機械制造系統能效評價的特點、研究現狀及發展趨勢

劉 飛 王秋蓮

重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶，400030

0 引言

制造業作為國民經濟的支柱產業，在創造巨大經濟財富的同時，也消耗了大量制造資源特別是能源，并造成了對環境的嚴重影響。根據美國能源部的調查，美國約31%的能量消耗歸因于由制造業扮演主要角色的工業活動［1］。相似的情況在其他發達國家也已出現。而像中國這樣的發展中國家，制造業的能量消耗量巨大，能量利用率更低［2］，節能減排的壓力很大。

加強企業能效評價、提高制造系統能量效率已成為制造業的當務之急。例如，美國能源部專門設立了以提高制造企業生產過程的能量效率作為首要目標的工業評價中心（industrial assessment centers，IAC）。該中心依托美國29所高校，與美國工業部門聯手，已在15 000多家美國企業中實施了工業能源審計和工業評價建議項目［3］。

機械制造業是制造業的重要組成部分。但過去人們總認為單臺機械設備能量消耗不大，特別是與鋼鐵、化工等流程領域的設備相比較，能耗相對較小，因而學術界對其重視不夠，導致其研究不夠。

近年來，隨著機械制造業能源消耗問題和環境影響問題的日益嚴峻，學術界和企業界均對機械制造業能量消耗問題進行了重新分析和認識。以機床為例，多篇文獻的分析結果均表明［4］：機床量大面廣，能量消耗總量巨大，并且有效能量利用率很低，因而節能潛力很大。不僅如此，美國麻省理工學院Gutowski［5］的研究結果表明，機床能量消耗所帶來的CO2等的環境排放也是令人震驚的。

因此，近年來，機械制造系統能效評價問題引起了學術界的廣泛重視。如2009年9月，在愛爾蘭都柏林大學召開了第26屆國際制造會議（international manufacturing conference，IMC26），將“能源效率與低碳制造”作為會議主題，提出“為了確保制造業創新與發展，必須準確評價制造過程與系統的能量消耗狀況”［6］。2011年8月，第28屆IMC會議再次強調能量消耗優化對可持續發展的重要性，并設有一個能量監控和分析的分會場，專門討論制造過程的能量消耗評價和改善研究［7］。此外，第18屆CIRP生命周期工程國際會議論文集《制造可持續性的全球本土解決方案》中提出，將能效分析作為制造可持續性實現的重要技術手段［8］。2010年10月26日，國際標準化委員會（ISO）發布了《Environmental evaluation of machine tools—Part 1：Energy-saving design methodology for machine tools（ISO 14955-1）》的草案，并于2012年4月30日發布了投票稿；由此可以預見，不久的將來，機床的能耗指標將成為機床產品的一個重要評價指標［9］。

綜上所述，機械制造系統的能效評價研究已經在國際上興起。但是，現有的研究還比較分散，且由于機械制造系統具有涉及面廣和制造過程復雜等特點，因此機械制造系統的能效評價中的許多問題還有待解決。因此，本文在多年研究的基礎上，參考國內外大量文獻，對機械制造系統能效評價的特點、研究現狀及發展趨勢進行了綜述。

1 機械制造系統能效評價的特點

制造系統能效評價包括制造系統能量消耗狀態及能量消耗過程的分析評價以及在此基礎上對能量效率的評價。

機械制造系統是由切削加工、壓力加工、鑄造、焊接、特種加工、熱處理、覆蓋層、裝配與包裝和其他等9類工藝［10］及其相應設備構成的將原材料（含半成品）轉變為產品或半成品的輸入輸出系統。從能量消耗的角度看，機械制造系統是由機床（切削加工機床、壓力加工機床）、鑄造設備等機械設備及其相應的工藝過程為能量消耗主體的制造系統。

機械制造系統能耗主體構成的多樣性及復雜性、能量消耗狀態及能量消耗過程的動態變化性及隨機性、機械產品的生命周期能耗特性等多方面原因，使得機械制造系統能效評價相對于化工、冶金等制造系統的能效評價要復雜和困難得多。因此，首先對機械制造系統能效評價的復雜特點進行分析。

1.1 機械制造系統能量消耗的多能量源特性

機械制造系統涉及多種機械設備，其中加工設備就有九大類，輔助設備也有運輸設備、檢測設備、照明設備等多種，每種設備又由多個能量消耗源組成。以普通車床為例，普通車床包括主傳動系統、冷卻系統、刀架快速移動系統、照明和信號燈系統等。而數控機床就復雜得多，如YD31125CNC6數控滾齒機包括主傳動系統、進給系統、液壓系統、靜壓系統、沖屑系統、冷卻系統等多個能量消耗系統，每個能量消耗系統又由多個能量消耗源組成，見表1。機械制造系統能量消耗的多能量源特點意味著能效的深化評價需面向多能量源進行。

