機(jī)械制造及自動(dòng)化中的節(jié)能高效設(shè)計(jì)理念

陳 軍 吉順林

（中傳重型機(jī)床有限公司，南京 210000）

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機(jī)械制造及自動(dòng)化中的節(jié)能高效設(shè)計(jì)理念

陳 軍 吉順林

（中傳重型機(jī)床有限公司，南京 210000）

摘 要：改革開(kāi)放后，我國(guó)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)逐年好轉(zhuǎn)，并保持著較快的增長(zhǎng)速度。機(jī)械制造業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，也迅速地發(fā)展起來(lái)。當(dāng)前，高消耗和低效率問(wèn)題在制造業(yè)發(fā)展中尤為突出。因此，節(jié)能高效設(shè)計(jì)理念將是推動(dòng)機(jī)械制造業(yè)降低成本、提高生產(chǎn)效率和實(shí)現(xiàn)工業(yè)社會(huì)高速發(fā)展的一項(xiàng)有效途徑。本文就機(jī)械制造及自動(dòng)化過(guò)程中的節(jié)能高效理念進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，以期為節(jié)約能源及成本和提高生產(chǎn)效率提供一些具有建設(shè)性的意見(jiàn)和建議。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造 自動(dòng)化 節(jié)能高效

1 機(jī)械制造業(yè)發(fā)展概況

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的生產(chǎn)方式發(fā)生了日新月異的變化。從最開(kāi)始的手工作業(yè)，發(fā)展為牲畜和生產(chǎn)工具結(jié)合，直到蒸汽機(jī)的改良，人類進(jìn)入機(jī)械化工業(yè)生產(chǎn)，大大加快了生產(chǎn)速率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)的平均成本，人們的生活水平由此得到提升。機(jī)械制造方式由最初的人工控制機(jī)械逐漸發(fā)展為機(jī)械的自動(dòng)化，先后實(shí)現(xiàn)了機(jī)械的自動(dòng)診斷、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)修復(fù)。機(jī)械制造的自動(dòng)化發(fā)展，降低了可能給操作人員帶來(lái)人身危險(xiǎn)的概率，提高了生產(chǎn)速率，加快了生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)了量化生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)成本，也同時(shí)帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展。

然而，在機(jī)械制造高速發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)中，仍然存在一些高耗能、高成本和低效率的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品。相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)起步較晚，自動(dòng)化程度仍處在低級(jí)水平。技術(shù)水平的落后，導(dǎo)致我們需要花費(fèi)高成本獲取低價(jià)值產(chǎn)品。在工業(yè)4.0的浪潮下，我們可以隨大勢(shì)不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，強(qiáng)化產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

2 節(jié)能高效理念在機(jī)械制造及自動(dòng)化中的應(yīng)用

節(jié)能高效設(shè)計(jì)主現(xiàn)應(yīng)用于對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少產(chǎn)品部件不需要的部分或材料，對(duì)可使用資源的循環(huán)利用，以及有效減少人工的繁瑣作業(yè)，以期在低成本情況下提高生產(chǎn)率，避免一些不必要的工作。作為機(jī)械設(shè)計(jì)人員，可將節(jié)能高效設(shè)計(jì)理念引入到實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分應(yīng)用低成本、高效率的設(shè)計(jì)思想，提高國(guó)家的工業(yè)產(chǎn)值，縮短我國(guó)工業(yè)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，首要的節(jié)能高效理念應(yīng)該灌注在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的最開(kāi)端，也就是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。一個(gè)好的結(jié)構(gòu)可以有效提高產(chǎn)品的整體質(zhì)量。機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面。

