，，

(浙江工業(yè)大學 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的低碳制造已成為全球研究熱點[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)實現(xiàn)節(jié)能減排目標的重要途徑.目前，國內(nèi)外相關機構與學者已經(jīng)開始對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)供應鏈的碳排放決策模型；麻省理工學院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性能評價模型；德國斯圖加特大學Dietmair等[5]對制造過程中的能量預測、評估和優(yōu)化進行研究；國內(nèi)重慶大學李玉霞等[6]基于碳流率分析了作業(yè)車間碳排放動態(tài)特性并建立了優(yōu)化調度模型；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)；浙江大學唐任仲等[8]建立了機械加工過程能量需求模型，并提出砂型鑄造過程碳排放計算方法.

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度或不同類型機床的碳排放評估，針對具有連續(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其進行碳排放評估，分析轎車變速箱制造過程的碳排放特性并建立相應的碳排放模型，通過對制造過程的工藝參數(shù)進行不斷改進，從而降低轎車變速箱制造過程的碳排放量，最終達到最佳環(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構[9]使其加工制造是一個復雜的工藝過程，以轎車無級變速箱(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變速箱，檢測合格后入庫保存.

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備，同時消耗大量能源和物料，并產(chǎn)生相應的廢棄物.因此，轎車變速箱制造過程碳排放具有過程復雜、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，使用多層次關聯(lián)分析理論[10](Hierarchical relevance analysis, HRA)梳理邊界內(nèi)碳排放要素，結合PAS2050[11]碳排放系數(shù)法(Emission-factor approach, EFA)計算碳源碳排放，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)輸入輸出的實質是能量流、物料流和廢棄物流的流動過程，同時帶動邊界內(nèi)碳的流動，由此可知，設備電能消耗、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、設備、物料和廢棄物種類較多，增加了碳排放計算難度.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)對碳源的描述對邊界內(nèi)的碳源作相關定義，同時對碳排放要素進行多層次關聯(lián)分析，從而保證計算過程的規(guī)范性以及計算結果的準確性.

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備在運行過程中由于空載和負載所導致的碳排放稱為設備碳排放(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).

使用多層次關聯(lián)分析理論將邊界內(nèi)碳排放要素進行歸類分成六層，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聯(lián)性可能不同，為表征其關聯(lián)程度需要建立相應的關聯(lián)矩陣.假設第k層(1≤k≤5)一共包括n個要素，第l層(1≤l≤5)一共包括m個要素，則第k層與第l層間要素的關聯(lián)矩陣為

(1)

式中r(i,j)為第k層第i個要素與第l層第j個要素之間的關聯(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，通過對碳排放要素進行多層次關聯(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地位，可首先建立影響因素與工藝環(huán)節(jié)的關聯(lián)矩陣，計算中下層基本碳源和基本單元的具體碳排放，進而逐層上升計算得到局部碳排放和總碳排放，從而保證計算過程的規(guī)范性以及計算結果的準確性.

2.2 轎車變速箱制造過程基本碳源建模

2.2.1 設備碳排放

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

t2(i,j)·P1i}·Ee

(2)

式中：t1(i,j)為第i種設備在第j個環(huán)節(jié)空載時間；t2(i,j)為第i種設備在第j個環(huán)節(jié)負載時間；P0i為第i種設備的空載功率；P1i為第i種設備的負載功率；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量存在密切關系，因此需要建立能源與轎車變速箱制造過程工藝環(huán)節(jié)的質量關系矩陣.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個環(huán)節(jié)中消耗的質量；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量存在密切關系，因此需要建立物料與轎車變速箱制造過程不同環(huán)節(jié)之間的質量關系矩陣.工藝環(huán)節(jié)中輔助物料消耗(刀料、砂料和切削液等)可采用時間標準折算的方法將其轉化為質量單位進行計算，具體公式為

(4)

式中：mij為第i種輔助物料在第j個環(huán)節(jié)中所消耗質量；Tij為第i種輔助物料在第j個環(huán)節(jié)中的使用時間；Ti為第i種輔助物料標準使用壽命；mi為第i種輔助物料質量.

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個環(huán)節(jié)中所消耗質量；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量存在密切關系，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)之間的質量關系矩陣.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個環(huán)節(jié)中產(chǎn)生第i種廢棄物的質量；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聯(lián)矩陣，轎車變速箱制造過程的局部碳排放計算式為

(7)

式中r(i,j)為第i個基本單元與第j種碳源之間的關聯(lián)函數(shù).由于轎車變速箱制造過程總碳排放包含多個局部碳排放，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變速箱為例進行實際計算，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間關系矩陣和質量關系矩陣.建立關系矩陣后可通過式(2，3，5，6)分別計算得到帶輪錐盤制造過程的設備碳排放、能源碳排放、物料碳排放和廢棄物碳排放結果，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變速箱各個總成制造過程的碳排放量化與上述過程相似，建立時間和質量關系矩陣并將其代入相應的公式中進行計算，結果如表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果代入式(8)中，可計算得到整個轎車CVT變速箱總碳排放量化結果為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中遺傳算法模塊對影響因素進行多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，在降低碳排放量的同時保證生產(chǎn)效率不會降低，并通過實例驗證優(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)

加工完成時間是生產(chǎn)效率的重要表征因素，其表達式為

(10)

式中ti為第i個工藝環(huán)節(jié)的完成時間.

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遺傳算法模塊進行求解，遺傳算法的4個運行參數(shù)需要事先設定，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)實際情況確定.

3.2 實例驗證

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，進給量f，切削深度ap)和熱處理功率P，因此將對這些因素進行多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化分析.目標函數(shù)化簡結果分別為

(12)

(13)

參數(shù)約束條件分別為

(14)

(15)

0.003≤api≤0.02

(16)

運用遺傳算法假設種群大小取40，迭代次數(shù)取100，交叉概率取0.7，變異概率取0.06，運行結果如圖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，可計算出碳排放優(yōu)化后的加工時間為255.21 s.

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

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

通過對優(yōu)化前后碳排放結果進行比較可知，優(yōu)化過程著重改善了切削速度、進給速度和熱處理設備功率，優(yōu)化后的總碳排放當量為58.341 kg，與之前相比降低了25.5%，其中設備、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，同時生產(chǎn)效率也得到了提高，優(yōu)化效果顯著，達到了預期優(yōu)化目標并有效驗證了多參數(shù)優(yōu)化模型的實用性.

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

4 結 論

基于產(chǎn)品碳足跡的概念，對轎車變速箱制造過程碳排放特性進行了分析，定義了碳排放系統(tǒng)邊界，將系統(tǒng)內(nèi)多種碳源進行歸類分析.針對轎車變速箱制造過程的碳排放特性，利用多層次關聯(lián)分析理論對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行分析.通過建立相應的關聯(lián)矩陣，可以將復雜問題簡單化，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，使計算過程更加規(guī)范合理，從而提高碳排放量化結果的準確性.同時結合碳排放系數(shù)法進行基本碳源建模，從而提出了制造過程碳排放的量化方法，根據(jù)量化方法計算得到了轎車變速箱制造過程碳排放量化結果.在此基礎上，使用遺傳算法對轎車變速箱制造過程影響因素進行多參數(shù)優(yōu)化，在降低碳排放量的同時保證生產(chǎn)效率不會降低，并對轎車變速箱進行實例優(yōu)化，優(yōu)化結果驗證了所提方法的有效性.

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