楊春永，高乃修，耿青，王增鋒

(卡特彼勒技術(shù)研發(fā)(中國(guó))有限公司青島分公司，山東 青島 266061)

0 引言

我國(guó)當(dāng)前的工程機(jī)械設(shè)備保有量超過(guò)800萬(wàn)臺(tái)，僅在2020年，主要產(chǎn)品銷售量就達(dá)到1475285臺(tái)套，銷售額突破7000億人民幣，稱得上是名副其實(shí)的工程機(jī)械生產(chǎn)制造大國(guó)，有力地支援了國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)。但與此同時(shí)，由于工程機(jī)械設(shè)備大多以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力源，能源消耗大，尾氣排放多，因此被稱為行走的環(huán)境污染大戶。在這樣的情況下，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的鄭重承諾深感責(zé)任重大，同時(shí)壓力陡增。

在深刻感受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的同時(shí)，工程機(jī)械廠家也已經(jīng)意識(shí)到碳中和目標(biāo)所蘊(yùn)藏的巨大機(jī)遇。一方面，“碳達(dá)峰、碳中和”作為國(guó)家政策，在“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中，對(duì)碳中和目標(biāo)和三大支柱非常明確，工程機(jī)械廠家唯有堅(jiān)定不移地走綠色發(fā)展之路，全力打造綠色工程機(jī)械產(chǎn)品，從根本上解決產(chǎn)業(yè)環(huán)境污染的問(wèn)題,這是可持續(xù)發(fā)展的必然選擇；另一方面，雖然困難重重，挑戰(zhàn)嚴(yán)峻，但正如蒸汽機(jī)的誕生帶來(lái)了影響人類歷史進(jìn)程的第一次工業(yè)革命一樣，“碳中和”必將會(huì)引發(fā)深層次的工業(yè)革命，為我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)迎來(lái)更大的發(fā)展空間。

工程機(jī)械綠色化的整體技術(shù)策略概括為“三二一”，如圖1所示(本文沒(méi)有涉及金融政策等其他市場(chǎng)調(diào)節(jié)手段)。即在三大支柱的指引下，首先盡最大努力控制和減少碳排放，其次，對(duì)仍然殘余的碳化物采用技術(shù)固碳和生態(tài)固碳，轉(zhuǎn)化為對(duì)環(huán)境無(wú)害甚至有益的成分，最終實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

圖1 工程機(jī)械行業(yè)碳減排的支柱、路徑和目標(biāo)

下面，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝制造、使用維護(hù)等工程機(jī)械全生命周期的角度，圍繞實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳中和目標(biāo)的兩條綠色發(fā)展技術(shù)路徑進(jìn)行分析探討。

1 工程機(jī)械碳減排路徑一：控制和減少碳排放

在工程機(jī)械行業(yè)，目前化石能源仍占主流，而且，在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，化石能源將與新能源相伴而生，所以，在不可避免要產(chǎn)生碳排放的情況下，控制和減少碳排放成為當(dāng)務(wù)之急。

工程機(jī)械行業(yè)已經(jīng)在用的和發(fā)展中的節(jié)能減排技術(shù)，涵蓋綠色設(shè)計(jì)、綠色制造和綠色使用在內(nèi)的全生命周期，下面從提高效率和降低損耗兩方面分別加以介紹。

1.1 輕量化技術(shù)

工程機(jī)械輕量化技術(shù)，是指通過(guò)優(yōu)選材料、改善制造工藝、調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)等來(lái)減輕工程機(jī)械本身的整體重量，其目標(biāo)是在滿足給定的客戶需求(產(chǎn)品性能、可靠性和使用壽命等)的邊界條件下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器結(jié)構(gòu)自身重量的最小化，以此來(lái)達(dá)到節(jié)約能源，減少污染物排放并降低成本的目的。

輕量化技術(shù)是跨學(xué)科的工程科學(xué)，它涉及到材料學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、制造技術(shù)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)，是輕量化結(jié)構(gòu)、輕量化材料和輕量化工藝三種主要技術(shù)途徑的集成應(yīng)用[1]。

1.1.1 輕量化結(jié)構(gòu)

