气动执行器与电动执行器的生命周期评价研究

　　引 言

　　气动执行器与电动执行器在工业自动化中得到了越来越广泛的应用。以汽缸为代表的气动执行器由于系统构成简单、元器件价格低廉、维护容易等特点, 从 20 世纪 70 年代开始在工业自动化领域的应用逐步扩大, 至今已形成全球年销售约 110 亿美元的市场规模, 在汽车、半导体制造等行业中发挥着重要的作用。但在原油日益高涨、能源问题突出的今天, 气动执行器效率偏低、运行能耗成本高昂等问题也引起了人们的关注。相对气动执行器, 电动执行器具有能量转化率高, 运行成本低等优点, 但元器件昂贵, 约为气动执行器的 3- 8 倍。在执行器的选择上国内外尚有争议, 一直尚无充足的数据来论述两者选择的标准。二者的综合成本以及生命周期中对环境产生的负担(能耗和排放)方面的评价比较国内外为空白。现在各企业已意识到能耗问题并开始采取积极有效的措施来降低系统的能耗, 而执行器的选择问题就是实施节能的关键一环。生命周期评价(LCA) 就是在总的成本和总的环境负担基础上, 来评价产品的投入产出的一种工具。但是 LCA 对典型的机电产品系统的研究还没有展开。

　　本文拟开展气动与电动执行器的生命周期评价的对比研究。从生命周期理论出发, 在考虑气动执行器与电动执行器的整个生命周期内总的成本费用, 总的能耗和总的污染物排放量的基础上进行综合对比分析。以期可以为企业提供一种执行器选择的依据。

　　1 本研究的目标与范围

　　从图 1 人们可以看到 LCA 主要包括目标和范围设定清单分析影响评价和解释四个步骤。研究目标与范围: 本研究目标确定为对气动与电动两种执行器的生命周期成本(LCC)、能耗、污染物排放量的比较。给出两个系统的这三方面的计算模型。具体包括购买执行器系统的初始、运行 /维护、以及废弃处理等相应过程的费用、能耗、污染物的排放。两种执行器的系统边界见图 2。

　　2 执行器生命周期的成本模型

　　一般来说, 一个产品的生命周期主要有以下几个阶段组成[1], 如图 3 所示。

　　对用户来说执行器系统的整个生命周期成本,我们可以把整个生命周期定义为从购买、使用 /维护、至报废 /回收的全过程。

　　2.1 气动执行器的生命周期成本模型

　　若顾客的购买气动执行器交易费用为 Cd, 生命周期内运行所花费的总费用为 Cm, 维护费用为 Cu,放弃 /回收费用为 Cr, 则产品的生命周期总费用(LTC)为

　　为了核算不同时段气动执行器的费用投入情况, 需要将递增成本通过贴现现金流量法转化成当前(购买时)成本, 即净现值(NPV)。这种方法主要综合考虑利率和通货膨胀, 形成贴现率(r), 从而使投资总成本的计算在货币的将来值基础上进行。其计算公式为: