郭利，韓剛，龔燈，張斌

（1.安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，安徽 六安 237011；2.皖西學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 六安 237012；3.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；4.安徽匯泰車輪有限公司，安徽 銅陵 246725）

經(jīng)成形加工后的板料產(chǎn)品具有材料利用率高、整體強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在家電、交通工具、醫(yī)療器械、軍用裝備等多個(gè)領(lǐng)域。但由于離散制造系統(tǒng)的固有缺點(diǎn)和由此帶來(lái)的生產(chǎn)管理問(wèn)題，板料成形加工過(guò)程中存在大量的能源浪費(fèi)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)以成形機(jī)床為代表的機(jī)械加工機(jī)床的能量效率即低碳優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題研究正在迅速興起，學(xué)者們對(duì)沖壓生產(chǎn)過(guò)程中的能量特性、節(jié)能技術(shù)和能耗管理進(jìn)行了大量研究。劉飛等提出機(jī)床能效的五類基礎(chǔ)技術(shù)，其中一項(xiàng)關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)就是能量消耗與能量效率建模問(wèn)題［1］；為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床能耗的有效監(jiān)控，并建立數(shù)學(xué)模型，Zhou et al.對(duì)各種機(jī)床的能耗進(jìn)行分類研究，建立基于材料去除率、面向過(guò)程和詳細(xì)參數(shù)型三種機(jī)床能耗模型，用來(lái)定性評(píng)價(jià)機(jī)床的能耗［2］；顧文斌等則開(kāi)發(fā)了一種嵌入式的數(shù)控機(jī)床能耗檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控單臺(tái)機(jī)床加工過(guò)程中的能耗［3］；Wang et al.以精密加工中最耗能的環(huán)節(jié)——磨削加工為例，設(shè)計(jì)了一種帕累托優(yōu)化方法來(lái)預(yù)測(cè)機(jī)床加工總能耗，提高加工效率和能效，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其可以將能量效率提升至89.5%［4］。

而針對(duì)成形機(jī)床能量利用率低的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用了各種方法對(duì)機(jī)床系統(tǒng)的能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管控，如曹志成搭建了一種基于信息采集系統(tǒng)的沖壓車間能量模型，分析了生產(chǎn)方案、機(jī)器故障等因素對(duì)車間能耗的影響［5］；王慶陽(yáng)等則針對(duì)驅(qū)動(dòng)單元輸出功率和輸入功率不匹配的問(wèn)題，建立了保證成形質(zhì)量的前提下，降低沖壓成形能耗的多目標(biāo)工藝優(yōu)化方法，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制［6］；Li et al.則建立了服務(wù)型供能系統(tǒng)，將沖壓系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換單元變?yōu)榧泄芾砟Ｊ?，采用代理模式響?yīng)單臺(tái)機(jī)器的能量需求的模式來(lái)匹配單臺(tái)機(jī)器的能耗需求［7］；對(duì)機(jī)械制造車間中常見(jiàn)的加工工況復(fù)雜的情況，李進(jìn)宇等人采用遞歸分析的方法，對(duì)機(jī)床的輸入功率進(jìn)行分析，識(shí)別加工狀態(tài)，得到工件的加工能耗，識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)到98.3%［8］；念志偉等則是通過(guò)功率信息和長(zhǎng)短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)大型工件加工能耗進(jìn)行識(shí)別，發(fā)現(xiàn)該方法可以有效識(shí)別加工的能耗，訓(xùn)練模型準(zhǔn)確率可以達(dá)到99.1%［9］。

綜上可知，目前大多數(shù)學(xué)者是針對(duì)工件加工過(guò)程中的能耗采集方法、能耗匹配方法、能耗狀態(tài)識(shí)別進(jìn)行研究，較少針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。為彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足，文章對(duì)某企業(yè)輪轂生產(chǎn)板料成形車間能耗進(jìn)行分析和研究，提升輪轂生產(chǎn)過(guò)程中的能源利用率，以提高經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)汽車制造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)與持續(xù)健康發(fā)展。

