機械加工系統(tǒng)能量效率研究的內(nèi)容體系及發(fā)展趨勢

胡巨濤

摘要：機加系統(tǒng)普遍存在著能量效率不高的問題，本文對機械加工系統(tǒng)能量效率研究現(xiàn)狀和機械加工系統(tǒng)能量效率研究體系展開分析，并對機械加工系統(tǒng)能量效率發(fā)展趨勢展開探討。

關(guān)鍵詞：機械加工;應(yīng)用效率;體系結(jié)構(gòu)

過去一直認為，機械加工系統(tǒng)單臺機械產(chǎn)生的能量消耗并不多，學(xué)術(shù)領(lǐng)域并沒有對其進行足夠的重視，該方面的研究成果較少。最近一些年業(yè)，加工制造行業(yè)產(chǎn)生的能源消耗和環(huán)境問題變得更為嚴峻，需要對機械加工系統(tǒng)能量效率進行深入的分析和研究，由于機械加工中機床的數(shù)量很多，應(yīng)用的十分廣泛，但能量效率不高，具有很大的節(jié)能減排潛力，具有很高的學(xué)術(shù)研究價值。

1機械加工系統(tǒng)能量效率研究現(xiàn)狀

1.1機床能量效率

機床應(yīng)用的范圍十分廣泛，是完成加工制任務(wù)的關(guān)鍵設(shè)備，是機加系統(tǒng)中的能量消耗主體。對機床能量效率進行分析，需要從效率提升技術(shù)、消耗的主要組件、能量消耗特點等方面入手。機床能耗關(guān)鍵組件方面，針對機電傳動裝置的分析和研究比較多，能量消耗環(huán)節(jié)方面，一些專家學(xué)者對空載功率、切削功率等方面進行了研究，在整機能量效率建模和評估方面，針對能量流及組件能量開展的學(xué)術(shù)研究比較多，開展該方面研究是為了降低機床運行過程中形成的能量消耗，空載和輕載是導(dǎo)致加工裝置能量效率低的關(guān)鍵問題，需在在機床空載時減小主軸運行速度，也可以進行停機等措施，可以起到很好的節(jié)能效果。

1.2工件和加工工藝能量效率

機加系統(tǒng)加工制造的對象就是工件，需要采取一定的生產(chǎn)工藝來制作成產(chǎn)品。針對工件和加工工藝方面的能量效率研究，需要對具體的加工制造流程及工藝能耗特點進行系統(tǒng)地分析。工件的種類很多，加工制造工藝相互間有著較大的差異，存在著很多的影響因素，準確地評價工件和加工制造工藝能量效率比較困難，一些學(xué)者采用材料切除率相關(guān)的線性關(guān)系，采用比能公式來對工藝能量效率進行評估。采用科學(xué)合理的加工工藝，改進工藝參數(shù)可以更好地減少能源消耗。

1.3系統(tǒng)能量效率研究

機加系統(tǒng)一個完善的整體，進行能量效率研究需要對不同類型的機床設(shè)備、加工制造工藝等整體能量效率建立起數(shù)學(xué)模型來進行更為準確地評價和研究，這是機加系統(tǒng)節(jié)能減排的關(guān)鍵，得到了政府部門和學(xué)術(shù)機構(gòu)的重視。有些國家為了提升機加過程的能源效率，建立了工業(yè)評估中心，結(jié)合高校和研究機構(gòu)，對工業(yè)能量消耗效率進行評價。有的學(xué)者還采用集成MES和數(shù)據(jù)信息分析技術(shù)，對工業(yè)企業(yè)能量進行監(jiān)控，并建立起管理體系，可以對能量管理相關(guān)因素進行優(yōu)化。

2機械加工系統(tǒng)能量效率研究體系

機加系統(tǒng)能量效率主要把機床、工件和系統(tǒng)三個對象作為體系框架，對不同的基礎(chǔ)技術(shù)問題進行分析，不同的基礎(chǔ)技術(shù)相互間存在較大的聯(lián)系，能量消耗環(huán)節(jié)與組件能效是建立能量消耗和效率數(shù)學(xué)模型的前提，能量流和能量特點為主的機加系統(tǒng)可以為組件能量效率數(shù)學(xué)模型創(chuàng)造條件，能量消耗及效率數(shù)學(xué)模型可為機床和工件能量效率研究提供支持，是對機床、工件和工藝能量效率研究的主要措施。

