节能设计理念在机械制造中的应用

摘要：蓬勃发展的经济推动着工业发展，现代化的工业带来生产效率的不断提高，促进经济的进一步发展，从而形成良性循环。机械制造与自动化技术水平的提高使其应用更加广泛，但随之而来的是生产过程中所消耗的能源日趋增大，因此，在机械制造和自动化领域中，节能环保、可循环利用理念的贯彻已成为现今及未来最受关注的方面。

关键词：节能设计；机械制造；自动化；现代工业；节能环保

科学技术的发展不断推动着劳动生产力提高，让人们的生活方式由最开始的手工劳动，逐步发展为简单的生产工具和具有简单功能的机械。随后蒸汽机、内燃机的出现使利用大规模的机械从事生产活动成为了可能。再到集成电路和大规模集成电路的广泛应用，让自动化生产成为了制造业的常态，并且朝着智能化的方向发展。这种技术进步带来的生产效率突飞猛进的提高，从根本上改变了社会面貌和人们的生产、生活方式。机械制造和自动化的广泛应用在给人们带来光鲜亮丽生活的同时，却也带来了不小的问题。时至今日，越来越多的工厂采用自动化程度高的生产线，大大减少了工人的数量，但对于能源的胃口却是越来越大。同时工厂生产过程中产生的废水、废气和废料都没有经过妥善的处理，导致了经济发展同日益严重的环境污染并存的局面。解决这一矛盾的方法除了要对工厂排放的废水、废气和废料进行治理外，还要使用设计、建造能量使用效率高的机械自动化设备，从根本上减少能源的消耗，自然也减少了废水、废气的排放和废料的产生。

1国内机械制造与自动化技术现状及发展趋势

自20世纪70年代以来，中国的机械制造技术飞速发展，在我国的工业中占据越来越重要的位置。与此同时，计算机技术的发展赋予了机械制造业更多的活力。借助计算机技术，机械制造可以用更加高效、安全的方式完成设计制造过程，在计算机辅助设计的帮助下高效率和高安全性已经成为现今自动化机械制造的显著特点。但是由于我国的自动化机械制造起步较发达国家晚，技术相对落后，导致与发达国家制造的产品在质量、可靠度方面都有很大差距，竞争力方面没有优势可言。国外的机械制造技术与自动化技术现在已经发展得很完善，目前正朝着智能、环保的方向发展，国内的企业在这方面还存在很大的差距。国内企业应该积极尝试与国际接轨，目前有些企业通过加强与国际公司的交流或建立跨国公司，已经使自身的技术水平取得了长足的进步，机械制造的自动化程度也越来越高，缩短了与国外企业的差距。但是在最前沿的智能、环保领域还没有跟上国际的步伐。这需要我国的企业改变发展理念以及国家相关政策的积极扶持，只有通过持续不断的发展及投入，才能在这些领域发展出我国企业特有的竞争力。

2机械制造与自动化中的节能方法

机械制造与自动化的节能技术要涉及到从最初的设计到最终产品完成的各个环节，需要从多个方面统筹考虑：

2.1机械制造与自动化中设计阶段的节能

在机械设计制造中，节能技术应该是首要考虑的事项，尤其是在设计阶段。通常设计阶段需要对整个系统进行总体规划，在设计阶段对节能考虑得周全与否以及规划得是否合理，对于最终机械系统的能源利用效率有着决定性的影响。通常制造机械中最常见的部分就是发动机和液压系统。设计发动机系统比选择优良的排放系统，选用低油耗、低排放、低噪音和高效率的环保型发动机更为重要。这样不但可以降低整个系统的能源消耗，还可以减轻排放系统的负荷。液压传动中最重要的是保持传动液压油的清洁度，精心设计的液压系统是保障机械系统节能、高效和环保的重要环节。精心设计的液压系统可保证油液中微尘垃圾、机械磨损物等杂质长时间保持在正常工作范围，减少液压元件故障率与磨损、延长常用液压元件的使用寿命，降低液压油的更换频率，延长换油间隔时间，减少对周边作业环境的污染。比如为了保证液压系统的寿命，采用耐腐蚀、防老化、具备优良密封性能的进口优质胶管；设计过程中在可能的情况下尽量使用硬管，对只能使用软管的部分可以设计液压油回收装置，以便在软管破裂时能够回收液压油而不致对环境造成污染。机械设计过程实用化虚拟现实技术，成为设计初期的主要方式。计算机技术的长足发展使得机械制造和自动化的设计、优化和实际的使用结果都可以事先在计算机中模拟出来，这也是机械设计制造设计未来的发展方向。通过计算机模拟环境先将所要设计的系统建立虚拟模型，并赋予这些模型同现实中同样的物理性质，使用计算机进行预先演算，寻找设计产品的缺陷。在这个过程中发现的缺陷可以直接修改计算机模型，然后重新演算，直到符合要求之后再进行生产制造。与传统的设计流程相比，很多需要设计图纸和样品制造的环节都可以减少甚至完全不需要。这样的设计方法可以缩短设计周期，减少生产过程中出现问题的可能性，由于成功率的提升，消耗资源环节的减少可以有效降低企业的成本，同时也能减少环境污染。

