机械制造系统能效评价的特点

机械制造系统能效评价的特点、研究现状及发展趋势刘飞王秋莲重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆，X00030摘要:机械制造系统能效评价是对机械制造系统能量消耗状态和能量消耗过程及其能量效率的系统评价.它是机械制造系统降低能量消耗、提高能量效率的基础.其研究正在国际上兴起。首先.对机械制造系统能效评价的特点进行了分析.提出了能量消耗状态及其能效评价的多能量源特性和层次分布特性、能量消耗过程及瞬态能量效率的复杂多变性和产品全生命周期过程特性4个特点;然后.基于上述特点分析.对机械制造系统能效评价内容和能效评价指标的研究现状进行了分析;最后.指出了机械制造系统能效评价的发展趋势.即机械制造系统能效评价指标完蔡体系的建立、机械制造系统能效基础数据库的建立、机械产品和制造仃务能量消耗的定额化、机械制造系统能效评价的标准化以及机械制造系统能效评价及能效提升的信息化支持、1之台开发等。关键词:机械制造系统;能效评价;研究现状;发展趋势中图分类号:TH186D()I:10.3969/j.issn.1004-132X.2013.11.025EnergyEfficiencyAssessmentofMechanicalManufacturingSystem:Characteristics.State一of一the一artandfutureTrendsLiuFeiWangQiulianStateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission.ChongqingUniversityChongqing*400030Abstract:Theenergyefficiencyassessmentofamechanicalmanufacturingsystemisthesystematisevaluationaboutenergyconsumptionstatus.energyconsumptionprocessesandenergyefficiencyofthesystem.Asthepremiseofreducingthesystem'senergyconsumptionandimprovingenergyefficiency.theassessmentsystemhasgraduallybeenstudiedintheworld.Tlythemultiple一energy一sourcesfeatureandthemultiple-layerarchitecturefeatureoftheenergyconsumptionstatusandthecomplicacy一varietyfeatureandtotallife一cyclefeatureoftheenergyconsumingprocessesandinstantaneousenergyefficiency.Andthen.basedonthecharacteristicsanalysis.thecurrentresearchesoftheenergyefficiencyassessmentformechanicalmanufacturingsystemwereanalyzed.includingtheassessingcontentsandtheenergyefficiencyindicators.Finally.thefuturetrendsoftheenergyefficiencyassessmentformechanicalmamrfacturingsystemwereconcluded.Thetrendscanbedetailedastheconstructionoftheintegratedindexsystemandthedevelopmentofthebasicdatabaseforenergyefficiency.thequotaoftheenergyconsumptionofmanufacturingproductsandtasks.thestandardizationsoftheenergyefficiencyassessment.andthedevelopmentofinformationizationplatformforsupportingenergyefficiencyassessmentandimprovement.etal.Keywords:mechanicalmanufacturingsystem;energyefficiencyassessment;state一of一the-art;futuretrend0引言制造业作为国民经济的支柱产业.