本發(fā)明屬于先進(jìn)制造與自動化
技術(shù)領(lǐng)域：
：，具體涉及一種基于隱含碳能的機(jī)床裝備產(chǎn)品碳排放量化方法。
背景技術(shù)：
：：：進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著人類經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展發(fā)展，能源消耗量逐年增加，隨之而來的環(huán)境問題愈加突出。具有全球性的環(huán)境問題——溫室氣體造成的溫室效應(yīng)，已經(jīng)嚴(yán)重制約了人類生存與社會發(fā)展。同時，我國制造業(yè)呈現(xiàn)出“高投入、高能耗、高污染、低效益”的“三高一低”的特點(diǎn)，已經(jīng)嚴(yán)重制約我國成為世界制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略部署。機(jī)床裝備制造業(yè)作為制造業(yè)的典型代表，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的作用巨大。2015年統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，裝備制造業(yè)占生產(chǎn)總值增長的6.8％，占規(guī)模以上工業(yè)增加值比重的31.8％?？梢姡瑱C(jī)床裝備行業(yè)必將導(dǎo)致大量CO2的排放，有效的碳排放量化方法對機(jī)床裝備產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)中的碳排放評估和控制提供數(shù)據(jù)支持。因此以機(jī)床裝備產(chǎn)品生命周期角度出發(fā)的主要生命周期碳排放量化的理論和方法正成為亟待突破的研究領(lǐng)域。當(dāng)前產(chǎn)品碳排放方法側(cè)重于整個系統(tǒng)的碳排放建模、分析和計(jì)算，沒有關(guān)注以產(chǎn)品自身為研究重點(diǎn)的碳排放分析，造成了后續(xù)低碳優(yōu)化改進(jìn)以產(chǎn)品為對象與目前的碳排放量化方法邊界不統(tǒng)一的情況；碳排放具有多源性、動態(tài)性，伴隨著物料流、能量流的緊密耦合，難以在整個系統(tǒng)邊界內(nèi)對碳排放進(jìn)行定量化計(jì)算。因此，需要進(jìn)一步根據(jù)機(jī)床裝備產(chǎn)品的碳排放特點(diǎn)，重新劃定碳排放邊界，得到碳排放量的定量計(jì)算模型和方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：：為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于隱含碳能的機(jī)床裝備產(chǎn)品碳排放量化方法，該方法通過以機(jī)床裝備產(chǎn)品為碳排放計(jì)算的主體對象，在生命周期的主要階段內(nèi)，根據(jù)能量流和物料流的特點(diǎn)，提供機(jī)床裝備產(chǎn)品生命周期內(nèi)主要階段的碳排放量化模型和計(jì)算方法，為解決低碳設(shè)計(jì)改進(jìn)問題奠定理論和方法基礎(chǔ)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于隱含碳能的機(jī)床裝備產(chǎn)品碳排放量化方法，包括以下步驟：1)依據(jù)機(jī)床裝備產(chǎn)品能量流、物料流特性，對機(jī)床裝備產(chǎn)品的生命周期的碳排放源進(jìn)行分類，對產(chǎn)品各個不同階段的物料流和能量流的動態(tài)特性進(jìn)行分析，給出機(jī)床裝備產(chǎn)品制造系統(tǒng)的物料流和能量流疊加原理；2)根據(jù)步驟1)的物料流和能量流疊加原理，給出機(jī)床裝備產(chǎn)品主要生命周期階段的碳排放邊界模型，并依據(jù)碳排放邊界模型，給出基于隱含碳能的機(jī)床裝備產(chǎn)品的碳排放計(jì)算方法原理；3)根據(jù)步驟2)的碳排放計(jì)算方法原理，分別給出機(jī)床裝備產(chǎn)品的主要生命周期階段的隱含碳能量化方法，得到對應(yīng)階段基于隱含碳能模型的具體碳排放計(jì)算公式。