GB/T 40803-2021 机械加工过程 能量效率评价方法

　　ICS 25 . 020 CCS J 30

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40803—2021

　　机械加工过程 能量效率评价方法

　　Machiningprocess—Methodforenergyefficiencyevaluation

　　2021-10-1 1 发布 2022-05-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40803—202 1

　　GB/T 40803—202 1

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由全国绿色制造技术标准化技术委员会(SAC/TC 337)提出并归口 。

　　本文件起草单位：重庆大学、中机生产力促进中心、安徽省捷甬达智能机器股份有限公司、格林美股份有限公司、北京机床研究所有限公司、西南大学、重庆第二机床厂有限责任公司、东方电气集团科学技术研究院有限公司、重庆小康动力有限公司、中机研标准技术研究院(北京)有限公司、特变电工国际工程有限公司、力鼎智能装备(青岛)集团有限公司。

　　本文件主要起草人：刘培基、李聪波、邱城、刘飞、孙婷婷、施东、许开华、奚道云、黄祖广、陈行政、穆安勇、李晋航、凌青海、殷庆文、刘宗毅、彭晓丽、徐安东。

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　　机械加工过程 能量效率评价方法

　　1 范围

　　本文件规定了机械加工过程能量效率评价指标体系、指标获取方法、评价流程以及评价报告编写。

　　本文件适用于金属切削机床加工过程能量效率评价，其他机械加工过程的能量效率评价可参考本文件执行。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中，注 日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 4863 机械制造工艺基本术语

　　GB/T 6477 金属切削机床 术语

　　GB/T 40799 机械加工过程 能效基础数据检测方法

　　3 术语和定义

　　GB/T 4863、GB/T 6477 和 GB/T 40799 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　比能 specificenergyconsumption

　　机械加工过程总能耗与有效产出的比值。

　　注：有效产出可用材料去除体积或合格工件件数表示。

　　3.2

　　工件比能 specificenergyconsumptionperworkpiece

　　机械加工过程总能耗与合格工件件数的比值。

　　3.3

　　体积比能 specificenergyconsumptionpervolumeofcuttingmaterial

　　机械加工过程总能耗与材料去除体积的比值。

　　3.4

　　有效能量利用率 effectiveenergyutilizationratio

　　机械加工过程材料去除能耗与机械加工过程总能耗的比值。

　　3.5

　　待机能耗率 standbyenergyconsumptionratio

　　机械加工过程待机能耗与机械加工过程总能耗的比值。

　　3.6

　　空运转能耗率 idlingenergyconsumptionratio

　　机械加工过程空运转能耗与机械加工过程总能耗的比值。

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　　3.7

　　切削能耗率 cuttingenergyconsumptionratio

　　机械加工过程切削能耗与机械加工过程总能耗的比值。

　　3.8

　　切削能量利用率 cuttingenergyutilizationratio

　　机械加工过程材料去除能耗与切削能耗的比值。

　　4 评价指标体系

　　4 . 1 机械加工过程能量效率的评价指标包括综合评价指标和单项评价指标两类，如表 1 所示。

　　表 1 能量效率评价指标体系及其用途

　　4 . 2 综合评价指标分为有效能量利用率、工件比能和体积比能指标，主要用于反映机械加工过程的综合能效情况。

　　4 . 3 单项评价指标分为待机能耗、待机能耗率、空运转能耗、空运转能耗率、切削能耗、切削能耗率、材料去除能耗和切削能量利用率，用于反映机械加工过程能效的详细情况。

　　5 评价指标的获取方法

　　5 . 1 待机能耗、空运转能耗、切削能耗和材料去除能耗的获取方法

　　待机能耗、空运转能耗、切削能耗和材料去除能耗应按照 GB/T 40799 规定的方法检测获取。

　　5 . 2 有效能量利用率的获取方法

　　按照 GB/T 40799 规定的方法，获取机械加工过程总能耗和材料去除能耗，按公式(1) 计算有效能量利用率。

　　…………………………( 1 )

　　GB/T 40803—202 1

　　式中：

　　ηt —机械加工过程有效能量利用率，以%表示;

