基于LCA分析和AHP-TFE模型对绿色切削液的优选方法研究①

赵先锋 胡 波 史红艳 汤朋飞 胡小龙 丁井虎

（贵州大学机械工程学院 贵州贵阳550025）

近年来，随着切削加工的发展，对切削速度要求越来越高，切削液用量也越来越大。目前，切削液的排放难以满足环保要求［1］，除了加大对切削液排放管理力度外，应用切削液排放（环保）冷却技术和新型切削技术具有十分重要的现实意义［2］。据浙江省工业环保设计研究院有限公司2016年数据显示，我国废切削液、废清洗液排放量为每年500 t，CODcr（化学需氧量）为5 000 mg/L（国标二级标准为100 mg/L）、NH3-N（氨氮含量）为35 mg/L（国标二级标准为15 mg/L）、TP（磷含量）为8 mg/L（国标二级标准为1.0 mg/L）。可见，排放的废切削液指标远远高于国家标准。

绿色切削液是指切削液本身所含成分及在使用中对人体和环境无害，回收后废水可以安全排放，残油在自然条件下可以完全降解，不会对环境造成任何污染［3］。目前，绿色切削液的研究主要集中在对环境友好、成本低、效率高的切削液方面。Jagadish［4］提出了一种基于比例分析的层次分析与多目标优化相结合的方法，用于绿色制造切削液的优化选择，使环境影响最小，成本最低化，质量最优；Marius Winter等研究了不同切削液对表面粗糙度和能量消耗的影响，推导出回归模型，并用于评价环境和经济影响；张群等［5］利用层次分析法，结合切削液功能、成本、及环境要求，建立了切削液多目标决策体系；陶桂宝等［6］利用模糊综合评价方法对加工结果进行评价，并提出了用于剃齿加工的切削液综合选择模型，通过剃齿加工实例验证了该模型的可行性；

目前，已有切削液研究成果主要集中在加工加工过程优化方面，忽略了加工前预处理步骤。本研究以切削液生命周期分析为线索，总结影响切削液生命周期的主要原因，梯形模糊数进行预处理，层次分析优选切削液。

1 切削液的LCA分析

对切削液进行选择决策之前，有必要分析生命周期内对环境影响。切削液的生命周期是指切削液原材料制备开始，到加工制造成成品（即切削液），并流通给消费者，产品报废后经分离、回收和再循环将部分材料重新利用整个过程（图1），其中环境的影响是比较重要的因素［7］。

从切削液的生命周期出发，结合切削液成本、切削液质量、环境污染和资源损耗等，绿色切削液应遵循以下原则：

（1）从成本来看：切削液成本应尽可能低，包括生产成本、销售成本以及回收成本；

（2）从质量来看：切削液质量应尽可能好，包括润滑性能、冷却性能和抗腐蚀性能；

（3）从环境影响来看：切削液应尽可能使得环境污染小，包括环境污染和对人体健康造成的影响。

（4）从资源消耗来看：应选择低能耗、便于回收处理或者可生物降解的切削液。

以下为切削液LCA分析具体步骤。

（1）研究目标。在整个生命周期中，对人体无害、不污染环境且成本低、质量较好的绿色切削液。

（2）详细目录。主要是配制切削液的各种原材料，包括水基、油基以及添加剂。

（3）评价指标。主要有切削液对人体的安全性；对设备的安全性影响；切削加工过程中能量损耗影响；对水质的污染；对土壤的污染。

（4）改进措施。根据LCA分析结果，主要为解决好原材料和成本之间的关系，利用算法进行优化；改善切削液使用方法，减少切削液飞溅，延长切削液使用寿命；利用先进废液处理方法，如采用生物技术，利用微生物分解切削液中的污染物。

由此可知，影响切削液整个生命周期的主要因素为成本、切削液质量、环境污染和资源损耗。

2 AHP-TFE模型建立

2.1 绿色切削液决策矩阵

基于LCA分析绿色切削液，应将环境要求作为一个重要因素加以考虑，在遵循切削液的一般选择原则的基础上［8］，将成本、环境影响、切削液质量和资源消耗作为决策目标，可建立层次结构模型（图2）。

图2 AHP层次结构模型

2.2 采用梯形模糊数对定性参数进行预处理

对相关定性参数采用梯形模糊数进行预处理。设定性指标属性集为X={x1，x2，…，xn}，方案集为Y={y1，y2，…，yn}。M个参考方案中相关变量与梯形模糊数的关系，对定性指标进行评分，得到各定性指标xi对应各方案yi的梯形模糊属性值h~ij=

