基于LCCBPO气动与电动执行器系统成本研究

张业明，蔡茂林

(1.河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作 454000;2.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 100191)

气动执行器在自动化生产线中应用非常广泛。近年来，随着电气自动化程度的不断提高，电动执行器却慢慢侵入气动领域，两种执行器在应用上既有竞争又相互补充。对于没有多点定位要求的场合，用户更倾向于使用气动执行器。目前，工业现场使用电动执行器的应用大部分都是要求高精度多点定位，气动执行器则难以实现［1］。在输出力上，气动执行器的输出力与缸径的平方成正比;而电动执行器的输出力与缸径、电机的功率和丝杆的螺距3个因素有关系。

在执行器作动系统设计中，大多数情况下既可以选择气动执行器，也可以选择电动执行器。选择哪一种执行器对整个生产系统更有利?系统成本又如何?这些问题目前一直没有深入的分析和讨论。KAENZIG等［2］进行了消费电子产品的生命周期成本信息的分析。林丰岩［3］从产品生命周期成本的概念出发，分析其内涵、演变等规律，仅限于理论研究。陈小川等［4］就制造业中产品全生命周期成本的概况进行了研究，对典型机电产品的生命周期成本只是提出了一个概念框架。

目前，有关研究气动和电动两种执行器系统的成本问题的文献资料很少。文中综合分析3组气动执行器和电动执行器系统的工作状况，确定研究对象，建立评价模型，分析其全生命周期成本，最后进行实例数据分析和验证。讨论在最常见的生产线工件搬运工况下，哪种执行器系统在综合成本上更有优势和竞争力，运用数据指导执行器作动系统的选型和设计。

1 执行器研究对象的确定

通过对多家气动和电动执行器生产企业的产品出货量和市场占有率的调研，直径为10 mm、25 mm和32 mm的气动执行器的市场用量最大，服从正态分布［5］。电动执行器的出货量和市场占有率与气动执行器相比要小。气动和电动执行器在完成相同的工作任务时，要求具有接近的输出力、行程和速度等参数，从而确定出3组气动和电动执行器作为研究对象，如表1所示。

表1 三组气动和电动执行器

2 执行器的LCCBPO评价

生命周期成本 (Life Cycle Cost，LCC)指产品在整个生命周期中所有支出费用的总和，包括原料的获取、产品的使用费用等，即是指是企业生产成本与用户使用成本之和。

如果从产品所有者角度出发，自产品购入、使用直至报废，是产品的整个生命周期。在这个周期内，产品所有者为取得产品、实现产品功能、报废产品都须支付一定的成本，由产品所有者支付的各项成本之和称为基于产品所有者的生命周期成本 (LCCBPO)。LCCBPO主要包括购置成本、运行成本、维护保养成本和报废回收成本［6］。

分析气动和电动执行器的使用特点，两种执行器的LCCBPO成本因素如表2所示。

2.1 执行器的LCCBPO成本因素

表2 两种执行器的LCCBPO成本因素

2.2 执行器的LCCBPO评价基准

(1)大多数厂家气动和电动执行器的使用寿命一般都为5年或者5 000 km行程;在5年的生命周期内，综合考虑购置成本、运行维护保养成本和回收成本3个方面的成本因素，对3组执行器分别进行分析。

(2)在分析运行成本时，同组的气动执行器和电动执行器要求工作在相同的工作载荷和工作频率等工况下，具体工况如表3所示。

(3)维护保养成本参考现场使用情况。

(4)不考虑执行器报废的处置费用，直接由废旧回收公司收购，换回执行器材料费作为其报废回收成本。

表3 3组执行器的现场工况

2.3 执行器的LCCBPO评价模型

两种执行器的LCCBPO总成本为:

式中:C为执行器总成本;C1为购置成本;C2为运行维护成本;C3为报废回收成本;m为年限。

两种执行器的LCCBPO模型计算相似。气动执行器的LCCBPO计算方法在文献 ［5］进行了详细阐述。电动执行器的LCCBPO比气动执行器简单。在购置成本上，电动执行器不需要考虑气动管道、阀门之类的公用设备的购置成本均摊问题［5］;它的运行维护成本直接利用电力计测量即可［7］。

3 执行器的LCCBPO实例分析

3种气动执行器的购置成本如表4所示［5］，3种电动执行器的购置价格如表5所示。

表4 气动执行器末端设备购买价格

表5 电动执行器系统的购买价格

气动和电动执行器的运行能耗数据参见文献［7］。报废回收材料价值通过计算执行器的零件质量和材质得到。利用LCCBPO模型，逐一计算出每一种执行器的购置成本、运行维护成本和报废回收成本，然后进行汇总比较［8］。

