淺談新背景下機械設計與制造中的綠色設計法

【摘要】綠色設計法是新背景下機械設計與制造環境友好型的保證。本文主要分析了綠色設計的概念，綠色設計的要求及優點，并就綠色設計方法的整個過程和意義進行了探討。

【關鍵詞】機械；設計；制造；綠色；設計法

機械制造行業在生產機器的同時會產生了大量的工業廢水，廢氣，固體污染廢物。隨著企業家和技術人員以及普通大眾環保意識的增長，人們意識到，如果繼續經營這樣一個龐大的機械裝備制造系統而不作出改變，將不利于整個行業和社會的可持續發展，迫切需要探索符合環保，節能，能源，污染少的綠色的機械設計和制造方法，并采取相應的綠色模式，以適應社會發展所需要的綠色產品誕生的理念設計方法。

一、綠色設計的概念

綠色設計，也叫生態設計，環境設計和環境意識設計。進行綠色設計是為了減少產品的環境破壞度和更好利用自然資源，實現綠色拆解和可循環回收，可重用的設計目標。考慮到產品應具備的基本功能，經濟和質量及其他因素，通常的傳統的產品設計是根據產品的基本特性的功能、品質、生活、生產、產品開發周期，使用串行方法，即分析市場需求，再由設計部門對結果進行分析，最后由設計師對產品進行設計，并畫在圖紙上，另一個部門進行模具的設計和制造準備，采購部門按照要求進行采購，然后由生產部門進行生產、加工和測試，得到結果后，再對設計和工藝進行反復修改，最后進行再加工和再檢測，直至符合要求。開發周期越長，產品的拆卸及壽命結束，回收就更困難，造成了大量的能源和資源浪費，并會污染環境。

綠色設計是人們基于現代科技文化所引起的環境及生態破壞的反思，它也是設計師道德和社會責任心的回歸。

機械設計的綠色設計法包括好幾個方面，具體見圖1。

在綠色設計中要從選擇產品材料、確定生產和加工流程，選定產品包裝材料，直到運輸到位等整個過程都要考慮資源消耗對于環境的影響，以找到最合理和最優化的結構和方案，最大限度的降低資源消耗和環境負影響。

二、綠色設計的要求及優點

（一）綠色設計的要求

綠色設計是一種全新的設計理念，并且它附帶著一定的設計規則。首先，盡量做到以最少的使用原材料，最少的生物降解材料，以及很少或沒有毒的物質材料來完成設計和制造。其次，產品在結構上要做到小而精簡，盡量減少零件的使用數量。最后，實現生產過程的廢物最小化，減少這個過程中的污染物排放量，采用先進的制造裝置來減少使用的液體。

（二）綠色設計的優點

使用綠色設計可以實現最大限度地能源節約和材料資源利用；綠色產品設計可以實現材料數量和材料種類的最少使用；盡量簡化設備結構，合理使用材料，并可最大限度地實現設備材料的再利用；最大限度地減少污染、保護環境；實現綠色產品從開發設計、生產制造到使用維護乃至報廢后回收處理的各個過程的無污染和無負面影響。

三、綠色設計方法

（一）綠色產品的初始設計

準確、全面的描述綠色產品，創建一個綠色產品評價模型系統，認真研究綠色設計實例和其他機械設計，采用多目標模糊優化設計，使產品最輕、最小和使用材料最少；目前國家提出了綠色產品的評價指標體系和評價標準的制定原則，評估綠色產品設計過程采用模糊評價法，并適當的發展評估工具。

