礦山機(jī)械制造系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王 偉

（撫順礦業(yè)集團(tuán)技師學(xué)院，遼寧 撫順 113008）

目前，我國的制造業(yè)是我國的重要經(jīng)濟(jì)性支柱產(chǎn)業(yè)，但制造業(yè)的生產(chǎn)過程中，卻消耗了大量的能源，同時(shí)對我國的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了不同程度的破壞。美國曾經(jīng)做過關(guān)于能量消耗方面的調(diào)查，調(diào)查顯示工業(yè)活動(dòng)消耗了大量的能量，在其他發(fā)達(dá)國家也有累死的情況。我國屬于發(fā)展中國家，但制造業(yè)所消耗的能量同樣巨大，導(dǎo)致節(jié)能減排的壓力與日俱增。因此，根據(jù)目前的現(xiàn)狀，加強(qiáng)關(guān)于機(jī)械制造系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)、能量效率等，是當(dāng)前我國制造業(yè)必須面對的問題[1，2]。

機(jī)械制造業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分。但在傳統(tǒng)的制造業(yè)運(yùn)行中，人們單方面認(rèn)為單臺(tái)的及威脅設(shè)備不會(huì)存在能源消耗的問題，因此沒有足夠的重視。但近幾年，能源消耗的問題日益嚴(yán)重，引起了人們的關(guān)注和重視。學(xué)術(shù)界、企業(yè)都在不斷的進(jìn)行能源消耗問題的研究，從而關(guān)于機(jī)械制造系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)相關(guān)研究已經(jīng)風(fēng)生水起，但是，目前針對于該方面的研究還沒有形成系統(tǒng)，相對比價(jià)散漫，并且由于機(jī)械制造系統(tǒng)的涵蓋面太寬、所涉及的制造過程又十分復(fù)雜，從而導(dǎo)致能效評(píng)價(jià)的很多問題沒有解決。

1 機(jī)械制造系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)的特點(diǎn)

機(jī)械制造系統(tǒng)包含壓力加工、特種加工等共九大類工藝，同時(shí)包括輸入和輸出產(chǎn)品的系統(tǒng)。如果根據(jù)能量消耗的角度進(jìn)行分析，機(jī)械制造系統(tǒng)是由鑄造設(shè)備及相應(yīng)的工藝過程為主體的制造系統(tǒng)。機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗的主體具有很多特性，包括多樣性、復(fù)雜性、以及能源消耗過程中的隨機(jī)性、變化性等多方面的原因，從而導(dǎo)致關(guān)于化工、冶金等制造系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)存在很高的困難程度。因此，下文針對于能效評(píng)價(jià)的復(fù)雜特點(diǎn)進(jìn)行探討。

1.1 機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗的多能量源特性

機(jī)械制造系統(tǒng)涉及九類加工設(shè)備，同時(shí)還包含檢測、照明設(shè)備等多種輔助設(shè)備，其中每一種設(shè)備都會(huì)有其相對應(yīng)的能量消耗源。例如，普通的車床 就包含了照明系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)，而如果是數(shù)控機(jī)床，就會(huì)有靜壓系統(tǒng)等能量消耗系統(tǒng)，但這些能量消耗系統(tǒng)響應(yīng)存在多個(gè)能量消耗源。

1.2 機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗狀態(tài)及能量效率的層次分布特征

在機(jī)械制造系統(tǒng)中擁有車間、任務(wù)等很多不同的層次，并同時(shí)每個(gè)層次所對應(yīng)的能量消耗都與其獨(dú)有的特征。例如，處于設(shè)備層次的能量消耗，是屬于礦山機(jī)械制造系統(tǒng)的主體，但諸如車間這個(gè)層次中，其加工設(shè)備所產(chǎn)生的能耗之外，還有一些輔助設(shè)備的消耗。在產(chǎn)品消耗中包含了產(chǎn)品組裝、原材料準(zhǔn)備等多個(gè)方面的每個(gè)階段中所產(chǎn)生的能耗。

1.3 機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗過程及瞬態(tài)能量效率的復(fù)雜多變性

