李頌華,魏 超

(沈陽建筑大學 機械工程學院,沈陽 110168)

隨著“十三五”時期國家綠色發(fā)展理念的提出,對傳統(tǒng)制造業(yè)進行綠色升級改造,擴大綠色產(chǎn)業(yè)在我國制造業(yè)所占比重越來越得到重視.“中國制造2025”也將綠色發(fā)展作為我國工業(yè)化發(fā)展的重要目標之一[1].建筑行業(yè)的快速進步將我國經(jīng)濟、社會發(fā)展帶向新的高度.與此同時,我國的生態(tài)建設卻面臨著嚴峻的考驗,同歐、美等工業(yè)發(fā)展速度較快的國家相比,我國建筑工業(yè)對于“綠色”這一理念提出相對較晚,在強調(diào)施工效率的同時往往忽略了能源過度使用的問題[2].現(xiàn)階段我國機械制造、建筑施工等行業(yè)對能效問題重視程度不夠,研究深度不夠,并沒有將建筑用施工機械能效問題具體化、規(guī)范化,特別是如何對能效問題進行評價的研究,在國內(nèi)仍然處于空白階段[3].

能效作為鋼筋調(diào)直切斷機重要的綠色性能指標之一,其評價方法的優(yōu)劣決定了整體設備的綠色性能評價結果.鋼筋調(diào)直切斷機應用于各類施工現(xiàn)場以及鋼筋預制品車間之中,鋼筋調(diào)直切斷機綠色性能指標及評價方法對于界定設備綠色性能、幫助企業(yè)設計生產(chǎn)、促進整個鋼筋加工設備行業(yè)向綠色化發(fā)展都有著積極而深遠的意義.隨著對建筑施工機械綠色性能指標評價方法研究的深入,能效指標因其自身包含的復雜因素以及各因素之間復雜的邏輯關系,在研究過程中并不能依賴簡單的定性分析或定量計算來評價其綠色性能指標.因此，對鋼筋調(diào)直切斷機能效指標的綠色性能評價方法的研究顯得尤為重要[4].

1 鋼筋調(diào)直切斷機作業(yè)特點及能效

能效通常指的是能源實際使用量和輸入量的比值,或用其比值的倒數(shù)來表示,能效評價是了解設備能耗水平的基礎,是能耗量標定的前提,是能耗優(yōu)化運行的關鍵技術,能效問題應考慮其整個生產(chǎn)加工過程中所有的能源輸入及有用、無用功的輸出情況[5].本文所討論的鋼筋調(diào)直切斷機能量消耗問題是指在設備生產(chǎn)過程中的各環(huán)節(jié)能量消耗效率,主要包括設備生產(chǎn)自身消耗、生產(chǎn)環(huán)節(jié)消耗、輔助人員設備消耗等3類[6-7].鋼筋調(diào)直切斷機能量流動分布如圖1所示.

圖1 鋼筋調(diào)直切斷機能量流動分布圖Fig.1 Energy flow distribution diagram of steel straightening cutter

鋼筋調(diào)直切斷機具有間歇性重復性作業(yè)的特點,其作業(yè)能效特點包括以下幾個方面:① 因機械機構不同而引起設備能效差異;② 鋼筋加工采取不同工藝的能效差異;③ 設備自身運行維護狀況及使用環(huán)境的不同等諸多因素[8].

2 能效評價方法

鋼筋調(diào)直切斷機能效評價的重點在實際加工過程的能效因設備結構、工藝、環(huán)境的不同而產(chǎn)生的差異,因此，人工因素以及鋼筋在進入機器前后的能耗并不在評價重點范圍內(nèi).

