機(jī)電產(chǎn)品能量因素的識別與提取方法研究

何　平，朱達(dá)榮，程秀芝

機(jī)電產(chǎn)品能量因素的識別與提取方法研究

何平，朱達(dá)榮，程秀芝

（安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽合肥，230061）

能量因素作為機(jī)電產(chǎn)品能耗屬性與設(shè)計(jì)信息的聯(lián)系紐帶，與能耗關(guān)聯(lián)的各種控制要素存在耦合關(guān)系，難以直接量化表達(dá)，針對這個問題，建立了能量因素識別與提取方法。該方法主要是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的隸屬度函數(shù)進(jìn)行可控性和能耗影響強(qiáng)弱程度分析，從而提取出機(jī)電產(chǎn)品的強(qiáng)可控能量因素集，應(yīng)用于產(chǎn)品使用過程的能耗控制與優(yōu)化。最后，以汽車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件的能量因素提取為例，對提取方法進(jìn)行了說明。

機(jī)電產(chǎn)品；可控性分析；能量因素；能量優(yōu)化

0　引　言

我國能源使用效率低有多方面的原因，主要與產(chǎn)品設(shè)計(jì)，制造系統(tǒng)，產(chǎn)品的使用、回收等因素有較強(qiáng)關(guān)系。而產(chǎn)品設(shè)計(jì)是影響產(chǎn)品能量消耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)源頭出發(fā)，以能效提升為重要設(shè)計(jì)目標(biāo)，綜合考慮產(chǎn)品能耗特性與能耗關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)信息，開展產(chǎn)品能量優(yōu)化設(shè)計(jì)，是降低能源消耗率的重要方法之一。

從目前全生命周期進(jìn)行分析能耗特性的研究可以發(fā)現(xiàn)[1-4]：產(chǎn)品在使用過程能耗最大，約占其全生命周期能耗的70%～90%。因此，進(jìn)行能量優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)重點(diǎn)對機(jī)電產(chǎn)品使用過程展開能耗特性分析，識別出與能耗關(guān)聯(lián)的能量因素集，并對初步能量因素集進(jìn)行可控性分析，提取出強(qiáng)可控性能量因素集，應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，可對產(chǎn)品能耗程度進(jìn)行量化控制和優(yōu)化，達(dá)到有效提升產(chǎn)品能效的目的。其中能量因素的識別和可控性分析將產(chǎn)品的能量特性與設(shè)計(jì)過程聯(lián)系起來，其研究具有重要意義。

1　能量因素的概念與作用

能量因素[5-7]是指機(jī)電產(chǎn)品在全生命周期的各個階段中與能量變化發(fā)生相互作用的參數(shù)、性能指標(biāo)或材料特性。能量變化的類型包括能量傳遞、轉(zhuǎn)換、消耗及存貯等，能量因素則包括直接的和間接的能量關(guān)聯(lián)要素。能量因素之間既有相互關(guān)聯(lián)也有相互對立，設(shè)計(jì)人員需要從系統(tǒng)的角度，對機(jī)電產(chǎn)品在全生命周期中的能量損失特性以及重要影響要素進(jìn)行全面分析，最終提高產(chǎn)品的有效能量效率。

分析現(xiàn)有機(jī)電產(chǎn)品運(yùn)行過程的能量流程和能耗特點(diǎn)，建立各關(guān)鍵部件的能量傳輸數(shù)學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)推導(dǎo)出能耗量化模型。依據(jù)對機(jī)電產(chǎn)品在使用階段能量損失特性分析的結(jié)果，能夠初步得到能耗關(guān)聯(lián)的各種控制要素集合。然而初步識別和獲得的能量因素具有綜合或耦合特性，通常不能進(jìn)行量化表達(dá)，同時也有和產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程并無關(guān)聯(lián)的部分能量因素，它們?nèi)Q于具體的使用環(huán)境、運(yùn)行參數(shù)和使用者的操作方法等特征量。因此，需要識別和提取出重要的可控的能量因素[8,9]。

對初步識別和獲取的能量因素集開展可控性分析，提取出對能耗影響較強(qiáng)、可設(shè)計(jì)控制的能量因素，以便進(jìn)行下一步能量因子[5,9]的提取。通過這一重要的能量因素提取，可以得到三組能量因素集：非設(shè)計(jì)可控能量因素集、弱可控能量因素集和強(qiáng)可控能量因素集。

2　機(jī)電產(chǎn)品能量因素的識別與提取方法

在能量因素提取機(jī)制中，可控性分析和能耗影響強(qiáng)弱程度分析的分析對象均涉及到對定性能量因素的量化處理，這種處理方式往往難以用一般的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述，目前對于這類問題的處理方法有加權(quán)平均法、層次分析法、模糊數(shù)學(xué)法等。由于模糊數(shù)學(xué)法是對受多個因素影響的事物進(jìn)行全面評價的綜合評價方法[10]。因此，本文采用模糊數(shù)學(xué)方法來確定能量因素的隸屬度數(shù)值，具體步驟如下：

