裝備制造業綠色設計與可靠性設計的構想

[摘要] 裝備制造業素有“工業母機”之稱，是人類財富的支柱產業，在國民經濟中占據支配地位。綠色制造是21世紀裝備制造業重要發展方向，本文探討將可靠性設計應用到裝備制造業產品綠色設計之中，提出綠色制造設計的可靠性設計方法，對研究裝備制造業發展循環經濟，實現可持續發展有著重要的作用。

[關鍵詞] 裝備制造業 綠色設計 可靠性設計 減量化

一、引言

21世紀人類面臨著人口、資源和環境三大危機。我國制造業直接創造GDP的三分之一，是創造人類財富的支柱產業，是將高科技轉化為現實生產力所必要的手段和工具，它集中反映了一國總體科技水平，是中國的戰略性產業，是中國工業化的前提。但同時又是當前環境和資源浪費的主要源頭，中國制造業經歷了50多年的發展，從總體上看，依然沒有走出資源消耗型，沒有擺脫傳統的高投入、高消耗、高污染、低產出、低效益為特征的發展模式；另一方面，由于我國原材料的品質較低，導致原材料的使用量增加，產品設計冗余量增大。中國裝備制造業比發達和自主創新的國家在資源投入和能耗上要高得多，單位產值的能耗高于發達國家的20%到30%。我國制造業的能耗占全國一次能耗的63%，可以說制造業是能耗大戶，單位能耗偏高，由此帶來了對能源、資源的較多依賴。同時，據世界銀行估計，環境污染給中國帶來相當于3.5%～8%的GDP的損失，按《中國統計年鑒》（2007）2006年我國GDP為20.94萬億元，環境污染給中國帶來的損失為7329億～16752億元。由于制造業量大面廣，因而對環境的整體影響很大。針對目前裝備制造業的狀況，本文主要研究裝備制造業可靠性設計在綠色設計中的應用，如何將可靠性設計理論與循環經濟綠色設計理論相給合，在生產過程中節約能源和原材料，淘汰有害的原材料、減少和降低所有廢物的數量和毒性，降低產品對環境的有害影響，實現產品綠色制造，提高資源使用率和能源使用率，以達到發展循環經濟，實現可持續發展的目標。

二、綠色設計與可靠性設計的內涵

1.綠色設計的內涵

技術研究表明，產品性能的7O％～8O％是由設計階段決定的，設計階段是產品生命周期的源頭，設計的浪費是最大的浪費。綠色設計是指在產品生命周期全過程的設計中，充分考慮對環境和資源的影響，在考慮功能、質量、開發周期和成本的同時，優化設計因素，使產品及其制造過程對環境和資源消耗的總體影響減到最小。綠色制造是一種綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式，它的目標是使產品設計、制造、運輸、使用到報廢處理的整個產品周期中，對環境的負影響作用最小，資源效率最高。簡單地說，綠色制造要綜合考慮制造、環境和資源這三大領域。綠色設計要將3R (Reduce，Reuse，Recycle)直接引入產品研發階段，綠色設計是綠色制造技術的核心。美國威廉·麥克唐《從搖籃到搖籃》一書尖銳指出，現代工業設計思想是從搖籃到墳墓的設計思想，思想方式是直線型的，只關心生產，并快速、廉價地送到消費者手里，而其他的事情卻沒有考慮。從亞當·斯密和李嘉圖起，西方經濟學的指導思想是最大限度地開發自然資源；最大限度地創造社會財富；最大限度地獲取利潤。 綠色設計要將“減量化”放在首位，零部件的設計應“小而精”。在滿足可靠性的條件下，零件結構越小，所用材料越少，可節約資源的使用量，同時給環境的污染也相應減少，使零件的“綠色”性能得以提高。在材料選取后，可根據可靠性確定零件形狀和尺寸。在傳統的設計過程中，違背了綠色設計的原則，采用較大的安全系數來確定零件的形狀和尺寸。這樣導致零件的結構尺寸偏大，增加了材料的消耗，同時增加了能源的使用量。因此，在零件的設計過程中要盡量采用先進的設計理論和方法，提高機械零件計算載荷的準確度，確定合理的安全系數，將產品安全系數與綠色設計相結合。這既可以合理地設計出零件的結構尺寸，又可以減少設計者的工作量，同時減少能源的使用量。本文主要研究零件的尺寸在滿足可靠度的條件下，怎樣達到綠色設計的目的。