1 輪轂生產(chǎn)板料成形車間工藝和能耗特點(diǎn)分析

某企業(yè)高強(qiáng)輕質(zhì)輪轂生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示。從圖1 中可以看出，輪轂生產(chǎn)的核心工藝是板料沖壓成形，生產(chǎn)線長(zhǎng)、沖壓工序多、生產(chǎn)節(jié)拍控制復(fù)雜。其生產(chǎn)特點(diǎn)包括生產(chǎn)線一般按壓力機(jī)噸位進(jìn)行布局、設(shè)備空轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)間較長(zhǎng)、換模時(shí)間和運(yùn)輸時(shí)間不可忽略、輔助設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行等，而這些都會(huì)造成沖壓生產(chǎn)過(guò)程中的能量浪費(fèi)。

圖1 高強(qiáng)輕質(zhì)輪轂生產(chǎn)工藝

由于輪轂生產(chǎn)板料成形車間與其他生產(chǎn)車間相同，都是開(kāi)放性的復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)，要完成對(duì)車間能耗特點(diǎn)的分析，首先需要對(duì)車間邊界進(jìn)行定義。

文章選擇將板料成形車間的物理邊界作為將生產(chǎn)系統(tǒng)與外部環(huán)境隔開(kāi)的邊界，外部環(huán)境的生產(chǎn)資料（如板材、設(shè)備、能源等）經(jīng)由邊界，輸入生產(chǎn)系統(tǒng)，生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部則根據(jù)車間的生產(chǎn)方案和工件的加工工藝，通過(guò)生產(chǎn)設(shè)備將板材原料轉(zhuǎn)化為所需零件和廢棄物，這個(gè)過(guò)程需要消耗能源。此外，系統(tǒng)內(nèi)由板材加工制造產(chǎn)生的零件、廢棄物以及由各類設(shè)備消耗能源產(chǎn)生的廢氣、廢料等作為系統(tǒng)的輸出，經(jīng)由系統(tǒng)邊界進(jìn)入外部環(huán)境。板料成形車間的系統(tǒng)邊界如圖2 所示。

圖2 輪轂生產(chǎn)板料成形車間系統(tǒng)邊界

從圖2 中可以看出，輪轂生產(chǎn)板料成形車間的能耗特點(diǎn)如下：第一，能量消耗來(lái)源多且為多層面分布，包括產(chǎn)品層、設(shè)備層、車間層三個(gè)層面能源消耗；第二，壓力機(jī)會(huì)經(jīng)歷啟動(dòng)、空轉(zhuǎn)、快下、慢下、壓制、保壓、快回、慢回這幾個(gè)階段，每個(gè)階段的瞬時(shí)功率也存在一定差距，由此板料成形車間的直接能耗呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)；第三，空轉(zhuǎn)能耗、運(yùn)輸能耗、啟動(dòng)能耗不可忽略；第四，總體能耗與生產(chǎn)任務(wù)、生產(chǎn)方案密切相關(guān)。

2 輪轂生產(chǎn)板料成形車間能耗計(jì)算模型建立

根據(jù)上述對(duì)板料成形車間生產(chǎn)特點(diǎn)和能耗特點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)能量消耗來(lái)源主要有生產(chǎn)設(shè)備（壓力機(jī)）、運(yùn)輸設(shè)備以及輔助設(shè)備等。壓力機(jī)消耗的能量又可分為啟動(dòng)能耗、空轉(zhuǎn)能耗、加工能耗，運(yùn)輸設(shè)備和輔助設(shè)備消耗的能量則分別為運(yùn)輸能耗和輔助能耗。這些由各類設(shè)備產(chǎn)生的能耗構(gòu)成了板料成形車間的總能量消耗。