我國(guó)在輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)工作裝置機(jī)構(gòu)分析動(dòng)力學(xué)仿真、車架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面先后進(jìn)行了深入的研究，取得了豐富的研究成果。在對(duì)仿生學(xué)的研究方面也取得了大量的成果，給輕量化設(shè)計(jì)指明了方向。研究發(fā)現(xiàn)，在植物和動(dòng)物的世界里，生態(tài)構(gòu)造永遠(yuǎn)是以最小能源消耗方式制造出來(lái)的，重量輕，壽命長(zhǎng)，并保持一定的剛度，如蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及蜂巢構(gòu)造等已經(jīng)應(yīng)用在輕量化設(shè)計(jì)當(dāng)中，如圖2所示是幾個(gè)實(shí)例。

圖2 輕量化結(jié)構(gòu)實(shí)例

1.1.2 輕量化材料

輕量化材料，即采用輕量化的金屬和非金屬材料來(lái)降低目前以高密度鋼材為主的整機(jī)重量。輕量化的金屬材料主要包括高強(qiáng)度合金鋼、鋁合金、鎂合金等；輕量化非金屬則主要包括工程塑料以及玻璃鋼、碳纖維等復(fù)合材料。復(fù)合材料具有強(qiáng)度好、比模量高、抗疲勞斷裂的性能好、尺寸穩(wěn)固、耐磨，抗腐蝕性能好、噪音低、絕緣性能好的優(yōu)點(diǎn)，碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量只有相同強(qiáng)度普通纖維材料的1/4[2]。見(jiàn)圖3。

圖3 輕量化材料

1.1.3 輕量化工藝

工程機(jī)械的輕量化工藝可采用多種新型技術(shù)，比如：3D打印和冷噴涂技術(shù)；塑性成形技術(shù)；熱成形與連接技術(shù)等[3]。

1.1.4 輕量化實(shí)例

輕量化技術(shù)的特點(diǎn)是綜合效益好，且已被實(shí)踐證明是工程機(jī)械節(jié)能減排的有效方法之一，有研究顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。下面是采用輕量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的實(shí)例：

(1)中聯(lián)重科開(kāi)發(fā)的80 m碳纖維臂架混凝土泵車，采用了碳纖維復(fù)合材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用小一級(jí)底盤等輕量化技術(shù)，比同級(jí)的鋼臂架混凝土泵車重量減輕40%，油耗降低15%，整車長(zhǎng)度縮短30%，方便了運(yùn)輸和使用[3]。

(2)ZL60裝載機(jī)的變速箱殼體，采用輕量化設(shè)計(jì)后，重量降低了15%，而最大變形量卻降低了21%。

(3)玻璃鋼在壓路機(jī)、裝載機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)罩上應(yīng)用較為廣泛，這種材料不僅工藝性能好，而且設(shè)計(jì)靈活，成本低，重量輕。

1.1.5 輕量化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景

我國(guó)在輕量化設(shè)計(jì)方面起步較晚，前些年雖然也引進(jìn)了美國(guó)卡特彼勒和日本小松等的產(chǎn)品和技術(shù)，但企業(yè)自主創(chuàng)新能力薄弱，大量產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，長(zhǎng)期采用類推的方法 ，缺少優(yōu)秀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) ，導(dǎo)致企業(yè)的輕量化大多還處于初級(jí)階段，如表1所示，距離大數(shù)據(jù)支撐的專家智能設(shè)計(jì)模式相差甚遠(yuǎn)。

表1 輕量化設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

未來(lái)提高輕量化設(shè)計(jì)水平，需要從以下三個(gè)重要的發(fā)展方向進(jìn)行努力。一是學(xué)習(xí)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，最大限度地應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，如CAD/CAE/CAM等軟件，重視實(shí)驗(yàn)的投入和積累；二是加大仿生學(xué)的研究及成果的轉(zhuǎn)化；三是推動(dòng)人才發(fā)展，做好知識(shí)管理與傳承。

1.2 動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)

動(dòng)力系統(tǒng)是碳排放的主要源頭，因此，碳減排應(yīng)首先從動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能開(kāi)始，提高能源利用效率。

1.2.1 內(nèi)燃機(jī)熱效率提升技術(shù)

