綠色設(shè)計(jì)理念在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

張光曙

（江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西南昌 330029）

0 引言

近年，機(jī)械設(shè)計(jì)理念不斷發(fā)展變化，從粗放發(fā)展模式轉(zhuǎn)為精細(xì)化設(shè)計(jì)模式。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用綠色設(shè)計(jì)理念，可以提高產(chǎn)品的科學(xué)性與環(huán)保性，提升整體產(chǎn)品的價(jià)值，滿足人們綠色消費(fèi)需求。在當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，應(yīng)用設(shè)計(jì)理念還可以提高產(chǎn)品附加值，順應(yīng)環(huán)境保護(hù)發(fā)展的時(shí)代潮流。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)制造應(yīng)用綠色理念的價(jià)值

1.1 綠色設(shè)計(jì)理念應(yīng)用的必要性

在傳統(tǒng)機(jī)械制造發(fā)展過(guò)程中，很多設(shè)計(jì)人員片面追求經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對(duì)于材料本身的綠色環(huán)保性能沒(méi)有全面重視。不僅浪費(fèi)大量資源，造成機(jī)械設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品運(yùn)行消耗的能源較多，本質(zhì)上是一種粗放化的經(jīng)營(yíng)發(fā)展模式。新時(shí)代以來(lái)，提高機(jī)械制造的精細(xì)化程度，不論是從綠色設(shè)計(jì)還是綠色生產(chǎn)、綠色投入，可以形成一個(gè)完整的閉環(huán)效果，融入綠色環(huán)保理念，提升設(shè)計(jì)制造的精細(xì)化程度。有效的綠色機(jī)械制造設(shè)計(jì)是后期綠色生產(chǎn)和綠色使用的基礎(chǔ)，只有提高設(shè)計(jì)的精細(xì)化程度，才能減少產(chǎn)品投入使用過(guò)程中的資源浪費(fèi)，從可持續(xù)發(fā)展的角度，提升產(chǎn)品本身的附加值。

1.2 綠色設(shè)計(jì)理念對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造的提升作用

首先，踐行綠色機(jī)械設(shè)計(jì)制造可以滿足人們對(duì)于經(jīng)濟(jì)效益的追求。尤其是在當(dāng)前綠色發(fā)展的社會(huì)環(huán)境中進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)制造，可以減少材料使用成本，對(duì)已經(jīng)使用的機(jī)械制造材料進(jìn)行有效回收和利用。從成本上來(lái)講，具有廣泛的發(fā)展空間，更加合理科學(xué)地進(jìn)行機(jī)械制造設(shè)計(jì)，有利于生產(chǎn)企業(yè)降低成本。其次，融入綠色發(fā)展理念可以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展以及精細(xì)化發(fā)展，積極響應(yīng)國(guó)家提出的綠色生產(chǎn)號(hào)召。開(kāi)展有效的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過(guò)前期反復(fù)實(shí)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)化的調(diào)整，減少生產(chǎn)以及后期維護(hù)中造成的資源浪費(fèi)，避免環(huán)境資源枯竭，為子孫后代創(chuàng)造一個(gè)良好的生存發(fā)展空間，滿足經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展需求[1]。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)制造中應(yīng)用綠色設(shè)計(jì)理念的路徑

2.1 機(jī)械視覺(jué)環(huán)境綠色設(shè)計(jì)

首先，在機(jī)械視覺(jué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮到產(chǎn)品的形態(tài)、產(chǎn)品的類型，而不是一刀切地根據(jù)想象去進(jìn)行產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)。外包裝要符合現(xiàn)實(shí)形態(tài)，而不是單純強(qiáng)調(diào)格調(diào)和等級(jí)，更多的使用綠色元素和自然界中的資源進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)。避免過(guò)度加工或者人為制造造型，影響產(chǎn)品整個(gè)視覺(jué)效果。區(qū)分人工形態(tài)和自然形態(tài)，采取簡(jiǎn)潔的外包裝設(shè)計(jì)來(lái)提高整個(gè)產(chǎn)品的親切感和自然感。例如，可以采用環(huán)保充氣紙板來(lái)進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的外包裝設(shè)計(jì)，既可以減少產(chǎn)品運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)損耗，降低對(duì)產(chǎn)品的負(fù)面影響，又可以在運(yùn)輸完成后回收該紙板，起到資源優(yōu)化利用的作用。

其次，在視覺(jué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)自然界形成的一些天然形態(tài)來(lái)展現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的觀念和技能，尤其是在產(chǎn)品外包裝設(shè)計(jì)中體現(xiàn)綠色產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境，使之與自然界充分融合在一起。例如，在外包裝設(shè)計(jì)上可以更加高精度地展現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境，尤其是一些小件機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法可以方便運(yùn)輸人員和管理人員通過(guò)產(chǎn)品外包裝箱的信息，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)分類，從而減少運(yùn)輸和管理時(shí)間，降低資源浪費(fèi)。

