，，

(浙江工業(yè)大學(xué) 車輛工程研究所，浙江 杭州 310014)

隨著全球氣候變暖問題越演愈烈，以低能耗、低污染和低排放為基礎(chǔ)的低碳制造已成為全球研究熱點(diǎn)[1].制造業(yè)是我國以及其他各國碳排放主要來源之一，國際能源署(International energy agency, IEA)調(diào)查表明，制造業(yè)碳排放約占全球總碳排放量的36%[2],因此以提高資源利用率為目的的低碳制造將成為制造業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的重要途徑.目前，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)與學(xué)者已經(jīng)開始對(duì)于制造過程碳排放定量分析的研究，國外Tseng等[3]基于成本分析建立了制造業(yè)可持續(xù)供應(yīng)鏈的碳排放決策模型；麻省理工學(xué)院Wolf等[4]從車間層面研究了各種加工工藝能量消耗特性以及相關(guān)性能評(píng)價(jià)模型；德國斯圖加特大學(xué)Dietmair等[5]對(duì)制造過程中的能量預(yù)測(cè)、評(píng)估和優(yōu)化進(jìn)行研究；國內(nèi)重慶大學(xué)李玉霞等[6]基于碳流率分析了作業(yè)車間碳排放動(dòng)態(tài)特性并建立了優(yōu)化調(diào)度模型；尹瑞雪等[7]建立了包括能源碳、物料碳和過程碳在內(nèi)的工藝碳排放函數(shù)；浙江大學(xué)唐任仲等[8]建立了機(jī)械加工過程能量需求模型，并提出砂型鑄造過程碳排放計(jì)算方法.

國內(nèi)外研究已經(jīng)取得一些成果，然而這些研究主要集中于車間調(diào)度或不同類型機(jī)床的碳排放評(píng)估，針對(duì)具有連續(xù)性特征的產(chǎn)品制造過程的碳排放研究卻少之又少，而進(jìn)一步涉及到轎車變速箱制造過程的碳排放研究幾乎沒有.轎車變速箱制造過程碳排放研究的意義在于通過對(duì)其進(jìn)行碳排放評(píng)估，分析轎車變速箱制造過程的碳排放特性并建立相應(yīng)的碳排放模型，通過對(duì)制造過程的工藝參數(shù)進(jìn)行不斷改進(jìn)，從而降低轎車變速箱制造過程的碳排放量，最終達(dá)到最佳環(huán)境效益的目的.

1 轎車變速箱制造過程碳排放特性

轎車變速箱的特殊結(jié)構(gòu)[9]使其加工制造是一個(gè)復(fù)雜的工藝過程，以轎車無級(jí)變速箱(Continuously variable transmission, CVT)為例，其制造工藝流程如圖1所示.毛坯先通過車削、銑削和磨削等機(jī)加工方式被加工成不同的零部件，然后經(jīng)過歸類將零部件裝配成不同的總成，最后將所有總成裝配成整個(gè)變速箱，檢測(cè)合格后入庫保存.

圖1 CVT變速箱制造工藝流程Fig.1 CVT gearbox manufacturing process

由圖1可知：轎車變速箱制造過程涉及眾多不同類型的零部件，需要使用多種加工設(shè)備，同時(shí)消耗大量能源和物料，并產(chǎn)生相應(yīng)的廢棄物.因此，轎車變速箱制造過程碳排放具有過程復(fù)雜、排放環(huán)節(jié)多、能源及物料消耗大、排放量大等主要特征.

2 轎車變速箱制造過程碳排放建模

根據(jù)轎車變速箱制造過程碳排放特性，定義碳排放系統(tǒng)邊界發(fā)現(xiàn)碳排放源頭，使用多層次關(guān)聯(lián)分析理論[10](Hierarchical relevance analysis, HRA)梳理邊界內(nèi)碳排放要素，結(jié)合PAS2050[11]碳排放系數(shù)法(Emission-factor approach, EFA)計(jì)算碳源碳排放，從而建立轎車變速箱制造過程碳排放模型.

2.1 系統(tǒng)邊界

轎車變速箱制造過程碳排放系統(tǒng)邊界如圖2所示，邊界內(nèi)輸入輸出的實(shí)質(zhì)是能量流、物料流和廢棄物流的流動(dòng)過程，同時(shí)帶動(dòng)邊界內(nèi)碳的流動(dòng)，由此可知，設(shè)備電能消耗、其他能源消耗、物料消耗和廢棄物處理是轎車變速箱制造過程中產(chǎn)生碳排放的主要源頭.

