重大工程用超长重载工程机械超高强钢臂架关键技术及应用项目.doc

重大工程用超长重载工程机械超高强钢臂架关键技术及应用一、项目名称： 重大工程用超长重载工程机械超高强钢臂架关键技术及应用二、推荐单位意见:该项目针对制约工程机械用超高强钢臂架结构设计及制造关键瓶颈技术进行攻关，突破了超高强钢臂架结构抗失稳设计、抗疲劳设计、精密冷弯成形及焊接变形控制等技术难题，掌握了超高强钢臂架设计、制造的自主核心技术，项目整体技术被行业专家鉴定为国际先进水平，使相关产品摆脱了跟随模仿局面，实现了自主创新。截止目前，该系列技术已经成功应用于大吨位起重机械、混凝土泵车、高空作业平台等 3 大系列 28 款产品的设计制造中，开发的系列产品多次被同行专家鉴定为国际领先或先进水平，依托项目关键技术研制出一批重大关键产品，其中包括世界最大吨位全地面起重机（2000吨）、大吨位履带式起重机（3200吨）、长臂架高空作业平台（百米级），打破了国外技术垄断。该项目共获授权发明专利18项，制修订国家标准2项、国际标准1项，出版专著2部，获直接经济效益12.49亿元，利润2.53亿元。2013年5月16日，在中国机械工业联合会组织的科技成果鉴定会上，项目整体技术被同行专家鉴定为“国际先进水平”，2013年获湖南省科学技术进步奖一等奖、中国机械工业科学技术奖一等奖。我单位认真审阅了该项目推荐书及附件材料，确认全部材料真实有效。同意推荐该项目申报2017年度国家科技进步奖二等奖。三、项目简介：国家能源、化工、交通等重大工程的建设与维护迫切需要配有超长重载臂架的大型工程机械，如臂架承载能力超过2000吨的全地面起重机、主臂长度超过100米的3000吨级核电用履带起重机、臂长超过100米的高空作业车等。臂架作为关键作业部件和主承载部件，决定了大型工程机械的性能，而大型工程机械的性能又决定了承担重大工程的能力。超长重载的极端工况条件下，臂架选材采用屈服极限700MPa以上的超高强钢是必由之路。超高强钢臂架是典型的细长薄壁结构，且材料塑性低、焊接性能差、裂纹扩展快，因此与普通钢材臂架相比，失效机理存在质的不同，不是以强度破坏为主，而主要是屈曲失稳和疲劳失效，传统的臂架设计、制造、寿命评估及修复技术不再适用。超长重载臂架关键技术长期未突破，导致国内重大工程用超长重载装备长期依赖进口。以第三代核电站吊装为代表的建设需求，即使采用国外产品，其臂架性能也难以满足施工要求。该项目依托国家“973”、“863”及科技支撑计划，针对超长重载工程机械超高强钢臂架的核心技术难题开展了深入研究，突破了技术瓶颈，形成了成套技术，主要创新包括：1、超高强钢臂架设计技术：探索出超高强钢臂架的等效缺陷分布规律；修正了超高强钢疲劳损伤量值及寿命估算模型；建立了超高强钢臂架可靠性数据库，突破了超长重载臂架的抗失稳、抗疲劳和可靠性设计难题，形成了成套设计技术，使全地面起重机臂架承载能力达到6000吨米，达到国际领先水平。2、超高强钢臂架制造技术：提出了一种适用于超高强钢材料的改进Y-U本构模型，开发了臂架精确冷弯成形技术，实现了超高强钢臂架多道折弯误差自适应补偿，截面尺寸1.4米以上，长度12米以上的吊臂折弯件，截面尺寸误差小于2mm，全长直线度小于2mm。在行业内首创了焊接变形同步控制技术，研制出臂架焊接变形同步控制装备，实现臂架焊接最大变形量减少43%，焊后矫形量减少50%。基于上述技术，解决了不同板厚、异形截面的大型超高强钢结构件的折弯精度控制难题和拼焊成型的控型与控性难题。3、超高强钢臂架寿命评估与修复技术：提出了超高强钢臂架缺陷影响系数与剩余寿命计算公式，形成臂架剩余寿命评估技术，实现超高强钢臂架剩余寿命评估。开发出超高强钢高能束熔敷专用材料，研制出臂架高能束熔敷装备，实现等离子熔敷处残余应力降低39%；形成了碳纤维复合材料增强修复成形关键技术与装备，使得增强修复后的超高强钢臂架达到与新品同级别的疲劳寿命。