機械加工中有關能量方面的研究

張宜恒 任勇翰

摘 要：現如今，在機械的加工方面，整體上涉及到的范圍很廣，能量的利用率不高，但是卻需要大力進行節能減排，對此我們可以做很多工作。因此，對能量的效率問題國際正興起解決辦法。本文簡述和總結分析了在機械的加工系統里能量的利用率的含義及研究現狀，然后，經過總結提出了在機械的加工對于研究能量效率的所需要考察的內容，最后總結出機械的加工在能量利用效率這方面的未來發展前景和趨勢.

關鍵詞：機械加工，加工系統， 能量效率，研究現狀，內容體系，發展前景

1.在機械加工中能量效率的含義

在機械的加工過程中，能量效率是指在加工過程的某一時刻切削的功率與輸入的總功率的比例。能量效率是動態變量，并且非常復雜，為了簡單地去描述在機械加工中能量被利用的情況，我們引入了一個參數叫做利用率，這個利用率用U表示。U的含義是加工過程中有效能除以輸入的總能量所得的比值。

有了上面的定義，我們在研究能量效率方面變得非常方便。但是，知道了能量的效率，并不能清除和準確地表示出能量消耗了多少和產出了多少。為了解決這個問題，我們把能效內涵概括為：機械系統的能效指的是系統里有效的能量或者有效的產出與輸入的能量間的比例。

2.機械加工系統里能量效率的現狀

現在，機械加工在生活中各個方面應用非常廣，但由于我國技術等各方面原因，能量的利用率不高，與此同時，還需要大力進行節能減排工作，這其中需要我們處理的問題還有很多。近幾年來，國際和國內很多知名院校和組織建立了團隊專門針對機械加工方面能量利用的問題展開了積極的探索和研究。比如美國的麻省理工GUTOWSKI團隊、英國劍橋的EVANS團隊等，有的出名的國際組織和知名企業，都將機械加工系統里的能量的利用效率作為重點問題來研究處理和解決。由此可見，這個問題在如今社會受到了高度的重視。

3. 在機械的加工中研究能量所需考察的內容

在以上論述中我們簡述了機械的加工系統里對能量效率的研究，我們可以看出在研究能量時我們需要考察的內容。

機械的加工系統中能量效率的內容有三個對象、五種基礎性的技術問題、兩大類功能性技術和兩個目標。五種基礎性的技術問題間又有著遞進關系并且相互聯系。也就是說，在機械的加工中，能耗環節與對能量組件的能效問題的研究是機械加工系統中能量消耗和效率建模的基礎，能效建模的理論基礎是能量流以及對能量特性進行的分析，能耗與能效建模是研究機床和工件的能效特性的支持和依據，揭示了機床及工件在加工過程中的能效的規律。進一步說，在對能效特性進行解析后，再對能量效率進行評價，建立起機械系統中對能效的評價指標，并制定出評價方法。前面四類基礎性的技術能實現機械系統對能效的監控動態化和管理動態化。在上述五大類基礎性技術問題作為支撐后，我們依據機械系統的能量特性和效率評價，支撐機械系統運行技術實現高能效和設計技術進一步優化。兩大類功能性技術是對機械系統進行能量效率研究的根本的落腳點，它的目的有兩個，一是為了實現機械系統能效的提升，二是開發出高能效的機床。

4. 機械的加工系統關于能量利用的未來發展前景和趨勢。

我們總結和分析了機械加工方面能量研究的現狀，對以后的能量利用做出了未來發展前景的預測。并相信其發展將呈現以下趨勢。

（1）對能量效率的建模日趨集成化。層次分布是機械的加工系統里能量消耗所具有的特性。機械加工方面中的能量建模將分為兩個重大方向，一個是宏觀，另一個是微觀。宏觀指的是能看得到的實際的生產過程，包括單機加工-生產線-加工的車間-加工的企業-跨地域企業的能量效率的模型為基礎，逐步向上，將一些外部設備、物流和輔助等設備一起聯合起來得到一個模型整個，最后才得到大機械系統的模型。微觀的方向指的是由單機系統-能耗組件-能耗零件-能耗界面這些的集成，它的建模方式是從上至下的。微觀方向的集成對象是單機系統，層層分解單機系統的能量構成以及效率模型，最后得到單機系統各個界面的模型。由宏觀微觀兩個方向的能效建模集成共同支持著系統揭示機械系統的能效特性，這其中還有很多需要我們解決的問題。

