節(jié)能設(shè)計(jì)理念在機(jī)械制造與自動(dòng)化中的應(yīng)用

王小梅　田鵬

摘要：蓬勃發(fā)展的經(jīng)濟(jì)推動(dòng)著工業(yè)發(fā)展，現(xiàn)代化的工業(yè)帶來生產(chǎn)效率的不斷提高，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，從而形成良性循環(huán)。機(jī)械制造與自動(dòng)化技術(shù)水平的提高使其應(yīng)用更加廣泛，但隨之而來的是生產(chǎn)過程中所消耗的能源日趨增大，因此，在機(jī)械制造和自動(dòng)化領(lǐng)域中，節(jié)能環(huán)保、可循環(huán)利用理念的貫徹已成為現(xiàn)今及未來最受關(guān)注的方面。

關(guān)鍵詞：節(jié)能設(shè)計(jì)；機(jī)械制造；自動(dòng)化；現(xiàn)代工業(yè)；節(jié)能環(huán)保 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH16 文章編號(hào)：1009-2374（2016）14-0087-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.044

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷推動(dòng)著勞動(dòng)生產(chǎn)力提高，讓人們的生活方式由最開始的手工勞動(dòng)，逐步發(fā)展為簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工具和具有簡(jiǎn)單功能的機(jī)械。隨后蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)使利用大規(guī)模的機(jī)械從事生產(chǎn)活動(dòng)成為了可能。再到集成電路和大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，讓自動(dòng)化生產(chǎn)成為了制造業(yè)的常態(tài)，并且朝著智能化的方向發(fā)展。這種技術(shù)進(jìn)步帶來的生產(chǎn)效率突飛猛進(jìn)的提高，從根本上改變了社會(huì)面貌和人們的生產(chǎn)、生活方式。

機(jī)械制造和自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用在給人們帶來光鮮亮麗生活的同時(shí)，卻也帶來了不小的問題。時(shí)至今日，越來越多的工廠采用自動(dòng)化程度高的生產(chǎn)線，大大減少了工人的數(shù)量，但對(duì)于能源的胃口卻是越來越大。同時(shí)工廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣和廢料都沒有經(jīng)過妥善的處理，導(dǎo)致了經(jīng)濟(jì)發(fā)展同日益嚴(yán)重的環(huán)境污染并存的局面。解決這一矛盾的方法除了要對(duì)工廠排放的廢水、廢氣和廢料進(jìn)行治理外，還要使用設(shè)計(jì)、建造能量使用效率高的機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備，從根本上減少能源的消耗，自然也減少了廢水、廢氣的排放和廢料的產(chǎn)生。

1 國(guó)內(nèi)機(jī)械制造與自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

自20世紀(jì)70年代以來，中國(guó)的機(jī)械制造技術(shù)飛速發(fā)展，在我國(guó)的工業(yè)中占據(jù)越來越重要的位置。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展賦予了機(jī)械制造業(yè)更多的活力。借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，機(jī)械制造可以用更加高效、安全的方式完成設(shè)計(jì)制造過程，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的幫助下高效率和高安全性已經(jīng)成為現(xiàn)今自動(dòng)化機(jī)械制造的顯著特點(diǎn)。但是由于我國(guó)的自動(dòng)化機(jī)械制造起步較發(fā)達(dá)國(guó)家晚，技術(shù)相對(duì)落后，導(dǎo)致與發(fā)達(dá)國(guó)家制造的產(chǎn)品在質(zhì)量、可靠度方面都有很大差距，競(jìng)爭(zhēng)力方面沒有優(yōu)勢(shì)可言。

