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工程機械行業科技節十大科技創新進展正式發布

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來源:匠客工程機械

2024年5月16日,2024工程機械行業科技節(以下簡稱科技節)在浙江杭州開幕。本屆科技節以“高端·智能·綠色”為主題,立足新時代發展要求和國際視野,旨在通過創新形式,聚焦“產學研用”,激發工程機械行業科技創新的新動能和新優勢,推動工程機械行業高質量發展。

5月17日,2024工程機械行業科技節十大科技創新進展發布儀式成功舉辦。

十大科技創新進展具體情況如下:

1、高機動輪式工程車輛懸掛關鍵技術創新及應用

主要完成單位:燕山大學,徐州重型機械有限公司,吉林大學

輪式工程車輛廣泛應用于應急救援、工程礦山、交通運輸、農林牧業、國防、航空航天筆領域,由于目前現有的輪式工程車輛采用常規懸掛,在非結構化復雜路面行駛的平順性、操縱穩定性較差,越障能力不足,車輪載荷沖擊大,影響了作業效率,業內要求改進的呼聲較高。本成果在國家重點研發計劃等多個項目支持下,對高機動主動懸掛技術、半主動懸掛技術、被動懸掛技術和主/被動懸掛切換技術進行了系統創新。

(1)提出了主動懸掛的慣性調控原理和基本控制方法。解決了車輛設計領域一直存在的“行駛平順性和操縱穩定性相互制約、難以同步提高”的世界性難題。所研發的主動懸掛,不需要分工況控制,與油氣懸掛相比:①行駛平順性顯著提高;②操縱穩定性階躍式提升;③越障能力和觸地性能有了革命性的進步;④不平地面行駛的最大輪荷和輪荷波動幅值顯著下降。

(2發明了一種剛度、阻尼和行程可調的油氣半主動懸掛控制技術。解決具有多軸荷狀態的輪式工程車輛一直存在的小軸荷側傾俯仰大、大軸荷行駛沖擊大的難題,可分工況自適應調整懸掛系統的剛度和阻尼。

(3發明了大承載雙橫臂獨立懸掛機構。解決現有雙橫臂獨立懸掛載重受限難題,將彈性元件承載的車重通過轉向節直接傳遞至輪胎,最大限度地增加了彈性阻尼元件的杠桿比。

(4發明了主/被動懸掛快速切換控制系統。通過在主/被動懸掛雙向切換之前,調平車身并控制各懸掛油缸行程平均值處于油缸行程中位值,有效消除了切換時車體的振顫。

本項目共獲得專利授權67項,其中中國發明專利35項,國際PCT專利32項;發表論文24篇,其中SCI檢索17篇,EI檢索7篇。項目成果已在徐工集團系列全地面起重機和消防車上得到了推廣應用,其中全地面起重機在世界上首次斜對角車輪同時越過了400mm 高的梯形障礙;云梯高噴消防車在世界上首次實現不平路面的行進舉高滅火功能。2019至2023年間累計實現新增銷售37.16億、利潤3.22億、稅收0.95億。經鑒定,項目整體技術達到國際先進水平,其中高機動主動懸掛、被動懸掛和主/被動懸掛切換技術達到國際領先水平。

2、ZAT24000H全地面起重機關鍵技術及產品應用

主要完成單位:中聯重科股份有限公司

行業首創、全球最大噸位ZAT24000H全地面起重機,是中聯重科為新能源建設打造的施工利器。該產品突破自我極限,再次刷新全球最大噸位全地面起重機紀錄。

產品為風電領域量身打造,100米高度風機最大吊重270噸,其最大起升高度175米吊重175噸,相當于一次起吊117臺小汽車到60層樓高度,在超高重載集約型全地面起重機整機設計技術、超長重載復雜臂架系統設計制造技術、長柔大慣量臂架精準安全作業控制技術、超重載多軸底盤自適應行駛控制技術等方面,實現了數十項原創技術突破,整體技術及產品指標達到國際領先水平。

2022年6月以來,在國內140米高度單機發電量最大的集中式批量混塔風場-黑河趙光風電項目、云南昆明巨龍梁風電項目、張家口沽源十里山風電項目、廣西合浦西烏風電項目等大型風電項目中投入使用,用戶評價“產品性能強大、施工效率高、轉場運輸上具有無可替代的優勢。先進的控制系統和微動操控性能為施工安全提供了有力保障,施工效益顯著”。該全地面起重機作為風機吊裝的核心裝備,將持續在全國各大風電施工項目建設中發揮重要作用。

3、級間雙反饋型大流量平衡閥

主要完成單位:浙江大學高端裝備研究院、浙江大學

(1)針對大流量平衡閥先導多級控制問題,本項目原創性提出了一種級間液壓-機械雙反饋閥芯控制新原理、閥芯動態測試方法,具有較高頻響與反饋控制力大的優點,同時通過雙反饋鏈路交叉耦合設計方式提高了閥芯動力學穩定性,有效解決了大流量平衡閥在大流量動態穩定性、啟閉時滯特性以及防失速等方面的國際性難題。級間液壓-機械雙反饋的閥芯控制新原理,其中液壓反饋通過反饋閥口的設計,實現主閥芯位移-先導流量-敏感腔壓力的反饋,機械反饋則通過反饋彈簧實現雙閥芯的快速線性位移-力反饋原理。該原理具有頻響快、反饋控制力強的性能優勢,同時可實現閥芯對置分布,具有結構緊湊、配合面少的優點大幅降低制造難度。

(2)為使大流量平衡閥具有較好的微調特性,精確控制主閥口流量,本項目提出了先導閥口的分段補償原理。設計了帶預補償閥口的先導分段補償結構,解決了缺少必要的微調控制區間、小開口下的流量分辨率較低、微調通流面積過小造成的流量死區過大的難題,有效降低了先導開啟壓力,改善了微調控制區間,并提高了平衡閥的比例控制性能。

(3)針對高背壓下易失速、控制區間變化的問題,本針對高背壓下易失速、控制區間變化的問題,本項目提出了先導回油背壓補償原理,將背壓增量通過先導回油口、先導閥口阻尼、過補償阻尼反饋至主閥芯大端作用腔,限制高背壓下主閥口流量增大,采用先導回油背壓反饋方案可達到背壓升高主閥口流量略有降低的效果,提高了平衡閥的防失速性能,并且先導控制壓力區間保持不變,保證了背壓變化時的操控性能。

(4)雙反饋原理平衡閥的主閥芯屬于內流式錐閥形式,所受液動力作用方向將使閥口趨于打開,大流量下液動力幅值常達閥芯驅動力30%以上,嚴重影響閥芯動態控制性能,并帶來閥芯失控的隱患。本項目提出基于帶通油孔的減振尾結構的非全周開口大流量錐滑閥芯反向液動力補償方法,該結構可通過液流沖擊作用抵消開啟方向的液動力,進而改變閥芯液動力的方向,同時降低各閥口開度下的液動力幅值,增加了主閥芯的穩定性并基本消除了液動力對主閥芯位移控制精度的影響。

4、高空大吊載輪式起重裝備自主研發與產業化

主要完成單位:徐州重型機械有限公司,徐工集團工程機械股份有限公司建設機械分公司

高端工程裝備研制能力體現了一個國家的綜合制造實力,大型起重裝備因必須同時滿足吊載高度和吊載重量的需求,是工程機械中難度最大、技術最復雜的重點裝備之一。項目實施前,核心技術長期被德國和美國壟斷,嚴重制約我國重大工程施工建設。

另外,隨著我國風電產業持續發展,在“十四五”可再生能源發展規劃中,確定了2025年風電實現翻倍的目標。同時風機持續大型化發展,安裝高度達到160m、重量達到146噸。項目前,我國起重機產品難以滿足風電大型化發展需求。

本項目立足突破起重機性能極限,并結合我國“雙碳”戰略發展需求,針對風電吊裝裝備能力不足的行業難題,系統性地攻克了高空大吊載起重機臂架結構技術、高空吊載主動安全技術、重型起重機高效轉場技術、起重機高空吊載自牽引攬風繩系統,全面掌握輪式起重機、履帶式起重機核心關鍵技術,研制出吊載能力最強的輪式起重機、風電安裝效率最高的履帶式起重機,實現了對國際標桿從跟跑、并跑到領跑的跨越。

項目獲中國授權發明專利43件、歐美等國際專利13件、軟件著作權4件,制修訂國家標準6項,主持起草中國起重機行業首個國際標準。項目產品性能及關鍵技術水平,經第三方檢測和中國機械工業聯合會鑒定,國際領先。