由轎車變速箱制造過程碳排放特性可知，邊界內(nèi)所涉及到的零部件、設(shè)備、物料和廢棄物種類較多，增加了碳排放計(jì)算難度.為此，筆者以轎車變速箱具體零部件為基本單元U，并借鑒IPCC(Intergovernmental panel on climate change)對(duì)碳源的描述對(duì)邊界內(nèi)的碳源作相關(guān)定義，同時(shí)對(duì)碳排放要素進(jìn)行多層次關(guān)聯(lián)分析，從而保證計(jì)算過程的規(guī)范性以及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.

圖2 轎車變速箱制造過程碳排放系統(tǒng)邊界Fig.2 Carbon emission system boundary of car gearbox manufacturing process

定義1轎車變速箱制造過程所需設(shè)備在運(yùn)行過程中由于空載和負(fù)載所導(dǎo)致的碳排放稱為設(shè)備碳排放(Device carbon emission, DCE).

定義2轎車變速箱制造過程所消耗的非電力能源在制備過程中的碳排放稱為能源碳排放(Energy carbon emission, ECE).

定義3轎車變速箱制造過程所消耗的物料在制備過程中的碳排放稱為物料碳排放(Material carbon emission, MCE).

定義4轎車變速箱制造過程所產(chǎn)生的廢棄物在處理過程中的碳排放稱為廢棄物碳排放(Waste carbon emission, WCE).

定義5轎車變速箱制造過程不同總成所產(chǎn)生的碳排放稱為局部碳排放(Partial carbon emission, PCE).

定義6轎車變速箱制造過程產(chǎn)生的總體碳排放稱為總碳排放(Total carbon emission, TCE).

使用多層次關(guān)聯(lián)分析理論將邊界內(nèi)碳排放要素進(jìn)行歸類分成六層，如表1所示.圖中最高層為總碳排放量，最底層為碳排放源影響因素.同一層要素的屬性相同，作用于其上一層要素，同時(shí)又受到下一層要素的影響.

表1 轎車變速箱制造過程碳排放要素Table 1 Carbon emission factors in manufacturing gearbox

相鄰層不同要素之間的關(guān)聯(lián)性可能不同，為表征其關(guān)聯(lián)程度需要建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)矩陣.假設(shè)第k層(1≤k≤5)一共包括n個(gè)要素，第l層(1≤l≤5)一共包括m個(gè)要素，則第k層與第l層間要素的關(guān)聯(lián)矩陣為

(1)

式中r(i,j)為第k層第i個(gè)要素與第l層第j個(gè)要素之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)，函數(shù)值為0或1.

鑒于轎車變速箱制造過程碳排放特征，通過對(duì)碳排放要素進(jìn)行多層次關(guān)聯(lián)分析，可清晰了解到不同要素在碳排放量化過程中的地位，幫助制定碳排放量化過程的先后順序.碳排放影響因素在層次中處于最底層的基礎(chǔ)地位，可首先建立影響因素與工藝環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)矩陣，計(jì)算中下層基本碳源和基本單元的具體碳排放，進(jìn)而逐層上升計(jì)算得到局部碳排放和總碳排放，從而保證計(jì)算過程的規(guī)范性以及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.

2.2 轎車變速箱制造過程基本碳源建模

2.2.1 設(shè)備碳排放

轎車變速箱制造過程不同環(huán)節(jié)所使用的設(shè)備種類不盡相同，即使相同設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間也基本不同，因此需要建立相應(yīng)的空載時(shí)間和負(fù)載時(shí)間關(guān)系矩陣.由此可以得到基本單元設(shè)備碳排放量為

t2(i,j)·P1i}·Ee

(2)

式中：t1(i,j)為第i種設(shè)備在第j個(gè)環(huán)節(jié)空載時(shí)間；t2(i,j)為第i種設(shè)備在第j個(gè)環(huán)節(jié)負(fù)載時(shí)間；P0i為第i種設(shè)備的空載功率；P1i為第i種設(shè)備的負(fù)載功率；Ee為電力碳排放系數(shù).

2.2.2 能源碳排放

能源碳排放與其消耗質(zhì)量存在密切關(guān)系，因此需要建立能源與轎車變速箱制造過程工藝環(huán)節(jié)的質(zhì)量關(guān)系矩陣.由此可得基本單元能源碳排放量為

(3)

式中：m1(i,j)為第i種能源在第j個(gè)環(huán)節(jié)中消耗的質(zhì)量；Ei為第i種能源的碳排放系數(shù).

