CN108319736B - 基于工艺设计参数的砂型铸造过程碳排放计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于工艺设计参数的砂型铸造过程碳排放计算方法，包括以下步骤：砂型铸造工艺设计过程分析，获得可变设计参数集合；选择一基准设计参数，并利用基于工序碳源的碳排放模型，计算该设计参数组合下的各工部的各碳源组成的标准碳排放矩阵；试验并获得设计参数的的影响力系数矩阵；建立各工部的各碳源的碳排放经验表达式；获得砂型铸造过程的碳排放经验表达式；根据所设计的设计参数组合，结合步骤五中计算式，获得该设计参数组合下的砂型铸造过程碳排放。本发明能够利用基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放模型，建立在设计阶段快速计算的经验公式，实现设计参数变化下的碳排放计算，可用于制定设计方案和生产计划。

Description

基于工艺设计参数的砂型铸造过程碳排放计算方法
【技术领域】
本发明涉及砂型铸造碳排放量的技术领域，特别是基于工艺设计参数的砂型铸造过程碳排放计算方法的技术领域。
【背景技术】
铸造行业的能量消耗占整个机械工业总能耗的25％左右，行业能量平均利用率仅为17％。为了实现低碳铸造，建立碳排放量化模型，国内外从不同层次开展了深入研究。郑军等人在《计算机集成制造系统》期刊中的题为“基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放建模方法”中，明确工序以及工序之间的具体碳排放情况，从砂型铸造工艺过程角度出发，通过分析工艺过程特点，采用工序特征要素来描述工序基本状态，建立空载碳源、负载碳源、物料碳源以及非期望碳源等五类基础工序碳源，通过基础工序碳源来描述并计算各个工序的碳排放。提出的碳排放模型可以定量估算出不同工序的碳排放量，实现了工艺过程中的碳排放量的分析和比较，为企业制定节能减排措施提供理论依据。
铸造零件的碳排放量由其铸造工艺过程决定，而铸造工艺设计决定了铸造工艺过程，不同的工艺设计参数将产生不同的碳排放量，铸造工艺设计对能源的有效利用、碳排放的产生起着重要的作用。目前，针对铸造工艺设计参数的砂型铸造过程碳排放的研究甚少，为此，急需一种基于工艺设计参数的砂型铸造过程碳排放计算方法。
砂型铸造工艺设计过程中，结合不同企业的实际生产条件，有部分设计参数(如造型制芯方法、铸型类型、浇注位置、分型面等参数)是可以变化的，虽然有基于工序碳源的碳排放计算式，但在设计阶段，很多参数缺失，不可能很好地运用此公式。为此，可以通过实验校正原有的基于工序碳源的碳排放计算式，形成经验公式。从而，便于企业在设计阶段使用。
【发明内容】
本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出基于工艺设计参数的砂型铸造过程碳排放计算方法，能够利用基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放模型，根据不同企业自身生产条件，建立在设计阶段快速计算的经验公式，实现设计参数变化下的碳排放计算，可用于制定设计方案和生产计划。
为实现上述目的，本发明提出了基于工艺设计参数的砂型铸造过程碳排放计算方法，包括以下步骤：
步骤一：砂型铸造工艺设计过程分析，获得可变设计参数集合：可变设计参数集合为P＝{p1，p2，…，pu}，pu是第u个可变设计参数；
步骤二：选择一基准设计参数，并利用基于工序碳源的碳排放模型，计算该设计参数组合下的各工部的各碳源组成的标准碳排放矩阵：工部包括混砂工部
Figure GDA0003150001710000021
制芯工部
Figure GDA0003150001710000022
清理工部
Figure GDA0003150001710000023
造型工部
Figure GDA0003150001710000024
熔化工部
Figure GDA0003150001710000025
砂处理工部
Figure GDA0003150001710000026
碳源包括物料消耗碳源CMC、非期望碳源CUC、空载碳源CPC、负载碳源CLC、能源消耗碳源CEC；因而，可获得各工部的各碳源组成的标准碳排放矩阵
Figure GDA0003150001710000027
其中不同工部下的同一类型碳源为同一计算公式；
步骤三：将可变设计参数集合的每一可变参数进行试验，并利用基于工序碳源的碳排放模型计算碳排放，获得设计参数的各个变化参数对各工部的各碳源的影响力系数组成的影响力系数矩阵：影响力系数
Figure GDA0003150001710000031
其中CRandom为任意变化某一参数后的碳排放，CRStandard为未变化该参数时的碳排放；pi的第j个变化参数对各工部的各碳源的影响力系数矩阵为
Figure GDA0003150001710000032
Figure GDA0003150001710000033
设计参数集合对应的影响力系数矩阵为
