机械加工系统能量效率的可预测特性及预测方法研究

摘要

机械加工系统具有数量多，涉及面广的特点，其能量消耗巨大；同时，由能量消耗引起的环境问题日益严重。近年来的研究发现机械加工系统能量效率很低、节能潜力巨大，以至于世界范围内的各大高校和各大国际组织都对机械加工系统的能量效率展开了研究。机械加工系统能量效率提升是当代制造业亟需解决的问题，是绿色制造研究的重要内容，其研究符合可持续性发展的要求，具有十分重大的意义。基于此，本文主要针对机械加工系统两种过程能量效率指标（比能效率和能量利用率）的可预测特性及预测方法进行了研究。
　　首先，根据机械加工系统运行过程中的时段能耗特性，对每个时段的能量源构成进行分析，并在此基础上构建出各个时段的功率模型；基于这些功率模型，从能量消耗机理上对机械加工过程各个时段功率消耗的可预测特性进行分析，并提出各个时段的预测方法构建的思路；综合各个时段可预测特性来探讨机械加工系统能量效率的可预测性及实现其预测的条件。
　　其次，分析机械加工系统运行过程中的比能效率的特性，综合考虑加工过程中功率信息的动态变化特性和加工条件（机床类型、工件材料、切削参数等）对加工过程输入能量的影响，在此基础上构建出比能效率预测模型，并提出该预测模型中各个构成要素的预测方法，以构建出适用于不同加工条件下的比能效率预测方法。
　　然后，根据机械加工系统加工过程能量利用率的定义和能耗时段特性构建出机械加工过程能量利用率预测模型，并分别提出机械加工系统运行过程中各个时段能耗预测方法，以提出机械加工系统运行过程的能量利用率预测方法；并通过应用案例分析了该能量利用率预测方法在机械加工工艺参数节能性决策方面的应用。
　　论文还针对机械加工系统能量效率预测的关键要素——附加载荷损耗能量的预测方法进行了研究。针对现有载荷损耗能量获取方法所存在的现场可操作性差、工作量大且适应性窄的弊端，提出了一种附加载荷损耗能量的映射预测方法。该方法通过构建标准切削条件，并将其映射到目标机床进行标准切削实验，以获取目标设备的载荷能量损耗系数，从而实现对目标设备任意加工条件下的附加载荷损耗能量进行预测。该方法使得目标机床的载荷损耗系数获取实验不再需要安装复杂的切削力测量仪，因此能够极大地简化载荷损耗系数的获取过程，且不受机床结构设计和安装尺寸的限制。以上各部分的应用案例及试验验证综合表明，上述模型和方法具有相对较高的预测精度和很好的实用性。
　　最后，对机械加工系统能量效率实用预测支持系统进行了开发，主要包括系统体系框架设计和系统功能模块设计，以及系统功能模块的开发等。以上机械加工系统能量效率预测方法能够为机械加工系统运行过程能量效率地提升、能耗限额制定、能量效率评价、工艺参数节能优化以及车间节能性调度等研究提供方法支持，具有较广阔的应用前景。

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 论文选题背景

1.2 国内外研究现状分析与总结

1.3 论文研究目的意义及项目来源

1.4 论文研究内容的体系结构

2 机械加工系统能量效率可预测特性研究

2.1 能量效率的定义

2.2 机械加工系统的能耗构成分析

2.3 机械加工系统待机能耗可预测特性

2.4 机械加工系统启动能耗可预测特性

2.5机械加工系统空载功率可预测特性研究

2.6机械加工系统加工过程能耗可预测特性研究

2.7 本章小结

3 机械加工系统比能效率预测方法

3.1 引言

3.2 机械加工系统比能效率预测模型

3.3 比能效率基础能耗数据获取方法

3.4 比能效率预测应用案例

3.5 比能效率预测实验验证

3.6 本章小结

4 机械加工系统能量利用率预测方法

4.1 引言

4.2 机械加工系统能量利用率预测模型

4.3 能量利用率关键组件能耗预测方法

4.4 能量利用率预测案例及实验验证

4.5能量利用率预测方法的应用前景分析

4.5本章小结

5 能量效率关键要素——附加载荷损耗能量映射预测方法

5.1 引言

5.2 附加载荷损耗能量映射预测方法提出

5.3 载荷能量损耗能量映射预测方法原理概述

5.4 标准切削功率模型构建方法

5.5 目标机床空切功率模型获取方法

5.6附加载荷能量损耗系数映射预测方法实施过程

5.7 附加载荷损耗预测实施案例研究

5.8 本章小结

6 机械加工系统能量效率预测支持系统开发

6.1 机械加工系统能量效率预测支持系统方案设计

6.2 系统功能模块的开发

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 研究不足与展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间发表的论文

B. 攻读博士学位期间获得授权或申请的发明专利

C. 攻读博士学位期间从事的主要科研工作

D. 攻读博士学位期间获得的奖励和荣誉