3.1 两种执行器的购置成本

3组气动执行器每年的购置成本都比相应的电动执行器低很多，数据如图1所示。

图1 3组执行器的每年购置成本曲线

3.2 两种执行器的运行维护保养成本

气动执行器本身基本免维护，但是整个气动系统需要维护，特别是气源部分，如表6所示［5］。

表6 神钢压缩机AG370每年定期维护保养名目

电动执行器每隔一定时间需要涂抹适量的润滑脂，减少设备的损坏。电动执行器一般也不会出故障。假定电动执行器也基本免维护，只需要涂抹一定的润滑脂。

三组执行器水平和垂直方向每年的运行维护成本对比如图2、3所示。

PA、PC都是有杆气缸。在每年的运行维护成本上，PA、PC分别比同组的EA、EC要稍微低一点。PB为无杆气缸，水平方向PB的运行维护成本比同组的EB要高将近3倍，垂直方向PB的运行维护成本比同组的EB要高自身的1/3左右。此外，电动执行器的购置成本和运行维护成本之和比气动执行器的相关成本要高3～10倍。

图2 3组执行器水平方向每年的运行维护成本

图3 3组执行器垂直方向每年的运行维护成本

3.3 两种执行器的报废回收成本

气动和电动执行器的报废回收成本对比如图4所示。PA，PB，PC的回收成本普遍比EA，EB，EC要低很多。主要因为电动执行器的质量普遍比同功能的气动执行器要重2～8倍左右。此外材质上电动执行器也比同功能的气动执行器要好。

图4 3组执行器的报废回收成本

3.4 两种执行器的全生命周期总成本综合对比

水平和垂直方向3组执行器的全生命周期成本对比如图5、6所示。在相同的负载条件和工作行程下，每种电动执行器的全生命周期成本约为气动执行器的5～8倍左右。

图5 3组执行器水平方向LCCBPO比较

图6 3组执行器垂直方向LCCBPO比较

4 总结

对气动执行器和电动执行器的全生命周期成本进行了详细的分析。首先分析了两种执行器的成本因素的构成情况，确定了两种执行器的能耗评价基准和LCCBPO计算模型。最后通过3组执行器的实例数据验证，得出结论如下:

(1)在同样的负载能力和行程的条件下，气动执行器的购置成本比电动执行器要低很多。

(2)在水平方向和垂直方向两种情况下点到点搬运工件时，气动执行器的运行和维护保养成本是相同的;而电动执行器水平方向搬运工件时的运行和维护保养成本比垂直方向时要低。

(3)在同样的负载能力和行程的条件下，有杆气缸运行维护成本比同组的电动执行器要低，无杆气缸运行维护成本比同组的电动执行器要高。

(4)具有相同负载能力和行程的气动执行器比电动执行器的回收成本要低。

(5)在点到点搬运的工况下，从LCCBPO上分析，一般气动执行器要比电动执行器更经济实惠。

［1］蔡茂林，陈响宇，王雄耀，等.气缸与电动执行器的竞争与互补［J］.现代制造，2009(4):24－27.

［2］KAENZIG J，WUSTENHAGEN R.The Effect of Life Cycle Cost Information on Consumer Investment Decisions Regarding Eco-Innovation［J］.Journal of Industrial Ecology，2010，14(1):121 －136.

［3］林丰岩.产品生命周期成本:内涵、演变及启示［J］.理论学刊，2006(7):69－70.

［4］陈小川，方明伦.制造业中产品全生命周期成本的研究概况综述［J］.机械工程学报，2002，38(11):17 －25.

［5］张业明，蔡茂林.气动执行器的全生命周期成本分析［J］.北京航空航天大学学报，2012，37(8):1006 －1010.

［6］ARJA M，SAUCE G，SOUYRI B.External uncertainty factors and LCC:a case study［J］.Building Research and Information，2009，37(3):325 －334.

［7］张业明，蔡茂林.气动执行器与电动执行器的运行能耗分析［J］.北京航空航天大学学报，2010，(5):560 －563.

［8］JUNNILA S.Life Cycle Management of Energy-consuming Products in Companies Using IO-LCA［J］.International Journal of Life Cycle Assessment，2008，13(5):432 －439.