基于价值工程理论的W型矿用挖掘机改进设计
基于价值工程理论的 W型矿用挖掘机改进设计
随着化石燃料为主的工业经济发展，大气中的二氧化碳浓度上升，温室效应逐渐突显，全球气
候变暖日益严重，低碳减排已经势不可挡。有关研究表明，我国的工业能耗占全社会能耗的
70% 以上，而能源效率仅为 33.4% ，比世界先进水平低 10 个百分点，能源系统总效率仅为
11.2% ，能源利用效率总体偏低，机械制造行业主要产品单位能耗比国际先进水平平均高
30%，因此，实现低碳减排的关键是重工业低碳生产。矿用挖掘机属于重工业产品，我国产品
的低碳生产水平与国外先进水平还存在明显差距。
为此，笔者选取 HY 公司的典型产品 W 型矿用挖掘机为研究对象，利用价值工程扩展公式的
原理和方法，从低碳生产角度分析其存在问题，探讨低碳生产改进方案，为矿用挖掘机制造企
业降低碳排放提供有效路径，实现企业经济效益和社会效益的提升。
1947 年美国通用电器公司采购工程师麦尔斯(L. D. Miles) 创立了价值工程 (Value Engineering)
。价值工程国家标准 (GB8223.1—2009) “指出，价值工程是以 对象的最低寿命周期成本，可靠
” 地实现使用者所需功能，以获取最佳的综合效益 ，其基本公式为：价值 (V) = 功能 (F)/ 成本
(C)。企业通过应用价值工程，能够寻找到最低寿命周期成本与可靠实现必要功能间的最佳平
衡点。
在价值工程理论基础上，2012 年张铁山等人提出以工业企业为研究对象的价值工程扩展公式，
即为了探求如何以最低碳排放来满足必要功能，将价值工程基本公式中的寿命周期成本 (Cost)
用碳排放量(Carbon emissions) 代替，得到价值工程的扩展公式，价值 (V) = 功能 (F)/ 碳排放量
(Cc)，其中，V 代表低碳价值，F 代表功能，Cc 代表碳排放量。功能是指能够满足某种需求的
一种属性，碳排放量是指产品全生命周期中的碳排放总量，即寿命周期碳排放量。
并提出利用排放系数法测算原材料获取环节的碳排放量 ( 排放量 E = 生产单位产量产品时的
CO2 排放量×产品产量)，用物料衡算法测算生产过程、使用过程以及最终报废过程的碳排放
量，继而计算功能系数和碳排放系数，最后确定价值价值系数，并提出 5 种改进途径。
1 、W 型矿用挖掘机的功能分析
某矿山机械生产企业的典型产品 W 型矿用挖掘机，是生产企业迫切进行低碳改进的对象，应
用价值工程扩展公式寻找低碳改进目标，具有实际意义。W 型矿用挖掘机属于采矿电动挖掘
机，主要用于露天开矿剥离表土或采装经爆破的矿岩，还可用于开挖停机面以上的工作面，其
主要由工作装置、回转装置、行走装置、操作装置和动力装置五大部分组成。
1.1 功能定义
通过对 W 型矿用挖掘机的使用原理、整体及其各构成部件的结构分析，可将其功能定义为铲
运矿石、提供动力、铲装矿石、承载矿石、提升矿石、转移矿石、回转空斗、施加力量、支承
负荷、提供驾驶空间、提供拉力、提供转力、位置转移、提供速度、传递能量、通过电流、形
成回路、连接导体、构成触点、供给电力及转化能量，并要保证安全、舒适及美观等，具体功
能如表 1 所列。
1.2 功能整理
为了更好地表达功能之间的相互逻辑关系，绘制W 型矿用挖掘机功能系统框图，如图1 所
示。由图 1 可知，W 型矿用挖掘机的基本功能是铲运矿石和转移位置，辅助功能是保证安全、
使用方便及造型新颖，笔者选取基本功和辅助功能的下位功能进行深入研究。
1.3 功能评价
依据 VE 活动的实施程序，VE 小组全体成员，在对 W 型矿用挖掘机进行功能整理的基础上，
“选择五位设计专家、二位制造专家和一位操作专家，一共八位专家，采用 0-4”强制决定法，对
第2 层级功能进行功能评价，功能得分情况如表 2 所列，最终计算出功能系数。
、W 型矿用挖掘机的碳排放系数
在功能分析的基础上，利用价值工程扩展公式进行碳排放量的价值分析是本文的目的所在，因
此，需要核算W 型矿用挖掘机的碳排放量，为此笔者以 W 型矿用挖掘机的寿命周期过程为碳
排放量核算的范畴界限进行价值分析，见表3。
2.1 碳排放量的计算说明
根据《商品和服务在生命周期内的温室气体排放评价规范》，机械制造企业产品全生命周期下