最后，綠色產(chǎn)品的材料設(shè)計(jì)也要考慮全面，避免在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用高耗能、高污染的材料。例如，重金屬材料、能源密集型材料等，更多應(yīng)用一些綠色環(huán)保材料，例如，低密度樹(shù)脂材料、環(huán)氧脂材料。這些材料的應(yīng)用對(duì)自然界資源的消耗更少，有助于提升產(chǎn)品性能。同時(shí)，新型材料的應(yīng)用可推動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新升級(jí)，解決產(chǎn)品同質(zhì)化問(wèn)題，提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為產(chǎn)品后續(xù)宣傳提供充分的競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。從最初設(shè)計(jì)階段就要對(duì)產(chǎn)品的回收利用進(jìn)行全面分析，從而提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的低碳環(huán)保性能。

2.2 機(jī)械液壓系統(tǒng)綠色設(shè)計(jì)

80%以上的機(jī)械產(chǎn)品都會(huì)使用液壓結(jié)構(gòu)，如果設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有充分考慮到液壓系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，造成漏油，就會(huì)嚴(yán)重影響資源利用的有效性。

一方面，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要充分考慮到其使用的環(huán)境，保障使用人員可以按照正確的操作方法使用液壓系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮液壓系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合環(huán)境特點(diǎn)及運(yùn)行要求，進(jìn)行液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并提供規(guī)范操作說(shuō)明，提高操作人員對(duì)于液壓系統(tǒng)的掌控能力，并且在研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要對(duì)環(huán)境可能出現(xiàn)的一些問(wèn)題進(jìn)行有效預(yù)防。

另一方面，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮到液壓系統(tǒng)的回收利用，一般來(lái)說(shuō)機(jī)械產(chǎn)品液壓系統(tǒng)的使用壽命在5～6 年。更換液壓系統(tǒng)的配件開(kāi)銷巨大。某液壓系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到零件更換的資源浪費(fèi)問(wèn)題，對(duì)于各部件的拆卸進(jìn)行了靈活化設(shè)計(jì)，對(duì)于零件更替循環(huán)使用問(wèn)題進(jìn)行了一致性分析。從生態(tài)保護(hù)的角度增加了關(guān)鍵零件的緩沖系統(tǒng)，并配合移動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)關(guān)鍵零件的使用次數(shù)和壽命進(jìn)行針對(duì)性分析。配合數(shù)據(jù)輸出網(wǎng)絡(luò)，可以為使用單位提供液壓系統(tǒng)零件的更換模型。這樣的設(shè)計(jì)方法既可以給使用單位創(chuàng)造便利，又可以減少故障零件應(yīng)用造成的機(jī)械損傷。

除此之外，在液壓系統(tǒng)綠色設(shè)計(jì)過(guò)程中，還要使用符合規(guī)范的液壓油，避免使用不合格或者資源浪費(fèi)嚴(yán)重的液壓油，嚴(yán)重危害環(huán)境。增加隔音墊、減振器等，減少液壓系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的噪聲污染。例如，某液壓系統(tǒng)制造企業(yè)就在生產(chǎn)期間通過(guò)24 次生產(chǎn)設(shè)計(jì)調(diào)試，對(duì)噪聲污染等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，整合出系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)和使用企業(yè)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐，方便其按照自己的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境選擇合適的液壓機(jī)。這種系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法可以幫助工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)更好地控制生產(chǎn)中的噪聲污染，提高整體生產(chǎn)的環(huán)保性能。

2.3 機(jī)械界面系統(tǒng)綠色設(shè)計(jì)

現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品正在朝向數(shù)字化的方向發(fā)展，人機(jī)互動(dòng)增強(qiáng)，因而進(jìn)行優(yōu)化的界面設(shè)計(jì)，對(duì)于提升綠色環(huán)保性能也具有重要價(jià)值。

第一，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員要全面了解用戶的使用環(huán)境、使用特征以及使用心理，從成本角度和消費(fèi)需求角度進(jìn)行統(tǒng)籌把握。做到界面操作與用戶的生產(chǎn)習(xí)慣、使用習(xí)慣和身心習(xí)慣一一對(duì)應(yīng)。減少用戶由于不熟悉操作界面造成的錯(cuò)誤操作問(wèn)題，降低機(jī)械產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題和故障的概率。

第二，本著簡(jiǎn)潔的原則進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品界面的設(shè)計(jì)，避免復(fù)雜繁瑣的操作影響用戶的體驗(yàn)感。從用戶實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)景角度，對(duì)頁(yè)面圖標(biāo)的大小顏色以及相關(guān)聯(lián)的其他圖標(biāo)進(jìn)行整合性分析。整體的界面要保持一致性。如果操作按鈕過(guò)小或者顏色與其他按鈕混淆，就可能誘發(fā)操作失誤問(wèn)題。從2018 年12 月獲得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，界面設(shè)計(jì)不合理在機(jī)械產(chǎn)品故障的原因中排在第三位?？梢?jiàn)，優(yōu)化界面設(shè)計(jì)可以減少故障概率，進(jìn)而減少后續(xù)維修工作。

