机械加工中有关能量方面的研究

张宜恒 任勇翰

摘 要：现如今，在机械的加工方面，整体上涉及到的范围很广，能量的利用率不高，但是却需要大力进行节能减排，对此我们可以做很多工作。因此，对能量的效率问题国际正兴起解决办法。本文简述和总结分析了在机械的加工系统里能量的利用率的含义及研究现状，然后，经过总结提出了在机械的加工对于研究能量效率的所需要考察的内容，最后总结出机械的加工在能量利用效率这方面的未来发展前景和趋势.

关键词：机械加工，加工系统， 能量效率，研究现状，内容体系，发展前景

1.在机械加工中能量效率的含义

在机械的加工过程中，能量效率是指在加工过程的某一时刻切削的功率与输入的总功率的比例。能量效率是动态变量，并且非常复杂，为了简单地去描述在机械加工中能量被利用的情况，我们引入了一个参数叫做利用率，这个利用率用U表示。U的含义是加工过程中有效能除以输入的总能量所得的比值。

有了上面的定义，我们在研究能量效率方面变得非常方便。但是，知道了能量的效率，并不能清除和准确地表示出能量消耗了多少和产出了多少。为了解决这个问题，我们把能效内涵概括为：机械系统的能效指的是系统里有效的能量或者有效的产出与输入的能量间的比例。

2.机械加工系统里能量效率的现状

现在，机械加工在生活中各个方面应用非常广，但由于我国技术等各方面原因，能量的利用率不高，与此同时，还需要大力进行节能减排工作，这其中需要我们处理的问题还有很多。近几年来，国际和国内很多知名院校和组织建立了团队专门针对机械加工方面能量利用的问题展开了积极的探索和研究。比如美国的麻省理工GUTOWSKI团队、英国剑桥的EVANS团队等，有的出名的国际组织和知名企业，都将机械加工系统里的能量的利用效率作为重点问题来研究处理和解决。由此可见，这个问题在如今社会受到了高度的重视。

3. 在机械的加工中研究能量所需考察的内容

在以上论述中我们简述了机械的加工系统里对能量效率的研究，我们可以看出在研究能量时我们需要考察的内容。

机械的加工系统中能量效率的内容有三个对象、五种基础性的技术问题、两大类功能性技术和两个目标。五种基础性的技术问题间又有着递进关系并且相互联系。也就是说，在机械的加工中，能耗环节与对能量组件的能效问题的研究是机械加工系统中能量消耗和效率建模的基础，能效建模的理论基础是能量流以及对能量特性进行的分析，能耗与能效建模是研究机床和工件的能效特性的支持和依据，揭示了机床及工件在加工过程中的能效的规律。进一步说，在对能效特性进行解析后，再对能量效率进行评价，建立起机械系统中对能效的评价指标，并制定出评价方法。前面四类基础性的技术能实现机械系统对能效的监控动态化和管理动态化。在上述五大类基础性技术问题作为支撑后，我们依据机械系统的能量特性和效率评价，支撑机械系统运行技术实现高能效和设计技术进一步优化。两大类功能性技术是对机械系统进行能量效率研究的根本的落脚点，它的目的有两个，一是为了实现机械系统能效的提升，二是开发出高能效的机床。

4. 机械的加工系统关于能量利用的未来发展前景和趋势。

我们总结和分析了机械加工方面能量研究的现状，对以后的能量利用做出了未来发展前景的预测。并相信其发展将呈现以下趋势。

（1）对能量效率的建模日趋集成化。层次分布是机械的加工系统里能量消耗所具有的特性。机械加工方面中的能量建模将分为两个重大方向，一个是宏观，另一个是微观。宏观指的是能看得到的实际的生产过程，包括单机加工-生产线-加工的车间-加工的企业-跨地域企业的能量效率的模型为基础，逐步向上，将一些外部设备、物流和辅助等设备一起联合起来得到一个模型整个，最后才得到大机械系统的模型。微观的方向指的是由單机系统-能耗组件-能耗零件-能耗界面这些的集成，它的建模方式是从上至下的。微观方向的集成对象是单机系统，层层分解单机系统的能量构成以及效率模型，最后得到单机系统各个界面的模型。由宏观微观两个方向的能效建模集成共同支持着系统揭示机械系统的能效特性，这其中还有很多需要我们解决的问题。