我國(guó)是內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)銷大國(guó)，內(nèi)燃機(jī)的二氧化碳排放量達(dá)到全國(guó)總量的10%，氮氧化物排放量占30%，是目前節(jié)能減排最具潛力、效果最為明顯的行業(yè)之一。但內(nèi)燃機(jī)的熱效率不高也是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，自1897年世界上第一臺(tái)柴油機(jī)成功面世，歷經(jīng)百年的改造升級(jí)，柴油機(jī)熱效率也只是提升到46%。隨著近幾年排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，熱效率的提升是世界公認(rèn)的行業(yè)技術(shù)難題。

但就在2020年9月16日，內(nèi)燃機(jī)發(fā)展迎來(lái)了歷史性新突破！據(jù)濰柴集團(tuán)網(wǎng)站消息，中國(guó)裝備制造業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，濰柴集團(tuán)正式發(fā)布擁有五大專有技術(shù)、全球首款、本體熱效率達(dá)到50.26%的柴油機(jī)，且滿足國(guó)六/歐Ⅵ排放要求，并率先具備了量產(chǎn)和商業(yè)化條件。行業(yè)專家指出，從日前46%的行業(yè)平均熱效率提升至50.26%，柴油消耗將降低8%，二氧化碳排放減少8%。

1.2.2 純電驅(qū)動(dòng)技術(shù)

純電驅(qū)動(dòng)是使用電動(dòng)機(jī)這種單一能源輸出的機(jī)械力作為車輛驅(qū)動(dòng)力的技術(shù)。由于國(guó)家政策的大力支持，純電動(dòng)技術(shù)在工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展迅速，各廠家紛紛推出了純電動(dòng)的挖掘機(jī)、推土機(jī)、裝載機(jī)、壓路機(jī)、叉車等等，效率提高一倍以上，更可貴的是可實(shí)現(xiàn)零碳排放。目前純電動(dòng)工程機(jī)械的主要發(fā)展障礙是電池等成本較高以及續(xù)航能力有待提高。

1.2.3 燃料電池驅(qū)動(dòng)技術(shù)

燃料電池有多種，但目前在工程機(jī)械中實(shí)用的只有氫燃料電池。它以氫氣為燃料,與氧氣經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后透過(guò)質(zhì)子交換膜產(chǎn)生電能。反應(yīng)后生成水,不排放碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物，且發(fā)電效益高，我國(guó)使用氫能源的公交車已經(jīng)行駛在多個(gè)城市的馬路上。

耕地是人類賴以生存的基本條件，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，而且土地資源本身具備一定的環(huán)境修復(fù)功能，對(duì)地球表層的生態(tài)系統(tǒng)改造有很大影響。中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但是耕地總面積較少，加上近年來(lái)城市化、工業(yè)化發(fā)展，導(dǎo)致一部分耕地資源逐漸變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，加大了糧食安全生產(chǎn)壓力。

1.2.4 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)技術(shù)

混合動(dòng)力是指車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由兩個(gè)或多個(gè)能同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的單個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合組成。工程機(jī)械中常用的有油電混合動(dòng)力和油液混合動(dòng)力技術(shù)，目前，以油電混合動(dòng)力為主的工程機(jī)械已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。以挖掘機(jī)為例，從主要生產(chǎn)廠家的公開(kāi)資料中發(fā)現(xiàn)，混合動(dòng)力挖掘機(jī)節(jié)約燃料30%以上，同時(shí)提高工作效率25%以上[4]。

1.2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)變功率控制技術(shù)

隨著電噴發(fā)動(dòng)機(jī)在工程機(jī)械行業(yè)的普及應(yīng)用，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率控制的精細(xì)化程度進(jìn)一步提高了，從最初的只能輸出一條功率曲線，到可以輸出三條或以上的可供用戶選擇的曲線，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出效率進(jìn)一步提升，如今，隨著控制系統(tǒng)的發(fā)展，多功率模式的選擇正從手動(dòng)式向自動(dòng)化發(fā)展。

1.2.6 光伏及風(fēng)能利用技術(shù)

隨著技術(shù)的發(fā)展，光伏、風(fēng)能等清潔能源將是我國(guó)未來(lái)的主力能源，根據(jù)國(guó)際可再生能源署預(yù)測(cè)，到2050年，中國(guó)風(fēng)電、光伏合計(jì)占總發(fā)電裝機(jī)量比重將超過(guò)70%。剛獲得全球制冷技術(shù)大獎(jiǎng)賽金獎(jiǎng)，可降低85.7%碳排放的“零碳源”格力空調(diào)，即是以光伏為動(dòng)力源，利用光伏直驅(qū)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能及市電資源的無(wú)縫切換，通過(guò)自主發(fā)電大幅降低市電用量，從而減少空調(diào)運(yùn)行過(guò)程中的碳排放，通過(guò)集成創(chuàng)新和智能設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)空調(diào)的能效極限。

