机械制造系统能效评价的特点、研究现状及发展趋势

刘 飞 王秋莲

重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆，400030

0 引言

制造业作为国民经济的支柱产业，在创造巨大经济财富的同时，也消耗了大量制造资源特别是能源，并造成了对环境的严重影响。根据美国能源部的调查，美国约31%的能量消耗归因于由制造业扮演主要角色的工业活动［1］。相似的情况在其他发达国家也已出现。而像中国这样的发展中国家，制造业的能量消耗量巨大，能量利用率更低［2］，节能减排的压力很大。

加强企业能效评价、提高制造系统能量效率已成为制造业的当务之急。例如，美国能源部专门设立了以提高制造企业生产过程的能量效率作为首要目标的工业评价中心（industrial assessment centers，IAC）。该中心依托美国29所高校，与美国工业部门联手，已在15 000多家美国企业中实施了工业能源审计和工业评价建议项目［3］。

机械制造业是制造业的重要组成部分。但过去人们总认为单台机械设备能量消耗不大，特别是与钢铁、化工等流程领域的设备相比较，能耗相对较小，因而学术界对其重视不够，导致其研究不够。

近年来，随着机械制造业能源消耗问题和环境影响问题的日益严峻，学术界和企业界均对机械制造业能量消耗问题进行了重新分析和认识。以机床为例，多篇文献的分析结果均表明［4］：机床量大面广，能量消耗总量巨大，并且有效能量利用率很低，因而节能潜力很大。不仅如此，美国麻省理工学院Gutowski［5］的研究结果表明，机床能量消耗所带来的CO2等的环境排放也是令人震惊的。

因此，近年来，机械制造系统能效评价问题引起了学术界的广泛重视。如2009年9月，在爱尔兰都柏林大学召开了第26届国际制造会议（international manufacturing conference，IMC26），将“能源效率与低碳制造”作为会议主题，提出“为了确保制造业创新与发展，必须准确评价制造过程与系统的能量消耗状况”［6］。2011年8月，第28届IMC会议再次强调能量消耗优化对可持续发展的重要性，并设有一个能量监控和分析的分会场，专门讨论制造过程的能量消耗评价和改善研究［7］。此外，第18届CIRP生命周期工程国际会议论文集《制造可持续性的全球本土解决方案》中提出，将能效分析作为制造可持续性实现的重要技术手段［8］。2010年10月26日，国际标准化委员会（ISO）发布了《Environmental evaluation of machine tools—Part 1：Energy-saving design methodology for machine tools（ISO 14955-1）》的草案，并于2012年4月30日发布了投票稿；由此可以预见，不久的将来，机床的能耗指标将成为机床产品的一个重要评价指标［9］。

综上所述，机械制造系统的能效评价研究已经在国际上兴起。但是，现有的研究还比较分散，且由于机械制造系统具有涉及面广和制造过程复杂等特点，因此机械制造系统的能效评价中的许多问题还有待解决。因此，本文在多年研究的基础上，参考国内外大量文献，对机械制造系统能效评价的特点、研究现状及发展趋势进行了综述。

1 机械制造系统能效评价的特点

制造系统能效评价包括制造系统能量消耗状态及能量消耗过程的分析评价以及在此基础上对能量效率的评价。

机械制造系统是由切削加工、压力加工、铸造、焊接、特种加工、热处理、覆盖层、装配与包装和其他等9类工艺［10］及其相应设备构成的将原材料（含半成品）转变为产品或半成品的输入输出系统。从能量消耗的角度看，机械制造系统是由机床（切削加工机床、压力加工机床）、铸造设备等机械设备及其相应的工艺过程为能量消耗主体的制造系统。

机械制造系统能耗主体构成的多样性及复杂性、能量消耗状态及能量消耗过程的动态变化性及随机性、机械产品的生命周期能耗特性等多方面原因，使得机械制造系统能效评价相对于化工、冶金等制造系统的能效评价要复杂和困难得多。因此，首先对机械制造系统能效评价的复杂特点进行分析。

1.1 机械制造系统能量消耗的多能量源特性

机械制造系统涉及多种机械设备，其中加工设备就有九大类，辅助设备也有运输设备、检测设备、照明设备等多种，每种设备又由多个能量消耗源组成。以普通车床为例，普通车床包括主传动系统、冷却系统、刀架快速移动系统、照明和信号灯系统等。而数控机床就复杂得多，如YD31125CNC6数控滚齿机包括主传动系统、进给系统、液压系统、静压系统、冲屑系统、冷却系统等多个能量消耗系统，每个能量消耗系统又由多个能量消耗源组成，见表1。机械制造系统能量消耗的多能量源特点意味着能效的深化评价需面向多能量源进行。

