汽车变速器齿轮加工过程碳排放量化研究

刘佳惠 朱玉杰

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

面对气候变暖这一重大全球性问题，目前已有127 个国家承诺到2050 年甚至更早实现零碳排放，中国也提出了双“碳”目标（即2030 年前实现碳达峰目标，2060 年前实现碳中和目标）。该目标的提出推进了各行各业加速迈向绿色、低碳、经济和可循环的发展道路，但节能减排的前提是碳排放的核算问题，因此不少学者提出了不同的碳排放计算方法。

李聪波等人基于广义边界研究了机械加工系统碳排放量化方法[1]；李爱平等人运用遗传算法对孔加工模型进行了低碳优化求解[2]；周光辉等人从材料、能源和废弃物3 个方面分析了零件加工过程的碳排放，设计了生产过程中的三维能源模型[3]；Tseng 等人基于成本分析建立了制造业可持续供应链的碳排放决策模型。

基于上述国内、外对碳排放计算方法的研究，该文提出了针对齿轮加工过程的碳排放量化模型，将车间碳排放源分为物料消耗、能源消耗和废物处理，以此确定齿轮加工过程的碳排放核算边界，并整理出碳排放清单。最后通过实际案例，将实际生产数据代入计算模型，分析某汽车变速器齿轮加工过程的碳排放量和占比结构。

1 齿轮加工过程的碳排放分析

1.1 齿轮加工过程的碳排放源识别

齿轮是典型的机械加工产品，通过车削、钻孔和热处理等一系列制造工艺将原材料转变为产品。在整个齿轮加工过程中，能源消耗是主要的碳排放来源，但涉及的工序烦杂、能源种类较多且消耗量大，因此齿轮机械加工过程中的碳排放具有多源性、层次性和动态性等特征。其中齿轮加工涉及的能源可分为3 类：一次能源（可从自然界直接获取并使用的，如风能、水能、煤、石油和天然气等）、二次能源（由一次能源经过化学或物理转化得到的资源，如电能、蒸汽等）以及耗能工质（在生产过程中不做原料使用也不进入产品，制取时却消耗能源的工作物质，如水、氧气等）。

在齿轮制造过程中，能源主要以机械设备、设施为消耗主体，能耗产生的碳排放一般来自加工设备、辅助设备和外围设备。

1.1.1 加工设备

齿轮加工所用机械加工设备包括滚齿机床、铣床、插床和刨齿机，这些设备进行磨齿、车削、钻削、铣削、刨削以及插削等工艺时，会消耗电、气、油等能源，从而产生碳排放。

1.1.2 辅助设备

辅助设备博阿凯自动小车、传送带、吊车、叉车和机械手等，是给加工活动提供装卸、运输等辅助功能的设备，主要消耗的能源是电能。

1.1.3 外围设备

外围设备指能为生产过程和储存等提供照明、通风和粉末吸取等功能的装置设施，如灯、工业风扇等，一般消耗的能源是电能。

齿轮加工过程中，除了能源消耗会产生碳排放外，物料的使用也会产生碳排放。生产所需的物料包括原材料、刀具、模具、切削液和冷却液等，因此齿轮加工过程中的碳排放源可分为能源消耗和物料消耗2 种。但根据生产过程特性的不同，物料和能源消耗时产生的二氧化碳还可分为直接碳排放和间接碳排放。直接碳排放主要由燃烧型能源在燃烧活动中直接产生的二氧化碳等温室气体或反应构成，然而实际上，生产加工中间接产生的碳排放更常见，如电能使用、原材料消耗和刀具磨损等。齿轮机械加工过程的碳排放来源分类如图1 所示。

图1 齿轮机械加工过程中的碳排放来源分类图

1.2 碳排放的核算边界模型

汽车变速器的齿轮加工过程是一个将物料与能源输入经过加工设备转变为所需产品及废弃物输出的机械加工系统，不同的加工工艺会导致碳排放结构出现差异。虽然已识别出齿轮加工过程中的碳排放源来自以加工设备、辅助设备、外围设备为消耗主体的物料和能源消耗，但考虑整个机械加工系统的运行涉及上、下游生产活动较广（上游包括能源开采、原材料采购运输等；下游包括产品供应出库等），因此需要建立齿轮加工过程的碳排放边界模型，确定好需要核算的范围。

