機(jī)械制造全工藝碳排放量化方法

尹瑞雪

（貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550003）

0 引言

根據(jù)2011 年我國各個(gè)行業(yè)能源消耗情況統(tǒng)計(jì)，制造業(yè)能源消耗達(dá)58%，是碳排放的主要來源。因此采用低碳制造將為實(shí)現(xiàn)我國2020 年減排任務(wù)提供重要保障，是解決制造業(yè)碳排放壓力大的主要途徑［1］。低碳制造強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)碳排放量的量化與控制，為實(shí)現(xiàn)制造過程各個(gè)環(huán)節(jié)碳排放量化及控制提供較準(zhǔn)確的典型工藝碳排放信息，亟需建立一種能夠適用于各種典型工藝的碳排放評(píng)估模型。

在已有的機(jī)械制造工藝碳排放評(píng)估模型研究中［2－6］，大多數(shù)數(shù)據(jù)來源于實(shí)際采集，往往是針對某一種加工方法，或某一臺(tái)機(jī)床，缺乏靈活性，無法將模型應(yīng)用于更大范圍的制造工藝碳排放的評(píng)估。

本文根據(jù)機(jī)械制造工藝碳排放特性，對典型的機(jī)械制造工藝碳排放進(jìn)行了分類，并定義了其各類碳排放建立了評(píng)估模型，基于該模型定義了機(jī)械制造全工藝碳排放評(píng)估函數(shù)，并以案例說明該模型的有效性。

1 機(jī)械制造典型工藝碳排放評(píng)估模型定義

典型的機(jī)械制造工序的碳排放可分為兩個(gè)部分：直接碳排放以及間接碳排放，其中間接碳排放分為物料碳排放以及能源碳排放。物料碳排放包括物料生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)碳排放總量，考慮到收集數(shù)據(jù)的難度，以及相對數(shù)據(jù)的重要性，文中將物料碳排放的邊界僅界定在原材料及輔助材料物料生產(chǎn)過程碳排放。同理，能源碳排放的評(píng)估邊界界定在企業(yè)生產(chǎn)中所消耗的各種能源的制造過程的碳排放；直接碳排放的碳排放評(píng)估邊界就是該工序全過程，針對機(jī)加工，該部分碳排放量可忽略不計(jì)。各類碳排放評(píng)估邊界如圖1 所示。

圖1 典型工藝各類碳排放評(píng)估邊界

2 機(jī)械制造全工藝碳排放量化

2.1 機(jī)械制造全工藝碳排放量化模型

在實(shí)際生產(chǎn)中，一個(gè)工件往往需要多個(gè)工序，在不同的機(jī)床上完成。對于需要在機(jī)加工車間多個(gè)機(jī)床共同完成的工藝計(jì)劃，其碳排放除了所涉及的每臺(tái)機(jī)床上完成加工造成的碳排放之和，還涉及到在整個(gè)車間、各機(jī)床之間物料運(yùn)輸導(dǎo)致的能耗碳排放。因此機(jī)械加工全工藝鏈碳排放評(píng)估邊界如圖2 所示。

圖2 全工藝鏈碳排放評(píng)估邊界

根據(jù)該評(píng)估邊界，機(jī)械加工全工藝鏈碳排放量化模型為

其中CFm·j表示第j 個(gè)工序物料碳排放，CFe·j表示第j 個(gè)工序能耗碳排放，CFae·k表示全工藝鏈中第k 臺(tái)輔助設(shè)備能耗碳排放。輔助設(shè)備主要是指物料傳送系統(tǒng)、刀具傳送系統(tǒng)以及切屑傳送系統(tǒng)。

2.2 物料傳送系統(tǒng)能耗碳排放

1）自動(dòng)小車能耗碳排放估算。

為了估算自動(dòng)小車能耗碳排放，考慮其基礎(chǔ)能耗模式參照文獻(xiàn)［7］。假設(shè)自動(dòng)小車以勻速進(jìn)行工作，并且忽視速度的變化，例如加速和減速，那么對于一個(gè)典型工作循環(huán)，自動(dòng)小車的工作時(shí)間可用下式表示：