礦山機(jī)械制造系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，在特定的時(shí)間內(nèi)，其可以呈現(xiàn)出較為復(fù)雜、多變的能量消耗現(xiàn)象。例如，在機(jī)床加工簡單工件的產(chǎn)生的能量消耗過程中，其產(chǎn)生的能量消耗變化體現(xiàn)為啟動(dòng)過程的功率變化、加工工序的能耗規(guī)律差異、輸入功率的變化這三方面。

1.4 機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗及能效評(píng)價(jià)的產(chǎn)品生命周期過程特性

礦山機(jī)械產(chǎn)品的能量消耗，貫穿產(chǎn)品的整個(gè)生命周期之中，并在生命周期各階段中，都需要不同程度的能量作為支撐；與此同時(shí)，在機(jī)械制造產(chǎn)品的不同階段生命周期中，其所需要消耗的能量也存在很大的差異，針對不同階段的不同能量進(jìn)行深入的分析。在進(jìn)行能效評(píng)價(jià)過程中，應(yīng)該充分考慮生命全周期的能量消耗、效率兩方面的問題。

2 機(jī)械制造系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀

2.1 機(jī)械制造系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)內(nèi)容的研究現(xiàn)狀

筆者對現(xiàn)有的機(jī)械制造系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)的內(nèi)容進(jìn)行歸類總結(jié)，可以分為三大類：

（1）機(jī)械制造系統(tǒng)總體能效評(píng)價(jià)。對礦山機(jī)械制造系統(tǒng)的綜合能量消耗情況進(jìn)行總體性的評(píng)價(jià)，就是總體能效評(píng)價(jià)，一般情況下，研究的對象是整體能耗。在美國的IAC評(píng)價(jià)體系就較為成功，其中包括電能、熱能、能源等多方面的評(píng)價(jià)。我國質(zhì)檢總局、標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)曾經(jīng)提供過關(guān)于能量平價(jià)的框架、體系，通過對綜合能耗、產(chǎn)品單位產(chǎn)量綜合能耗等方面的指標(biāo)進(jìn)行分析，從而利用這些指標(biāo)的分析得出企業(yè)真實(shí)的能效水平。

（2）產(chǎn)品能效評(píng)價(jià)。產(chǎn)品能效評(píng)價(jià)主要是針對于生產(chǎn)、生命周期過程中所產(chǎn)生的能耗進(jìn)行效率評(píng)價(jià)。主要面向從零件制造、裝配、回收等生命周期過程。其中，可以將產(chǎn)品能量分為兩方面，分別為直接和簡介能量。直接能量是在產(chǎn)品制造過程中產(chǎn)生的能量消耗，簡介能量是產(chǎn)品所需物料的內(nèi)含能。

（3）機(jī)械設(shè)備和工藝能效評(píng)價(jià)。在機(jī)械制造系統(tǒng)能量消耗中，機(jī)械設(shè)備、工藝兩方面的能量消耗是其中能量消耗的主體，與此同時(shí)，兩者的消耗過程和能效評(píng)價(jià)是整個(gè)能量消耗過程中最為復(fù)雜的過程，在當(dāng)今能量消耗評(píng)價(jià)相關(guān)研究的領(lǐng)域中，也是研究的重點(diǎn)問題。一般情況下，會(huì)將機(jī)械設(shè)備加工過程中，產(chǎn)生的能量消耗分為兩種，分別為固定和可變能量消耗。在能量消耗的總數(shù)上，由于加工過程采用不同的加工參數(shù)，或者是采用不同的刀具路徑，都會(huì)對機(jī)械加工過程中的能耗總數(shù)產(chǎn)生影響。

一般情況下，獲取能量數(shù)據(jù)是進(jìn)行機(jī)械設(shè)備和工藝方面的能效評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，主要是靠在線監(jiān)測獲得相應(yīng)的常用數(shù)據(jù)。雖然可以通過實(shí)驗(yàn)得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，但實(shí)際情況是，需要通過幾十組實(shí)驗(yàn)，才可以得到能量構(gòu)成分析的數(shù)據(jù)，因此針對于工程上說，缺乏切實(shí)的可行性，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)十分困難，明顯阻礙企業(yè)有效實(shí)施能效評(píng)估。

2.2 礦山機(jī)械制造系統(tǒng)能量效率評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究現(xiàn)狀

