機械制造及自動化中的節(jié)能高效設(shè)計理念

陳 軍 吉順林

（中傳重型機床有限公司，南京 210000）

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機械制造及自動化中的節(jié)能高效設(shè)計理念

陳 軍 吉順林

（中傳重型機床有限公司，南京 210000）

摘 要：改革開放后，我國經(jīng)濟形勢逐年好轉(zhuǎn)，并保持著較快的增長速度。機械制造業(yè)作為國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，也迅速地發(fā)展起來。當前，高消耗和低效率問題在制造業(yè)發(fā)展中尤為突出。因此，節(jié)能高效設(shè)計理念將是推動機械制造業(yè)降低成本、提高生產(chǎn)效率和實現(xiàn)工業(yè)社會高速發(fā)展的一項有效途徑。本文就機械制造及自動化過程中的節(jié)能高效理念進行詳細說明，以期為節(jié)約能源及成本和提高生產(chǎn)效率提供一些具有建設(shè)性的意見和建議。

關(guān)鍵詞：機械制造 自動化 節(jié)能高效

1 機械制造業(yè)發(fā)展概況

隨著社會的進步和科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的生產(chǎn)方式發(fā)生了日新月異的變化。從最開始的手工作業(yè)，發(fā)展為牲畜和生產(chǎn)工具結(jié)合，直到蒸汽機的改良，人類進入機械化工業(yè)生產(chǎn)，大大加快了生產(chǎn)速率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)的平均成本，人們的生活水平由此得到提升。機械制造方式由最初的人工控制機械逐漸發(fā)展為機械的自動化，先后實現(xiàn)了機械的自動診斷、自動檢測、自動修復。機械制造的自動化發(fā)展，降低了可能給操作人員帶來人身危險的概率，提高了生產(chǎn)速率，加快了生產(chǎn)周期，實現(xiàn)了量化生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)成本，也同時帶動了經(jīng)濟的迅速發(fā)展。

然而，在機械制造高速發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)中，仍然存在一些高耗能、高成本和低效率的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品。相較于發(fā)達國家，我國機械制造業(yè)起步較晚，自動化程度仍處在低級水平。技術(shù)水平的落后，導致我們需要花費高成本獲取低價值產(chǎn)品。在工業(yè)4.0的浪潮下，我們可以隨大勢不斷優(yōu)化設(shè)計思路，強化產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

2 節(jié)能高效理念在機械制造及自動化中的應用

節(jié)能高效設(shè)計主現(xiàn)應用于對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以減少產(chǎn)品部件不需要的部分或材料，對可使用資源的循環(huán)利用，以及有效減少人工的繁瑣作業(yè)，以期在低成本情況下提高生產(chǎn)率，避免一些不必要的工作。作為機械設(shè)計人員，可將節(jié)能高效設(shè)計理念引入到實際生產(chǎn)設(shè)計過程中，充分應用低成本、高效率的設(shè)計思想，提高國家的工業(yè)產(chǎn)值，縮短我國工業(yè)與國外發(fā)達國家的差距。

（1）機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。對于機械設(shè)計人員來說，首要的節(jié)能高效理念應該灌注在設(shè)計產(chǎn)品的最開端，也就是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。一個好的結(jié)構(gòu)可以有效提高產(chǎn)品的整體質(zhì)量。機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，主要體現(xiàn)在以下五個方面。

一是選擇使用節(jié)能高效型的電機。電機是一個機械的動力源，是多數(shù)機械產(chǎn)品的核心部件，同時也是機械產(chǎn)品耗能最大的部件。因此，進行機械設(shè)計時應當優(yōu)先選擇低能耗、高效率的電機。當前，在普通機床上驅(qū)動移置導軌的Y系列電機均已被淘汰，由于其高能耗、低效率，如CK516的橫梁升降電機Y90L-6，其1.1kW的效率為72%。但是，在《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》中規(guī)定，其不低于2級能效，即效率不小于81%，故此被淘汰。所以，設(shè)計中應避免選用淘汰電機。

二是優(yōu)化進給系統(tǒng)的動態(tài)響應，有效減少無用功的時間，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。設(shè)計伺服系統(tǒng)時，設(shè)計者應盡量提高移動件的加速度。在電機選定的情況下，電機的最大輸出扭矩M也隨之固定。以一級減速機構(gòu)為例，此時可以將負載軸角加速度α2與負載轉(zhuǎn)動慣量JL、驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動慣量JM和一級降速比i聯(lián)系起來

由此可以得到負載軸角加速度α2關(guān)于降速比i的函數(shù)，從而可以畫出函數(shù)曲線。至此，可以輕松得出其負載軸角加速度α2在降速比i的某個值下收斂，從而得到系統(tǒng)最佳響應速度。在高速精密設(shè)備中，其響應速度對其生產(chǎn)效率不容忽視。

三是優(yōu)化零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品零部件的不同結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生完全不同的機械性能。在保證機械性能的前提下，設(shè)計者可以對零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，從而強化零件性能，減少零件重量。在機床的主要大型鑄件設(shè)計中，在保證剛度的情況下，需對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。圖1即為零部件的優(yōu)化流程。例如，橫梁的截面優(yōu)化。不同的截面所形成的剛度是不同的，故需在人和軟件的綜合分析下選擇最佳結(jié)構(gòu)。