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟1)中，機(jī)床裝備產(chǎn)品的生命周期碳排放源具體包括：按照能源碳和物料碳的分類，能源碳包括能源非燃燒使用產(chǎn)生的碳排放，具體到機(jī)床裝備產(chǎn)品當(dāng)中為電能消耗產(chǎn)生的碳排放；物料碳包括原材料獲取過程產(chǎn)生的碳排放及輔助材料因使用產(chǎn)生消耗部分的碳排放，具體到機(jī)床裝備產(chǎn)品中為刀具損耗和切削液損耗部分產(chǎn)生的碳排放。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟1)中，物料流和能量流的動態(tài)特性進(jìn)行分析為：機(jī)床裝備產(chǎn)品在其生命周期當(dāng)中，伴隨著物料流和能量流的運(yùn)行，對物料流來說，物質(zhì)是能量的載體，在機(jī)床裝備產(chǎn)品當(dāng)中表現(xiàn)為物料的變化；對能量流來說，能量是用以衡量所有物質(zhì)運(yùn)動規(guī)模的統(tǒng)一的客觀尺度，能量在機(jī)床裝備產(chǎn)品當(dāng)中的動態(tài)變化產(chǎn)生了能耗，由于產(chǎn)品各個階段的不同活動內(nèi)容，造成物料和能量的輸入和輸出。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟1)中，機(jī)床裝備產(chǎn)品制造系統(tǒng)的物料流和能量流的疊加原理為：在物料和能量的共同作用下，機(jī)床裝備制造產(chǎn)品因?yàn)楦鞣N階段的活動造成了碳排放，其碳排放量通過碳足跡的方法進(jìn)行折算，將機(jī)床裝備產(chǎn)品各階段物料和能量的變化分別進(jìn)行量化，映射為機(jī)床裝備產(chǎn)品各階段碳排放一部分，然后對各階段的物料和能量產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行累積疊加，得到機(jī)床裝備產(chǎn)品最終的碳排放輸出。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2)中，主要生命周期階段具體包括：機(jī)床裝備產(chǎn)品的材料獲取階段、制造階段和使用階段。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2)中，碳排放邊界模型具體內(nèi)容為：在機(jī)床裝備產(chǎn)品碳排放疊加原理基礎(chǔ)上，物料、能量為輸入，碳排放為輸出，構(gòu)建機(jī)床裝備產(chǎn)品自身為邊界的碳流系統(tǒng)邊界模型，該碳流系統(tǒng)邊界模型中，能量、物料始終貫穿在機(jī)床裝備產(chǎn)品的生命周期當(dāng)中，在各階段進(jìn)行過程當(dāng)中，碳排放是伴隨著各階段的活動累積產(chǎn)生的。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2)中，基于隱含碳能的機(jī)床裝備產(chǎn)品的碳排放計(jì)算方法原理具體為：為了對碳流動態(tài)疊加特性進(jìn)行描述，提出隱含碳能的概念，其定義為：度量產(chǎn)品生命周期階段一系列活動過程鏈中的碳足跡增量，即隱含碳能表示為原材料的初始隱含碳能與所有隱含碳能活動的變化量之和；隱含碳能反映了物料和能量作用于產(chǎn)品自身產(chǎn)生碳排放的綜合作用結(jié)果，按照生命周期階段活動的特點(diǎn)，將造成碳排放變化的誘因分為活動能量活動和輔助能量活動；按照隱含碳能的定義，其表達(dá)式如下：其中，Ecarbon表示最終的隱含碳能，EI_carbon為初始隱含碳能，為產(chǎn)品生命周期各階段活動過程鏈中的隱含碳能增量，如(2)式：ΔEj＝Ej,act+Ej,aux(2)其中，ΔEj表示第j個活動的隱含碳能增量，Ej,act表示第j個活動的活動能量隱含碳能，同理，Ej,aux表示第j個活動的輔助能量隱含碳能。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟3)中，基于隱含碳能計(jì)算原理的機(jī)床裝備產(chǎn)品主要生命周期階段的具體碳排放計(jì)算公式如下：301)原材料獲取階段的機(jī)床裝備產(chǎn)品碳排放量化方法根據(jù)機(jī)床裝備產(chǎn)品物料清單數(shù)據(jù)中的零部件的質(zhì)量、材料屬性用來計(jì)算隱含碳能，每種零部件的碳排放只與最終使用的材料用量有關(guān)，結(jié)合零部件尺寸，采用碳排放因子法進(jìn)行計(jì)算；依據(jù)隱含碳能的疊加原理，產(chǎn)品的初始隱含碳能是所有部件物料消耗隱含碳能之和，而每個部件的隱含碳能又是其組成零件材料的隱含碳能的累積，進(jìn)而得到原材料獲