節(jié)能減排在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

朱姍

摘 要：隨著我國(guó)社會(huì)不斷進(jìn)步，對(duì)能源短缺以及環(huán)境污染等問(wèn)題的重視程度不斷提升，想要更好地促進(jìn)我國(guó)社會(huì)可持續(xù)建設(shè)發(fā)展，必須要加大節(jié)能減排力度。在當(dāng)前節(jié)能減排政策號(hào)召之下，我國(guó)工程機(jī)械設(shè)計(jì)開(kāi)始積極與節(jié)能減排理念進(jìn)行融合，這也使得機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)入到了一個(gè)新的階段?；诖?，該文也嘗試對(duì)節(jié)能減排在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排? 機(jī)械設(shè)計(jì)? 應(yīng)用路徑? 應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TU7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????? 文章編號(hào)：1672-3791（2022）01（b）-0000-00

Application of Energy Saving and Emission Reduction in Mechanical Design

ZHU Shan

（Energy Work Service Center of Tancheng County Development and Reform Bureau， Linyi， Shandong Province， 276199 China）

Abstract： With the continuous progress of China's society， the importance of energy shortage and environmental pollution and other issues has been increasing. If we want to better promote the sustainable construction and development of our society， we must strengthen energy conservation and emission reduction. Under the call of the current energy conservation and emission reduction policy， China's construction machinery design has begun to actively integrate with the concept of energy conservation and emission reduction， which also makes the development of machinery design industry enter a new stage. Based on this， this paper also attempts to analyze the application of energy conservation and emission reduction in mechanical design.

Key Words： Energy saving and emission reduction; Mechanical design; Application path; Application

現(xiàn)階段全球能源消耗以及環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，世界各國(guó)都開(kāi)始積極開(kāi)展機(jī)械節(jié)能減排工作，這也使得機(jī)械設(shè)備的能源消耗得到了有效控制。目前來(lái)看，我國(guó)在工程機(jī)械減排以及降耗方面的重視程度不斷提升，并且開(kāi)始加大節(jié)能減排研發(fā)力度，在此方面的理念創(chuàng)新以及技術(shù)創(chuàng)新體系規(guī)范化程度不斷提升，但整體來(lái)看，我國(guó)在機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能減排理念落實(shí)發(fā)展方面仍處于成長(zhǎng)階段，尚且沒(méi)有形成與之相配套的產(chǎn)業(yè)體系。并且，相關(guān)科研人員在對(duì)節(jié)能減排新技術(shù)進(jìn)行探索時(shí)，大多是圍繞著機(jī)械元件性能提升等方面，其研究方向往往較為單一，對(duì)能源排放的控制效果并不明顯，雖然對(duì)很多元件進(jìn)行了優(yōu)化處理，但是往往不足以解決當(dāng)前機(jī)械運(yùn)行過(guò)程中的高能耗以及高污染等問(wèn)題。由此看出，我國(guó)今后還應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)節(jié)能減排在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用的研究力度。

1機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能減排技術(shù)的主要原理分析

任何機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)都要遵循牛頓力學(xué)定律，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械節(jié)能效果的有效提升，應(yīng)該注意以能量守恒理論為基礎(chǔ)，保證能量的投入可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)動(dòng)效果的有效優(yōu)化。在機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，往往各設(shè)備以及組件之間會(huì)涉及到多種類(lèi)型的能量互相轉(zhuǎn)化，一些時(shí)候，勢(shì)能與動(dòng)能之間往往不能夠?qū)崿F(xiàn)完全轉(zhuǎn)化，這也導(dǎo)致了能量轉(zhuǎn)化具有動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，因此很容易造成能量損耗，從而致使能量過(guò)度消耗的情況經(jīng)常出現(xiàn)[1]。而通過(guò)強(qiáng)化機(jī)械節(jié)能減排設(shè)計(jì)的方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)過(guò)程中勢(shì)能波動(dòng)的有效控制，保證企業(yè)始終處在合理范圍內(nèi)，從而使得勢(shì)能與動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)化更為完全。在機(jī)械設(shè)備正式運(yùn)行的過(guò)程中，動(dòng)能是保證其動(dòng)力的源泉，由于一部分機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大，并且內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，即運(yùn)行過(guò)程中需要多個(gè)組件互相配合，這也使得其在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，很容易產(chǎn)生能量過(guò)度消耗現(xiàn)象。今后，想要有效減少能量轉(zhuǎn)化不完全的情況發(fā)生，應(yīng)該注意在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中著重減小設(shè)備構(gòu)件之間存在的摩擦力，從而使機(jī)械設(shè)備的節(jié)能減排效果得到保證[2]。

