智能化视角下全断面掘进机主轴承研发策略

智能化视角下全断面掘进机主轴承

研发策略 刘跃东 赵 宇 崔千里摘 要：当前我国机械化程度较低，智能化处于起步阶段，全断面掘进机主轴承成为能角出发，通过桌面研究宏观描述制造业领域的发展现状，通过深度访谈微观剖析主轴承智阶段。这三个阶段可用于智能化主轴承的研发工作。关键词：智能化，掘进机，主轴承

源、建筑行业的“卡脖子”技术。为尽快研发适应我国工业化进程的主轴承，从智能化视能制造领域的落地情况，提出全新的主轴承智能化研发策略。研究表明：智能制造技术和信息技术是实现智能化的关键；智能生产、智能产品、智能服务是实现全面智能化的三个

基于世界能源格局、我国资源禀赋及现实的经济社会需求，在未来相当长时间内，煤炭仍将在世界能源结构中占有较大比例，仍将是我国主体能源，目前煤矿巷道掘进速度慢与煤炭需求大幅增加成为主要矛盾[1]。随着国家基础设施建设的大力开展，地铁、隧道等建筑工程需求日益增加，机械化程度低、智能化处于起步阶段逐渐成为阻碍快速施工的主要因素。采用集掘进、出渣、运输、支护于一体的全断面掘进机（也称盾构机）可有效缓解上述问题，但“自家的掘进机却不得不用别人的主轴承”，成为能源、建筑行业的“卡脖子”技术现象[2-4]。因此，亟须寻找一条打破技术封锁壁垒的路线，形成良好的示范效应，从而有效地指导和解决“卡脖子”技术难题，为我国成为世界科技强国添砖加瓦。本文在梳理智能制造现状的基础上，重点研究智能化主轴承研发现状，并以全基金项目：中国科协“高端科技创新智库青年项目”——博士生项目（项目编号：CXY-ZKQN-2019-022）。

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断面掘进机主轴承为例，针对其存在的问题，提出智能化主轴承的研发策略。国推出“高价值制造”计划，发展智能化技术，提高产品附加经济值[10]；2015年，中国发布《中国制造2025》战略，根据我国目前的工业化程度提出制造业的发展目标和步骤[11]；2018年，日本发布《制造业白皮书》，通过采用智能机器人代替普通劳动力，改造传统制造业面貌，实现制造业的降本增效；2018年，美国发布《先进制造业领导力战略》，通过智能技术革新，对制造业、劳动力、产业链重新定义，维护其战略地位[12]一、智能制造的现状

（一） 国内外智能制造发展历程

当前智能化已经在各行业展示出了广阔的应用前景，多国政府相应出台不同类型的政策，旨在促进制造业的发展，并对其重新赋能。2009年，美国“再工业化计划”，重点发展先进制造业[5]；同年，韩国发布《新增长动力规划及发展战略》，为未来的高科技融合产业进行了规划[6]；2013年，德国推出“工业4.0计划”，依托强大的制造业基础，建立智能工厂[7]；2013年，法国发布《新工业法国》，鼓励创新重塑工业实力[8]；2014年，印度推出“印度制造”计划，大力发展基础设施建设、制造业和智慧城市[9]；2014年，英；同年，德国发布《绿色技术德国制造2018》[13]，在制造业方面考虑了对环境的影响，实现行业的绿色发展。根据世界银行统计数据[14]，中国制造业工业增加值从2010年起超越美国（图1），成为全球制造业增加值最高的国家，2018年增加值达到4.003万亿美元，未来预计中国制造业仍将在全球占据重要地位。但从人均工业增加值来看，中国仅占美国4.54.0制造业增加值（万亿美元）3.53.02.52.01.51.00.50.01995中国美国日本德国英国加拿大20002005注：作者根据世界银行统计数据自己绘制，图2同。

图1 制造业增加值图

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20102015202048

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的1/5，离制造强国有一定差距。从2013年开始，由于政策的激励，传统制造强国持续投入，制造业进口所占比值开始新一轮增加（图2），我国面临的挑战进一步增大。未来制造业与人工智能的深度融合是工业化发展的必然趋势，把握智能制造的机遇，有助于解决智能制造中的“卡脖子”技术，但目前，我们仍处于起步阶段。造业的主体与IT和网络行业不同，不可能采用“虚拟化”手段实现，只能通过信息化实现。与国外制造业强国不同，我国工业的管理化、知识化、信息化、网络化程度落后于整个社会的发展，虽然经过不断的学习和赶超，从基础到主体、从手工到自动、从传统到先进，实现了制造业的蓬勃发展，但缺少数据积累，一些核心的制造工艺、信息控制技术，我们仍未掌握。因此，中国由制造大国向制造强国转型，亟须以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，逐步开发高质量产品，打造高品牌价值企业，这个进程中的关键技术为智能制造和信息技术。1. 学习德国的制造技术