取階段的產(chǎn)品最終隱含碳能，有如下計(jì)算公式：其中，EI_carbon為原材料獲取階段的最終隱含碳能，也是產(chǎn)品整個生命周期的初始隱含碳能；Ema_Pm表示第Pm個組件的隱含碳能；MiCi表示Pm組件內(nèi)第i種材料的碳排放，其中Mi表示組件Pm內(nèi)第i種材料的質(zhì)量，Ci表示組件Pm內(nèi)第i種材料的碳排放因子；302)制造階段的機(jī)床裝備產(chǎn)品碳排放量化方法根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息，分析不同工藝碳排放，采用碳足跡計(jì)算方法，計(jì)算每一個工藝過程下的隱含碳能，得到制造階段碳排放計(jì)算流程，隱含碳能增量是各個工藝活動在加工制造階段產(chǎn)生隱含碳能的累積，有如下計(jì)算公式：其中，EF_carbon_pro為制造階段的最終隱含碳能；Epro_Pm表示第Pm個組件的隱含碳能，若該組件需要k道工藝加工，則Eprocessk表示第k個工藝的隱含碳能；Eact_processk表示第k個工藝的活動能量隱含碳能；Eaux_processk表示第k個工藝的輔助能量隱含碳能；303)使用階段的機(jī)床裝備產(chǎn)品碳排放量化方法以使用階段的物料和能量活動為輸入，使用階段各功能過程為主線，造成活動能量隱含碳能和輔助能量隱含碳能增加，根據(jù)產(chǎn)品或零部件功能分解，采用碳足跡計(jì)算方法，得到使用階段碳排放值；使用階段隱含碳能增量是各個功能活動在加工制造階段產(chǎn)生隱含碳能的累積，每個功能活動都包括活動能量隱含碳能和輔助能量隱含碳能，或者使用階段共同累計(jì)的輔助能量隱含碳能，因此有如下的計(jì)算公式：其中，EF_carbon_use為使用階段的最終隱含碳能；Eusez表示第z個功能的隱含碳能；Eact_usez表示第z個功能的活動能量隱含碳能；Eaux_usez表示第z個功能的輔助能量隱含碳能。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：本發(fā)明提供了一種基于隱含碳能的機(jī)床裝備產(chǎn)品碳排放量化方法，通過分析機(jī)床裝備產(chǎn)品主要生命周期階段的物料流和能量流特點(diǎn)，依據(jù)疊加原理，構(gòu)建機(jī)床裝備產(chǎn)品的碳流系統(tǒng)邊界模型，提出基于隱含碳能的碳排放量化模型，得到各階段的碳排放量化方法及其計(jì)算公式。此外，本發(fā)明還具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)采用以產(chǎn)品自身為碳排放邊界的“隱含碳能”的碳排放量化方法，為低碳設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。最終的碳排放結(jié)果為與機(jī)床裝備產(chǎn)品自身有關(guān)的碳排放，更加貼近實(shí)際低碳優(yōu)化改進(jìn)的目標(biāo)對象要求，保證了碳排放邊界和計(jì)算結(jié)果的實(shí)用性和一致性；(2)將機(jī)床裝備產(chǎn)品邊界內(nèi)原材料獲取階段的實(shí)際使用的原材料、制造階段的加工過程和使用階段的功能實(shí)現(xiàn)過程分別進(jìn)行活動拆解，看作隱含碳能的累積，以碳足跡為度量標(biāo)準(zhǔn)，通過初始隱含碳能與各種活動能量隱含碳能增量之和定量計(jì)算產(chǎn)品碳排放，避免了直接分析整個制造系統(tǒng)內(nèi)碳排放的復(fù)雜性，其碳排放計(jì)算過程統(tǒng)一，適用性強(qiáng)。(3)實(shí)現(xiàn)了機(jī)床裝備產(chǎn)品主要生命周期階段碳排放的評估和預(yù)測，提高了整個機(jī)床裝備產(chǎn)品生命周期內(nèi)的綠色化程度，為實(shí)現(xiàn)整個機(jī)床裝備制造業(yè)的碳排放量化和節(jié)能減排提供了借鑒，所以本發(fā)明提出的量化方法是一套擴(kuò)展性強(qiáng)的系統(tǒng)化過程。附圖說明：圖1是本發(fā)明中機(jī)床裝備產(chǎn)品碳排放源分類。圖2是本發(fā)明中機(jī)床裝備產(chǎn)品制造系統(tǒng)的物料流和能量流疊加原理示意圖。圖3是本發(fā)明中機(jī)床裝備產(chǎn)品碳流系統(tǒng)邊界模型示意圖。圖4是本發(fā)明中原材料獲取階段隱含碳能計(jì)算模型示意圖。圖5是本發(fā)明中制造階段隱含碳能計(jì)算模型示意圖。圖6是本發(fā)明中使用階段隱含碳能計(jì)算模型示意圖。