礦用風機葉輪加工過程清單分析*

劉愛軍 劉德順 周知進 岳文輝 文澤軍

(①湖南科技大學機電工程學院，湖南湘潭 411201;②湖南科技大學機械設備健康維護湖南省重點實驗室，湖南湘潭 411201)

綠色制造，又稱為環境友好制造或可持續制造，是一個綜合考慮環境影響和資源消耗的現代制造業可持續發展模式［1－2］。改善產品制造過程的環境友好性是企業實施綠色制造的重要內容之一，而產品制造過程環境影響分析和評價是其中的有效方法之一［3］。清單分析又是進行制造過程環境影響分析和評價的基礎，它能夠對產品制造過程的資源消耗和環境影響數據進行量化分析。

對礦用風機葉輪加工過程進行清單分析，可以反映出葉輪加工過程資源消耗和環境影響的種類和數量，從而發現葉輪加工過程中對環境影響最大或者較大的一些階段，為新葉輪的設計和改進提供一定的理論依據，使葉輪更具有環境優勢，也為以后礦用風機葉輪加工過程的資源環境屬性綜合評價和工藝路線選擇提供數據和決策支持，以及為標準化清單數據庫的建立提供科學可靠的信息資源［4］。

表1 鐵芯車削外圓工序清單分析表

清單分析的關鍵是數據的采集。由于葉輪是由一系列工序環節組成的，對葉輪整個加工過程進行清單數據的采集就可以離散成對每個工序環節進行數據采集，而每個工序環節可以看作為一個輸入(Input)－加工(Process)－輸出(Output)的過程［3］，為此先建立每個工序的IPO過程模型，基于工序IPO過程模型，制定工序清單分析表格，然后進行工序清單數據的采集。

1 礦用風機葉輪加工過程各工序環節IPO模型的建立

葉輪加工過程是由一系列工序環節組成的，根據國家機械制造工藝分類標準JB/T5992－92，葉輪加工過程各工序可以歸為切削、焊接、壓力加工、鑄造4種工藝類型。文獻［5］中構建了4種工藝類型的IPO過程模型。圖1為切削工藝的IPO過程模型。輸入包括原材料、輔助材料、能量、工裝、加工設備以及工藝參數等;輸出包括產品、副產品、廢氣、廢液、固體廢棄物和其他污染形式的排放(如噪聲、振動等)等。對于同一工藝類型中的各具體工序，由于具有相似的物理化學特性以及資源消耗與環境影響屬性，所以其IPO過程模型的建立可以從工藝類型的IPO過程模型中派生出來。例如:鐵芯車削外圓工序的IPO過程模型就可以從切削工藝IPO過程模型(圖1)中派生出來(圖2)。

2 基于工序IPO過程模型的清單分析表格的建立及數據采集

根據工序IPO過程模型可以建立工序清單分析表格，鐵芯車削外圓工序的清單分析表格可如表1所示制定。清單分析表格中的環境因子分為2層。第1層是目標層環境因子，屬于工藝過程的環境影響共性因子。一般地，根據資源消耗種類及污染物種類或影響對象可以將加工過程目標環境因子劃分為原材料消耗、輔助材料消耗、能源消耗、廢氣排放、廢水排放、固體廢棄物或其他污染物排放(如振動、輻射和噪聲等)。第2層是指標層環境因子，與具體工序有關。環境因子的層次性與IPO模型的層次性具有對應關系，工藝類型的IPO模型對應目標層環境因子;每個工序的IPO模型對應指標層環境因子。同理可制定葉輪加工過程中其他具體工序的清單分析表格，所有清單分析表格中擁有相同的目標層影響因子和個性化的指標層影響因子。

制定了工序清單分析表格，就可以進行物料消耗和環境影響數據的采集。因為清單分析數據的準確性直接關系到影響評價結果和方案決策的可靠性，因此清單分析表格中列出了數據的采集方法。葉輪加工過程的清單數據主要通過如下方法獲得:(1)現場觀察葉輪的生產情況;(2)調查企業的物料供應定額、各種統計、報表等;(3)查閱有關文獻和國家規定的某些相關標準等;(4)根據葉輪設計資料進行計算。

表2 沖壓葉片葉輪加工過程資源消耗清單數據

表3 沖壓葉片葉輪加工過程環境影響清單數據

3 葉輪加工過程清單數據

采用以上方法就可以獲得葉輪加工過程各工序環節的物料消耗和環境影響清單。由于葉輪加工過程工序環節較多，因此可以按葉輪生產工藝流程劃分為若干個便于數據收集的單元過程，一個單元過程可包含一個或多個工序環節。然后將各個單元的清單按功能單位(1臺風機的葉輪)進行換算，并分類匯總即可得到整個葉輪加工過程的清單數據。