德国的工业装备和生产系统处于国际领先地位，例如奔驰、宝马、奥迪等豪华汽车均为德国生产。以全断面机主轴承为例，德国的罗特艾德、IMO集团公司、舍弗勒集团（FAG）占据了市场大日本德国英国加拿大（二） 智能制造关键技术

每个国家制造业和工业发展程度不同，对发展路径也存在不同见解。美国的工业互联网占据世界领先地位，因此倡导对传统工业进行物联网式的互通直连；德国具有强大的机械工业制造基础，强调技术驱动的生产优化，希望从自动化层上升到信息化层。传统制造业进行智能化升级，需要对其硬件进行软化，加入知识的信息化。制中国美国85制造业进口占商品进口比值（%）80757065605550

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199520002005图2 制造业进口所占比值图

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20102015202049

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部分份额，其在基础理论研究和现场工业化应用的结合较好，形成了核心竞争力，在经济危机时期仍平稳过渡。德国工业系统[7]对产品实行分层化管理，追求质量，以智能制造为核心，强化柔性生产，通过对制造体系积累的经验和设备进行不断“整合”，逐步步入工业化4.0时代，并利用物联网技术和设备监控技术加强信息管理和服务，实现生产效率的提高。2. 学习美国的信息技术

美国在经历过第三次技术革命后，信息技术高度发达，长期处于领先地位，并以此为契机，提出了“工业互联网”的战略构想。“工业互联网”不仅仅是简单的“工业+互联网”，而是通过数据的深度挖掘，利用互联网的优势实现与传统制造业的相互融合，建立软硬兼具的智能工厂。面对新一轮工业革命，根据大数据、芯片、物联网、人工智能的发展特征，建立智能制造体系，对产业链和价值链进行扩展，形成全新的智能制造模式。随着我国劳动力成本不断增加，人口老龄化速度加快，人力优势开始减弱，智能制造有助于提升效率和工业附加值，智能制造转型迫在眉睫。我国作为世界最大的煤炭生产、消费、净出口国，煤机装备制造业发展迅速，其生产总量与整体技术已达世界前列，我国对德国等国家全断面掘进机采用“引进－消化－吸收－再创新”四步走策略，对于基本的制造流程和工序已有成功应用的先例。根据2017年科50

技部工作会议，我国政府和企业不断加大研发投入，研发投入占GDP比重为2.1%，接近美国等发达国家，其中5G、AI等技术处于领先地位，这为信息技术应用和普及提供了保障。（三） 智能制造基本特征

图3 工业物联网架构

根据《工业物联网白皮书》内容[15]，智能制造的完全实现需要经历4个阶段，见图3。第一个阶段：智能感知阶段，通过智能感知技术和设备对工业基础数据进行采集；第二阶段：互联互通阶段，通过各种网络传输协议对采集的数据进行智能存储、传输；第三阶段：数据应用阶段，对数据进行二次分析和后处理，经过人机智能分析系统，挖掘深部隐藏信息，预测未来方向；第四阶段：服务模式阶段，经过智能分析数据，定制专业化服务。具体产品的智能制造过程分为智能生产、智能产品、智能服务化。智能生产具备个性化定制、服务型制造、高精尖制造的特征。智能产品具备可识别、可定位、可管理、自感知、自执行、自决策等特征。智能化服务满足用户高效、差异化的需求。针对以上不同制造环节，建立不同的制造模式。对于智能生产，本研究提出建立以缩短产品研制周期为核心的产品全生命周期数字一体化模式；对于智能产品，建立以质量管控为核心的产品全生命周期可追溯模式；对于智能服务，建立以产业链优化为核心的差异化服务模式。二、智能化主轴承研发现状

当前中国制造业已实现电气自动化和部分数字化，但整个制造业领域发展程度不均衡，不同领域、不同阶段的需求催生了多样化的研发思路。主轴承的制造领域刚开始应用智能化。还有一些学者对主轴承产品的智能运行过程进行了研究。李长飞[16]采用智能化技术对轴承的检修和组装过程进行了优化和管控，解决了工艺布局、信息化处理的问题；娄冬言[17]采用神经网络方式建立了智能化系统，根据轴承振动过程中的时域和频域分析，识别轴承的运行状态；李秀英[18]在智能系统中加入了专家决策功能，辅助解决了主轴承的装配问题。一些学者对全断面掘进机的智能运行过程进行探讨。陈文远[19]基于全断面掘进机远程可视化技术和动态数据传输功能，建立了智能化监控和决策系统，实现了远程遥控；周奇才[20]在寻求工程历Voice from Young Scholar 青年智库成果专栏