基于该技术实现了超高强钢臂架的科学寿命评估和安全可靠复用。上述技术创新，为2000吨全地面起重机、3200吨履带起重机、百米级高空作业平台等标志性产品提供了核心技术支撑，并广泛应用于起重机械、高空作业机械、混凝土机械等3大系列28款产品。采用该项目技术的中联重科ZCC3200NP履带式起重机完成了世界最大最重核电薄壳穹顶的吊装，实现了国产工程机械在重大工程中的突破。该项目共获授权发明专利18项，制修订国家标准2项、国际标准1项，出版专著2部，获直接经济效益12.49亿元，利润2.53亿元。2013年5月16日，在中国机械工业联合会组织的科技成果鉴定会上，项目整体技术被同行专家鉴定为“国际先进水平”，2013年获湖南省科学技术进步奖一等奖、中国机械工业科学技术奖一等奖。四、客观评价:1.鉴定意见（1）2013年5月16日，在中国机械工业联合会组织的“工程机械超高强钢臂架结构设计及制造关键技术”科技成果鉴定会上，同行专家的鉴定意见为：该项目“完善了超高强钢臂架结构稳定性精确分析及设计技术形成了超高强钢臂架结构抗疲劳设计规范实现了臂架成形高精度控制在行业内首创了焊接变形同步控制技术总体技术达到国际先进水平，经济效益和社会效益显著。”（2）2016年6月6日，由中国机械工业联合会组织的科技成果鉴定会上，以院士为组长的专家组一致认为“QAY2000全地面起重机”项目有以下创新：“研发了超高强钢（1100MPa）冷弯成型及等离子复合焊接技术，解决了臂架、支腿、车架等大型结构成型精度控制、焊接开裂变形等制作难题。整机起重性能处于国际领先水平。（3）2016年6月6日，由中国机械工业联合会组织的科技成果鉴定会上，以院士为组长的专家组一致认为“ZCC3200NP履带起重机”项目有以下创新：“研制出新型的并联双臂架结构，具有承载能力高，抗侧载能力强，提高了整机产品的可靠性。”（4）2015年5月17日，由山西省科学技术厅组织的“基于疲劳寿命的通用桥式起重机可靠性分析方法研究”科技成果鉴定会上，同行专家的鉴定意见为：“在起重机可靠性分析与安全评价领域填补了国内外空白，整体技术上达到国际领先水平。”2.验收意见（1）2014年4月25日，公安部科技信息化局组织的“十二五”国家科技支撑计划项目课题“百米举高消防车关键技术研究与产业化开发”验收会议上，以院士为组长的专家组认为：“创新了超高强度钢臂架压弯成型和焊接变形随焊控制技术，解决了复杂截面箱型臂架制造时存在的冷弯成形反弹控制和焊接变形大的难题，提升了安全性和可靠性”（2）2014年6月24日，科技部基础司组织的国家973计划项目“机械装备金属件精密成形及测控技术基础研究”验收会议上，以院士为组长的专家组认为：“掌握了起重机超高强钢臂架冷弯成形技术，研究成果已应用于起重机、高空作业车两大类产品的臂架制造，在促进行业技术升级方面起到积极作用。”（3）2016年5月18日，科技部高技术研究发展中心组织的国家863项目“工程机械共性部件再制造关键技术及示范”验收会议上，专家组认为：“开发了高能束熔敷、超声冲击、碳纤维增强等再制造成形关键技术，实现了再制造成形过程的精确控形与控性提出了工程机械关键部件的剩余寿命预测方法”3.用户意见该项目技术成果成功应用于起重机、泵车、消防车等产品中，并已应用到具体的工程施工，得到了用户的广泛好评。（1）中核机械工程有限公司评价为“ZCC3200NP履带起重机运行状况良好，结构安全可靠，有超强的起重能力，完成世界最重薄壳核电穹顶吊装。”（2）宁夏巨力神实业有限公司评价为“QAY2000全地面起重机臂架长，作业范围广，操控简单，控制精准，高效完成风电安装检修工作。高强钢臂架结实耐用，性能优异，大幅提升吊载能力，吊载时整车稳定性好。”