在创造巨人经济财富的同时.也消耗了人量制造资源特别是能源.并造成了对环境的严重影响。根据美国能源部的调查.美国约31%的能量消耗归因于山制造业扮演卞要角色的工业活动［'〕。相似的情况在其他发达国家也己出现。而像中国这样的发展中国家.制造业的能量消耗量巨人.能量利用率史低［2〕.节能减排的压力很人。加强企业能效评价、提高制造系统能量效率己收稿｝｝期;9()12基金项日:IL:｝家自然利学基金资助项日(ilO3iOOl):｝h.｝家•佰技术侧日石发展计划(863计划)资助项日(2012八八。41306)l550成为制造业的当务之急。例如.美国能源部专一门设立了以提高制造企业生产过程的能量效率作为首要日标I均工业评价中心(industrialassessmentcerrtern,IAC)。该中心依托美国29所高校•与美国工业部门联手.己在15000多家美国企业中实施了工业能源审计和工业评价建议项日［8｝机械制造业是制造业的重要组成部分。但过去人们总认为单台机械设备能量消耗不人.特别是与钢铁、化工等流程领域的设备相比较.能耗相对较小.因而学术界对其重视不够.导致其研究不够。近年来.随着机械制造业能源消耗问题和环境影响问题的日益严峻.学术界和企业界均对机械制造业能量消耗问题进行了重新分析和认识。以JL床为例•多篇文献的分析结果均表明［｝〕：机床量人而广.能量消耗总量巨人.并目‘有效能量利用率很低.因而节能潜力很人。不仅如此.美国麻省理工学院Gutowski}'〕的研究结果表明.机床能量消耗所带来的C(>}等的环境排放也是令人震惊的。因此.近年来.机械制造系统能效评价问题引起了学术界的广泛重视。如2009年9月.在爱尔兰都柏林人学召开了第26届国际制造会议((in-ternationalmanufacturingconference.IMC26).将“能源效率与低碳制造”作为会议卞题.提出“为了确保制造业创新与发展.必须准确评价制造过程与系统的能量消耗状况'心〕。2011年8月.第28届IMC会议丙次强调能量消耗优化对可持续发展的重要性.并设有一个能量监控和分析的分会场.专一门讨论制造过程的能量消耗评价和改善研究川。此外.第18届CIRP生命周期工程国际会议论文集《制造可持续性的全球木土解决力一案》中提出.将能效分析作为制造可持续性实现的重要技术手段+}02010年10月26日.国际标准化委员会(IS())发布了((Environmentalevaluationofmachinetools一Part1:Energy一savingd}signmethodologyformachinetools(IS(>14955一4)》的草案.并于2012年4月30日发布了投票稿;山此可以预见.不久的将来.机床的能耗指标将成为机床产品的一个重要评价指标［‘〕。综上所述.机械制造系统的能效评价研究己经在国际上兴起。但是.现有的研究还比较分散.目‘山于泪L械制造系统具有涉及而广和制造过程复杂等特点.因此机械制造系统的能效评价中的许多问题还有待解决。因此.木文在多年研究的基础上.参考国内外人量文献.对机械制造系统能效评价的特点、研究现状及发展趋势进行了综述。制造系统。}JL械制造系统能耗卞体构成的多样性及复杂性、能量消耗状态及能量消耗过程的动态变化性及随}JL性、机械产品的生命周期能耗特性等多力-而原因.使得机械制造系统能效评价相对于化工、冶金等制造系统的能效评价要复杂和困难得多。因此.首先对机械制造系统能效评价的复杂特点进行分析。1.1泪L械制造系统能量消耗的多能量源特性机械制造系统涉及多种机械设备.其中加工设备就有九人类.辅助设备也有运输设备、检测设备、照明设备等多种.每种设备又山多个能量消耗源组成。以普通车床为例.普通车床包括卞传动系统、冷却系统、刀架快速移动系统、照明和信号灯系统等。而数控机床就复杂得多.如YD31125CNC6数控滚齿机包括卞传动系统、进给系统、液压系统、静压系统、冲屑系统、冷却系统等多个能量消耗系统.每个能量消耗系统又山多个能量消耗源组成.见表1。机械制造系统能量消耗的多能量源特点意味着能效的深化评价需而向多能量源进行。表1YD31125C}CG数控滚齿机能m:源能{.卜消耗系统液1+:系统静1+:系统冷却系统）本身冲{肖系统徽冲{肖系统静1+.油冷却系统冷却油冷却系统油雾分离系统水冷却系统}几传动系统}_作台旋转系统径同进给系统轴同进给系统切同进给系统车专了自进给系统能袱源额定功率（k、、）液凡电机1"2一132M一1静凡电机1"2一132M一4冷却I匕机sTA}o}-s:}or}身冲川电机sT八X02-'2:}0徽冲川普通电机sTA}o}-s:}o静}+:油冷机HB（）—3IZPS13冷却油冷机八KZ]56A—H油雾分离电机（；M八30一。