史数据规律的基础上，引入模糊控制理论，实现盾构推进姿态的自动控制。刘承桓[21]通过引入智能化模块，实现由单监控系统向多个项目监控系统的信息化管理；邵诚俊[22]基于多系统协调的密封舱压力智能化控制，确保全断面机掘进的高速、稳定运行。张鑫[23]总体论述了智能化在机械工程设计、加工、管理环节中的应用，并对智能化在性能、功能、体系结构的发展进行了探索。上述研究内容表明智能化已经在主轴承制造方面开始应用，但只是单机设备的智能化控制，并且主要聚焦在生产环节，未形成完整的主轴承生态链。（一） 现场调研

为了解盾构机现场运行情况，本文作者及研究团队于2018年5月23日进行实际考察，选取地点为阳泉煤业新景矿。阳泉新景矿回风巷为圆形断面，断面面积为15.9m2，折合巷道直径4.5m，埋深400m左右。巷道在稳定性较好、12m厚的K7砂岩中进行掘进，砂岩普氏系数为4~6，该岩层位于6#煤底板，掘进揭露断层后，巷道在泥岩中掘进。巷道掘进过程中，揭露多条构造，在过构造带、变坡段时，巷道顶板破坏，巷道有一定变形。在其余部分巷道成型较好。设备采用敞开式结构设计，开挖直径4~5m，体积较大，井下采用轨道运输，采用长80m的安装硐室进行安装，安装单轨吊进行辅助运输。51

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QJYC045M全断面岩巷掘进机（别名TBM盾构机）开挖直径Φ4.53m，总长55m，总重400t，盾构机的主体部分主要由刀盘、驱动、护盾、主梁、撑紧推进机构、后支撑机构、后配套拖车等37大项构成，设计、制造、安装、调试程序有158项，电机、主轴承、连接主密封均采用进口设备，加工精度高于地铁、隧道用的盾构机，并且实现了集掘进、运输、支护、除尘、导轨安装、通风、导向、瓦斯监控多功能于一体，如图4所示。图4 盾构机全貌

（二） 存在问题

根据现场实施情况统计进尺，发现总体进尺超额完成了既定目标。在3~5月工序正常，月平均进度达到321m，掘进速度远超过普通岩巷150m/月，但仍存在一些问题： 月份12表1 分月进尺统计表12345合计计划(m)110150602452702701105完成(m)117152672363473791298注：表中数据2018年12月－2019年5月。52

一是盾构机影响超前地质探测。在煤矿安全规程中规定“有掘必探”，因此，在掘进过程中需要对前方地质条件进行探测，在盾构机前部安装钻机进行超前探测，钻孔设计长度150m，位于盾构刀盘上下两侧，呈一定角度向上，如图5所示。盾构机自带矿用1200s液压钻机，扭力矩有限，超前探煤、探构造期间钻孔施工进度缓慢，效率较低，如更换大扭矩钻机，存在空间受限钻机无法移动至探测地点问题，对主轴承的运行环境提出了较高要求。图5 盾构机临时支护及超前探测

二是转向缓慢。盾构设备对起伏不平适应性差，导致顶板破碎；对掘进要求高，一个小的偏移，需要几百米调斜、校正。三是过破碎段适应性差。在2月份过破碎段，顶板较为破碎，同时由于施工用水量大，导致盾构机截割产生的矸石变为泥糊状，不仅不利于皮带运输和矿车排矸，而且对滚刀、主轴承等部件有不同程度的损伤，影响掘进效率。四是回拆复杂。巷道位于K7砂岩中，岩石硬度大，刀盘滚刀消耗较大，主轴承处于高负荷状态，更换频率增高，但由于空间受限，更换较困难。可以看出，当前主轴承容易发生故障原因一方面是地质条件导致运行环境较差，另一方面为缺少智能化调整能力。三、智能化主轴承研发策略（一） 主轴承智能生产

作为产品生产和制造的第一步，材料－生产设备－管理系统应形成有机系统（图6）。原材料 核心部件模块制造系统集成钢材铸铁控制系统减速器本体设计功能实现

系统软件产线设计电子元件

密封圈功能单元

传感器产线组装

图6 智能生产路线

对于图6中的生产路线，制约我们发展的主要是材料和系统软件。随着我国炼钢精度的增加，市场份额有所上升，但材料的研发在未来很长时间内仍是巨大的挑战，这与我国工业化进程有关，短期之内不能根本解决。在系统软件方面，国外系统软件占比70%以上[24-25]，仍有很大的利润空间。我国具有很多优秀的软件厂家，但并无工业制造经验，因此无法研制出优秀的工业软件。为了解决此问题，同时更加适应自身制造流程和业务模式的需要，很多大型企业自主Voice from Young Scholar 青年智库成果专栏