Figure GDA0003150001710000034
其中v等于u个可变设计参数中最多的变量数量；
步骤四：建立各工部的各碳源的碳排放经验表达式：pi的第j个变化参数变化下的各工部的各碳源组成的碳排放矩阵为标准碳排放矩阵与pi的第j个变化参数的影响力系数矩阵的Hadamard乘积，即
Figure GDA0003150001710000035
Figure GDA0003150001710000036
多个设计参数变化下的各工部的各碳源组成的碳排放矩阵为CStandard*Aij*Amn*…*Auv，该式表达为pi的第j个变化参数、pm的第n个变化参数、…、pu的第v个变化参数同时变化下的碳排放矩阵；
步骤五：获得砂型铸造过程的碳排放经验表达式：设计参数变化下的各工部的碳排放为该工部具有的设计参数变化下的碳源的碳排放总和，砂型铸造过程的碳排放为设计参数变化下的各工部的碳排放总和；
步骤六：根据所设计的设计参数组合，结合步骤五中计算式，获得该设计参数组合下的砂型铸造过程碳排放。
作为优选，步骤二中的物料消耗碳源
Figure GDA0003150001710000041
非期望碳源
Figure GDA0003150001710000042
空载碳源CPC＝PO·t·Ee、负载碳源CLC＝(P0+μ·We·Pw)·t·Ee、能源消耗碳源
Figure GDA0003150001710000043
其中PO为铸造设备空载功率或待机功率；t为设备的运行时间；Ee为电力的碳排放系数；Pw为设备单位重量下的附加功率；μ为设备功率损失系数；We为负载重量；Ui为消耗第i种物料量；
Figure GDA0003150001710000044
为处理物料第k个加工阶段所消耗的用电量；Vi为消耗第i类能源量；Ei为第i种能源的碳排放系数；Qi为产生的第i种非期望数量；φi为第i种非期望物质处理难度系数。
本发明的有益效果：
1.本发明能够利用基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放模型，根据不同企业自身生产条件，分析其工艺过程，建立在设计阶段快速计算的经验公式，实现工艺设计参数变化下的碳排放计算，可用于制定设计方案和生产计划。
2.利用本发明方法，可以在实验形成经验公式的基础上，实现设计阶段快速计算，从而便于事前预测碳排放，便于企业生产调度，同时也便于对碳排放量的控制。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本发明基于工艺设计参数的砂型铸造过程碳排放计算方法的方法流程图；
图2是本发明基于工艺设计参数的砂型铸造过程碳排放计算方法的六大工部图。
【具体实施方式】
参阅图1、图2，本发明，包括以下步骤：
步骤一：砂型铸造工艺设计过程分析，获得可变设计参数集合：可变设计参数集合为P＝{p1，p2，…，pu}，pu是第u个可变设计参数；
步骤二：选择一基准设计参数，并利用基于工序碳源的碳排放模型，计算该设计参数组合下的各工部的各碳源组成的标准碳排放矩阵：工部包括混砂工部
Figure GDA0003150001710000051
制芯工部
Figure GDA0003150001710000052
清理工部
Figure GDA0003150001710000053
造型工部
Figure GDA0003150001710000054
熔化工部
Figure GDA0003150001710000055
砂处理工部
Figure GDA0003150001710000056
碳源包括物料消耗碳源CMC、非期望碳源CUC、空载碳源CPC、负载碳源CLC、能源消耗碳源CEC；因而，可获得各工部的各碳源组成的标准碳排放矩阵
Figure GDA0003150001710000057
其中不同工部下的同一类型碳源为同一计算公式；
步骤三：将可变设计参数集合的每一可变参数进行试验，并利用基于工序碳源的碳排放模型计算碳排放，获得设计参数的各个变化参数对各工部的各碳源的影响力系数组成的影响力系数矩阵：影响力系数
Figure GDA0003150001710000058
其中CRandom为任意变化某一参数后的碳排放，CRStandard为未变化该参数时的碳排放；pi的第j个变化参数对各工部的各碳源的影响力系数矩阵为
Figure GDA0003150001710000059
Figure GDA00031500017100000510
设计参数集合对应的影响力系数矩阵为
Figure GDA0003150001710000061
其中v等于u个可变设计参数中最多的变量数量；
步骤四：建立各工部的各碳源的碳排放经验表达式：pi的第j个变化参数变化下的各工部的各碳源组成的碳排放矩阵为标准碳排放矩阵与pi的第j个变化参数的影响力系数矩阵的Hadamard乘积，即
Figure GDA0003150001710000062
Figure GDA0003150001710000063
