本发明属于先进制造与自动化
技术领域：
：，具体涉及一种基于隐含碳能的机床装备产品碳排放量化方法。
背景技术：
：：：进入21世纪以来，随着人类经济的迅猛发展发展，能源消耗量逐年增加，随之而来的环境问题愈加突出。具有全球性的环境问题——温室气体造成的温室效应，已经严重制约了人类生存与社会发展。同时，我国制造业呈现出“高投入、高能耗、高污染、低效益”的“三高一低”的特点，已经严重制约我国成为世界制造强国的战略部署。机床装备制造业作为制造业的典型代表，在经济建设中的作用巨大。2015年统计公报显示，装备制造业占生产总值增长的6.8％，占规模以上工业增加值比重的31.8％。可见，机床装备行业必将导致大量CO2的排放，有效的碳排放量化方法对机床装备产品优化设计中的碳排放评估和控制提供数据支持。因此以机床装备产品生命周期角度出发的主要生命周期碳排放量化的理论和方法正成为亟待突破的研究领域。当前产品碳排放方法侧重于整个系统的碳排放建模、分析和计算，没有关注以产品自身为研究重点的碳排放分析，造成了后续低碳优化改进以产品为对象与目前的碳排放量化方法边界不统一的情况；碳排放具有多源性、动态性，伴随着物料流、能量流的紧密耦合，难以在整个系统边界内对碳排放进行定量化计算。因此，需要进一步根据机床装备产品的碳排放特点，重新划定碳排放边界，得到碳排放量的定量计算模型和方法。技术实现要素：：为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于隐含碳能的机床装备产品碳排放量化方法，该方法通过以机床装备产品为碳排放计算的主体对象，在生命周期的主要阶段内，根据能量流和物料流的特点，提供机床装备产品生命周期内主要阶段的碳排放量化模型和计算方法，为解决低碳设计改进问题奠定理论和方法基础。为了达到上述目的，本发明采取如下的技术方案实现：一种基于隐含碳能的机床装备产品碳排放量化方法，包括以下步骤：1)依据机床装备产品能量流、物料流特性，对机床装备产品的生命周期的碳排放源进行分类，对产品各个不同阶段的物料流和能量流的动态特性进行分析，给出机床装备产品制造系统的物料流和能量流叠加原理；2)根据步骤1)的物料流和能量流叠加原理，给出机床装备产品主要生命周期阶段的碳排放边界模型，并依据碳排放边界模型，给出基于隐含碳能的机床装备产品的碳排放计算方法原理；3)根据步骤2)的碳排放计算方法原理，分别给出机床装备产品的主要生命周期阶段的隐含碳能量化方法，得到对应阶段基于隐含碳能模型的具体碳排放计算公式。本发明进一步的改进在于，步骤1)中，机床装备产品的生命周期碳排放源具体包括：按照能源碳和物料碳的分类，能源碳包括能源非燃烧使用产生的碳排放，具体到机床装备产品当中为电能消耗产生的碳排放；物料碳包括原材料获取过程产生的碳排放及辅助材料因使用产生消耗部分的碳排放，具体到机床装备产品中为刀具损耗和切削液损耗部分产生的碳排放。本发明进一步的改进在于，步骤1)中，物料流和能量流的动态特性进行分析为：机床装备产品在其生命周期当中，伴随着物料流和能量流的运行，对物料流来说，物质是能量的载体，在机床装备产品当中表现为物料的变化；对能量流来说，能量是用以衡量所有物质运动规模的统一的客观尺度，能量在机床装备产品当中的动态变化产生了能耗，由于产品各个阶段的不同活动内容，造成物料和能量的输入和输出。本发明进一步的改进在于，步骤1)中，机床装备产品制造系统的物料流和能量流的叠加原理为：在物料和能量的共同作用下，机床装备制造产品因为各种阶段的活动造成了碳排放，其碳排放量通过碳足迹的方法进行折算，将机床装备产品各阶段物料和能量的变化分别进行量化，映射为机床装备产品各阶段碳排放一部分，然后对各阶段的物料和能量产生的碳排放进行累积叠加，得到机床装备产品最终的碳排放输出。本发明进一步的改进在于，步骤2)中，主要生命周期阶段具体包括：机床装备产品的材料获取阶段、制造阶段和使用阶段。