机电产品能量因素的识别与提取方法研究

何　平，朱达荣，程秀芝

机电产品能量因素的识别与提取方法研究

何平，朱达荣，程秀芝

（安徽建筑大学 机械与电气工程学院，安徽合肥，230061）

能量因素作为机电产品能耗属性与设计信息的联系纽带，与能耗关联的各种控制要素存在耦合关系，难以直接量化表达，针对这个问题，建立了能量因素识别与提取方法。该方法主要是应用模糊数学的隶属度函数进行可控性和能耗影响强弱程度分析，从而提取出机电产品的强可控能量因素集，应用于产品使用过程的能耗控制与优化。最后，以汽车传动系统关键部件的能量因素提取为例，对提取方法进行了说明。

机电产品；可控性分析；能量因素；能量优化

0　引　言

我国能源使用效率低有多方面的原因，主要与产品设计，制造系统，产品的使用、回收等因素有较强关系。而产品设计是影响产品能量消耗的关键环节，从产品设计源头出发，以能效提升为重要设计目标，综合考虑产品能耗特性与能耗关联的设计信息，开展产品能量优化设计，是降低能源消耗率的重要方法之一。

从目前全生命周期进行分析能耗特性的研究可以发现[1-4]：产品在使用过程能耗最大，约占其全生命周期能耗的70%～90%。因此，进行能量优化设计过程中，应重点对机电产品使用过程展开能耗特性分析，识别出与能耗关联的能量因素集，并对初步能量因素集进行可控性分析，提取出强可控性能量因素集，应用于产品设计过程，可对产品能耗程度进行量化控制和优化，达到有效提升产品能效的目的。其中能量因素的识别和可控性分析将产品的能量特性与设计过程联系起来，其研究具有重要意义。

1　能量因素的概念与作用

能量因素[5-7]是指机电产品在全生命周期的各个阶段中与能量变化发生相互作用的参数、性能指标或材料特性。能量变化的类型包括能量传递、转换、消耗及存贮等，能量因素则包括直接的和间接的能量关联要素。能量因素之间既有相互关联也有相互对立，设计人员需要从系统的角度，对机电产品在全生命周期中的能量损失特性以及重要影响要素进行全面分析，最终提高产品的有效能量效率。

分析现有机电产品运行过程的能量流程和能耗特点，建立各关键部件的能量传输数学模型，以此为基础推导出能耗量化模型。依据对机电产品在使用阶段能量损失特性分析的结果，能够初步得到能耗关联的各种控制要素集合。然而初步识别和获得的能量因素具有综合或耦合特性，通常不能进行量化表达，同时也有和产品设计过程并无关联的部分能量因素，它们取决于具体的使用环境、运行参数和使用者的操作方法等特征量。因此，需要识别和提取出重要的可控的能量因素[8,9]。

对初步识别和获取的能量因素集开展可控性分析，提取出对能耗影响较强、可设计控制的能量因素，以便进行下一步能量因子[5,9]的提取。通过这一重要的能量因素提取，可以得到三组能量因素集：非设计可控能量因素集、弱可控能量因素集和强可控能量因素集。

2　机电产品能量因素的识别与提取方法

在能量因素提取机制中，可控性分析和能耗影响强弱程度分析的分析对象均涉及到对定性能量因素的量化处理，这种处理方式往往难以用一般的数学公式进行描述，目前对于这类问题的处理方法有加权平均法、层次分析法、模糊数学法等。由于模糊数学法是对受多个因素影响的事物进行全面评价的综合评价方法[10]。因此，本文采用模糊数学方法来确定能量因素的隶属度数值，具体步骤如下：

（1）建立识别出能量因素清单（初始能量因素集I）

对现有机电产品运行过程进行能量损失特性分析，可以识别出产品能量关联因素，由此可以建立如下的初始能量因素集：

式中，ij表示第j个能量因素；n表示能量因素的个数。

（2）建立能量因素对产品能耗影响程度的隶属度集合

能量因素对能耗的影响有定量性和定性双重影响。因此，本文进行能量因素提取，尽量避免了定性描述，而是以定量描述为主。

为使各个因素对能耗的影响程度具有可比性，需要对定量和定性描述因素进行无量纲化处理，本文主要运用隶属度函数进行描述。对于定量性的能量因素，可建立因素评价范围，并根据因素量值确定其隶属度；对于定性描述的能量因素，则通过专家评议方法确定其隶属度。