ZD一R-工一1_8一卜水冷却机HWK-2.SRPTSB伺服水冷电机1PH}1G3-}VF2G-Z—37.01机械制造系统能效评价的特点制造系统能效评价包括制造系统能量消耗状态及能量消耗过程的分析评价以及在此基础上对能量效率的评价。机械制造系统是山切削加工、压力加工、铸造、焊接、特种加工、热处理、覆盂层、装配与包装和其他等9类工艺['）〕及其相应设备构成的将原材料（含半成品）转变为产品或半成品的输入输出系统。从能量消耗的角度看.机械制造系统是山机床（切削加工机床、压力加工机床）、铸造设备等机械设各及其相应的工艺过程为能量消耗卞体的伺）报I匕机1FT6134—G八（'71—1EK3—13伺）报I匕机1FT60A4—1八F71一3八（}0—4伺服电机1FT6086一8八F71一3八H1一S.A伺）报I匕机1FTG0}}—4八F71一3EH0一1.}伺服电机1FTGOG}—G八F71一3EBO一1.11.2泪L械制造系统能量消耗状态及能量效率的层次分布特性}JL械制造系统是产品生产的复杂载体.跨越产品、车问、仃务、制造单元和生产设备等不同层1551次，每个层次的能量消耗都有其基本特征。如设备层能耗是机械制造系统的主体，而车问层除了加工设备消耗能量以外，一些辅助设备也要消耗能量。对于产品能耗而言，则要考虑从原材料准备，零部件生产，产品组装、使用到回收处理等所有阶段的产品全生命周期过程能耗。机械制造系统能量消耗状态的层次分布情况如图1所示。因此，机械制造系统能量消耗状态以及能量效率也存在层次分布特性。II?品诧IIIIII曲原材料旺I零部件II产品II产品回III丨准备丨丨制造丨丨组装'丨丨收利用丨|111仟务层11任1务i任务P任务m11i}z}z}PuPy}Pmt}sr}(z}}z}Paz}Pyz}PmzLl}ZipzJ}Pim,1Pyn}yPmm1I设备个厂下-门叮二二〕一二--门M,,日二u引IT}Ir22!工艺信息设各M;}}区口}Pmcmm-u信息lnn一一二一一一门M}aa}口垫引L王翌lee二缨'」工序Pzz工步Ozzi工步Uzzz时间tlsO}zz基本能量‘微机&照明系统.液压系统‘冷却系统可变能量•材料切除能量.主轴载荷能量.进给载荷能量图1机械制造系统能量消耗状态的层次分布1.3机械制造系统能量消耗过程及瞬态能量效率的复杂多变性某一时段内机械制造系统的能量消耗呈现复杂的动态变化特性。仅以其中的机床能量消耗过程为例:图2所示为某机床加工一个简单工件的能量消耗过程，其工序参数见表la可以看出，机械加工设备的能量消耗变化体现在以下三个力-面:一是机床启动过程的功率变化;二是不同加工工序能量消耗规律各异;三是每道加工工序的输入功率随时问发生的变化。机械加工设备能耗过程的动态变化直接造成机械制造系统能耗过程及其瞬态能量效率复杂多变。1.4机械制造系统能量消耗及能效评价的产品生命周期过程特性}JL械产品的能量消耗贯穿于产品从原材料准备到零部件生产，产品组装、运输、使用和回收处理的整个生命周期，如图3所示。机械产品（例如汽车、机床等）在生命周期各阶段均需能量支撑;同时，扫L械制造产品在生命周期不同阶段的能量消耗特性大不相同，需要对每个阶段的能量特性进行深入分析。因此，机械制造系统能效评价需考虑产品生命周期全过程的能量消耗和能量效率问题。机械制造系统的能效评价的研究现状2.1机械制造系统能效评价内容的研究现状现有的机械制造系统能效评价的研究内容司以归结为三类:一是机械制造系统总体能效评价;二是产品能效评价;三是机械设备和工艺能效评价。1552泳留\叭等曰启动空载外圆1端而1外圆2端面2外圆3端而3外圆4端I}14图2机床加下过程能m:消耗的动态变化仁''门表1下序参数1｝_序1111丨主轴转速丨进给速度:，〕|0/mini|}mm/mini1I11|背｛i乞刀量｛||(mm)|I11车外圆1:'211I|800|8011I1|1.0|11I1IIII1III车端而1一2I80011I60I0.2I11车外圆3;'}1I800IIII80I1I2.0II1车端而3:}II800IIII60II1I1.0II1111自I——1然II原材料11资Ii————II胃I源I一}I装配II使用丨丨回收处理I门}}eoI}IIrIII-IIIi{II——I——I1I一，二斗、斗llI一仃mu..}IrpI}_{争材料流+一一一卜能量流图3产品全生命周期过程能m:流图仁”2.I.I泪L械制造系统总体能效评价泪L械制造系统总体能效评价是对机械制造系统的综合能量消耗效率进行评价，一般以生产企业的蔡体能耗作为研究对象。比较成功的制造系统能效评价实践是美国IAC的评价体系。IAC的评价内容川包括:能量和废弃物成木评价、电能评价、热能评价、能源的原动机评价、冷却系统评价、供热通风与空气调节系统评价和废弃物评价等。