基于碳足跡方法的數(shù)控機床綠色度評估**

李 濤 楊慶東 祝英平

(①北京信息科技大學,北京 100192；②北京工研精機股份有限公司，北京 101318)

基于碳足跡方法的數(shù)控機床綠色度評估**

李 濤①楊慶東①祝英平②

(①北京信息科技大學,北京 100192；②北京工研精機股份有限公司，北京 101318)

從機床綠色設計的自然屬性出發(fā)，選取對機床綠色特性影響較大的因素進行研究分析。主要是從機床結(jié)構(gòu)件材料耗能和加工過程中電能的消耗研究，采用碳足跡的方法，建立面向數(shù)控機床綠色度的計算模型。根據(jù)得到的二氧化碳量，對數(shù)控機床設計方案進行綠色度的評價，并提出改進方案。最后，將該評價方法用于小葉片五軸聯(lián)動立式加工中心的設計中，驗證了該方法的有效性。

數(shù)控機床；綠色度；碳足跡；能源消耗

現(xiàn)代數(shù)控機床日益高速化、結(jié)構(gòu)輕型化，用戶對機床的綠色度和適應性要求也愈來愈高，綠色度表示的是機床對環(huán)境的影響程度，對數(shù)控機床進行綠色度評價顯得尤為重要。文獻[1]建立了碳排放模型，并對機床制造過程碳排放特性進行分析，根據(jù)碳排放量情況，提出了節(jié)能減排的措施建議；Johnson等研究了英國典型的空氣源熱泵系統(tǒng)從原材料生產(chǎn)、產(chǎn)品制造安裝及使用到報廢處理整個過程的碳排放，進而對碳排放貢獻比較大的關(guān)鍵部件進行了分析[2]；文獻[3-4] 為了給低碳產(chǎn)品開發(fā)提供輔助支持，采用模塊化思想和生命周期分析方法建立了基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的碳足跡分析模型；文獻[5] 提出了一種新的流水車間調(diào)度問題的數(shù)學規(guī)劃模型，考慮峰值功率負載、能源消耗和相關(guān)的碳足跡，并通過具體的案例驗證結(jié)論。

本文主要是從數(shù)控機床制造和使用階段的能源消耗著手，利用碳足跡的方法，對數(shù)控機床的綠色度進行評估。

1 碳足跡方法

碳足跡起源于生態(tài)足跡的概念，但現(xiàn)在已形成其特有的含義。碳足跡是對某一產(chǎn)品或活動在生命周期內(nèi)直接及間接引起的溫室氣體排放量的度量，以二氧化碳質(zhì)量當量為單位。

計算出的碳排放量是評估數(shù)控機床綠色度的重要指標，碳排放量的值是一個相對指標，指數(shù)大小并不能完全代表該方案的合理性，而是一種考慮用戶加工目標的評價指數(shù)。碳排放量可指導設計者針對用戶的加工目標和綠色度要求選擇合理的設計方案，也可根據(jù)評價結(jié)果對用戶提出適應度建議，并且可以從局部碳排放量分析出耗能最多的零部件，從而設計出更適合于用戶自身需求的產(chǎn)品。

2 碳排放量的計算

2.1 概述

本文主要從數(shù)控機床的制造階段和使用階段研究二氧化碳的排放量。從機床構(gòu)成而言，機床基礎部件、運動部件等鑄鐵或鋼質(zhì)部件占數(shù)控機床的90%左右，是機床原材料碳排放的主體；在機床的使用階段，最大的能源消耗就是電能，機床正常運行過程中，主要分為加工狀態(tài)和待機狀態(tài)，其中機床冷卻潤滑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)的電能需求構(gòu)成了“常值”能耗；主軸系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)等電能需求構(gòu)成了“可變”能耗。