國(guó)外的機(jī)械制造技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得很完善，目前正朝著智能、環(huán)保的方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)的企業(yè)在這方面還存在很大的差距。國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)該積極嘗試與國(guó)際接軌，目前有些企業(yè)通過加強(qiáng)與國(guó)際公司的交流或建立跨國(guó)公司，已經(jīng)使自身的技術(shù)水平取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，機(jī)械制造的自動(dòng)化程度也越來越高，縮短了與國(guó)外企業(yè)的差距。但是在最前沿的智能、環(huán)保領(lǐng)域還沒有跟上國(guó)際的步伐。這需要我國(guó)的企業(yè)改變發(fā)展理念以及國(guó)家相關(guān)政策的積極扶持，只有通過持續(xù)不斷的發(fā)展及投入，才能在這些領(lǐng)域發(fā)展出我國(guó)企業(yè)特有的競(jìng)爭(zhēng)力。

2 機(jī)械制造與自動(dòng)化中的節(jié)能方法

機(jī)械制造與自動(dòng)化的節(jié)能技術(shù)要涉及到從最初的設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品完成的各個(gè)環(huán)節(jié)，需要從多個(gè)方面統(tǒng)籌考慮：

2.1 機(jī)械制造與自動(dòng)化中設(shè)計(jì)階段的節(jié)能

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，節(jié)能技術(shù)應(yīng)該是首要考慮的事項(xiàng)，尤其是在設(shè)計(jì)階段。通常設(shè)計(jì)階段需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行總體規(guī)劃，在設(shè)計(jì)階段對(duì)節(jié)能考慮得周全與否以及規(guī)劃得是否合理，對(duì)于最終機(jī)械系統(tǒng)的能源利用效率有著決定性的影響。通常制造機(jī)械中最常見的部分就是發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)。設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)比選擇優(yōu)良的排放系統(tǒng)，選用低油耗、低排放、低噪音和高效率的環(huán)保型發(fā)動(dòng)機(jī)更為重要。這樣不但可以降低整個(gè)系統(tǒng)的能源消耗，還可以減輕排放系統(tǒng)的負(fù)荷。

液壓傳動(dòng)中最重要的是保持傳動(dòng)液壓油的清潔度，精心設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)是保障機(jī)械系統(tǒng)節(jié)能、高效和環(huán)保的重要環(huán)節(jié)。精心設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)可保證油液中微塵垃圾、機(jī)械磨損物等雜質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間保持在正常工作范圍，減少液壓元件故障率與磨損、延長(zhǎng)常用液壓元件的使用壽命，降低液壓油的更換頻率，延長(zhǎng)換油間隔時(shí)間，減少對(duì)周邊作業(yè)環(huán)境的污染。比如為了保證液壓系統(tǒng)的壽命，采用耐腐蝕、防老化、具備優(yōu)良密封性能的進(jìn)口優(yōu)質(zhì)膠管；設(shè)計(jì)過程中在可能的情況下盡量使用硬管，對(duì)只能使用軟管的部分可以設(shè)計(jì)液壓油回收裝置，以便在軟管破裂時(shí)能夠回收液壓油而不致對(duì)環(huán)境造成污染。

機(jī)械設(shè)計(jì)過程實(shí)用化虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，成為設(shè)計(jì)初期的主要方式。計(jì)算機(jī)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展使得機(jī)械制造和自動(dòng)化的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和實(shí)際的使用結(jié)果都可以事先在計(jì)算機(jī)中模擬出來，這也是機(jī)械設(shè)計(jì)制造設(shè)計(jì)未來的發(fā)展方向。通過計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境先將所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)建立虛擬模型，并賦予這些模型同現(xiàn)實(shí)中同樣的物理性質(zhì)，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行預(yù)先演算，尋找設(shè)計(jì)產(chǎn)品的缺陷。在這個(gè)過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷可以直接修改計(jì)算機(jī)模型，然后重新演算，直到符合要求之后再進(jìn)行生產(chǎn)制造。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程相比，很多需要設(shè)計(jì)圖紙和樣品制造的環(huán)節(jié)都可以減少甚至完全不需要。這樣的設(shè)計(jì)方法可以縮短設(shè)計(jì)周期，減少生產(chǎn)過程中出現(xiàn)問題的可能性，由于成功率的提升，消耗資源環(huán)節(jié)的減少可以有效降低企業(yè)的成本，同時(shí)也能減少環(huán)境污染。