2.可靠性設計的內涵

傳統觀念上，可靠性是衡量產品質量的一個重要指標，裝備制造業廠家，為了提高產品質量，都有在提高其可靠性，特別是重大裝備，產品的可靠性直接影響到設備的安裝、調試和維修。因此，可靠性問題是一種綜合性的系統工程。裝備制造業產品（零件、部件、設備或系統）的可靠性也和綠色制造一樣，是與其設計、制造、運輸、儲存、使用、維修等各個環節緊密相關的。設計只是其中的一個環節，但卻是保證產品可靠性最重要的環節，它為產品的可靠性水平奠定基礎。因為裝備制造業產品的可靠性取決于其零部件的結構形式和尺寸、選用的材料及熱處理、制造工藝、檢驗標準、潤滑條件、維修方便性，以及各種安全保護措施等，而這些都是在設計中決定的。設計決定了產品可靠性水平即產品的固有可靠度。產品的制造和使用固然也對其可靠性有重要的影響，但畢竟制造是按設計進行，制造和使用的主要任務是保證產品可靠性指標的實現。

我國國家標準可靠性基本名詞術語及定義GB/T3187-1994定義可靠性為：“產品在規定的條件和規定的時間內，完成規定功能的能力”。可靠度是指產品在規定的條件和規定的時間內，能完成規定功能的概率。通常用R表示。

3.可靠性設計增長與綠色設計

在產品最初研制和試驗期間，一方面，需要反復改進產品設計和制造中的缺陷，可靠性經常得到提高，這種改善可以歸因為一些因素的變化和時間的推移得到的經驗，用于設計生產更好的產品，使產品的可靠性增加，這種現象叫做“可靠性增長”。可靠性增長是通過逐步改進產品設計和制造中的缺陷，不斷提高產品可靠性的過程。另一方面，在考慮產品可靠性的同時，還要研究產品的綠色設計，產品綠色設計將“減量化”放在首位，在滿足產品可靠性的條件下，要達到使用材料最省，對環境污染最小，達到節能降耗減排的目的。裝備制造業產品，它有一個顯著特點“大、高、特”，大：主要是指設備大、產品大。由于有這個“大”的特點，便產生了與普通制造業不同的要求，產品的設計和制造等都與普通中小零件加工有著質的區別。高：主要是指產品的技術含量高，產品的可靠性高，工藝流程的準確性高。如風力發電設備、百噸自卸車等，其技術含量牌目前世界領先水平，這些產品的開發對解決能源問題發揮著重要作用。特：主要是指產品的獨特性、單一性。重大裝備一般產品規模小，規格品種多，具有單一性和不可替代性，如海上石油鉆井平臺，各種電站成套控制設備等都是按照客戶的特殊要求和地形環境特點進行專門設計制造的產品，價值巨大，不成規模，今后也無重復生產的可能，這種特殊產品，不允許先試制再生產，更不允許報廢重來，只能一次成功，否則將給國家和企業造成不可估量的損失。這樣的產品資源投入量大，成本高，設計難度大，維修復雜，使用過程中對環境的影響較大，因此產品設計是一個可靠性設計與綠色設計相相交叉的過程，如圖1所示，該過程是一個不斷反饋的過程。

三、可靠性設計在綠色設計中的應用

1.減量化設計的構思

這個問題是從規定的目標可靠度出發，計算所用材料的尺寸。通過計算，就可以達到“把可靠度設計到零件中去”的可靠性設計的目的，來實現產品的“減量化”設計，最終達到產品的綠色設計。在可靠性設計中，要考慮材料應力和強度，為了計算方便，說明一下隨機變量的均值和方差的計算方法。當函數y=f(x)的隨機變量是一維時，函數在點x=μ(μ為隨機變量x的期望)的泰勒展開式為

由(1)和(2)就可以根據可靠度R和 安全系數n確定d，根據產品的可靠度來確定產品的規格尺寸，一是節省了材料，達到減耗的要求；二是節省了能源，達到了降能的要求。總之，滿足了綠色設計“減量化”的首要目標，同時減輕了環境的壓力。

2.系統的綠色設計

為保證系統的安全，產品設計中經常采取混聯系統模型和備用冗余系統模型，來保證系統的可靠度，如圖2和圖3

這種系統的一個明顯的特點是有一些并聯單元，但它們在同一時刻并不是都投入運行的。對于這種系統，設計時，應盡量提高單個元件的可靠度，減少冗余量來達到“減量化”的目的。

綠色是21世紀產品的主要特征之一，只有在設計的初期階段按照綠色產品的特點規劃，從零件設計開始就考慮綠色要求，才能保證產品最終的“綠色”。

參考文獻:

[1]楊昌明主編:資源環境經濟學.湖北人民出版社，2002.4

[2]張楊等著:循環經濟概論.湖南人民出版社，2005.12

[3]孫靖民等編著:現代機械設計方法選講.哈爾濱工業大學出版社，1992.12