多个设计参数变化下的各工部的各碳源组成的碳排放矩阵为CStandard*Aij*Amn*…*Auv，该式表达为pi的第j个变化参数、pm的第n个变化参数、…、pu的第v个变化参数同时变化下的碳排放矩阵；
步骤五：获得砂型铸造过程的碳排放经验表达式：设计参数变化下的各工部的碳排放为该工部具有的设计参数变化下的碳源的碳排放总和，砂型铸造过程的碳排放为设计参数变化下的各工部的碳排放总和；
步骤六：根据所设计的设计参数组合，结合步骤五中计算式，获得该设计参数组合下的砂型铸造过程碳排放。
具体的，步骤二中的物料消耗碳源
Figure GDA0003150001710000064
非期望碳源
Figure GDA0003150001710000065
空载碳源CPC＝PO·t·Ee、负载碳源CLC＝(P0+μ·We·Pw)·t·Ee、能源消耗碳源
Figure GDA0003150001710000066
其中PO为铸造设备空载功率或待机功率；t为设备的运行时间；Ee为电力的碳排放系数；Pw为设备单位重量下的附加功率；μ为设备功率损失系数；We为负载重量；Ui为消耗第i种物料量；
Figure GDA0003150001710000071
为处理物料第k个加工阶段所消耗的用电量；Vi为消耗第i类能源量；Ei为第i种能源的碳排放系数；Qi为产生的第i种非期望数量；φi为第i种非期望物质处理难度系数。
本发明工作过程：
本发明基于工艺设计参数的砂型铸造过程碳排放计算方法在工作过程中，结合下述实例进行说明
实施例一：
结合某一铸造企业所具有设备，对砂型铸造工艺设计过程分析，获得可变设计参数集合P＝{p1＝造型制芯方法，p2＝铸型类型p3＝浇注位置，p4＝分型面，p5＝余量，…，pn＝分型负数}，选择一参数组合作为基准设计参数，P＝{p11，p21，p31，p41，p51，…，pn1}，利用郑军等人在《计算机集成制造系统》期刊中的题为“基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放建模方法”中的方法，即物料消耗碳源
Figure GDA0003150001710000072
非期望碳源
Figure GDA0003150001710000073
空载碳源CPC＝PO·t·Ee、负载碳源CLC＝(P0+μ·We·Pw)·t·Ee、能源消耗碳源
Figure GDA0003150001710000074
其中PO为铸造设备空载功率或待机功率；t为设备的运行时间；Ee为电力的碳排放系数；Pw为设备单位重量下的附加功率；μ为设备功率损失系数；We为负载重量；Ui为消耗第i种物料量；
Figure GDA0003150001710000075
为处理物料第k个加工阶段所消耗的用电量；Vi为消耗第i类能源量；Ei为第i种能源的碳排放系数；Qi为产生的第i种非期望数量；φi为第i种非期望物质处理难度系数；上述参数的进一步描述或获得，均可从“基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放建模方法”一文中获得。从而可以计算出该设计参数组合下的各工部的各碳源组成的标准碳排放矩阵。
实例二：
影响力系数的获得：以可变设计参数造型制芯方法的变化对造型工部
Figure GDA0003150001710000076
的各碳源的影响力系数为例说明如何获得。以郑军等人在《浙江大学学报(工学版)》期刊中的题为“面向砂型铸造的碳排放效率建模及评价方法”中的数据作为来源。
箱体类铸件砂箱尺寸为400×350×100，该对象企业具有4种造型制芯方法下对应的4种砂型铸造造型生产线，基本信息如下：生产线1，双臂移动混砂-带式传送-料斗填砂-震实台紧实-手工起模-手动喷刷-手动下芯-机械式合箱-机械式压箱；生产线2，热法混砂-带式传送-螺旋填砂-震实台紧实-滚筒起模-自动刷涂-机械压箱；生产线3，双臂移动混砂-连续带式传送-震实台紧实-转台起模-自动化压箱；生产线4，球形混砂-带式传送-机械震实-转台起模-高压喷涂-自动压箱。获得各造型生产线的碳排放值如下表。
Figure GDA0003150001710000081
生产线1为基础方案，生产线1的各碳源的影响力系数
Figure GDA0003150001710000082
Figure GDA0003150001710000083
均为1，因而可获得生产线2的
Figure GDA0003150001710000084
Figure GDA0003150001710000085
Figure GDA0003150001710000086
生产线3的
Figure GDA0003150001710000087
Figure GDA0003150001710000088
生产线4的
Figure GDA0003150001710000089
Figure GDA00031500017100000810
Figure GDA00031500017100000811
实施例三：
根据实施例二的内容，以该企业的生产线1的方案的数据作为基础数据，可以获得的造型工部