齿轮加工过程的碳排放边界模型以加工设备碳排放为中心，将齿胚、辅助材料、能源投入设备进行加工活动的碳排放划为左边界，产出的产品入库活动的碳排放为右边界，生产活动涉及的辅助和外围设备碳排放为上边界，加工作业产生的废液、废屑和废气等废弃物处理碳排放为下边界，并从能量流、物料流、废物流的“三流”足迹来分析整个系统产生的碳排放[4]。通过将核算范围内的各环节直接或间接引起的碳排放因素进行换算来实现碳排放的量化计算。齿轮加工过程碳排放边界模型如图2 所示。

图2 齿轮加工过程碳排放边界模型

1.2.1 能量流

能量流过程的碳排放多为电能或燃料消耗所产生，这部分的核算需要考虑实际加工工艺和加工设备的功能差异，因此能量流的碳排放核算边界主要为齿轮加工过程中间接产生的能量消耗。

1.2.2 物料流

物料主要包括齿胚原材料、刀具等辅助材料，其流动随着的碳排放存在于生产的各环节中，不仅包括生产中的原材料消耗、刀具磨损和切削液消耗，还包括返修、工序间运输等非增值的碳排放。

1.2.3 废物流

加工产生的废气、废屑和废水等废弃物需要经过达标处理才可以排放和回收利用，而处理过程中产生的碳排放也需要划在整个核算边界中。

1.3 碳排放核算清单

划定好需要核算的范围后，还需要具体分析“三流”中产生碳排放的因子，即消耗的物料和能源。为了避免重复计算，下文将分析加工设备、辅助设备和外围设备的碳排放情况，并列出核算边界模型中的碳排放核算清单。

1.3.1 加工设备

齿轮加工的设备主要是数控滚齿机，其加工流程如图3 所示。齿胚投入机床加工，并进行车削钻孔、滚齿、磨齿和热处理等作业过程中消耗的能源主要是电能、天然气，所用物料包括以20CrMnTiH 为原材料的齿胚、刀具和切削液辅助材料。

图3 齿轮加工流程图

1.3.2 辅助设备

辅助设备能耗主要分析与生产活动相关的辅助活动产生的能耗特征，而在该文划定的核算边界中，加工过程需要的辅助功能是运输。齿胚投入生产需要搬运到机床上，产品检验合格后运输到仓库进行存放，而工厂里主要使用的运输设备是自动小车。自动小车是一种可周期性替换电池供电的设备。因此该文的辅助设备使用的能源是电能，运输过程中无物料消耗。

1.3.3 外围设备

齿轮加工的外围设施主要涉及照明、通风的功能，因此外围设备主要包括工业通风装置和照明装置，均以电能为消耗能源，并无物料消耗。在车间的一定工作条件下，该文外围设备为生产提供合适环境所消耗的电能基本是稳定的。

1.3.4 废物处理

在机械加工过程中，经过切削钻孔等工艺后物料会发生损耗，变成废弃物，能源经过物理或化学转变会产生废水、废气及固体废弃物。这些废物必须进行处理，达标后才能排放和回收利用，因此在处理环节中会消耗电能和少量化石能源。

结合上述分析，将各部分涉及的物料和能源进行整理，便可得到一份齿轮加工过程的碳排放核算清单，见表1。

表1 齿轮加工过程的碳排放核算清单

2 齿轮加工过程碳排放量化方式与计算模型

碳排放的量化计算方式一般有3 种，即实际测量法、质量平衡法和排放系数法。实际测量法通过在烟气排放连续监测系统（CEMS）中搭载碳排放监测模块，直接测量碳排放量。质量平衡法的原理是碳守恒，因此更适合涉及化学工艺的碳排放核算。根据IPCC 提供的碳核算基本方程对碳排放系数法进行计算，该方法是一种成熟且应用广泛的碳排放计算方法。根据碳排放清单列表，将活动数据和碳排放系数的乘积作为该排放源的碳排放量值[5]。其中，活动数据可通过实际调查和监测得到，碳排放系数来源于有关国家规范、专业研究机构报告以及国际的碳排放数据库等。

因此，选择碳排放系数法更适合齿轮加工过程的碳排放核算，结合IPCC 提供的计算原理和上文分析的碳排放来源，该齿轮加工过程的碳排放总量计算模型如公式（1）所示。

式中：C是齿轮加工过程的碳排放总量；Cm是物料消耗产生的碳排放量；Ce是能源消耗产生的碳排放量；Cw是废弃物处理环节中产生的碳排放量。

2.1 物料消耗产生的碳排放计算分析

齿轮加工涉及的物料包括齿胚原材料、刀具和切削液，因此物料消耗产生的碳排放总量计算模型如公式（2）所示。

式中：Cmt是原材料消耗产生的碳排放量；Ctool是刀具损耗产生的碳排放量；Ccoolant是切削液消耗产生的碳排放量。

2.1.1 原材料碳排放

在机械加工中，原材料消耗为根据工艺规格切除的多余物料，该多余部分会间接产生碳排放。根据上文规定的核算边界，齿轮加工过程中的原材料碳排放量是以切除带来的碳排放为计算主体的。原材料碳排放计算模型如公式（3）所示。

式中：Mmt是原材料切除量；CEFmt是原材料碳排放系数。

2.1.2 刀具碳排放

在制造加工过程中，刀具自身的磨损也会产生直接和间接的碳排放，但实际上直接碳排放量较少，可忽略不计。因此计算刀具碳排放时主要考虑的是刀具制备过程中产生的碳排放在使用过程中的分摊，即采用时间折算分配法来计算刀具碳排放[6]，计算模型如公式（4）所示。

式中：Mtool是刀具质量；CEFtool是刀具的碳排放因子；Ttool是刀具寿命（Ttool=N+1，N为使用次数）；tc是使用时间。

2.1.3 切削液碳排放

齿轮加工中使用的切削液一般为水基切削液，可起到冷却、润滑和去屑等辅助作用，在使用过程中是间接产生碳排放的，并且切削液有较长的更换周期。因此计算时也采用时间折算分配法，即加工使用时间总和与更换周期的比值来计算。计算模型还包括切削液废弃后处理产生的碳排放[7]（避免在废弃物处理阶段重复核算），如公式（5）所示。

式中：Vcoolant是切削液体积；CEFcoolant是切削液的碳排放因子；CEFc-de是处理废切削液碳排放因子；Tcoolant是切削液更换周期；t是加工周期。

2.2 能源消耗产生的碳排放计算分析

齿轮加工涉及的能源主要是电能，其消耗主体包括加工设备、辅助设备和外围设备，因此能源消耗产生的碳排放总量计算模型如公式（6）所示。

式中：Cmc是加工设备消耗的电能碳排放量；Ctr是辅助设备消耗的电能碳排放量；Cpe是外围设备消耗的电能碳排放量。

2.2.1 加工设备消耗的电能碳排放

加工设备为数控滚齿机床，在机床运行过程中消耗电能并间接产生碳排放，其计算模型如公式（7）所示。

式中：CEFe为电能碳排放因子；Emc为机床能耗。

机床能耗主要考虑空载和载荷能耗2 个部分，公式为Emc=P1·t1+P2·t2。P1是设备空载功率，P2是设备输入功率，t1是设备空载时间，t2是设备载荷时间。

2.2.2 辅助设备消耗的电能碳排放

辅助设备为自动小车，运输过程中产生的碳排放主要体现在自动小车的能源消耗上，于是计算自动小车碳排放时，主要考虑其基础功能的电能能耗。自动小车运输产生的碳排放计算模型如公式（8）所示。

式中：Etr是自动小车能耗，公式为Etr=Pavg·ttr，其中Pavg是自动小车的平均功率；ttr是自动小车的运输时间。

2.2.3 外围设备消耗的电能碳排放

外围设备为工业通风装置和照明装置。由于工厂不仅有齿轮加工生产线，平摊到齿轮加工过程中的碳影响不大，难以精确区分和计算，因此该文主要考虑储存齿轮产品的外围设备的能耗引起的碳排放，其计算模型如公式（9）所示。

