层次分析法对钢筋调直切断机能效指标的评价

李颂华,魏 超

(沈阳建筑大学 机械工程学院,沈阳 110168)

随着“十三五”时期国家绿色发展理念的提出,对传统制造业进行绿色升级改造,扩大绿色产业在我国制造业所占比重越来越得到重视.“中国制造2025”也将绿色发展作为我国工业化发展的重要目标之一[1].建筑行业的快速进步将我国经济、社会发展带向新的高度.与此同时,我国的生态建设却面临着严峻的考验,同欧、美等工业发展速度较快的国家相比,我国建筑工业对于“绿色”这一理念提出相对较晚,在强调施工效率的同时往往忽略了能源过度使用的问题[2].现阶段我国机械制造、建筑施工等行业对能效问题重视程度不够,研究深度不够,并没有将建筑用施工机械能效问题具体化、规范化,特别是如何对能效问题进行评价的研究,在国内仍然处于空白阶段[3].

能效作为钢筋调直切断机重要的绿色性能指标之一,其评价方法的优劣决定了整体设备的绿色性能评价结果.钢筋调直切断机应用于各类施工现场以及钢筋预制品车间之中,钢筋调直切断机绿色性能指标及评价方法对于界定设备绿色性能、帮助企业设计生产、促进整个钢筋加工设备行业向绿色化发展都有着积极而深远的意义.随着对建筑施工机械绿色性能指标评价方法研究的深入,能效指标因其自身包含的复杂因素以及各因素之间复杂的逻辑关系,在研究过程中并不能依赖简单的定性分析或定量计算来评价其绿色性能指标.因此，对钢筋调直切断机能效指标的绿色性能评价方法的研究显得尤为重要[4].

1 钢筋调直切断机作业特点及能效

能效通常指的是能源实际使用量和输入量的比值,或用其比值的倒数来表示,能效评价是了解设备能耗水平的基础,是能耗量标定的前提,是能耗优化运行的关键技术,能效问题应考虑其整个生产加工过程中所有的能源输入及有用、无用功的输出情况[5].本文所讨论的钢筋调直切断机能量消耗问题是指在设备生产过程中的各环节能量消耗效率,主要包括设备生产自身消耗、生产环节消耗、辅助人员设备消耗等3类[6-7].钢筋调直切断机能量流动分布如图1所示.

图1 钢筋调直切断机能量流动分布图Fig.1 Energy flow distribution diagram of steel straightening cutter

钢筋调直切断机具有间歇性重复性作业的特点,其作业能效特点包括以下几个方面:① 因机械机构不同而引起设备能效差异;② 钢筋加工采取不同工艺的能效差异;③ 设备自身运行维护状况及使用环境的不同等诸多因素[8].

2 能效评价方法

钢筋调直切断机能效评价的重点在实际加工过程的能效因设备结构、工艺、环境的不同而产生的差异,因此，人工因素以及钢筋在进入机器前后的能耗并不在评价重点范围内.

本文所讨论的能效评价方法涉及因素复杂,包括定量因素和定性因素,除此之外,还有一些因素由于具体设备结构的不同而不能将其共同纳入同一评价体系中,例如调直机构分为压辊式、转毂式等调直方式.但是,针对某一具体设备建立的评价体系而言,这两种调直因素便成为矛盾因素,若同时存在于同一评价体系,则该体评价缺陷是在原理上限制了满分评价结果的出现.因此,本文利用层次分析法确定钢筋调直切断机能效评价指标体系,对于矛盾因素,转而对其进行具体数值计算,将结果作为参考因素与层次分析法结果进行综合考虑，得出最终某具体设备的评价结果.

2.1 层次分析法

层次分析法是一种定性与定量因素结合考虑的分析方法,目的在于确定多属性分析及不同层次的权重值问题[9].层次分析法一般步骤如下.

2.1.1建立层次分析属性模型

层次分析法结构模型体系一般分为3个层次:目标层一般为最上一层,表示评价问题最终要达到的结果;准则层设在中间层,目的在于提供用于最终评价目标的具体要求;最下层为方案层,包括评价最终目的的解决方案.

2.1.2构造判断矩阵

判断矩阵是层次分析法研究问题的基础信息,关系到权重值的求解,为将定性因素整理为定量可参数化比较的信息,本文采用9级赋分法将能效评价指标两两之间进行比较,最终将这些比较结果用矩阵的方法表示出来,即形成判断矩阵A[10].构造判断矩阵9级赋分及解释如表1所示.

表1 9级赋分法含义表Tab.1 Nine scale assignment meaning table

2.1.3单层次排序及一致性检验

单层次排序是在整体评价体系中的某一分支的某一层次对其上属因素的重要性排序.根据所得判断矩阵A,求其最大特征根和特征向量,进而获得因素排序的权重值.由Aω=λω,求解出特征向量ω,权重值即为正规化后的特征向量ω.其计算步骤如下:

对判断矩阵进行一致性检验,目的是为确保判断矩阵与实际情况相符.一致性可以用λmax-n数值的大小来衡量判断矩阵A的一致程度.判断矩阵一致性比率CR=CI/RI<0.1时,当判断矩阵符合一致性要求时,可用判断矩阵的正规化的特征向量ω作为权向量,否则要重新对各因素之间进行调整比较,其中,CI=(λmax-n)/(n-1),n为判断矩阵所有主对角线元素之和.根据判断矩阵的阶数确定随机一致性指标RI值,具体如表2所示.

