1、第27卷第6期 2014年11月 机电产品开崖 新 DevelopmentInnovation of MachineryElectrical Products Vo127，No6 Nov，2014 文章编号：10026673(2014)0600703 基于资源环境属性的锻造工艺能耗分析 赵曦 (机械科学研究总院中机生产力促进中心，北京100044) 摘要：论文介绍了锻造工艺能耗高、排放大的特点，并对锻造工艺的资源消耗和环境影响属性进行分析 建立锻造加工资源环境过程模型。根据过程模型建立了锻造工艺能耗矩阵和排放矩阵并以25吨 皮带锤为例，对能耗进行计算和分析。 关键词：资源环境属性；能耗矩阵；排
2、放矩阵 中图分类号：F4 文献标识码：A doi：lO3969jissn10026673201406003 Forging Process Analysis of Energy Consumption Basedon Resource and Environmental Attributions zHA0Xi (China Academy of Machinery Science&Technology China Productivity Centre of Machinery，BeOing 1 00044，China) Abstract：This paper introduces the f
3、o ng process of high energy consumption，emission characteristics，and resource consumption and en vironmental impact analysis of the attributes of the forging process，the environmental process forging processing resource model has been es tablishedProcess energy consumption and emissions of forging m
4、atrix matrix is established based on the process model，and with 25 tons of belt hammer as an example，calculation and analysis of energy consumption Key words：resource and environmental property；energy consumption matrix；emission matrix 0引言 绿色制造是当今社会的一个研究热点。制造企业作 为能源最大的消费者和排放的最大生产者，更是要承担 节能减排的重任。锻造生产
5、在工业生产中，占有举足轻 重的地位，锻件的性能一般优于同样材料的铸件。相关 机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简 单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。 1锻造生产资源环境属性分析 11锻造生产特点 从节能减排角度出发看，锻造生产有如下特点： (1)高能耗。锻造工艺的能耗主要体现在压力机、锻 锤、锻造前加热和锻造后的热处理，在这些过程中的能 耗是与该工艺的特点、设备参数以及管理手段等密切相 关的。锻造设备在工作中施加的作用力是非常大的，如 修稿日期：20141031 项目来源：机械科学研究总院基金项目(机械工业绿色制造能 效分析服务研究) 作者简介：赵曦(1983一)，女
6、，河南南阳人，博士研究生。研究方 向：绿色制造共性技术 液压机、压力机等锻压设备，其工作部件需要相当大的 能量，如我国已制造和使用了12000t的锻造水压机，锻 造加热和锻件热处理过程是要使用电能或燃料。 (2)高排放。锻造车间的加热炉在燃烧过程中产生大 量的烟尘被排放到车间的空气中，不仅影响工人的身体 健康，还降低了车间内的能见度；加热产生的废气以及 矿物燃料燃烧后产生的二氧化硫、氮氧化物等有害气 体，对环境造成了严重的污染；锻造各个环节产生的废 油、废液、废渣、废水等排放物都会对环境造成不同程 度的影响；锻造过程产生了巨大的振动和噪声，对周围 环境产生了噪声影响。 (3)对人的影响。锻造过