項目成果應用產品經濟效益超90億元,因降低施工場地基建成本、縮短施工周期產生的間接經濟效益超230億元。產品應用于全球陸上最大風電項目酒泉600萬千瓦風電場、國產航母建設等重大工程,項目產品被評為“建國70周年工程機械行業杰出產品”,獲“中國工業大獎”。項目成果促進了我國起重裝備的自主創新能力和技術進步,公司連續兩年位居“全球起重機制造商”“全球移動式起重機制造商”排行榜雙榜首。

5、智能型鑿巖臺車關鍵技術研究及應用

主要完成單位:中國鐵建重工集團股份有限公司

我國已建成和在建的隧道數量和長度均居世界第一,且隧道的分布廣度、地質復雜程摩修建難度居世界之最。目前隧道建設70%以上采用鉆爆法施工,但傳統人工鉆爆法隧道修建方法將難以滿足國家基礎設施高質量快速發展的需要。項目實施前,人工鉆爆法隧道施工普通采用人工風鉆方式,人員需求多、勞動強度高、施工效率低、施工安全無保障。即使少數采用游壓鑿巖臺車,仍存在地質風險高、施工精度低、質量控制差等難題,且設備長期依賴進口。

隨著鄭萬高鐵、川藏鐵路等為代表的國家重點工程發展需求,急需研制一系列國產化高隧道智能裝備?;诖?,本項目集合優勢力量進行長期科研攻關,成功突破了智能型鑿巖裝備圍巖智能分級、精準鉆進控制、三維掃描重建等關鍵核心技術,研制出具有數字化控制、多重感知、自主分析決策能力的智能型鑿巖臺車并實現產業化,對推動我國隧道工程高質量發展、加快實現隧道智能建造具有重要意義。

由湖南省機械工業協會組織的丁榮軍院士任組長的鑒定專家組一致認為:該項目技術難度大,創新性強,總體技術達到國際領先水平。本項目提升智能型鑿巖臺車關鍵核心部件制造過程的數字化、智能化水平,實現人均產出效率提升50%以上。項目還形成了適應于不同領域不同工況的鑿巖臺車系列化產品,帶動了產業鏈整體發展。項目成果已在鄭萬高鐵、玉鐵路等重點工程以及國防建設中成功應用,推動了我國從隧道建設大國向隧道建設強國的轉變。

6、面向數字化工程機械的數字液壓泵關鍵技術及應用

主要完成單位:浙江大學、蘇州力源液壓有限公司

項目針對重載大流量數字泵的關鍵技術及應用展開研究,在國家04科技重大專項、國家科技支撐計劃、工信部戰略基礎產品等項目支持下,歷經十余年的產學研持續攻關,取得了如下創新發明成果:

(1)針對柱塞泵四象限變量過程油膜承載動態交變大、寬工作區間效率低的難題,建立摩擦副壁面的彈性變形與油液可壓縮性縫隙流動下的液固氣三相耦合的油膜模型,對摩擦副表面結構進行了優化設計,提升了產品可靠性,研發了系列化四象限高壓大排量數字泵。

(2)針對大型裝備壓力高、流量大、負載多、載荷波動,提出了數字泵可編程控制方法,攻克了變量機構高動態控制和復雜系統流量精準匹配技術,研發了數字泵可編程控制系統,實現了液壓泵工作模式和控制參數自適應切換(變量響應<250ms)。

3)針對復雜工況下數字泵的服役退化評估難、故障辨識準確率低的行業難題,提出了高斯遺傳向量回歸診斷模型,實現了變工況狀態特征的實時提取和精準辨識,在線模型重訓練時間2.55s,典型故障診斷準確率99.72%。

4)研制了系列化可編程數字泵產品,攻克了重載大排量可編程數字泵設計制造關鍵技術裝機應用于盾構掘進機、混凝土泵車、挖掘機、起重機等工程裝備,實現國產化替代。

7、第一代新能源電驅動裝載機研制及產業化應用

主要完成單位:廣西柳工機械股份有限公司、柳工柳州傳動件有限公司、廣西中源機械有限公司、重慶大學

本項目突破傳統的柴油機加雙變(變矩器變速箱)系統的動力傳動鏈結構的裝載機邊界創新性的使用電動機作為牽引裝置,應用動力電池組作為動力能源,在達到零排放的同時,現或超越同級別傳統裝載機整機性能的新能源電驅動裝載機。

