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，笔者选取基本功能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。
2、 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、外形美观功能的碳排放价值系数均大于 1，说明功能系数与碳排放量系数相当，但仍需根据每个具体功能的碳排放量情况进行具体分析，然后再判断是否改进。
从目前生产企业客户反馈 W 型矿用挖掘机产品的使用情况看，铲运矿石的作业效率较国内先进水平低 12% 左右，铲柄不结实，而且存在能耗高、使用费用高的情况。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 7 个功能的低碳价值系数均小于 1，验证了在实际情况下铲运矿石、转移位置基本功能、保证安全辅助功能不足及碳排放量较高的问题，铲运矿石功能是低碳改进的重点，需要提升功能、降低碳排放量，其中，提升回转空斗的功能是提高作业效率的关键。在低碳价值系数大于 1 的功能中，除降低能耗因未保证功能需要提升外，其余功能及对应碳排放量相当，无需进行较大的改进。
4、 改进的设计方案与效果评价
通过上述分析得出碳排放价值结果后，笔者利用头脑风暴法 (BS)，组织生产人员、铸造工程人员、锻造工程人员、装配工程人员及 VE 小组成员，提出针对铲装矿石、承载矿石、升降矿石、转移矿石、回转空斗、可靠耐磨和降低能耗功能提升的改进建议，经过多次甄别、筛选、优化、合并和分类，提出了半绳系半齿轮推压结构、改用交流电变频驱动机、选用 Q345 系列钢材这 3 种设计改进方案。
4.1 研发半绳系半齿轮推压结构设计方案
由于 W 型矿用挖掘机目前的拉升绳系提供动力不足，因此，可改绳系推压结构为半绳系半齿轮推压结构。拉升绳系结构与齿轮推压机构相比，其铲装强度较小，铲装力度功能不足，因此研发半绳系齿轮推压结构，既保留了绳系推压结构的灵活性能、使用寿命长等优点，同时引入齿轮推压结构的强铲装力度，是值得尝试的方案。
(1) 碳排放量效果 按照理论估算，半绳系半齿轮推压结构能够使铲装单位小时作业效率提升18%，进而完成定额的用电量下降 15.25%，铲杆、钢绳等零部件更新减少 26.05%，年碳排放量可下降23 408 t，为原年碳排放量的 22%。
(2) 价值系数效果 由于减少的碳排放量影响碳排放系数后，最终能使铲装矿石功能的价值提高到0.9、升降矿石功能的价值提高 0.1 且降低能耗功能的价值降低 0.12，达到了在提升功能的同时降低碳排放量之目的。
(3) 经济效益 从成本方面看，单台 W 型矿用挖掘机设计成本会增加 50%，制造费用可能增加11%，但设计成本占寿命周期总成本比例为 2%，总量较小可忽略不计；另外由于寿命周期中的年耗能减少及维修成本减少，生命周期费用比重最大的使用费用可下降37%，足以弥补所增加的制造费用。
因此，生命周期总费用能够下降 23.24%，达到了提升功能、降低碳排放量同时总成本费用也降低的效果。
4.2 改用交流电变频驱动机的设计
直流驱动电动机改用交流电变频驱动机。目前针对电动挖掘机的直流发电机耗电量较大，特别是体现在回转空斗时仍然耗电较大导致碳排放量较高，并对其转移矿石的功能的贡献差强人意，可以得出直流驱动存在能耗缺陷，因而考虑直流驱动电动机改用交流电变频驱动机，交流驱动电动机相对直流驱动电动机耗电量较少且适用性较强。
(1) 碳排放量效果 若考虑把直流驱动电动机换成交流电变频驱动机，单位小时内回转空斗的时间将缩短 80 s，作业效率提高 10%，回转空斗的定额电耗随之降低 9%；另外电动机磨损损耗减小，电动机寿命将在原寿命基础上延长 12%，挖掘机使用期的年碳排放量将减少 39 368 t，减少原碳排放量的37%。
(2) 价值系数效果 由碳排放量的减少，可使推铲装矿石、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因素均将得到改善，使转移矿石和回转空斗预期价值提高到 0.94，降低能耗功能的价值降低 0.2，达到了降低碳排放量的同时提升功能的效果，是值得采用的改进方案。
(3) 经济效益 目前此类交流电变频驱动机的制造成本约高于直流发电机 33%，但随着制造技术的不断发展，交流电变频驱动机的制造成本也在逐年下降，使用交流电变频驱动机是必然的发展趋势，随着挖掘机采用交流电变频驱动机，其功能提高的程度也将大于其成本的提高。另外寿命周期总费用角度看，使用交流电变频驱动机，电动挖掘机寿命周期内使用费用将因能耗减少而降低 52%，维修费用也会减少 10%，最终总费用将减少约 16.4%，同样可达到提升功能、降低碳排放量的同时，总费用降低的效果。
4.3 使用承载能力较强的 Q345 系列钢材
目前电动挖掘机用钢材型号和硬度虽达到了标准，但韧度和强度仍然不足，从而导致在生产过程中废料较多，利用率徘徊在 76% 左右；并且铲装矿石和承载矿石的功能强度也不足，因此，选用 Q345 系列钢材即可达到生产节能及满足功能的要求。
(1) 碳排放量效果 Q345 系列钢材能使电动挖掘机制造过程材料利用率提高 3%，使用过程钢绳等消耗降低 22%，总碳排放量降低约 13 832 t，为原碳排放量的 12.8%。
(2) 价值系数效果 由于碳排放量的减少，进而使承载矿石的价值提高到 0.88、可靠耐磨功能的价值提高至 1，降低能耗功能的价值降低 0.06。
(3) 经济效益 Q345 系列钢材价格与现行用钢材价格一样，能够保证成本不变的基础上，促进碳排放量降低且功能提高。
5、 结语
通过价值工程扩展公式，笔者分析研究了矿山机械的典型产品 W 型矿用电动挖掘机，并根据低碳生产要求提出 3 种设计改进方案：研发半绳系半齿轮推压结构动力系统、改用交流电变频驱动机及将钢材型号改为 Q345 系列，它们均能使电动挖掘机的功能提高、碳排放量降低且保证投入费用降低或是保持不变，具有技术效果可行和经济效益较好的方案。若同时实现 3 种改进方案，单台电动挖掘机寿命周期内年碳排放量将降低 76 608 t，为原年碳排放量的 43.2%，成本费用降低 39.64%，材料利用率提高 3%，整车平均作业效率提高约 12.7%，需改进功能的价值系数均为 1，是较理想的方案组合，能使 W型矿用挖掘机的低碳功能价值得到提升。
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