7、程中的各类排放以及噪声对 车间工人和周围的居民生活都会带来影响。高温易引发 车间工人皮肤灼伤，烟尘和有害气体会损害身体健康， 巨大的噪声影响工人的听觉神经，容易分散注意力，因 而增加了人员发生事故的可能性。 12锻造生产资源消耗及环境影响属性分析 对锻造工艺的资源消耗和环境影响属性进行分析， 建立锻造加工资源环境过程模型如图1所示。 锻造生产资源消耗分为两类，一类为物料的消耗 一类为能量的消耗，它们都是锻造生产的输入。物料的 7 开发与创新 毛坯 其它物料 合格件 回 收 图1锻造加工资源环境过程模型 消耗首先是原料的消耗。另外，由于某些加工的需要， 可能会需要专门做模具，需要冷却、润滑介质，
8、所以产 生了辅助物料的消耗。能量的消耗有煤、天然气、电的 消耗。锻造生产环境影响因素是伴随着生产资源消耗的 过程而产生的，加工过程产生热、振动、噪声、废气、废 液等，其中一部分直接对环境造成影响，一部分可以回收 处理减轻对环境的影响。对环境的影响有两部分：对自然 环境造成影响，也包括对人的安全和健康产生的影响。 (1)物料消耗。若用RI和RO分别表示原料加工前 和加工后的质量，W表示原料损耗，U和L分别表示原 料的利用率和损失率，rfl T料、m 、m 、m青 分别表示 下料、加热、锻压、清理阶段原料的损耗，则有： W=RI-RO=m qrg+m加热+m锻压+m清理 U=RORI L=WRI
9、辅助物料的消耗主要为冷却液和润滑介质的损耗，用 In辅、m噩、m 分别表示辅助物料消耗质量、冷却液消耗量、 润滑介质损耗量，系数a、b分别为两种消耗的转换系数， 可以将不同种类的辅助消耗转换为标准消耗，则有： m u=m+rrl (2)能量消耗。一是加热能量消耗：无论是锻前加热 还是锻后热处理，热量的消耗总是满足热平衡。对于热 消耗的分析。有如下思路： 热收入：即加热的所有热量来源，包括燃料化学能 Q (对于燃料加热炉)、预热空气带入的物理热Q 、预热 燃料带人的物理热Q，、金属氧化热Q 。 热支出：加热金属的有效热Q。、加热辅助件的热量 Q辅、各类因素带来的热量的损失Q 。根据热平衡，有：
10、Q1+Q2+Q3+Q4=Qd+Q辅+Q损 二是锻造能耗。锤击过程满足能量守恒定律，为： E=otE =Ek=Ed+Eh 式中：E广锤击系统的能量；0【一能级；E 额定击 打能量；El广锤头的动能；E广锻件塑性变形能；Eh一 为热能(摩擦热和变形热)。若将锻造系统看作一个整体 (设备和锻件)，E 可以看成输入能量；E厂有效锻打能 8 量；E厂一损失能量。锤头动能为： Ek= mV。 式中：m一锤头质量；V一锤击时的速度；锤击时 锻件消耗的能量为：Ed+EI=PAh；P一锤击载荷；h一 下压量；锤的打击效率为：“q=EgE：。 (3)废弃排放。这里废弃排放考虑的是加工过程中产 生的废弃固体、液体和
11、气体。废弃固体，包括粉尘、废 屑等，用 表示；废液用mt表示；废气，包括二氧化 硫、氮氧化合物等，用m 表示。根据各种排放对环境 的影响程度，给出各自的影响系数分别为 、 、，得 出对环境的影响程度：E=prr+kmO-em 。 (4)加工噪声。将锻造噪声看作一系列断续时间内的 等值数值，则可以得到某个时间段里的锻造噪声： 一diti 将噪声和前面的排放综合起来看成对环境的影响 并给噪声加上转换系数盯 环境的影响公式变为：E=E= txm 十 mf+8m 。 2能耗系数矩阵的建立 能耗系数矩阵为：E一：E一= J一。式中， 为第i 台锻床加工第i个锻件的能耗，要确定能耗矩阵中e 的 数值，就需
12、要对每台锻床锻打每个工件的能耗估计量 E 进一步转换为打击能Ed和锻打效率11的确定。 (1)打击能E 。对于圆柱锻件，镦粗功通过下面公式 计算： Ed=cr,V1n鲁+ 1百D一 ) 式中：盯 材料的屈服应力；V一锻件的体积 (ram )；D0、H_毛坯的直径和高度(mm)；D、H一为镦粗后 的直径和高度(nll,n)。对于长板锻件镦粗： Ea=115oV1n鲁 1 b一鲁) 式中：bo、H_毛坯的宽度和高度(mm)；b、H一镦 粗后的宽度和高度(mm)。 (2)锻打效率11。锻锤打击效率就是锻件在塑性变形 中所吸收的能量与输入能之比锻锤打击效率与机器自 身的参数以及工件的参数相关对于自由锻
13、有： 11= L(1一k ) ml+m2 式中：m 一落下部分的质量；m厂砧座的重量； k一锻件的恢复系数。 恢复系数取决于锻坯材质以及温度，温度越高k值 越小，打击效率就越高，一般始锻温度k值为03。终 锻温度时k值为05。工件集中的工件参数相近所以 开发与创新 对于一个既定的工件集，工件对于 的影响程度几乎相 同所以对于一个确定的工件集，可以将(1-k )看作一 个常量8，在后面的计算中，可以将8取为1，从而有： 11= L ml+m2 对于设备集M=m。，m：，L，m ，L，mm】，可以根据设备参 数计算得到一个m维的1q值列向量；对于工件集J= j ，j：，L，jj，L，j l，可以根