圖7是本發(fā)明中為珩磨機(jī)及珩磨頭結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式：以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。4.1機(jī)床裝備產(chǎn)品物料流和能量流分析4.1.1碳排放源分析參照圖1，對碳排放進(jìn)行量化首先需要對機(jī)床裝備產(chǎn)品在生命周期中的碳排放源進(jìn)行劃定和分類，分為能源碳和物料碳，能源碳具體到機(jī)床裝備產(chǎn)品當(dāng)中為電能消耗產(chǎn)生的碳排放；物料碳包括機(jī)床裝備產(chǎn)品各零件材料在原材料獲取過程中產(chǎn)生的碳排放及機(jī)床裝備產(chǎn)品的刀具損耗和切削液損耗部分等產(chǎn)生的碳排放。4.1.2物料流和能量流確定進(jìn)一步地，對機(jī)床裝備產(chǎn)品的物料流和能量流進(jìn)行分析，對物料流，表現(xiàn)為物料的變化。在原材料獲取階段為零部件初始的原料；在制造階段為加工過程的毛坯輸入、損耗，同時輔助物料的消耗，如切削液、潤滑液等；在使用階段，表現(xiàn)為使用過程中加工工件、輔助材料、廢棄物料等的流動。對能量流，能量在機(jī)床裝備產(chǎn)品中的動態(tài)變化產(chǎn)生了能耗。把直接輸入機(jī)床裝備產(chǎn)品/零部件的能量稱為直接能量，間接輸入產(chǎn)品/零部件的稱為間接能量。4.1.3物料流和能量流的疊加原理參照圖2，機(jī)床裝備產(chǎn)品碳排放的疊加原理是在在物料和能量的共同作用下，機(jī)床裝備制造產(chǎn)品在原材料獲取階段、制造加工階段、使用階段等階段中，產(chǎn)生的碳排放分別為原材料或毛坯獲取產(chǎn)生的碳排放、各零部件工藝過程中產(chǎn)生的碳排放和電能和輔助物料損耗產(chǎn)生的碳排放。通過生命周期階段中各階段累積的物料和能耗的疊加，最終表現(xiàn)為整個機(jī)床裝備產(chǎn)品疊加的碳排放，因此可以通過量化各階段物料和能量產(chǎn)生的碳排放，對其進(jìn)行加和，即可得到機(jī)床裝備產(chǎn)品的碳排放總量。4.2機(jī)床裝備產(chǎn)品碳排放量化模型4.2.1碳排放邊界模型確定參照附圖3，基于碳排放邊界模型確定機(jī)床裝備產(chǎn)品的邊界。在疊加原理的基礎(chǔ)上，以原材料獲取過程、制造過程和使用過程為主要生命周期階段，將外界對機(jī)床裝備產(chǎn)品傳輸?shù)奈锪?、能量作為系統(tǒng)輸入，將機(jī)床裝備產(chǎn)品產(chǎn)生的碳排放作為輸出，建立機(jī)床裝備產(chǎn)品的碳排放邊界模型。各階段的活動都伴隨著碳排放的產(chǎn)生，這些活動包括材料獲取活動、制造加工活動和功能實(shí)現(xiàn)活動。任何活動產(chǎn)生的碳排放都是能量或物料作用的結(jié)果，這種累積效用可以用隱含碳能的動態(tài)變化(增加)來表示。4.2.2基于隱含碳能的計(jì)算按照生命周期階段活動的特點(diǎn)，將造成碳排放變的活動分為活動能量和輔助能量，因此隱含碳能分為活動能量隱含碳能與輔助能量隱含碳能。為了計(jì)算隱含碳能，對產(chǎn)品生命周期主要階段的活動能量隱含碳能與輔助能量隱含碳能進(jìn)行定義。在原材料獲取階段，計(jì)算得到初始隱含碳能；對于制造階段，其活動能量隱含碳能指該制造加工對象在工藝過程活動中所消耗能量產(chǎn)生的碳排放。對于制造系統(tǒng)來說，這里的能耗通常指電能消耗。輔助能量隱含碳能指維持某工藝過程活動執(zhí)行且密切相關(guān)物料和能量消耗產(chǎn)生的碳排放，例如潤滑、冷卻系統(tǒng)等，但不包含支持該機(jī)床輔助功能的能量消耗碳排放(由產(chǎn)品碳流系統(tǒng)邊界模型可知)。按照隱含碳能的定義，其表達(dá)式如下：其中，Ecarbon表示最終的隱含碳能，EI_carbon為初始隱含碳能，為產(chǎn)品生命周期各階段活動過程鏈中的隱含碳能增量，如(7)式。ΔEj＝Ej,act+Ej,aux(2)其中，ΔEj表示第j個活動的隱含碳能增量，Ej,act表示第j個活動的活動能量隱含碳能，同理，Ej,aux表示第j個活動的輔助能量隱含碳能。4.3機(jī)床裝備產(chǎn)品主要生命周期階段基于隱含碳能的量化方法對機(jī)床裝備產(chǎn)品的主要生命周期階段的隱含碳能進(jìn)行計(jì)算，即材料獲取階段、制造階段和使用階段。4.3.1原材料獲取階段的機(jī)床碳排放量化(1)依據(jù)BOM信息，獲取機(jī)床裝備產(chǎn)品各零件、組件的質(zhì)量、材料、數(shù)量等信息，如表1所示。