節能設計理念在機械制造與自動化中的應用

王小梅　田鵬

摘要：蓬勃發展的經濟推動著工業發展，現代化的工業帶來生產效率的不斷提高，促進經濟的進一步發展，從而形成良性循環。機械制造與自動化技術水平的提高使其應用更加廣泛，但隨之而來的是生產過程中所消耗的能源日趨增大，因此，在機械制造和自動化領域中，節能環保、可循環利用理念的貫徹已成為現今及未來最受關注的方面。

關鍵詞：節能設計；機械制造；自動化；現代工業；節能環保 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH16 文章編號：1009-2374（2016）14-0087-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.044

科學技術的發展不斷推動著勞動生產力提高，讓人們的生活方式由最開始的手工勞動，逐步發展為簡單的生產工具和具有簡單功能的機械。隨后蒸汽機、內燃機的出現使利用大規模的機械從事生產活動成為了可能。再到集成電路和大規模集成電路的廣泛應用，讓自動化生產成為了制造業的常態，并且朝著智能化的方向發展。這種技術進步帶來的生產效率突飛猛進的提高，從根本上改變了社會面貌和人們的生產、生活方式。

機械制造和自動化的廣泛應用在給人們帶來光鮮亮麗生活的同時，卻也帶來了不小的問題。時至今日，越來越多的工廠采用自動化程度高的生產線，大大減少了工人的數量，但對于能源的胃口卻是越來越大。同時工廠生產過程中產生的廢水、廢氣和廢料都沒有經過妥善的處理，導致了經濟發展同日益嚴重的環境污染并存的局面。解決這一矛盾的方法除了要對工廠排放的廢水、廢氣和廢料進行治理外，還要使用設計、建造能量使用效率高的機械自動化設備，從根本上減少能源的消耗，自然也減少了廢水、廢氣的排放和廢料的產生。

1 國內機械制造與自動化技術現狀及發展趨勢

自20世紀70年代以來，中國的機械制造技術飛速發展，在我國的工業中占據越來越重要的位置。與此同時，計算機技術的發展賦予了機械制造業更多的活力。借助計算機技術，機械制造可以用更加高效、安全的方式完成設計制造過程，在計算機輔助設計的幫助下高效率和高安全性已經成為現今自動化機械制造的顯著特點。但是由于我國的自動化機械制造起步較發達國家晚，技術相對落后，導致與發達國家制造的產品在質量、可靠度方面都有很大差距，競爭力方面沒有優勢可言。

國外的機械制造技術與自動化技術現在已經發展得很完善，目前正朝著智能、環保的方向發展，國內的企業在這方面還存在很大的差距。國內企業應該積極嘗試與國際接軌，目前有些企業通過加強與國際公司的交流或建立跨國公司，已經使自身的技術水平取得了長足的進步，機械制造的自動化程度也越來越高，縮短了與國外企業的差距。但是在最前沿的智能、環保領域還沒有跟上國際的步伐。這需要我國的企業改變發展理念以及國家相關政策的積極扶持，只有通過持續不斷的發展及投入，才能在這些領域發展出我國企業特有的競爭力。

2 機械制造與自動化中的節能方法

機械制造與自動化的節能技術要涉及到從最初的設計到最終產品完成的各個環節，需要從多個方面統籌考慮：

2.1 機械制造與自動化中設計階段的節能

在機械設計制造中，節能技術應該是首要考慮的事項，尤其是在設計階段。通常設計階段需要對整個系統進行總體規劃，在設計階段對節能考慮得周全與否以及規劃得是否合理，對于最終機械系統的能源利用效率有著決定性的影響。通常制造機械中最常見的部分就是發動機和液壓系統。設計發動機系統比選擇優良的排放系統，選用低油耗、低排放、低噪音和高效率的環保型發動機更為重要。這樣不但可以降低整個系統的能源消耗，還可以減輕排放系統的負荷。

液壓傳動中最重要的是保持傳動液壓油的清潔度，精心設計的液壓系統是保障機械系統節能、高效和環保的重要環節。精心設計的液壓系統可保證油液中微塵垃圾、機械磨損物等雜質長時間保持在正常工作范圍，減少液壓元件故障率與磨損、延長常用液壓元件的使用壽命，降低液壓油的更換頻率，延長換油間隔時間，減少對周邊作業環境的污染。比如為了保證液壓系統的壽命，采用耐腐蝕、防老化、具備優良密封性能的進口優質膠管；設計過程中在可能的情況下盡量使用硬管，對只能使用軟管的部分可以設計液壓油回收裝置，以便在軟管破裂時能夠回收液壓油而不致對環境造成污染。

機械設計過程實用化虛擬現實技術，成為設計初期的主要方式。計算機技術的長足發展使得機械制造和自動化的設計、優化和實際的使用結果都可以事先在計算機中模擬出來，這也是機械設計制造設計未來的發展方向。通過計算機模擬環境先將所要設計的系統建立虛擬模型，并賦予這些模型同現實中同樣的物理性質，使用計算機進行預先演算，尋找設計產品的缺陷。在這個過程中發現的缺陷可以直接修改計算機模型，然后重新演算，直到符合要求之后再進行生產制造。與傳統的設計流程相比，很多需要設計圖紙和樣品制造的環節都可以減少甚至完全不需要。這樣的設計方法可以縮短設計周期，減少生產過程中出現問題的可能性，由于成功率的提升，消耗資源環節的減少可以有效降低企業的成本，同時也能減少環境污染。