（3）卫华集团有限公司评价为“超高强钢臂架结构可靠性设计分析及剩余寿命评估技术应用于我司产品，对在役结构件进行评估，有效降低了事故风险，通过主动评估和主动介入维护保养，平均降低了年均折旧9.8%”（4）上海锐鹿实业有限公司评价为“中联重科63米混凝土泵车（型号ZLJ5540）臂架等主要承载件结实可靠设计和焊接质量非常高，泵送时整体稳定性好”（5）黑龙江吉龙风电设备安装有限公司评价为“QAY800全地面起重机起重能力强，起升高度高，可轻易实现大型机舱的吊装，操控性好，大力提升风电吊装效率”（6）西安市高陵县消防大队评价为“我队于2016年6月购买中联重科ZLJ5400JXFDG54登高平台消防车，作业高度达54米的臂架，具有工作幅度大、动作时间短、灭火范围大等突出特点，臂架在灭火作业时能迅速展开，运作平稳，安全可靠”（7）大连博瑞重工有限公司评价为“通过采用超高强钢臂架结构可靠性设计分析和剩余寿命评估技术应用于我司产品后，有效地降低事故和失效风险，根据臂架结构剩余寿命评估，及时主动介入维护保养，使年均折旧率降低了7.94%”（8）商丘栗隆建材有限公司评价为“我司采购的中联重科52米混凝土泵车（型号ZLJ5411THBB），整体使用良好，性能稳定，场地适用性好，臂架、支腿、转台等主要结构件结实耐用，多台产品成功应用于国家重点大型工程的混凝土泵送任务。”4.技术检测报告（1）由国家建筑城建机械质量监督检验中心对该项目的超高强钢焊接技术成果进行了鉴定检验，检验结论为：超高强钢焊接采用改进工艺后，板边缘最大挠曲变形由原来的10.8mm降为1.25mm，端部最大角变形由原来的8.4mm降为0.8mm。（2）由国家建筑城建机械质量监督检验中心对应用该项目超高强钢臂架折弯制造技术的全地面起重机椭圆形吊臂折弯成形件进行了检验，检验结论为：QAY2000臂架（折弯样件尺寸为12784mm1442mm921mm）样品检测结果满足工艺要求，截面高度尺寸误差3mm，宽度尺寸误差2mm，圆度2mm，角度误差0.2，全长直线度2mm。（3）由国家建筑城建机械质量监督检验中心对应用该项目超高强钢结构抗疲劳设计技术的混凝土泵车臂架疲劳强度进行了检验，结论为：改进设计的BJB系列臂架的疲劳性能优于原设计BJA系列臂架，前者的平均疲劳寿命是后者的2.1倍。（4）由国家建筑城建机械质量监督检验中心对应用该项目超高强钢臂架修复技术的碳纤维增强高强钢结构件进行了检验，结论为：高强钢系列臂架疲劳寿命分别为390046次，410180次，381030次，410046次，410052次；碳纤维增强含损伤高强钢系列臂架寿命分别为320090次，350075次，400160次，401158次，401958次。对含高能束熔敷修复超高强钢臂架进行了检验，结论为：臂架主焊缝未经高能束熔敷的平均残余应力为602.4MPa，臂架主焊缝采用高能束熔敷、平均熔敷材料厚度0.12mm的平均残余应力为364.6MPa，臂架主焊缝采用高能束熔敷、平均熔敷材料厚度0.48mm的平均残余应力为-111.3MPa。（5）3200吨履带起重机通过“国家工程机械质量监督检验中心”型式试验，试验结论为“型式试验合格”。（6）2000吨全地面起重机通过“国家工程机械质量监督检验中心”型式试验，试验结论为“型式试验合格”。五、 推广应用情况该项目依托“973”国家基础科学研究计划项目，“863”国家高技术发展计划项目，“十二五”国家科技支撑计划，在超高强钢臂架结构抗失稳设计、抗疲劳设计、精密冷弯成形、焊接变形控制等关键技术方面实现了重大技术突破和实质性创新，形成了超高强钢臂架结构设计及制造关键技术，该关键技术使相关产品摆脱了跟随模仿的局面，实现了自主创新。成果已应用于3大系列28款产品，其中包括：世界最大吨位全地面起重机（2000吨）大吨位履带式起重机（3200吨）长臂架高空作业平台（百米级）以上产品满足了国家重大工程建设需求。