中国国家质检总局和国家标准化委员会共同发布的《企业能量平衡通则》和《综合能耗计算通则》为企业进行能量评价提供了一种框架体系［'2〕，通过计算综合能耗、中一位产值综合能耗、产品单位产量综合能耗、产品单位产量可比综合能耗等指标来分析企业的能效水平［'另〕。2.I.2产品能效评价产品能效评价是指对产品的生产和生命周期过程的能量消耗效率进行评价。产品能效评价应而向从原材料准备到零部件制造、产品装配再到产品回收利用的产品全生命周期过程。产品能量包括肖接能量和问接能量两类，其中，肖接能量是指产品制造过程各种加工工艺消耗的能量;问接能量是指加工产品所需物料的内含能［”〕。不同地区能源制备过程有所不同，造成能源内含能不同，因此，对产品能效评价有必要考虑全球制造背景下能源内含能对制造过程和原材料选择的影响［'几〕。2.1.3机械设备和工艺能效评价机械设备和工艺能耗是机械制造系统能量消耗的主体，其能量消耗过程及能效评价也最为复杂，是口前国际上研究的热点问题。机械设备和工艺能效评价是对设备运行过程的能量分布和能量利用率以及加工工艺的有效产出率等指标进行分析评价。一般认为，机械加工设备能耗分为固定能耗和可变能耗［'6ia爪有效能量占设备总能量的比重可能会较低，如图4所示。而目‘，不同的加工参数和刀具路径会影响机械加工过程的能量消耗［'‘2幻，不同加工工艺的能耗特性呈现不同态势［23］。对机械设备和工艺进行能效评价时，能量数据的获取是关键。｝m'用的数据获取力一法是在线监测Cziz,s7虽然在理论研究中，可以通过加工实验得到能耗分析所需数据，但是往往一台设备的能量构成分析就需要基于十几组其至几十组实验，这在工程应用上缺乏可行性。数据获取困难成为阻碍企业有效实施能效评估的主要障碍之一［26〕15534R_1%加工〔4A.10})转盘运动(1.9%}换刀(3.80u}无载电机(2.了%)轴键(1.2'})伺服系统(人+0})吕}4}竺.}Y}1兰5%){(XIY}Z)}o}}h(7,7;}){井i'r}}ilir}y.6'fo告井匕二望望二uJx6J{兰竺【止数荷249%2'r.l}}图4某加下中心的能m:消耗统计C=a72.2机械制造系统能量效率评价指标的研究现状泪L械制造系统的能量效率评价指标包括瞬时能量效率指标和过程能量效率指标。2.2.1瞬时能量效率指标瞬时能量效率是指机械制造系统在某一时刻的有效能量变化率与输入能量变化率的比值。对于卞要消耗电能的机械制造系统.其瞬时能量效率为有效输出功率与输入功率的比值。例如.对于金属切削机床.有效能量一般理解为肖接对工件进行切削加工的能量.其瞬时能量效率为r}(t)一P,.(t)/P,(t)(1)式中.只(动为切削功率:P.(t)为总输入功率。2.2.2过程能量效率指标泪L械制造系统过程能量效率是指某个制造过程或某个时间段的有效能量或有效产出与输入能量的关系。可见.过程能量效率指标包括有效能量和有效产出两种定义法。有效能量定义法。机械制造系统过程能量效率的有效能量定义是指某个制造过程或某个时间段的有效能量与系统消耗能量的比值。例如.一个工件的切削加工过程的能量效率E可定义为工件加工过程的有效能量和消耗总能量的比值[28].即:一:‘一:一!..」P,.(t)dt/}..」P,(t)dt(2)式中.厂为能m:效率:F,为有效能m::F为系统消耗能m::T为系统运行时间。有效产出定义法。过程能量效率的有效产出定义又称“比能”定义。比能(specificenergyconsumption,SEC)Rs,._}.是系统消耗能量与系统有效产出的比值.即h'sr.o—厂一以一(厂。一E})/以(3)式中厂。为输入能m:?F-,为输出能m::以为有效产出.包括有效经济、物质产出m:(如材料切除体积、产品个数等)。155斗机械制造系统能效评价的发展趋势}I)泪L械制造系统能效评价指标完蔡体系的建立。机械制造系统是产品生产的复杂载体.跨越产品、车间、仃务、制造单元和生产设备等不同层次.每个层次的能量消耗都有其基木特征。机械制造系统的能效评价也应具有明显的层次性.可分为产品层、车间层、仃务层、制造单元层和设备层;每个层次都有其能效指标或指标体系。而目‘.考虑到制造过程能量消耗的不确定性.对其能效评价要符合过程特性.即.既要分析机械制造系统能量消耗状态.又要评价其能量消耗过程。进一步讲.针对过程能量效率评价.结合有效能量指标和比能指标.从不同角度反映机械制造系统的能效。泪L械制造系统能效评价基础数据库的建立。机械制造系统能量消耗指标的计算需要基于人量基础数据.特别是各种工艺和各种设备及其各种状态的能耗基础数据.这就需要建立机械制造系统能效评价的基础数据库。基础数据库的建立需要基于人量实验.包括各种设备在各种加工条件下的空载实验和加工实验.工作量巨人。