工程機(jī)械大多在野外工作，暴露在風(fēng)吹日曬當(dāng)中，更有利于對(duì)光能和風(fēng)能的充分利用，可為車輛空調(diào)和其他電器件提供源源不斷的清潔能源。

1.3 傳動(dòng)及液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

效率的提升，也就意味著在工作量不變的條件下可以節(jié)約能源，減少碳排放。近年來(lái)，我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)在傳動(dòng)和液壓系統(tǒng)的效率提升方面做了大量的工作。

傳動(dòng)效率提升方面，像變矩器的閉鎖控制、單向?qū)л啞㈦p泵輪技術(shù)；變速箱的自動(dòng)和半自動(dòng)控制、齒輪精度的提高和斜齒輪的應(yīng)用、紙基摩擦片、雙排量變速泵的應(yīng)用；濕式制動(dòng)的驅(qū)動(dòng)橋及限滑差速器的應(yīng)用，以及優(yōu)化加油量、減小齒輪攪油損失和潤(rùn)滑油的性能提升等。

液壓系統(tǒng)的能量損耗主要包括溢流損耗和節(jié)流損耗，其來(lái)源則包括液壓系統(tǒng)和液壓元件本身。液壓元件的效率提升包括，用柱塞泵替代齒輪泵，用變量泵替代定量泵等；以及大大提高了液壓缸和液壓閥的效率等。對(duì)節(jié)能型液壓系統(tǒng)的研究也取得了一系列的成果，如靜液壓技術(shù)、優(yōu)化的正、負(fù)流量系統(tǒng)、新型復(fù)合流量系統(tǒng)、負(fù)載敏感系統(tǒng)、多泵控制系統(tǒng)、泵控及二次調(diào)節(jié)技術(shù)、負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)、液壓矩陣控制技術(shù)、基于高速開(kāi)關(guān)閥的液壓控制技術(shù)等，完美地將恒功率和恒扭矩控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。

1.4 制動(dòng)及其他系統(tǒng)能量回收技術(shù)

與汽車的制動(dòng)類似，以裝載機(jī)為代表的工程機(jī)械在行走制動(dòng)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生大量的制動(dòng)動(dòng)能，而且制動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于公路車輛工況，傳統(tǒng)的制動(dòng)動(dòng)能一般消耗在機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中，不僅浪費(fèi)了大量的制動(dòng)動(dòng)能，還會(huì)降低制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。因此，在車輛制動(dòng)時(shí)回收車輛的動(dòng)能，并儲(chǔ)存在電容器中，在需要時(shí)可以將能量迅速釋放。

裝載機(jī)的動(dòng)臂、挖掘機(jī)的大臂和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等，由于運(yùn)動(dòng)比較頻繁，慣性比較大，在動(dòng)臂下放或機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)釋放大量的能量，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生不利影響。而用能量回收的方法把這些能量回收起來(lái)以備再用，不但節(jié)約能源，還可以減少系統(tǒng)的發(fā)熱和磨損，提高設(shè)備的使用壽命[5]。

1.5 潤(rùn)滑油提效技術(shù)

提高傳動(dòng)效率、減少磨損損失也是廣大工程機(jī)械業(yè)主對(duì)新型潤(rùn)滑油的迫切要求，各主要潤(rùn)滑油生產(chǎn)廠家在研制降低磨損、延長(zhǎng)使用壽命的潤(rùn)滑油等方面做了大量的工作，國(guó)產(chǎn)潤(rùn)滑油的各項(xiàng)性能大幅提高，也大大提高了工程機(jī)械的傳動(dòng)效率。