本文所討論的能效評價方法涉及因素復雜,包括定量因素和定性因素,除此之外,還有一些因素由于具體設備結構的不同而不能將其共同納入同一評價體系中,例如調(diào)直機構分為壓輥式、轉(zhuǎn)轂式等調(diào)直方式.但是,針對某一具體設備建立的評價體系而言,這兩種調(diào)直因素便成為矛盾因素,若同時存在于同一評價體系,則該體評價缺陷是在原理上限制了滿分評價結果的出現(xiàn).因此,本文利用層次分析法確定鋼筋調(diào)直切斷機能效評價指標體系,對于矛盾因素,轉(zhuǎn)而對其進行具體數(shù)值計算,將結果作為參考因素與層次分析法結果進行綜合考慮，得出最終某具體設備的評價結果.

2.1 層次分析法

層次分析法是一種定性與定量因素結合考慮的分析方法,目的在于確定多屬性分析及不同層次的權重值問題[9].層次分析法一般步驟如下.

2.1.1建立層次分析屬性模型

層次分析法結構模型體系一般分為3個層次:目標層一般為最上一層,表示評價問題最終要達到的結果;準則層設在中間層,目的在于提供用于最終評價目標的具體要求;最下層為方案層,包括評價最終目的的解決方案.

2.1.2構造判斷矩陣

判斷矩陣是層次分析法研究問題的基礎信息,關系到權重值的求解,為將定性因素整理為定量可參數(shù)化比較的信息,本文采用9級賦分法將能效評價指標兩兩之間進行比較,最終將這些比較結果用矩陣的方法表示出來,即形成判斷矩陣A[10].構造判斷矩陣9級賦分及解釋如表1所示.

表1 9級賦分法含義表Tab.1 Nine scale assignment meaning table

2.1.3單層次排序及一致性檢驗

單層次排序是在整體評價體系中的某一分支的某一層次對其上屬因素的重要性排序.根據(jù)所得判斷矩陣A,求其最大特征根和特征向量,進而獲得因素排序的權重值.由Aω=λω,求解出特征向量ω,權重值即為正規(guī)化后的特征向量ω.其計算步驟如下:

對判斷矩陣進行一致性檢驗,目的是為確保判斷矩陣與實際情況相符.一致性可以用λmax-n數(shù)值的大小來衡量判斷矩陣A的一致程度.判斷矩陣一致性比率CR=CI/RI<0.1時,當判斷矩陣符合一致性要求時,可用判斷矩陣的正規(guī)化的特征向量ω作為權向量,否則要重新對各因素之間進行調(diào)整比較,其中,CI=(λmax-n)/(n-1),n為判斷矩陣所有主對角線元素之和.根據(jù)判斷矩陣的階數(shù)確定隨機一致性指標RI值,具體如表2所示.

表2 RI值表Tab.2 RI value table

2.1.4整體層次排序及其一致性檢驗

整體層次排序是整個層次分析體系中各層次因素相對于總目標因素的權重排序.同層次單排序判斷方式相同,當CR<0.1時,任務層次總排序滿足一致性.

2.2 綜合計算

在采用層次分析法建立能效評價體系模型時,只考慮鋼筋調(diào)直切斷機通用的能效評價因素,而不同機型、不同結構的能耗方式，則需單獨計算來輔助總體評價結果的產(chǎn)生.在鋼筋調(diào)直切斷機中,不能引入到層次分析法中的評價因素，如驅(qū)動電機功率或是液壓、氣壓驅(qū)動系統(tǒng),這些因素可視為定量評價因素,利用公式:

電動機效率(%)=

參照《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》(GB 18613—2012)所列電動機的能效等級表,結合電動機具體參數(shù)計算后進行對比,給出參照分數(shù)如表3所示.

表3 電動機效率評分參考表Tab.3 Motor efficiency score reference table

3 實例分析評價

綜上所述,以市場上某廠生產(chǎn)的鋼筋調(diào)直切斷機為例,對其能效指標進行分析評價.構建層次分析法評價模型,采用上述評價方法進行評價分析.評價體系模型如圖2所示.

圖2 鋼筋調(diào)直切斷機能效指標體系模型Fig.2 Energy efficiency index system model of steel bar cutting machine

(1) 目標層分析計算結果如表4所示.