啟動(dòng)能耗是由于壓力機(jī)啟動(dòng)時(shí)功率較大而引起的能量消耗，可用式（1）表示：

空轉(zhuǎn)能耗是由于壓力機(jī)在等待上下料時(shí)為了保持運(yùn)行狀態(tài)所消耗的能量，壓力機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)，功率基本保持穩(wěn)定，可用式（2）表示：

加工能耗是指壓力機(jī)完成對(duì)板料進(jìn)行加工的過(guò)程所消耗的能量，加工過(guò)程一般包括快下、慢下、壓制、保壓、快回、慢回階段，可用式（3）表示：

輔助能耗是指車間內(nèi)各類用于支持生產(chǎn)的輔助設(shè)備運(yùn)行所消耗的能量，可用式（5）表示：

根據(jù)上述輪轂生產(chǎn)板料成形車間各類能耗的計(jì)算公式，輪轂生產(chǎn)板料成形車間的能耗計(jì)算模型可表示為：

3 輪轂生產(chǎn)板料成形車間能效評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建是整個(gè)制造系統(tǒng)能耗水平綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，直接影響評(píng)價(jià)的客觀有效性。輪轂生產(chǎn)板料成形車間屬于典型的離散制造系統(tǒng)，根據(jù)對(duì)其生產(chǎn)特點(diǎn)和能耗特點(diǎn)的分析，可以看出其能量消耗跨越生成對(duì)象、生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境三個(gè)層級(jí)，因此可以選擇產(chǎn)品能效水平、設(shè)備能效水平以及車間能效水平為一級(jí)指標(biāo)，每個(gè)一級(jí)指標(biāo)下設(shè)二級(jí)指標(biāo)，構(gòu)建出輪轂生產(chǎn)板料成形車間能效評(píng)價(jià)體系，如表1 所示。

表1 輪轂生產(chǎn)板料成形車間能效評(píng)價(jià)體系

文章根據(jù)以上分析，搭建輪轂生產(chǎn)板料成形車間能耗采集系統(tǒng)。其中對(duì)車間能效B3采用三相電能表通過(guò)RS485 總線進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表，每小時(shí)采集1次數(shù)據(jù)，全天24h 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；對(duì)設(shè)備能效B2通過(guò)橫河WT333 三相功率計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每5min 采集一次數(shù)據(jù)；產(chǎn)品能效B1的評(píng)價(jià)中，則主要是針對(duì)輪轂生產(chǎn)的具體工序，對(duì)其使用橫河WT333 功率計(jì)單獨(dú)測(cè)量每道工序的能耗，每道工序測(cè)量10 次，取平均值作為該道工序的能耗，再根據(jù)加工工藝分析，獲得單位零件的能耗。車間運(yùn)輸設(shè)備的能耗由工作手冊(cè)查詢得到。

車間中物料搬運(yùn)的運(yùn)輸能耗Etr為叉車和行車的能耗。叉車功率為38kW，平均搬運(yùn)時(shí)間為400s；行車的能耗由電能表測(cè)得，工作狀態(tài)時(shí)平均能耗為1.2kW。

車間中的輔助能耗Esup包括照明、通風(fēng)、取暖、現(xiàn)場(chǎng)辦公等間接能耗，該部分能耗比較穩(wěn)定，由電能表進(jìn)行測(cè)量。