基础数据库的建立将为能量效率的深度评价和生产设备的节能性运行、工艺路线节能性优化、工艺参数节能性优化等节能措施分析奠定基础。})L械产品和制造仃务能量消耗的定额化。通过机械制造系统能量消耗评价.建立各种制造仃务的能量消耗定额.可为企业高效节能生产战略决策提供基础数据.也可为政府和行业制定能耗定额标准、强化节能措施提供基础数据。所谓能量消耗定额是指在一定的条件下.为生产单位产品或完成单位工作量.合理消耗能源的数量标准。科学的能量消耗定额能够反映制造过程中能源消耗的客观规律.是能源利用率考核和提高的依据。山前文所述机械制造系统能量消耗的四人特点可知.机械产品和制造仃务的能量消耗定额问题特别复杂.尚有待深入研究。泪L械制造系统能效评价的标准化。机械制造系统能效评价过程的标准化包括能量消耗边界划分的标准化和评价力一法及评价流程的标准化。边界划分对能量效率分析影响很人.同一制造仃务.山于分析边界不一样.计算出来的能量消耗量会有数量级的Ix_别。日前虽然己有一些典型产品和加工工艺的能量消耗量参考数据.但是对边界的划分不统一给工业企业应用带来不便。此外一套标准的能效评价力一法及评价流程有助于能效评价推广.力一便广人企业开展能效自我评巨6习价和优化。})L械制造系统能效评价和提升的信息化支持平台的开发。机械制造系统能效评价和节能.习优化运行涉及信息量人.模型、过程和力一法复杂.因此.需要信息化平台的支持。平台的底层模块匡应包括数据库、知识库、力一法库;中问层模块应包括各种应用模块.如能效评价支持系统、生产设备的节能性运行力一法及支持系统、工艺路线节能性优化力一法、工艺参数节能性优化力一法及支持系统等;顶层模块应有交4_式的友好操作界而.能够支持各种具体应用。皿结论(1＞泪L械制造系统能效评价具有能量消耗的多能量源特性、能量消耗状态及能量效率的层次分布特性、能量消耗过程及瞬态能量效率的复杂多变性、能量消耗及能效评价的产品生命周期过程特性四人特点。机械制造系统能效评价现状。从研究内容看•可以归结为二类:一是机械制造系统总体能Clz}效评价.二是产品能效评价.二是机械设备和工艺能效评价;从能效指标看.可以归结为瞬时能量效率指标和过程能量效率指标两个力一而。[13}})L械制造系统能效评价的发展趋势卞要包括:机械制造系统能效评价指标完蔡体系的建立、机械制造系统能效评价基础数据库的建立、机口仁械产品和制造仃务能量消耗的定额化、机械制造系统能效评价的标准化、机械制造系统能效评价和提升的信息化支持、1,.台的开发。参考文献:巨1习LL.S.EnergyInformationndmin,annualEnergyRc-view2011巨R习D()E/EIn一()38}(2()川WashingtonI>C.2011:3-}巨z习nbdclazizE}SaidurR}MckhilcfS.nReviewonEnergySavingStrategicsinIndustrialSector巨J习Ren。二ableandSustainableEnergyRevicws}2(川T;>(1):15(关168巨3习EnergyEfficiency己一RenewableEnergyofLL.S.DUEIndustrialassessmentCcntcrs(Inc.s)巨E“一()I.习巨2012-06-川http:一iac.rutgcrs,cdu/about,php口习刘飞高端数控装备能m:流特性及运行能效评价与优化方法巨R习长沙:国家自然科学基金委员会下程与材料科学部.2011巨5习C}utowski"hCU.Machining巨R习IJOSTOn:M8SS8ChUSCTTSInstituteof"hechnology・2009厂16}IMC26.EnergyEfficient8-LowCarbonManufactur-mg巨E“一(川C200}09-10)巨2012-09-11习http:一/IMC28.ManufacturingSustainability巨E“一(川(20110乐30)巨2012-09-11习http:一/HcsscblachJ.HcrrmannC.C}locali}cdSolutionsforSustainabilityinManufacturing巨C'习一Proceedingsofthe18thCIRPInternationalConferenceonLifeCycleEngi-nccring.Braunschwcig.VcwYork:Springcr,2011胡韶华现代数控机床多源能m:能耗特中}研究巨I习重庆:重庆大学・2012机械下程手册编辑委员会机械下程手册机械制造下艺及设备卷(一)巨M习2版_}匕京:机械下业出版社.1996戚贯徽•土淑旺•刘光复•等而向能m:优化的产品结构要索组合