　　Emr —机械加工过程材料去除能耗，单位为千瓦时(kW · h) ;

　　Et —机械加工过程总能耗，单位为千瓦时(kW · h) 。

　　5 . 3 工件比能的获取方法

　　按照 GB/T 40799 规定的方法，获取机械加工过程总能耗，统计机械加工过程的合格工件数量，按公式(2)计算工件比能。

　　S …………………………( 2 )

　　式中：

　　SN —机械加工过程工件比能，单位为千瓦时每个(kW · h/个);

　　N — 机械加工过程合格工件件数(个)。

　　5 . 4 体积比能的获取方法

　　按照 GB/T 40799 规定的方法，获取机械加工过程总能耗，按公式(3)计算体积比能。

　　S …………………………( 3 )

　　式中：

　　SV —机械加工过程体积比能，单位为千瓦时每立方米(kW · h/ m3 ) ;

　　V — 机械加工过程材料去除体积，可通过累加各个合格工件的材料去除体积获取，单位为立方

　　米 (m3 ) 。

　　其中，单个合格工件的材料去除体积的获取方法如下：

　　a) 采用几何计算法或排水法分别获取合格工件在加工前后的体积，通过计算二者的体积差获得单个工件的材料去除体积;

　　b ) 通过称重法分别测量合格工件在加工前后的质量，按公式(4)计算单个工件的材料去除体积。

　　V …………………………( 4 )

　　式中：

　　Vi —单个工件的材料去除体积，单位为立方米(m3 ) ;

　　W0 —合格工件在加工前的质量，单位为千克(kg) ;

　　W1 —合格工件在加工后的质量，单位为千克(kg) ;

　　ρ —合格工件所去除材料的材料密度，单位为千克每立方米(kg/m3 ) 。

　　5 . 5 待机能耗率的获取方法

　　按照 GB/T 40799 规定的方法，获取机械加工过程总能耗和待机能耗，按公式(5)计算待机能耗率。

　　…………………………( 5 )

　　式中：

　　γst —机械加工过程待机能耗率，以%表示;

　　Est —机械加工过程待机能耗，单位为千瓦时(kW · h) 。

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　　5 . 6 空运转能耗率的获取方法

　　按照 GB/T 40799 规定的方法，获取机械加工过程总能耗和空运转能耗，按公式(6) 计算空运转能耗率。

　　…………………………( 6 )

　　式中：

　　γu —机械加工过程空运转能耗率，以%表示;

　　Eu —机械加工过程空运转能耗，单位为千瓦时(kW · h) 。

　　5 . 7 切削能耗率的获取方法

　　按照 GB/T 40799 规定的方法，获取机械加工过程总能耗和切削能耗，按公式(7)计算切削能耗率。

　　…………………………( 7 )

　　式中：

　　γc —机械加工过程切削能耗率，以%表示;

　　Ec —机械加工过程切削能耗，单位为千瓦时(kW · h) 。

　　5 . 8 切削能量利用率的获取方法

　　按照 GB/T 40799 规定的方法，获取机械加工过程切削能耗和材料去除能耗，按公式(8) 计算切削能量利用率。

　　…………………………( 8 )

　　式中：

　　ηmr —机械加工过程切削能量利用率，以%表示。

　　6 评价流程及要求

　　6 . 1 评价流程

　　机械加工过程能量效率评价流程如图 1 所示，包括以下 5 个步骤：

　　a) 选取待评价机械加工过程;

　　b ) 选取能效评价指标;

　　c) 制定评价指标的基准值;

　　d) 获取评价指标的测算值;

　　e) 将评价指标测算值与其基准值进行比较，判定评价结果。

　　评价示例见附录 A。

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　　图 1 评价流程

　　6 . 2 选取待评价机械加工过程

　　选取待评价机械加工过程时应满足以下 2 个要求：

　　— 所选取加工过程属于机床加工一个或多个工件的完整加工过程;

　　— 所加工工件具有相同规格。

　　选定机械加工过程后，应记录所选机械加工过程的加工时间段、机床型号和工件型号等信息。

　　6 . 3 选取评价指标

　　6 . 3 . 1 依据评价需求，选取机械加工过程能量效率评价指标。

　　6 . 3 . 2 评价机械加工过程综合能效情况，应从有效能量利用率、工件比能和体积比能中选取一个或多个综合评价指标。 其中：

　　— 评价不同机床加工相同工件的整体能效情况，优先选择工件比能;