2.2.3 物料碳排放

物料碳排放與其消耗質(zhì)量存在密切關(guān)系，因此需要建立物料與轎車變速箱制造過程不同環(huán)節(jié)之間的質(zhì)量關(guān)系矩陣.工藝環(huán)節(jié)中輔助物料消耗(刀料、砂料和切削液等)可采用時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)折算的方法將其轉(zhuǎn)化為質(zhì)量單位進(jìn)行計(jì)算，具體公式為

(4)

式中：mij為第i種輔助物料在第j個(gè)環(huán)節(jié)中所消耗質(zhì)量；Tij為第i種輔助物料在第j個(gè)環(huán)節(jié)中的使用時(shí)間；Ti為第i種輔助物料標(biāo)準(zhǔn)使用壽命；mi為第i種輔助物料質(zhì)量.

由此可得基本單元物料消耗碳源碳排放量為

(5)

式中：m2(i,j)為第i種物料在第j個(gè)環(huán)節(jié)中所消耗質(zhì)量；Emi為第i種物料的碳排放系數(shù).

2.2.4 廢棄物碳排放

同樣，廢棄物碳排放與其被處理質(zhì)量存在密切關(guān)系，因此也需要建立廢棄物與轎車變速箱制造過程不同環(huán)節(jié)之間的質(zhì)量關(guān)系矩陣.由此可得基本單元廢棄物碳源碳排放量為

(6)

式中：m3(i,j)為第j個(gè)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生第i種廢棄物的質(zhì)量；Ewi為第i種廢棄物處理碳排放系數(shù).

2.3 轎車變速箱制造過程碳排放量化方法

通過建立碳源碳排放模型以及基本單元與碳源之間的關(guān)聯(lián)矩陣，轎車變速箱制造過程的局部碳排放計(jì)算式為

(7)

式中r(i,j)為第i個(gè)基本單元與第j種碳源之間的關(guān)聯(lián)函數(shù).由于轎車變速箱制造過程總碳排放包含多個(gè)局部碳排放，因此轎車變速箱制造過程總碳排放為

(8)

2.4 轎車變速箱制造過程碳排放量化結(jié)果

根據(jù)所建立的轎車變速箱制造過程碳排放量化模型，以轎車CVT變速箱為例進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，其中零部件帶輪錐盤制造過程的具體工序參數(shù)[12]及數(shù)據(jù)清單[13-14]如表2,3所示.

表2 帶輪錐盤加工工序參數(shù)Table 2 Manufacturing process parameters of pulley cone

表3 帶輪錐盤制造過程數(shù)據(jù)清單Table 3 List in the manufacture process of pulleys cone

根據(jù)表1，2的數(shù)據(jù)清單，建立碳排放影響因素與工序之間的時(shí)間關(guān)系矩陣和質(zhì)量關(guān)系矩陣.建立關(guān)系矩陣后可通過式(2，3，5，6)分別計(jì)算得到帶輪錐盤制造過程的設(shè)備碳排放、能源碳排放、物料碳排放和廢棄物碳排放結(jié)果，如表4所示.

表4 帶輪錐盤制造過程基本碳排放Table 4 Basic carbon emissions of pulley cone manufacturing g

轎車CVT變速箱各個(gè)總成制造過程的碳排放量化與上述過程相似，建立時(shí)間和質(zhì)量關(guān)系矩陣并將其代入相應(yīng)的公式中進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示.

表5 CVT變速箱制造過程碳排放Table 5 Carbon emissions of CVT gearbox manufacturing kg

將上述局部碳排放結(jié)果代入式(8)中，可計(jì)算得到整個(gè)轎車CVT變速箱總碳排放量化結(jié)果為78.323 kg.

3 轎車變速箱制造過程碳排放優(yōu)化

轎車變速箱制造過程的工藝參數(shù)種類較多，對(duì)于多參數(shù)優(yōu)化問題，遺傳算法具有更高的收斂速度和精確性[15]，為此使用MATLAB中遺傳算法模塊對(duì)影響因素進(jìn)行多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，在降低碳排放量的同時(shí)保證生產(chǎn)效率不會(huì)降低，并通過實(shí)例驗(yàn)證優(yōu)化模型的可行性.

3.1 基于遺傳算法的多參數(shù)優(yōu)化模型

根據(jù)第2節(jié)構(gòu)建的轎車變速箱制造過程碳排放模型，可知轎車變速箱制造過程的碳排放量為

(9)

加工完成時(shí)間是生產(chǎn)效率的重要表征因素，其表達(dá)式為

(10)

式中ti為第i個(gè)工藝環(huán)節(jié)的完成時(shí)間.