2.2 材料的選擇和結構優化

機械設計制造過程中，選擇環保、可回收的材料是節約能源的一個重要方面。機械制造過程中一直固有的理念是：為了保證設備的使用壽命和功能，通常都是要選擇更好的材料或者是要采用更加厚重的結構。但是隨著進一步的研究，通過對各個構件的受力分析各個構件的受力特點，可以有針對性地對結構進行優化，降低材料等級或者減少使用量。比如受扭矩的圓柱狀結構，通過受力分析就可以發現承受的扭力都集中在圓柱的外圍部分，圓柱中心位置受到的扭力很小，這樣就可以將圓柱簡化為空心結構，在能夠承受的扭力不變的情況下減少材料使用，減輕設備重量。此外，一些結構用零件一定要采用比較容易裝配和分解的大模塊化的結構設計。在選用材料的過程中應當優先選取可回收、易分解、能再生，而且在加工過程中不會產生對環境有害的“三廢”的材料以及其在報廢后對環境污染最小的材料。

2.3 合理工藝的選擇

機械制造業中另一個重要的環節就是工藝和流程的選擇，這一階段如果可以對能量加以充分利用和回收則可以節省大量資源。傳統的制造工藝通常都是使用冷鍛與熱鍛。冷鍛的過程都是在低于回復溫度下進行，冷鍛可以保證尺寸精度，并且表面粗糙度好、勞動條件好、生產效率高，但是由于在加工過程中金屬的變形抗力大、塑性差并積聚有殘余內應力，需中間退火后才能繼續變形。熱鍛的溫度在再結晶溫度以上，這就需要對材料再加熱和采用相應的加熱設備。可以發現冷鍛和熱鍛都需要再加熱的過程，這就造成了能源消耗增加。與之相比，采用溫鍛工藝，制造過程在相對較低的溫度下進行，也不需要二次加熱到較高的溫度，可以節省大量的能源消耗。作為長遠的發展方向，制造廠應該同金屬材料生產廠商合作，將生產出來的材料直接熱送到加工車間，充分利用生產工序中的余熱，這樣既回收了材料本身的熱量，還免去了二次加熱過程，一舉兩得。

2.4 設備運轉過程的節能措施

機械設備在制造完畢后，就是在運轉過程中的消耗能源，利用先進的完全智能化的管理系統，可以控制運轉過程中實時消耗的能量。智能化的管理系統可以控制大到整個生產線小到每個開關，通過各種先進的傳感器實施收集生產過程中的相關數據，動態地調節生產設備令其同生產負荷相適應，用最小的能源消耗來滿足生產需求。以制造業的一般生產線來講，通常只是某一部分的設備需要一直運轉，其他的部分設備是在需要的時候才使用。這些設備有的可以直接關閉，有的需要保持在待機的狀態，通過及時關閉不需要的設備并讓必須待機的設備運轉在最小消耗下，這就可以減少不必要的能源消耗，降低生產成本。

2.5 機械運輸過程的節能環保

一提到節能環保，大多數人的思考角度多是從機械本身的改進上考慮，都忽略了設備在包裝和運輸過程中所消耗的能源。隨著制造工藝的進步，現在的機器越做越精細，工藝也日趨復雜，在運輸過程中如何能夠保證精密部件的完好成為運輸過程的首要問題。在運輸的過程中選擇合適的運輸方式、減少包裝的復雜程度以及包裝材料的選擇都是環保節能的手段。首先，機械設備的精密部件需要多層保護才能抵消在運輸過程中的磕碰和損壞。這就需要在設計環節就考慮到這一問題，盡量將精密的部件與其周圍的部件設計為一個整體，運輸的過程中將這個整體作為運輸單位，其周圍的構件自然成為了保護，這就可以有效地降低包裝的保護級別；其次，包裝材料的選擇。過度使用木板勢必會對環境造成危害，而使用傳統的紙板又不能達到保護的需要，聚乙烯包裝材料回收非常困難，焚燒又會造成空氣污染。相比之下，蜂窩紙板材料成為了理想的選擇，其蜂窩結構可以有效地降低機械在運輸過程中受到的損害，其生產和使用都對環境的影響較小，并且紙板回收和再利用也相對容易，是目前來講最環保、最具性價比的選擇；最后，運輸方式的選擇也應該注意節能環保，海、陸、空三種運輸方式各有利弊。海運雖然運輸的風險和成本比較低，但是耗時較長。陸路運輸的時間和成本都比較折中，但設備裝載困難，還有一定的風險性。空運安全、高效，但是價格昂貴，所以根據實際需求選擇最適合的運輸方式也可以達到降低運輸成本、節能環保的效果。

3 結語

我國作為一個生產制造大國，每年的能源消耗量驚人。根據最近的統計數據，我國近幾年的年消耗的能源總量折合為標準煤都超過420000萬噸。其中消耗的能源大部分都是傳統的能源，在消耗大量能源的同時也對我國的環境造成了極大的破壞。雖然我們取得的進步有目共睹，但這絕不是可以持續發展的方式。能源危機的問題已經越來越凸顯，在短期還不能找到能夠替代傳統能源的大背景下，如何減少我國工業能源消耗、優化能源結構、充分回收浪費的能源是我們現在的重中之重。節能技術應該受到各行業的重視，并付諸實踐。大到宏觀的產業結構，小到每條生產線、每件設備都應該將節能、環保的理念貫徹到底。

參考文獻

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作者簡介：王小梅（1995-），女，重慶人，長江師范學院機械與電氣工程學院學生。

（責任編輯：王 波）