礦山機械制造系統能效評價特點、研究現狀及發展趨勢

王 偉

（撫順礦業集團技師學院，遼寧 撫順 113008）

目前，我國的制造業是我國的重要經濟性支柱產業，但制造業的生產過程中，卻消耗了大量的能源，同時對我國的生態環境產生了不同程度的破壞。美國曾經做過關于能量消耗方面的調查，調查顯示工業活動消耗了大量的能量，在其他發達國家也有累死的情況。我國屬于發展中國家，但制造業所消耗的能量同樣巨大，導致節能減排的壓力與日俱增。因此，根據目前的現狀，加強關于機械制造系統的能效評價、能量效率等，是當前我國制造業必須面對的問題[1，2]。

機械制造業是我國經濟發展的重要組成部分。但在傳統的制造業運行中，人們單方面認為單臺的及威脅設備不會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重，引起了人們的關注和重視。學術界、企業都在不斷的進行能源消耗問題的研究，從而關于機械制造系統的能效評價相關研究已經風生水起，但是，目前針對于該方面的研究還沒有形成系統，相對比價散漫，并且由于機械制造系統的涵蓋面太寬、所涉及的制造過程又十分復雜，從而導致能效評價的很多問題沒有解決。

1 機械制造系統能效評價的特點

機械制造系統包含壓力加工、特種加工等共九大類工藝，同時包括輸入和輸出產品的系統。如果根據能量消耗的角度進行分析，機械制造系統是由鑄造設備及相應的工藝過程為主體的制造系統。機械制造系統能量消耗的主體具有很多特性，包括多樣性、復雜性、以及能源消耗過程中的隨機性、變化性等多方面的原因，從而導致關于化工、冶金等制造系統的能效評價存在很高的困難程度。因此，下文針對于能效評價的復雜特點進行探討。

1.1 機械制造系統能量消耗的多能量源特性

機械制造系統涉及九類加工設備，同時還包含檢測、照明設備等多種輔助設備，其中每一種設備都會有其相對應的能量消耗源。例如，普通的車床 就包含了照明系統、冷卻系統等多個系統，而如果是數控機床，就會有靜壓系統等能量消耗系統，但這些能量消耗系統響應存在多個能量消耗源。

1.2 機械制造系統能量消耗狀態及能量效率的層次分布特征

在機械制造系統中擁有車間、任務等很多不同的層次，并同時每個層次所對應的能量消耗都與其獨有的特征。例如，處于設備層次的能量消耗，是屬于礦山機械制造系統的主體，但諸如車間這個層次中，其加工設備所產生的能耗之外，還有一些輔助設備的消耗。在產品消耗中包含了產品組裝、原材料準備等多個方面的每個階段中所產生的能耗。

1.3 機械制造系統能量消耗過程及瞬態能量效率的復雜多變性

礦山機械制造系統正常運轉的過程中，在特定的時間內，其可以呈現出較為復雜、多變的能量消耗現象。例如，在機床加工簡單工件的產生的能量消耗過程中，其產生的能量消耗變化體現為啟動過程的功率變化、加工工序的能耗規律差異、輸入功率的變化這三方面。

1.4 機械制造系統能量消耗及能效評價的產品生命周期過程特性

礦山機械產品的能量消耗，貫穿產品的整個生命周期之中，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，在機械制造產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行深入的分析。在進行能效評價過程中，應該充分考慮生命全周期的能量消耗、效率兩方面的問題。

2 機械制造系統的能效評價研究現狀

2.1 機械制造系統能效評價內容的研究現狀

筆者對現有的機械制造系統能效評價的內容進行歸類總結，可以分為三大類：

（1）機械制造系統總體能效評價。對礦山機械制造系統的綜合能量消耗情況進行總體性的評價，就是總體能效評價，一般情況下，研究的對象是整體能耗。在美國的IAC評價體系就較為成功，其中包括電能、熱能、能源等多方面的評價。我國質檢總局、標準化委員會曾經提供過關于能量平價的框架、體系，通過對綜合能耗、產品單位產量綜合能耗等方面的指標進行分析，從而利用這些指標的分析得出企業真實的能效水平。