2.2 材料的選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中，選擇環(huán)保、可回收的材料是節(jié)約能源的一個(gè)重要方面。機(jī)械制造過程中一直固有的理念是：為了保證設(shè)備的使用壽命和功能，通常都是要選擇更好的材料或者是要采用更加厚重的結(jié)構(gòu)。但是隨著進(jìn)一步的研究，通過對(duì)各個(gè)構(gòu)件的受力分析各個(gè)構(gòu)件的受力特點(diǎn)，可以有針對(duì)性地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低材料等級(jí)或者減少使用量。比如受扭矩的圓柱狀結(jié)構(gòu)，通過受力分析就可以發(fā)現(xiàn)承受的扭力都集中在圓柱的外圍部分，圓柱中心位置受到的扭力很小，這樣就可以將圓柱簡(jiǎn)化為空心結(jié)構(gòu)，在能夠承受的扭力不變的情況下減少材料使用，減輕設(shè)備重量。此外，一些結(jié)構(gòu)用零件一定要采用比較容易裝配和分解的大模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在選用材料的過程中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選取可回收、易分解、能再生，而且在加工過程中不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的“三廢”的材料以及其在報(bào)廢后對(duì)環(huán)境污染最小的材料。

2.3 合理工藝的選擇

機(jī)械制造業(yè)中另一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是工藝和流程的選擇，這一階段如果可以對(duì)能量加以充分利用和回收則可以節(jié)省大量資源。傳統(tǒng)的制造工藝通常都是使用冷鍛與熱鍛。冷鍛的過程都是在低于回復(fù)溫度下進(jìn)行，冷鍛可以保證尺寸精度，并且表面粗糙度好、勞動(dòng)條件好、生產(chǎn)效率高，但是由于在加工過程中金屬的變形抗力大、塑性差并積聚有殘余內(nèi)應(yīng)力，需中間退火后才能繼續(xù)變形。熱鍛的溫度在再結(jié)晶溫度以上，這就需要對(duì)材料再加熱和采用相應(yīng)的加熱設(shè)備?？梢园l(fā)現(xiàn)冷鍛和熱鍛都需要再加熱的過程，這就造成了能源消耗增加。與之相比，采用溫鍛工藝，制造過程在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行，也不需要二次加熱到較高的溫度，可以節(jié)省大量的能源消耗。作為長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展方向，制造廠應(yīng)該同金屬材料生產(chǎn)廠商合作，將生產(chǎn)出來的材料直接熱送到加工車間，充分利用生產(chǎn)工序中的余熱，這樣既回收了材料本身的熱量，還免去了二次加熱過程，一舉兩得。

2.4 設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程的節(jié)能措施

機(jī)械設(shè)備在制造完畢后，就是在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的消耗能源，利用先進(jìn)的完全智能化的管理系統(tǒng)，可以控制運(yùn)轉(zhuǎn)過程中實(shí)時(shí)消耗的能量。智能化的管理系統(tǒng)可以控制大到整個(gè)生產(chǎn)線小到每個(gè)開關(guān)，通過各種先進(jìn)的傳感器實(shí)施收集生產(chǎn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)生產(chǎn)設(shè)備令其同生產(chǎn)負(fù)荷相適應(yīng)，用最小的能源消耗來滿足生產(chǎn)需求。以制造業(yè)的一般生產(chǎn)線來講，通常只是某一部分的設(shè)備需要一直運(yùn)轉(zhuǎn)，其他的部分設(shè)備是在需要的時(shí)候才使用。這些設(shè)備有的可以直接關(guān)閉，有的需要保持在待機(jī)的狀態(tài)，通過及時(shí)關(guān)閉不需要的設(shè)備并讓必須待機(jī)的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)在最小消耗下，這就可以減少不必要的能源消耗，降低生產(chǎn)成本。

