矿山机械制造系统能效评价特点、研究现状及发展趋势

王 伟

（抚顺矿业集团技师学院，辽宁 抚顺 113008）

目前，我国的制造业是我国的重要经济性支柱产业，但制造业的生产过程中，却消耗了大量的能源，同时对我国的生态环境产生了不同程度的破坏。美国曾经做过关于能量消耗方面的调查，调查显示工业活动消耗了大量的能量，在其他发达国家也有累死的情况。我国属于发展中国家，但制造业所消耗的能量同样巨大，导致节能减排的压力与日俱增。因此，根据目前的现状，加强关于机械制造系统的能效评价、能量效率等，是当前我国制造业必须面对的问题[1，2]。

机械制造业是我国经济发展的重要组成部分。但在传统的制造业运行中，人们单方面认为单台的及威胁设备不会存在能源消耗的问题，因此没有足够的重视。但近几年，能源消耗的问题日益严重，引起了人们的关注和重视。学术界、企业都在不断的进行能源消耗问题的研究，从而关于机械制造系统的能效评价相关研究已经风生水起，但是，目前针对于该方面的研究还没有形成系统，相对比价散漫，并且由于机械制造系统的涵盖面太宽、所涉及的制造过程又十分复杂，从而导致能效评价的很多问题没有解决。

1 机械制造系统能效评价的特点

机械制造系统包含压力加工、特种加工等共九大类工艺，同时包括输入和输出产品的系统。如果根据能量消耗的角度进行分析，机械制造系统是由铸造设备及相应的工艺过程为主体的制造系统。机械制造系统能量消耗的主体具有很多特性，包括多样性、复杂性、以及能源消耗过程中的随机性、变化性等多方面的原因，从而导致关于化工、冶金等制造系统的能效评价存在很高的困难程度。因此，下文针对于能效评价的复杂特点进行探讨。

1.1 机械制造系统能量消耗的多能量源特性

机械制造系统涉及九类加工设备，同时还包含检测、照明设备等多种辅助设备，其中每一种设备都会有其相对应的能量消耗源。例如，普通的车床 就包含了照明系统、冷却系统等多个系统，而如果是数控机床，就会有静压系统等能量消耗系统，但这些能量消耗系统响应存在多个能量消耗源。

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征

在机械制造系统中拥有车间、任务等很多不同的层次，并同时每个层次所对应的能量消耗都与其独有的特征。例如，处于设备层次的能量消耗，是属于矿山机械制造系统的主体，但诸如车间这个层次中，其加工设备所产生的能耗之外，还有一些辅助设备的消耗。在产品消耗中包含了产品组装、原材料准备等多个方面的每个阶段中所产生的能耗。

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

矿山机械制造系统正常运转的过程中，在特定的时间内，其可以呈现出较为复杂、多变的能量消耗现象。例如，在机床加工简单工件的产生的能量消耗过程中，其产生的能量消耗变化体现为启动过程的功率变化、加工工序的能耗规律差异、输入功率的变化这三方面。

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

矿山机械产品的能量消耗，贯穿产品的整个生命周期之中，并在生命周期各阶段中，都需要不同程度的能量作为支撑；与此同时，在机械制造产品的不同阶段生命周期中，其所需要消耗的能量也存在很大的差异，针对不同阶段的不同能量进行深入的分析。在进行能效评价过程中，应该充分考虑生命全周期的能量消耗、效率两方面的问题。

2 机械制造系统的能效评价研究现状

2.1 机械制造系统能效评价内容的研究现状

笔者对现有的机械制造系统能效评价的内容进行归类总结，可以分为三大类：

（1）机械制造系统总体能效评价。对矿山机械制造系统的综合能量消耗情况进行总体性的评价，就是总体能效评价，一般情况下，研究的对象是整体能耗。在美国的IAC评价体系就较为成功，其中包括电能、热能、能源等多方面的评价。我国质检总局、标准化委员会曾经提供过关于能量平价的框架、体系，通过对综合能耗、产品单位产量综合能耗等方面的指标进行分析，从而利用这些指标的分析得出企业真实的能效水平。