由于礦用風機品種和規格比較多，資源消耗和環境影響不一樣，不同企業間的生產水平也有很大差異。為了便于比較，我們選取某廠生產的性能參數相似，葉片既可通過鋼板沖壓成形，也可通過鋁錠鑄造成形的No6.0/2×15(No6.0表示葉輪的直徑為0.6 m;2×15表示風機級數為2級，單臺電動機功率為15 kW)風機葉輪加工過程作為研究對象。其資源消耗和環境影響清單數據分別如表2～5所示。

4 葉輪加工過程清單分析

從表2～5葉輪加工過程的清單數據中可以分析得出:

沖壓葉片葉輪:(1)原材料總消耗量為44.33 kg，Q235A棒材消耗為6.68 kg，Q235A板材消耗為37.65 kg。棒材消耗中軸盤鉆孔、車削階段材料利用率最低，為65.8%，板材消耗中葉片剪切、沖壓下料和轂板氣割下料階段材料利用率也較低，分別為69.5%和73%。(2)輔助物料消耗主要是焊絲、CO2氣體、氧氣、乙炔和切削液的消耗。焊絲消耗量為1.47 kg，CO2氣體消耗為233.94 L，氧氣消耗為69.87 L，乙炔消耗為18.34 L，切削液消耗為15.39 L。焊絲和CO2氣體主要消耗在葉輪焊接階段，且消耗量分別為1.43 kg和227.7 L，分別占焊絲和CO2氣體總消耗量的97%和97%;切削液主要消耗在軸盤鋸削和鉆孔2個工藝階段，分別為7.39 L和7.82 L，也是廢液的主要來源，其消耗量分別占切削液總消耗量的48%和51%。(3)電能消耗為21.65 kW·h，且主要消耗在葉輪焊接工藝階段，消耗量為12.84 kW·h，占總能量消耗的59%。(4)廢氣包括粉塵、煙塵和有毒氣體的排放，主要由焊接和氣割工藝產生;(5)廢液主要是切削液的排放。(6)固體廢棄物包括12.76 kg的切屑、少量熔渣和焊渣，葉片剪切、沖壓下料階段切屑最多，占總切屑的37%，但切屑一般都可回收利用。(7)其他污染包括各工序中產生的噪聲，以及轂板氣割下料、轂圈和葉輪焊接、點焊平衡塊時產生的光、熱、電磁和射線輻射。剪切、卷、焊、校圓、脹圓以及鉆孔、攻絲工序中噪聲都在80 dB以上。

表4 鑄造葉片葉輪加工過程資源消耗清單數據

表5 鑄造葉片葉輪加工過程環境影響清單數據

鑄造葉片葉輪:(1)原材料總消耗量為72.32 kg，Q235A棒材消耗為9.66 kg，Q235A板材消耗為39.72 kg，ZL104消耗為22.94 kg。棒材消耗中軸盤鉆孔、車削階段材料利用率最低，為65.2%;板材消耗中轂板氣割下料階段材料利用率低，為64%。(2)輔助物料消耗主要是焊絲、CO2氣體、氧氣、乙炔、切削液和型砂的消耗。焊絲消耗量為 1.33 kg，CO2氣體消耗為218.59 L，氧氣消耗為127.2 L，乙炔消耗為33.39 L，切削液消耗為19.13 L，型砂為3.25 kg，焊絲和CO2氣體主要消耗在輪轂焊接階段，且消耗量分別為0.91 kg和152.78 L，分別占焊絲和CO2氣體總消耗量的68%和70%;切削液主要消耗在軸盤鋸削和鉆孔兩個工藝階段，分別為8.04 L和10.07 L，也是廢液的主要來源，其消耗量分別占切削液總消耗量的42%和53%。(3)能源消耗包括電能和焦煤的消耗，電能消耗為40.04 kW·h，焦煤消耗為17.4 kg。電能主要消耗在輪轂焊接工藝階段，消耗量為8.92 kW·h，占電能消耗量的22%。(4)廢氣包括粉塵、煙塵和有毒氣體的排放，主要由焊接、鑄造和氣割工藝產生。(5)廢水主要是切削液的排放。(6)固體廢棄物包括20.07 kg的切屑和12.48 kg鑄造過程中產生的各種廢渣、少量熔渣和焊渣。轂板氣割時產生的切屑占總切屑的45%，鑄造過程中產生的各種廢渣約占總固體廢棄物的30%。(7)其他污染中包括各工序中產生的噪聲，以及轂板氣割下料、轂圈和輪轂焊接、點焊平衡塊和鑄造時產生的光、熱、電磁和射線輻射。其中剪切、卷、焊、校圓、鑄造工藝階段產生的噪聲在80 dB以上。