本发明进一步的改进在于，步骤2)中，碳排放边界模型具体内容为：在机床装备产品碳排放叠加原理基础上，物料、能量为输入，碳排放为输出，构建机床装备产品自身为边界的碳流系统边界模型，该碳流系统边界模型中，能量、物料始终贯穿在机床装备产品的生命周期当中，在各阶段进行过程当中，碳排放是伴随着各阶段的活动累积产生的。本发明进一步的改进在于，步骤2)中，基于隐含碳能的机床装备产品的碳排放计算方法原理具体为：为了对碳流动态叠加特性进行描述，提出隐含碳能的概念，其定义为：度量产品生命周期阶段一系列活动过程链中的碳足迹增量，即隐含碳能表示为原材料的初始隐含碳能与所有隐含碳能活动的变化量之和；隐含碳能反映了物料和能量作用于产品自身产生碳排放的综合作用结果，按照生命周期阶段活动的特点，将造成碳排放变化的诱因分为活动能量活动和辅助能量活动；按照隐含碳能的定义，其表达式如下：其中，Ecarbon表示最终的隐含碳能，EI_carbon为初始隐含碳能，为产品生命周期各阶段活动过程链中的隐含碳能增量，如(2)式：ΔEj＝Ej,act+Ej,aux(2)其中，ΔEj表示第j个活动的隐含碳能增量，Ej,act表示第j个活动的活动能量隐含碳能，同理，Ej,aux表示第j个活动的辅助能量隐含碳能。本发明进一步的改进在于，步骤3)中，基于隐含碳能计算原理的机床装备产品主要生命周期阶段的具体碳排放计算公式如下：301)原材料获取阶段的机床装备产品碳排放量化方法根据机床装备产品物料清单数据中的零部件的质量、材料属性用来计算隐含碳能，每种零部件的碳排放只与最终使用的材料用量有关，结合零部件尺寸，采用碳排放因子法进行计算；依据隐含碳能的叠加原理，产品的初始隐含碳能是所有部件物料消耗隐含碳能之和，而每个部件的隐含碳能又是其组成零件材料的隐含碳能的累积，进而得到原材料获取阶段的产品最终隐含碳能，有如下计算公式：其中，EI_carbon为原材料获取阶段的最终隐含碳能，也是产品整个生命周期的初始隐含碳能；Ema_Pm表示第Pm个组件的隐含碳能；MiCi表示Pm组件内第i种材料的碳排放，其中Mi表示组件Pm内第i种材料的质量，Ci表示组件Pm内第i种材料的碳排放因子；302)制造阶段的机床装备产品碳排放量化方法根据产品结构信息，分析不同工艺碳排放，采用碳足迹计算方法，计算每一个工艺过程下的隐含碳能，得到制造阶段碳排放计算流程，隐含碳能增量是各个工艺活动在加工制造阶段产生隐含碳能的累积，有如下计算公式：其中，EF_carbon_pro为制造阶段的最终隐含碳能；Epro_Pm表示第Pm个组件的隐含碳能，若该组件需要k道工艺加工，则Eprocessk表示第k个工艺的隐含碳能；Eact_processk表示第k个工艺的活动能量隐含碳能；Eaux_processk表示第k个工艺的辅助能量隐含碳能；303)使用阶段的机床装备产品碳排放量化方法以使用阶段的物料和能量活动为输入，使用阶段各功能过程为主线，造成活动能量隐含碳能和辅助能量隐含碳能增加，根据产品或零部件功能分解，采用碳足迹计算方法，得到使用阶段碳排放值；使用阶段隐含碳能增量是各个功能活动在加工制造阶段产生隐含碳能的累积，每个功能活动都包括活动能量隐含碳能和辅助能量隐含碳能，或者使用阶段共同累计的辅助能量隐含碳能，因此有如下的计算公式：其中，EF_carbon_use为使用阶段的最终隐含碳能；Eusez表示第z个功能的隐含碳能；Eact_usez表示第z个功能的活动能量隐含碳能；Eaux_usez表示第z个功能的辅助能量隐含碳能。本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明提供了一种基于隐含碳能的机床装备产品碳排放量化方法，通过分析机床装备产品主要生命周期阶段的物料流和能量流特点，依据叠加原理，构建机床装备产品的碳流系统边界模型，提出基于隐含碳能的碳排放量化模型，得到各阶段的碳排放量化方法及其计算公式。