（2）能效評價日趨平臺化。在前面我們已經知道，由于機械在生產運用范圍廣，其利用率又比較復雜，國際上也在不斷做出對能量利用率的評價。此外，能效評價要有它自己的指標體系，但是由于機械系統的層次性、能耗多變性等，我們還需大量研究才能建立起科學、整體、實用的評價指標。而且，能效評價需要很大數量的基礎數據，這就要求必須建立一個機械系統的數據庫，這個數據庫的建立需要大量試驗，有的還要有理論模型。以后隨著工業的發展，政府部門的能量管理就需要建立在機械加工方面對能量利用提供一種智能化的方式去對能量利用情況做出評價。

（3）工件的任務能耗數額日趨穩定化。在研究能量效率的問題后，我們提出了對各種任務所需消耗能量的計算方法，即能耗定額。所謂的能耗定額，指的是一定條件下，生產完耽誤產品或完成單位任務量所需要消耗的能源的數量?？茖W的能耗定額在加工過程中能作為能量需求所依照的重要標準。

（4）系統的運行能效實現最優化。提高機械加工在運行時的能量利用率，在節省能量的過程中是很重要的。有很多途徑可以提高系統的能效，比如優化機床運行、優化工件參數，規劃工件路線等。但是因為研究這些途徑的時間不久，這部分內容大多離實用還差一些距離，這是系統能效最優化需要面臨的一個重要問題-實用化。同時，還需解決兩個問題：一是系統的優化，怎樣集成所有的途徑；二是在能效提升的同時不能影響工件的加工效率和質量。

（5）機床能效趨于綜合化。機械系統的能耗是以機床為主體的。考慮機床涉及過程中運行時的能效問題，是從根本上去解決能效問題。在機械系統的能效研究中，能耗環節和組件能效、能量消耗和能效建模、機床和工藝能效特性間問題、能效評價等基礎性的技術問題和對于能效規律的揭示，將會使得機床在設計時機床實現高能效成為必然。機床在運行時的能量消耗效率大部分取決于機床在設計過程中的對于能量消耗的考慮。對于機床的設計要達到高效能化是非常復雜和系統的問題。一方面，得從機床結構、傳動系統、電氣能量、控制系統等多方面去考慮，同時，還要考慮能效的目標、經濟目標以及技術目標也要進行優化。對機床進行高能效的綜合性優化是比較困難和復雜的問題，但是也是機床未來發展的趨勢。

5.結論

（1）機械系統能效的含義中，不僅包括有傳統能量的效率和利用率，還有比能效率，機械系統能效問題主要是涉及機床還有工件能耗。

（2）機械系統能效研究的內容有三類對象、五種基礎性的技術問題、兩大類功能性的技術和兩個大的目標；三類對象指的是機床、工件還有系統；五種基礎性的技術問題指的是能耗環節與組件能效所存在的問題、能量消耗與能效建模、機床和工藝能效特性、能效評價和機械系統能效監控與管理；兩大類功能性的技術是系統的高能效運行技術的優化和機床的優化設計；兩個大的目標是系統能效的提升和高能效的機床的開發。

（3）機械系統能效研究逐漸趨向的方向和發展前景：對能量效率的建模日趨集成化、能效評價日趨平臺化、工件的任務能耗數額日趨穩定化、系統的運行能效實現最優化、機床能效趨于綜合化等。

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