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加工中心零部件生命周期碳排放評估與減排策略研究
閱讀：279 發(fā)布時間：2020-8-11伯特利數(shù)控 加工中心 鉆攻中心
前言：
變暖日趨嚴重，溫室氣體的不斷增加對氣候的嚴重影響已不僅僅是單純的自然科學課題，它已經逐漸成為普遍關注的涉及國家政治經濟安全等多個領域的綜合性科學問題[1]。二氧化碳是溫室氣體主要成份，而資源和能源的消耗則會 [1]產生了大量的碳排放。據(jù)統(tǒng)計，我國能源消耗的主要源頭是制造業(yè)，約占總能耗的57%[2]。我國是世界上加工中心保有量多的國家，有超過800多萬臺機床，而加工中心又是制造業(yè)的重要的加工設備。因此，研究加工中心零部件的低碳制造，是實現(xiàn)我國2020年減排任務的關鍵。
生命周期評價(Life cycle assessment，LCA)是目前全新的一種用來管理和保護環(huán)境的手段，目前主要是通過分析某種產品或者某種工藝的物料、能量及能量再利用以及環(huán)境等的影響，來評價環(huán)境影響及尋求改善的方法。目前國內外將生命周期評價應用到低碳制造方面的文獻并不多。NARITA等[3]基于生命周期評估(LCA)通過計算各加工組成部分在加工過程的電能消耗量對制造系統(tǒng)的碳排放進行了研究。01；等[4]結合產品生命周期理論，建立了考慮客觀層、戰(zhàn)略層、過程層和支持層的加工中心制造業(yè)的低碳操作系統(tǒng)框架模型。張雷等[5]以空調室外機為例，采用生命周期分析軟件計算了空調室外機生命周期碳排放，以及其內部各聯(lián)接關系裝配過程的碳排放。曹華軍等[6]提出了固定和變動排放的全生命周期碳排放特性模型，建立了線性特性方程，提出以生產單位加工中心產生碳排放量為碳排放效率來描述加工中心碳排放變動特性。以基本碳排放為度量，研究裝配過程的輔助工藝及裝配環(huán)境對碳排放解算的影響。
加工中心的生產制造過程會引起大量碳排放，但是考慮到加工中心是由各個零部件組成，而目前并沒有具體針對加工中心零部件加工進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現(xiàn)出零部件加工各個階段的碳排放情況，來進行有針對性的節(jié)能減排。
基于零部件成型的重點，關于其生產加工階段的碳排放，國內外有不少學者進行了研究。李先廣等分析了針對齒輪加工過程的碳排放特性，從物料、能源消耗、廢物處理等方面進行分析，建立了齒輪加工過程碳排放邊界條件及碳排放模型。鄭軍 等基于工序碳源建立了空載碳源、負載碳源、物料消耗碳源、能源消耗碳源、非期望碳源等五類基礎工序碳源，利用基礎工序碳源表示并計算了砂型鑄造過程的碳排放量。李聰波P]等建立了考慮電能碳排放、刀具碳排放、切削液碳排放的切削過程碳排放目標函數(shù)并進行了高效低碳優(yōu)化。郭登月等[1Q|基于公理化設計找出丁低碳磨削過程中的各層關鍵影響因素，建立了磨削過程的ERWCX能源、資源、廢棄物、碳排放)的分析模型„尹瑞雪'等[11]分析了機械制造工藝碳排放源，建立了機械制造碳排放特性函數(shù)，并列舉了包括車削、砂型鑄造、C02氣體保護焊、自由鍛等典型機械制造工藝碳排放函數(shù)。
但是上述的這些模型一般是針對某一種特定的加工工藝或加工某種特定零部件，缺乏通用性。且沒有明確工序與工序之間的具體的碳排放的關系，也沒有一個整體的加工中心零部件整個生產加工工藝的碳排放量化模型，來提供較準確的各個工藝工序的碳排放信息。
因此，考慮到減少加工中心零部件碳排放在節(jié)能減排中的重要地位，本文對加工中心零部件全生命周期碳排放的關鍵環(huán)節(jié)進行分析，基于全生命周期碳排放的評估方法，分析加工中心零部件的生產階段、加工階
段、使用階段、回收處理階段以及運輸階段的碳排放情況。并具體針對生產加工過程，分析零部件毛坯生產工藝、熱處理工藝以及機械加工工藝的碳排放情況，建立基于物料流、能量流、環(huán)境排放流的碳排放量化模型。以某企業(yè)常用的加工中心典型零部件主軸套筒作為實例開展研究，分析主軸套筒的生命周期碳排放情況，基于碳排放對加工工藝參數(shù)和加工工藝方案進行低碳分析與優(yōu)選，驗證所提分析方法的有效性和實用性，并提出相應的減排策略，可為我國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。
見的碳排放的量化方法有實際測量法，物料平衡法以及碳排放因子法[12]。考慮到加工中心零部件加工生產的特殊使用的是碳排放因子法。碳排放因子一般是指在正常技術經濟和管理條件下，生產某單位產品所產生(或排放)的二氧化碳數(shù)量的統(tǒng)計平均值，也可通過標煤來進行碳排放因子的換算。
綜合各研究結果[13_16]，可以得知加工中心典型零部件生產加工過程中各種主要因素的碳排放因子如表1所示：
| 表1常見材料的碳排放因子表
1.2加工中心零部件生命周期碳排放評估方法
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岑部件是機器的基本元素，是制造過程中的基^單元，是不可分拆的單個制件。根據(jù)加工中心零部件產，LCA原理，可將碳排放系統(tǒng)理解為包括零部件生產階段、零部件加工階段、零部件使用階段、零部件回收處理階段和零部件運輸階段的基于產品生命周期的碳排放系統(tǒng)運行模型，如圖1所示。環(huán)境供應系統(tǒng)通過資源環(huán)境屬性系統(tǒng)將物料和能量傳遞給零部件生產加工各個階段，該階段再將工藝伝息反饋至制造信息控制與反饋系統(tǒng)，產品設計規(guī)劃系統(tǒng)將產品信息應于毛坯生產和加工階段，反饋信息全部集成至計算機集成制造系統(tǒng)，集成的信息將用于控制整個系統(tǒng)，保證整個系統(tǒng)的正常運行。通過上述分析，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階段的碳排放Cprodcti。!!、零部件加工階段的碳排放CprcMss、零部件使用階段的碳排放Cg、零部件回收處理階段的碳排放Crecovcry以及零部件運輸階段的碳排放Clransport。因此，加工中心零部件全生命周期碳排放量化模型如下