基于LCCBPO氣動與電動執行器系統成本研究

張業明，蔡茂林

(1.河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作 454000;2.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京 100191)

氣動執行器在自動化生產線中應用非常廣泛。近年來，隨著電氣自動化程度的不斷提高，電動執行器卻慢慢侵入氣動領域，兩種執行器在應用上既有競爭又相互補充。對于沒有多點定位要求的場合，用戶更傾向于使用氣動執行器。目前，工業現場使用電動執行器的應用大部分都是要求高精度多點定位，氣動執行器則難以實現［1］。在輸出力上，氣動執行器的輸出力與缸徑的平方成正比;而電動執行器的輸出力與缸徑、電機的功率和絲桿的螺距3個因素有關系。

在執行器作動系統設計中，大多數情況下既可以選擇氣動執行器，也可以選擇電動執行器。選擇哪一種執行器對整個生產系統更有利?系統成本又如何?這些問題目前一直沒有深入的分析和討論。KAENZIG等［2］進行了消費電子產品的生命周期成本信息的分析。林豐巖［3］從產品生命周期成本的概念出發，分析其內涵、演變等規律，僅限于理論研究。陳小川等［4］就制造業中產品全生命周期成本的概況進行了研究，對典型機電產品的生命周期成本只是提出了一個概念框架。

目前，有關研究氣動和電動兩種執行器系統的成本問題的文獻資料很少。文中綜合分析3組氣動執行器和電動執行器系統的工作狀況，確定研究對象，建立評價模型，分析其全生命周期成本，最后進行實例數據分析和驗證。討論在最常見的生產線工件搬運工況下，哪種執行器系統在綜合成本上更有優勢和競爭力，運用數據指導執行器作動系統的選型和設計。

1 執行器研究對象的確定

通過對多家氣動和電動執行器生產企業的產品出貨量和市場占有率的調研，直徑為10 mm、25 mm和32 mm的氣動執行器的市場用量最大，服從正態分布［5］。電動執行器的出貨量和市場占有率與氣動執行器相比要小。氣動和電動執行器在完成相同的工作任務時，要求具有接近的輸出力、行程和速度等參數，從而確定出3組氣動和電動執行器作為研究對象，如表1所示。

表1 三組氣動和電動執行器

2 執行器的LCCBPO評價

生命周期成本 (Life Cycle Cost，LCC)指產品在整個生命周期中所有支出費用的總和，包括原料的獲取、產品的使用費用等，即是指是企業生產成本與用戶使用成本之和。

如果從產品所有者角度出發，自產品購入、使用直至報廢，是產品的整個生命周期。在這個周期內，產品所有者為取得產品、實現產品功能、報廢產品都須支付一定的成本，由產品所有者支付的各項成本之和稱為基于產品所有者的生命周期成本 (LCCBPO)。LCCBPO主要包括購置成本、運行成本、維護保養成本和報廢回收成本［6］。

分析氣動和電動執行器的使用特點，兩種執行器的LCCBPO成本因素如表2所示。

2.1 執行器的LCCBPO成本因素

表2 兩種執行器的LCCBPO成本因素

2.2 執行器的LCCBPO評價基準

(1)大多數廠家氣動和電動執行器的使用壽命一般都為5年或者5 000 km行程;在5年的生命周期內，綜合考慮購置成本、運行維護保養成本和回收成本3個方面的成本因素，對3組執行器分別進行分析。

(2)在分析運行成本時，同組的氣動執行器和電動執行器要求工作在相同的工作載荷和工作頻率等工況下，具體工況如表3所示。

(3)維護保養成本參考現場使用情況。

(4)不考慮執行器報廢的處置費用，直接由廢舊回收公司收購，換回執行器材料費作為其報廢回收成本。

表3 3組執行器的現場工況

2.3 執行器的LCCBPO評價模型

兩種執行器的LCCBPO總成本為:

式中:C為執行器總成本;C1為購置成本;C2為運行維護成本;C3為報廢回收成本;m為年限。

兩種執行器的LCCBPO模型計算相似。氣動執行器的LCCBPO計算方法在文獻 ［5］進行了詳細闡述。電動執行器的LCCBPO比氣動執行器簡單。在購置成本上，電動執行器不需要考慮氣動管道、閥門之類的公用設備的購置成本均攤問題［5］;它的運行維護成本直接利用電力計測量即可［7］。