同時(shí)，隨著密封技術(shù)的提高，有效降低了平時(shí)的跑冒滴漏；隨著可降解潤(rùn)滑油的使用、強(qiáng)化廢油回收和再制造等措施，顯著地降低了環(huán)境污染；隨著長(zhǎng)壽命或全壽命潤(rùn)滑油的使用，大大延長(zhǎng)了換油周期，減少了換油次數(shù)。比如，國(guó)內(nèi)卡車的換油周期從1萬(wàn)公里變成到10萬(wàn)公里，意味著每行駛10萬(wàn)公里就減少了9次換油，減少的換油成本和停機(jī)損失等可以顯著提升經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，減少了廢油的產(chǎn)生和新油的消耗，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果；長(zhǎng)效液壓油壽命已可達(dá)到10000 h，相比以前的1000 h強(qiáng)制換油，一個(gè)長(zhǎng)的換油周期節(jié)省了90%以上的成本。

1.6 新操控技術(shù)

毫無(wú)疑問(wèn)，現(xiàn)代工程機(jī)械正處在一個(gè)機(jī)、電、液、信一體化的發(fā)展時(shí)代，機(jī)械、液壓和電子控制以及信息技術(shù)等的有機(jī)結(jié)合，極大地提高了工程機(jī)械的各種性能，目前正朝著簡(jiǎn)單化、智能化、遠(yuǎn)程化、無(wú)人化、機(jī)群化的方向快速發(fā)展。

操控的簡(jiǎn)單化，大大減輕了司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度。圖4所示的一款裝載機(jī)變速操縱桿的發(fā)展史代表了操縱簡(jiǎn)單化的發(fā)展趨勢(shì)。這是一款典型的使用定軸式變速箱的五噸裝載機(jī)，變速操縱桿最初有三根，分別是方向、擋位和高低速操縱桿；后來(lái)發(fā)明了單桿操縱閥，即將換向和換擋合并成為一根；再后來(lái)，成功開(kāi)發(fā)半自動(dòng)變速箱，又取消了高低速操縱桿；現(xiàn)在，已經(jīng)和工作裝置操縱集成在一起，單按鈕即可操縱換擋；最近，觸屏式操縱已經(jīng)走出了試驗(yàn)室，即將大批量使用；而未來(lái)的操作模式應(yīng)該是感應(yīng)式的，所有的操縱將自動(dòng)完成。

圖4 一款定軸式變速箱換擋操縱桿的發(fā)展變化

除了簡(jiǎn)單化，當(dāng)屬操控智能化了，如平地機(jī)的自動(dòng)找平，攤鋪機(jī)的自動(dòng)供料，挖掘機(jī)的電子功率優(yōu)化，裝載機(jī)自動(dòng)換擋、機(jī)器的狀態(tài)監(jiān)控與故障自診斷等。隨著5G、云計(jì)算和IIOT技術(shù)的日趨成熟和商業(yè)化，解決了困擾人們已久的大數(shù)據(jù)時(shí)延及存儲(chǔ)難題，遠(yuǎn)程操控也已成為一大熱點(diǎn)，多個(gè)廠家推出的兩千公里以外的精準(zhǔn)操控機(jī)型引起了客戶的極大興趣。

無(wú)人駕駛是智能化的重要標(biāo)志，國(guó)際巨頭們也正圍繞無(wú)人駕駛展開(kāi)激烈交鋒，力爭(zhēng)率先推出自己的無(wú)人駕駛產(chǎn)品，以搶占市場(chǎng)的制高點(diǎn)和發(fā)言權(quán)。

智能化和無(wú)人化也大大推動(dòng)了集群化的發(fā)展，從最初的僅有2臺(tái)機(jī)器的配合，比如挖掘機(jī)和礦車的無(wú)人化完美協(xié)作，到現(xiàn)在有幾十臺(tái)機(jī)器組成的無(wú)人化施工方陣，場(chǎng)面蔚為壯觀。

1.7 新制造技術(shù)

當(dāng)前，采用綠色制造工藝，有效地利用能源和資源，使廢物產(chǎn)生最少化并實(shí)現(xiàn)綜合利用已成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，大量制造新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并有數(shù)十家“燈塔工廠”已投入生產(chǎn)。

1.7.1 新機(jī)器的綠色制造技術(shù)

綠色制造技術(shù)包括傳統(tǒng)工藝的綠色化和新綠色工藝的使用。在傳統(tǒng)工藝中，許多都可增加綠色屬性，只是綠色程度可能有差異。比如:(1)機(jī)加工中干式切削、干式磨削都屬綠色加工工藝，另外高速、超高速磨削、鉆削也具有綠色屬性，其共同點(diǎn)是節(jié)約了工時(shí)，提高了效率，減少了噪聲。(2)某些工藝的調(diào)整改進(jìn)也增加了綠色屬性，如無(wú)氰電鍍、非氰化淬火等。(3)新的鍛造、壓鑄、粉末冶金、激光拼焊等工藝減輕了零件重量、節(jié)約了材料。