主要应用单位情况表应用单位名称应用技术应用的起止时间应用单位联系人/电话应用情况中核机械工程有限公司整体技术2014年至今吕倩用项目技术设计制造的ZCC3200NP履带式起重机在石岛湾、田湾开展核电大件吊装项目。卫华集团有限公司整体技术2013年2月至今聂福用项目技术对在役结构件进行主动评估和主动介入维护保养。黑龙江吉龙风电设备安装有限公司整体技术2014年至今肖金用项目技术设计制造的QAY800全地面起重机开展了多项风电吊装项目。宁夏巨力神实业有限公司整体技术2016年5月至今贺成用项目技术设计制造的QAY2000全地面起重机开展了多项风电吊装项目。上海锐鹿实业有限公司整体技术2013年至今排士用项目技术设计制造的63米混凝土泵车顺利完成了多项国家重大工程建设任务。商丘栗隆建材有限公司整体技术2013年至今刘建用项目技术设计制造的52米混凝土泵车的多台产品已在国家重点大型工程中得到应用。大连博瑞重工有限公司整体技术2013年1月至今田东用项目技术对在役结构件进行主动评估和主动介入维护保养。西安市高陵县公安消防大队整体技术2016年6月至今黄光用项目技术设计制造的54米登高平台消防车在救援中发挥了重要作用。六、主要知识产权证明目录主要知识产权证明目录知识产权类别知识产权具体名称国家（地区）授权号授权日期证书编号权利人发明人专利有效状态发明工程机械设备的臂架成型精度的分析系统及分析方法中国ZL201310662032.32016-4-6证书号第2012716号中联重科股份有限公司王冲；付玲；任会礼；钟懿有效发明定位点焊方法、焊接方法和箱型梁的焊接方法中国ZL201210498918.42016-2-3证书号第1944621号中联重科股份有限公司王霄腾；谭星；任会礼；付玲有效发明桥式起重机当量载荷谱获取及疲劳剩余寿命估算方法中国ZL2011102670562013-6-5证书号第1206974号太原科技大学范小宁；徐格宁；陆凤仪；杨恒；渠晓刚有效发明起重机械、箱型臂及其制造工艺中国ZL201410467892.62016-2-3证书号第1944760号中联重科股份有限公司刘延斌；郭伦文；曾维栋；任会礼有效发明一种结构件稳定性试验装置中国ZL201110459887.72013-7-3证书号第1227624号中联重科股份有限公司谢唯艳；付顺强；任会礼有效发明箱形梁的焊接装配方法中国ZL201210438653.92015-11-4证书号第1833661号中联重科股份有限公司付玲；江亚平；李耀有效发明一种板材折弯角度检测装置和方法中国ZL201310371558.62016-6-8证书号第2106501号中联重科股份有限公司付玲；李昊；孙国香；钟懿；付顺强有效发明一种结构件性能测试系统中国ZL201210237736.12015-12-16证书号第1888315号中联重科股份有限公司涂宏斌；付玲；任会礼有效发明一种起重机械臂架侧倾监控设备、系统、方法和工程机械中国ZL201310572525.82015-8-12证书号第1751823号中联重科股份有限公司任会礼；高常春；李复懿有效发明一种起重机臂架的轮廓检测方法中国ZL201310681278.52016-3-30证书号第2006507号中联重科股份有限公司高常春;任会礼;曾维栋;王惠科;李复懿有效承诺：上述知识产权用于推荐国家科学技术进步奖的情况，已征得未列入项目主要完成人的权利人（发明专利指发明人）的同意。 第一完成人签名： 付玲七、主要完成人情况表姓 名排 名行政职务技术职称工作单位完成单位对本项目技术创造性贡献付玲一总工程 师研究员级高 工中联重科股份有限公 司中联重科股份有限公 司项目总负责人，对创新点1、2、3均有重要贡献，拥有相关发明专利10项。1、负责本项目总体方案设计及项目总体技术审核把关；2、主持超高强钢臂架结构抗疲劳设计技术研究；3、主持超高强钢臂架成形制造技术研究；4、参加了超高强钢臂架修复技术研究；5、指导了超高强钢臂架结构抗失稳设计和可靠性设计技术研究；6、指导了在役设备超高强钢臂架结构剩余寿命评估技术研究。