氣動執行器與電動執行器在工業自動化中得到了越來越廣泛的應用。以汽缸為代表的氣動執行器由于系統構成簡單、元器件價格低廉、維護容易等特點，從20世紀70年代開始在工業自動化領域的應用逐步擴大，至今已形成全球年銷售約110億美元的市場規模，在汽車、半導體制造等行業中發揮著重要的作用。但在原油日益高漲、能源問題突出的今天，氣動執行器效率偏低、運行能耗成本高昂等問題也引起了人們的關注。相對氣動執行器，電動執行器具有能量轉化率高，運行成本低等優點，但元器件昂貴，約為氣動執行器的3-8倍。在執行器的選擇上國內外尚有爭議，一直尚無充足的數據來論述兩者選擇的標準。二者的綜合成本以及生命周期中對環境產生的負擔（能耗和排放）方面的評價比較國內外為空白。現在各企業已意識到能耗問題并開始采取積極有效的措施來降低系統的能耗，而執行器的選擇問題就是實施節能的關鍵一環。生命周期評價（LCA）就是在總的成本和總的環境負擔基礎上，來評價產品的投入產出的一種工具。但是LCA對典型的機電產品系統的研究還沒有展開。

    本文擬開展氣動與電動執行器的生命周期評價的對比研究。從生命周期理論出發，在考慮氣動執行器與電動執行器的整個生命周期內總的成本費用，總的能耗和總的污染物排放量的基礎上進行綜合對比分析。以期可以為企業提供一種執行器選擇的依據。

    1 本研究的目標與范圍

    從圖1人們可以看到LCA主要包括目標和范圍設定清單分析影響評價和解釋四個步驟。

圖1 生命周期評價框架

    研究目標與范圍：本研究目標確定為對氣動與電動兩種執行器的生命周期成本（LCC）、能耗、污染物排放量的比較。給出兩個系統的這三方面的計算模型。具體包括購買執行器系統的初始、運行/維護、以及廢棄處理等相應過程的費用、能耗、污染物的排放。兩種執行器的系統邊界見圖2。

圖2 系統邊界

    2 執行器生命周期的成本模型

    一般來說，一個產品的生命周期主要有以下幾個階段組成，如圖3所示。

圖3 產品生命周期的主要組成階段

    對用戶來說執行器系統的整個生命周期成本，我們可以把整個生命周期定義為從購買、使用/維護、至報廢/回收的全過程。

    2.1 氣動執行器的生命周期成本模型

    若顧客的購買氣動執行器交易費用為C_d，生命周期內運行所花費的總費用為C_m，維護費用為C_u，放棄/回收費用為C_r，則產品的生命周期總費用（LTC）為

    為了核算不同時段氣動執行器的費用投入情況，需要將遞增成本通過貼現現金流量法轉化成當前（購買時）成本，即凈現值（NPV）。這種方法主要綜合考慮利率和通貨膨脹，形成貼現率（r），從而使投資總成本的計算在貨幣的將來值基礎上進行。其計算公式為：

    式中

    C_t—第t年的投入成本；
    r—貼現率，r=（1+利率）/（1+通貨膨脹率）-1；
    n—執行器的壽命周期；
    t—年份。

    （1）氣動執行器運行成本

    根據氣動執行器單位時間所消耗空氣的體積v，換算到標準狀態下的體積v'，由比能量，可以計算出單位時間內氣動執行器消耗的電量p=a*v'（kw/h），執行器運行花費的費用C_m主要為消耗的電的費用，設它生命周期內每年的工作時間t_i（h）、每度電的價格c_i（元/kwh），則

    若運行費用是常量C，則

    其中

    （2）維修成本

    維修成本是在使用期限內，為維護執行器進行修理或更換部件所花費的費用。假設生命周期內的此項費用不變，則生命周期內氣動執行器的維修費用可有下式計算

    式中，A為每年等額的維護費用D（P/A，i，n）=[•]為年金現值因子。

    （3）廢棄/回收費用

    式中，F為期末的一次性放棄/回收費用；（P/F，i，n）=[•]為復利現值因子。故（1）可寫為：

    在上述評價模型中，A與F的估計與預測，可采用通過工廠調研或專家評估的方法來確定。該評價模型考慮了產品的全生命周期費用。它比現有成本評價中通常采用的來衡量系統的生命周期價值的方法相比，是一種更客觀性的方法。

    2.2 電動執行器的生命周期成本模型

    設電動執行的生命周期為n'，購買的初期成本為C'_d，運行成本為C'_m，每年等額的維修費用為A'，維修成本為C'_u，期末的一次性放棄/維修費用為F'，廢棄成本C'_r，以上三項可以參照氣動執行器的成本分析同理計算，所以電動執行器生命周期成本為

    2.3 成本對比分析

    在確定氣動與電動執行器的生命周期成本的基礎上，就可以進行經濟性評價。由于兩個執行器的生命周期不同，單位時間內做的功（傳輸的能量）不同，因此，我們以單位做功功率的生命周期費用為標準進行比較，設氣動與電動執行器的做功功率為P₁、P₂；生命周期內工作的總時間分為T₁、T₂。則令