（2）产品能效评价。产品能效评价主要是针对于生产、生命周期过程中所产生的能耗进行效率评价。主要面向从零件制造、装配、回收等生命周期过程。其中，可以将产品能量分为两方面，分别为直接和简介能量。直接能量是在产品制造过程中产生的能量消耗，简介能量是产品所需物料的内含能。

（3）机械设备和工艺能效评价。在机械制造系统能量消耗中，机械设备、工艺两方面的能量消耗是其中能量消耗的主体，与此同时，两者的消耗过程和能效评价是整个能量消耗过程中最为复杂的过程，在当今能量消耗评价相关研究的领域中，也是研究的重点问题。一般情况下，会将机械设备加工过程中，产生的能量消耗分为两种，分别为固定和可变能量消耗。在能量消耗的总数上，由于加工过程采用不同的加工参数，或者是采用不同的刀具路径，都会对机械加工过程中的能耗总数产生影响。

一般情况下，获取能量数据是进行机械设备和工艺方面的能效评价的关键，主要是靠在线监测获得相应的常用数据。虽然可以通过实验得到相应的数据，但实际情况是，需要通过几十组实验，才可以得到能量构成分析的数据，因此针对于工程上说，缺乏切实的可行性，获得相应的数据十分困难，明显阻碍企业有效实施能效评估。

2.2 矿山机械制造系统能量效率评价指标的研究现状

主要从瞬时和过程能量效率指标两方面进行能量效率评价。

（1）瞬时能量效率指标。矿山机械制造系统在固定的时刻汇总，所产生的能量和变化能量变化率，两者之间的比值就是瞬时能量。而针对于瞬时能量效率，是通过输出和输入功率的比值计算得出。

（2）过程能量效率指标。在固定的时间段内，有效能量与输入能量两者之间的关系，被称为矿山机械制造系统过程中的能量效率。由此可以看出，在过程能效方面，可以分为有效能量和有效产出两种定义的方式。①在矿山机械制造系统过程能量效率中，某个特定的过或时间内，所产生的有效能量、系统消耗能量之间的比值，被称为有效能量。②而有效产出，又被成为比能。比能是矿山机械制造系统所产生的能量消耗，与系统有效产出两者之间的比值。

3 矿山机械制造系统能效评价的发展趋势

（1）建立完整的矿山机械制造系统能下评价体系。在产品生产的过程中，其主要载体是矿山机械制造系统，同时此载体非常复杂，涵盖面很广，不仅包括产品，同时跨越了车间、任务等很多的层次，并且针对于不同的层次，所产生的能量消耗都有其自身的独特的特征。因此，机械制造系统中的能效评价，应该具有更加明显的层次性特征。大致可以氛围车间层、制造单元层等。并且针对于每个层次来说，都有其特有的能效指标和体系。

（2）建立机械制造系统能效评价数据库。在计算矿山机械制造系统的消耗指标过程中，需要综合大量的基础数据，尤其是在工艺、设备等能耗的数据，因此，为了便于计算，要建立完善的矿山机械制造系统能效评价数据库。建立数据库，需要经过很多的实验，包括加工实验、空载实验等，这些实验都需要很大的工作量。但建立数据库以后，能够加强能量效率评价、生产设备节能等方面进行优化，从而为其日后所需的分析奠定良好的基础。

（3）定量化机械产品、制造任务的能量消耗。针对于所欲的制造任务产生的能量消耗，应该进行定量化，如此就可以为企业生产提供重要的参考哦数据，同时，也可以为当地政府和行业提供标准的定额，为节能减排提供参考数据。

（4）能效评价标准化。进行能量效率评价中的标准化，主要是针对于消耗边界划分的标准化，评价方法的标准化、ingjia流程的标准化三方面。

4 结语

矿山机械制造系统能效评价具有多源性、层次分布特性、能耗过程、瞬态能量效率多变性，针对于当前的能效评价现状，可以分为总体能效评价、产品能效评价、工艺能效评价三方面。在将来的发展趋势主要是建立完整的评价指标体系，建立能效评价数据库、建立定额化的任务能耗、标准化的能耗评价体系。