基于碳足跡方法的數(shù)控機(jī)床綠色度評(píng)估**

李 濤 楊慶東 祝英平

(①北京信息科技大學(xué),北京 100192；②北京工研精機(jī)股份有限公司，北京 101318)

基于碳足跡方法的數(shù)控機(jī)床綠色度評(píng)估**

李 濤①楊慶東①祝英平②

(①北京信息科技大學(xué),北京 100192；②北京工研精機(jī)股份有限公司，北京 101318)

從機(jī)床綠色設(shè)計(jì)的自然屬性出發(fā)，選取對(duì)機(jī)床綠色特性影響較大的因素進(jìn)行研究分析。主要是從機(jī)床結(jié)構(gòu)件材料耗能和加工過(guò)程中電能的消耗研究，采用碳足跡的方法，建立面向數(shù)控機(jī)床綠色度的計(jì)算模型。根據(jù)得到的二氧化碳量，對(duì)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綠色度的評(píng)價(jià)，并提出改進(jìn)方案。最后，將該評(píng)價(jià)方法用于小葉片五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心的設(shè)計(jì)中，驗(yàn)證了該方法的有效性。

數(shù)控機(jī)床；綠色度；碳足跡；能源消耗

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床日益高速化、結(jié)構(gòu)輕型化，用戶對(duì)機(jī)床的綠色度和適應(yīng)性要求也愈來(lái)愈高，綠色度表示的是機(jī)床對(duì)環(huán)境的影響程度，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行綠色度評(píng)價(jià)顯得尤為重要。文獻(xiàn)[1]建立了碳排放模型，并對(duì)機(jī)床制造過(guò)程碳排放特性進(jìn)行分析，根據(jù)碳排放量情況，提出了節(jié)能減排的措施建議；Johnson等研究了英國(guó)典型的空氣源熱泵系統(tǒng)從原材料生產(chǎn)、產(chǎn)品制造安裝及使用到報(bào)廢處理整個(gè)過(guò)程的碳排放，進(jìn)而對(duì)碳排放貢獻(xiàn)比較大的關(guān)鍵部件進(jìn)行了分析[2]；文獻(xiàn)[3-4] 為了給低碳產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供輔助支持，采用模塊化思想和生命周期分析方法建立了基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的碳足跡分析模型；文獻(xiàn)[5] 提出了一種新的流水車間調(diào)度問(wèn)題的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，考慮峰值功率負(fù)載、能源消耗和相關(guān)的碳足跡，并通過(guò)具體的案例驗(yàn)證結(jié)論。

本文主要是從數(shù)控機(jī)床制造和使用階段的能源消耗著手，利用碳足跡的方法，對(duì)數(shù)控機(jī)床的綠色度進(jìn)行評(píng)估。

1 碳足跡方法

碳足跡起源于生態(tài)足跡的概念，但現(xiàn)在已形成其特有的含義。碳足跡是對(duì)某一產(chǎn)品或活動(dòng)在生命周期內(nèi)直接及間接引起的溫室氣體排放量的度量，以二氧化碳質(zhì)量當(dāng)量為單位。

計(jì)算出的碳排放量是評(píng)估數(shù)控機(jī)床綠色度的重要指標(biāo)，碳排放量的值是一個(gè)相對(duì)指標(biāo)，指數(shù)大小并不能完全代表該方案的合理性，而是一種考慮用戶加工目標(biāo)的評(píng)價(jià)指數(shù)。碳排放量可指導(dǎo)設(shè)計(jì)者針對(duì)用戶的加工目標(biāo)和綠色度要求選擇合理的設(shè)計(jì)方案，也可根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)用戶提出適應(yīng)度建議，并且可以從局部碳排放量分析出耗能最多的零部件，從而設(shè)計(jì)出更適合于用戶自身需求的產(chǎn)品。

2 碳排放量的計(jì)算

2.1 概述

本文主要從數(shù)控機(jī)床的制造階段和使用階段研究二氧化碳的排放量。從機(jī)床構(gòu)成而言，機(jī)床基礎(chǔ)部件、運(yùn)動(dòng)部件等鑄鐵或鋼質(zhì)部件占數(shù)控機(jī)床的90%左右，是機(jī)床原材料碳排放的主體；在機(jī)床的使用階段，最大的能源消耗就是電能，機(jī)床正常運(yùn)行過(guò)程中，主要分為加工狀態(tài)和待機(jī)狀態(tài)，其中機(jī)床冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)的電能需求構(gòu)成了“常值”能耗；主軸系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等電能需求構(gòu)成了“可變”能耗。