2.5 機(jī)械運(yùn)輸過程的節(jié)能環(huán)保

一提到節(jié)能環(huán)保，大多數(shù)人的思考角度多是從機(jī)械本身的改進(jìn)上考慮，都忽略了設(shè)備在包裝和運(yùn)輸過程中所消耗的能源。隨著制造工藝的進(jìn)步，現(xiàn)在的機(jī)器越做越精細(xì)，工藝也日趨復(fù)雜，在運(yùn)輸過程中如何能夠保證精密部件的完好成為運(yùn)輸過程的首要問題。在運(yùn)輸?shù)倪^程中選擇合適的運(yùn)輸方式、減少包裝的復(fù)雜程度以及包裝材料的選擇都是環(huán)保節(jié)能的手段。首先，機(jī)械設(shè)備的精密部件需要多層保護(hù)才能抵消在運(yùn)輸過程中的磕碰和損壞。這就需要在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就考慮到這一問題，盡量將精密的部件與其周圍的部件設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，運(yùn)輸?shù)倪^程中將這個(gè)整體作為運(yùn)輸單位，其周圍的構(gòu)件自然成為了保護(hù)，這就可以有效地降低包裝的保護(hù)級(jí)別；其次，包裝材料的選擇。過度使用木板勢(shì)必會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，而使用傳統(tǒng)的紙板又不能達(dá)到保護(hù)的需要，聚乙烯包裝材料回收非常困難，焚燒又會(huì)造成空氣污染。相比之下，蜂窩紙板材料成為了理想的選擇，其蜂窩結(jié)構(gòu)可以有效地降低機(jī)械在運(yùn)輸過程中受到的損害，其生產(chǎn)和使用都對(duì)環(huán)境的影響較小，并且紙板回收和再利用也相對(duì)容易，是目前來講最環(huán)保、最具性價(jià)比的選擇；最后，運(yùn)輸方式的選擇也應(yīng)該注意節(jié)能環(huán)保，海、陸、空三種運(yùn)輸方式各有利弊。海運(yùn)雖然運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)和成本比較低，但是耗時(shí)較長(zhǎng)。陸路運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間和成本都比較折中，但設(shè)備裝載困難，還有一定的風(fēng)險(xiǎn)性?？者\(yùn)安全、高效，但是價(jià)格昂貴，所以根據(jù)實(shí)際需求選擇最適合的運(yùn)輸方式也可以達(dá)到降低運(yùn)輸成本、節(jié)能環(huán)保的效果。

3 結(jié)語

我國(guó)作為一個(gè)生產(chǎn)制造大國(guó)，每年的能源消耗量驚人。根據(jù)最近的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)近幾年的年消耗的能源總量折合為標(biāo)準(zhǔn)煤都超過420000萬噸。其中消耗的能源大部分都是傳統(tǒng)的能源，在消耗大量能源的同時(shí)也對(duì)我國(guó)的環(huán)境造成了極大的破壞。雖然我們?nèi)〉玫倪M(jìn)步有目共睹，但這絕不是可以持續(xù)發(fā)展的方式。能源危機(jī)的問題已經(jīng)越來越凸顯，在短期還不能找到能夠替代傳統(tǒng)能源的大背景下，如何減少我國(guó)工業(yè)能源消耗、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、充分回收浪費(fèi)的能源是我們現(xiàn)在的重中之重。節(jié)能技術(shù)應(yīng)該受到各行業(yè)的重視，并付諸實(shí)踐。大到宏觀的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，小到每條生產(chǎn)線、每件設(shè)備都應(yīng)該將節(jié)能、環(huán)保的理念貫徹到底。

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作者簡(jiǎn)介：王小梅（1995-），女，重慶人，長(zhǎng)江師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院學(xué)生。

（責(zé)任編輯：王 波）