把能量效率特點分析作為根本前提，可以更好地進行能量效率評估和分析，組建起機加系統(tǒng)能量效率評估體系，制定出科學(xué)合理地評估辦法。基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究可以更好地實現(xiàn)能量效率的動態(tài)監(jiān)測，并進行科學(xué)化地管理，在基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)造的條件下，運行能量特點理論和效率評估結(jié)果，可以實現(xiàn)機加系統(tǒng)能量效率的優(yōu)化，從運行技術(shù)和設(shè)計技術(shù)兩個方面入手改進。功能技術(shù)是機加系統(tǒng)能效分析和研究的前提條件，可以更好地提高機加系統(tǒng)能量效率，研制出高效能的機床。

3機械加工系統(tǒng)能量效率發(fā)展趨勢

3.1能量效率建模集成化

機加系統(tǒng)能量消耗有著較好的層次分布特點，數(shù)學(xué)建模會向著微觀、宏觀方向相關(guān)要素進行高度的集成。在宏觀集成方面，可以從單機、車間、生產(chǎn)線等多個方向來對能量效率進行集成，也就是把單機加工能量消耗特點和效率作為建模的前提，把有關(guān)的生產(chǎn)裝置、輔助設(shè)備等能量消耗加入進業(yè)，從而建立起能量效率模型，從下部向著上層不斷進行建模。微觀則是從界面、單機、零件等方面實現(xiàn)能量效率數(shù)學(xué)模型的集成，是從系統(tǒng)上向著下部方面的建模集成。

3.2能量效率評價平臺化

很多國家都對能量效率評價高度重視，機加系統(tǒng)能量效率十分復(fù)雜，還沒有對能量效率評價進行深度完善，工藝能量消耗的動態(tài)過程還需要進行優(yōu)化。除此之外，還沒有建立起科學(xué)完善的評價體系。機加系統(tǒng)的復(fù)雜性、消耗的動態(tài)性等多種原因，有效的能量效率指標需要深入進行研究。對機加系統(tǒng)能量效率評價應(yīng)該結(jié)合數(shù)量眾多的數(shù)據(jù)信息，尤其是加工工藝和不同設(shè)備在不同狀態(tài)下能量消耗數(shù)據(jù)，還需要組建起機加系統(tǒng)能量效率評做數(shù)據(jù)庫。加工制造工藝、生產(chǎn)設(shè)備及運行狀態(tài)都比較復(fù)雜，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立還需要開展大量的實際應(yīng)用試驗，有的數(shù)據(jù)要求采用數(shù)學(xué)模型來完成求解。所以，建立起機加系統(tǒng)能效評價平臺，還應(yīng)該配套能效評價體系、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、標準化評價流程等。

3.3工件任務(wù)能耗定額

機械加工制造生產(chǎn)任務(wù)需要配套工件消耗定額和相關(guān)數(shù)據(jù)，這就為政府相關(guān)部門和機加行業(yè)制定能耗定額提供了數(shù)據(jù)支持。能量消耗定額，是在某種條件下為加工制造某種產(chǎn)品所需要的工作量，配置科學(xué)合理的能量消耗數(shù)據(jù)，可以體現(xiàn)出能量的使用規(guī)律?？墒?，機加系統(tǒng)能量流程十分復(fù)雜，涉及到的層次比較多，準確制定出定額十分困難。如果能量效率數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)資料發(fā)展到一定水平，機加工件的任務(wù)能量消耗就會變得十分明確，再結(jié)合能量效率評價，可以更為準確的實現(xiàn)能耗定額。

3.4系統(tǒng)運行能效優(yōu)化

機加系統(tǒng)運行能效提升有很多辦法，可以從工件節(jié)能規(guī)劃、機床運行優(yōu)化等方面入手，可是該方面的研究才開展，與實際應(yīng)用還有很大距離，需要首先解決運行能效優(yōu)化的實用問題。還有如何集成解決辦法，在提高能效的同時不會對工件加工質(zhì)量和效率造成影響等問題需要解決。

3.5機床設(shè)計能效綜合化

機床是機加系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，機床設(shè)計是提高能量效率的根源，設(shè)計水平?jīng)Q定機床能效優(yōu)化能否實現(xiàn)。但是，機床高能效設(shè)計是一項復(fù)雜的課題，需要從控制、傳動和結(jié)構(gòu)等方面入手解決，還應(yīng)該考慮到技術(shù)經(jīng)濟性。

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