突破傳統的整機匹配技術,研究電驅動整機匹配技術。突破大電量高壓儲能及電能分配技術,研究大電量高壓儲能電池管理系統BMS,研究制動能量回收技術、節能液壓技術。研究基于主動工況需求識別的動態功率分配控制系統。研究均流系統中多電機設備電流自適應分配控制技術,開發行走電機及液壓電機控制策略。研究基于環境識別的能效自適應管理技術。突破高效節能新型驅動技術,研究電驅動動力傳動技術,建立傳動系統工作模型,開發電驅專用速箱。研究突破整機熱管理技術,特別是鋰電池熱管理安全技術。建立聲品質測試與評價方法通過聲品質與主動降噪技術的融合,達到NH特性的提升。研究電驅動智能遙控技術,研究基于不同工況物料的自適應鏟裝技術。

在上述技術獲得突破后開發柳工1.6T、2T、5T級系列新能源電驅動裝載機。重點突破國內電驅動裝載機的產業化空白,實現批量銷售,開拓工程機械電驅動產業化的新領域。

本項目同時針對高原遂道工況突破高原適應性研究,以填補國家在該領域產品空白,積極響應政府號召,滿足川藏鐵路施工段隧道特殊工況的迫切需求。

目前擁有自主知識產權專利共52項,其中發明專利29項。獲得省部級與行業級獎項共7項。近年來,公司在電控技術、負載敏感技術方面的技術攻關取得較大突破,連續兩年獲得廣西科學技術獎二等獎:2018年公司新產品開發項目《裝載機轉向高壓負荷敏感流量放大閥關鍵技術與應用》獲得廣西科學技術獎技術發明類二等獎,2019年公司研發項目《起重機負載敏感多路閥開發及其上車液壓系統匹配應用》獲得廣西科學技術獎技術發明類二等獎。

8、高壓大排量柱塞泵關鍵技術研究及產業化

主要完成單位:江蘇恒立液壓股份有限公司

高壓大排量桂塞泵由配流盤、滑靴等組成,具備抗污能力強、噪聲低、多種控制方式控制等特點,實現對國外同等產品之間的替代,打造國產高壓大排量柱泵。本項目針對高壓大排量柱塞泵的額定壓力、噪聲處理、控制方式等問題開展了相關關鍵技術研究:

(1)設計了新的雙泵支承結構,大幅度縮短主軸向尺寸,有效節省了安裝空間,提高泵的使用壽命和抗污染能力。

(2)采用了配流盤過渡區通孔和盲孔結合的形式,避免了軸向柱塞泵氣穴、氣蝕,降低柱塞腔壓力突變,并通過對配流盤開設阻尼孔和指形槽相結合的方式,提高了配流盤的抗氣蝕能力,并且采用該種配流盤可以有效降低整泵的噪聲,使柱塞泵噪聲<85dB。

(3)設計了電比例排量閉環控制器,通過斜盤角度傳感器,實現了泵輸出流量的閉環精確控制,提升了效率,降低了能耗,并根據控制方式設計相應控制器,使液壓泵具有集成流量控制功率控制、壓力控制、電比例閉環控制等變量控制方式。

本項目緊緊圍繞我國工程機械的客觀需求,充分發揮恒立液壓作為中國高端液壓泵閥行業的龍頭企業的優勢,以實現高壓大排量柱塞泵國產化為目標,提升核心液壓件的研發能力和技術水平,解決核心零部件主要依賴進口的局面。本項目成果整體技術指標達到國際同類產品水平,處于國內領先。產品已在三一、徐工、柳工等廠家的旋挖鉆機上批量配套,實現對國外產品的進口替代。近三年實現了5852套產品銷售,銷售收入14821萬元,新增利稅5324萬元。

9、千噸級履帶起重機關鍵技術及應用

主要完成單位:浙江三一裝備有限公司,湖州師范學院

我國大噸位履帶起重機長期存在系統分析精度低、側向承載穩定性差、機構協同控制效案低等技術瓶頸,無法滿足大型核電、石化、風電場等工程場景的施工需求。本項目在國家86計劃支持下,經9年持續攻關,在集成系統設計、機構協同、臂架結構三大方向取得了關鍵性進展,形成了千噸級履帶起重機系列產品,成功實現國產化替代。項目獲發明專利9件、軟著3 件、發表論文6篇、參與國標1項、牽頭制定團標1項。主要技術內容如下:

