裝備制造業(yè)綠色設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)的構(gòu)想

[摘要] 裝備制造業(yè)素有“工業(yè)母機(jī)”之稱，是人類財(cái)富的支柱產(chǎn)業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)支配地位。綠色制造是21世紀(jì)裝備制造業(yè)重要發(fā)展方向，本文探討將可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)用到裝備制造業(yè)產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)之中，提出綠色制造設(shè)計(jì)的可靠性設(shè)計(jì)方法，對(duì)研究裝備制造業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用。

[關(guān)鍵詞] 裝備制造業(yè) 綠色設(shè)計(jì) 可靠性設(shè)計(jì) 減量化

一、引言

21世紀(jì)人類面臨著人口、資源和環(huán)境三大危機(jī)。我國(guó)制造業(yè)直接創(chuàng)造GDP的三分之一，是創(chuàng)造人類財(cái)富的支柱產(chǎn)業(yè)，是將高科技轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力所必要的手段和工具，它集中反映了一國(guó)總體科技水平，是中國(guó)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是中國(guó)工業(yè)化的前提。但同時(shí)又是當(dāng)前環(huán)境和資源浪費(fèi)的主要源頭，中國(guó)制造業(yè)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，從總體上看，依然沒(méi)有走出資源消耗型，沒(méi)有擺脫傳統(tǒng)的高投入、高消耗、高污染、低產(chǎn)出、低效益為特征的發(fā)展模式；另一方面，由于我國(guó)原材料的品質(zhì)較低，導(dǎo)致原材料的使用量增加，產(chǎn)品設(shè)計(jì)冗余量增大。中國(guó)裝備制造業(yè)比發(fā)達(dá)和自主創(chuàng)新的國(guó)家在資源投入和能耗上要高得多，單位產(chǎn)值的能耗高于發(fā)達(dá)國(guó)家的20%到30%。我國(guó)制造業(yè)的能耗占全國(guó)一次能耗的63%，可以說(shuō)制造業(yè)是能耗大戶，單位能耗偏高，由此帶來(lái)了對(duì)能源、資源的較多依賴。同時(shí)，據(jù)世界銀行估計(jì)，環(huán)境污染給中國(guó)帶來(lái)相當(dāng)于3.5%～8%的GDP的損失，按《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》（2007）2006年我國(guó)GDP為20.94萬(wàn)億元，環(huán)境污染給中國(guó)帶來(lái)的損失為7329億～16752億元。由于制造業(yè)量大面廣，因而對(duì)環(huán)境的整體影響很大。針對(duì)目前裝備制造業(yè)的狀況，本文主要研究裝備制造業(yè)可靠性設(shè)計(jì)在綠色設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，如何將可靠性設(shè)計(jì)理論與循環(huán)經(jīng)濟(jì)綠色設(shè)計(jì)理論相給合，在生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)約能源和原材料，淘汰有害的原材料、減少和降低所有廢物的數(shù)量和毒性，降低產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的有害影響，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品綠色制造，提高資源使用率和能源使用率，以達(dá)到發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