在新的制造工藝和制造模式中，數(shù)字化、虛擬化和快速成型等備受青睞。對(duì)于大多數(shù)企業(yè)而言，數(shù)字化是促進(jìn)碳中和的最佳工具，它打造了能耗衡量和分析的基礎(chǔ)，并通過(guò)整合管理降低能耗。研究顯示，只要是能夠加速實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的工業(yè)企業(yè)都得到了效率的提升、成本的縮減和收益的增加。通過(guò)測(cè)算增加10%勞動(dòng)生產(chǎn)率可以相當(dāng)于減少3%的能源需求。

虛擬制造技術(shù)填補(bǔ)了CAD/CAM技術(shù)與生產(chǎn)全過(guò)程、企業(yè)管理之間的技術(shù)缺口，把產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)、作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度、制造過(guò)程、庫(kù)存管理、成本核算、零部件采購(gòu)等企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)在產(chǎn)品投入之前就在計(jì)算機(jī)上加以顯示和評(píng)價(jià)，從而更有效、更經(jīng)濟(jì)地靈活組織生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最高化。

快速成型技術(shù)(RPM)是集CAD/CAM、激光加工、數(shù)控和新材料等技術(shù)領(lǐng)域的最新成果于一體的零件原型制造技術(shù)。該技術(shù)不像傳統(tǒng)的零件制造方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造時(shí)間減少為幾天、幾小時(shí)，大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，減少了開(kāi)發(fā)成本[6]。

1.7.2 再制造技術(shù)

再制造為舊機(jī)器注入新的活力，它雖然以舊機(jī)器設(shè)備為毛坯，但卻采用專門的工藝和技術(shù)，在原有制造的基礎(chǔ)上拆解到最小的部分，并進(jìn)行新的創(chuàng)造，確保重新制造出來(lái)的產(chǎn)品在性能和質(zhì)量方面均不遜色于原來(lái)的新品。再制造有科學(xué)的生產(chǎn)流程，也是先進(jìn)表面技術(shù)、微納米涂層及微納米減摩自修復(fù)材料和技術(shù)、修復(fù)熱處理技術(shù)、再制造毛坯快速成形技術(shù)及過(guò)時(shí)產(chǎn)品的性能升級(jí)技術(shù)等多種高新技術(shù)的高度集成，和二手翻新有根本的不同工程機(jī)械中適合再制造的零部件主要有發(fā)動(dòng)機(jī)及燃油系統(tǒng)、傳動(dòng)及液壓零部件、潤(rùn)滑油等，其中，潤(rùn)滑油再生油項(xiàng)目潛力巨大，因?yàn)?0%以上的潤(rùn)滑油廢液可以再生利用，經(jīng)提煉后高達(dá)75%的油液可轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)油，剩余含有油泥、積炭的殘?jiān)蓾M足鋪路瀝青等的需求，此外還有少部分燃油產(chǎn)品和循環(huán)水，廢液經(jīng)過(guò)整個(gè)流程處理后不再產(chǎn)生遺留物質(zhì)，“變廢為寶”全部轉(zhuǎn)化為可利用資源。

在國(guó)外，美國(guó)和日本等再制造較為成熟，卡特彼勒從1973年開(kāi)始再制造業(yè)務(wù)，2005年在上海建立了再制造中心，2012年再次擴(kuò)產(chǎn)。以氣缸蓋為例，再制造可以減少61%的溫室氣體排放，減少86%的用水量，減少85%的能源消耗，同時(shí)提高82%的生產(chǎn)安全性[7]。

在國(guó)內(nèi)，部分廠家開(kāi)展了再制造業(yè)務(wù)，但總體來(lái)講，成套技術(shù)尚不成熟，還處于技術(shù)啟動(dòng)階段。

1.8 智慧服務(wù)技術(shù)