(1)基于大型履帶起重機整體仿真設計:自主集成開發了千噸級履帶起重機總體設計軟件設計電子載荷表計算系統、臂架專用仿真程序、履帶板自動纏繞建模仿真系統及數字孿生仿真系統,解決臂架系統非線性精確分析及超級回轉裝置回轉支承和環軌力的精確計算問題,精度>94%,開發國內唯一接地比壓實時監控、評估系統,高效評估地基承載能力,實現空載接地比壓0.24MPa,較競品提升22.5%,提高本項目整體系統的分析精度,分析精度>95%,避免核電、石化等重大工程的安全事故。

(2)基于大型履帶起重機高穩定性關鍵結構設計:首創的高強度高剛度臂架系統可根據需要高效組合成預設寬度的變徑平行臂架,側向承載穩定性提升2.5倍,最大額定起重量突破4500噸;國內首創內回轉支承加外環軌的超級回轉支承系統,避免在內外部安裝檢測裝置時機械產生滑動產生誤差累計,回轉速度為0.024rpm,較國際同類產品提升96%。

(3)基于大型履帶起重機多機構協同控制系統設計:首次開發了多動力多機構系統協同控制技術,國際先進的雙發驅動閉式液壓系統,避免吊鉤無法自由落鉤:國內首創的千噸級起重機智能控制系統,通過力矩限制器免空鉤標定算法,解決雙驅行走、多卷揚、雙發動機協同、超起小車與主機同步回轉與行走、多卷揚穿繩效率的問題,防止系統失控導致鋼絲繩損壞的問題實現變幅卷揚繩速110m/min,較同類產品提升10m/min。

項目成功應用在核電、石化等關系國計民生的重點工程中,如:CAP1400國核示范、山東魯清石化、印度Gujarat風電場等項目,近五年新增產值74.3億,新增利稅24.4億,創收外匯15.6億。項目獲得“明星產品、國之重器獎”、中國工程機械TOP50“技術創新金獎”、浙江省首臺套等榮譽,在中國人民政府網、人民日報等各大媒體中被譽為“全球第一吊”。經浙江省工業新產品驗收組鑒定,本項目己達到國際先進水平。

10、高速高壓氣動液壓核心基礎零部件關鍵技術及應用

主要完成單位:同濟大學、上海振中建機科技有限公司、浙江永安工程機械有限公司

高速、高精度、超高壓氣動液壓技術源于航空航天、用于工程機械、氫能源汽車及重大裝備。核心基礎零部件(元器件)是國家“制造強國戰略”“工業強基”的重點突破瓶頸之一。氣體非線性、氣體壓縮與釋放過程的非對稱性、超高壓氣體分子間作用力等是世界性的基礎難題。在國家科技計劃和國家自然科學基金等連續資助下,經過近二十年潛心研究和原始創新,在高速高精度氣動液壓控制方法與元件、重大裝備瓶頸技術方面取得突破性進展。主要技術發明為:

(1)針對多年來困擾氣動系統的低速和非線性問題,發明了高速高精度氣動控制方法,進步發明了一種帶套管鉆的大直徑氣動潛孔錘,首次提出并實現了雙通道潛孔錘,所研制的雙通道回轉接頭可同時注漿注氣,形成了螺旋排渣貫通式大直徑氣動潛孔錘設計方法。

(2)針對超高壓氣動控制閥及其系統的國際性難題,提出了70MPa和35MPa超高壓分級壓力控制方法,發明了高壓氣動減壓閥、動靜態補償與非對稱控制方法,自主研發了達到和超過國外同類產品水平的先進適用的車載超高壓控制閥,實現極端低溫(-40℃)和極端高溫(+60℃)下輸氫、加氫過程的快速充放以及行駛過程的超高壓穩定控制。

(3)發明了利用加速度技術的氣動液壓復合打樁錘系統,通過壓縮氣體和錘體慣性質量的綜合作用,實現錘體加速度2g以上的高速打樁。發明了可調偏心振動錘、新型氣液聯動復合液壓缸、水下打樁用大型分體式替打,提出了基于氮氣及蓄能器的打擊能量調節方法。

該系列成果獲授權發明專利48項,編制國家標準2項、行業標準4項,出版中文專著1部、英文專著1部,獲優秀科技圖書一等獎。發明成果氣動潛孔錘應用于復雜地層樁基施工。發明成果超高壓氣動控制閥用于氫能源汽車示范應用。發明成果氣動液壓錘用于深海風電基礎平臺等國家重大工程任務。近五年累計產值16.82億元。項目成果社會、經濟效益顯著。

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