2.2材料的选择和结构优化

机械设计制造过程中，选择环保、可回收的材料是节约能源的一个重要方面。机械制造过程中一直固有的理念是：为了保证设备的使用寿命和功能，通常都是要选择更好的材料或者是要采用更加厚重的结构。但是随着进一步的研究，通过对各个构件的受力分析各个构件的受力特点，可以有针对性地对结构进行优化，降低材料等级或者减少使用量。比如受扭矩的圆柱状结构，通过受力分析就可以发现承受的扭力都集中在圆柱的部分，圆柱中心位置受到的扭力很小，这样就可以将圆柱简化为空心结构，在能够承受的扭力不变的情况下减少材料使用，减轻设备重量。此外，一些结构用零件一定要采用比较容易装配和分解的大模块化的结构设计。在选用材料的过程中应当优先选取可回收、易分解、能再生，而且在加工过程中不会产生对环境有害的“三废”的材料以及其在报废后对环境污染最小的材料。

2.3合理工艺的选择

机械制造业中另一个重要的环节就是工艺和流程的选择，这一阶段如果可以对能量加以充分利用和回收则可以节省大量资源。传统的制造工艺通常都是使用冷锻与热锻。冷锻的过程都是在低于回复温度下进行，冷锻可以保证尺寸精度，并且表面粗糙度好、劳动条件好、生产效率高，但是由于在加工过程中金属的变形抗力大、塑性差并积聚有残余内应力，需中间退火后才能继续变形。热锻的温度在再结晶温度以上，这就需要对材料再加热和采用相应的加热设备。可以发现冷锻和热锻都需要再加热的过程，这就造成了能源消耗增加。与之相比，采用温锻工艺，制造过程在相对较低的温度下进行，也不需要二次加热到较高的温度，可以节省大量的能源消耗。作为长远的发展方向，制造厂应该同金属材料生产厂商合作，将生产出来的材料直接热送到加工车间，充分利用生产工序中的余热，这样既回收了材料本身的热量，还免去了二次加热过程，一举两得。

2.4设备运转过程的节能措施

机械设备在制造完毕后，就是在运转过程中的消耗能源，利用先进的完全智能化的管理系统，可以控制运转过程中实时消耗的能量。智能化的管理系统可以控制大到整个生产线小到每个开关，通过各种先进的传感器实施收集生产过程中的相关数据，动态地调节生产设备令其同生产负荷相适应，用最小的能源消耗来满足生产需求。以制造业的一般生产线来讲，通常只是某一部分的设备需要一直运转，其他的部分设备是在需要的时候才使用。这些设备有的可以直接关闭，有的需要保持在待机的状态，通过及时关闭不需要的设备并让必须待机的设备运转在最小消耗下，这就可以减少不必要的能源消耗，降低生产成本。

2.5机械运输过程的节能环保

一提到节能环保，大多数人的思考角度多是从机械本身的改进上考虑，都忽略了设备在包装和运输过程中所消耗的能源。随着制造工艺的进步，现在的机器越做越精细，工艺也日趋复杂，在运输过程中如何能够保证精密部件的完好成为运输过程的首要问题。在运输的过程中选择合适的运输方式、减少包装的复杂程度以及包装材料的选择都是环保节能的手段。首先，机械设备的精密部件需要多层保护才能抵消在运输过程中的磕碰和损坏。这就需要在设计环节就考虑到这一问题，尽量将精密的部件与其周围的部件设计为一个整体，运输的过程中将这个整体作为运输单位，其周围的构件自然成为了保护，这就可以有效地降低包装的保护级别；其次，包装材料的选择。过度使用木板势必会对环境造成危害，而使用传统的纸板又不能达到保护的需要，聚乙烯包装材料回收非常困难，焚烧又会造成空气污染。相比之下，蜂窝纸板材料成为了理想的选择，其蜂窝结构可以有效地降低机械在运输过程中受到的损害，其生产和使用都对环境的影响较小，并且纸板回收和再利用也相对容易，是目前来讲最环保、最具性价比的选择；最后，运输方式的选择也应该注意节能环保，海、陆、空三种运输方式各有利弊。海运虽然运输的风险和成本比较低，但是耗时较长。陆路运输的时间和成本都比较折中，但设备装载困难，还有一定的风险性。空运安全、高效，但是价格昂贵，所以根据实际需求选择最适合的运输方式也可以达到降低运输成本、节能环保的效果。

3结语

我国作为一个生产制造大国，每年的能源消耗量惊人。根据最近的统计数据，我国近几年的年消耗的能源总量折合为标准煤都超过420000万吨。其中消耗的能源大部分都是传统的能源，在消耗大量能源的同时也对我国的环境造成了极大的破坏。虽然我们取得的进步有目共睹，但这绝不是可以持续发展的方式。能源危机的问题已经越来越凸显，在短期还不能找到能够替代传统能源的大背景下，如何减少我国工业能源消耗、优化能源结构、充分回收浪费的能源是我们现在的重中之重。节能技术应该受到各行业的重视，并付诸实践。大到宏观的产业结构，小到每条生产线、每件设备都应该将节能、环保的理念贯彻到底。

作者:王小梅 田鹏 单位:长江师范学院机械与电气工程学院

参考文献:

[1]马明．机械制造与自动化设计中的节能设计理念分析[J]．科技创新与应用，2015，（11）．

[2]张成磊，刘朝利．机械制造与自动化设计中的节能设计理念研究[J]．科技风，2014，（7）．

[3]林俊鹏．机械制造与自动化中的节能设计理念[J]．科技风，2014，（7）．

[4]王光祥．机械制造与自动化中的节能设计理念[J]．科技创新与应用，2012，（8）．

[5]郭云龙．机械制造与自动化中的节能设计理念分析[J]．科技与创新，2015，（7）．