表1機(jī)床裝備產(chǎn)品原材料獲取階段信息(2)結(jié)合每個零件的幾何尺寸及材料屬性，依據(jù)原材料獲取階段的隱含碳能疊加原理(參照附圖4)，先計(jì)算各零件的隱含碳能，再對組成某組件的各零件的隱含碳能進(jìn)行加和，得到該組件的隱含碳能。依據(jù)此原理，直到得到機(jī)床裝備產(chǎn)品的最終隱含碳能。有如下計(jì)算公式：其中，EI_carbon為原材料獲取階段的最終隱含碳能；Ema_Pm表示第Pm個組件的隱含碳能；MiCi表示Pm組件內(nèi)第i種材料的碳排放,其中Mi表示組件Pm內(nèi)第i種材料的質(zhì)量，Ci表示組件Pm內(nèi)第i種材料的碳排放因子。4.3.2制造階段的機(jī)床碳排放量化參照附圖5，首先確定影響產(chǎn)品制造階段碳排放的物料、能量，然后以制造階段的物料和能量活動為輸入，制造階段各工藝過程為主線，分析不同工藝過程下的碳排放量，最后對零部件的各工藝過程產(chǎn)生的隱含碳能進(jìn)行加和，得到該零件的隱含碳能。依據(jù)此原理，直到得到機(jī)床裝備產(chǎn)品的最終隱含碳能。有如下計(jì)算公式：其中，EF_carbon_pro為制造階段的最終隱含碳能；Epro_Pm表示第Pm個組件的隱含碳能，若該組件需要k道工藝加工，則Eprocessk表示第k個工藝的隱含碳能；Eact_processk表示第k個工藝的活動能量隱含碳能；Eaux_processk表示第k個工藝的輔助能量隱含碳能。(1)活動能量隱含碳能量化基于機(jī)床裝備產(chǎn)品的碳排放邊界模型，活動能量隱含碳能指加工零部件所需的最小電能產(chǎn)生的碳排放，所消耗的電能與所用機(jī)床設(shè)備密切相關(guān)，與其在加工過程中的功率損耗有很大關(guān)系。對質(zhì)量減少類工藝：制造階段只與正常加工該機(jī)床裝備產(chǎn)品某零件的電能消耗有關(guān)，將換刀、空切、空轉(zhuǎn)、數(shù)控系統(tǒng)、照明設(shè)備等電能消耗產(chǎn)生的碳排放不歸入該機(jī)床裝備產(chǎn)品某零件的活動能量隱含碳能當(dāng)中；同理，在質(zhì)量不變工藝中，例如鑄造，活動能量隱含碳能只與熔化該零件材料所需的最小能量有關(guān)，而與鑄造工藝其他設(shè)備消耗的電能無關(guān)。對制造減少工藝：計(jì)算某零件制造過程的活動能量隱含碳能，首先根據(jù)特定的零件分析其組成幾何特征，其次根據(jù)每一特征在特定機(jī)床上的加工情況，確定所消耗的電能，最后將所有幾何特消耗的電能的碳排放累積相加，就得到了該零件活動能量隱含碳能。就某一機(jī)床而言，完成零部件加工的電能消耗并不是隨時間恒定不變，但影響制造階段的活動能量隱含碳能主要是對零件進(jìn)行實(shí)質(zhì)加工的穩(wěn)定運(yùn)行能耗部分，因此與材料去除過程有關(guān)。電能消耗產(chǎn)生的碳排放可用下式計(jì)算：其中，Pcutting為切削功率，F(xiàn)c為切削力，vc為切削速度；Eact_processk為材料去除的活動能量隱含碳能，tcutting為加工時間，EFelec為電能的碳排放因子。特別地，機(jī)床裝備產(chǎn)品中大量零件需要鑄造工藝完成，尤其對于床身、箱體此類零部件。其活動能量隱含碳能的計(jì)算式不同于上述計(jì)算方法，完成鑄造這一活動所需隱含碳能是熔化一定質(zhì)量金屬所需要的能量，這些能量來源于電能轉(zhuǎn)化為熱能，量化方法如下：其中，Eact_cast為鑄造工藝的累積的活動能量隱含碳能，Qact_cast為鑄造所需的能量；mcast為熔化金屬的質(zhì)量，Ccast為該金屬的比熱容，Tm為熔化溫度，T為熔化前溫度，Lcast為熔化潛熱。此處估算了熔化所需的最小能量帶來的碳排放，與其他加工處理過程的耗電量沒有直接關(guān)系。綜上，通過計(jì)算制造階段與材料去除過程或熔化過程有關(guān)的電能消耗產(chǎn)生的碳排放，可以得到機(jī)床裝備產(chǎn)品所有零部件僅與自身為邊界的活動能量隱含碳能。(2)輔助能量隱含碳能量化基于機(jī)床裝備產(chǎn)品的碳排放邊界模型，制造階段的輔助能量隱含碳能是與加工某零件密切相關(guān)的輔助物料消耗，計(jì)算方法與機(jī)床裝備產(chǎn)品原材料獲取階段的方法類似。不同的是，輔助能量隱含碳能只與加工該零件過程中的損耗量有關(guān)?！