二、綠色設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

1.綠色設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

技術(shù)研究表明，產(chǎn)品性能的7O％～8O％是由設(shè)計(jì)階段決定的，設(shè)計(jì)階段是產(chǎn)品生命周期的源頭，設(shè)計(jì)的浪費(fèi)是最大的浪費(fèi)。綠色設(shè)計(jì)是指在產(chǎn)品生命周期全過(guò)程的設(shè)計(jì)中，充分考慮對(duì)環(huán)境和資源的影響，在考慮功能、質(zhì)量、開(kāi)發(fā)周期和成本的同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)因素，使產(chǎn)品及其制造過(guò)程對(duì)環(huán)境和資源消耗的總體影響減到最小。綠色制造是一種綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，它的目標(biāo)是使產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品周期中，對(duì)環(huán)境的負(fù)影響作用最小，資源效率最高。簡(jiǎn)單地說(shuō)，綠色制造要綜合考慮制造、環(huán)境和資源這三大領(lǐng)域。綠色設(shè)計(jì)要將3R (Reduce，Reuse，Recycle)直接引入產(chǎn)品研發(fā)階段，綠色設(shè)計(jì)是綠色制造技術(shù)的核心。美國(guó)威廉·麥克唐《從搖籃到搖籃》一書(shū)尖銳指出，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)思想是從搖籃到墳?zāi)沟脑O(shè)計(jì)思想，思想方式是直線型的，只關(guān)心生產(chǎn)，并快速、廉價(jià)地送到消費(fèi)者手里，而其他的事情卻沒(méi)有考慮。從亞當(dāng)·斯密和李嘉圖起，西方經(jīng)濟(jì)學(xué)的指導(dǎo)思想是最大限度地開(kāi)發(fā)自然資源；最大限度地創(chuàng)造社會(huì)財(cái)富；最大限度地獲取利潤(rùn)。 綠色設(shè)計(jì)要將“減量化”放在首位，零部件的設(shè)計(jì)應(yīng)“小而精”。在滿足可靠性的條件下，零件結(jié)構(gòu)越小，所用材料越少，可節(jié)約資源的使用量，同時(shí)給環(huán)境的污染也相應(yīng)減少，使零件的“綠色”性能得以提高。在材料選取后，可根據(jù)可靠性確定零件形狀和尺寸。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，違背了綠色設(shè)計(jì)的原則，采用較大的安全系數(shù)來(lái)確定零件的形狀和尺寸。這樣導(dǎo)致零件的結(jié)構(gòu)尺寸偏大，增加了材料的消耗，同時(shí)增加了能源的使用量。因此，在零件的設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡量采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論和方法，提高機(jī)械零件計(jì)算載荷的準(zhǔn)確度，確定合理的安全系數(shù)，將產(chǎn)品安全系數(shù)與綠色設(shè)計(jì)相結(jié)合。這既可以合理地設(shè)計(jì)出零件的結(jié)構(gòu)尺寸，又可以減少設(shè)計(jì)者的工作量，同時(shí)減少能源的使用量。本文主要研究零件的尺寸在滿足可靠度的條件下，怎樣達(dá)到綠色設(shè)計(jì)的目的。

2.可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

傳統(tǒng)觀念上，可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，裝備制造業(yè)廠家，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，都有在提高其可靠性，特別是重大裝備，產(chǎn)品的可靠性直接影響到設(shè)備的安裝、調(diào)試和維修。因此，可靠性問(wèn)題是一種綜合性的系統(tǒng)工程。裝備制造業(yè)產(chǎn)品（零件、部件、設(shè)備或系統(tǒng)）的可靠性也和綠色制造一樣，是與其設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用、維修等各個(gè)環(huán)節(jié)緊密相關(guān)的。設(shè)計(jì)只是其中的一個(gè)環(huán)節(jié)，但卻是保證產(chǎn)品可靠性最重要的環(huán)節(jié)，它為產(chǎn)品的可靠性水平奠定基礎(chǔ)。因?yàn)檠b備制造業(yè)產(chǎn)品的可靠性取決于其零部件的結(jié)構(gòu)形式和尺寸、選用的材料及熱處理、制造工藝、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、潤(rùn)滑條件、維修方便性，以及各種安全保護(hù)措施等，而這些都是在設(shè)計(jì)中決定的。設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品可靠性水平即產(chǎn)品的固有可靠度。產(chǎn)品的制造和使用固然也對(duì)其可靠性有重要的影響，但畢竟制造是按設(shè)計(jì)進(jìn)行，制造和使用的主要任務(wù)是保證產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可靠性基本名詞術(shù)語(yǔ)及定義GB/T3187-1994定義可靠性為：“產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”?？煽慷仁侵府a(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，能完成規(guī)定功能的概率。通常用R表示。