表1 YD31125CNC6数控滚齿机能量源

1.2 机械制造系统能量消耗状态及能量效率的层次分布特性

机械制造系统是产品生产的复杂载体，跨越产品、车间、任务、制造单元和生产设备等不同层次，每个层次的能量消耗都有其基本特征。如设备层能耗是机械制造系统的主体，而车间层除了加工设备消耗能量以外，一些辅助设备也要消耗能量。对于产品能耗而言，则要考虑从原材料准备，零部件生产，产品组装、使用到回收处理等所有阶段的产品全生命周期过程能耗。机械制造系统能量消耗状态的层次分布情况如图1所示。因此，机械制造系统能量消耗状态以及能量效率也存在层次分布特性。

图1 机械制造系统能量消耗状态的层次分布

1.3 机械制造系统能量消耗过程及瞬态能量效率的复杂多变性

某一时段内机械制造系统的能量消耗呈现复杂的动态变化特性。仅以其中的机床能量消耗过程为例：图2所示为某机床加工一个简单工件的能量消耗过程，其工序参数见表1。可以看出，机械加工设备的能量消耗变化体现在以下三个方面：一是机床启动过程的功率变化；二是不同加工工序能量消耗规律各异；三是每道加工工序的输入功率随时间发生的变化。机械加工设备能耗过程的动态变化直接造成机械制造系统能耗过程及其瞬态能量效率复杂多变。

1.4 机械制造系统能量消耗及能效评价的产品生命周期过程特性

机械产品的能量消耗贯穿于产品从原材料准备到零部件生产，产品组装、运输、使用和回收处理的整个生命周期，如图3所示。机械产品（例如汽车、机床等）在生命周期各阶段均需能量支撑；同时，机械制造产品在生命周期不同阶段的能量消耗特性大不相同，需要对每个阶段的能量特性进行深入分析。因此，机械制造系统能效评价需考虑产品生命周期全过程的能量消耗和能量效率问题。

2 机械制造系统的能效评价的研究现状

2.1 机械制造系统能效评价内容的研究现状

现有的机械制造系统能效评价的研究内容可以归结为三类：一是机械制造系统总体能效评价；二是产品能效评价；三是机械设备和工艺能效评价。

图2 机床加工过程能量消耗的动态变化［10］

表1 工序参数

图3 产品全生命周期过程能量流图［11］

2.1.1 机械制造系统总体能效评价

机械制造系统总体能效评价是对机械制造系统的综合能量消耗效率进行评价，一般以生产企业的整体能耗作为研究对象。比较成功的制造系统能效评价实践是美国IAC的评价体系。IAC的评价内容［3］包括：能量和废弃物成本评价、电能评价、热能评价、能源的原动机评价、冷却系统评价、供热通风与空气调节系统评价和废弃物评价等。

中国国家质检总局和国家标准化委员会共同发布的《企业能量平衡通则》和《综合能耗计算通则》为企业进行能量评价提供了一种框架体系［12］，通过计算综合能耗、单位产值综合能耗、产品单位产量综合能耗、产品单位产量可比综合能耗等指标来分析企业的能效水平［13］。

2.1.2 产品能效评价

产品能效评价是指对产品的生产和生命周期过程的能量消耗效率进行评价。产品能效评价应面向从原材料准备到零部件制造、产品装配再到产品回收利用的产品全生命周期过程。产品能量包括直接能量和间接能量两类，其中，直接能量是指产品制造过程各种加工工艺消耗的能量；间接能量是指加工产品所需物料的内含能［14］。不同地区能源制备过程有所不同，造成能源内含能不同，因此，对产品能效评价有必要考虑全球制造背景下能源内含能对制造过程和原材料选择的影响［15］。

2.1.3 机械设备和工艺能效评价

机械设备和工艺能耗是机械制造系统能量消耗的主体，其能量消耗过程及能效评价也最为复杂，是目前国际上研究的热点问题。机械设备和工艺能效评价是对设备运行过程的能量分布和能量利用率以及加工工艺的有效产出率等指标进行分析评价。一般认为，机械加工设备能耗分为固定能耗和可变能耗［16-18］；有效能量占设备总能量的比重可能会较低，如图4所示。而且，不同的加工参数和刀具路径会影响机械加工过程的能量消耗［19-22］，不同加工工艺的能耗特性呈现不同态势［23］。

对机械设备和工艺进行能效评价时，能量数据的获取是关键。常用的数据获取方法是在线监测［24-25］。虽然在理论研究中，可以通过加工实验得到能耗分析所需数据，但是往往一台设备的能量构成分析就需要基于十几组甚至几十组实验，这在工程应用上缺乏可行性。数据获取困难成为阻碍企业有效实施能效评估的主要障碍之一［26］。

图4 某加工中心的能量消耗统计［24］

2.2 机械制造系统能量效率评价指标的研究现状

机械制造系统的能量效率评价指标包括瞬时能量效率指标和过程能量效率指标。

2.2.1 瞬时能量效率指标

瞬时能量效率是指机械制造系统在某一时刻的有效能量变化率与输入能量变化率的比值。对于主要消耗电能的机械制造系统，其瞬时能量效率为有效输出功率与输入功率的比值。例如，对于金属切削机床，有效能量一般理解为直接对工件进行切削加工的能量，其瞬时能量效率为