（二）綠色設計的材料選擇

綠色產品設計的相關要求，使得傳統的選擇流程和程序發生了改變，需要選擇適用的性能，并協調好與環境綠色設計要求的材料的發展，提供再生綠色材料，綠色產品設計，提高輸出產品功能，簡化結構，減少所用材料，可選易于加工、能耗低、污染少的材料，使用可回收的輕型材料，如汽車使用鋁制車身，可減少40%的重量，并節省燃油消耗；使用柳條、竹、麻、木材等可再生的材料在產品包裝上。再者，還應加強材料管理，綠色產品設計中的物料管理主要包括兩個方面：一方面不能含有對人體有害的成分和配料素材；另一方面，在產品的生命周期中，可以對部分進行可回收使用，爭取在處理后將其環境破壞度降到最低。

（三）拆卸的產品設計

現代機械產品往往需要使用各種不同的材料，目前拆除回收已成為綠色設計研究的主要熱點。不可拆卸不僅浪費了大量可重用的組件材料，還形成了許多無法處理的垃圾，而且還嚴重污染環境。這就使得良性發展現代機械，成為了機械設計的重要內容。可拆卸回收是綠色產品設計的主要內容，它需要產品早期階段就進行可拆卸的結構設計，這樣的設計結構易于拆卸、維修，并且使得產品可進行再利用，充分和有效的回收和重用，以達到節約資源和能源、保護環境，靈活拆卸的目的，改變傳統的產品結構設計連接模式，并以輕松卸除連接模式取而代之。可拆卸分為兩類：一類是基于成熟的結構耦合的結構設計方法，如螺栓連接，另一類是基于計算機的設計方法發展拆裝系統的評價指標體系、評價方法、拆卸卸載結構的設計標準，并制定相應的評價軟件。

（四）產品的可回收性設計

回收設計就是在進行產品設計的初期階段，充分考慮產品零部件及材料的回收可能性、回收價值、回收處理方法、回收處理結構工藝性等與可回收有關的一系列問題，以達到零部件及材料資源和能源的充分有效利用，并在回收過程中對環境污染為最小的一種設計思想和方法。

（五）機械產品綠色設計實例研究

機械產品綠色設計要求在初期設計時考慮其零件回收及再生的可能性，即在其它新產品中，可以利用使用過的或廢棄產品中的零部件及材料。從產品的回收層次來看，產品的回收有6個層次，即產品級、部件級、零件級、材料級、能量級和填埋級。

現對某一Z50型裝載機變速箱回收處理的過程大致如下：

清除減速箱內的廢油，用專門的裝置過濾回收，拆卸各軸系零部件，進行重用、修復、材料回收或廢棄處理。而拆卸回收優化模型，是一個非線性的、混合離散的，直接求解困難較大。現根據Z50型裝載機變速箱拆卸回收的具體情況，假設完全拆卸的邊界條件，可近似求出各軸系部件的最優拆卸順序。例如在求解Z50型裝載機變速箱V軸系最優拆卸順序時，即在裝配模型圖建立的基礎上，通過產品拆卸網絡的構建，實現從裝配模型圖到拆卸模型圖的轉化。具體步驟是首先對零部件層次劃分，形成V軸系的零部件層次圖，如圖2（b）所示，接著進行裝配與拆卸轉換，整體拆卸后再進行細拆，最后得出V軸系的拆卸模型如圖2（c）所示。由此得出的拆卸序列為：

①②→1→③→4→3④⑤→④→⑤→2

分析后可知，按以上序列執行拆卸的過程是由外往內進行的，所花費時間最少，因此計算結果符合要求。圖2所示為Z50型裝載機變速箱V軸系最優拆卸順序求解結果。

濾清后的柴油和機油進行重用；

拆卸可直接重用的零部件，根據評估對其中可以直接重用的零部件進行回收；

對可修復后重新利用的零部件及可降級使用的零部件進行拆解回收，進入再制造環節；

對材料回收的部分，按回收材料企業的要求進行切割，進入材料回收環節；

對廢棄物無害化處理后，進行填埋和焚燒。

其中，對變速箱的每根軸系零部件均需在理論上進行具體的回收方式考察，并在此基礎上進行了零件級回收零件的改進設計，從而保證零件的實際回收價值。

參考文獻：

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