表4 目標層與準則層之間判斷矩陣及權重值Tab.4 The judgment matrix and the weight value between the target layer and the criterion layer

經(jīng)上公式求得λmax=4.097 2,CR=0.036 4<0.1,數(shù)據(jù)顯示該判斷矩陣滿足一致性要求.

(2) 準則層分析計算結果如表5～表8所示.

表5 準則層與方案層(C1～ C5)之間判斷矩陣及權重值Tab.5 The criterion matrix and the weight between the criterion layer and the scheme layer (C1～ C5)

λmax=5.315 4,CR=0.070 4<0.1,數(shù)據(jù)顯示該判斷矩陣滿足一致性要求.

表6 準則層與方案層(C6～ C9)之間判斷矩陣及權重值Tab.6 The judgment matrix and the weight value between the criterion layer and the scheme layer (C6～C9)

λmax=4.102 3,CR=0.038 3<0.1,數(shù)據(jù)顯示該判斷矩陣滿足一致性要求.

表7 準則層與方案層(C10～ C13)之間判斷矩陣及權重值Tab.7 The judgment matrix and the weight value between the criterion layer and the scheme layer (C10～ C13)

λmax=4.214 8,CR=0.080 5<0.1,數(shù)據(jù)顯示該判斷矩陣滿足一致性要求.

表8 準則層與方案層(C14～ C20)之間判斷矩陣及權重值Tab.8 The judgment matrix and the weight value between the criterion layer and the scheme layer (C14～ C20)

λmax=7.772 3,CR=0.094 6<0.1,數(shù)據(jù)顯示該判斷矩陣滿足一致性要求.

綜合上述結果表明,牽引機構、設備過載運行、設備損耗程度以及鋼筋實測力學性能分別為其所在層次單排序中權重值最高的因素.同理根據(jù)上述計算方法求得目標總排序的一致性為CR=0.086 3<0.1,同樣滿足一致性要求.

(3) 指標權重值結果分析.

由相關行業(yè)內(nèi)專家參照具體鋼筋調(diào)直切斷機工作運行狀況,結合設備使用說明,對設備進行評價打分,對于調(diào)直、切斷等因素的評分因設備工作方式不同而產(chǎn)生的結構上的差異,應依照具體計算結果,分數(shù)參照表3確定.

在進行專家打分時,每項具體指標所打分值在1～10分范圍內(nèi),分數(shù)只取整數(shù),并將專家所打分數(shù)與相應指標的權重值相乘,將所有方案層指標的結果相加,得出總的評價結果,最終得分對應評價結果如表9所示.

表9 能效評價等級規(guī)定及評語Tab.9 Evaluation of energy efficiency rating and comments

(4) 綜上所述,相關專家打分結果及最終評分如表10所示.結果表明:利用該評價體系評價分析的某廠鋼筋調(diào)直切斷機能效評價最終得分為7.016 5,說明該設備能效情況較符合要求,但對個別評價較低的因素仍需加以調(diào)整,以達到符合預期能效結果.

表10 設備能效指標最終評分結果Tab.10 Energy efficiency indicators of the final score

4 結論

建立了鋼筋調(diào)直切斷機能效指標評價體系模型,采用層次分析法結合數(shù)值計算的方法對指標因素進行評價,避免了單次評價過程中的評價指標之間因相互對立的矛盾因素存在而造成的評價結果失真的情況.

利用層次分析法確定鋼筋調(diào)直切斷機各部分能效指標的權重值并對各部分權重值進行排序,結果顯示：設備運行過程中的工況以及加工鋼筋數(shù)量等因素是影響其能效評價結果的主要因素.

利用專家打分法對某型號鋼筋調(diào)直切斷機進行能效打分評價,結果顯示：該設備在評分結果上屬于能效情況較為合格,單實際設備本身仍有部分可調(diào)整空間,企業(yè)需對該設備進行改造并重新評估.