此外，本发明还具有以下优点：(1)采用以产品自身为碳排放边界的“隐含碳能”的碳排放量化方法，为低碳设计提供数据支持。最终的碳排放结果为与机床装备产品自身有关的碳排放，更加贴近实际低碳优化改进的目标对象要求，保证了碳排放边界和计算结果的实用性和一致性；(2)将机床装备产品边界内原材料获取阶段的实际使用的原材料、制造阶段的加工过程和使用阶段的功能实现过程分别进行活动拆解，看作隐含碳能的累积，以碳足迹为度量标准，通过初始隐含碳能与各种活动能量隐含碳能增量之和定量计算产品碳排放，避免了直接分析整个制造系统内碳排放的复杂性，其碳排放计算过程统一，适用性强。(3)实现了机床装备产品主要生命周期阶段碳排放的评估和预测，提高了整个机床装备产品生命周期内的绿色化程度，为实现整个机床装备制造业的碳排放量化和节能减排提供了借鉴，所以本发明提出的量化方法是一套扩展性强的系统化过程。附图说明：图1是本发明中机床装备产品碳排放源分类。图2是本发明中机床装备产品制造系统的物料流和能量流叠加原理示意图。图3是本发明中机床装备产品碳流系统边界模型示意图。图4是本发明中原材料获取阶段隐含碳能计算模型示意图。图5是本发明中制造阶段隐含碳能计算模型示意图。图6是本发明中使用阶段隐含碳能计算模型示意图。图7是本发明中为珩磨机及珩磨头结构示意图。具体实施方式：以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。4.1机床装备产品物料流和能量流分析4.1.1碳排放源分析参照图1，对碳排放进行量化首先需要对机床装备产品在生命周期中的碳排放源进行划定和分类，分为能源碳和物料碳，能源碳具体到机床装备产品当中为电能消耗产生的碳排放；物料碳包括机床装备产品各零件材料在原材料获取过程中产生的碳排放及机床装备产品的刀具损耗和切削液损耗部分等产生的碳排放。4.1.2物料流和能量流确定进一步地，对机床装备产品的物料流和能量流进行分析，对物料流，表现为物料的变化。在原材料获取阶段为零部件初始的原料；在制造阶段为加工过程的毛坯输入、损耗，同时辅助物料的消耗，如切削液、润滑液等；在使用阶段，表现为使用过程中加工工件、辅助材料、废弃物料等的流动。对能量流，能量在机床装备产品中的动态变化产生了能耗。把直接输入机床装备产品/零部件的能量称为直接能量，间接输入产品/零部件的称为间接能量。4.1.3物料流和能量流的叠加原理参照图2，机床装备产品碳排放的叠加原理是在在物料和能量的共同作用下，机床装备制造产品在原材料获取阶段、制造加工阶段、使用阶段等阶段中，产生的碳排放分别为原材料或毛坯获取产生的碳排放、各零部件工艺过程中产生的碳排放和电能和辅助物料损耗产生的碳排放。通过生命周期阶段中各阶段累积的物料和能耗的叠加，最终表现为整个机床装备产品叠加的碳排放，因此可以通过量化各阶段物料和能量产生的碳排放，对其进行加和，即可得到机床装备产品的碳排放总量。4.2机床装备产品碳排放量化模型4.2.1碳排放边界模型确定参照附图3，基于碳排放边界模型确定机床装备产品的边界。在叠加原理的基础上，以原材料获取过程、制造过程和使用过程为主要生命周期阶段，将外界对机床装备产品传输的物料、能量作为系统输入，将机床装备产品产生的碳排放作为输出，建立机床装备产品的碳排放边界模型。各阶段的活动都伴随着碳排放的产生，这些活动包括材料获取活动、制造加工活动和功能实现活动。任何活动产生的碳排放都是能量或物料作用的结果，这种累积效用可以用隐含碳能的动态变化(增加)来表示。4.2.2基于隐含碳能的计算按照生命周期阶段活动的特点，将造成碳排放变的活动分为活动能量和辅助能量，因此隐含碳能分为活动能量隐含碳能与辅助能量隐含碳能。为了计算隐含碳能，对产品生命周期主要阶段的活动能量隐含碳能与辅助能量隐含碳能进行定义。在原材料获取阶段，计算得到初始隐含碳能；对于制造阶段，其活动能量隐含碳能指该制造加工对象在工艺过程活动中所消耗能量产生的碳排放。