（1）建立識別出能量因素清單（初始能量因素集I）

對現(xiàn)有機(jī)電產(chǎn)品運(yùn)行過程進(jìn)行能量損失特性分析，可以識別出產(chǎn)品能量關(guān)聯(lián)因素，由此可以建立如下的初始能量因素集：

式中，ij表示第j個能量因素；n表示能量因素的個數(shù)。

（2）建立能量因素對產(chǎn)品能耗影響程度的隸屬度集合

能量因素對能耗的影響有定量性和定性雙重影響。因此，本文進(jìn)行能量因素提取，盡量避免了定性描述，而是以定量描述為主。

為使各個因素對能耗的影響程度具有可比性，需要對定量和定性描述因素進(jìn)行無量綱化處理，本文主要運(yùn)用隸屬度函數(shù)進(jìn)行描述。對于定量性的能量因素，可建立因素評價范圍，并根據(jù)因素量值確定其隸屬度；對于定性描述的能量因素，則通過專家評議方法確定其隸屬度。

定性描述的能量因素通常以指標(biāo)的形式表達(dá)，本文采用帶信任度的專家調(diào)查法[9,11]來確定該類能量因素的隸屬度值，具體步驟如下：

（I）將與I相關(guān)的詳細(xì)資料發(fā)給本領(lǐng)域的s位專家，請專家給出隸屬度的估計(jì)值m。這個過程可視為專家獨(dú)立完成。

（IV）第II步和第III步可以循環(huán)若干次，直到離差值小于或等于預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)ε，即ε≥dk且ε>0。

（V）將第IV步得到的平均值

其中，信任度ei∈[0,1]，e=1表示有絕對把握，e=0表示毫無把握。

（VI）對矩陣ME，設(shè)定值λ（0<λ<1），令

則有

根據(jù)以上5步隸屬度計(jì)算，能夠獲得與初始能量因素集相對應(yīng)的隸屬度模糊集合：

（3）利用模糊x分割原理得出能量因素集

依據(jù)擬定模糊分割值x，得到符合篩選要求的能量因素集：

3　汽車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件的能量因素識別與提取

對汽車傳動系統(tǒng)的離合器和變速器兩個關(guān)鍵部件運(yùn)行過程的能量損失機(jī)理與特性進(jìn)行分析，可得到初始能量因素集，如圖1所示。然后采用模糊數(shù)學(xué)方法確定出可用于設(shè)計(jì)的強(qiáng)可控能量因素集，具體過程如下：

（1）建立初始能量因素集I

如圖1中的傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件的初始能量因素集，則I包含17個能量因素，i1～i17分別代表傳動件材料參數(shù)、傳動件結(jié)構(gòu)參數(shù)、傳動件轉(zhuǎn)動慣量、傳動件角速度、附加損失功率、滑磨時間、潤滑油流量、發(fā)動機(jī)輸出特性、油門開度、潤滑油參數(shù)、供油系統(tǒng)效率、整車載荷質(zhì)量、汽車行駛工況、汽車驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩、齒輪傳動效率、齒輪傳動比、傳動環(huán)節(jié)摩擦特性。

（2）可控性分析

專家組依照表1給出的可控性打分標(biāo)準(zhǔn)，對初始能量因素集I的各個因素的隸屬度估計(jì)值進(jìn)行判斷打分。設(shè)定離差標(biāo)準(zhǔn)為0.04；信任度e的標(biāo)準(zhǔn)λ為0.6；模糊分割值x為0.5，則通過式（2）～（6）可計(jì)算得到各個因素的隸屬度估計(jì)

圖1　傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件能耗組成與能量因素集

表1　能量因素的可控性打分標(biāo)準(zhǔn)

通過表2可知，符合可控性篩選要求的隸屬度模糊集合為：

根據(jù)擬定的模糊分割值x=0.5，確定出符合篩選要求的能量因素集為：

表2　能量因素可控性估計(jì)值及平均估計(jì)值表

（3）能耗影響強(qiáng)弱程度分析

通過表4可知，符合能耗影響強(qiáng)弱程度篩選要求的隸屬度模糊集合為：

根據(jù)擬定模糊分割值x=0.6，確定出符合篩選要求的能量因素集為：

表3　能量因素影響能耗強(qiáng)弱程度打分標(biāo)準(zhǔn)

