張業(yè)明，蔡茂林

(1.河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作 454000;2.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京 100191)

氣動執(zhí)行器在自動化生產(chǎn)線中應用非常廣泛。近年來，隨著電氣自動化程度的不斷提高，電動執(zhí)行器卻慢慢侵入氣動領(lǐng)域，兩種執(zhí)行器在應用上既有競爭又相互補充。對于沒有多點定位要求的場合，用戶更傾向于使用氣動執(zhí)行器。目前，工業(yè)現(xiàn)場使用電動執(zhí)行器的應用大部分都是要求高精度多點定位，氣動執(zhí)行器則難以實現(xiàn)［1］。在輸出力上，氣動執(zhí)行器的輸出力與缸徑的平方成正比;而電動執(zhí)行器的輸出力與缸徑、電機的功率和絲桿的螺距3個因素有關(guān)系。

在執(zhí)行器作動系統(tǒng)設(shè)計中，大多數(shù)情況下既可以選擇氣動執(zhí)行器，也可以選擇電動執(zhí)行器。選擇哪一種執(zhí)行器對整個生產(chǎn)系統(tǒng)更有利?系統(tǒng)成本又如何?這些問題目前一直沒有深入的分析和討論。KAENZIG等［2］進行了消費電子產(chǎn)品的生命周期成本信息的分析。林豐巖［3］從產(chǎn)品生命周期成本的概念出發(fā)，分析其內(nèi)涵、演變等規(guī)律，僅限于理論研究。陳小川等［4］就制造業(yè)中產(chǎn)品全生命周期成本的概況進行了研究，對典型機電產(chǎn)品的生命周期成本只是提出了一個概念框架。

目前，有關(guān)研究氣動和電動兩種執(zhí)行器系統(tǒng)的成本問題的文獻資料很少。文中綜合分析3組氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器系統(tǒng)的工作狀況，確定研究對象，建立評價模型，分析其全生命周期成本，最后進行實例數(shù)據(jù)分析和驗證。討論在最常見的生產(chǎn)線工件搬運工況下，哪種執(zhí)行器系統(tǒng)在綜合成本上更有優(yōu)勢和競爭力，運用數(shù)據(jù)指導執(zhí)行器作動系統(tǒng)的選型和設(shè)計。

1 執(zhí)行器研究對象的確定

通過對多家氣動和電動執(zhí)行器生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品出貨量和市場占有率的調(diào)研，直徑為10 mm、25 mm和32 mm的氣動執(zhí)行器的市場用量最大，服從正態(tài)分布［5］。電動執(zhí)行器的出貨量和市場占有率與氣動執(zhí)行器相比要小。氣動和電動執(zhí)行器在完成相同的工作任務時，要求具有接近的輸出力、行程和速度等參數(shù)，從而確定出3組氣動和電動執(zhí)行器作為研究對象，如表1所示。

表1 三組氣動和電動執(zhí)行器

2 執(zhí)行器的LCCBPO評價

生命周期成本 (Life Cycle Cost，LCC)指產(chǎn)品在整個生命周期中所有支出費用的總和，包括原料的獲取、產(chǎn)品的使用費用等，即是指是企業(yè)生產(chǎn)成本與用戶使用成本之和。

如果從產(chǎn)品所有者角度出發(fā)，自產(chǎn)品購入、使用直至報廢，是產(chǎn)品的整個生命周期。在這個周期內(nèi)，產(chǎn)品所有者為取得產(chǎn)品、實現(xiàn)產(chǎn)品功能、報廢產(chǎn)品都須支付一定的成本，由產(chǎn)品所有者支付的各項成本之和稱為基于產(chǎn)品所有者的生命周期成本 (LCCBPO)。LCCBPO主要包括購置成本、運行成本、維護保養(yǎng)成本和報廢回收成本［6］。

分析氣動和電動執(zhí)行器的使用特點，兩種執(zhí)行器的LCCBPO成本因素如表2所示。

2.1 執(zhí)行器的LCCBPO成本因素

表2 兩種執(zhí)行器的LCCBPO成本因素

2.2 執(zhí)行器的LCCBPO評價基準

(1)大多數(shù)廠家氣動和電動執(zhí)行器的使用壽命一般都為5年或者5 000 km行程;在5年的生命周期內(nèi)，綜合考慮購置成本、運行維護保養(yǎng)成本和回收成本3個方面的成本因素，對3組執(zhí)行器分別進行分析。

(2)在分析運行成本時，同組的氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器要求工作在相同的工作載荷和工作頻率等工況下，具體工況如表3所示。

(3)維護保養(yǎng)成本參考現(xiàn)場使用情況。

(4)不考慮執(zhí)行器報廢的處置費用，直接由廢舊回收公司收購，換回執(zhí)行器材料費作為其報廢回收成本。

表3 3組執(zhí)行器的現(xiàn)場工況

2.3 執(zhí)行器的LCCBPO評價模型

兩種執(zhí)行器的LCCBPO總成本為:

式中:C為執(zhí)行器總成本;C1為購置成本;C2為運行維護成本;C3為報廢回收成本;m為年限。

兩種執(zhí)行器的LCCBPO模型計算相似。氣動執(zhí)行器的LCCBPO計算方法在文獻 ［5］進行了詳細闡述。電動執(zhí)行器的LCCBPO比氣動執(zhí)行器簡單。在購置成本上，電動執(zhí)行器不需要考慮氣動管道、閥門之類的公用設(shè)備的購置成本均攤問題［5］;它的運行維護成本直接利用電力計測量即可［7］。