智慧化服務(wù)的核心是利用大數(shù)據(jù)、5G和北斗等技術(shù)，能夠提前準(zhǔn)確地識(shí)別出客戶不同階段的真正需求，為客戶提供成套化的解決方案，讓客戶的運(yùn)營(yíng)更高效、更加可持續(xù)。其最終目標(biāo)是設(shè)備狀態(tài)可控，服務(wù)按需提供，故障診斷遠(yuǎn)程，維護(hù)替代維修。

智慧化服務(wù)之所以重要，除了從商業(yè)角度可以賺取更多的配件利潤(rùn)以外，從節(jié)能減排的角度看意義更大。首先，工程機(jī)械在使用中的浪費(fèi)依然觸目驚心！以輪式工程機(jī)械主要消耗品的輪胎為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，輪胎在總使用成本中占比達(dá)到20%以上，而只有25.9%的輪胎為正常報(bào)廢，74.1%為使用或修理不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻姆钦?bào)廢。造成這種情況的根本原因，除了輪胎本身的質(zhì)量問(wèn)題以及用戶的使用和管理問(wèn)題外，最重要的是在使用過(guò)程中，沒(méi)有持續(xù)地對(duì)胎壓、溫度等直接影響輪胎使用壽命的因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其次，智慧化服務(wù)將單純的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)，擴(kuò)展到全生命周期的服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)，利于用優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、服務(wù)和體驗(yàn)留住終端客戶[8]。

智慧化服務(wù)中另一個(gè)潛力巨大的項(xiàng)目是各類潤(rùn)滑油和濾油器的管理。作為另一個(gè)主要消耗品，目前仍然沿用傳統(tǒng)的按時(shí)間或按里程的更換方式，部分機(jī)器雖加裝了彈出式指示器，但從實(shí)際調(diào)研的情況看效果并不理想。換句話說(shuō)，在目前的換油模式下，要么換油早了，造成浪費(fèi)；要么換油晚了，造成損失。還有就是，很多客戶的換油方式并不正確，換油時(shí)沒(méi)有徹底清洗系統(tǒng)，造成新油和舊油的混用[9]。

隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，5G和大數(shù)據(jù)等技術(shù)有望幫助徹底打通客戶和服務(wù)提供商之間的隔閡，利用傳感器技術(shù)采集并實(shí)時(shí)傳遞客戶機(jī)器的實(shí)時(shí)狀態(tài)到服務(wù)提供商，為客戶提供遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)指導(dǎo)。

2 工程機(jī)械碳減排路徑二：促進(jìn)和增加碳吸收

通過(guò)使用新能源和新技術(shù)控制和減少碳排放，直至達(dá)到近零排放當(dāng)然是工程機(jī)械行業(yè)的最大愿望。然而，未來(lái)幾十年的實(shí)際情況是，雖然非化石能源的消費(fèi)比重逐漸增加，但我國(guó)能源消費(fèi)依然以煤炭等化石能源為主，其作為我國(guó)兜底保障能源的地位和作用短期內(nèi)較難改變。也就是說(shuō)，使用化石能源的工程機(jī)械還將長(zhǎng)期存在，而這些工程機(jī)械在經(jīng)過(guò)常規(guī)的技術(shù)碳減排措施后，仍然會(huì)不可避免地排放一定量的碳化物到自然界中。要使這部分工程機(jī)械真正實(shí)現(xiàn)零碳排放，就需要采用碳減排的第二條路徑，即促進(jìn)和增加碳吸收。針對(duì)存量化石能源，增加碳吸收的意義是不言而喻的，換句話說(shuō)，碳吸收不僅能吸收新產(chǎn)生的碳，它還能消除一些已經(jīng)存在于大氣里的碳。

所謂碳吸收，即通過(guò)技術(shù)手段將游離的二氧化碳等溫室氣體固化，并儲(chǔ)存起來(lái)，設(shè)法減少大氣中的碳存量，目前其技術(shù)措施包括技術(shù)固碳和生態(tài)固碳。