一是選擇使用節(jié)能高效型的電機(jī)。電機(jī)是一個(gè)機(jī)械的動(dòng)力源，是多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品的核心部件，同時(shí)也是機(jī)械產(chǎn)品耗能最大的部件。因此，進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇低能耗、高效率的電機(jī)。當(dāng)前，在普通機(jī)床上驅(qū)動(dòng)移置導(dǎo)軌的Y系列電機(jī)均已被淘汰，由于其高能耗、低效率，如CK516的橫梁升降電機(jī)Y90L-6，其1.1kW的效率為72%。但是，在《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中規(guī)定，其不低于2級(jí)能效，即效率不小于81%，故此被淘汰。所以，設(shè)計(jì)中應(yīng)避免選用淘汰電機(jī)。

二是優(yōu)化進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，有效減少無(wú)用功的時(shí)間，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)盡量提高移動(dòng)件的加速度。在電機(jī)選定的情況下，電機(jī)的最大輸出扭矩M也隨之固定。以一級(jí)減速機(jī)構(gòu)為例，此時(shí)可以將負(fù)載軸角加速度α2與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL、驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM和一級(jí)降速比i聯(lián)系起來(lái)

由此可以得到負(fù)載軸角加速度α2關(guān)于降速比i的函數(shù)，從而可以畫(huà)出函數(shù)曲線。至此，可以輕松得出其負(fù)載軸角加速度α2在降速比i的某個(gè)值下收斂，從而得到系統(tǒng)最佳響應(yīng)速度。在高速精密設(shè)備中，其響應(yīng)速度對(duì)其生產(chǎn)效率不容忽視。

三是優(yōu)化零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品零部件的不同結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生完全不同的機(jī)械性能。在保證機(jī)械性能的前提下，設(shè)計(jì)者可以對(duì)零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而強(qiáng)化零件性能，減少零件重量。在機(jī)床的主要大型鑄件設(shè)計(jì)中，在保證剛度的情況下，需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。圖1即為零部件的優(yōu)化流程。例如，橫梁的截面優(yōu)化。不同的截面所形成的剛度是不同的，故需在人和軟件的綜合分析下選擇最佳結(jié)構(gòu)。

圖1 零部件的優(yōu)化流程

四是優(yōu)化系統(tǒng)的控制方式。在機(jī)械制造領(lǐng)域，系統(tǒng)的控制方式主要采用液壓控制系統(tǒng)。然而，現(xiàn)實(shí)中它會(huì)存在以下缺陷：傳動(dòng)介質(zhì)易泄漏，污染環(huán)境；能量傳遞過(guò)程中泄漏的存在，使得傳動(dòng)效率低；流體傳動(dòng)裝置不宜在高溫下工作；流體控制元件制造精度高，以至成本過(guò)高，等等。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以結(jié)合氣壓控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：空氣可以從大氣中取之不竭；無(wú)介質(zhì)成本；泄漏不會(huì)污染環(huán)境等等，設(shè)計(jì)采用液壓、氣動(dòng)相結(jié)合的控制系統(tǒng)。

五是防漏和自動(dòng)回收設(shè)計(jì)。眾所周知，機(jī)械設(shè)備使用過(guò)程中存在不可避免的漏油現(xiàn)象，進(jìn)而造成原料浪費(fèi)。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)可考慮減少或避免漏油現(xiàn)象的發(fā)生。例如，在數(shù)控立式車床中，當(dāng)其X軸采用靜壓導(dǎo)軌時(shí)，導(dǎo)軌側(cè)的液壓油飛濺導(dǎo)致液壓油不斷滲出，液壓油的滲出會(huì)讓周圍環(huán)境以及機(jī)床整體被污損。此時(shí)，可采用在橫梁導(dǎo)軌防護(hù)罩內(nèi)部作引流結(jié)構(gòu)，使飛濺出的液壓油再次被引導(dǎo)回接油盒，延長(zhǎng)液壓油的使用周期，有效提高設(shè)計(jì)能效，降低成本。再如，鐵屑、邊角料等廢料需要人工清掃，既降低了生產(chǎn)效率，也增加了人工成本。所以，在設(shè)計(jì)排屑結(jié)構(gòu)時(shí)，計(jì)算廢料在斜面上的自鎖角，盡量增加排屑斜度，使廢料可以由自重自行滑落至排屑器。