2節(jié)能減排在機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用分析

2.1改善動(dòng)力源

對(duì)于機(jī)械工程來(lái)說(shuō)，內(nèi)燃機(jī)是其最為主要的動(dòng)力源泉，當(dāng)前來(lái)看，世界范圍內(nèi)對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)的研究正在不斷深入，尤其對(duì)于一些西方發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，其已經(jīng)取得了較為完善的成果體系。當(dāng)前，內(nèi)燃機(jī)傳動(dòng)控制方面的研究重心轉(zhuǎn)向?yàn)榛旌蟿?dòng)力技術(shù)以及燃料電池技術(shù)，這兩項(xiàng)技術(shù)在世界范圍內(nèi)有廣泛應(yīng)用，而對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)傳動(dòng)裝置的研究也已經(jīng)進(jìn)入到了一個(gè)新的階段，尤其在內(nèi)燃機(jī)混合動(dòng)力研發(fā)方面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油電混合動(dòng)力以及油液混合動(dòng)力的雙向分析。其中，油電混合的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為能量密度較高，通常會(huì)考慮將其應(yīng)用到小型汽車(chē)中，其在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中發(fā)揮出了較為理想的效果，使得小型汽車(chē)的整體節(jié)能性得到了明顯優(yōu)化。但與此同時(shí)，此種技術(shù)的應(yīng)用也體現(xiàn)出了一些弊端，主要表現(xiàn)為環(huán)境污染問(wèn)題較為突出，因此不適合將其應(yīng)用在一些頻繁啟停的工程機(jī)械中[3]。相比較而言，油液混合動(dòng)力技術(shù)的優(yōu)勢(shì)則更為明顯，其主要體現(xiàn)為環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)、對(duì)環(huán)境污染程度不高、造價(jià)成本低廉等幾個(gè)方面，目前來(lái)看，此項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)大型化工廠以及機(jī)械加工廠中有較為廣泛的應(yīng)用，并且其依然具備廣闊的發(fā)展空間。想要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備動(dòng)力源的有效改善，應(yīng)該注意運(yùn)用儲(chǔ)能器與電池組合的方式作為混合動(dòng)力系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件。在進(jìn)行電能與液壓能轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)一定的能量損失，今后應(yīng)該注意對(duì)這一損失進(jìn)行有效控制，這就需要加大對(duì)儲(chǔ)能元件以及能量轉(zhuǎn)化元件的研究力度，積極引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)理念。目前來(lái)看，美國(guó)在此方面的研究處于世界領(lǐng)先地位，其在進(jìn)行電能與液壓能轉(zhuǎn)化的時(shí)候，可以有效節(jié)約40%左右的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油。而德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)則研究出了一種適用于挖掘機(jī)負(fù)載敏感系統(tǒng)的混合動(dòng)力液壓系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效減小發(fā)動(dòng)機(jī)以及泵的體積，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排[4]。

2.2改善匹配與控制系統(tǒng)

目前來(lái)看，改善以往的匹配以及控制系統(tǒng)已經(jīng)成為了機(jī)械工程行業(yè)內(nèi)部所關(guān)注的重點(diǎn)，由于在很多時(shí)候工程機(jī)械的工作環(huán)境較差，并且機(jī)械設(shè)備的負(fù)載較大，想要保證柴油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)熄火情況，并且始終保持較高的功率輸出，則對(duì)功率匹配提出了更高要求。而對(duì)于系統(tǒng)控制來(lái)說(shuō)，其主要是對(duì)傳動(dòng)型系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性控制，目的性強(qiáng)，省去了諸多中間環(huán)節(jié)，這也使得系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的開(kāi)展取得良好效果，進(jìn)而提升液壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的匹配程度[5]。但是，現(xiàn)階段我國(guó)在此方面并沒(méi)有規(guī)范的指標(biāo)體系，這也使得發(fā)動(dòng)機(jī)以及油品的配置缺乏具體依據(jù)，很難保證系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的高效性以及安全性。今后，應(yīng)該注意將液壓系統(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的功能性進(jìn)行不斷完善，并且提升二者之間的契合程度，從而對(duì)原有工程機(jī)械匹配與控制系統(tǒng)進(jìn)行逐漸優(yōu)化，保證燃油價(jià)值得到有效發(fā)揮，徹底改變工程機(jī)械運(yùn)行過(guò)程中的“冒黑煙”現(xiàn)象[6]。

2.3再制造技術(shù)