在该项技术研发工作中投入的工作量占本人工作总量的80%。徐格宁二/教授太原科技大学太原科技大学项目分项技术负责人，对创新点1、3均有重要贡献，拥有相关发明专利1项；参与修订国家标准2项；主编专著2部。负责超高强钢臂架可靠性设计技术研究；负责在役设备超高强钢臂架结构剩余寿命评估技术研究；参加了超高强钢臂架结构抗失稳设计研究；指导了超高强钢臂架修复技术研究。在该项技术研发工作中投入的工作量占本人工作总量的70%。任会礼三院长助 理高级工程师中联重科股份有限公 司中联重科股份有限公 司项目分项技术负责人，对创新点1、2、3均有重要贡献，拥有相关发明专利14项。1、负责超高强钢臂架结构抗失稳设计技术研究；2、负责超高强钢臂架修复技术研究；3、参加了超高强钢臂架成形制造技术研究；4、参加了在役设备超高强钢臂架结构剩余寿命评估技术研究。在该项技术研发工作中投入的工作量占本人工作总量的70%。王霄腾四技术中心副主任工程师中联重科股份有限公 司中联重科股份有限公 司项目分项技术负责人，对创新点2、3有重要贡献，拥有相关发明专利5项。1、负责超高强钢焊接变形控制技术研究工作；2、负责超高强钢臂架熔敷修复技术研究；3、参加了超高强钢臂架冷弯成形制造技术研究；4、参加了超高强钢结构抗疲劳设计技术的研究工作。在该项技术研发工作中投入的工作量占本人工作总量的60%。钟懿五/工程师中联重科股份有限公 司中联重科股份有限公 司项目骨干，对创新点1、2有重要贡献，拥有相关发明专利3项。1、参加了超高强钢臂架成形制造技术研究，负责其中的臂架折弯制造技术研究；2、参加了超高强钢臂架结构抗失稳设计和可靠性设计技术研究。在该项技术研发工作中投入的工作量占本人工作总量的60%。刘延斌六/工程师中联重科股份有限公 司中联重科股份有限公 司项目骨干，对创新点3有重要贡献，拥有相关发明专利2项。负责在役设备超高强钢臂架结构碳纤维缠绕修复技术研究。在该项技术研发工作中投入的工作量占本人工作总量的60%。尹莉七/工程师中联重科股份有限公 司中联重科股份有限公 司项目骨干，对创新点1、3有重要贡献，拥有相关发明专利1项。1、参加了超高强钢臂架结构抗失稳设计和可靠性设计技术研究；2、参加了在役设备超高强钢臂架结构剩余寿命评估技术研究。在该项技术研发工作中投入的工作量占本人工作总量的75%。佘玲娟八/工程师中联重科股份有限公 司中联重科股份有限公 司项目骨干，对创新点1、3有重要贡献，拥有相关发明专利1项。1、参加了超高强钢臂架结构抗疲劳设计技术研究；2、参加了在役设备超高强钢臂架结构剩余寿命评估技术研究。在该项技术研发工作中投入的工作量占本人工作总量的75%。罗凯九起重机公司总经 理工程师中联重科股份有限公 司中联重科股份有限公 司项目骨干，对创新点1、3有重要贡献，参与制定相关标准1项。1、参加了超高强钢臂架结构抗失稳设计和抗疲劳设计技术研究；2、参加了在役设备超高强钢臂架结构修复技术研究。在该项技术研发工作中投入的工作量占本人工作总量的60%。谭星十/工程师中联重科股份有限公 司中联重科股份有限公 司项目骨干，对创新点2、3有重要贡献，拥有相关发明专利2项。1、参加了超高强钢焊接变形控制技术研究；2、参加了超高强钢臂架熔敷修复技术研究。在该项技术研发工作中投入的工作量占本人工作总量的70%。八、主要完成单位及创新推广贡献中联重科股份有限公司创立于1992年，主要从事工程机械、环境产业、农业机械研发制造和金融服务，是一家持续创新的全球化高端装备制造企业。中联重科是集国家认定企业技术中心、国家重点实验室、国家工程技术研究中心、国地联合工程研究中心四位一体的国家创新型企业，是国际标准化组织/起重机技术委员会（ISO/TC 96）秘书处的承担单位。