2.2 制造階段碳排放量計(jì)算

機(jī)床制造階段包括零部件原材料制備、零部件毛坯加工、零部件的熱處理、零部件的機(jī)加工、整機(jī)裝備等，其中原材料制備是該階段高能耗環(huán)節(jié)。

原材料制備階段碳排放量CEm計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Gi為數(shù)控機(jī)床主要結(jié)構(gòu)件的重量；EFmaterial為原材料碳排放當(dāng)量系數(shù)。

2.3 使用階段碳排放量計(jì)算

機(jī)床加工過(guò)程電能消耗主要分為輔助運(yùn)動(dòng)電能消耗、空切削運(yùn)動(dòng)電能消耗和材料去除電能消耗三大部分。

2.3.1 輔助運(yùn)動(dòng)

輔助運(yùn)動(dòng)主要分為噴冷卻液和自動(dòng)換刀，消耗電量E1計(jì)算公式如下：

E1=(P1+P2)·t1

(2)

式中：P1為冷卻泵的功率；P2為自動(dòng)換刀的功率；t1為輔助運(yùn)動(dòng)消耗的時(shí)間。

2.3.2 空切削運(yùn)動(dòng)

空切削運(yùn)動(dòng)主要分為主軸旋轉(zhuǎn)、主軸旋轉(zhuǎn)加速、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和快速進(jìn)給，消耗電量E2計(jì)算公式如下：

E2=P·t2

(3)

式中：P為空切削運(yùn)動(dòng)中消耗的平均功率；t2為空切削運(yùn)動(dòng)消耗的時(shí)間。

2.3.3 材料去除

材料去除功率Pc計(jì)算公式如下：

(4)

不同加工方式的材料去除率公式也不同，式(5)～(7)分別為車削外圓、車端面和鉆孔時(shí)材料去除率Q的計(jì)算公式：

Q=π·n·f·ap(D-ap)

(5)

Q=π·n·f·ap·D

(6)

Q=π·n·f·D2/4

(7)

式中：n為工件轉(zhuǎn)速；f為進(jìn)給量；ap為背吃刀量；D為工件加工表面的直徑。

銑削加工功率P計(jì)算公式如下：

(8)

vf=fn

(9)

式中：k的值為5.4。

材料去除時(shí)間t的計(jì)算公式如下：

(10)

式中：L為工件車削長(zhǎng)度；f為進(jìn)給量；n為主軸轉(zhuǎn)速。

材料去除消耗的電能E3計(jì)算公式如下：

E3=Pc·t

(11)

所以數(shù)控機(jī)床使用階段碳排放量的計(jì)算公式如下：

CEe=(E1+E2+E3)·EFelect

(12)

式中：EFelect即電能的碳排放系數(shù)，本文選用1.072 kg CO2e/kWh。

3 實(shí)例驗(yàn)證

2009年我國(guó)正式啟動(dòng)了“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”重大專項(xiàng)，旨在發(fā)展大型、精密、高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件，改變大型、高精度數(shù)控機(jī)床大部分依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，滿足機(jī)械、航空航天等工業(yè)發(fā)展需求。小葉片五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心是針對(duì)中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工件銑削、車削加工和檢測(cè)的特殊要求，研制的五軸加工中心，本文將對(duì)其進(jìn)行綠色度的評(píng)估。

表1 機(jī)床主要結(jié)構(gòu)件的重量

鑄件名稱重量/kg備注鑄件名稱重量/kg備注Y溜板296HT研具618HT左轉(zhuǎn)臺(tái)座122QT床身3340HT臺(tái)面128HT立柱2080HT搖籃134QT滑座540HT右支座208QT主軸箱290HT絲杠傳動(dòng)部件45045鋼

假設(shè)機(jī)床平均一年運(yùn)行300天，平均一天運(yùn)行20 h(兩班制)。通過(guò)式(1)～(12)可以計(jì)算出小葉片五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心一年中在制備階段和使用階段總的碳排放量約為741 t。其中加工中心零部件的制造主要采用鑄鐵，鑄鐵的碳排放系數(shù)為4.445kg CO2e/kg，45鋼的碳排放系數(shù)為5.926 kg CO2e/kg，計(jì)算出加工中心制備階段碳排放量約為37 t；使用階段的碳排放量約為704 t，占總排放量的95%左右，并且主要集中在材料切除階段。

表2 機(jī)床基本規(guī)格參數(shù)