2.2 制造階段碳排放量計算

機床制造階段包括零部件原材料制備、零部件毛坯加工、零部件的熱處理、零部件的機加工、整機裝備等，其中原材料制備是該階段高能耗環(huán)節(jié)。

原材料制備階段碳排放量CEm計算公式如下：

(1)

式中：Gi為數(shù)控機床主要結(jié)構(gòu)件的重量；EFmaterial為原材料碳排放當量系數(shù)。

2.3 使用階段碳排放量計算

機床加工過程電能消耗主要分為輔助運動電能消耗、空切削運動電能消耗和材料去除電能消耗三大部分。

2.3.1 輔助運動

輔助運動主要分為噴冷卻液和自動換刀，消耗電量E1計算公式如下：

E1=(P1+P2)·t1

(2)

式中：P1為冷卻泵的功率；P2為自動換刀的功率；t1為輔助運動消耗的時間。

2.3.2 空切削運動

空切削運動主要分為主軸旋轉(zhuǎn)、主軸旋轉(zhuǎn)加速、進給運動和快速進給，消耗電量E2計算公式如下：

E2=P·t2

(3)

式中：P為空切削運動中消耗的平均功率；t2為空切削運動消耗的時間。

2.3.3 材料去除

材料去除功率Pc計算公式如下：

(4)

不同加工方式的材料去除率公式也不同，式(5)～(7)分別為車削外圓、車端面和鉆孔時材料去除率Q的計算公式：

Q=π·n·f·ap(D-ap)

(5)

Q=π·n·f·ap·D

(6)

Q=π·n·f·D2/4

(7)

式中：n為工件轉(zhuǎn)速；f為進給量；ap為背吃刀量；D為工件加工表面的直徑。

銑削加工功率P計算公式如下：

(8)

vf=fn

(9)

式中：k的值為5.4。

材料去除時間t的計算公式如下：

(10)

式中：L為工件車削長度；f為進給量；n為主軸轉(zhuǎn)速。

材料去除消耗的電能E3計算公式如下：

E3=Pc·t

(11)

所以數(shù)控機床使用階段碳排放量的計算公式如下：

CEe=(E1+E2+E3)·EFelect

(12)

式中：EFelect即電能的碳排放系數(shù)，本文選用1.072 kg CO2e/kWh。

3 實例驗證

2009年我國正式啟動了“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”重大專項，旨在發(fā)展大型、精密、高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件，改變大型、高精度數(shù)控機床大部分依賴進口的現(xiàn)狀，滿足機械、航空航天等工業(yè)發(fā)展需求。小葉片五軸聯(lián)動立式加工中心是針對中小型航空發(fā)動機葉片工件銑削、車削加工和檢測的特殊要求，研制的五軸加工中心，本文將對其進行綠色度的評估。

表1 機床主要結(jié)構(gòu)件的重量

鑄件名稱重量/kg備注鑄件名稱重量/kg備注Y溜板296HT研具618HT左轉(zhuǎn)臺座122QT床身3340HT臺面128HT立柱2080HT搖籃134QT滑座540HT右支座208QT主軸箱290HT絲杠傳動部件45045鋼

假設機床平均一年運行300天，平均一天運行20 h(兩班制)。通過式(1)～(12)可以計算出小葉片五軸聯(lián)動立式加工中心一年中在制備階段和使用階段總的碳排放量約為741 t。其中加工中心零部件的制造主要采用鑄鐵，鑄鐵的碳排放系數(shù)為4.445kg CO2e/kg，45鋼的碳排放系數(shù)為5.926 kg CO2e/kg，計算出加工中心制備階段碳排放量約為37 t；使用階段的碳排放量約為704 t，占總排放量的95%左右，并且主要集中在材料切除階段。

表2 機床基本規(guī)格參數(shù)

規(guī)格參數(shù)主軸電動機/kW46X/Y/Z電動機/kW8．8/8．8/13．19A/C軸轉(zhuǎn)臺電動機最大功率/kW28．2/19．7A/C軸轉(zhuǎn)臺電動機額定功率/kW6．62/3．73外圍功率/kW10冷卻方式水冷