再制造技術(shù)是節(jié)能減排理念在機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要體現(xiàn)，其主要是指報(bào)廢的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)一系列加工修復(fù)之后產(chǎn)生與原有產(chǎn)品一致品質(zhì)。通過(guò)對(duì)再造技術(shù)的有效應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)高價(jià)值零部件的修復(fù)，而表面修復(fù)技術(shù)則是在制造技術(shù)的核心組成部分。目前來(lái)看，我國(guó)工程機(jī)械中所應(yīng)用到的再制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在原有制造成本的基礎(chǔ)上降低50%左右，并且其能量消耗降低40%左右，其具有較為理想的節(jié)能減排效果。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在再制造產(chǎn)業(yè)方面的起步時(shí)間較早，其發(fā)展較為迅速，早在20世紀(jì)30年代初期便開(kāi)始踐行再制造發(fā)展道路。例如，1932年美國(guó)的福特公司創(chuàng)造了第一個(gè)再制造企業(yè)，提升了再制造產(chǎn)品的規(guī)模以及制造過(guò)程規(guī)范化程度[7]。而與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，我國(guó)的再制造技術(shù)發(fā)展時(shí)間相對(duì)較晚，由于我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)內(nèi)部所涉及到的相關(guān)機(jī)械設(shè)備價(jià)格較為便宜，并且人工費(fèi)用較低，這也使得再制造產(chǎn)業(yè)成本動(dòng)力不足。隨著我國(guó)有關(guān)在制造產(chǎn)業(yè)政策的不斷出臺(tái)以及完善，夏工、廣西玉柴以及徐工等多個(gè)大型機(jī)械化工企業(yè)都開(kāi)始積極發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)，其在此方面的資金投入、人力資源投入力度也在不斷加大，使得我國(guó)再制造產(chǎn)業(yè)體系不斷趨于完善。但與此同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，在21世紀(jì)的今天，我國(guó)再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依然面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如缺少完整的、成熟的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)支持，再加上當(dāng)前還有少數(shù)企業(yè)處于在制造技術(shù)試點(diǎn)階段，難以推廣到整個(gè)企業(yè)運(yùn)行中。并且，部分業(yè)內(nèi)人士往往對(duì)再制造技術(shù)的認(rèn)知較為淺顯，自身再制造意識(shí)不強(qiáng)，這也使得一部分大型工程機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)了荒廢擱置的情況[8]。因此，今后應(yīng)該注意盡快出臺(tái)相應(yīng)的再制造產(chǎn)品稅收減免政策，進(jìn)一步推行更為完善的產(chǎn)品再制造工藝流程，從而使得機(jī)械生產(chǎn)效益得到保證，進(jìn)而促進(jìn)企業(yè)整體發(fā)展。

3未來(lái)工程機(jī)械節(jié)能減排輕量化設(shè)計(jì)展望

對(duì)于傳統(tǒng)的工程機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在實(shí)際展開(kāi)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該注意對(duì)產(chǎn)品自重問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性解決，通過(guò)這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其能耗情況的進(jìn)一步控制。例如，裝卸機(jī)鏟斗在作業(yè)中發(fā)揮出了重要作用，其在作業(yè)過(guò)程中受到阻力僅僅由鏟斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行抵消，往往很難發(fā)揮出理想效果，并且還要承受自身重力及物料重力，很多設(shè)計(jì)人員在對(duì)這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，往往沒(méi)能夠充分考慮到作業(yè)阻力、插入角度阻力、自重所產(chǎn)生的阻力等，這也使得裝載機(jī)鏟斗結(jié)構(gòu)在作業(yè)過(guò)程中無(wú)法發(fā)揮出理想效果。很多設(shè)計(jì)人員都應(yīng)用前蘇聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)公式法來(lái)確定當(dāng)前裝載機(jī)所需要的最大牽引力，這種方法需要修正的系數(shù)較多，并且與物料種類(lèi)、物料形狀以及鏟斗寬度等多項(xiàng)指標(biāo)信息有直接關(guān)系，這也使得裝載機(jī)鏟斗很難實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能減排設(shè)計(jì)。因此，今后再進(jìn)行類(lèi)似工程機(jī)械裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該借助離散元素法來(lái)對(duì)作業(yè)物料以及物料之間所產(chǎn)生的相互作用力進(jìn)行深入分析，以此為基礎(chǔ)確定裝置作業(yè)阻力以及裝飾荷載情況。同時(shí)，還應(yīng)該應(yīng)用有限元方法，將作業(yè)過(guò)程中所產(chǎn)生的阻力精準(zhǔn)施加到節(jié)點(diǎn)上，從而保證各零部件在工作狀態(tài)下所受外力較為均勻。并且，還應(yīng)該通過(guò)材料選擇優(yōu)化的方式來(lái)促進(jìn)其結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)工作的有效開(kāi)展，這也是降低大型機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵手段，保證其節(jié)能減排效果[9-10]。

4結(jié)語(yǔ)

總而言之，現(xiàn)階段我國(guó)能源消耗以及環(huán)境污染情況日益嚴(yán)重，正面臨著能源枯竭的發(fā)展窘境，在這樣的時(shí)代背景之下，將節(jié)能減排理念全面融入工程機(jī)械設(shè)計(jì)中非常重要，是促進(jìn)我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)以及社會(huì)整體可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵路徑之一。今后，應(yīng)該注意將節(jié)能減排理念以及技術(shù)應(yīng)用到工程機(jī)械設(shè)計(jì)中，使其與機(jī)械設(shè)計(jì)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行有效融合，積極發(fā)掘當(dāng)前機(jī)械節(jié)能減排核心技術(shù)尚且存在的不足之處。同時(shí)，還應(yīng)該進(jìn)一步落實(shí)輕量化設(shè)計(jì)理念，從而減小工程機(jī)械作業(yè)阻力，這也有利于對(duì)工程材料、能源成本進(jìn)行有效控制，是促進(jìn)工程機(jī)械行業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。

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