機電產品綠色設計若干關鍵技術的研究

王珊珊

河北省機械科學研究設計院 河北石家莊 050051

1 機電產品綠色設計的原則

1.1 最小能耗和污染的原則

最低能耗原則包括兩個方面。第一，從能源選擇的角度出發，要盡量使用清潔、可再生的風能、太陽能能源，避免不可再生的化石能源的使用，緩解化石能源消耗引起的環境危機。第二，從設計的角度出發，力爭在產品的整個生命周期中將能耗降至最低，確保設計時在產品的整個生命周期中最大化發揮所選資源的作用。同時，機電產品的綠色設計應貫徹“預防為主、治理為輔”的環保戰略。因此，設計時必須充分考慮如何消除污染源，從根本上防止污染。

1.2 生態經濟效益最佳原則

綠色設計不僅應考慮產品創造的經濟利益，而且還應從可持續發展角度考慮產品開發、生產、應用中的環境行為對生態環境和社會的影響，及其帶來的生態效益和社會效益的喪失。換句話說，綠色產品的生產者不僅應獲得良好的環境效益，而且還應獲得良好的經濟效益，即最佳的生態和經濟效益。

2 機電產品綠色設計內容

根據生產和使用機電產品的市場需求，要求產品的綠色設計必須滿足以下三個部分：機電產品在生命周期中對環境無污染，對人體無傷害；機電產品的結構和功能在滿足生產需求的同時要做到能耗最小；機電產品在淘汰時必須是可回收的，并且可以翻新或重復使用。根據具體情況，如果不能翻新或重復使用，則需要一種安全的回收方法。可以看出，機電產品的綠色設計需要包括以下內容：

2.1 機電綠色產品的描述和建模

建立機電產品的設計模型，根據機電產品的特性優化設計，測量每個屬性元素，提出重量、材料消耗、體積等評估標準，并使用模糊評估來評估機電產品綠色設計的程度。

2.2 材料選擇

材料選擇是綠色設計必不可少的部分。這是產品開發過程中最早也是最重要的設計決策，也是減少產品對環境影響的重要手段。因此，綠色設計要求設計師改變傳統的選擇程序和步驟，要選擇降低能耗、環境協調性好、污染少、環保的綠色材料，且要滿足產品報廢后易于回收、再利用或降解等條件。

2.3 產品的可拆卸、可回收設計

由于現代機電產品的設計材料不同，機電產品每個組件的生命周期也會有所不同。如果不可拆卸替換，則會造成浪費。因此，機電產品部件可以設計為可拆卸的結構，從而可以回收并更換高度磨損的部件，以避免浪費。

3 機電產品綠色設計的關鍵技術

3.1 材料設計

在選擇綠色機電產品的材料時，應遵循以下幾點：①使用易于加工和制造的材料，以減少零件加工的難度和報廢率，并降低能耗；②盡量減少所用材料的種類，尤其是稀有和昂貴的原材料；③優先使用便于回收或再利用的材料。

3.2 制造工藝

干切割技術作為對傳統濕切割生產方法的重大改革，是指在加工過程中不使用或少量使用切削液，并且控制環境污染源以使生產過程清潔環保的制造工藝。干式切割技術無需使用切削液即可進行。切削液的傳統排屑、冷卻和潤滑功能已被工具設計和制造等方法逐漸取代，不僅使系統結構得以簡化，降低了生產成本，同時切屑更加清潔干凈，便于回收利用和加工。干切割已成為綠色制造技術研究的熱點，并已成功地應用于實際加工中。

3.3 微機電技術

微機電的關鍵技術是微加工技術。微加工是指加工規模在微米范圍內的加工方法。具有體積小、精度高、重量輕、能耗低、效率高的優點。適用于機電工業中產品的批量生產，可以降低生產成本，減少環境污染。

3.4 模塊化設計

模塊化設計可以實現功能與結構的集成，也是一種標準化的設計。模塊化和標準化的設計為機電產品的快速升級和產品質量的提高提供了必要的條件，以方便維護，并在產品磨損后便于產品的拆卸和回收。因此，在機電產品的設計中應盡可能使用模塊化和標準化的組件。例如，在模具設計中，由于模具通常以多個品種、單個零件或小批量生產，因此標準的模具底座和標準零件解決了產品品種和規格、設計和制造周期以及生產成本之間的矛盾，為標準零件的重復使用提供了保證。

3.5 面向環境的設計方法

面向環境的設計方法是世界環保潮流中誕生的一種新產品設計理念，其強調從根本上防止污染、節約資源和能源，關鍵在于設計和制造，而不是等產生不利的環境后果之后再治理，應積極采取預防措施。因此，必須在制造之前就采取措施防止產品對環境的負面影響。該技術涵蓋了以下方面：①綠色產品評估體系和方法研究；②綠色產品集成設計的理論與方法研究；③建立適用于規范和量化綠色產品設計的環境指標；④建立綠色產品設計的材料和數據庫；⑤建立以回收為導向的產品拆卸設計與評價指標體系；⑥可拆卸結構的模塊化劃分和接口設計；⑦可回收的零件和材料識別和分類系統；⑧開發特定產品的系統設計工具平臺。

3.6 面向能源的設計

面向能源的設計技術指優化能源供應驅動方式，對能源回收和再利用的有效性進行經濟分析和優化。各種能量的消耗最終以熱量消耗的形式排出。采用傳熱理論，并采用熱管、熱泵、儲熱相變材料等技術手段進行產品設計，有效回收余熱，提高其他環節的回用質量。研究的主要內容包括：①能源供應形式與回收轉化形式的一致性和效率；②明確合理使用、分配和儲存回收能源的設計。

4 結語

綠色設計的實質是產品對人和環境的友好性，對于機電產品，這種友好性主要體現在產品的高效率、實用性上。高效是指材料和能源的利用率高、危害小，這意味著更少的環境排放，更少的浪費和更少的危害。實用性是指便于使用、安全、有益于健康并符合人體工學要求的產品。作為一種新的設計方法，綠色設計將成為21世紀機電產品設計的主要特征之一，必將對人類的未來生存和發展產生深遠的影響。