第三，產(chǎn)品的整個(gè)界面設(shè)計(jì)要考慮用戶的使用習(xí)慣，尤其是按照用戶的個(gè)性化定制需求來(lái)設(shè)計(jì)具體的操作桿控制器、數(shù)字界面器、停止鍵等。從而縮短用戶在特殊情況下的反應(yīng)時(shí)間，更好地控制機(jī)器操作效率，并應(yīng)用這種數(shù)字化控制方式，方便用戶在使用過(guò)程中對(duì)設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展。減少重新購(gòu)置設(shè)備造成的成本浪費(fèi)，提高單一設(shè)備的使用壽命。

2.4 機(jī)械產(chǎn)品回收綠色設(shè)計(jì)

（1）機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中融入綠色設(shè)計(jì)理念，要從整體產(chǎn)品的使用環(huán)境屬性來(lái)進(jìn)行分析，做好產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)用、回收維護(hù)、反復(fù)拆卸以及廢舊零件回收等工作。機(jī)械產(chǎn)品結(jié)束使用周期后，如果質(zhì)量和使用功能仍然能夠滿足相應(yīng)的生產(chǎn)條件，可以按照單部分零件來(lái)進(jìn)行回收，而不是按照材料進(jìn)行回收。這樣的回收方式相對(duì)于傳統(tǒng)回收方式可降低70%以上的資源浪費(fèi)，并且減少材料重新回收而浪費(fèi)的成本。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以針對(duì)零件的具體使用場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行拆分，從而保障結(jié)束產(chǎn)品生命周期之后，機(jī)械產(chǎn)品可以重新回到生產(chǎn)線中進(jìn)行二次加工。

（2）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，也是綠色產(chǎn)品方便回收的基礎(chǔ)之一。機(jī)械加工的工藝尺寸要嚴(yán)格按照規(guī)程來(lái)進(jìn)行操作，留有加工余量，并按照工序尺寸對(duì)于工藝尺寸鏈條進(jìn)行嚴(yán)格的生產(chǎn)把控。從經(jīng)濟(jì)技術(shù)角度研讀設(shè)計(jì)的工藝文件，結(jié)合客戶上傳的具體規(guī)程實(shí)例進(jìn)行定制化操作，滿足機(jī)器裝配工藝規(guī)程設(shè)計(jì)要求。高質(zhì)量的機(jī)械產(chǎn)品供應(yīng)零件會(huì)降低后期維修成本，因而只有不斷提高規(guī)范化生產(chǎn)程度與質(zhì)量水平，才能夠真正做到綠色生產(chǎn)與設(shè)計(jì)。

（3）以飛機(jī)中的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)為例，按照鑄造—鍛造—沖壓—機(jī)械加工—裝配—焊接這個(gè)完整的工藝流程，可以不斷提高機(jī)械制造產(chǎn)品設(shè)計(jì)的綠色化水平，并且按照成品、半成品對(duì)于工藝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化把控，可以減少生產(chǎn)中造成的資源浪費(fèi)和產(chǎn)品的工藝質(zhì)量不良。在設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程中，要根據(jù)合理的工藝過(guò)程來(lái)指導(dǎo)整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理念，并通過(guò)自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程等，對(duì)于電子工藝規(guī)程進(jìn)行全方面考慮。在當(dāng)前環(huán)境中，可以結(jié)合數(shù)字化平臺(tái)來(lái)對(duì)各種機(jī)械組件的分配流水和工藝編制進(jìn)行全面分析，完成高質(zhì)量制造。

（4）綠色機(jī)械制造要考慮到工步和工作行程。工步就是在加工表面不變、加工工具不變、切削用量不變的情況下，提升整體設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)化程度。工作行程也稱為走刀，是指完成一次精細(xì)化加工所需要的工步。在機(jī)械制造過(guò)程中要充分考慮到工步和工作行程，進(jìn)行全面的精細(xì)化測(cè)量，提高檢查的一致性，經(jīng)過(guò)精準(zhǔn)稱重之后進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的精加工。設(shè)計(jì)人員要深入到一線生產(chǎn)車(chē)間，了解生產(chǎn)制造存在的問(wèn)題，才能夠不斷改進(jìn)操作的精細(xì)化程度。減少由于設(shè)計(jì)不合理造成的后續(xù)生產(chǎn)資源浪費(fèi)，提高對(duì)環(huán)境的保護(hù)能力。

3 結(jié)論

綠色機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是綠色生產(chǎn)與綠色維修的基礎(chǔ)，在機(jī)械產(chǎn)品制造生產(chǎn)的整個(gè)生命周期都要進(jìn)行全方面的考慮。從本文分析可知，研究綠色機(jī)械產(chǎn)品制造要全面分析相關(guān)因素，進(jìn)行產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)、產(chǎn)品回收設(shè)計(jì)、產(chǎn)品材料設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量功能設(shè)計(jì)，減少污染。因此要建立全面的綠色觀念，提高機(jī)械產(chǎn)品的循環(huán)利用效率，引入更多自然資源與綠色觀念，促進(jìn)產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新升級(jí)。