Figure GDA0003150001710000091
的经验计算式为
Figure GDA0003150001710000092
Figure GDA0003150001710000093
在设计阶段，使用该式时，如用生产线4，则将
Figure GDA0003150001710000094
Figure GDA0003150001710000095
带入上式，获得造型工部总碳排放。同理，多个设计参数变化的情况，仅仅是所乘系数变多。
本发明，能够利用基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放模型，根据不同企业自身生产条件，分析其工艺过程，建立在设计阶段快速计算的经验公式，实现工艺设计参数变化下的碳排放计算，可用于制定设计方案和生产计划。利用本发明方法，可以在实验形成经验公式的基础上，实现设计阶段快速计算，从而便于事前预测碳排放，便于企业生产调度，同时也便于对碳排放量的控制。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于工艺设计参数的砂型铸造过程碳排放计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：砂型铸造工艺设计过程分析，获得可变设计参数集合：可变设计参数集合为P＝{p1，p2，…，pu}，pu是第u个可变设计参数；
步骤二：选择一基准设计参数，并利用基于工序碳源的碳排放模型，计算该设计参数组合下的各工部的各碳源组成的标准碳排放矩阵：工部包括混砂工部
Figure FDA0003150001700000011
制芯工部
Figure FDA0003150001700000012
清理工部
Figure FDA0003150001700000013
造型工部
Figure FDA0003150001700000014
熔化工部
Figure FDA0003150001700000015
砂处理工部
Figure FDA0003150001700000016
碳源包括物料消耗碳源
Figure FDA0003150001700000017
非期望碳源
Figure FDA0003150001700000018
Figure FDA0003150001700000019
空载碳源CPC＝P0 ·t·Ee、负载碳源CLC＝(P0+μ·We·Pw)·t·Ee、能源消耗碳源
Figure FDA00031500017000000110
其中P0 为铸造设备空载功率或待机功率；t为设备的运行时间；Ee为电力的碳排放系数；Pw为设备单位重量下的附加功率；μ为设备功率损失系数；We为负载重量；Ui为消耗第i种物料量；
Figure FDA00031500017000000111
为处理物料第k个加工阶段所消耗的用电量；Vi为消耗第i类能源量；Ei为第i种能源的碳排放系数；Qi为产生的第i种非期望数量；φi为第i种非期望物质处理难度系数；因而，可获得各工部的各碳源组成的标准碳排放矩阵
Figure FDA00031500017000000112
Figure FDA00031500017000000113
其中不同工部下的同一类型碳源为同一计算公式；
步骤三：将可变设计参数集合的每一可变参数进行试验，并利用基于工序碳源的碳排放模型计算碳排放，获得设计参数的各个变化参数对各工部的各碳源的影响力系数组成的影响力系数矩阵：影响力系数
Figure FDA00031500017000000114
其中CRandom为任意变化某一参数后的碳排放，CRStandard为未变化该参数时的碳排放；pi的第j个变化参数对各工部的各碳源的影响力系数矩阵为
Figure FDA0003150001700000021
Figure FDA0003150001700000022
设计参数集合对应的影响力系数矩阵为
Figure FDA0003150001700000023
其中v等于u个可变设计参数中最多的变量数量；
步骤四：建立各工部的各碳源的碳排放经验表达式：pi的第j个变化参数变化下的各工部的各碳源组成的碳排放矩阵为标准碳排放矩阵与pi的第j个变化参数的影响力系数矩阵的Hadamard乘积，即
Figure FDA0003150001700000024
Figure FDA0003150001700000025
多个设计参数变化下的各工部的各碳源组成的碳排放矩阵为CStandard*Aij*Amn*…*Auv，该式表达为pi的第j个变化参数、pm的第n个变化参数、…、pu的第v个变化参数同时变化下的碳排放矩阵；
步骤五：获得砂型铸造过程的碳排放经验表达式：设计参数变化下的各工部的碳排放为该工部具有的设计参数变化下的碳源的碳排放总和，砂型铸造过程的碳排放为设计参数变化下的各工部的碳排放总和；
步骤六：根据所设计的设计参数组合，结合步骤五中计算式，获得该设计参数组合下的砂型铸造过程碳排放。
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