表3 葉片加工的基本參數(shù)

葉片長度/mm10葉片橫截面尺寸/(mm×mm)小于41×21切削深度/mm0．5主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)1500

目前，基于碳足跡的綠色度評估還沒有一套完整的標準，所以本論文選用與小葉片五軸聯(lián)動立式加工中心相近的五軸聯(lián)動精密加工中心進行比較，五軸聯(lián)動精密加工中心總碳排放量為926 t，制備階段碳排放量為90 t，使用階段為836 t。小葉片五軸聯(lián)動立式加工中心與其相比，綠色度較好，機床主要結(jié)構(gòu)件材料比較輕量化。不過自身相比，使用階段耗能相對比較多，通過優(yōu)化其使用階段的能耗可顯著降低機床生命周期碳排放量，因此使用過程的優(yōu)化與控制是優(yōu)化機床碳足跡的關(guān)鍵，可以改善其編程方法和路徑，改進主軸的設計，加快機床的換刀速度。

4 結(jié)語

本文從控制數(shù)控機床質(zhì)量的源頭，即在機床設計完成，投入制造之前，對機床進行科學的綠色度評價。采用碳足跡的方法，通過分析機床制造、加工過程中的能量消耗，建立計算模型，得出最終的碳排放量。評價結(jié)果不能用行與不行的標準來判斷，而是根據(jù)用戶個性化需求以及機床本身的結(jié)構(gòu)特點來綜合評價，進而選擇合理的設計方案。小葉片五軸聯(lián)動立式加工中心的設計實例證明，這種面向加工目標的綠色度算法是用戶易于接受的簡單、有效的評價方法。因此，本文提出的基于碳足跡方法的數(shù)控機床綠色度評價模式，是一種能夠獲得最佳效益的適用性評價方法。

[1]李先廣,李聰波，劉飛,等. 基于Petri網(wǎng)的機床制造過程碳排放建模與量化方法[J].計算機集成制造系統(tǒng),2012,18(12):2723-2735.

[2]Johnsonep. Air-source heat pump carbon footprints: HFC impacts and comparison to other heat sources[J].Energy Policy,2011,39(3):1369-1381.

[3]鮑宏,劉光富,王吉凱.采用碳足跡分析的產(chǎn)品低碳優(yōu)化設計[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2013，25(2)：264-272.

[4]符永高，萬超，趙新，等.基于生命周期的家電產(chǎn)品碳足跡計算方法研究[J].日用電器，2014(11)：50-54.

[5]Kan Fang, Fu Zhao，JW Sutherland.A new approach to scheduling in manufacturing for power consumption and carbon footprint reduction[J].Journal of Manufacturing Systems,2011,30(4):234-240.

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Greenness evaluation research of NC machine based on carbon footprint method

LI Tao①, YANG Qingdong①，ZHU Yingping②

(①Beijing Information Science & Technology University,Beijing 100192, CHN； ②Beijing Precision Machinery & Engineering Research Co., Ltol.,Beijing 101318,CHN)

Starting from the natural properties of green design, the key factor which has a great impact on greenness of NC machine, is analyzed and calculated. This paper uses the method of carbon footprint, focus on the machine structure material consumption and power consumption in the manufacturing process, and computational model for greenness of NC machine is built. The greenness evaluation are conducted for the design schemes of NC machine according to the amount of carbon dioxide, and put forward the improvement plan. Finally, the application effect of the method is shown through the development case study of small blade CNC controlled 5-Axis vertical machining center.

NC machine; greenness; carbon footprint; energy consumption

TH123

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.004

李濤，女，1990年生，碩士研究生，主要從事數(shù)控機床綠色設計評價方面的研究。

(編輯 譚弘穎)

2016-06-07)

161212

*國家重大專項：中小型航空發(fā)動機零件銑車加工單元研制(2013ZX04001061)