　　— 评价机床加工不同材料的整体能效情况，优先选择体积比能;

　　— 评价差异较大(比如机床以及工件规格均不同)的两个机械加工过程的整体能效情况，优先选择有效能量利用率。

　　6 . 3 . 3 评价机械加工过程单项能效情况，应依据以下原则选取单项评价指标：

　　— 评价待机过程能效情况，选取待机能耗和待机能耗率;

　　— 评价空运转过程能效情况，选取空运转能耗和空运转能耗率;

　　— 评价切削过程能效情况，选取切削能耗和切削能耗率;

　　— 评价切削过程中切削参数选取情况，选取材料去除能耗和切削能量利用率。

　　6 . 4 制定评价指标的基准值

　　6 . 4 . 1 评价指标的基准值是能量效率评价过程中量化能量效率差距、指导能量效率优化的基础参考依据，可依据参考制定法和测试制定法两种方法来制定。

　　6 . 4 . 2 参考制定法。 若已发布机械加工过程的能耗限额标准以及行业中相同机械加工过程的能量效率先进值，可参考能耗限额标准和行业先进值，选取制定评价指标的基准值。

　　6 . 4 . 3 测试制定法。 通过实际测试来制定评价指标的基准值。 具体步骤如下：

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　　a) 选取一段机械加工过程。 其中，所选机械加工过程应满足加工过程中机床未发生故障、所加工工件具有相同规格且皆为合格件、合格件数量不少于 3 个;

　　b) 按照第 5 章所述方法，获取每个合格工件加工过程能量效率评价指标的测算值;

　　c) 对每项评价指标在各合格工件加工过程的测算值，按从大到小进行排序;

　　d) 选取排序中的最大值作为该项评价指标的基准最大值，并选取排序中的最小值作为该项评价指标的基准最小值。

　　e) 对于待机能耗、空运转能耗、切削能耗以及材料去除能耗这 4 个指标，其基准值为单个工件评价指标的基准值与待评价加工过程合格工件数量的乘积。

　　具体示例见 A. 3 。

　　6 . 5 获取评价指标的测算值

　　按第 5 章规定的方法获取机械加工过程能量效率评价指标的测算值。 同时，评价指标测算值的获取过程应满足 GB/T 40799 的要求。

　　6 . 6 判定评价结果

　　将各评价指标的测算值与其基准值进行比较，判定评价结果。 其中：

　　— 当各评价指标的测算值低于其基准最大值而高于基准最小值时，则视为正常水平。

　　— 对于有效能量利用率、切削能耗率以及切削能量利用率这 3 个指标：当其测算值高于其基准最大值时，则视为高效率;当其测算值低于基准最小值时，则视为低效率。

　　— 对于工件比能、体积比能、待机能耗、待机能耗率、空运转能耗、空运转能耗率、切削能耗以及材料去除能耗这 8 个指标：当其测算值高于其基准最大值时，则可视为低效率;当其测算值低于基准最小值时，则可视为高效率。

　　7 评价报告的编写要求

　　评价报告主要包括机械加工过程的基本信息、能量效率评价信息表以及人员 日 期信息等，具体如下：

　　— 机械加工过程的基本信息应包括加工时间段、机床型号和工件型号等内容。

　　— 能量效率评价信息表应包括评价指标、基准值、测算值、评价结果以及建议等内容。

　　— 人员 日期信息应包括评价人员信息、审核人员信息以及评价日期等。

　　评价报告示例见 A. 6 。

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　　附 录 A

　　(资料性)

　　机械加工过程能量效率评价示例

　　A.1 选取待评价机械加工过程

　　依据 6 . 2 规定的要求，选取机床 A加工一批工件 W 的完整加工过程。 其中，机床 A 的信息如表 A. 1所示，工件 W 的信息如表 A. 2 所示;批量加工工件的数量为 10 个 。