4 輪轂生產(chǎn)板料成形車間能效分析

圖3 是輪轂生產(chǎn)中典型工序沖氣門孔的功率曲線圖。從圖中可知，該工序的能耗變化階段可以分為啟動(dòng)、加工、空轉(zhuǎn)3 個(gè)狀態(tài)，加工過(guò)程包括快下、慢下、壓制、慢回、快回5 個(gè)階段。在加工過(guò)程中，進(jìn)行換模調(diào)整或其他原因造成生產(chǎn)暫停時(shí)，需要對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行關(guān)機(jī)和開(kāi)機(jī)操作，該部分產(chǎn)生的啟動(dòng)能耗不計(jì)入單位零件能耗之內(nèi)，而是作為車間能耗的組成部分。當(dāng)機(jī)床處于上下料或等待階段時(shí)，不進(jìn)行任何動(dòng)作，此時(shí)為空轉(zhuǎn)能耗。生產(chǎn)線中主要設(shè)備的啟動(dòng)能耗和空轉(zhuǎn)能耗如表2 所示。從中可以看出，沖壓成形設(shè)備（沖壓機(jī)M1、M2和M3）的啟動(dòng)能耗和空轉(zhuǎn)能耗遠(yuǎn)大于數(shù)控機(jī)床（M4）和焊接設(shè)備（M5）的，所以需要對(duì)沖壓設(shè)備的能耗做進(jìn)一步分析。生產(chǎn)線中，三臺(tái)典型沖壓設(shè)備的加工能耗如表3 所示。

圖3 輪轂生產(chǎn)中沖氣門孔的功率

表2 輪轂生產(chǎn)線主要設(shè)備的啟動(dòng)能耗和空轉(zhuǎn)能耗

表3 輪轂生產(chǎn)線三臺(tái)主要沖壓設(shè)備的加工能耗

圖4 是單位零件各工序能耗占比，從圖中可以看出，三合一滾型、下料、切邊和拉伸是輪轂生產(chǎn)中最主要的能耗環(huán)節(jié)。同時(shí)，閃光對(duì)焊等焊接工序產(chǎn)生的能耗也不能忽略。因此，有效開(kāi)展焊接工序和沖壓工序的協(xié)同優(yōu)化，具有較大的節(jié)能潛力。

圖4 輪轂生產(chǎn)車間單位零件各工序能耗

圖5 是輪轂生產(chǎn)車間單月每個(gè)生產(chǎn)日的能耗分布，從圖中可以看出，車間總能耗與主要加工工序能耗之和具有很強(qiáng)的類似性，運(yùn)輸能耗和輔助能耗基本保持不變。根據(jù)車間現(xiàn)場(chǎng)分析可知，每日生產(chǎn)總量的變化主要是由于沖壓設(shè)備的調(diào)整和維護(hù)所造成的停機(jī)產(chǎn)生的。

圖5 生產(chǎn)車間單月日能耗分布

對(duì)圖5 中各項(xiàng)目能耗單日產(chǎn)量進(jìn)行一元線性回歸分析，可以得出總能耗和產(chǎn)量的回歸系數(shù)為0.92，輔助能耗的回歸系數(shù)是0.85，運(yùn)輸能耗的回歸系數(shù)是0.72。這說(shuō)明產(chǎn)量對(duì)總能耗的影響最直接，對(duì)輔助能耗的影響次之，對(duì)運(yùn)輸能耗的影響最小。

從以上結(jié)果可以看出，輪轂生產(chǎn)車間的能耗主要是由沖壓設(shè)備產(chǎn)生的，沖壓模具或設(shè)備的故障會(huì)導(dǎo)致輔助能耗增加，還會(huì)降低產(chǎn)能，所以應(yīng)對(duì)沖壓設(shè)備的能耗進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，采取合適的算法，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化控制。

5 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)輪轂生產(chǎn)板料成形車間生產(chǎn)特點(diǎn)與能耗特點(diǎn)的分析研究，建立了輪轂生產(chǎn)板料成形車間的能耗模型，同時(shí)結(jié)合車間的實(shí)際生產(chǎn)狀況，進(jìn)一步構(gòu)建了輪轂生產(chǎn)板料成形車間能效評(píng)價(jià)體系，通過(guò)實(shí)測(cè)得到了車間內(nèi)主要設(shè)備的能耗規(guī)律，分析了不同層級(jí)的能耗特點(diǎn)，為后續(xù)輪轂生產(chǎn)板料成形車間能耗優(yōu)化研究提供參考。