机械制造系统能效评价的特点、研究现状及发展趋势

2023-01-17

进入21世纪以来, 随着全球社会经济的迅猛发展, 制造业不仅作为我国的支柱产业, 而且在发达国家的国民经济份额中占有重要地位。但是, 在创造财富的同时制造业也给环境和能源带来了巨大的压力。像我们这样一个发展中的大国, 机械制造业为整个国民经济提供技术装备。因此不断加强并提高生产企业的能耗评价和制造系统能量效率问题, 这些必要的手段已成为整个制造业发展的重中之重。

近年来, 人们对于机械制造系统的能效评价作出了一定的研究, 但是现有的研究成果在一定程度上并没有考虑到机械制造系统本身的各种特性, 能效评价中考虑的因素并不全面, 仍然存在很多问题需要解决, 本文针对这些问题展开一定的科学探究。

1. 机械制造系统能效评价的特点

1.1 机械制造系统能量消耗的多能量源特性

机械制造系统是由切削加工、压力加工等9类工艺口, 需要的设备种类也有很多种, 首先包括制造设备, 同时还包括辅助设备, 例如运输设备、照明设备和检测设备等。由于设备的运行和工艺的完成都需要消耗能量, 从这里可以看出能量消耗源不仅仅只有一个, 这就造成了机械制造系统能量消耗的一个独特的性能, 即多能量源特性, 这一特性是机械制造系统的本质特性。

1.2 制造系统能量消耗状态及能量效率的层次分布特性

机械制造系统在运转过程中, 对产品生产或半成品生产时会跨越不同的能源消耗层次。例如车间、设备、产品、任务等不同的层次, 每个层次的都会消耗一定的能耗, 并且每一层次都有具体特征。比如说设备耗能是能耗的主要承担者, 同时一些辅助设备的能耗也不可忽视。对于产品能耗而言, 各阶段都需要消耗大量能源, 就是所谓的产品耗能生命周期, 这就使得机械制造系统能量消耗状态及能量效率具有另一重要性能, 即层次分布特性, 这一性能是制造系统的重要特性。

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

机械制造系统的能量消耗是由不同设备消耗所产生的, 不同的设备消耗的能量是瞬息万变的, 同时, 不同的设备在不同时刻消耗的能量也是不同的, 所以说某一时间段内机械制造系统的能量消耗呈现复杂多变的特性, 是一个动态变化的过程。

2. 机械制造系统的能效评价的研究现状

我们分别从从两方面阐述了其研究现状, 分别是机械制造系统能效评价内容的研究现状和能效评指标的研究现状。机械制造系统能效评价内容的研究现状主要有三种, 分别是总体能效评价、产品能效评价以及机械设备和工艺能效评价。

2.1 机械制造系统总体能效评价

所谓的总体能效评价就是从对机械制造系统的的各个方面各个特性入手, 对其整体能耗效率进行专业性的评价。一般情况下, 业内通常把生产企业或者公司整体为研究对象。建立一套完善的具有权威性的评价体系是非常又必要的, 目前国内外最有权威的机械制造系统总体能效评价体系是美国的IPC评价体系, 该体系评价内容不仅包括了能量和废弃物的成本评价而且还有热能和电能评价、冷却和供热评价、空调系统评价和废弃物评价等。通过了解能效的评价指标, 可以让企业充分掌握企业整体的能耗情况, 为以后发展提供理论依据。

2.2 产品能效评价

对生产产品的生命周期过程进行能耗评价这一过程称为产品能效评价。根据耗能情况我们将产品分为直接能量型与间接能量型。前者指的是在为了产品生产而进行的各个工艺生产过程所消耗的能量, 而后者指的是在生产过程中蕴含在产品内部的内含能。在对产品进行能效评价要考虑内含能对产品能效评价的影响。

2.3 机械设备和工艺能效评价

在机械制造系统中, 能耗主体是机械设备以及工艺的耗能, 其能量消耗过程评价也是相对复杂的。大批的研究人员为了更深刻了解机械设备以及工艺的耗能情况花费了大量的心血。一般分别将固定能耗和可变能耗作为机械加工设备的能耗。获取加工参数的精确程度也会影响机械设备的能耗, 当前的在线监测技术是对机械设备和工艺进行评价时常用的获取数据的方法。同时可以采用实验的方式获取数据, 但是通过实验获取数据的过程需要进行几十组设备实验, 工作量之大, 过程相当复杂。因此, 在进行能效评价时如何获取数据就成为降低机械设备和工艺能耗的关键。

3. 机械制造系统能效评价的发展趋势

3.1 机械制造系统能效评价指标完整体系的建立

复杂的环节决定了复杂的状态。机械制造系统作为产品生产的复杂载体, 这一过程跨越了从车间层面到产品层面再到任务层面以及生产设备层面等多个单元环节, 每个单元的能源消耗不尽相同, 并且每个单元有各自的特征。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, 对能量消耗的过程和状态要充分理解。因此, 机械制造系统的能效评价呈现出明显的层次性, 应当根据每个层次的特点, 建立科学合理的评价体系, 完善评价指标的建立。