起重机械能耗评价技术的研究现状分析与展望

曾汉生 葛志浩 帅飞

摘   要：本文介绍了国内起重机械市场状况，结合当前国家战略发展部署与要求，分析了能耗评价的必要性;针对当前起重机械两大类节能技术，重点综述了起重机械能耗评价方法的现状及发展，对有关方法进行了总结与评述，同时给出了针对桥式起重机的能耗评价过程及涉及的关键技术，包括起重机能耗特性分析、能耗评价指标体系建立、能耗测试与数据分析、起重机聚类分析及起重机能耗分级与评价等。

关键词：起重机械  能耗评价  能耗分级  节能研究

中图分类号：TH21                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0240-02

被喻为“巨人之臂”的起重机械是减轻劳动强度、提高作业效率，实现机械化、自动化以及安全生产的重要设备。目前，起重机械已经广泛应用于工矿企业、港口码头、货运仓库、海洋探索、能源建设、航天航空等国计民生部门，是形成大批量生产、机械化流水作业的工业基础，也是现代化生产必不可少的重要标志，可以表征一个国家生产过程的机械化和自动化水平[1]。

随着中国经济持续快速增长，全国各地城镇化建设的陆续展开和加速发展，包括铁路交通、建筑建设、能源水利等各个方面的诸多工程建设，给中国起重机行业的发展提供了一个更为广阔的前景。目前，中国已经成为全球最重要的工程机械市场[2]。

能源是人类生存和发展的基本条件，随着社会经济的快速发展，我国能源需求与供给的矛盾日益突出。针对能源需求和供给的矛盾，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中明确指出“能源在国民经济中具有特别重要的战略地位”，以及“坚持节能优先，降低能耗[3]，攻克主要耗能领域的节能关键技术，积极发展建筑节能技术，大力提高一次能源利用效率和终端用能效率”的发展思路。同时，国务院最新印发的《“十三五”节能减排综合工作方案》也提出要以提高能源利用效率和改善生态环境质量为目标[4]。

起重机械作为一种典型的特种设备，其应用领域包括了国家重点发展的能源、电力、石化、冶金、造船、交通等。目前我国起重机械的年产量和保有量已居世界前列。起重机械耗能量迅速增多的现状，已经引起社会和政府部门的重点关注。虽然，目前起重机械行业已经设定了起重机械的节能技术要求，但依然没有建立起重机械节能技术的规范和考核标准，而起重机械能耗检测与评价正是制定和推广规范和标准的必要条件。因此，结合起重机械行业的发展现状，开展能耗检测技术、评价方法的研究，以科学的方法填补我国起重机能耗检测和评价领域的不足，有利于起重机械节能技术的推广及《“十三五”节能减排综合工作方案》中目标和任务的落实。本文在综述国内外起重机械能耗评价方法的基础上给出了针对桥式起重机能耗评价的具体研究过程。

1  国内外研究现状

依据已有的研究成果，起重机械的节能技术可归纳为两大类：基于减少能量损失的节能研究和基于能量回收再利用的节能研究。传统的起重机械结构形式粗大笨重，制造成本和运行能耗高，控制智能化程度低，产品可靠性差，因此，国内外在减少能量损失的节能研究方面，主要针对起重机械的轻量化和智能化进行研究[5]。

此外，目前国内外针对起重机械的能耗评价研究工作开展的较少。陈瑞峰[6]以桥式起重机为研究对象，通过分析起重机械的机械特性，提出将工作机构分开评价的原则，综合利用回归分析、神经网络和箱线图理论，以单位质量能耗、单位位移能耗以及单位速度能耗作为能耗评价指标，实现了桥式起重机能耗的评价和分级;叶伟[7]从桥式起重机的全生命周期出发，分析了影响能耗的因素，结合粗糙集理论、BP神经网络以及DS证据理论进行了数据融合，并对桥式起重机的能耗进行了评价，划分了能耗等级，通过进一步研究提出根据评价结果指导起重机设计人员优化起重机械的方法。孙建锐[8]以岸边集装箱起重机为研究对象，对现代岸边集装箱起重机的分类进行了研究，提出以起重量和起升高度为起重机分类依据，并根据运输行业对高能耗设备的相关定义，结合岸边集装箱起重机作业特点，给出了岸边集装箱起重机能耗等级分级原则和分级指标。

2  展望

本文阐述了起重机械能耗评价的理论方法和研究应用现状，在前述研究的基础上提出针对桥式起重机的能耗评价过程：

（1）桥式起重机能耗特性分析。依托于对电力拖动系统的理论研究，建立桥式起重机工作机构的平衡方程。分析桥式起重机能量损失对作业水平和桥式起重机性能的影响。

（2）建立能耗评价指标体系。根据桥式起重机工作机构的运行特性，建立物理模型，并结合对桥式起重机能耗特性的分析，研究影响桥式起重机能耗的主要因素。通过比较分析已有的能耗评价技术，提出以工作机构的单位能耗作为桥式起重机能耗评价的关键指标。以影响因素和机构单位能耗为基础，结合评价指标筛选的原则，构建可用于桥式起重机能耗分级与评价的指标体系。

（3）能耗测试与数据分析。综合分析桥式起重机工作机构的工作特性和运行状态后，依据现有的国家标准以及常用测试方法，结合桥式起重机实际的作业情况，设计符合本研究需求的测试方案。可选取部分具有代表性的桥式起重机，依据设定的测试方案进行现场试验，采集能耗评价所需的能耗数据，并对数据进行了处理与分析，验证单位工作量能耗作为关键评价指标的合理性和科学性。

（4）桥式起重机聚类分析。在桥式起重机能耗数据缺少明确等级标签的情况下，基于无监督学习的评价方法提出“先聚类后分级”的桥式起重机能耗评级思想。利用神经网络和聚类算法相结合的方法，实现桥式起重机能耗的聚类划分，计算每个类别的聚类中心。

（5）基于熵值法加权的桥式起重机能耗分级与评价，以试验测试的能耗数据为基础，利用熵值法对评价指标的权重进行赋值，提出依据聚类中心和指标权重利用线性加权计算桥式起重机综合能耗分数的方法，并以综合能耗分数为依据，实现桥式起重机能耗分级与评价。

参考文献

[1] 王超.起重机行业发展综述[J].工程建设， 2011， 43（5）：50-53.

[2] 宋希文.我國起重机械产业发展状况及标准化现状分析[J].科技风， 2018（3）：138.

[3] 中华人民共和国国务院.国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）（中华人民共和国国务院）[J].经济管理文摘， 2006（4）：4-19.

[4] 国家发展改革委，环境保护部.《“十三五”节能减排综合工作方案》解读[J].建设科技，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] 陈瑞峰. 桥式起重机运行能耗等级分类方法研究[D]. 东华大学， 2015.

[7] 叶伟. 桥式起重机节能评价技术研究及系统开发[D]. 南京理工大学， 2014.

[8] 孙建锐. 岸边集装箱起重机能耗等级试验研究[J]. 港口装卸， 2016（4）：52-55.