從2種風機葉輪物料消耗和環境排放的統計分析可以得出:2種葉輪軸盤加工階段切削液消耗最多，同時也是廢液的主要來源，軸盤鉆孔、車削工藝階段材料利用率最低，產生的廢屑也較多，這時如果將圓鋼改為內徑合適的管材，既可減少材料消耗提高材料利用率，也可減少鋸削、鉆孔加工時間，從而節約能源、減少切削液的消耗和廢液排放。葉輪在轂板氣割下料時材料利用率也比較低，可以采取跟其他零件配合下料的方式來提高材料的利用率減少固體廢棄物的產生。輔助物料消耗中焊絲和CO2氣體消耗都比較多，電能也主要消耗在焊接階段，這主要是因為CO2氣體保護焊時易產生飛濺，為此可以通過選擇正確的焊接參數，在氣體中加入Ar，在焊接回路中串聯適度的電感，采用低飛濺率焊絲等方法來減少焊接過程中焊絲隨熔化金屬飛向熔池之外的飛濺，有效提高熔敷效率和焊接生產率，從而減少焊材、氣體和焊接電能的消耗。從現場中還了解到葉輪加工過程中有些噪聲是人為引起的，例如，轂圈脹圓時，由于操作人員隨手亂丟轂圈，引起轂圈與轂圈之間的碰撞，從而引發很大的噪聲，對于這類人為引起的噪聲只要采取合適的措施就能避免。

鑄造葉片葉輪加工過程中產生的固體廢棄物是沖壓葉片葉輪加工過程的2倍多;氧氣、乙炔和電能的消耗差不多是它的2倍;除焊絲、CO2氣體外，Q235A板材、Q235A棒材、切削液的消耗也要多些;此外鑄造葉片葉輪加工過程中還有鑄鋁、焦煤、螺釘、螺母、螺栓的消耗。究其原因有兩個:一是葉片是小批量鑄造生產，鑄造過程中焦煤消耗多，因為熔煉鋁采用的是熱利用率低的地坑式坩堝爐，其熱利用率只有0.05～0.08，為了要維持爐子的正常工作，需增加每爐次焦煤消耗量的1/3，因而熔煉金屬時產生的煤渣多。所以，為了減少焦煤的消耗，減少廢氣和廢爐渣對環境的污染，有必要改進金屬熔煉方法，如采用節能型的熔鋁電爐，熔化1 t鋁只需700 kW·h左右，而這里熔化1 t鋁平均要0.8 t焦煤，相當于4 500 kW·h左右發出的熱量。另外，還可以通過改進技術和提高批量生產來改善葉片在鑄造過程中的物能消耗和環境排放，因為批量越大，單位葉片鑄造周期會相應縮短，資源消耗和環境排放就會降低。二是由于沖壓葉片與輪轂是同種材料，焊接性能好，當葉片與輪轂采用焊接聯接時，只有1塊轂板和1個轂圈;而鑄造葉片采用的是鑄鋁材料，葉片與輪轂材料不同，不能采用一般的焊接方法聯接起來，所以葉片要通過葉柄與輪轂用螺釘、螺栓、螺母和墊片來固定，所以每個葉輪有2塊轂板和2個轂圈，生產工序也相應增多，從而引起此種葉輪物能消耗和環境排放增多。在這種情況下，可以采取開發鋁鋼異種材料焊接材料或葉片采用焊接性能好的鑄造材料(如鑄鋼等)來提高葉片與輪轂的焊接性能，簡化鑄造葉片葉輪結構，減少加工工序，從而減少鑄造葉片葉輪的物料消耗和環境排放。

5 結語

利用同一工藝類型中的各具體工序具有相似的物理化學特性以及資源消耗與環境影響屬性的特點，以鐵芯車削外圓具體工序為例詳細說明了IPO過程模型的建立、清單分析表格的制定、資源消耗和環境影響狀況的描述和數據采集，并詳細說明了數據的來源。最后就2種葉輪的清單數據進行了詳細的分析，比較了2種葉輪資源消耗和環境影響的差異，找出了造成這種差異的原因，并提出了具體的改進措施。這樣不僅為葉輪加工過程降低資源消耗、減少噪聲和粉塵對車間環境的污染，以及對人體的危害提供了數據參考;同時也為其他產品生產過程降低資源消耗、減少環境污染、實現清潔化生產等提供了理論基礎。

［1］Gutowski T，Murphy C.Environmentally benign manufacturing:Trends in Europe，Japan and USA［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2002，124(4):908－920.

［2］劉飛，曹華軍.綠色制造的理論體系框架［J］.中國機械工程，2000，11(9):961－964.

［3］曹華軍，劉飛，閻春平，等.制造過程環境影響評價方法及其應用［J］.機械工程學報，2005，41(6):163－167.

［4］夏添，鄧超，吳軍.生命周期評價清單分析的算法研究［J］.計算機工程與設計，2005，26(7):1681－1683.

［5］劉飛，曹華軍，張華，等.綠色制造的理論與技術［M］.北京:科學出版社，2005.