对于制造系统来说，这里的能耗通常指电能消耗。辅助能量隐含碳能指维持某工艺过程活动执行且密切相关物料和能量消耗产生的碳排放，例如润滑、冷却系统等，但不包含支持该机床辅助功能的能量消耗碳排放(由产品碳流系统边界模型可知)。按照隐含碳能的定义，其表达式如下：其中，Ecarbon表示最终的隐含碳能，EI_carbon为初始隐含碳能，为产品生命周期各阶段活动过程链中的隐含碳能增量，如(7)式。ΔEj＝Ej,act+Ej,aux(2)其中，ΔEj表示第j个活动的隐含碳能增量，Ej,act表示第j个活动的活动能量隐含碳能，同理，Ej,aux表示第j个活动的辅助能量隐含碳能。4.3机床装备产品主要生命周期阶段基于隐含碳能的量化方法对机床装备产品的主要生命周期阶段的隐含碳能进行计算，即材料获取阶段、制造阶段和使用阶段。4.3.1原材料获取阶段的机床碳排放量化(1)依据BOM信息，获取机床装备产品各零件、组件的质量、材料、数量等信息，如表1所示。表1机床装备产品原材料获取阶段信息(2)结合每个零件的几何尺寸及材料属性，依据原材料获取阶段的隐含碳能叠加原理(参照附图4)，先计算各零件的隐含碳能，再对组成某组件的各零件的隐含碳能进行加和，得到该组件的隐含碳能。依据此原理，直到得到机床装备产品的最终隐含碳能。有如下计算公式：其中，EI_carbon为原材料获取阶段的最终隐含碳能；Ema_Pm表示第Pm个组件的隐含碳能；MiCi表示Pm组件内第i种材料的碳排放,其中Mi表示组件Pm内第i种材料的质量，Ci表示组件Pm内第i种材料的碳排放因子。4.3.2制造阶段的机床碳排放量化参照附图5，首先确定影响产品制造阶段碳排放的物料、能量，然后以制造阶段的物料和能量活动为输入，制造阶段各工艺过程为主线，分析不同工艺过程下的碳排放量，最后对零部件的各工艺过程产生的隐含碳能进行加和，得到该零件的隐含碳能。依据此原理，直到得到机床装备产品的最终隐含碳能。有如下计算公式：其中，EF_carbon_pro为制造阶段的最终隐含碳能；Epro_Pm表示第Pm个组件的隐含碳能，若该组件需要k道工艺加工，则Eprocessk表示第k个工艺的隐含碳能；Eact_processk表示第k个工艺的活动能量隐含碳能；Eaux_processk表示第k个工艺的辅助能量隐含碳能。(1)活动能量隐含碳能量化基于机床装备产品的碳排放边界模型，活动能量隐含碳能指加工零部件所需的最小电能产生的碳排放，所消耗的电能与所用机床设备密切相关，与其在加工过程中的功率损耗有很大关系。对质量减少类工艺：制造阶段只与正常加工该机床装备产品某零件的电能消耗有关，将换刀、空切、空转、数控系统、照明设备等电能消耗产生的碳排放不归入该机床装备产品某零件的活动能量隐含碳能当中；同理，在质量不变工艺中，例如铸造，活动能量隐含碳能只与熔化该零件材料所需的最小能量有关，而与铸造工艺其他设备消耗的电能无关。对制造减少工艺：计算某零件制造过程的活动能量隐含碳能，首先根据特定的零件分析其组成几何特征，其次根据每一特征在特定机床上的加工情况，确定所消耗的电能，最后将所有几何特消耗的电能的碳排放累积相加，就得到了该零件活动能量隐含碳能。就某一机床而言，完成零部件加工的电能消耗并不是随时间恒定不变，但影响制造阶段的活动能量隐含碳能主要是对零件进行实质加工的稳定运行能耗部分，因此与材料去除过程有关。电能消耗产生的碳排放可用下式计算：其中，Pcutting为切削功率，Fc为切削力，vc为切削速度；Eact_processk为材料去除的活动能量隐含碳能，tcutting为加工时间，EFelec为电能的碳排放因子。特别地，机床装备产品中大量零件需要铸造工艺完成，尤其对于床身、箱体此类零部件。其活动能量隐含碳能的计算式不同于上述计算方法，完成铸造这一活动所需隐含碳能是熔化一定质量金属所需要的能量，这些能量来源于电能转化为热能，量化方法如下：其中，Eact_cast为铸造工艺的累积的活动能量隐含碳能，Qact_cast为铸造所需的能量；mcast为熔化金属的质量，Ccast为该金属的比热容，Tm为熔化温度，T为熔化前温度，Lcast为熔化潜热。