表2 RI值表Tab.2 RI value table

2.1.4整体层次排序及其一致性检验

整体层次排序是整个层次分析体系中各层次因素相对于总目标因素的权重排序.同层次单排序判断方式相同,当CR<0.1时,任务层次总排序满足一致性.

2.2 综合计算

在采用层次分析法建立能效评价体系模型时,只考虑钢筋调直切断机通用的能效评价因素,而不同机型、不同结构的能耗方式，则需单独计算来辅助总体评价结果的产生.在钢筋调直切断机中,不能引入到层次分析法中的评价因素，如驱动电机功率或是液压、气压驱动系统,这些因素可视为定量评价因素,利用公式:

电动机效率(%)=

参照《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》(GB 18613—2012)所列电动机的能效等级表,结合电动机具体参数计算后进行对比,给出参照分数如表3所示.

表3 电动机效率评分参考表Tab.3 Motor efficiency score reference table

3 实例分析评价

综上所述,以市场上某厂生产的钢筋调直切断机为例,对其能效指标进行分析评价.构建层次分析法评价模型,采用上述评价方法进行评价分析.评价体系模型如图2所示.

图2 钢筋调直切断机能效指标体系模型Fig.2 Energy efficiency index system model of steel bar cutting machine

(1) 目标层分析计算结果如表4所示.

表4 目标层与准则层之间判断矩阵及权重值Tab.4 The judgment matrix and the weight value between the target layer and the criterion layer

经上公式求得λmax=4.097 2,CR=0.036 4<0.1,数据显示该判断矩阵满足一致性要求.

(2) 准则层分析计算结果如表5～表8所示.

表5 准则层与方案层(C1～ C5)之间判断矩阵及权重值Tab.5 The criterion matrix and the weight between the criterion layer and the scheme layer (C1～ C5)

λmax=5.315 4,CR=0.070 4<0.1,数据显示该判断矩阵满足一致性要求.

表6 准则层与方案层(C6～ C9)之间判断矩阵及权重值Tab.6 The judgment matrix and the weight value between the criterion layer and the scheme layer (C6～C9)

λmax=4.102 3,CR=0.038 3<0.1,数据显示该判断矩阵满足一致性要求.

表7 准则层与方案层(C10～ C13)之间判断矩阵及权重值Tab.7 The judgment matrix and the weight value between the criterion layer and the scheme layer (C10～ C13)

λmax=4.214 8,CR=0.080 5<0.1,数据显示该判断矩阵满足一致性要求.

表8 准则层与方案层(C14～ C20)之间判断矩阵及权重值Tab.8 The judgment matrix and the weight value between the criterion layer and the scheme layer (C14～ C20)

λmax=7.772 3,CR=0.094 6<0.1,数据显示该判断矩阵满足一致性要求.

综合上述结果表明,牵引机构、设备过载运行、设备损耗程度以及钢筋实测力学性能分别为其所在层次单排序中权重值最高的因素.同理根据上述计算方法求得目标总排序的一致性为CR=0.086 3<0.1,同样满足一致性要求.

(3) 指标权重值结果分析.

由相关行业内专家参照具体钢筋调直切断机工作运行状况,结合设备使用说明,对设备进行评价打分,对于调直、切断等因素的评分因设备工作方式不同而产生的结构上的差异,应依照具体计算结果,分数参照表3确定.

在进行专家打分时,每项具体指标所打分值在1～10分范围内,分数只取整数,并将专家所打分数与相应指标的权重值相乘,将所有方案层指标的结果相加,得出总的评价结果,最终得分对应评价结果如表9所示.

表9 能效评价等级规定及评语Tab.9 Evaluation of energy efficiency rating and comments

(4) 综上所述,相关专家打分结果及最终评分如表10所示.结果表明:利用该评价体系评价分析的某厂钢筋调直切断机能效评价最终得分为7.016 5,说明该设备能效情况较符合要求,但对个别评价较低的因素仍需加以调整,以达到符合预期能效结果.

表10 设备能效指标最终评分结果Tab.10 Energy efficiency indicators of the final score

4 结论

建立了钢筋调直切断机能效指标评价体系模型,采用层次分析法结合数值计算的方法对指标因素进行评价,避免了单次评价过程中的评价指标之间因相互对立的矛盾因素存在而造成的评价结果失真的情况.

利用层次分析法确定钢筋调直切断机各部分能效指标的权重值并对各部分权重值进行排序,结果显示：设备运行过程中的工况以及加工钢筋数量等因素是影响其能效评价结果的主要因素.

利用专家打分法对某型号钢筋调直切断机进行能效打分评价,结果显示：该设备在评分结果上属于能效情况较为合格,单实际设备本身仍有部分可调整空间,企业需对该设备进行改造并重新评估.