定性描述的能量因素通常以指标的形式表达，本文采用带信任度的专家调查法[9,11]来确定该类能量因素的隶属度值，具体步骤如下：

（I）将与I相关的详细资料发给本领域的s位专家，请专家给出隶属度的估计值m。这个过程可视为专家独立完成。

（IV）第II步和第III步可以循环若干次，直到离差值小于或等于预定的标准ε，即ε≥dk且ε>0。

（V）将第IV步得到的平均值

其中，信任度ei∈[0,1]，e=1表示有绝对把握，e=0表示毫无把握。

（VI）对矩阵ME，设定值λ（0<λ<1），令

则有

根据以上5步隶属度计算，能够获得与初始能量因素集相对应的隶属度模糊集合：

（3）利用模糊x分割原理得出能量因素集

依据拟定模糊分割值x，得到符合筛选要求的能量因素集：

3　汽车传动系统关键部件的能量因素识别与提取

对汽车传动系统的离合器和变速器两个关键部件运行过程的能量损失机理与特性进行分析，可得到初始能量因素集，如图1所示。然后采用模糊数学方法确定出可用于设计的强可控能量因素集，具体过程如下：

（1）建立初始能量因素集I

如图1中的传动系统关键部件的初始能量因素集，则I包含17个能量因素，i1～i17分别代表传动件材料参数、传动件结构参数、传动件转动惯量、传动件角速度、附加损失功率、滑磨时间、润滑油流量、发动机输出特性、油门开度、润滑油参数、供油系统效率、整车载荷质量、汽车行驶工况、汽车驱动轴转矩、齿轮传动效率、齿轮传动比、传动环节摩擦特性。

（2）可控性分析

专家组依照表1给出的可控性打分标准，对初始能量因素集I的各个因素的隶属度估计值进行判断打分。设定离差标准为0.04；信任度e的标准λ为0.6；模糊分割值x为0.5，则通过式（2）～（6）可计算得到各个因素的隶属度估计

图1　传动系统关键部件能耗组成与能量因素集

表1　能量因素的可控性打分标准

通过表2可知，符合可控性筛选要求的隶属度模糊集合为：

根据拟定的模糊分割值x=0.5，确定出符合筛选要求的能量因素集为：

表2　能量因素可控性估计值及平均估计值表

（3）能耗影响强弱程度分析

通过表4可知，符合能耗影响强弱程度筛选要求的隶属度模糊集合为：

根据拟定模糊分割值x=0.6，确定出符合筛选要求的能量因素集为：

表3　能量因素影响能耗强弱程度打分标准

表4　能量因素影响能耗程度估计值表

最后的决断专家1 m 0.8 　0.6 　0.4 　0.8 　0.7 　0.7 　0.7 　0.3 　0.8 　0.8 　0.7 u 　0.9 　0.8 　0.8 　0.9 　0.9 　0.9 　0.8 　0.9 　0.8 　0.9 　0.9专家2专家3 m 0.8 　0.5 　0.3 　0.8 　0.8 　0.7 　0.7 　0.4 　0.8 　0.8 　0.7 u 　0.8 　0.9 　0.7 　0.8 　0.8 　0.9 　0.8 　0.8 　0.9 　0.8 　0.9 m 0.8 　0.7 　0.2 　0.7 　0.8 　0.7 　0.6 　0.4 　0.8 　0.8 　0.7 u 　0.9 　0.8 　0.8 　0.9 　0.9 　0.8 　0.8 　0.9 　0.8 　0.7 　0.9 m 　0.8 　0.6 　0.3 　0.77 　0.77 　0.7 　0.67 　0.37 　0.8 　0.8 　0.7

最终筛选出的能量因素集E，如式（13），即是传动系统关键部件的强可控能量因素集，该集合中的因素均为可控性较高的能量因素，其对应的名称见图1中所示的强可控能量因素集中的能量因素。而获得的能量因素集 是对传动系统关键部件进行能量优化的重要基础。

4　结论

(1) 能量因素是机电产品使用过程能耗属性表达的特征变量或指标，提取出强可控能量因素是实现机电产品能量优化的主要途径之一。

(2) 本文以汽车传动系统关键部件的能量因素识别与提取为例，详细说明了能量因素识别与提取的方法，对其他机电产品同样具有借鉴意义。

(3) 在后续研究中，将进一步考虑强可控能量因素重要程度的量化分析。

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Study on Energy Identification and Extraction Methods of Mechatronic Products

HE Ping , ZHU Darong , CHENG Xiuzhi
(Mechanical & Electrical Engineering School, Anhui Jianzhu University, Hefei, 230061, China)

The energy aspect is the link between energy-consuming character and design information of mechatronic products. However, it is difficult to be expressed quantitatively, because of the coupling relationship between energy aspect and various control factors of energy consumption. To solve this problem, identification and extraction method of energy aspect was built. Identification and extraction method was mainly applied to the membership function of fuzzy mathematics and the analysis of the influence of energy consumption. Then the strong controllable energy aspect set of mechatronic product was extracted, which was applied to energy consumption control and optimization in the process of product application. Finally, the extraction method was illustrated by taking the energy factor of the key components of the automobile transmission system as an example.

Mechatronic product；Controllability analysis；Energy aspect; Energy optimization

TH186；X24

A

2095-8382(2016)03-087-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160318

2016-01-20

安徽高校省级自然科学研究项目（项目编号KJ2014A040）

何平（1980--），男，博士，副教授，研究方向为绿色设计与制造。