基于節能設計理念的機械制造原理及應用

孫啟明，孫 冉

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東濟南 250101）

0 引言

隨著機械制造技術的不斷發展，機械制造不僅要追求技術先進性，還要重視環境和經濟問題，尤其不能忽略資源保護和環境保護，以及資源短缺、環境污染等問題，這些都會影響到社會進步和經濟發展，處理不得當，造成經濟發展和資源環境之間的矛盾，必然會對國家和社會可持續性發展造成影響。因此，樹立機械設計節能理念就顯得很重要，需要技術人員能從思想上認知節能設計原理，在實踐中合理應用節能理論，降低成本，提高社會效益和自身競爭力。

1 機械制造節能設計的重要性及特征

1.1 機械制造節能的重要性

我國工業發展起步晚、起點低，但是隨著改革開放40年歷程，我國工業已獲得飛躍式發展，尤其是機械制造行業的迅速發展，讓世界認識到“中國速度”和“中國制造”。機械設計在機械工程領域具有重要意義和影響。在大力發展能源節約、環境保護以及低碳可持續發展的背景下，機械設備制造中的節能設計成為發展趨勢，這就要求廣大的設計人員和單位應充分考慮環境因素，在保證機械制造產品基本性能的同時，還要兼顧經濟和環境保護的要求。因此，在機械制作設計中，既要注意設備的實際應用，還要兼顧減少機械損壞率和能量損耗，達到機械設計節能效應最大化，實現可持續性發展。

1.2 機械制造節能設計的特征

相比傳統機械制造，節能是新型機械制作最為明顯的特征，其中主要表現為：機械節能設計包括自然環境、生態保護以及生產、生活環境的設計理念。機械節能設計理念是對自然資源的重復、循環利用，可以重復使用報廢后的資源，減輕生態環境的污染程度，提高人們居住環境質量。節能設計理念的實現很大程度上避免資源過度消耗問題，達到資源可持續利用，所以，國家和社會十分重視機械制造節能設計理念的實際應用，尤其是對自然資源日益匱乏的今天，節能設計理念和機械制造的有機結合，可最大限度的實現設計的綠色化和長遠發展。“節能設計理念”的機械設計指標體系，見圖1。

2 節能原則下機械制造原理和思路

在機械設計過程中，要遵循多項設計原則和標準參數，在不同應用環境和地域下，其設計原則和標準也會隨之變化，尤其是近年來，我國機械制造能力突飛猛進，已經和國際先進水平接軌；國家也大力發展節能減排和可持續發展戰略。因此，機械設計節能理念的應用需求逐步凸顯，目前機械節能設計的思路不僅對機械損耗、耗能和污染源排放進行控制，還要從機械設備的基本原理入手，對機械動能、勢能、輸出和功率損耗等方面進行優化。

圖1 節能設計理念評價指標體系

2.1 機械設計在動能方面的節能

在傳統機械設計方式中，設計人員通常將機械的動能和輸入輸出功率作為研發重點。通過調節機械波動、機械精度和機械周期，從而提高機械制造的設計質量。往往忽略主動分析動能變化對機械設備的影響，這就造成機械產品設計質量呈現使用周期短、損耗率高的問題。同時在機械設計中，動能不能得到有效發揮和轉化，機械設計如果還一直沿用傳統或陳舊的設計模式，勢必會對機械系統動能產生較大影響，阻礙機械設備的創新發展。因此，在機械設計過程中，需要重點關注機械動能和功率，將其控制和保持在合理范圍內，有效降低設備損耗等問題。

2.2 機械設計在輸出力方面的節能

不同的機械設備在工作狀態下輸出力存在差異，對于相同的機械設備輸出效果也是存在一定差異，如果機械工作中輸出力消耗過高，其原因是短時間內輸出力變化很大。因此，可以把周期函數形式的輸出力消耗，保持在較小范圍內變化就能達到節能的最終目的。

2.3 盡量降低無用功的損耗

在機械設備工作中，由于阻力、摩擦以及形變等原因，會產生一些無用的損耗，這些和機械設計中的精度、潤滑程度有很大關系，無用損耗大大降低了機械設備的使用效率，造成設備損耗。因此，在機械設計中要以節能為基本目的，盡量減少無用損耗，提高機械的節能性能。

3 節能設計理念在機械制造中的應用

3.1 液壓系統

（1）為了更好的讓液壓系統高效運轉，要定期清洗液壓系統，同時對油料進行嚴格的控制。所以，液壓系統設計過程中，要清除油液中的微塵雜質，保證液壓系統得到有效的清潔，采取科學合理的風險預防策略，降低液壓系統的故障率，保證機械設備的正常運行，從而也延長了機械設備的使用壽命。

（2）液壓系統中的污染物排放要進行科學控制和處理，確保液壓系統無污染源泄漏和超標排放問題。對液壓管設計時，應重視對液壓管的密封工作，確保液壓管的材料能夠抗老化、耐腐蝕性，在選擇設備材料時，可以用硬管來替代軟管，以延長液壓管的使用壽命，避免液壓管在使用過程中產生負荷和外界損壞，同時也可以有效避免液壓管發生破損，導致污染物泄漏影響環境，提高液壓系統的可靠性與環保性。

3.2 機械設計、制造過程的優化

節能設計理論要充分應用在機械設計中，在機械制造和設計中，設計的優化效果可以充分提高性能和效率，達到節能效果。在傳統模式下，機電一體化設備中，機械設備和發動機不是一體的，在使用電能的時候要變壓處理，遠距離連接電源，環節中會喪失電能和消耗；節能設計理念下，設計人員可以研發機電一體化設備，合理控制電能和變壓消耗，實現節能設計理念。機械制造作為工業生產的核心內容，制作過程節能體現在標準化流程和管理方面，例如，早期美國汽車制造業，以實現標準化流程為出發點，但出于產能考慮，并未過多的考慮節能問題，但這也是節能理念的雛形。在世界經濟進入20世紀中后期以來，各國都在追求標準化作業，利用規范化的流程降低生產過程損耗已經成為主流，節能理念日益被各國所接受。

3.3 引進先進的技術和案例

節能理念的實現為機械制造創造了條件，尤其是在現代工業產品中得到了體現，包括產品的外觀、核心部件等設計環節。例如，汽車設計、火車外觀設計方面，理念采用流線型設計，減少阻力和油耗，大大提高節能效果；“和諧號”動車組應用物理學原理，可以進一步降低風力影響。芯片設計作為未來制造業的核心技術，已經應用到計算機控制系統，現代計算機帶有智能人工技能，如人在離開計算機時候，計算機會自動進入休眠狀態，減低電能耗。因此，可引進周邊產業中的節能技術與機械設計進行融合，力求打造智能化節能機械控制平臺。

4 結語

隨著我國經濟的高速發展，機械制造行業已經進入快速發展時代，一大批具有自主知識產權和節能理念的產品應運而生，節能理念的實現讓更多的設計人員從經濟學和環境學角度出發，深入研究和設計機械創造能力。這就要求在平時的工作中要不斷學習和創新，要從產品的設計之初、制造方式、制造過程、產品包裝以及產品本身材料等方面，解決機械制造中生產與環境、社會、能源消耗之間的關系，創造出具有節能理念的高質量機械產品，不斷推進機械制造能力和核心競爭力，推進行業發展。