（2）機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中材料的節(jié)能設(shè)計(jì)。材料的選擇是機(jī)械零件設(shè)計(jì)中非常重要的組成部分。隨著工程實(shí)際對(duì)機(jī)械以及零件要求的提高，以及材料科學(xué)的不斷發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中材料的節(jié)能設(shè)計(jì)越來(lái)越成為提高零件質(zhì)量、降低成本的重要手段。例如，機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)用廉價(jià)的材料能滿足使用要求時(shí)，就不應(yīng)選用價(jià)格高的材料，這對(duì)批量生產(chǎn)制造可以大大減少成本；對(duì)一些需要經(jīng)常更換的設(shè)備零件，設(shè)計(jì)過(guò)程中可以選擇可回收、可拆卸的生產(chǎn)材料，以有效提高機(jī)械制造材料的循環(huán)使用率，減少機(jī)械制造過(guò)程中材料的浪費(fèi)，節(jié)約生產(chǎn)資源；設(shè)計(jì)時(shí)采用無(wú)切屑或少切屑毛坯，如精鑄、冷拉毛坯等，可以提高材料的利用率，降低生產(chǎn)成本；此外，設(shè)計(jì)過(guò)程中采用材料組合結(jié)構(gòu)，可以提高材料使用率，如火車車輪是在一般材料的輪芯外部熱套上一個(gè)硬度高且耐磨損的輪箍。綜上所述，機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選用材料，可以降低機(jī)械產(chǎn)品的能耗，節(jié)約成本，達(dá)到節(jié)能的目的。

（3）機(jī)械設(shè)計(jì)的虛擬化。進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展階段，需要將互聯(lián)的思想運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，其中運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)就是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向。通過(guò)大型CAD/CAE/CAM軟件，如AutoCAD、SolidWorks等，可以完成從圖紙到生產(chǎn)全過(guò)程的模擬仿真；通過(guò)各種分析軟件如Abaqus、ANASY等，可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等的預(yù)判斷，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)模擬制造能夠在生產(chǎn)前簡(jiǎn)潔明了地對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、動(dòng)作以及質(zhì)量分布進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行修正，直到達(dá)到要求，從而大大減少了生產(chǎn)過(guò)程中的次品率，有效提高了設(shè)計(jì)效率，降低了不必要的花費(fèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)技術(shù)水平在制造行業(yè)主要方面和細(xì)節(jié)方面的不斷研究進(jìn)步，將會(huì)加速縮小我國(guó)與制造強(qiáng)國(guó)之間的差距，從而帶動(dòng)各行各業(yè)的前進(jìn)。因此，要將節(jié)能高效的理念應(yīng)用到機(jī)械制造與自動(dòng)化領(lǐng)域中，使之乘著新一輪工業(yè)革命的春風(fēng)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展。

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Analysis of Energy Saving and High Efficiency Design in Mechanical Manufacturing and Automation

CHEN Jun，JI Shunlin
（China Heavy Duty Machine Tool Co.， Ltd.， Nanjing 210000）

Abstract:After the reform and opening up， China's economic situation has improved year by year， and m aintain a rapid growth rate. Machinery manufacturing industry as a pillar industry of the national economy， has also developed rapidly. At pres ent， the problem of high consumption and low efficiency in the development of the manufacturing industry is particularly prominent. Therefore，energy saving and high efficiency des ign concept will be an effective way to promote the mechanical manufacturing industry to reduce costs， improve production efficiency and realize the rapid development of industrial society. In this paper， the concept of energy saving and high efficiency in the process of mechanical manufacturing and automation is explained in detail in order to provide some constructive suggestions and opinions for saving energy and cost and improving production efficiency.

Key words:mechanical manufacturing， automation， energy saving and high efficiency