竦毒邠p耗刀具損耗產(chǎn)生的隱含碳能只與加工該零件過程損耗量有關(guān)，而與刀具的原材料獲取碳排放無關(guān)，因此刀具生產(chǎn)隱含碳能計(jì)算采用其壽命周期內(nèi)按時間折算到加工過程的分配方法，計(jì)算公式如下：其中，Ctools表示刀具的碳排放因子，mtools表示刀具質(zhì)量，ttools表示刀具在穩(wěn)定加工機(jī)床裝備產(chǎn)品某零部件時所用的時間，Ttools表示刀具總壽命?！袂邢饕簱p耗切削液產(chǎn)生的隱含碳能只加工機(jī)床裝備產(chǎn)品某零部件時的用量有關(guān)，對切削液產(chǎn)生隱含碳能計(jì)算如下：Eaux_fluid＝VfluidCfluid(9)其中，Vfluid表示加工該零部件時平均消耗的切削液體積，Cfluid表示切削液碳排放因子。Vfluid可以用下式計(jì)算。Vfluid＝ηStfluid(10)其中，η表示切削液濃度，S表示供給切削液的泵流量，tfluid為在該某零件加工過程中切削液開啟時間。綜上，通過計(jì)算制造階段每個零件不同工藝下的碳排放，可以得到機(jī)床裝備產(chǎn)品所有零部件僅與自身為邊界有關(guān)的輔助能量隱含碳能。4.3.3使用階段的機(jī)床碳排放量化參照附圖6，機(jī)床裝備產(chǎn)品使用階段的碳排放量化首先需要進(jìn)行功能分析，對機(jī)床裝備產(chǎn)品各項(xiàng)功能為活動進(jìn)行隱含碳能的計(jì)算。以使用階段的物料和能量活動為輸入，使用階段各功能過程為主線，造成活動能量隱含碳能和輔助能量隱含碳能增加。根據(jù)產(chǎn)品或零部件功能分解，采用碳足跡計(jì)算方法，得到使用階段碳排放值。每個功能活動都包括活動能量隱含碳能和輔助能量隱含碳能，或者使用階段共同累計(jì)的輔助能量隱含碳能。有如下的計(jì)算公式：其中，EF_carbon_use為使用階段的最終隱含碳能。Eusez表示第z個功能的隱含碳能；Eact_usez表示第z個功能的活動能量隱含碳能；Eaux_usez表示第z個功能的輔助能量隱含碳能。根據(jù)一般機(jī)床裝備產(chǎn)品普遍結(jié)構(gòu)和加工特點(diǎn)，將機(jī)床裝備產(chǎn)品功能分為五大類：主軸回轉(zhuǎn)功能、往復(fù)功能、進(jìn)給功能、工作臺移動功能及其他輔助功能。在正常加工某工件時，機(jī)床裝備產(chǎn)品加工狀態(tài)是這五種功能共同作用的結(jié)果，因此，使用階段的隱含碳能量化需要計(jì)算機(jī)床裝備產(chǎn)品在不同加工狀態(tài)下的碳排放。其中活動能量隱含碳能分別為實(shí)現(xiàn)前四個功能所需的能耗，輔助能量隱含碳能為第五種功能和各種輔助物料消耗綜合作用結(jié)果，包括刀具、切削液等，其計(jì)算方法與制造階段的輔助能量隱含碳能的計(jì)算方法相同。因此，下面只對前四項(xiàng)功能的活動能量隱含碳能及第五個功能的輔助能量隱含碳能進(jìn)行計(jì)算說明。需要說明的是，動力源方式的選擇及機(jī)床布置形式對碳排放有著不同程度的影響，下述功能實(shí)現(xiàn)的碳排放計(jì)算僅為通用方案的量化過程。(1)主軸回轉(zhuǎn)功能隱含碳能通過動力源帶動主軸完成工件的主切削功能，所累積的活動能量隱含碳能為在加工時間段對工件的圓周切削產(chǎn)生的碳排放。主軸旋轉(zhuǎn)是完成零件幾何特征的主運(yùn)動之一，占據(jù)了大部分的加工時間，消耗大量電能，它包括實(shí)際切削旋轉(zhuǎn)和空轉(zhuǎn)兩種情況。其中，動力源為主軸電機(jī)，經(jīng)歷了主軸空轉(zhuǎn)加速、平穩(wěn)空轉(zhuǎn)、材料去除直到主軸空轉(zhuǎn)減速的過程。分別根據(jù)主軸空轉(zhuǎn)加速、平穩(wěn)及減速運(yùn)行過程的功率、時間和電能的碳排放因子得到空轉(zhuǎn)造成的碳排放；同時，對材料去除過程的碳排放，是由主軸電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行功率造成的，可認(rèn)為穩(wěn)定加工時的轉(zhuǎn)速為定值，有如下計(jì)算公式：Eact_spindle＝Fr·Vr·tr·EFelec(11)其中，Eact_spindle為主軸實(shí)際切削旋轉(zhuǎn)的累積活動能量隱含碳能，F(xiàn)r為圓周切削力，Vr為圓周速度，tr為旋轉(zhuǎn)切削時間。Fr、Vr和tr需要根據(jù)具體機(jī)床類型和待加工零件決定。(2)往復(fù)功能隱含碳能動力源帶動機(jī)床某組件完對工件的往復(fù)切削功能，所累積的活動能量隱含碳能為在加工時間段對工件往復(fù)切削產(chǎn)生的碳排放。