主要從瞬時(shí)和過程能量效率指標(biāo)兩方面進(jìn)行能量效率評(píng)價(jià)。

（1）瞬時(shí)能量效率指標(biāo)。礦山機(jī)械制造系統(tǒng)在固定的時(shí)刻匯總，所產(chǎn)生的能量和變化能量變化率，兩者之間的比值就是瞬時(shí)能量。而針對于瞬時(shí)能量效率，是通過輸出和輸入功率的比值計(jì)算得出。

（2）過程能量效率指標(biāo)。在固定的時(shí)間段內(nèi)，有效能量與輸入能量兩者之間的關(guān)系，被稱為礦山機(jī)械制造系統(tǒng)過程中的能量效率。由此可以看出，在過程能效方面，可以分為有效能量和有效產(chǎn)出兩種定義的方式。①在礦山機(jī)械制造系統(tǒng)過程能量效率中，某個(gè)特定的過或時(shí)間內(nèi)，所產(chǎn)生的有效能量、系統(tǒng)消耗能量之間的比值，被稱為有效能量。②而有效產(chǎn)出，又被成為比能。比能是礦山機(jī)械制造系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量消耗，與系統(tǒng)有效產(chǎn)出兩者之間的比值。

3 礦山機(jī)械制造系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)的發(fā)展趨勢

（1）建立完整的礦山機(jī)械制造系統(tǒng)能下評(píng)價(jià)體系。在產(chǎn)品生產(chǎn)的過程中，其主要載體是礦山機(jī)械制造系統(tǒng)，同時(shí)此載體非常復(fù)雜，涵蓋面很廣，不僅包括產(chǎn)品，同時(shí)跨越了車間、任務(wù)等很多的層次，并且針對于不同的層次，所產(chǎn)生的能量消耗都有其自身的獨(dú)特的特征。因此，機(jī)械制造系統(tǒng)中的能效評(píng)價(jià)，應(yīng)該具有更加明顯的層次性特征。大致可以氛圍車間層、制造單元層等。并且針對于每個(gè)層次來說，都有其特有的能效指標(biāo)和體系。

（2）建立機(jī)械制造系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫。在計(jì)算礦山機(jī)械制造系統(tǒng)的消耗指標(biāo)過程中，需要綜合大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，尤其是在工藝、設(shè)備等能耗的數(shù)據(jù)，因此，為了便于計(jì)算，要建立完善的礦山機(jī)械制造系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫。建立數(shù)據(jù)庫，需要經(jīng)過很多的實(shí)驗(yàn)，包括加工實(shí)驗(yàn)、空載實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)都需要很大的工作量。但建立數(shù)據(jù)庫以后，能夠加強(qiáng)能量效率評(píng)價(jià)、生產(chǎn)設(shè)備節(jié)能等方面進(jìn)行優(yōu)化，從而為其日后所需的分析奠定良好的基礎(chǔ)。

（3）定量化機(jī)械產(chǎn)品、制造任務(wù)的能量消耗。針對于所欲的制造任務(wù)產(chǎn)生的能量消耗，應(yīng)該進(jìn)行定量化，如此就可以為企業(yè)生產(chǎn)提供重要的參考哦數(shù)據(jù)，同時(shí)，也可以為當(dāng)?shù)卣托袠I(yè)提供標(biāo)準(zhǔn)的定額，為節(jié)能減排提供參考數(shù)據(jù)。

（4）能效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化。進(jìn)行能量效率評(píng)價(jià)中的標(biāo)準(zhǔn)化，主要是針對于消耗邊界劃分的標(biāo)準(zhǔn)化，評(píng)價(jià)方法的標(biāo)準(zhǔn)化、ingjia流程的標(biāo)準(zhǔn)化三方面。

4 結(jié)語

礦山機(jī)械制造系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)具有多源性、層次分布特性、能耗過程、瞬態(tài)能量效率多變性，針對于當(dāng)前的能效評(píng)價(jià)現(xiàn)狀，可以分為總體能效評(píng)價(jià)、產(chǎn)品能效評(píng)價(jià)、工藝能效評(píng)價(jià)三方面。在將來的發(fā)展趨勢主要是建立完整的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立能效評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫、建立定額化的任務(wù)能耗、標(biāo)準(zhǔn)化的能耗評(píng)價(jià)體系。