由于優(yōu)化模型的首要目的在于減少制造過程碳排放量，因此所建立多參數(shù)優(yōu)化模型如為

f=minh1

(11)

使用MATLAB遺傳算法模塊進(jìn)行求解，遺傳算法的4個(gè)運(yùn)行參數(shù)需要事先設(shè)定，分別是群體大小M、終止迭代數(shù)T、交叉概率P以及變異概率Pm，具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際情況確定.

3.2 實(shí)例驗(yàn)證

碳排放影響因素的優(yōu)化以轎車CVT變速箱帶輪錐盤制造過程為例，其碳排放影響因素主要包括切削用量(切削速度Vc，進(jìn)給量f，切削深度ap)和熱處理功率P，因此將對(duì)這些因素進(jìn)行多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化分析.目標(biāo)函數(shù)化簡(jiǎn)結(jié)果分別為

(12)

(13)

參數(shù)約束條件分別為

(14)

(15)

0.003≤api≤0.02

(16)

運(yùn)用遺傳算法假設(shè)種群大小取40，迭代次數(shù)取100，交叉概率取0.7，變異概率取0.06，運(yùn)行結(jié)果如圖3所示，優(yōu)化后的工藝參數(shù)如表6所示.

圖3 多參數(shù)優(yōu)化的迭代過程Fig.3 Iterative process of multi-parameter optimization

加工工序api/mmVci/(m·min-1)fi/(mm·r-1)Vwi/(m·min-1)P/kW粗車錐面0.0248.00.40--半精車錐面0.0152.70.39--粗車內(nèi)孔0.0247.50.40--半精車內(nèi)孔0.0153.50.39--熱處理----30精磨內(nèi)孔0.00320.514.812.0-精磨錐面0.00320.114.812.0-精磨溝道0.00320.214.812.0-

為了衡量碳排放量優(yōu)化對(duì)于生產(chǎn)效率的影響程度，將優(yōu)化后的工藝參數(shù)代入式(13)中，可計(jì)算出碳排放優(yōu)化后的加工時(shí)間為255.21 s.

轎車CVT變速箱各個(gè)總成制造過程的碳排放優(yōu)化與上述過程相似，優(yōu)化結(jié)果如表7所示.

表7 優(yōu)化后變速箱碳排放Table 7 Optimized carbon emissions of gearbox kg

通過對(duì)優(yōu)化前后碳排放結(jié)果進(jìn)行比較可知，優(yōu)化過程著重改善了切削速度、進(jìn)給速度和熱處理設(shè)備功率，優(yōu)化后的總碳排放當(dāng)量為58.341 kg，與之前相比降低了25.5%，其中設(shè)備、能源、物料和廢棄物碳排放分別降低了26.4%，67.2%，66.5%，1.54%，如圖4所示，同時(shí)生產(chǎn)效率也得到了提高，優(yōu)化效果顯著，達(dá)到了預(yù)期優(yōu)化目標(biāo)并有效驗(yàn)證了多參數(shù)優(yōu)化模型的實(shí)用性.

圖4 優(yōu)化前后碳排放量比較Fig.4 Comparison between before and after optimization

4 結(jié) 論

基于產(chǎn)品碳足跡的概念，對(duì)轎車變速箱制造過程碳排放特性進(jìn)行了分析，定義了碳排放系統(tǒng)邊界，將系統(tǒng)內(nèi)多種碳源進(jìn)行歸類分析.針對(duì)轎車變速箱制造過程的碳排放特性，利用多層次關(guān)聯(lián)分析理論對(duì)制造過程中的零部件、碳源、工藝環(huán)節(jié)及碳排放影響因素進(jìn)行分析.通過建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)矩陣，可以將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，清晰掌握不同要素在碳排放量化過程中的地位，幫助制定碳排放量化過程的先后順序，使計(jì)算過程更加規(guī)范合理，從而提高碳排放量化結(jié)果的準(zhǔn)確性.同時(shí)結(jié)合碳排放系數(shù)法進(jìn)行基本碳源建模，從而提出了制造過程碳排放的量化方法，根據(jù)量化方法計(jì)算得到了轎車變速箱制造過程碳排放量化結(jié)果.在此基礎(chǔ)上，使用遺傳算法對(duì)轎車變速箱制造過程影響因素進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化，在降低碳排放量的同時(shí)保證生產(chǎn)效率不會(huì)降低，并對(duì)轎車變速箱進(jìn)行實(shí)例優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性.

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