　　表 A.1 待评价机械加工过程的机床信息

　　表 A.2 待评价机械加工过程的工件信息

　　A.2 选取评价指标

　　为整体展示机械加工过程能量效率评价全过程，本次评价选取评价指标体系中的所有指标。 其中，综合评价指标包括有效能量利用率、体积比能和工件比能;选取的单项评价指标包括待机能耗、待机能耗率、空运转能耗、空运转能耗率、切削能耗、切削能耗率、材料去除能耗和切削能量利用率。

　　A.3 制定加工过程评价指标的基准

　　采用测试制定法制定能效基准。 具体步骤和结果如下：

　　a) 采用机床 A连续加工完成 3 个合格工件 W ;

　　b ) 采用几何计算法，计算获得单个工件材料去除体积为 67 713 . 5 mm3 。

　　c) 按照 GB/T 40799 规定的方法，获取每个合格工件加工过程的总能耗、待机能耗、空运转能耗、切削能耗和材料去除能耗，如表 A. 3 所示。

　　GB/T 40803—202 1

　　表 A.3 合格工件加工过程总能耗、待机能耗、空运转能耗、切削能耗和材料去除能耗

　　d) 依次按 5 . 2~5 . 8 的方法，计算获取每个合格工件加工过程的有效能量利用率、工件比能、体积

　　比能、待机能耗率、空运转能耗率、切削能耗率以及切削能量利用率，如表 A. 4 所示。

　　表 A.4 合格工件加工过程有效能量利用率、体积比能、待机能耗率等指标值

　　e) 对各合格工件加工过程评价指标的测算值，按从大到小进行排序，如表 A. 5 所示。表 A.5 各评价指标测算值的排序表

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　　f) 选取排序中的最大值作为该项评价指标的基准最大值，并选取排序中的最小值作为该项评价指标的基准最小值，如表 A. 6 所示。

　　表 A.6 基准值表

　　A.4 获取加工过程评价指标测算值

　　依据 6 . 5,获取加工过程各评价指标的测算值。

　　a) 统计获得该段加工过程的工件合格数量为 10 个 。

　　b ) 采用几何计算法，计算获得单个工件材料去除体积为 67 713 . 5 mm3 ,整个加工过程的材料去除体积为 677 135 mm3 。

　　c) 按照 GB/T 40799 规定的方法，获取待评价机械加工过程的总能耗、待机能耗、空运转能耗、切削能耗、材料去除能耗，如表 A. 7 所示。

　　表 A.7 待评价机械加工过程的能效检测值

　　d) 依次按 5 . 2~5 . 8 的方法，计算获取有效能量利用率、工件比能、体积比能、待机能耗率、空运转能耗率、切削能耗率以及切削能量利用率，如表 A. 8 所示。

　　表 A.8 待评价机械加工过程的评价指标计算值

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　　A.5 评价结果

　　依据 6 . 6 的要求，将各评价指标的测算值与其基准值进行比较，判定各个评价指标的表现情况，具体如表 A. 9 所示。

　　表 A.9 机械加工过程评价指标的表现情况表

　　根据综合评价指标的评判结果可知，所评价的机械加工过程综合能量效率偏低。

　　根据单项评价指标中的待机能耗指标测算值比其基准值高，可知该段机械加工过程在工件装卸过程所花费的时间较长，有进一步提升的空间。 根据切削能耗测试值正常且材料去除能耗测算值属于高效率范围，可知该段机械加工过程采用了使得材料去除能耗更低的工艺参数;从切削能量利用率测算值低于其基准值可知，此次工艺调整能效表现不佳;同时，根据空运转过程属于低效率可知该工艺参数引起了机床空运转能耗等非负载能耗的增加。

　　基于上述评价结果，提出以下能效提升建议：

　　a) 缩短工件装卸时长;若工件装卸时长难以缩短，可在停机状态下进行装卸操作;

　　b ) 选择使机械加工全过程(而不是局部环节)能量效率更高的工艺参数。

　　A.6 编写评价报告

　　依据第 7 章规定的要求，编写机械加工过程能量效率评价报告。 具体如表 A. 10 所示。

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　　表 A.10 机械加工过程能量效率评价报告