表1 YD31125CNC6數控滾齒機能量源

1.2 機械制造系統能量消耗狀態及能量效率的層次分布特性

機械制造系統是產品生產的復雜載體，跨越產品、車間、任務、制造單元和生產設備等不同層次，每個層次的能量消耗都有其基本特征。如設備層能耗是機械制造系統的主體，而車間層除了加工設備消耗能量以外，一些輔助設備也要消耗能量。對于產品能耗而言，則要考慮從原材料準備，零部件生產，產品組裝、使用到回收處理等所有階段的產品全生命周期過程能耗。機械制造系統能量消耗狀態的層次分布情況如圖1所示。因此，機械制造系統能量消耗狀態以及能量效率也存在層次分布特性。

圖1 機械制造系統能量消耗狀態的層次分布

1.3 機械制造系統能量消耗過程及瞬態能量效率的復雜多變性

某一時段內機械制造系統的能量消耗呈現復雜的動態變化特性。僅以其中的機床能量消耗過程為例：圖2所示為某機床加工一個簡單工件的能量消耗過程，其工序參數見表1。可以看出，機械加工設備的能量消耗變化體現在以下三個方面：一是機床啟動過程的功率變化；二是不同加工工序能量消耗規律各異；三是每道加工工序的輸入功率隨時間發生的變化。機械加工設備能耗過程的動態變化直接造成機械制造系統能耗過程及其瞬態能量效率復雜多變。

1.4 機械制造系統能量消耗及能效評價的產品生命周期過程特性

機械產品的能量消耗貫穿于產品從原材料準備到零部件生產，產品組裝、運輸、使用和回收處理的整個生命周期，如圖3所示。機械產品（例如汽車、機床等）在生命周期各階段均需能量支撐；同時，機械制造產品在生命周期不同階段的能量消耗特性大不相同，需要對每個階段的能量特性進行深入分析。因此，機械制造系統能效評價需考慮產品生命周期全過程的能量消耗和能量效率問題。

2 機械制造系統的能效評價的研究現狀

2.1 機械制造系統能效評價內容的研究現狀

現有的機械制造系統能效評價的研究內容可以歸結為三類：一是機械制造系統總體能效評價；二是產品能效評價；三是機械設備和工藝能效評價。

圖2 機床加工過程能量消耗的動態變化［10］

表1 工序參數

圖3 產品全生命周期過程能量流圖［11］

2.1.1 機械制造系統總體能效評價

機械制造系統總體能效評價是對機械制造系統的綜合能量消耗效率進行評價，一般以生產企業的整體能耗作為研究對象。比較成功的制造系統能效評價實踐是美國IAC的評價體系。IAC的評價內容［3］包括：能量和廢棄物成本評價、電能評價、熱能評價、能源的原動機評價、冷卻系統評價、供熱通風與空氣調節系統評價和廢棄物評價等。

中國國家質檢總局和國家標準化委員會共同發布的《企業能量平衡通則》和《綜合能耗計算通則》為企業進行能量評價提供了一種框架體系［12］，通過計算綜合能耗、單位產值綜合能耗、產品單位產量綜合能耗、產品單位產量可比綜合能耗等指標來分析企業的能效水平［13］。

2.1.2 產品能效評價

產品能效評價是指對產品的生產和生命周期過程的能量消耗效率進行評價。產品能效評價應面向從原材料準備到零部件制造、產品裝配再到產品回收利用的產品全生命周期過程。產品能量包括直接能量和間接能量兩類，其中，直接能量是指產品制造過程各種加工工藝消耗的能量；間接能量是指加工產品所需物料的內含能［14］。不同地區能源制備過程有所不同，造成能源內含能不同，因此，對產品能效評價有必要考慮全球制造背景下能源內含能對制造過程和原材料選擇的影響［15］。

2.1.3 機械設備和工藝能效評價

機械設備和工藝能耗是機械制造系統能量消耗的主體，其能量消耗過程及能效評價也最為復雜，是目前國際上研究的熱點問題。機械設備和工藝能效評價是對設備運行過程的能量分布和能量利用率以及加工工藝的有效產出率等指標進行分析評價。一般認為，機械加工設備能耗分為固定能耗和可變能耗［16-18］；有效能量占設備總能量的比重可能會較低，如圖4所示。而且，不同的加工參數和刀具路徑會影響機械加工過程的能量消耗［19-22］，不同加工工藝的能耗特性呈現不同態勢［23］。

對機械設備和工藝進行能效評價時，能量數據的獲取是關鍵。常用的數據獲取方法是在線監測［24-25］。雖然在理論研究中，可以通過加工實驗得到能耗分析所需數據，但是往往一臺設備的能量構成分析就需要基于十幾組甚至幾十組實驗，這在工程應用上缺乏可行性。數據獲取困難成為阻礙企業有效實施能效評估的主要障礙之一［26］。

圖4 某加工中心的能量消耗統計［24］

2.2 機械制造系統能量效率評價指標的研究現狀

機械制造系統的能量效率評價指標包括瞬時能量效率指標和過程能量效率指標。

2.2.1 瞬時能量效率指標

瞬時能量效率是指機械制造系統在某一時刻的有效能量變化率與輸入能量變化率的比值。對于主要消耗電能的機械制造系統，其瞬時能量效率為有效輸出功率與輸入功率的比值。例如，對于金屬切削機床，有效能量一般理解為直接對工件進行切削加工的能量，其瞬時能量效率為

