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面向清洁生产的饰面石材加工工艺规划决策与评价方法研究

白硕玮  
【摘要】:清洁生产(Cleaner Production, CP)是一种兼顾环境效益和经济效益的现代石材行业的可持续制造模式。绿色工艺规划是石材行业清洁生产领域的关键研究内容,对于减少石材加工过程中的资源消耗和污染物排放具有重要的意义。本文针对典型离散制造领域绿色工艺规划理论的研究现状及石材加工行业工艺规划问题的特征和难点,以面向CP的饰面石材加工工艺规划方法研究为主线,对饰面石材加工过程资源环境特性、工艺规划策略及广义决策模型、工艺实体要素(加工设备、加工工具、冷却液)决策方法、加工工艺参数优化方法、工艺规划方案及生产过程评价技术等关键内容进行了研究,为饰面石材加工行业面向CP的工艺方案规划和实施提供共性技术或方法。研究了饰面石材加工过程资源消耗与环境影响特性,提出了生产过程“洁净性”的概念,分析了饰面石材生产过程各个主要环节的“洁净性”改善需求,从而构建了面向CP的饰面石材加工工艺规划的内涵、体系结构和主要技术内容。将饰面石材加工工艺规划过程转化为一系列决策问题的聚合,涵盖工艺方法、加工设备、加工工具、冷却液、工艺参数等的选择和优化问题。提出了一种基于多准则决策(Multiple Criteria Decision Making,MCDM)模型集的面向CP的工艺规划研究策略,建立了“面向CP的饰面石材加工工艺规划”决策问题的广义宏观原理模型和微观实施模型。将“适用技术(Appropriate Technology, AT)"概念引入石材加工设备的决策问题中,定义了饰面石材加工AT方案的概念。将生命周期影响评价(Life Cycle Impact Assessment, LCA)方法嵌入多属性决策理论(Multiple Abtributte Decision Making, MADM)模型框架中,制定了AT决策机制的基本流程,包括:选择标杆方案、确定备选方案集、建立指标体系和构建决策算法。从环境、经济和技术三方面建立LCA清单分析的项目,并作为MADM模型的指标输入。建立了饰面石材AT方案优化决策数学模型,研究了决策指标的数据采集及评估方法。联合层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)与逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution, TOPSIS)构建了决策模型的求解算法。研究了加工工具和冷却液对石材加工过程绿色性能的影响方式,在清洁生产工艺规划目标体系基础上,分别建立了二者的选择决策目标体系,并对其决策向量进行了分解。将两个目标体系嵌入MADM理论模型框架中,构建了面向CP的饰面石材加工工具和冷却液的选择决策模型,并研究了其求解算法。基于多目标决策(Multiple Objective Decision Making, MODM)理论建立了面向CP的饰面石材加工参数优化的技术路线。针对工艺过程中最关键的荒料锯切工序及其使用最广泛的金刚石圆盘锯石机进行了加工参数优化模型的研究。分析了金刚石圆锯片在加工过程中节径型轴向振动的诱因,指出行波振动中节块边缘的扰动位移导致锯切力形成了轴向分力,在与锯片同转速旋转坐标系下推导了轴向分力的表达式,并基于薄板理论建立了锯片轴向动力学模型。运用纽马克(Newmark)理论构建了模型的积分求解算法,从而建立了锯切参数与轴向振动位移的函数关系。提出了基于锯片轴向动力学模型的锯切参数MODM优化模型,基于离散变量网格法构建了模型的求解算法。将单目标优化结果与MODM优化结果对比,验证了对加工参数实施多目标优化的合理性。针对当前石材行业绿色工艺数据相对匮乏、饰面石材工艺规划方案难以对绿色信息进行准确和具体表达的情况,提出了“CP特征”的概念。研究了从工艺方案“规划域”信息中筛选、提取和聚合生成CP特征的方法,实现了工艺方案“规划域”和清洁生产“目标域”的关联,构建了以CP特征为评价指标的“面向工艺方案的CP评价机制”。以提升石材企业的环境效益驱动力为目标,提出了“面向饰面石材生产过程的CP审核评价方法”,构建了评价指标体系及其标准,并制定了指标数据的采集方式。基于层次分析与模糊综合判别法建立了综合评价算法。并在MATLAB软件平台上开发了石材行业清洁生产综合评价计算程序。


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