的碳排放量衡量范畴主要包括：原材料的获取、生产过程、使用过程和最终报废处置过程 4 个
环节。因此，笔者计算得出 W 型矿用挖掘机寿命周期内4 个阶段的碳排放量，并通过排放系
数法计算原材料获取阶段的碳排放量，通过物料衡算法计算产品生产过程、使用过程和最终报
废处置过程的碳排放量，具体公式为 E =Σ(EFijkq×Aijkq)，E 是碳排放量，EF 是排放系数，A
表示投入的能源量 (用于静止源) 或能源消费量或者移动的距离(用于移动源)，i 表示排放源类
型；j 表示燃料类型；k 表示技术类型；q 表示设备的技术类型。IPCC 最新公布的排放系数如
表3 所列，根据对HY 公司的 W 型矿用挖掘机原始设计资料、生产使用过程所耗费资源的调
查数据，计算得到 W 型矿用挖掘机寿命周期的碳排放量，如表 4 所列。
2.2 碳排放系数的计算
计算得出的原材料获取过程、生产过程、使用过程和最终报废处置过程 4 个阶段产生的碳排放
量，需要把各个过程产生的碳排放量分摊到W 型矿用挖掘机的各个功能中计算碳排放系数。
由于可以计算各零部件的原材料用量，因此，原材料获取阶段产生的碳排放量可以按照原材料
用于零部件的用量比例，分摊到对应零部件产生的功能中。
生产过程的碳排放量主要是设备运行消耗能源、工具及运输产品消耗能源，在此过程中的设备
消耗碳排放量可按照生产各零部件的产量比例，分摊到其在挖掘机中能够显现的功能中；运输
产品消耗包括场内和场外运输消耗，可根据产品产量平均分摊到功能中。使用过程和最终报废
过程产生的碳排放量是对整车进行的核算，较难分清楚是哪个功能的消耗量，因此根据产品各
零部件耗能的比例，结合专家调查法的结果进行平均后分摊，其中邀请的专家包括具有 25 年
以上挖掘机设计研究经验的专家4 名和10 年以上 W 型矿用挖掘机的维修者3 名和使用者 3
名。得到的 W 型矿用挖掘机在 4 个阶段中各功能碳排放量的分摊比例见表5，最终得到各功能
碳排放系数见表6。
3 、W型矿用挖掘机的价值系数分析
由于功能系数按照价值工程的一般方法进行"0-4”强制专家打分，其中设计类专家占 62.5% ,能
够较正确地反映每个功能在 W 型矿用挖掘机整体功能中的重要度；在碳排放系数中，根据对
W 型矿用挖掘机调查所得的原料及能源耗费数据，采用目前碳源估算工作和获得基础数据的物
料衡算法，及依据 IPCC 国家温室气体清单指南公布的排放系数，应用排放系数法进行碳排放
量的计算，计算结果严格按照产量比例或是各功能的零件用量及耗能比例，并结合经验丰富的
专家确定的比例分摊到各功能中，能够保证碳排放系数的准确性和合理性。因此，可以认为功
能系数和碳排放系数可靠，并由功能系数和碳排放系数，最终得到了 W 型矿用挖掘机的价值
系数，如表 7 所列。
由表7 中可知，铲装矿石、承载矿石、升降矿石、转移矿石、回转空斗、提供速度及可靠耐磨
功能的碳排放价值系数均小于1 ，由此说明这7 项功能水平与碳排放量不相当，功能偏低或是
碳排放量偏高，这个功能区域是重点分析评价的对象，其中回转空斗功能的价值系数最低，可
重点考虑低碳的改进；监测性能、故障率低、方便操纵、降低能耗、便于维修、外形美观功能
摘要：
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基于价值工程理论的W型矿用挖掘机改进设计随着化石燃料为主的工业经济发展，大气中的二氧化碳浓度上升，温室效应逐渐突显，全球气候变暖日益严重，低碳减排已经势不可挡。有关研究表明，我国的工业能耗占全社会能耗的70%以上，而能源效率仅为33.4%，比世界先进水平低10个百分点，能源系统总效率仅为11.2%，能源利用效率总体偏低，机械制造行业主要产品单位能耗比国际先进水平平均高30%，因此，实现低碳减排的关键是重工业低碳生产。矿用挖掘机属于重工业产品，我国产品的低碳生产水平与国外先进水平还存在明显差距。为此，笔者选取HY公司的典型产品W型矿用挖掘机为研究对象，利用价值工程扩展公式的原理和方法，从低碳生产...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
价格：5光币
属性：4 页
大小：17.55KB
格式：DOCX
时间：2023-03-03