式中：Epe是外围设备能耗，Epe=P·tpe，其中P是外围设备的额定功率，tpe是外围设备的使用时间。

2.3 废弃物处理产生的碳排放计算

处理齿轮加工过程中产生的废弃物时会消耗能源，从而间接产生碳排放。其废弃物主要是使用切削液时产生的废液和原材料加工产生的废屑。该文将废液处理的碳排放归纳到切削液碳排放的计算模型中，是为了避免碳排放分类计算混乱。废屑处理一般是经过脱油、烘干压块后再用电熔炉进行燃烧处理[1]，消耗的能源为电能，因此其废弃物处理产生的碳排放计算模型如公式（10）所示。

式中：Ew是处理废屑的能耗。

2.4 碳排放系数清单

上述已建立齿轮加工的碳排放系数法计算模型，该方法的计算精度取决于碳排放清单的完整度和准确度，因此对1.3 节中的碳排放核算清单进行更新，补充各碳排来源的碳排放系数[8-11]，使其后续的案例计算具有完整性和准确性。碳排放系数清单见表2。

表2 碳排放系数清单

3 案例分析

3.1 案例数据

该文以某汽车企业生产变速器主轴齿轮的加工过程为实例，对其齿轮加工过程中的碳排放进行量化分析。根据实际调查情况可知，加工设备型号是YS3116CNC7，其主电机功率是9.0kW，测得空载功率是3.4kW。对一批齿轮订单（1000 个）进行加工，测得机床加工时间为10.5h，空载时间是3.6h，用来运输的自动小车功率为4.5kW，一次可运送200 个工件，运输总时长达0.3h。外围设备（以工业通风机与节能灯为主）的总功率为1.4kW，用于储存的时长为12h。根据实际加工情况，对这一批齿轮加工所消耗的物料与能源进行统计，见表3。

表3 齿轮加工各工序物料与能源的消耗情况

其中，刀具的质量为2kG，寿命值为48h，加工时间共计4.7h，切削液总使用量为13L，一般更换周期为2 个月。

3.2 碳排放量化计算

根据齿轮加工过程的碳排放计算模型，将上述数据带入各项公式，可得该实际加工产生的各环节的碳排放，将个部门进行求和可得该齿轮加工过程中的碳排放总量，具体数据见表4。

表4 齿轮加工过程的碳排放量

3.3 碳排放结构分析

将上述数据根据碳排放源的分类转化为更直观的图表，如图4 所示。可清晰看到，在能源消耗这个源头上，电能是所有碳排放结构中占比最高的一项，几乎贯穿整个齿轮加工过程，包括用电熔炉处理废屑这一环节。

图4 碳排放结构对比图

对电能消耗结构情况进行进一步分析可知，数控机床进行加工时消耗的电能占总电耗的50%，是电能碳排放的主要源头，其次是用电熔炉对废屑进行燃烧处理所消耗的电能，占总电耗的38%，主要原因是电熔炉为高耗设备。此外，自动小车耗电最低，碳排放量占比也最低，但为了保证核算完整性，仍不可忽略。其他占比情况如图5 所示。

图5 电能碳排放结构占比图（数值单位：kgCO2e）

4 结语

该文采用碳排放系数法对齿轮加工过程中产生的碳排放进行量化计算，并根据生产的各部分建立了碳排放计算模型，但其计算精度依赖于碳排放清单的完整性和精准性。因此为了更客观地计算出齿轮加工过程中产生的碳排放量，首先，分析该车间碳排放源，对各源头进行分类，分为3 类源头，即物料消耗、能源消耗和废弃物处理。其次，规定需要核算的范围，建立齿轮加工碳排放的计算边界，以免过度、重复核算。最后，根据边界系统对各环节进行物料、能源使用分析，得到一份完整的碳排放清单。并对实际的齿轮加工情况进行碳排放量化分析，将生产数据带入计算模型，得出实际的碳排放量。

分析实际计算结果可知，电能是影响汽车变速器齿轮加工车间碳排放的最主要因素之一，因此，优化电能消耗是企业取得节能减碳显著成果的关键。基于此，提出以下减排的展望观点：1）提高清洁能源使用占比，使用低能耗清洁设备，引进面向绿色制造的工艺技术，如光伏发电系统和风力发电系统、干式切削技术等。2）提高生产管理水平，树立低碳节能意识，如使用精益生产思想提高生产线的产能效率、提高设备和能源的利用率、使用准时化生产方式对产线进行整改并建立物料和能源管理系统，实现能耗可视化。