此处估算了熔化所需的最小能量带来的碳排放，与其他加工处理过程的耗电量没有直接关系。综上，通过计算制造阶段与材料去除过程或熔化过程有关的电能消耗产生的碳排放，可以得到机床装备产品所有零部件仅与自身为边界的活动能量隐含碳能。(2)辅助能量隐含碳能量化基于机床装备产品的碳排放边界模型，制造阶段的辅助能量隐含碳能是与加工某零件密切相关的辅助物料消耗，计算方法与机床装备产品原材料获取阶段的方法类似。不同的是，辅助能量隐含碳能只与加工该零件过程中的损耗量有关。●刀具损耗刀具损耗产生的隐含碳能只与加工该零件过程损耗量有关，而与刀具的原材料获取碳排放无关，因此刀具生产隐含碳能计算采用其寿命周期内按时间折算到加工过程的分配方法，计算公式如下：其中，Ctools表示刀具的碳排放因子，mtools表示刀具质量，ttools表示刀具在稳定加工机床装备产品某零部件时所用的时间，Ttools表示刀具总寿命。●切削液损耗切削液产生的隐含碳能只加工机床装备产品某零部件时的用量有关，对切削液产生隐含碳能计算如下：Eaux_fluid＝VfluidCfluid(9)其中，Vfluid表示加工该零部件时平均消耗的切削液体积，Cfluid表示切削液碳排放因子。Vfluid可以用下式计算。Vfluid＝ηStfluid(10)其中，η表示切削液浓度，S表示供给切削液的泵流量，tfluid为在该某零件加工过程中切削液开启时间。综上，通过计算制造阶段每个零件不同工艺下的碳排放，可以得到机床装备产品所有零部件仅与自身为边界有关的辅助能量隐含碳能。4.3.3使用阶段的机床碳排放量化参照附图6，机床装备产品使用阶段的碳排放量化首先需要进行功能分析，对机床装备产品各项功能为活动进行隐含碳能的计算。以使用阶段的物料和能量活动为输入，使用阶段各功能过程为主线，造成活动能量隐含碳能和辅助能量隐含碳能增加。根据产品或零部件功能分解，采用碳足迹计算方法，得到使用阶段碳排放值。每个功能活动都包括活动能量隐含碳能和辅助能量隐含碳能，或者使用阶段共同累计的辅助能量隐含碳能。有如下的计算公式：其中，EF_carbon_use为使用阶段的最终隐含碳能。Eusez表示第z个功能的隐含碳能；Eact_usez表示第z个功能的活动能量隐含碳能；Eaux_usez表示第z个功能的辅助能量隐含碳能。根据一般机床装备产品普遍结构和加工特点，将机床装备产品功能分为五大类：主轴回转功能、往复功能、进给功能、工作台移动功能及其他辅助功能。在正常加工某工件时，机床装备产品加工状态是这五种功能共同作用的结果，因此，使用阶段的隐含碳能量化需要计算机床装备产品在不同加工状态下的碳排放。其中活动能量隐含碳能分别为实现前四个功能所需的能耗，辅助能量隐含碳能为第五种功能和各种辅助物料消耗综合作用结果，包括刀具、切削液等，其计算方法与制造阶段的辅助能量隐含碳能的计算方法相同。因此，下面只对前四项功能的活动能量隐含碳能及第五个功能的辅助能量隐含碳能进行计算说明。需要说明的是，动力源方式的选择及机床布置形式对碳排放有着不同程度的影响，下述功能实现的碳排放计算仅为通用方案的量化过程。(1)主轴回转功能隐含碳能通过动力源带动主轴完成工件的主切削功能，所累积的活动能量隐含碳能为在加工时间段对工件的圆周切削产生的碳排放。主轴旋转是完成零件几何特征的主运动之一，占据了大部分的加工时间，消耗大量电能，它包括实际切削旋转和空转两种情况。其中，动力源为主轴电机，经历了主轴空转加速、平稳空转、材料去除直到主轴空转减速的过程。