄弱點設計，提高整個系統可靠性，延長產品使用壽命。

(3) 產品智能化。借助人工智能和專家系統，提升產品控制系統智能化水平。通過虛擬煤層建模、截割軌跡預測、采煤機精準定位和智能控制，進一步提升采掘裝備智能化水平。

(4) 產品系統化。將采掘裝備產品設計擴展到整個產品生命周期，運用并行工程引導企業進行新產品的生產改革與管理，運用模塊化設計、相似性設計來迎合不斷變化的社會需求，運用逆向工程技術來吸收并掌握世界先進技術，形成完整的產品綠色設計系統。在設計中考慮制造、包裝、運輸、維修、回收、成本等因素，以定量的市場分析、經濟分析和價值分析來支撐設計過程中原理方案、結構方案和選型方案的確定。

(5) 綠色設計信息數據庫建設。借助互聯網+設備全生命周期管理系統設計技術和經驗，構建采掘裝備從設計開發到回收利用的綠色設計平臺，建立具有行業代表性的綠色設計信息數據庫，積極構建綠色設計眾創平臺，推進綠色設計資源的共建共享。

1.2.2 制造工藝綠色化

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

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

綠色制造工藝關鍵技術包括多用爐無氧化少變形熱處理技術，焊接機器人生產線程序編制技術，DMG五軸聯動加工中心的數控編程、后置處理及加工仿真技術，分布式數控系統技術,對刀儀、刀具測量管理系統,高速小切深小切削量技術，鑄鋼件鑄造計算機模擬技術等。通過上述技術的產業應用實踐，以保證生產質量為前提，縮短生產周期，提高零部件制造成功率和材料利用率，大幅降低生產成本。

1.2.3 激光熔覆修復再制造技術

礦山采掘工作環境惡劣，機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重，是井下生產中的常規易損件。不斷截割使截齒承受較大的剪切應力、壓應力和沖擊載荷，截齒表體溫度大幅提升，截齒表體形式出現多樣化改變，最終損壞。在不影響基體性質前提下，激光熔覆修復再制造技術可以改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及抗氧化等性能。該技術的應用可有效提高關鍵零部件的重復使用率，減少資源浪費，降低生產成本。

1.2.4 掘進系統智能化

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

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

1.2.5 狀態監測與故障診斷

目前煤礦對采掘裝備遠程監測、監控與診斷應用不足，且缺乏對現場設備故障診斷和運行維護的決策支持等。針對上述問題，建設智能采掘裝備遠程診斷系統，提高采掘裝備設計、制造、狀態監測及維護過程的信息化水平和全生命周期服務能力，實現采掘裝備的數字化、網絡化和智能化[18]。

2 采掘裝備綠色設計評價

以采煤機為例，依據全生命周期理念對其進行綠色設計分析并構建評價體系，減少物質和能源消耗及有害物質排放，并提高產品再利用率及再制造率。

2.1 采煤機生命周期評價

生命周期設計(Life Cycle Design，LCD)是從產品性能、環境保護、經濟可行性的角度，考慮產品開發全生命周期。為了定量評價LCD對產品的影響，逐步產生了評估方法和工具，即生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)，用于評估產品在整個生命周期(從原材料獲取、產品生產直至產品使用后的處置)中對資源和環境的影響，并提供改進指導原則。因此LCA被認為是支持綠色產品設計的核心工具。

采煤機LCA不僅是對關鍵技術及關鍵環節綠色化改進的量化評估，也是不斷優化產品、提高其生產質量的重要手段之一。基于LCA的采煤機綠色設計方案評價根據方案綠色度判斷當前設計是否滿足綠色要求，并將各環節評估結果不斷反饋，根據反饋結果不斷優化設計方案，如圖7所示。

圖7 采煤機綠色設計方案評價過程Fig.7 Evaluation process of green design scheme of shearer

2.2 采煤機綠色設計評價指標體系構建

采煤機綠色設計評價指標體系的目標在于保證采煤機在設計階段具有良好的綠色性，其結果可以反映設計方案的優劣。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系，而且能評價產品有關指標與任務。為了簡化流程，以三層結構問題為研究對象，依據采煤機要求與特性建立基于遞階層次模型的采煤機綠色設計評價指標體系，如圖8所示。從資源、人機、能源、環境、經濟、技術六大屬性出發，對指標體系進行分析。

2.3 采煤機環境影響評價

根據《環境管理——生命周期評估：原則與框架》可知，對于整個生命周期，采煤機環境影響評價可按照4個步驟進行，即目標和范圍界定、清單分析、影響評估和結果解釋。LCA基本技術框架如圖9所示。根據研究目標和范圍界定，分析采煤機整個生命周期過程對環境的影響，為采煤機綠色制造提供相應的理論依據。隨后收集采煤機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)數據，并進行清單分析及影響評估。

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

圖9 LCA基本技術框架Fig.9 Basic technical framework of LCA

基于LCA的采煤機環境影響評價技術路線如圖10所示。采用生命周期分析法研究采煤機生命周期環境影響因素。首先，分析采煤機的環境排放與物質流清單，并運用采煤機綠色設計評價指標體系對劃分結論實行特征化處理；其次，對處理結果進行量化評估；最后，運用LCA專業軟件平臺eFoot-print進行產品全生命周期模型建立、環境影響計算及分析。

圖10 基于LCA的采煤機環境影響評價技術路線Fig.10 Technical route of environmental impact assessment of shearer based on LCA

3 采煤機綠色設計信息數據庫建立

對于大型采掘裝備，建立相應的數據庫是滿足其綠色設計需求的關鍵，為產品LCD及LCA提供重要的數據支撐。

基于采煤機全生命周期的綠色設計特征屬性數據及LCA清單數據分析，提出了構建面向采煤機全生命周期的綠色材料數據庫、綠色工藝數據庫、環境數據庫及綠色評價數據庫，如圖11所示。

在清單數據收集過程中，對采煤機進行過程分析，得到詳細的單元數據。基于我國LCA基礎數據庫，不斷整理更新并建立煤礦行業數據庫。

采煤機綠色設計信息數據庫的建立便于今后對不同型號采掘裝備進行LCA，同時為采掘裝備綠色設計平臺建設提供重要支撐，是采掘裝備綠色設計標準的基礎。

圖11 采煤機綠色設計信息數據庫架構Fig.11 Database framework of green design information for shearer

4 結語

為促進煤礦開采的可持續發展，將環境保護、資源節約、高安全性等現代綠色設計理念充分融入到采掘裝備產品設計與制造中。采掘裝備綠色設計是煤炭開采智能化發展的必然，以綠色設計與評價為關鍵技術環節,以綠色設計信息數據庫為支撐，建立綠色設計平臺，有助于實現產品綠色化，提高生產質量，是實現煤炭開采智能化、資源合理利用、生態經濟協調發展的核心環節，對推進煤炭行業綠色設計資源的共建共享及增強行業綠色化設計的示范作用具有重要意義。