14、据工件参数计算得到一个n维的 E 值行向量，将这两个向量相乘，便可以得到一个mxn 矩阵，便是能耗系数矩阵E ： Err= 1q1 lPq2 ： 1q o(e e ，e ，)= edlt1l edJxh ealq2 edit2 ed1-q edxl 3排放系数矩阵的建立 锻造工艺的资源环境属性有以下四个方面：废固、 废液、废气、加工噪声。为了能够满足各项排放指标合 格的目标，需要建立这四个方面相应的系数矩阵： Y= ) ，如 ，勖) ，v )一) l 式中：Sij 废固排放系数矩阵；lij一一废液排放系 l 数矩阵；舒 一废气排放系数矩阵；v 一噪声系数矩阵。 1 4实例 l 以25吨机械皮带
15、锻锤为例，研究分析锻造工艺的 1 能耗情况。 0 锻锤的打击力是锻锤最重要的性能指标，锻锤是一 ： 种冲击成形设备，在锻件变形瞬间，锻件和设备承受着 巨大的金属变形抗力和打击力的冲击载荷锻锤的打击 过程在千分之几秒内完成。打击过程中，锻件在锤头与 砧座之间完成塑性变形。 皮带锻锤靠锤头自身的落重进行打击，打击的轻重 随锤头的上升高度不同而异。锤头的打击动能为锤头的 落下势能转变而成。 25吨皮带锻锤的单次最大打击能量计算公式如下 (锤头与导轨的摩擦能量损耗为10)： E2 ：(110)xmgh=(110)25l000x9878： 172kJ 25吨皮带锻锤正常生产每小时用电28度。满负荷 生产
16、，两台皮带锻锤每小时可生产锻件300公斤，皮带 锻锤每生产1吨锻件耗用电费795元。 5结论 通过对锻造工艺资源环境属性以及污染物排放情况 的分析。建立了能耗系数矩阵和排放系数矩阵，并以25 吨机械皮带锻锤为例，研究分析锻造工艺的能耗情况。 参考文献： 【l】韩木林，吴顺达锻造行业节能减排技术措施及发展方向研究J 锻压装备与制造技术，2010，5 【2】吴白伟，刘东，杨艳慧，孙二举对击锤上GH4169合金盘件锻造 过程数值模拟J】金属铸锻焊技术，201 1，17 3张志文，高新，林法禹，等锻造工艺学【M】机械工业出版社，1983 4李永堂，等锻压设备理论与控制【M】国防工业出版社，2005 【
17、5】张瑞碧锻锤打击效率分析们机械研究与应用，1998，3 (上接第6页)结论：公共点的个数以3-5个为宜。公 共点应均匀的分布在测区内，并且待测点也最好再公共点 范围内【7】；当公共点多于5个时，可以将公共点中的源坐 标逐一代入转换方程进行计算。将结果与公共点中的目 标坐标进行比较，并使误差较大的点不再作为公共点； 每三个公共点不宜在一条直线上；待测点离公共点越近， 则转换精度越高。公共点越均匀分布，转换的精度越能够 保证。同时实验得出的结论也验证了本文中关于公共点选 取的分析结果。 4结束语 如今越来越多的机器人被引入进了工业自动化中， 机器人视觉也越来越受到重视。目前主流机器人视觉应 用均
18、以单目相机为基础，通过拍照对比等方式，实现诸 如条形码读取、坏点检测等功能。然而单目相机具有二 维平面的局限性无法采集三维物体的信息，从而限制 了其应用。本课题采用了双目相机配合机器人，建立双 目相机到PC端，PC端到机器人端的2个接口，利用七 参数坐标变换法得以快速准确地得到目标物体坐标，总 结了公共点选取的结论，完成了机器人的视觉定位与操 控的集成，起到了抛砖引玉的作用。 参考文献： 【1】Fang Y，Masaki I，Horn BDepthBased Target Segmentation for Intelligent Vehicles：Fusion of Radar and Bin
19、ocular StereoJ IEEE Transon Intelligent transportation Systems，2002，3 2刘晓坤基于视觉的机械臂控制技术研究【D哈尔滨：哈尔滨工 程大学20132 【3】Sotiris Malassiotis，Michael GStrintzisStereo vision system for pre- cision dimensional inspection of 3D holesJMachine Vision and Ap- plications，2003，10 4禹静基于机器视觉的悬链线上吊钩的识别研究D济南：济南大 学2012 【5】王士峰基于机器视觉的车轮图像处理与分析【D济南：济南大 学2011 6宋彩霞臂一手系统的运动控制及稳定抓取研究【D】湖南：湖南大 学。2013 【7】赵宝锋，张雪，蒋廷臣坐标转换模型及公共点选取对转换成果精 度的影响J淮海工学院学报，2009，4 9 ；