表4　能量因素影響能耗程度估計(jì)值表

最后的決斷專家1 m 0.8 　0.6 　0.4 　0.8 　0.7 　0.7 　0.7 　0.3 　0.8 　0.8 　0.7 u 　0.9 　0.8 　0.8 　0.9 　0.9 　0.9 　0.8 　0.9 　0.8 　0.9 　0.9專家2專家3 m 0.8 　0.5 　0.3 　0.8 　0.8 　0.7 　0.7 　0.4 　0.8 　0.8 　0.7 u 　0.8 　0.9 　0.7 　0.8 　0.8 　0.9 　0.8 　0.8 　0.9 　0.8 　0.9 m 0.8 　0.7 　0.2 　0.7 　0.8 　0.7 　0.6 　0.4 　0.8 　0.8 　0.7 u 　0.9 　0.8 　0.8 　0.9 　0.9 　0.8 　0.8 　0.9 　0.8 　0.7 　0.9 m 　0.8 　0.6 　0.3 　0.77 　0.77 　0.7 　0.67 　0.37 　0.8 　0.8 　0.7

最終篩選出的能量因素集E，如式（13），即是傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件的強(qiáng)可控能量因素集，該集合中的因素均為可控性較高的能量因素，其對應(yīng)的名稱見圖1中所示的強(qiáng)可控能量因素集中的能量因素。而獲得的能量因素集 是對傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行能量優(yōu)化的重要基礎(chǔ)。

4　結(jié)論

(1) 能量因素是機(jī)電產(chǎn)品使用過程能耗屬性表達(dá)的特征變量或指標(biāo)，提取出強(qiáng)可控能量因素是實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品能量優(yōu)化的主要途徑之一。

(2) 本文以汽車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件的能量因素識別與提取為例，詳細(xì)說明了能量因素識別與提取的方法，對其他機(jī)電產(chǎn)品同樣具有借鑒意義。

(3) 在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步考慮強(qiáng)可控能量因素重要程度的量化分析。

[1]Peder E F, Joyce S C. Life cycle energy analysis as a method for material selection [J].Journal of Mechanical Design. 2004, 126(5)：798-804.

[2]Haapala K R, Khadhe K N, Sutherland J W. Predicting manufacturing waste and energy for sustainable product development via W E-Fab software [C]// Proceedings Global Conference on Sustainable Product Development and Life Cycle Engineering. Berlin, Germany, 2004：243-250.

[3]Belhadj C A, Elferik S. Segregated residential air conditioner load model behavior with temperature and humidity [C]// Proceedings of the Fifth IA STED International Conference on Power and Energy Systems. Benalmadena, Spain, 2005：143-150.

[4]Hyung Chul Kim. Optimal Household Refrigerator Replacement Policy for Life Cycle Energy, Greenhouse gas emissions and cost[J]. Energy Policy, 2006,34:2310-2323.

[5]戚赟徽.面向能源節(jié)約的產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)理論與方法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

[6]周丹，劉光復(fù)，何平.數(shù)控機(jī)床能量設(shè)計(jì)因子提取方法研究[J].中國機(jī)械工程，2011，22（3）：351-355.

[7]周丹，劉光復(fù)，何平.基于優(yōu)選級評定的能量設(shè)計(jì)因子耦合分解機(jī)制[J]，中國機(jī)械工程，2012，23(12)：1393-1399.

[8]劉紅.產(chǎn)品全生命周期能量因子的識別與提取方法研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007.

[9]周丹.基于設(shè)計(jì)元與公理設(shè)計(jì)理論的能量優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[10]劉志峰.綠色產(chǎn)品綜合評價及模糊物元分析方法研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2004.

[11]韓立巖,汪培莊.應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)(修訂版)[M]. 北京:首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)出版社,1989.

Study on Energy Identification and Extraction Methods of Mechatronic Products

HE Ping , ZHU Darong , CHENG Xiuzhi
(Mechanical & Electrical Engineering School, Anhui Jianzhu University, Hefei, 230061, China)

The energy aspect is the link between energy-consuming character and design information of mechatronic products. However, it is difficult to be expressed quantitatively, because of the coupling relationship between energy aspect and various control factors of energy consumption. To solve this problem, identification and extraction method of energy aspect was built. Identification and extraction method was mainly applied to the membership function of fuzzy mathematics and the analysis of the influence of energy consumption. Then the strong controllable energy aspect set of mechatronic product was extracted, which was applied to energy consumption control and optimization in the process of product application. Finally, the extraction method was illustrated by taking the energy factor of the key components of the automobile transmission system as an example.

Mechatronic product；Controllability analysis；Energy aspect; Energy optimization

TH186；X24

A

2095-8382(2016)03-087-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160318

2016-01-20

安徽高校省級自然科學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號KJ2014A040）

何平（1980--），男，博士，副教授，研究方向?yàn)榫G色設(shè)計(jì)與制造。