（2）產品能效評價。產品能效評價主要是針對于生產、生命周期過程中所產生的能耗進行效率評價。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。直接能量是在產品制造過程中產生的能量消耗，簡介能量是產品所需物料的內含能。

（3）機械設備和工藝能效評價。在機械制造系統能量消耗中，機械設備、工藝兩方面的能量消耗是其中能量消耗的主體，與此同時，兩者的消耗過程和能效評價是整個能量消耗過程中最為復雜的過程，在當今能量消耗評價相關研究的領域中，也是研究的重點問題。一般情況下，會將機械設備加工過程中，產生的能量消耗分為兩種，分別為固定和可變能量消耗。在能量消耗的總數上，由于加工過程采用不同的加工參數，或者是采用不同的刀具路徑，都會對機械加工過程中的能耗總數產生影響。

一般情況下，獲取能量數據是進行機械設備和工藝方面的能效評價的關鍵，主要是靠在線監測獲得相應的常用數據。雖然可以通過實驗得到相應的數據，但實際情況是，需要通過幾十組實驗，才可以得到能量構成分析的數據，因此針對于工程上說，缺乏切實的可行性，獲得相應的數據十分困難，明顯阻礙企業有效實施能效評估。

2.2 礦山機械制造系統能量效率評價指標的研究現狀

主要從瞬時和過程能量效率指標兩方面進行能量效率評價。

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

（2）過程能量效率指標。在固定的時間段內，有效能量與輸入能量兩者之間的關系，被稱為礦山機械制造系統過程中的能量效率。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出兩種定義的方式。①在礦山機械制造系統過程能量效率中，某個特定的過或時間內，所產生的有效能量、系統消耗能量之間的比值，被稱為有效能量。②而有效產出，又被成為比能。比能是礦山機械制造系統所產生的能量消耗，與系統有效產出兩者之間的比值。

3 礦山機械制造系統能效評價的發展趨勢

（1）建立完整的礦山機械制造系統能下評價體系。在產品生產的過程中，其主要載體是礦山機械制造系統，同時此載體非常復雜，涵蓋面很廣，不僅包括產品，同時跨越了車間、任務等很多的層次，并且針對于不同的層次，所產生的能量消耗都有其自身的獨特的特征。因此，機械制造系統中的能效評價，應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。并且針對于每個層次來說，都有其特有的能效指標和體系。

（2）建立機械制造系統能效評價數據庫。在計算礦山機械制造系統的消耗指標過程中，需要綜合大量的基礎數據，尤其是在工藝、設備等能耗的數據，因此，為了便于計算，要建立完善的礦山機械制造系統能效評價數據庫。建立數據庫，需要經過很多的實驗，包括加工實驗、空載實驗等，這些實驗都需要很大的工作量。但建立數據庫以后，能夠加強能量效率評價、生產設備節能等方面進行優化，從而為其日后所需的分析奠定良好的基礎。

（3）定量化機械產品、制造任務的能量消耗。針對于所欲的制造任務產生的能量消耗，應該進行定量化，如此就可以為企業生產提供重要的參考哦數據，同時，也可以為當地政府和行業提供標準的定額，為節能減排提供參考數據。

（4）能效評價標準化。進行能量效率評價中的標準化，主要是針對于消耗邊界劃分的標準化，評價方法的標準化、ingjia流程的標準化三方面。

4 結語

礦山機械制造系統能效評價具有多源性、層次分布特性、能耗過程、瞬態能量效率多變性，針對于當前的能效評價現狀，可以分為總體能效評價、產品能效評價、工藝能效評價三方面。在將來的發展趨勢主要是建立完整的評價指標體系，建立能效評價數據庫、建立定額化的任務能耗、標準化的能耗評價體系。