圖1 零部件的優(yōu)化流程

四是優(yōu)化系統(tǒng)的控制方式。在機械制造領(lǐng)域，系統(tǒng)的控制方式主要采用液壓控制系統(tǒng)。然而，現(xiàn)實中它會存在以下缺陷：傳動介質(zhì)易泄漏，污染環(huán)境；能量傳遞過程中泄漏的存在，使得傳動效率低；流體傳動裝置不宜在高溫下工作；流體控制元件制造精度高，以至成本過高，等等。因此，機械設(shè)計過程中，可以結(jié)合氣壓控制系統(tǒng)的優(yōu)點：空氣可以從大氣中取之不竭；無介質(zhì)成本；泄漏不會污染環(huán)境等等，設(shè)計采用液壓、氣動相結(jié)合的控制系統(tǒng)。

五是防漏和自動回收設(shè)計。眾所周知，機械設(shè)備使用過程中存在不可避免的漏油現(xiàn)象，進而造成原料浪費。因此，機械設(shè)計時可考慮減少或避免漏油現(xiàn)象的發(fā)生。例如，在數(shù)控立式車床中，當其X軸采用靜壓導軌時，導軌側(cè)的液壓油飛濺導致液壓油不斷滲出，液壓油的滲出會讓周圍環(huán)境以及機床整體被污損。此時，可采用在橫梁導軌防護罩內(nèi)部作引流結(jié)構(gòu)，使飛濺出的液壓油再次被引導回接油盒，延長液壓油的使用周期，有效提高設(shè)計能效，降低成本。再如，鐵屑、邊角料等廢料需要人工清掃，既降低了生產(chǎn)效率，也增加了人工成本。所以，在設(shè)計排屑結(jié)構(gòu)時，計算廢料在斜面上的自鎖角，盡量增加排屑斜度，使廢料可以由自重自行滑落至排屑器。

（2）機械設(shè)計制造過程中材料的節(jié)能設(shè)計。材料的選擇是機械零件設(shè)計中非常重要的組成部分。隨著工程實際對機械以及零件要求的提高，以及材料科學的不斷發(fā)展，機械設(shè)計制造過程中材料的節(jié)能設(shè)計越來越成為提高零件質(zhì)量、降低成本的重要手段。例如，機械設(shè)計過程中，當用廉價的材料能滿足使用要求時，就不應選用價格高的材料，這對批量生產(chǎn)制造可以大大減少成本；對一些需要經(jīng)常更換的設(shè)備零件，設(shè)計過程中可以選擇可回收、可拆卸的生產(chǎn)材料，以有效提高機械制造材料的循環(huán)使用率，減少機械制造過程中材料的浪費，節(jié)約生產(chǎn)資源；設(shè)計時采用無切屑或少切屑毛坯，如精鑄、冷拉毛坯等，可以提高材料的利用率，降低生產(chǎn)成本；此外，設(shè)計過程中采用材料組合結(jié)構(gòu)，可以提高材料使用率，如火車車輪是在一般材料的輪芯外部熱套上一個硬度高且耐磨損的輪箍。綜上所述，機械設(shè)計過程中，合理選用材料，可以降低機械產(chǎn)品的能耗，節(jié)約成本，達到節(jié)能的目的。

（3）機械設(shè)計的虛擬化。進入互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展階段，需要將互聯(lián)的思想運用到機械設(shè)計和制造過程中，其中運用計算機進行虛擬設(shè)計就是未來發(fā)展的一個方向。通過大型CAD/CAE/CAM軟件，如AutoCAD、SolidWorks等，可以完成從圖紙到生產(chǎn)全過程的模擬仿真；通過各種分析軟件如Abaqus、ANASY等，可以對產(chǎn)品進行強度、剛度等的預判斷，并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。設(shè)計中，計算機模擬制造能夠在生產(chǎn)前簡潔明了地對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、動作以及質(zhì)量分布進行分析，同時對其進行修正，直到達到要求，從而大大減少了生產(chǎn)過程中的次品率，有效提高了設(shè)計效率，降低了不必要的花費。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著我國技術(shù)水平在制造行業(yè)主要方面和細節(jié)方面的不斷研究進步，將會加速縮小我國與制造強國之間的差距，從而帶動各行各業(yè)的前進。因此，要將節(jié)能高效的理念應用到機械制造與自動化領(lǐng)域中，使之乘著新一輪工業(yè)革命的春風，實現(xiàn)我國機械行業(yè)的快速發(fā)展。

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Analysis of Energy Saving and High Efficiency Design in Mechanical Manufacturing and Automation

CHEN Jun，JI Shunlin
（China Heavy Duty Machine Tool Co.， Ltd.， Nanjing 210000）

Abstract:After the reform and opening up， China's economic situation has improved year by year， and m aintain a rapid growth rate. Machinery manufacturing industry as a pillar industry of the national economy， has also developed rapidly. At pres ent， the problem of high consumption and low efficiency in the development of the manufacturing industry is particularly prominent. Therefore，energy saving and high efficiency des ign concept will be an effective way to promote the mechanical manufacturing industry to reduce costs， improve production efficiency and realize the rapid development of industrial society. In this paper， the concept of energy saving and high efficiency in the process of mechanical manufacturing and automation is explained in detail in order to provide some constructive suggestions and opinions for saving energy and cost and improving production efficiency.

Key words:mechanical manufacturing， automation， energy saving and high efficiency