技術(shù)固碳，主要是指碳捕集、利用與封存技術(shù)(簡(jiǎn)稱CCUS或CCS)。它是將二氧化碳從排放源中分離后收集起來(lái)加以利用或者儲(chǔ)存起來(lái)以實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的技術(shù)過(guò)程，是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳化利用的減排技術(shù)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)“30·60目標(biāo)”的重要技術(shù)手段之一，是實(shí)現(xiàn)化石能源凈零排放的唯一技術(shù)選擇。目前，常用的技術(shù)固碳方法包括化學(xué)吸收法、物理吸附法、膜分離法等。同時(shí)，所捕集到的二氧化碳，可應(yīng)用于食品加工、化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)等工業(yè)化利用領(lǐng)域。就此而言，碳捕集、利用與封存技術(shù)的發(fā)展，不僅能為煤電、煤化工、水泥、鋼鐵等高排放行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型留下緩沖空間，也對(duì)搭建“人工碳循環(huán)”模式具有重要意義。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)評(píng)估報(bào)告指出，如果沒(méi)有碳捕集、利用與封存技術(shù)，碳減排成本將會(huì)成倍增加。

碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，為綠色低碳技術(shù)提供了歷史性機(jī)遇，也使得碳捕集、利用與封存技術(shù)受到更多關(guān)注，迎來(lái)更大的發(fā)展空間。當(dāng)前，中國(guó)CCUS技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用已經(jīng)得到政府與企業(yè)的重視，技術(shù)水平也在快速發(fā)展，但普遍商用仍面臨著高成本、高能耗等挑戰(zhàn)。我們會(huì)積極探索大規(guī)模、低成本的碳捕集、利用與封存技術(shù)路徑，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)貢獻(xiàn)更大力量，為我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)的低碳綠色轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展注入新動(dòng)能。

生態(tài)固碳，則是利用植物的光合作用，即地球森林吸入二氧化碳，呼出氧氣。人類可以通過(guò)植樹(shù)造林最大化大自然的捕碳能力，提高生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收和儲(chǔ)存能力，從而減少二氧化碳在大氣中的濃度，減緩全球變暖趨勢(shì)，這是一種回歸本源的固碳方法。氣候?qū)W家豪斯法瑟表示：“未來(lái)幾十年的大氣平均溫度增幅肯定會(huì)超過(guò)1.5 ℃，挽救的唯一方法是積極地吸收大氣二氧化碳，幾乎沒(méi)有其他方法可以做到這一點(diǎn)?！?/p>

綠色植物通過(guò)光合作用固定的二氧化碳被稱為“綠碳”，而海洋和沿海生態(tài)系統(tǒng)——藻類、海草以及紅樹(shù)林等的碳封存稱為“藍(lán)碳”。推進(jìn)綠碳和藍(lán)碳工作不僅助力碳負(fù)計(jì)劃，還可以帶來(lái)一系列好的連鎖效應(yīng)，比如更高的生物多樣性、更繁榮的旅游業(yè)和更豐富的植被，植被能防止侵蝕，也會(huì)從風(fēng)暴潮中吸收水分，利于緩解某些地方的海平面上升問(wèn)題，最近很多環(huán)保人士將更多注意力轉(zhuǎn)向了藍(lán)碳。

這種回歸自然的固碳方式具備可持續(xù)性，同時(shí)可惠及當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)，從實(shí)際操作層面看效果更好。當(dāng)然需要指出的是，有助于解決氣候危機(jī)的天然碳匯當(dāng)前正受到氣候危機(jī)的威脅，最直接的一個(gè)威脅就是森林野火。

3 總結(jié)

綜上所述，本文從全生命周期的角度分析了工程機(jī)械行業(yè)的凈零碳排放、碳捕獲技術(shù)以及生態(tài)固碳的實(shí)施手段及減排效果，討論了這些技術(shù)和手段對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)雙碳目標(biāo)的重大意義。

最后需要說(shuō)明的是，要正確理解與環(huán)保部在2020年末發(fā)布的“非道路國(guó)四”排放法規(guī)的異同。兩者既有相同點(diǎn)，又有不同點(diǎn)?！胺堑缆穱?guó)四”主要是限制有毒氣體及顆粒物排放，而有些限制尾氣排放而采用的技術(shù)手段恰恰是生成二氧化碳等溫室氣體，如DOC(柴油機(jī)氧化催化器)技術(shù)，就是利用柴油機(jī)尾氣通過(guò)催化劑時(shí)，尾氣中碳?xì)浠衔?、一氧化碳等與氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成無(wú)污染的水和二氧化碳。所以目前來(lái)看，最好的辦法是將限制碳排放的技術(shù)和環(huán)保法規(guī)中限制尾氣排放的技術(shù)相結(jié)合，從而達(dá)到綜合治理的雙重效果。