加工中心零部件生命周期碳排放评估与减排策略研究


伯特利数控 加工中心  钻攻中心  

 前言:

 全球变暖日趋严重,温室气体的不断增加对全球气候的严重影响已不仅仅是单纯的自然科学课题,它已经逐渐成为全球普遍关注的涉及国家政治经济安全等多个领域的综合性科学问题[1]。二氧化碳是温室气体主要成份,而资源和能源的消耗则会 [1]产生了大量的碳排放。据统计,我国能源消耗的主要源头是制造业,约占总能耗的57%[2]。我国是世界上加工中心保有量最多的国家,有超过800多万台机床,而加工中心又是制造业的最重要的加工设备。因此,研究加工中心零部件的低碳制造,是实现我国2020年减排任务的关键。

生命周期评价(Life cycle assessmentLCA)是目前全新的一种用来管理和保护环境的手段,目前主要是通过分析某种产品或者某种工艺的物料、能量及能量再利用以及环境等的影响,来评价环境影响及寻求改善的方法。目前国内外将生命周期评价应用到低碳制造方面的文献并不多。NARITA[3]基于生命周期评估(LCA)通过计算各加工组成部分在加工过程的电能消耗量对制造系统的碳排放进行了研究。01;等[4]结合产品生命周期理论,建立了考虑客观层、战略层、过程层和支持层的加工中心制造业的低碳操作系统框架模型。张雷等[5]以空调室外机为例,采用生命周期分析软件计算了空调室外机生命周期碳排放,以及其内部各联接关系装配过程的碳排放。曹华军等[6]提出了固定和变动排放的全生命周期碳排放特性模型,建立了线性特性方程,提出以生产单位加工中心产生碳排放量为碳排放效率来描述加工中心碳排放变动特性。以基本碳排放为度量,研究装配过程的辅助工艺及装配环境对碳排放解算的影响。

加工中心的生产制造过程会引起大量碳排放,但是考虑到加工中心是由各个零部件组成,而目前并没有具体针对加工中心零部件加工进行生命周期碳排放分析。研究零部件的全生命周期碳排放能更清晰地展现出零部件加工各个阶段的碳排放情况,来进行有针对性的节能减排。

基于零部件成型的重点,关于其生产加工阶段的碳排放,国内外有不少学者进行了研究。李先广等分析了针对齿轮加工过程的碳排放特性,从物料、能源消耗、废物处理等方面进行分析,建立了齿轮加工过程碳排放边界条件及碳排放模型。郑军 等基于工序碳源建立了空载碳源、负载碳源、物料消耗碳源、能源消耗碳源、非期望碳源等五类基础工序碳源,利用基础工序碳源表示并计算了砂型铸造过程的碳排放量。李聪波P]等建立了考虑电能碳排放、刀具碳排放、切削液碳排放的切削过程碳排放目标函数并进行了高效低碳优化。郭登月等[1Q|基于公理化设计找出丁低碳磨削过程中的各层关键影响因素,建立了磨削过程的ERWCX能源、资源、废弃物、碳排放)的分析模型„尹瑞雪'等[11]分析了机械制造工艺碳排放源,建立了机械制造碳排放特性函数,并列举了包括车削、砂型铸造、C02气体保护焊、自由锻等典型机械制造工艺碳排放函数。

但是上述的这些模型一般是针对某一种特定的加工工艺或加工某种特定零部件,缺乏通用性。且没有明确工序与工序之间的具体的碳排放的关系,也没有一个整体的加工中心零部件整个生产加工工艺的碳排放量化模型,来提供较准确的各个工艺工序的碳排放信息。

因此,考虑到减少加工中心零部件碳排放在节能减排中的重要地位,本文对加工中心零部件全生命周期碳排放的关键环节进行分析,基于全生命周期碳排放的评估方法,分析加工中心零部件的生产阶段、加工阶