規(guī)格參數(shù)主軸電動(dòng)機(jī)/kW46X/Y/Z電動(dòng)機(jī)/kW8．8/8．8/13．19A/C軸轉(zhuǎn)臺(tái)電動(dòng)機(jī)最大功率/kW28．2/19．7A/C軸轉(zhuǎn)臺(tái)電動(dòng)機(jī)額定功率/kW6．62/3．73外圍功率/kW10冷卻方式水冷

表3 葉片加工的基本參數(shù)

葉片長(zhǎng)度/mm10葉片橫截面尺寸/(mm×mm)小于41×21切削深度/mm0．5主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)1500

目前，基于碳足跡的綠色度評(píng)估還沒(méi)有一套完整的標(biāo)準(zhǔn)，所以本論文選用與小葉片五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心相近的五軸聯(lián)動(dòng)精密加工中心進(jìn)行比較，五軸聯(lián)動(dòng)精密加工中心總碳排放量為926 t，制備階段碳排放量為90 t，使用階段為836 t。小葉片五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心與其相比，綠色度較好，機(jī)床主要結(jié)構(gòu)件材料比較輕量化。不過(guò)自身相比，使用階段耗能相對(duì)比較多，通過(guò)優(yōu)化其使用階段的能耗可顯著降低機(jī)床生命周期碳排放量，因此使用過(guò)程的優(yōu)化與控制是優(yōu)化機(jī)床碳足跡的關(guān)鍵，可以改善其編程方法和路徑，改進(jìn)主軸的設(shè)計(jì)，加快機(jī)床的換刀速度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從控制數(shù)控機(jī)床質(zhì)量的源頭，即在機(jī)床設(shè)計(jì)完成，投入制造之前，對(duì)機(jī)床進(jìn)行科學(xué)的綠色度評(píng)價(jià)。采用碳足跡的方法，通過(guò)分析機(jī)床制造、加工過(guò)程中的能量消耗，建立計(jì)算模型，得出最終的碳排放量。評(píng)價(jià)結(jié)果不能用行與不行的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷，而是根據(jù)用戶個(gè)性化需求以及機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)綜合評(píng)價(jià)，進(jìn)而選擇合理的設(shè)計(jì)方案。小葉片五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心的設(shè)計(jì)實(shí)例證明，這種面向加工目標(biāo)的綠色度算法是用戶易于接受的簡(jiǎn)單、有效的評(píng)價(jià)方法。因此，本文提出的基于碳足跡方法的數(shù)控機(jī)床綠色度評(píng)價(jià)模式，是一種能夠獲得最佳效益的適用性評(píng)價(jià)方法。

[1]李先廣,李聰波，劉飛,等. 基于Petri網(wǎng)的機(jī)床制造過(guò)程碳排放建模與量化方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2012,18(12):2723-2735.

[2]Johnsonep. Air-source heat pump carbon footprints: HFC impacts and comparison to other heat sources[J].Energy Policy,2011,39(3):1369-1381.

[3]鮑宏,劉光富,王吉?jiǎng)P.采用碳足跡分析的產(chǎn)品低碳優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25(2)：264-272.

[4]符永高，萬(wàn)超，趙新，等.基于生命周期的家電產(chǎn)品碳足跡計(jì)算方法研究[J].日用電器，2014(11)：50-54.

[5]Kan Fang, Fu Zhao，JW Sutherland.A new approach to scheduling in manufacturing for power consumption and carbon footprint reduction[J].Journal of Manufacturing Systems,2011,30(4):234-240.

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Greenness evaluation research of NC machine based on carbon footprint method

LI Tao①, YANG Qingdong①，ZHU Yingping②

(①Beijing Information Science & Technology University,Beijing 100192, CHN； ②Beijing Precision Machinery & Engineering Research Co., Ltol.,Beijing 101318,CHN)

Starting from the natural properties of green design, the key factor which has a great impact on greenness of NC machine, is analyzed and calculated. This paper uses the method of carbon footprint, focus on the machine structure material consumption and power consumption in the manufacturing process, and computational model for greenness of NC machine is built. The greenness evaluation are conducted for the design schemes of NC machine according to the amount of carbon dioxide, and put forward the improvement plan. Finally, the application effect of the method is shown through the development case study of small blade CNC controlled 5-Axis vertical machining center.

NC machine; greenness; carbon footprint; energy consumption

TH123

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.004

李濤，女，1990年生，碩士研究生，主要從事數(shù)控機(jī)床綠色設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方面的研究。

(編輯 譚弘穎)

2016-06-07)

161212

*國(guó)家重大專項(xiàng)：中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件銑車加工單元研制(2013ZX04001061)