搭建工业平台，并向外部行业输出。例如阳泉煤业与华为、中国移动联合开展5G+智慧矿山应用，协同软件行业为智能制造提供框架性解决方案。对于本体设计和系统集成过程，加工精度存在较大问题，采用工业视觉技术，实现质量检测、缺陷检查、安装定位等功能，可有效解决上述问题。随着制造业的不断升级，精密安装、智能控制将更为重要。（二） 主轴承智能产品

在实现智能集成制造的基础上，工业产品实现智能化，智能产品具备智能感知和智能决策属性[26-27]。在智能产品的应用过程中会产生大量数据，企业通过对这些数据进行分析，充分挖掘工业大数据的价值，优化产品质量，延长产品服务年限，为企业智能化提供重要驱动力。我国煤矿众多，地质条件复杂多变，数据量巨大、来源分散、利用率低，很难用某个矿的数据为其他煤矿提供参考，为此，需要对产品赋予智能属性。1. 超前精准地质信息感知技术

制造领域的全断面掘进机运用在煤炭领域，需要与矿山开发技术深度融合，形成矿山全面感知，协同控制的完整智能系统。全断面掘进机对地质条件的精准探测，能够为主轴承提供运行提供平稳的环境，减少主轴承的损伤。针对目前掘进机在超前地质探测和过53

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破碎带适应性差方面的问题，煤矿井下可以借鉴地面采用的基于北斗系统的精准地质信息系统，采用高密度三维地震数据系统进行超前感知。井下手段主要包括地震波探测、直流电法、瞬变电磁法、红外测温超前探测法，基于以上手段，对偏移图像和波速图像后处理，确定地质构造和围岩强度。2. 实时自动反馈技术

针对主轴承截齿消耗大及回拆复杂的问题，通过自主学习、辅助决策，进行自我诊断，提升数字化水平，增加运行稳定性，形成对主轴承的自我保护。主轴承寿命受岩石硬度、温度、粉尘等因素影响，通过实时控制技术，例如传感器受力报警装置、智能截割技术，动态监测主轴承服务状态，经过数据分析和决策，建立综合故障自动化处理方法，成立大数据中心（图7）。 图7 智能反馈技术

（三） 主轴承智能服务

智能制造最终实现万物互联[28]。智能54

产品在完成制造和使用的情况下，仍然是单机设备的智能化控制，停留在工业3.0+水平。虽然取得了一些研究成果，但是根据国内装备制造业智能化的实际应用情况来看，智能化只是解决了制造效率低和精度低的问题，没有达到智能制造广泛应用的水平。 图8 智能服务架构

如图8所示，智能服务系统分为煤矿井下和地面两部分。硬件主要是煤矿井下用的传感器、中继器、分站、人机交互设备和地面中心站设备，按数据采集方式分为有线监测、无线监测和离线监测，其中无线监测和离线监测采用同一设计。煤矿井下的数据先上传到井上的地面中心站数据库中，然后上传到云数据中心和集团数据中心，云数据中心最后将数据用于专家分析决策。采取这种策略，可以远程监控主轴承的使用状态，制定检修时间表，减少其带病工作时间，最大延长主轴承的服务寿命，形成自主感知、信息智能匹配与推送服务。基于上述总体架构，通过数据流动自动化技术，以数据和信息物理系统为核心，以工业物联网的深度融合，实现煤矿企业-制造企业信息共享、联动，根据不同业务部门实现按需服务，实现工业4.0的既定目标。（四） 借鉴意义

本文以全断面掘进机主轴承为例，提出从智能生产、智能产品、智能服务三个阶段解决“卡脖子”问题，贯穿主轴承的设计、生产、管理、服务各个环节，从主轴承生产到经营的全生命周期进行管控。对于其它智能制造企业，可以借鉴生产工艺流程、信息处理过程和企业经营模式，有效串联制造与应用过程，最终使工厂在一个敏捷、智能的制造环境中运行，大幅度优化生产效率，提高稳定性。把主轴承研发作为一个整体，突破当前工业化进程制约，多方面、多角度入手，促进新的生产管理方式、商业运营模式、产业发展形态的形成。四、结语

智能化已经成为制造业的发展趋势，在深度融合工业化和信息化的基础上，把智能化理念和技术应用于制造领域和煤矿领域，建立完整的智能生态系统，开发全新的应用场景，推动形成新的生产方式、产业形态、商业模式，实现向制造强国的迈进。本文图4～图8均为作者自己拍摄、绘制

责任编辑：马健铨 校对：刘雅琦 李 琦

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刘跃东，男，博士，煤炭科学研究总院。研究院。赵 宇，男，博士，副研究员，中国科协创新战略院。

崔千里，男，硕士，助理研究员，煤炭科学研究总