機(jī)床裝備產(chǎn)品的往復(fù)運(yùn)動是完成工件軸向切削的功能，是主運(yùn)動之二，與主軸回轉(zhuǎn)功能形成切削運(yùn)動。對往復(fù)運(yùn)動有如下計(jì)算公式：Eact_reci＝Fa·Va·ta·EFelec(12)其中，Eact_reci為往復(fù)運(yùn)動累積活動能量隱含碳能，F(xiàn)a為軸向切削力，Va為往復(fù)速度，ta為復(fù)運(yùn)動時間。Fa、Va和ta需要根據(jù)具體機(jī)床類型和待加工零件決定。(3)進(jìn)給功能隱含碳能動力源帶動機(jī)床裝備產(chǎn)品組件完成對工件表面施加徑向壓力的功能，所累積的活動能量隱含碳能為在加工時間段對工件的徑向壓力產(chǎn)生的碳排放。機(jī)床裝備產(chǎn)品的進(jìn)給運(yùn)動是在旋轉(zhuǎn)和往復(fù)主運(yùn)動進(jìn)行過程當(dāng)中，通過對工件施加一定的進(jìn)給壓力，實(shí)現(xiàn)有效切削。有如下計(jì)算公式：Eact_feed＝Ff·Vf·tf·EFelec(13)其中，Eact_feed為進(jìn)給運(yùn)動累積活動能量隱含碳能，F(xiàn)f為動力源傳遞到工件的進(jìn)給壓力，Vf為動力源運(yùn)行速度，tf為進(jìn)給壓力的施加時間。Ff、Vf和tf需要根據(jù)具體機(jī)床類型和待加工零件決定。(4)工作臺移動功能隱含碳能通過動力源帶動工作臺移動的功能，所累積的活動能量隱含碳能為在移動時間段工作臺移動消耗電能產(chǎn)生的碳排放。假設(shè)運(yùn)動方案為動力源帶動滾珠絲桿螺母副使工作臺沿某一方向運(yùn)動，到達(dá)預(yù)設(shè)的加工位置，通過確定動力源功率和時間，得到工作臺移動產(chǎn)生的碳排放，有如下計(jì)算公式：其中，Eact_table為工作臺移動累積的活動能量隱含碳能，Pw為驅(qū)動工作臺的動力源功率，tw為運(yùn)轉(zhuǎn)時間；對Pw，Tscrew是動力源傳遞給絲杠副的絲杠扭矩，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；對Tscrew，F(xiàn)w為工作臺上承受的軸向載荷，l為絲杠導(dǎo)程，η為絲杠正效率。(5)其他輔助功能隱含碳能通過其他形式的電能消耗完成機(jī)床裝備產(chǎn)品非加工功能的實(shí)現(xiàn)，所累積的輔助能量隱含碳能包括冷卻、潤滑供給，數(shù)控系統(tǒng)，顯示，照明，散熱，排屑，換刀等在機(jī)床裝備使用過程中產(chǎn)生的隱含碳能之和。4.4案例驗(yàn)證以某型號龍門式數(shù)控珩磨機(jī)作為驗(yàn)證對象，由于珩磨機(jī)零部件眾多，選取珩磨頭組件，進(jìn)行原材料獲取階段碳排放量化的驗(yàn)證；選取珩磨頭組件中的磨頭體為例，進(jìn)行制造階段碳排放量化的驗(yàn)證；選取數(shù)控珩磨機(jī)有關(guān)于珩磨頭組件的主軸回轉(zhuǎn)功能和往復(fù)功能進(jìn)行使用階段碳排放的量化。上述以珩磨頭組件為例對龍門式數(shù)控珩磨機(jī)主要生命周期階段進(jìn)行說明，將完整的解釋本文所提出的基于隱含碳能的機(jī)床裝備產(chǎn)品碳排放量化過程，并驗(yàn)證其可行性。圖7所示為驗(yàn)證對象的結(jié)構(gòu)示意圖，從左到右依次為數(shù)控龍門式珩磨機(jī)，珩磨頭組件及磨頭體零件。4.4.1珩磨頭組件分析圖示珩磨頭組件為龍門式數(shù)控珩磨機(jī)其中一個組件，完成待加工件的磨削過程。珩磨頭組件包括若干個零件，磨頭體為其中一個零件。表2為珩磨頭組件主要零件信息。表2珩磨頭組件主要零件信息4.4.2碳排放量化過程第一步：珩磨頭組件的碳排放源分析：分為物料碳和能源碳。其中物料碳包括珩磨頭組件各零件在原材料獲取時產(chǎn)生的碳排放、加工過程的刀具損耗、切削液損耗、油石損耗產(chǎn)生的碳排放等；能源碳為零部件制造和珩磨頭組件使用過程消耗的電能產(chǎn)生的碳排放。第二步：珩磨頭組件的物料流和能量流：對物料流，在原材料獲取階段為珩磨頭各零件初始原料流動；在制造階段為加工過程的磨頭體毛坯輸入、損耗，同時輔助切削液、油石流動等；在使用階段，表現(xiàn)為珩磨頭使用過程中加工工件、輔助材料、廢棄物料等的流動。對能量流，在制造階段為加工套筒各工藝實(shí)現(xiàn)過程的電能變化，在使用階段為珩磨頭實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)功能和往復(fù)功能消耗的電能的變化。