3.可靠性設(shè)計(jì)增長(zhǎng)與綠色設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品最初研制和試驗(yàn)期間，一方面，需要反復(fù)改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中的缺陷，可靠性經(jīng)常得到提高，這種改善可以歸因?yàn)橐恍┮蛩氐淖兓蜁r(shí)間的推移得到的經(jīng)驗(yàn)，用于設(shè)計(jì)生產(chǎn)更好的產(chǎn)品，使產(chǎn)品的可靠性增加，這種現(xiàn)象叫做“可靠性增長(zhǎng)”。可靠性增長(zhǎng)是通過(guò)逐步改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中的缺陷，不斷提高產(chǎn)品可靠性的過(guò)程。另一方面，在考慮產(chǎn)品可靠性的同時(shí)，還要研究產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)，產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)將“減量化”放在首位，在滿足產(chǎn)品可靠性的條件下，要達(dá)到使用材料最省，對(duì)環(huán)境污染最小，達(dá)到節(jié)能降耗減排的目的。裝備制造業(yè)產(chǎn)品，它有一個(gè)顯著特點(diǎn)“大、高、特”，大：主要是指設(shè)備大、產(chǎn)品大。由于有這個(gè)“大”的特點(diǎn)，便產(chǎn)生了與普通制造業(yè)不同的要求，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造等都與普通中小零件加工有著質(zhì)的區(qū)別。高：主要是指產(chǎn)品的技術(shù)含量高，產(chǎn)品的可靠性高，工藝流程的準(zhǔn)確性高。如風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、百噸自卸車等，其技術(shù)含量牌目前世界領(lǐng)先水平，這些產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)對(duì)解決能源問(wèn)題發(fā)揮著重要作用。特：主要是指產(chǎn)品的獨(dú)特性、單一性。重大裝備一般產(chǎn)品規(guī)模小，規(guī)格品種多，具有單一性和不可替代性，如海上石油鉆井平臺(tái)，各種電站成套控制設(shè)備等都是按照客戶的特殊要求和地形環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品，價(jià)值巨大，不成規(guī)模，今后也無(wú)重復(fù)生產(chǎn)的可能，這種特殊產(chǎn)品，不允許先試制再生產(chǎn)，更不允許報(bào)廢重來(lái)，只能一次成功，否則將給國(guó)家和企業(yè)造成不可估量的損失。這樣的產(chǎn)品資源投入量大，成本高，設(shè)計(jì)難度大，維修復(fù)雜，使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響較大，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)可靠性設(shè)計(jì)與綠色設(shè)計(jì)相相交叉的過(guò)程，如圖1所示，該過(guò)程是一個(gè)不斷反饋的過(guò)程。

三、可靠性設(shè)計(jì)在綠色設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1.減量化設(shè)計(jì)的構(gòu)思

這個(gè)問(wèn)題是從規(guī)定的目標(biāo)可靠度出發(fā)，計(jì)算所用材料的尺寸。通過(guò)計(jì)算，就可以達(dá)到“把可靠度設(shè)計(jì)到零件中去”的可靠性設(shè)計(jì)的目的，來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的“減量化”設(shè)計(jì)，最終達(dá)到產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)。在可靠性設(shè)計(jì)中，要考慮材料應(yīng)力和強(qiáng)度，為了計(jì)算方便，說(shuō)明一下隨機(jī)變量的均值和方差的計(jì)算方法。當(dāng)函數(shù)y=f(x)的隨機(jī)變量是一維時(shí)，函數(shù)在點(diǎn)x=μ(μ為隨機(jī)變量x的期望)的泰勒展開(kāi)式為

由(1)和(2)就可以根據(jù)可靠度R和 安全系數(shù)n確定d，根據(jù)產(chǎn)品的可靠度來(lái)確定產(chǎn)品的規(guī)格尺寸，一是節(jié)省了材料，達(dá)到減耗的要求；二是節(jié)省了能源，達(dá)到了降能的要求?？傊瑵M足了綠色設(shè)計(jì)“減量化”的首要目標(biāo)，同時(shí)減輕了環(huán)境的壓力。

2.系統(tǒng)的綠色設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)的安全，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中經(jīng)常采取混聯(lián)系統(tǒng)模型和備用冗余系統(tǒng)模型，來(lái)保證系統(tǒng)的可靠度，如圖2和圖3

這種系統(tǒng)的一個(gè)明顯的特點(diǎn)是有一些并聯(lián)單元，但它們?cè)谕粫r(shí)刻并不是都投入運(yùn)行的。對(duì)于這種系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量提高單個(gè)元件的可靠度，減少冗余量來(lái)達(dá)到“減量化”的目的。

綠色是21世紀(jì)產(chǎn)品的主要特征之一，只有在設(shè)計(jì)的初期階段按照綠色產(chǎn)品的特點(diǎn)規(guī)劃，從零件設(shè)計(jì)開(kāi)始就考慮綠色要求，才能保證產(chǎn)品最終的“綠色”。

參考文獻(xiàn):

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