段、使用阶段、回收处理阶段以及运输阶段的碳排放情况。并具体针对生产加工过程,分析零部件毛坯生产工艺、热处理工艺以及机械加工工艺的碳排放情况,建立基于物料流、能量流、环境排放流的碳排放量化模型。以某企业常用的加工中心典型零部件主轴套筒作为实例开展研究,分析主轴套筒的生命周期碳排放情况,基于碳排放对加工工艺参数和加工工艺方案进行低碳分析与优选,验证所提分析方法的有效性和实用性,并提出相应的减排策略,可为我国加工中心零部件碳排放生命周期管理提供量化方法和思路。

1加工中心零部件全生命周期碳排放评估

1.1碳排放量化方法

最常见的碳排放的量化方法有实际测量法,物料平衡法以及碳排放因子法[12]。考虑到加工中心零部件加工生产的特殊性,最适合使用的是碳排放因子法。碳排放因子一般是指在正常技术经济和管理条件下,生产某单位产品所产生(或排放)的二氧化碳数量的统计平均值,也可通过标煤来进行碳排放因子的换算。

综合各研究结果[13_16],可以得知加工中心典型零部件生产加工过程中各种主要因素的碳排放因子如表1所示:

表1常见材料的碳排放因子表

 

因素

碳排放因子

 

(kg/kg)

2.69

 

(kg/kg)

2.22

 

(kg/kg)

16.13

物料流

切削液(kg/L)

2.85

 

磨削液(kg/L)

0.978

 

刀具(kg/kg)

29.6

 

砂轮(kg/kg)

33.7

 

电力(kW ■h/kg)

0.403 5

能量流

原煤(kg/kg)

3.138

原油(kg/kg)

2.253

 

天然气(m3/kg)

1.744

 

废钢(kg/kg)

0361

环境排放流

废铁(kg/kg)废铝(kg/kg)

0.361

0.256

 

切削液(kg/L)

0.2

1.2加工中心零部件生命周期碳排放评估方法

 


 

岑部件是机器的最基本元素,是制造过程中的基^单元,是不可分拆的单个制件。根据加工中心零部件产,LCA原理,可将碳排放系统理解为包括零部件生产阶段、零部件加工阶段、零部件使用阶段、零部件回收处理阶段和零部件运输阶段的基于产品生命周期的碳排放系统运行模型,如图1所示。环境供应系统通过资源环境属性系统将物料和能量传递给零部件生产加工各个阶段,该阶段再将工艺伝息反馈至制造信息控制与反馈系统,产品设计规划系统将产品信息应于毛坯生产和加工阶段,反馈信息全部集成至计算机集成制造系统,集成的信息将用于控制整个系统,保证整个系统的正常运行。通过上述分析,加工中心零部件生命周期碳排放主要包括零部件毛坯成型阶段的碳排放Cprodcti。!!、零部件加工阶段的碳排放CprcMss零部件使用阶段的碳排放Cg、零部件回收处理阶段的碳排放Crecovcry以及零部件运输阶段的碳排放Clransport因此,加工中心零部件全生命周期碳排放量化模型如下


 

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结束语:

 (1) 分析了加工中心关键零部件的全生命周期过程及其关键碳排放环节,分析了加工中心零部件生产阶段、加工阶段、使用阶段、回收处理阶段、运输阶段的碳排放情况,提出了基于加工中心零部件生命周期的碳排放系统运行模型。

(2) 根据不同生产加工工艺过程的工艺特点,分析了零部件毛坯生产工艺、热处理工艺以及机械加工工艺的碳排放情况,建立了基于物料流、能量流、环境排放流的碳排放量化模型,用于识别和分析各个阶段的碳排放量。

(3)  通过建立的碳排放模型,分析了主轴套筒的生命周期碳排放情况,可以有效地了解不同方面的碳排放情况,并针对其影响情况采取相应的节能减排措施;针对其磨削过程进行了具体分析,分析加工参数对碳排放情况的影响;基于碳排放量进fj;了加工工序方案优选,通过试验研究,证明合理的工艺规划可以有效地减少碳排放量。

 

 

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