分别根据主轴空转加速、平稳及减速运行过程的功率、时间和电能的碳排放因子得到空转造成的碳排放；同时，对材料去除过程的碳排放，是由主轴电机的稳定运行功率造成的，可认为稳定加工时的转速为定值，有如下计算公式：Eact_spindle＝Fr·Vr·tr·EFelec(11)其中，Eact_spindle为主轴实际切削旋转的累积活动能量隐含碳能，Fr为圆周切削力，Vr为圆周速度，tr为旋转切削时间。Fr、Vr和tr需要根据具体机床类型和待加工零件决定。(2)往复功能隐含碳能动力源带动机床某组件完对工件的往复切削功能，所累积的活动能量隐含碳能为在加工时间段对工件往复切削产生的碳排放。机床装备产品的往复运动是完成工件轴向切削的功能，是主运动之二，与主轴回转功能形成切削运动。对往复运动有如下计算公式：Eact_reci＝Fa·Va·ta·EFelec(12)其中，Eact_reci为往复运动累积活动能量隐含碳能，Fa为轴向切削力，Va为往复速度，ta为复运动时间。Fa、Va和ta需要根据具体机床类型和待加工零件决定。(3)进给功能隐含碳能动力源带动机床装备产品组件完成对工件表面施加径向压力的功能，所累积的活动能量隐含碳能为在加工时间段对工件的径向压力产生的碳排放。机床装备产品的进给运动是在旋转和往复主运动进行过程当中，通过对工件施加一定的进给压力，实现有效切削。有如下计算公式：Eact_feed＝Ff·Vf·tf·EFelec(13)其中，Eact_feed为进给运动累积活动能量隐含碳能，Ff为动力源传递到工件的进给压力，Vf为动力源运行速度，tf为进给压力的施加时间。Ff、Vf和tf需要根据具体机床类型和待加工零件决定。(4)工作台移动功能隐含碳能通过动力源带动工作台移动的功能，所累积的活动能量隐含碳能为在移动时间段工作台移动消耗电能产生的碳排放。假设运动方案为动力源带动滚珠丝杆螺母副使工作台沿某一方向运动，到达预设的加工位置，通过确定动力源功率和时间，得到工作台移动产生的碳排放，有如下计算公式：其中，Eact_table为工作台移动累积的活动能量隐含碳能，Pw为驱动工作台的动力源功率，tw为运转时间；对Pw，Tscrew是动力源传递给丝杠副的丝杠扭矩，n为电机转速；对Tscrew，Fw为工作台上承受的轴向载荷，l为丝杠导程，η为丝杠正效率。(5)其他辅助功能隐含碳能通过其他形式的电能消耗完成机床装备产品非加工功能的实现，所累积的辅助能量隐含碳能包括冷却、润滑供给，数控系统，显示，照明，散热，排屑，换刀等在机床装备使用过程中产生的隐含碳能之和。4.4案例验证以某型号龙门式数控珩磨机作为验证对象，由于珩磨机零部件众多，选取珩磨头组件，进行原材料获取阶段碳排放量化的验证；选取珩磨头组件中的磨头体为例，进行制造阶段碳排放量化的验证；选取数控珩磨机有关于珩磨头组件的主轴回转功能和往复功能进行使用阶段碳排放的量化。上述以珩磨头组件为例对龙门式数控珩磨机主要生命周期阶段进行说明，将完整的解释本文所提出的基于隐含碳能的机床装备产品碳排放量化过程，并验证其可行性。图7所示为验证对象的结构示意图，从左到右依次为数控龙门式珩磨机，珩磨头组件及磨头体零件。4.4.1珩磨头组件分析图示珩磨头组件为龙门式数控珩磨机其中一个组件，完成待加工件的磨削过程。珩磨头组件包括若干个零件，磨头体为其中一个零件。表2为珩磨头组件主要零件信息。表2珩磨头组件主要零件信息4.4.2碳排放量化过程第一步：珩磨头组件的碳排放源分析：分为物料碳和能源碳。其中物料碳包括珩磨头组件各零件在原材料获取时产生的碳排放、加工过程的刀具损耗、切削液损耗、油石损耗产生的碳排放等；能源碳为零部件制造和珩磨头组件使用过程消耗的电能产生的碳排放。第二步：珩磨头组件的物料流和能量流：对物料流，在原材料获取阶段为珩磨头各零件初始原料流动；在制造阶段为加工过程的磨头体毛坯输入、损耗，同时辅助切削液、油石流动等；在使用阶段，表现为珩磨头使用过程中加工工件、辅助材料、废弃物料等的流动。对能量流，在制造阶段为加工套筒各工艺实现过程的电能变化，在使用阶段为珩磨头实现回转功能和往复功能消耗的电能的变化。