该项目由中联重科股份有限公司与太原科技大学合作完成，在该项目的实施过程中，中联重科股份有限公司给予了全力支持：投入配套资金逾亿元，人员200余名。中联重科股份有限公司所属的建设机械关键技术国家重点实验室、国家工程技术研究中心、工程机械设备大型调试平台和产品试验基地为该项目的顺利实施和完成提供了强有力的支持。太原科技大学通过制修订起重机国家标准和编制专著等，为企业技术创新提供标准和理论方法支撑，并积极推动了研究成果的产业化与推广应用工作，使项目顺利完成并取得创新成果。项目完成单位对该项目技术及产品拥有完全自主知识产权，自2010年以来，利用项目关键技术已形成一大批超高、超大、超强的世界级标杆产品，其中包括： 世界最大吨位全地面起重机（2000吨） 3000吨级履带式起重机（3200吨） 长臂架高空消防车（百米级）应用该项目技术的 3大系列28款产品已经在上海、湖北、山西、宁夏、青海、安徽、云南、福建等特大型建筑和工程建设中发挥重大作用，产生了重大经济、社会、环保效益。九、完成人合作关系说明项目第一完成人付玲博士、研究员级高工是整个项目研究思路的提出者和制定者；项目成果是其多年来领导中联重科股份有限公司高强钢结构与制造技术创新团队多名工程师，联合太原科技大学共同完成的。项目第二完成人徐格宁教授对创新点1、3作出重要贡献，制定有关流动式起重机设计国家标准（附件25、26） ，主编专著起重机设计规范释义与应用和机械装备金属结构设计附件（27、28），为中联重科的企业技术创新提供了标准和理论支撑。完成人任会礼、王霄腾、钟懿、刘延斌、尹莉、佘玲娟、罗凯、谭星为中联重科股份有限公司高强钢结构与制造技术创新团队的骨干成员，作为主要参与人员参加了该项目的研究，并对整个项目做出了重要贡献。他们分别在“超高强钢结构设计”、“超高强钢结构制造”、“超高强钢结构检测、寿命评估与再制造”等多个研究方向进行了深入探索，在付玲博士和徐格宁教授的指导下取得了多项创新性成果，推动了超高强钢结构设计与制造技术的发展。完成人付玲、徐格宁、任会礼、罗凯、王霄腾、钟懿、刘延斌、尹莉、谭星作为项目骨干共同承担了863国家高技术发展计划课题“工程机械共性部件再制造关键技术及示范” （2013AA040203）（附件14）。完成人付玲作为负责人，完成人任会礼、王霄腾、钟懿作为项目骨干共同承担了973国家基础技术研究课题“起重机超高强钢臂架冷弯成形技术基础研究” （2012CB724302）（附件13）在整个项目的研究过程中，完成人任会礼、王霄腾、刘延斌、钟懿、谭星同付玲博士分别共同取得了发明专利授权10项，完成人任会礼、王霄腾、钟懿、佘玲娟、谭星同付玲博士分别共同发表了论文3篇。 第一完成人签名： 付玲 2017年1月3日完成人合作关系情况汇总表序号合作方式合作者/项目排名合作时间合作成果证明材料备注1共同立项共同获奖共同知识产权徐格宁/22008.03.01-2013.12.20863课题：工程机械共性部件再制造关键技术及示范获奖：中国机械工业科学技术奖一等奖专著：起重机设计手册附件14附件43附件372共同立项共同获奖共同知识产权任会礼/32008.9.1-2013.12.20973课题：起重机超高强钢臂架冷弯成形技术基础研究863课题：工程机械共性部件再制造关键技术及示范获奖：中国机械工业科学技术奖一等奖湖南省科学技术进步奖一等奖核心专利：工程机械设备的臂架成型精度的分析系统及分析方法ZL201310662032.3定位点焊方法、焊接方法和箱型梁的焊接方法 ZL201210498918.4论文：A modified Yoshida-Uemori constituteve model and its application to cold-bending in Weldox960附件13附件14附件43附件44附件1附件2附件40附件413共同