3 執(zhí)行器的LCCBPO實例分析

3種氣動執(zhí)行器的購置成本如表4所示［5］，3種電動執(zhí)行器的購置價格如表5所示。

表4 氣動執(zhí)行器末端設(shè)備購買價格

表5 電動執(zhí)行器系統(tǒng)的購買價格

氣動和電動執(zhí)行器的運行能耗數(shù)據(jù)參見文獻［7］。報廢回收材料價值通過計算執(zhí)行器的零件質(zhì)量和材質(zhì)得到。利用LCCBPO模型，逐一計算出每一種執(zhí)行器的購置成本、運行維護成本和報廢回收成本，然后進行匯總比較［8］。

3.1 兩種執(zhí)行器的購置成本

3組氣動執(zhí)行器每年的購置成本都比相應的電動執(zhí)行器低很多，數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 3組執(zhí)行器的每年購置成本曲線

3.2 兩種執(zhí)行器的運行維護保養(yǎng)成本

氣動執(zhí)行器本身基本免維護，但是整個氣動系統(tǒng)需要維護，特別是氣源部分，如表6所示［5］。

表6 神鋼壓縮機AG370每年定期維護保養(yǎng)名目

電動執(zhí)行器每隔一定時間需要涂抹適量的潤滑脂，減少設(shè)備的損壞。電動執(zhí)行器一般也不會出故障。假定電動執(zhí)行器也基本免維護，只需要涂抹一定的潤滑脂。

三組執(zhí)行器水平和垂直方向每年的運行維護成本對比如圖2、3所示。

PA、PC都是有桿氣缸。在每年的運行維護成本上，PA、PC分別比同組的EA、EC要稍微低一點。PB為無桿氣缸，水平方向PB的運行維護成本比同組的EB要高將近3倍，垂直方向PB的運行維護成本比同組的EB要高自身的1/3左右。此外，電動執(zhí)行器的購置成本和運行維護成本之和比氣動執(zhí)行器的相關(guān)成本要高3～10倍。

圖2 3組執(zhí)行器水平方向每年的運行維護成本

圖3 3組執(zhí)行器垂直方向每年的運行維護成本

3.3 兩種執(zhí)行器的報廢回收成本

氣動和電動執(zhí)行器的報廢回收成本對比如圖4所示。PA，PB，PC的回收成本普遍比EA，EB，EC要低很多。主要因為電動執(zhí)行器的質(zhì)量普遍比同功能的氣動執(zhí)行器要重2～8倍左右。此外材質(zhì)上電動執(zhí)行器也比同功能的氣動執(zhí)行器要好。

圖4 3組執(zhí)行器的報廢回收成本

3.4 兩種執(zhí)行器的全生命周期總成本綜合對比

水平和垂直方向3組執(zhí)行器的全生命周期成本對比如圖5、6所示。在相同的負載條件和工作行程下，每種電動執(zhí)行器的全生命周期成本約為氣動執(zhí)行器的5～8倍左右。

圖5 3組執(zhí)行器水平方向LCCBPO比較

圖6 3組執(zhí)行器垂直方向LCCBPO比較

4 總結(jié)

對氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器的全生命周期成本進行了詳細的分析。首先分析了兩種執(zhí)行器的成本因素的構(gòu)成情況，確定了兩種執(zhí)行器的能耗評價基準和LCCBPO計算模型。最后通過3組執(zhí)行器的實例數(shù)據(jù)驗證，得出結(jié)論如下:

(1)在同樣的負載能力和行程的條件下，氣動執(zhí)行器的購置成本比電動執(zhí)行器要低很多。

(2)在水平方向和垂直方向兩種情況下點到點搬運工件時，氣動執(zhí)行器的運行和維護保養(yǎng)成本是相同的;而電動執(zhí)行器水平方向搬運工件時的運行和維護保養(yǎng)成本比垂直方向時要低。

(3)在同樣的負載能力和行程的條件下，有桿氣缸運行維護成本比同組的電動執(zhí)行器要低，無桿氣缸運行維護成本比同組的電動執(zhí)行器要高。

(4)具有相同負載能力和行程的氣動執(zhí)行器比電動執(zhí)行器的回收成本要低。

(5)在點到點搬運的工況下，從LCCBPO上分析，一般氣動執(zhí)行器要比電動執(zhí)行器更經(jīng)濟實惠。

［1］蔡茂林，陳響宇，王雄耀，等.氣缸與電動執(zhí)行器的競爭與互補［J］.現(xiàn)代制造，2009(4):24－27.

［2］KAENZIG J，WUSTENHAGEN R.The Effect of Life Cycle Cost Information on Consumer Investment Decisions Regarding Eco-Innovation［J］.Journal of Industrial Ecology，2010，14(1):121 －136.

［3］林豐巖.產(chǎn)品生命周期成本:內(nèi)涵、演變及啟示［J］.理論學刊，2006(7):69－70.

［4］陳小川，方明倫.制造業(yè)中產(chǎn)品全生命周期成本的研究概況綜述［J］.機械工程學報，2002，38(11):17 －25.

［5］張業(yè)明，蔡茂林.氣動執(zhí)行器的全生命周期成本分析［J］.北京航空航天大學學報，2012，37(8):1006 －1010.

［6］ARJA M，SAUCE G，SOUYRI B.External uncertainty factors and LCC:a case study［J］.Building Research and Information，2009，37(3):325 －334.

［7］張業(yè)明，蔡茂林.氣動執(zhí)行器與電動執(zhí)行器的運行能耗分析［J］.北京航空航天大學學報，2010，(5):560 －563.

［8］JUNNILA S.Life Cycle Management of Energy-consuming Products in Companies Using IO-LCA［J］.International Journal of Life Cycle Assessment，2008，13(5):432 －439.