第三步：珩磨头组件的物料流和能量流的叠加：基于步骤二中的物料流和能量流可知，通过对珩磨头组件在主要生命周期阶段累积的物料和能量中产生的碳排放的叠加，最终得到龙门式数控珩磨机的碳排放总量。第四步：珩磨头组件的碳排放边界：以龙门式数控珩磨机原材料获取过程、制造过程和使用过程为主要生命周期阶段，将外界对龙门式数控珩磨机传输的物料、能量作为系统输入，将龙门式数控珩磨机产生的碳排放作为输出，建立龙门式数控珩磨机的碳排放边界模型。第五步：基于隐含碳能的计算过程：基于步骤四建立的碳排放边界模型，对珩磨机的主要生命周期阶段的碳排放进行计算。1)原材料获取阶段碳排放量化根据表2中各零件的质量及不同材料对应的碳排放因子，得到珩磨头组件主要零件的初始隐含碳能，如表3所示。表3珩磨头组件各零件初始隐含碳能再根据叠加原理，可得到珩磨头组件在原材料获取阶段的主要零部件的初始隐含碳，有如下计算公式：2)制造阶段碳排放量化珩磨头组件中磨头体零件在制造阶段中包括车削和镗削两个主要的工艺过程。因此隐含碳能为分别实现车削和铣削两个工艺过程产生的隐含碳能之和。以车削过程为例进行说明。车削工艺属于质量减少工艺，切削工艺的运行累积时间为90min，稳定切削功率为10kw，电能的碳排放因子为0.974kgCO2/kWh，则车削工艺的活动隐含碳能计算如下：车削过程辅助能量隐含碳能为刀具损耗和切削液损耗。●刀具损耗假设刀具总寿命为350分钟，刀具体积为4×104mm3，则刀具在车削加工中的平均损耗量为：刀具密度为7.85×10-6kg/mm3，刀具材料碳排放因子为5.927kgCO2/mm3，因此，由刀具损耗产生的辅助能量隐含碳能计算如下：Eaux_tool1＝v·ρ·Cmaterial＝1.03×104×7.85×10-6×5.927＝0.48kgCO2●切削液损耗采用基于水基浓度为4％的切削液，泵流量为2.5×103mm3/s，切削液开启时间为5400s，则切削液损耗为：Vcoolant＝η·S·ti_waste＝4％×2.5×103×5400＝5.4×105mm3切削液碳排放因子为3.782×10-6kgCO2/mm3，则切削液损耗造成的辅助能量隐含碳能为：Eaux_coolant1＝Vcoolant·Ccoolant＝5.4×105×3.782×10-6＝2.04kgCO2因此，车削工艺的总的隐含碳能计算如下：Eprocess1＝Eact_process1+Eaux_process1＝14.61+(0.48+2.04)＝17.13kgCO2同理，对镗削工艺的隐含碳能进行计算，其隐含碳能为Eprocess2＝25.73kgCO2。因此，制造阶段磨头体最终的隐含碳能为：3)使用阶段碳排放量化数控龙门式珩磨机加工一套筒零件内圆表面，零件尺寸为Φ630×2000(内径×工件长度mm)，珩磨时间为30min，珩磨头组件旋转速度为0.72m/s，圆周磨削力为698.53N，稳定加工时的往复速度为0.3m/s，往复磨削力为263.14N，电能的碳排放因子为0.974kgCO2/kWh。首先对珩磨机的珩磨头组件进行功能分析。珩磨头组件通过旋转功能和往复功能完成工件的磨削。通过计算旋转功能和往复功能的隐含碳能，得到在使用阶段两个功能累计的隐含碳能。●旋转功能通过珩磨头组件旋转功能，实现工件圆周方向磨削，活动能量隐含碳能为旋转功能实现过程消耗电能产生的碳排放，有如下计算公式：●往复功能通过珩磨头组件往复功能，实现工件往复磨削，活动能量隐含碳能为往复功能实现过程消耗电能产生的碳排放，有如下计算公式：辅助隐含碳能是旋转功能和往复功能下共同造成油石损耗产生的碳排放，油石的碳排放因子为2.3kgCO2/kg，油石寿命为240min，油石数量为12个，有如下计算公式：Eaux_oil＝moilstones·Coilstones＝0.09×2.3＝0.207kgCO2因此，使用阶段珩磨头组件的总的隐含碳能计算如下：当前第1页1 2 3 当前第1页1 2 3