3 執行器的LCCBPO實例分析

3種氣動執行器的購置成本如表4所示［5］，3種電動執行器的購置價格如表5所示。

表4 氣動執行器末端設備購買價格

表5 電動執行器系統的購買價格

氣動和電動執行器的運行能耗數據參見文獻［7］。報廢回收材料價值通過計算執行器的零件質量和材質得到。利用LCCBPO模型，逐一計算出每一種執行器的購置成本、運行維護成本和報廢回收成本，然后進行匯總比較［8］。

3.1 兩種執行器的購置成本

3組氣動執行器每年的購置成本都比相應的電動執行器低很多，數據如圖1所示。

圖1 3組執行器的每年購置成本曲線

3.2 兩種執行器的運行維護保養成本

氣動執行器本身基本免維護，但是整個氣動系統需要維護，特別是氣源部分，如表6所示［5］。

表6 神鋼壓縮機AG370每年定期維護保養名目

電動執行器每隔一定時間需要涂抹適量的潤滑脂，減少設備的損壞。電動執行器一般也不會出故障。假定電動執行器也基本免維護，只需要涂抹一定的潤滑脂。

三組執行器水平和垂直方向每年的運行維護成本對比如圖2、3所示。

PA、PC都是有桿氣缸。在每年的運行維護成本上，PA、PC分別比同組的EA、EC要稍微低一點。PB為無桿氣缸，水平方向PB的運行維護成本比同組的EB要高將近3倍，垂直方向PB的運行維護成本比同組的EB要高自身的1/3左右。此外，電動執行器的購置成本和運行維護成本之和比氣動執行器的相關成本要高3～10倍。

圖2 3組執行器水平方向每年的運行維護成本

圖3 3組執行器垂直方向每年的運行維護成本

3.3 兩種執行器的報廢回收成本

氣動和電動執行器的報廢回收成本對比如圖4所示。PA，PB，PC的回收成本普遍比EA，EB，EC要低很多。主要因為電動執行器的質量普遍比同功能的氣動執行器要重2～8倍左右。此外材質上電動執行器也比同功能的氣動執行器要好。

圖4 3組執行器的報廢回收成本

3.4 兩種執行器的全生命周期總成本綜合對比

水平和垂直方向3組執行器的全生命周期成本對比如圖5、6所示。在相同的負載條件和工作行程下，每種電動執行器的全生命周期成本約為氣動執行器的5～8倍左右。

圖5 3組執行器水平方向LCCBPO比較

圖6 3組執行器垂直方向LCCBPO比較

4 總結

對氣動執行器和電動執行器的全生命周期成本進行了詳細的分析。首先分析了兩種執行器的成本因素的構成情況，確定了兩種執行器的能耗評價基準和LCCBPO計算模型。最后通過3組執行器的實例數據驗證，得出結論如下:

(1)在同樣的負載能力和行程的條件下，氣動執行器的購置成本比電動執行器要低很多。

(2)在水平方向和垂直方向兩種情況下點到點搬運工件時，氣動執行器的運行和維護保養成本是相同的;而電動執行器水平方向搬運工件時的運行和維護保養成本比垂直方向時要低。

(3)在同樣的負載能力和行程的條件下，有桿氣缸運行維護成本比同組的電動執行器要低，無桿氣缸運行維護成本比同組的電動執行器要高。

(4)具有相同負載能力和行程的氣動執行器比電動執行器的回收成本要低。

(5)在點到點搬運的工況下，從LCCBPO上分析，一般氣動執行器要比電動執行器更經濟實惠。

［1］蔡茂林，陳響宇，王雄耀，等.氣缸與電動執行器的競爭與互補［J］.現代制造，2009(4):24－27.

［2］KAENZIG J，WUSTENHAGEN R.The Effect of Life Cycle Cost Information on Consumer Investment Decisions Regarding Eco-Innovation［J］.Journal of Industrial Ecology，2010，14(1):121 －136.

［3］林豐巖.產品生命周期成本:內涵、演變及啟示［J］.理論學刊，2006(7):69－70.

［4］陳小川，方明倫.制造業中產品全生命周期成本的研究概況綜述［J］.機械工程學報，2002，38(11):17 －25.

［5］張業明，蔡茂林.氣動執行器的全生命周期成本分析［J］.北京航空航天大學學報，2012，37(8):1006 －1010.

［6］ARJA M，SAUCE G，SOUYRI B.External uncertainty factors and LCC:a case study［J］.Building Research and Information，2009，37(3):325 －334.

［7］張業明，蔡茂林.氣動執行器與電動執行器的運行能耗分析［J］.北京航空航天大學學報，2010，(5):560 －563.

［8］JUNNILA S.Life Cycle Management of Energy-consuming Products in Companies Using IO-LCA［J］.International Journal of Life Cycle Assessment，2008，13(5):432 －439.