(aij，bij，cij，dij)，aij＞bij＞cij＞dij［8］。

根据式（1）计算得到各定性指标对应方案的去模糊值。

2.3 建立优先关系矩阵

绿色切削液选择实质是使用方案的多目标决策问题，即从若干个可能的方案中选出最优或相对较优的方案［9］。

变量可表述如式（2）：式（2）中，n为待选择的切削液的种类，Si（i=1，2，…，n）代表第i种切削液。

式（3）中，n为准则层上层对应下层的评价因素个数，Fi（i=1，2，…，n）表示第n个指标属性。

基于LCA过程特性选择绿色切削液，即从成本、环境影响、切削液质量和资源消耗上考虑切削液的选择决策体系，准则层上层可表述为式（4）。

式（4）中：C1为成本；C2为环境影响；C3为切削液质量；C4为资源消耗。

结合上述描述，对于n个切削液优选方案，由4个因素构成因素集，可将这4个因素分为4个分系统，每个分系统下分别有F1，F2，…，Fn评价因素，对于第M（M=1，2，3，4）系统下评价因素Fn的优先关系矩阵可表述为式（5）。

式（5）中，为在因素Fn下，Si对Sj的优先关系，其值为：

2.4 构造模糊一致矩阵

将Bn改造为一致性矩阵，

2.5 单因素计算优度值

利用模糊一致判断元素与权重关系式排序方法计算对象Si在评价因素Fn下的优度值：

2.6 计算分系统综合评价优度值

对第K个分系统，若n个评价因素（F1，F2，…，Fn）的权重分别为，满 足=1，可分别求出m种切削液在第k各分系统下的综合评优度值Pik。

2.7 计算综合评价总体优度值

在准则层上层已知有4个因素，即成本、环境影响、切削液质量和资源消耗，若这4个因素的权重分别为a1，a2，a3，a4。其中，a1+a2+a3+a4=1，分别求出m种切削液在高一层次上的总体优度值Ti。

通过对绿色切削液的多目标决策，对Ti由大到小确定出几种切削液的优先顺序，随即可选出最佳决策。

3 案例分析

前期研究可知［6］，滚齿机滚齿过程要求从中国重庆机床厂的3种切削液中选择切削液。切削液分别为传统的添加剂切削油、Syntilo 9930c切削液、Syntilo R Plus切削液，采用基于层次分析法的梯形模糊评价模型（AHP-TFE）对3种切削液以成本、环境影响、切削液质量和资源消耗作为决策目标进行综合分析。

在各种机床加工中，切削液所产生的污水、废弃物等对环境污染最大，权重占比应该大于切削液质量、成本和资源消耗。对于工厂来说切削液的质量是加工出好产品的保障。因此，权重占比中应大于成本和资源消耗。成本和资源消耗为相互影响因素，因此，将两这权重占比设为相同（表1）。通过梯形模糊数进行预处理后得到2种切削液决策矩阵（表2）。以上层因素中切削液质量为例，其润滑性能由式（4）建立优先关系矩阵：

转换为一致性矩阵为：

通过式（6）计算单因素优度值为：P71=0.500；P27=0.167；P37=0.333

冷却性能。同理可得单因素优度值为：P18=0.167；P28=0.333；P38=0.500。

抗腐蚀性能。单因素优度值为P19=0.333；P29=0.500；P39=0.167。

综合以上3个评价因素的单因素优度值，由式（8）可得第3分系统的综合评价优度值为：P73=0.2834；P83=0.349 9；P93=0.366 7。

求另外3个分系统的综合评价值，如表3所示。

表3 各系统综合评价值

最后由式（8）可得，各方案总体优度值如表4所示。可以看出，滚齿机的滚齿过程中切削液的最优选择为Syntilo 9930c切削液。

表4 综合评价排名结果

4 结论

本文以切削液的生命周期为基础进行LCA分析，找出决定切削液生命周期的主要因素，建立了AHP-TFE模型。用梯形模糊数对所得数据进行预处理，层次分析法计算处理后的数据，得到总体优度值。

通过分析切削液整个生命周期，得出影响切削液整个生命周期的主要因素为：成本、切削液质量、环境污染和资源损耗；

通过AHP-TFE模型对3种切削液进行分析，得出结果与事实相符，说明该模型适用于切削液的选择；

本研究与Jagadish［10］结论基本一致，，但Jagadish方法切削液的优度值差异较大，因此，采用AHP-TFE模型所得总体优度值更加贴合实际。