    通過（8）式計算結果R的大小，可以說明選擇那個執行器更加經濟。

    3 執行器系統生命周期周期能耗模型

    由于能源單位和實物形式有多種，因此在進行能源統計時，把不同的能源都折算成標準煤，折算系數可用當量熱或者等價熱。動態性是產品全生命周期能量消耗的重要特點，產品能量分析必須考慮到能量的動態性能。能量的消耗貫穿于產品全生命周期內的各階段。如圖4所示。圖中虛線為物料流實線為能量流，加號表示傳遞及附加行為所消耗的能量。

圖4 產品全生命周期能量消耗分析

    3.1 氣動執行器的動態生命周期能量消耗模型

    由于氣動執行器在生命周期的不同階段與能量的關系不盡相同，為此，將生命周期進行分解，針對每一階段的能量進行分析，建立相應的能量函數，從而得到生命周期各階段能量消耗的量化模型。然后將每個能量函數按照生命周期拓撲關系進行交叉疊加，得到全生命周期能量模型，如下式

    式中：

    E₁—從資源轉化為原材料所消耗的總能量
    E₂—將原材料加工成執行器所消耗的總能量
    E₃—執行器正常使用所消耗的總能量
    E₄—執行器在使用過程中修理維護所消耗的總能量
    E₅—廢棄/回收消耗的總能量

    （1）氣動執行器原材料能耗（E1）的計算

    資源經過開采、冶煉和成形等過程轉化為原材料產品，不同的原材料都有其相應的能量消耗。此外，原材料的能耗還與資源的來源有關，即分為從自然界中直接開采獲得還是從回收再處理過程中獲得，假設氣動執行器包含n種材料，第i種材料質量為。則原材料總能量消耗E1如下式：

    式中：

    φ_i，i—第i種材料，回收再處理資源所占比例

    e_1,i，e_2,i從自然資源或回收資源，生產單位質量材料i所消耗的能量，簡稱材料的直接單位能耗、回收單位能耗。

    以氣動執行器的主要原料鋁為例；根據《工業污染物產生和排放系數手冊》與郭鹿和王崢等人的相關研究，可得生產制備1000kg鋁的資源消耗、能源消耗清單見表1。

表1 制備1000kg鋁的資源、能源、與排放清單

    由生產1千瓦時的電能需要消耗409g的無煙煤，設氣動執行器中鋁的含量為kg，則生產執行器中所含鋁消耗的總煤量為：

    同理，可以根據氣動執行器中其他材料的清單可以計算出他們各自的原材料的能耗。而e_2,i的數據可以通過調研生產企業或專家評估的方法獲得。

    （2）E₂、E₃及E₅的計算

    執行器在制造工程與正常使用過程中所消耗的能量主要為電能，制造過程與廢棄/回收的能耗E₂和E₅可以通過企業調研或專家評估獲得，E₃我們可以通過上文的2.1（1）的方法求得。

    （3）維修能耗

    氣動執行器維修過程的能耗主要為更換的零部件及維修操作所產生的能量消耗。維修操作可視為再次的安裝過程，更換零部件的能耗由其生命周期能耗、更換次數和零部件的使用壽命決定。而意外情況所造成的維修不在考慮范圍以內。假設有n個零件進行維修，則E₄如式：

    式中：

    L_p—產品使用周期
    L_ci—更換零部件的使用周期
    E₁、E₂、E₅分別為更換的零部件i在不同生命周期階段的能量消耗。

    同理，電動執行器全生命周期中的能耗E'可以參照氣動執行器的計算，不再贅述!

    綜上可以進行氣動與電動執行器生命周期內能耗E和E'的比較。

    4 執行器生命周期中污染物排放量的計算

    4.1 氣動執行器生命周期中污染物排放量的計算

    能將生命周期進行分解，針對每一階段的排放量進行分析，則生命周期內污染物排放的質量為：

    式中：

    I₁—原材料制造過程中排放的污染物的量
    I₂—制造階段排放的污染物的量
    I₃—使用階段排放的污染物的量
    I₄—執行器運行中維修時排放的污染物的量
    I₅—廢棄/回收時排放的污染物的量

    （1）I₁的計算

    假設氣動執行器包含n種材料，第i種材料質量為m_i。則原材料污染物排放總量I₁如下式：

    式中：

    φ₁，i—第i種材料，回收再處理資源所占比例

    w_1，i，w_2，i從自然資源或回收資源，生產單位質量材料所排放的污染物的質量，簡稱材料的直接單位排放量、回收單位排放量。

    有氣動執行器各組成材料的清單，仿照3.1（1）計算能耗的方法，分別計算出各組成材料原材料生產過程中排放的污染物的質量，相加便計算出氣動執行器原材料生產中排放的污染物的總量。

    （2）I_2-5的計算

    根據3.1（2）求得的氣動執行器在制造、使用、維修、廢棄過程中的能耗E₂、E₃、E₄、E₅，又由燃燒1kg煤所排放的污染物清單如表2。

表2 燃燒1kg煤所排放的污染物清單

    于是可以求出氣動執行器在制造、使用、維修、廢棄過程中各污染項目的排放量。然后由（12）式可以求得氣動執行器生命周期內污染物的總排放量I。

    同理：同樣的方法可以求得電動執行器整個生命周期內污染物的總排放量I'。這樣我們就可以進行氣動與電動執行器生命周期內污染物排放量的比較分析。

    5 結論

    本論文從生命周期理論出發，給出了氣動執行器與電動執行器的整個生命周期內動態總的成本費用及比較方法，總的的能耗和總的污染物排放量的具體計算公式。為人們全面比較兩種執行器提供了參考依據。

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