（2）能效评价日趋平台化。在前面我们已经知道，由于机械在生产运用范围广，其利用率又比较复杂，国际上也在不断做出对能量利用率的评价。此外，能效评价要有它自己的指标体系，但是由于机械系统的层次性、能耗多变性等，我们还需大量研究才能建立起科学、整体、实用的评价指标。而且，能效评价需要很大数量的基础数据，这就要求必须建立一个机械系统的数据库，这个数据库的建立需要大量试验，有的还要有理论模型。以后随着工业的发展，政府部门的能量管理就需要建立在机械加工方面对能量利用提供一种智能化的方式去对能量利用情况做出评价。

（3）工件的任务能耗数额日趋稳定化。在研究能量效率的问题后，我们提出了对各种任务所需消耗能量的计算方法，即能耗定额。所谓的能耗定额，指的是一定条件下，生产完耽误产品或完成单位任务量所需要消耗的能源的数量。科学的能耗定额在加工过程中能作为能量需求所依照的重要标准。

（4）系统的运行能效实现最优化。提高机械加工在运行时的能量利用率，在节省能量的过程中是很重要的。有很多途径可以提高系统的能效，比如优化机床运行、优化工件参数，规划工件路线等。但是因为研究这些途径的时间不久，这部分内容大多离实用还差一些距离，这是系统能效最优化需要面临的一个重要问题-实用化。同时，还需解决两个问题：一是系统的优化，怎样集成所有的途径；二是在能效提升的同时不能影响工件的加工效率和质量。

（5）机床能效趋于综合化。机械系统的能耗是以机床为主体的。考虑机床涉及过程中运行时的能效问题，是从根本上去解决能效问题。在机械系统的能效研究中，能耗环节和组件能效、能量消耗和能效建模、机床和工艺能效特性间问题、能效评价等基础性的技术问题和对于能效规律的揭示，将会使得机床在设计时机床实现高能效成为必然。机床在运行时的能量消耗效率大部分取决于机床在设计过程中的对于能量消耗的考虑。对于机床的设计要达到高效能化是非常复杂和系统的问题。一方面，得从机床结构、传动系统、电气能量、控制系统等多方面去考虑，同时，还要考虑能效的目标、经济目标以及技术目标也要进行优化。对机床进行高能效的综合性优化是比较困难和复杂的问题，但是也是机床未来发展的趋势。

5.结论

（1）机械系统能效的含义中，不仅包括有传统能量的效率和利用率，还有比能效率，机械系统能效问题主要是涉及机床还有工件能耗。

（2）机械系统能效研究的内容有三类对象、五种基础性的技术问题、两大类功能性的技术和两个大的目标；三类对象指的是机床、工件还有系统；五种基础性的技术问题指的是能耗环节与组件能效所存在的问题、能量消耗与能效建模、机床和工艺能效特性、能效评价和机械系统能效监控与管理；两大类功能性的技术是系统的高能效运行技术的优化和机床的优化设计；两个大的目标是系统能效的提升和高能效的机床的开发。

（3）机械系统能效研究逐渐趋向的方向和发展前景：对能量效率的建模日趋集成化、能效评价日趋平台化、工件的任务能耗数额日趋稳定化、系统的运行能效实现最优化、机床能效趋于综合化等。

参考文献：

[1]盛伯浩.我国数控机床现况与技术发展策略[J].制造技术与机床.2006（2）17-21

[2]刘飞，徐宗俊，但斌，等.机械加工系统能量特性及其应用[M].北京：机械工业出版社，1995.

[3]刘飞，刘霜，机床服役过程机电主传动系统的时段能量模型[J].机械工程学报201248（21）：132-140

[4]刘霜，刘飞，王秋莲.机床机电主传动系统服役过程能效效率获取方法[J]。机械工程学报。2012，48（23）

[5]马福民，王坚.支持企业能效评估的能源消耗过程仿真方法[J].计算机集 成制造系统，2008.14（12）：2361-2368.