式中，Pc（t）为切削功率；Pt（t）为总输入功率。

2.2.2 过程能量效率指标

机械制造系统过程能量效率是指某个制造过程或某个时间段的有效能量或有效产出与输入能量的关系。可见，过程能量效率指标包括有效能量和有效产出两种定义法。

（1）有效能量定义法。机械制造系统过程能量效率的有效能量定义是指某个制造过程或某个时间段的有效能量与系统消耗能量的比值。例如，一个工件的切削加工过程的能量效率E可定义为工件加工过程的有效能量和消耗总能量的比值［23］，即

式中，E为能量效率；Ec为有效能量；Et为系统消耗能量；T为系统运行时间。

（2）有效产出定义法。过程能量效率的有效产出定义又称“比能”定义。比能（specific energy consumption，SEC）RSEC是系统消耗能量与系统有效产出的比值，即

式中，Ei为输入能量；Eo为输出能量；Oe为有效产出，包括有效经济、物质产出量（如材料切除体积、产品个数等）。

3 机械制造系统能效评价的发展趋势

（1）机械制造系统能效评价指标完整体系的建立。机械制造系统是产品生产的复杂载体，跨越产品、车间、任务、制造单元和生产设备等不同层次，每个层次的能量消耗都有其基本特征。机械制造系统的能效评价也应具有明显的层次性，可分为产品层、车间层、任务层、制造单元层和设备层；每个层次都有其能效指标或指标体系。而且，考虑到制造过程能量消耗的不确定性，对其能效评价要符合过程特性，即，既要分析机械制造系统能量消耗状态，又要评价其能量消耗过程。进一步讲，针对过程能量效率评价，结合有效能量指标和比能指标，从不同角度反映机械制造系统的能效。

（2）机械制造系统能效评价基础数据库的建立。机械制造系统能量消耗指标的计算需要基于大量基础数据，特别是各种工艺和各种设备及其各种状态的能耗基础数据，这就需要建立机械制造系统能效评价的基础数据库。基础数据库的建立需要基于大量实验，包括各种设备在各种加工条件下的空载实验和加工实验，工作量巨大。基础数据库的建立将为能量效率的深度评价和生产设备的节能性运行、工艺路线节能性优化、工艺参数节能性优化等节能措施分析奠定基础。

（3）机械产品和制造任务能量消耗的定额化。通过机械制造系统能量消耗评价，建立各种制造任务的能量消耗定额，可为企业高效节能生产战略决策提供基础数据，也可为政府和行业制定能耗定额标准、强化节能措施提供基础数据。所谓能量消耗定额是指在一定的条件下，为生产单位产品或完成单位工作量，合理消耗能源的数量标准。科学的能量消耗定额能够反映制造过程中能源消耗的客观规律，是能源利用率考核和提高的依据。由前文所述机械制造系统能量消耗的四大特点可知，机械产品和制造任务的能量消耗定额问题特别复杂，尚有待深入研究。

（4）机械制造系统能效评价的标准化。机械制造系统能效评价过程的标准化包括能量消耗边界划分的标准化和评价方法及评价流程的标准化。边界划分对能量效率分析影响很大，同一制造任务，由于分析边界不一样，计算出来的能量消耗量会有数量级的区别。目前虽然已有一些典型产品和加工工艺的能量消耗量参考数据，但是对边界的划分不统一，给工业企业应用带来不便。此外，一套标准的能效评价方法及评价流程有助于能效评价推广，方便广大企业开展能效自我评价和优化。

（5）机械制造系统能效评价和提升的信息化支持平台的开发。机械制造系统能效评价和节能优化运行涉及信息量大，模型、过程和方法复杂，因此，需要信息化平台的支持。平台的底层模块应包括数据库、知识库、方法库；中间层模块应包括各种应用模块，如能效评价支持系统、生产设备的节能性运行方法及支持系统、工艺路线节能性优化方法、工艺参数节能性优化方法及支持系统等；顶层模块应有交互式的友好操作界面，能够支持各种具体应用。

4 结论

（1）机械制造系统能效评价具有能量消耗的多能量源特性、能量消耗状态及能量效率的层次分布特性、能量消耗过程及瞬态能量效率的复杂多变性、能量消耗及能效评价的产品生命周期过程特性四大特点。

（2）机械制造系统能效评价现状。从研究内容看，可以归结为三类：一是机械制造系统总体能效评价，二是产品能效评价，三是机械设备和工艺能效评价；从能效指标看，可以归结为瞬时能量效率指标和过程能量效率指标两个方面。

（3）机械制造系统能效评价的发展趋势主要包括：机械制造系统能效评价指标完整体系的建立、机械制造系统能效评价基础数据库的建立、机械产品和制造任务能量消耗的定额化、机械制造系统能效评价的标准化、机械制造系统能效评价和提升的信息化支持平台的开发。

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