其中：tL為將毛坯或完成加工零件從倉庫或機(jī)床上裝卸到自動(dòng)小車托盤上的時(shí)間；LD為自動(dòng)小車載貨時(shí)運(yùn)行距離；LS為自動(dòng)小車空載時(shí)運(yùn)行距離；tU為卸載時(shí)間；Li為工藝計(jì)劃中第i 個(gè)工序所使用的加工機(jī)床到第（i+1）個(gè)工序所使用的加工機(jī)床的距離，如果該工藝路線僅在一臺(tái)獨(dú)立機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，那么該距離取值為零；vAGV為自動(dòng)小車平均速度。

其中忽略了潛在的一些導(dǎo)致自動(dòng)小車不能正常工作的因素，假設(shè)自動(dòng)小車的平均功率已知，則自動(dòng)小車能耗可用下式表示：

其中PAGV表示自動(dòng)小車的功率，kW。假設(shè)小車一次安裝同一批次零件的數(shù)量npallet是一定的，那么每件工件因使用自動(dòng)小車進(jìn)行物料運(yùn)輸所導(dǎo)致的能耗碳排放（CFAGV）計(jì)算等式如下：

2）傳送帶能耗碳排放估算。

為了能夠建立傳送帶傳送物料的能耗碳排放模式，首先建立起能耗模式，采用文獻(xiàn)［8］中的能耗模式。從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)來看，帶傳動(dòng)能耗包括3 個(gè)部分：無負(fù)載時(shí)能耗PEC、水平方向移動(dòng)能耗PLC、垂直方向移動(dòng)能耗PVC。總的能耗用下式表示：

根據(jù)傳送帶的速度及長度，帶傳動(dòng)的時(shí)間能夠很容易計(jì)算出來。

那么每件工件因使用傳送帶進(jìn)行物料運(yùn)輸所導(dǎo)致的能耗碳排放CFconveyer計(jì)算等式如下：

2.3 工具傳送系統(tǒng)能耗碳排放估算

工具傳送系統(tǒng)能耗能感應(yīng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率PTT、工具傳送系統(tǒng)的速度vTT以及工藝路線中第i 臺(tái)設(shè)備到工具庫平均距離Lm，i。那么由工具傳送系統(tǒng)能耗導(dǎo)致的碳排放可由下式計(jì)算。

其中：ni表示在全工藝路線中，第i 臺(tái)加工機(jī)床所需換刀次數(shù)。

2.4 切屑傳送系統(tǒng)能耗碳排放

工藝路線產(chǎn)生切屑運(yùn)輸所導(dǎo)致的能耗ECT及其碳排放CFCT計(jì)算等式如下式：

其中：PCT為切屑運(yùn)輸機(jī)功率，kW；tCT為開機(jī)時(shí)間，s。

3 應(yīng)用案例

該零件毛坯為鑄件，材料為45 鋼，大批量為大批大量，尺寸及加工要求如圖3 所示。

圖3 圓銷

根據(jù)該零件加工要求以及生產(chǎn)類型，采用傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)行加工，其中車削所使用的CA6140 參數(shù)如表1，銑削所使用的XA6132 參數(shù)如表2，加工規(guī)劃如表3 所示。

在各加工設(shè)備間采用自動(dòng)小車進(jìn)行物料傳遞，該小車負(fù)載能力15 kg，自重15 kg，工作速度0.2～0.47 m/s，采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)功率為13.5 W，設(shè)各機(jī)床之間距離為4 m，設(shè)工件庫至第一個(gè)工序所使用的機(jī)床距離為5 m，工件庫至最后一個(gè)工序所使用的設(shè)備距離為10 m。切屑傳送系統(tǒng)采用螺旋運(yùn)輸機(jī)以及鏈傳動(dòng)運(yùn)輸機(jī)，設(shè)電機(jī)功率均為2.3 kW。由于該工藝計(jì)劃中未使用工具傳送系統(tǒng)，因此該部分碳排放忽略不計(jì)。

表1 CA6140 機(jī)床參數(shù)

