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節能設計理念在機械制造中的應用論文
摘要：蓬勃發(fā)展的經(jīng)濟推動(dòng)著(zhù)工業(yè)發(fā)展，現代化的工業(yè)帶來(lái)生產(chǎn)效率的不斷提高，促進(jìn)經(jīng)濟的進(jìn)一步發(fā)展，從而形成良性循環(huán)。機械制造與自動(dòng)化技術(shù)水平的提高使其應用更加廣泛，但隨之而來(lái)的是生產(chǎn)過(guò)程中所消耗的能源日趨增大，因此，在機械制造和自動(dòng)化領(lǐng)域中，節能環(huán)保、可循環(huán)利用理念的貫徹已成為現今及未來(lái)最受關(guān)注的方面。
關(guān)鍵詞：節能設計；機械制造；自動(dòng)化；現代工業(yè)；節能環(huán)保
科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷推動(dòng)著(zhù)勞動(dòng)生產(chǎn)力提高，讓人們的生活方式由最開(kāi)始的手工勞動(dòng)，逐步發(fā)展為簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工具和具有簡(jiǎn)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(chǎn)活動(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)成為了制造業(yè)的常態(tài)，并且朝著(zhù)智能化的方向發(fā)展。這種技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的生產(chǎn)效率突飛猛進(jìn)的提高，從根本上改變了社會(huì )面貌和人們的生產(chǎn)、生活方式。機械制造和自動(dòng)化的廣泛應用在給人們帶來(lái)光鮮亮麗生活的同時(shí)，卻也帶來(lái)了不小的問(wèn)題。時(shí)至今日，越來(lái)越多的工廠(chǎng)采用自動(dòng)化程度高的生產(chǎn)線(xiàn)，大大減少了工人的數量，但對于能源的胃口卻是越來(lái)越大。同時(shí)工廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水、廢氣和廢料都沒(méi)有經(jīng)過(guò)妥善的處理，導致了經(jīng)濟發(fā)展同日益嚴重的環(huán)境污染并存的局面。解決這一矛盾的方法除了要對工廠(chǎng)排放的廢水、廢氣和廢料進(jìn)行治理外，還要使用設計、建造能量使用效率高的機械自動(dòng)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(chǎn)生。
1國內機械制造與自動(dòng)化技術(shù)現狀及發(fā)展趨勢
自20世紀70年代以來(lái)，中國的機械制造技術(shù)飛速發(fā)展，在我國的工業(yè)中占據越來(lái)越重要的位置。與此同時(shí)，計算機技術(shù)的發(fā)展賦予了機械制造業(yè)更多的活力。借助計算機技術(shù)，機械制造可以用更加高效、安全的方式完成設計制造過(guò)程，在計算機輔助設計的幫助下高效率和高安全性已經(jīng)成為現今自動(dòng)化機械制造的顯著(zhù)特點(diǎn)。但是由于我國的自動(dòng)化機械制造起步較發(fā)達國家晚，技術(shù)相對落后，導致與發(fā)達國家制造的產(chǎn)品在質(zhì)量、可靠度方面都有很大差距，競爭力方面沒(méi)有優(yōu)勢可言。國外的機械制造技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)現在已經(jīng)發(fā)展得很完善，目前正朝著(zhù)智能、環(huán)保的方向發(fā)展，國內的企業(yè)在這方面還存在很大的差距。國內企業(yè)應該積極嘗試與國際接軌，目前有些企業(yè)通過(guò)加強與國際公司的交流或建立跨國公司，已經(jīng)使自身的技術(shù)水平取得了長(cháng)足的進(jìn)步，機械制造的自動(dòng)化程度也越來(lái)越高，縮短了與國外企業(yè)的差距。但是在最前沿的智能、環(huán)保領(lǐng)域還沒(méi)有跟上國際的步伐。這需要我國的企業(yè)改變發(fā)展理念以及國家相關(guān)政策的積極扶持，只有通過(guò)持續不斷的發(fā)展及投入，才能在這些領(lǐng)域發(fā)展出我國企業(yè)特有的競爭力。
2機械制造與自動(dòng)化中的節能方法
機械制造與自動(dòng)化的節能技術(shù)要涉及到從最初的設計到最終產(chǎn)品完成的各個(gè)環(huán)節，需要從多個(gè)方面統籌考慮：
2.1機械制造與自動(dòng)化中設計階段的節能