式中，Pc（t）為切削功率；Pt（t）為總輸入功率。

2.2.2 過程能量效率指標

機械制造系統過程能量效率是指某個制造過程或某個時間段的有效能量或有效產出與輸入能量的關系?？梢姡^程能量效率指標包括有效能量和有效產出兩種定義法。

（1）有效能量定義法。機械制造系統過程能量效率的有效能量定義是指某個制造過程或某個時間段的有效能量與系統消耗能量的比值。例如，一個工件的切削加工過程的能量效率E可定義為工件加工過程的有效能量和消耗總能量的比值［23］，即

式中，E為能量效率；Ec為有效能量；Et為系統消耗能量；T為系統運行時間。

（2）有效產出定義法。過程能量效率的有效產出定義又稱“比能”定義。比能（specific energy consumption，SEC）RSEC是系統消耗能量與系統有效產出的比值，即

式中，Ei為輸入能量；Eo為輸出能量；Oe為有效產出，包括有效經濟、物質產出量（如材料切除體積、產品個數等）。

3 機械制造系統能效評價的發展趨勢

（1）機械制造系統能效評價指標完整體系的建立。機械制造系統是產品生產的復雜載體，跨越產品、車間、任務、制造單元和生產設備等不同層次，每個層次的能量消耗都有其基本特征。機械制造系統的能效評價也應具有明顯的層次性，可分為產品層、車間層、任務層、制造單元層和設備層；每個層次都有其能效指標或指標體系。而且，考慮到制造過程能量消耗的不確定性，對其能效評價要符合過程特性，即，既要分析機械制造系統能量消耗狀態，又要評價其能量消耗過程。進一步講，針對過程能量效率評價，結合有效能量指標和比能指標，從不同角度反映機械制造系統的能效。

（2）機械制造系統能效評價基礎數據庫的建立。機械制造系統能量消耗指標的計算需要基于大量基礎數據，特別是各種工藝和各種設備及其各種狀態的能耗基礎數據，這就需要建立機械制造系統能效評價的基礎數據庫?；A數據庫的建立需要基于大量實驗，包括各種設備在各種加工條件下的空載實驗和加工實驗，工作量巨大?；A數據庫的建立將為能量效率的深度評價和生產設備的節能性運行、工藝路線節能性優化、工藝參數節能性優化等節能措施分析奠定基礎。

（3）機械產品和制造任務能量消耗的定額化。通過機械制造系統能量消耗評價，建立各種制造任務的能量消耗定額，可為企業高效節能生產戰略決策提供基礎數據，也可為政府和行業制定能耗定額標準、強化節能措施提供基礎數據。所謂能量消耗定額是指在一定的條件下，為生產單位產品或完成單位工作量，合理消耗能源的數量標準?？茖W的能量消耗定額能夠反映制造過程中能源消耗的客觀規律，是能源利用率考核和提高的依據。由前文所述機械制造系統能量消耗的四大特點可知，機械產品和制造任務的能量消耗定額問題特別復雜，尚有待深入研究。

（4）機械制造系統能效評價的標準化。機械制造系統能效評價過程的標準化包括能量消耗邊界劃分的標準化和評價方法及評價流程的標準化。邊界劃分對能量效率分析影響很大，同一制造任務，由于分析邊界不一樣，計算出來的能量消耗量會有數量級的區別。目前雖然已有一些典型產品和加工工藝的能量消耗量參考數據，但是對邊界的劃分不統一，給工業企業應用帶來不便。此外，一套標準的能效評價方法及評價流程有助于能效評價推廣，方便廣大企業開展能效自我評價和優化。

（5）機械制造系統能效評價和提升的信息化支持平臺的開發。機械制造系統能效評價和節能優化運行涉及信息量大，模型、過程和方法復雜，因此，需要信息化平臺的支持。平臺的底層模塊應包括數據庫、知識庫、方法庫；中間層模塊應包括各種應用模塊，如能效評價支持系統、生產設備的節能性運行方法及支持系統、工藝路線節能性優化方法、工藝參數節能性優化方法及支持系統等；頂層模塊應有交互式的友好操作界面，能夠支持各種具體應用。

4 結論

（1）機械制造系統能效評價具有能量消耗的多能量源特性、能量消耗狀態及能量效率的層次分布特性、能量消耗過程及瞬態能量效率的復雜多變性、能量消耗及能效評價的產品生命周期過程特性四大特點。

（2）機械制造系統能效評價現狀。從研究內容看，可以歸結為三類：一是機械制造系統總體能效評價，二是產品能效評價，三是機械設備和工藝能效評價；從能效指標看，可以歸結為瞬時能量效率指標和過程能量效率指標兩個方面。

（3）機械制造系統能效評價的發展趨勢主要包括：機械制造系統能效評價指標完整體系的建立、機械制造系統能效評價基礎數據庫的建立、機械產品和制造任務能量消耗的定額化、機械制造系統能效評價的標準化、機械制造系統能效評價和提升的信息化支持平臺的開發。

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