表2 XA6132 參數(shù)表

表3 案例工藝過程卡

該零件加工全工藝鏈碳排放計(jì)算如下：

1）物料碳排放計(jì)算。

a.切屑碳排放計(jì)算。該零件毛坯為鑄造毛坯，其碳排放系數(shù)，可直接采用文獻(xiàn)［9］給出的數(shù)據(jù)，取值為8.2 kgCO2e/kg。根據(jù)毛坯的尺寸以及加工后零件尺寸可知，切屑體積為29 800 mm3，質(zhì)量為0.234 kg，其碳排放為1.919 kgCO2e。

b.切削液碳排放。根據(jù)該車間切削使用情況，假設(shè)各臺(tái)機(jī)床切削液更新時(shí)間一致，每臺(tái)機(jī)床平均每分鐘實(shí)際切削時(shí)間切削液消耗值為6.25×10-4kg/min。該工藝路線實(shí)際切削時(shí)間2.32 min，因此實(shí)際消耗切削液1.45×10-3kg，假設(shè)生產(chǎn)單位質(zhì)量切削液碳排放系數(shù)為4.5kgCO2e/kgcoolant，則使用切削液所導(dǎo)致的碳排放為6.52×10-3kgCO2e.

2）各工序能耗碳排放。各工序能耗碳排放采用單工序能耗碳排放等式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4，其中電能碳排放系數(shù)為0.93kgCO2e/kWh［10］。

3）輔助系統(tǒng)能耗碳排放。設(shè)將毛坯或完成加工零件從倉庫或機(jī)床裝載到自動(dòng)小車托盤上或卸載的時(shí)間均為3 min；自動(dòng)小車載貨時(shí)運(yùn)行距離15 m；各工序間機(jī)床距離為4 m，設(shè)該車間同期僅有該項(xiàng)加工任務(wù)，自動(dòng)小車隨工件工作地點(diǎn)隨時(shí)待機(jī)，無空載狀況；自動(dòng)小車平均速度0.45 m/s。根據(jù)式（3），自動(dòng)小車運(yùn)行時(shí)間可知為248.88 s。根據(jù)自動(dòng)小車雙電機(jī)功率均為13.5 W，因此電能耗為0.93/（kW·h－1），碳排放為1.52 kgCO2e。

表4 各工序能耗及碳排放計(jì)算結(jié)果

文中假設(shè)該車間同期僅完成該項(xiàng)加工任務(wù)，因此在計(jì)算切屑運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行時(shí)間時(shí)，只需在整個(gè)加工時(shí)間基礎(chǔ)上，計(jì)入準(zhǔn)備時(shí)間以及清理時(shí)間即可，設(shè)準(zhǔn)備時(shí)間、清理時(shí)間均為5 min，該螺旋運(yùn)輸機(jī)功率為2.3 kW，即可算出切屑運(yùn)輸機(jī)電能耗碳排放為0.437 kgCO2e。

4）碳排放情況分析。該零件機(jī)加工全工藝鏈碳排放值為4.453 kgCO2e，排放情況如圖4 所示。

圖4 案例加工過程各類比較

從圖4 中可以看出，對于機(jī)械制造全工藝鏈，其碳排放源主要源于原材料的消耗以及輔助設(shè)備能耗，一方面是因?yàn)樵牧弦苯疬^程是制造業(yè)能耗、碳排放主要來源，占有主導(dǎo)比例，因此選用新型低碳排放原材料，或采用低碳排放原材料制造方法，可從源頭控制整個(gè)制造過程碳排放；另一方面隨著制造業(yè)自動(dòng)化程度的升級(jí)，大量的輔助設(shè)備成為制造過程碳排放的又一主要來源。

5 結(jié)論

文中基于制造過程碳排放特性分析的基礎(chǔ)上，提出機(jī)械制造過程碳排放廣義特性函數(shù)，為工藝物料碳排放、能源碳排放、過程碳排放特性提供了函數(shù)化描述，可較為準(zhǔn)確地獲得典型工藝碳排放信息，可用于零件最終的碳標(biāo)簽標(biāo)注，為消費(fèi)者選取商品提供了參考依據(jù)；并討論了全工藝鏈碳排放量化模型，結(jié)合案例說明了模型的可行性。文中案例假設(shè)該車間同期僅有該項(xiàng)加工任務(wù)，相對輔助設(shè)備能耗較實(shí)際情況較大，因此如何利用多加工任務(wù)之間的時(shí)間耦合性，進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，從而降低輔助設(shè)備平均能耗，是低碳制造研究又一亟待研究的科學(xué)問題。

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