第三步：珩磨頭組件的物料流和能量流的疊加：基于步驟二中的物料流和能量流可知，通過對珩磨頭組件在主要生命周期階段累積的物料和能量中產(chǎn)生的碳排放的疊加，最終得到龍門式數(shù)控珩磨機(jī)的碳排放總量。第四步：珩磨頭組件的碳排放邊界：以龍門式數(shù)控珩磨機(jī)原材料獲取過程、制造過程和使用過程為主要生命周期階段，將外界對龍門式數(shù)控珩磨機(jī)傳輸?shù)奈锪?、能量作為系統(tǒng)輸入，將龍門式數(shù)控珩磨機(jī)產(chǎn)生的碳排放作為輸出，建立龍門式數(shù)控珩磨機(jī)的碳排放邊界模型。第五步：基于隱含碳能的計(jì)算過程：基于步驟四建立的碳排放邊界模型，對珩磨機(jī)的主要生命周期階段的碳排放進(jìn)行計(jì)算。1)原材料獲取階段碳排放量化根據(jù)表2中各零件的質(zhì)量及不同材料對應(yīng)的碳排放因子，得到珩磨頭組件主要零件的初始隱含碳能，如表3所示。表3珩磨頭組件各零件初始隱含碳能再根據(jù)疊加原理，可得到珩磨頭組件在原材料獲取階段的主要零部件的初始隱含碳，有如下計(jì)算公式：2)制造階段碳排放量化珩磨頭組件中磨頭體零件在制造階段中包括車削和鏜削兩個主要的工藝過程。因此隱含碳能為分別實(shí)現(xiàn)車削和銑削兩個工藝過程產(chǎn)生的隱含碳能之和。以車削過程為例進(jìn)行說明。車削工藝屬于質(zhì)量減少工藝，切削工藝的運(yùn)行累積時間為90min，穩(wěn)定切削功率為10kw，電能的碳排放因子為0.974kgCO2/kWh，則車削工藝的活動隱含碳能計(jì)算如下：車削過程輔助能量隱含碳能為刀具損耗和切削液損耗?！竦毒邠p耗假設(shè)刀具總壽命為350分鐘，刀具體積為4×104mm3，則刀具在車削加工中的平均損耗量為：刀具密度為7.85×10-6kg/mm3，刀具材料碳排放因子為5.927kgCO2/mm3，因此，由刀具損耗產(chǎn)生的輔助能量隱含碳能計(jì)算如下：Eaux_tool1＝v·ρ·Cmaterial＝1.03×104×7.85×10-6×5.927＝0.48kgCO2●切削液損耗采用基于水基濃度為4％的切削液，泵流量為2.5×103mm3/s，切削液開啟時間為5400s，則切削液損耗為：Vcoolant＝η·S·ti_waste＝4％×2.5×103×5400＝5.4×105mm3切削液碳排放因子為3.782×10-6kgCO2/mm3，則切削液損耗造成的輔助能量隱含碳能為：Eaux_coolant1＝Vcoolant·Ccoolant＝5.4×105×3.782×10-6＝2.04kgCO2因此，車削工藝的總的隱含碳能計(jì)算如下：Eprocess1＝Eact_process1+Eaux_process1＝14.61+(0.48+2.04)＝17.13kgCO2同理，對鏜削工藝的隱含碳能進(jìn)行計(jì)算，其隱含碳能為Eprocess2＝25.73kgCO2。因此，制造階段磨頭體最終的隱含碳能為：3)使用階段碳排放量化數(shù)控龍門式珩磨機(jī)加工一套筒零件內(nèi)圓表面，零件尺寸為Φ630×2000(內(nèi)徑×工件長度mm)，珩磨時間為30min，珩磨頭組件旋轉(zhuǎn)速度為0.72m/s，圓周磨削力為698.53N，穩(wěn)定加工時的往復(fù)速度為0.3m/s，往復(fù)磨削力為263.14N，電能的碳排放因子為0.974kgCO2/kWh。首先對珩磨機(jī)的珩磨頭組件進(jìn)行功能分析。珩磨頭組件通過旋轉(zhuǎn)功能和往復(fù)功能完成工件的磨削。通過計(jì)算旋轉(zhuǎn)功能和往復(fù)功能的隱含碳能，得到在使用階段兩個功能累計(jì)的隱含碳能?！裥D(zhuǎn)功能通過珩磨頭組件旋轉(zhuǎn)功能，實(shí)現(xiàn)工件圓周方向磨削，活動能量隱含碳能為旋轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)過程消耗電能產(chǎn)生的碳排放，有如下計(jì)算公式：●往復(fù)功能通過珩磨頭組件往復(fù)功能，實(shí)現(xiàn)工件往復(fù)磨削，活動能量隱含碳能為往復(fù)功能實(shí)現(xiàn)過程消耗電能產(chǎn)生的碳排放，有如下計(jì)算公式：輔助隱含碳能是旋轉(zhuǎn)功能和往復(fù)功能下共同造成油石損耗產(chǎn)生的碳排放，油石的碳排放因子為2.3kgCO2/kg，油石壽命為240min，油石數(shù)量為12個，有如下計(jì)算公式：Eaux_oil＝moilstones·Coilstones＝0.09×2.3＝0.207kgCO2因此，使用階段珩磨頭組件的總的隱含碳能計(jì)算如下：當(dāng)前第1頁1 2 3 當(dāng)前第1頁1 2 3