郭利,韓剛,龔燈,張斌
(1.安徽國防科技職業(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、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、軍用裝備等多個領(lǐng)域。但由于離散制造系統(tǒng)的固有缺點(diǎn)和由此帶來的生產(chǎn)管理問題,板料成形加工過程中存在大量的能源浪費(fèi)。
近年來,國內(nèi)外對以成形機(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)行問題研究正在迅速興起,學(xué)者們對沖壓生產(chǎn)過程中的能量特性、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題[1];為了實(shí)現(xiàn)對機(jī)床能耗的有效監(jiān)控,并建立數(shù)學(xué)模型,Zhou et al.對各種機(jī)床的能耗進(jìn)行分類研究,建立基于材料去除率、面向過程和詳細(xì)參數(shù)型三種機(jī)床能耗模型,用來定性評價機(jī)床的能耗[2];顧文斌等則開發(fā)了一種嵌入式的數(shù)控機(jī)床能耗檢測系統(tǒng),實(shí)時監(jiān)控單臺機(jī)床加工過程中的能耗[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)計了一種帕累托優(yōu)化方法來預(yù)測機(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]。
而針對成形機(jī)床能量利用率低的問題,國內(nèi)外學(xué)者采用了各種方法對機(jī)床系統(tǒng)的能耗進(jìn)行監(jiān)測和管控,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)器故障等因素對車間能耗的影響[5];王慶陽等則針對驅(qū)動單元輸出功率和輸入功率不匹配的問題,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剑捎么砟J巾憫?yīng)單臺機(jī)器的能量需求的模式來匹配單臺機(jī)器的能耗需求[7];對機(jī)械制造車間中常見的加工工況復(fù)雜的情況,李進(jìn)宇等人采用遞歸分析的方法,對機(jī)床的輸入功率進(jìn)行分析,識別加工狀態(tài),得到工件的加工能耗,識別準(zhǔn)確率可達(dá)到98.3%[8];念志偉等則是通過功率信息和長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對大型工件加工能耗進(jìn)行識別,發(fā)現(xiàn)該方法可以有效識別加工的能耗,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)者是針對工件加工過程中的能耗采集方法、能耗匹配方法、能耗狀態(tài)識別進(jìn)行研究,較少針對生產(chǎn)過程能耗評價指標(biāo)的建立開展實(shí)驗(yàn)研究。為彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足,文章對某企業(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)型升級與持續(xù)健康發(fā)展。
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、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)時間較長、換模時間和運(yùn)輸時間不可忽略、輔助設(shè)備長時間運(yùn)行等,而這些都會造成沖壓生產(chǎn)過程中的能量浪費(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,都是開放性的復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng),要完成對車間能耗特點(diǎn)的分析,首先需要對車間邊界進(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,這個過程需要消耗能源。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,能量消耗來源多且為多層面分布,包括產(chǎn)品層、設(shè)備層、車間層三個層面能源消耗;第二,壓力機(jī)會經(jīng)歷啟動、空轉(zhuǎn)、快下、慢下、壓制、保壓、快回、慢回這幾個階段,每個階段的瞬時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)動態(tài)變化的特點(diǎn);第三,空轉(zhuǎn)能耗、運(yùn)輸能耗、啟動能耗不可忽略;第四,總體能耗與生產(chǎn)任務(wù)、生產(chǎn)方案密切相關(guān)。
根據(jù)上述對板料成形車間生產(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。
啟動能耗是由于壓力機(jī)啟動時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)在等待上下料時為了保持運(yùn)行狀態(tài)所消耗的能量,壓力機(jī)空轉(zhuǎn)時,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)完成對板料進(jìn)行加工的過程所消耗的能量,加工過程一般包括快下、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算公式,輪轂生產(chǎn)板料成形車間的能耗計算模型可表示為:
評價指標(biāo)體系的構(gòu)建是整個制造系統(tǒng)能耗水平綜合評價的關(guān)鍵,直接影響評價的客觀有效性。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象、生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境三個層級,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指標(biāo),每個一級指標(biāo)下設(shè)二級指標(biāo),構(gòu)建出輪轂生產(chǎn)板料成形車間能效評價體系,如表1 所示。
表1 輪轂生產(chǎn)板料成形車間能效評價體系
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)。其中對車間能效B3采用三相電能表通過RS485 總線進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表,每小時采集1次數(shù)據(jù),全天24h 實(shí)時監(jiān)測;對設(shè)備能效B2通過橫河WT333 三相功率計進(jìn)行監(jiān)測,每5min 采集一次數(shù)據(jù);產(chǎn)品能效B1的評價中,則主要是針對輪轂生產(chǎn)的具體工序,對其使用橫河WT333 功率計單獨(dú)測量每道工序的能耗,每道工序測量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)時間為400s;行車的能耗由電能表測得,工作狀態(tài)時平均能耗為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)行測量。
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、加工、空轉(zhuǎn)3 個狀態(tài),加工過程包括快下、慢下、壓制、慢回、快回5 個階段。在加工過程中,進(jìn)行換模調(diào)整或其他原因造成生產(chǎn)暫停時,需要對壓力機(jī)進(jìn)行關(guān)機(jī)和開機(jī)操作,該部分產(chǎn)生的啟動能耗不計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,不進(jìn)行任何動作,此時為空轉(zhuǎn)能耗。生產(chǎn)線中主要設(shè)備的啟動能耗和空轉(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,所以需要對沖壓設(shè)備的能耗做進(jìn)一步分析。生產(chǎn)線中,三臺典型沖壓設(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)備的啟動能耗和空轉(zhuǎn)能耗
表3 輪轂生產(chǎn)線三臺主要沖壓設(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,閃光對焊等焊接工序產(chǎn)生的能耗也不能忽略。因此,有效開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。這說明產(chǎn)量對總能耗的影響最直接,對輔助能耗的影響次之,對運(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)備的故障會導(dǎo)致輔助能耗增加,還會降低產(chǎn)能,所以應(yīng)對沖壓設(shè)備的能耗進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控,采取合適的算法,對其進(jìn)行優(yōu)化控制。
文章通過對輪轂生產(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價體系,通過實(shí)測得到了車間內(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。