在機械設計制造中，節能技術(shù)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(gè)系統進(jìn)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(zhù)決定性的影響。通常制造機械中最常見(jiàn)的部分就是發(fā)動(dòng)機和液壓系統。設計發(fā)動(dòng)機系統比選擇優(yōu)良的排放系統，選用低油耗、低排放、低噪音和高效率的環(huán)保型發(fā)動(dòng)機更為重要。這樣不但可以降低整個(gè)系統的能源消耗，還可以減輕排放系統的負荷。液壓傳動(dòng)中最重要的是保持傳動(dòng)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(huán)保的重要環(huán)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(zhì)長(cháng)時(shí)間保持在正常工作范圍，減少液壓元件故障率與磨損、延長(cháng)常用液壓元件的使用壽命，降低液壓油的更換頻率，延長(cháng)換油間隔時(shí)間，減少對周邊作業(yè)環(huán)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(yōu)良密封性能的進(jìn)口優(yōu)質(zhì)膠管；設計過(guò)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(shí)能夠回收液壓油而不致對環(huán)境造成污染。機械設計過(guò)程實(shí)用化虛擬現實(shí)技術(shù)，成為設計初期的主要方式。計算機技術(shù)的長(cháng)足發(fā)展使得機械制造和自動(dòng)化的設計、優(yōu)化和實(shí)際的使用結果都可以事先在計算機中模擬出來(lái)，這也是機械設計制造設計未來(lái)的發(fā)展方向。通過(guò)計算機模擬環(huán)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(shí)中同樣的物理性質(zhì)，使用計算機進(jìn)行預先演算，尋找設計產(chǎn)品的缺陷。在這個(gè)過(guò)程中發(fā)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(jìn)行生產(chǎn)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(huán)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(chǎn)過(guò)程中出現問(wèn)題的可能性，由于成功率的提升，消耗資源環(huán)節的減少可以有效降低企業(yè)的成本，同時(shí)也能減少環(huán)境污染。
2.2材料的選擇和結構優(yōu)化
機械設計制造過(guò)程中，選擇環(huán)保、可回收的材料是節約能源的一個(gè)重要方面。機械制造過(guò)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(zhù)進(jìn)一步的研究，通過(guò)對各個(gè)構件的受力分析各個(gè)構件的受力特點(diǎn)，可以有針對性地對結構進(jìn)行優(yōu)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(guò)受力分析就可以發(fā)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(jiǎn)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(guò)程中應當優(yōu)先選取可回收、易分解、能再生，而且在加工過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生對環(huán)境有害的“三廢”的材料以及其在報廢后對環(huán)境污染最小的材料。
2.3合理工藝的選擇
機械制造業(yè)中另一個(gè)重要的環(huán)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(guò)程都是在低于回復溫度下進(jìn)行，冷鍛可以保證尺寸精度，并且表面粗糙度好、勞動(dòng)條件好、生產(chǎn)效率高，但是由于在加工過(guò)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�？梢园l(fā)現冷鍛和熱鍛都需要再加熱的過(guò)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(guò)程在相對較低的溫度下進(jìn)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(cháng)遠的發(fā)展方向，制造廠(chǎng)應該同金屬材料生產(chǎn)廠(chǎng)商合作，將生產(chǎn)出來(lái)的材料直接熱送到加工車(chē)間，充分利用生產(chǎn)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(guò)程，一舉兩得。
2.4設備運轉過(guò)程的節能措施
機械設備在制造完畢后，就是在運轉過(guò)程中的消耗能源，利用先進(jìn)的完全智能化的管理系統，可以控制運轉過(guò)程中實(shí)時(shí)消耗的能量。智能化的管理系統可以控制大到整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)小到每個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)各種先進(jìn)的傳感器實(shí)施收集生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)數據，動(dòng)態(tài)地調節生產(chǎn)設備令其同生產(chǎn)負荷相適應，用最小的能源消耗來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。以制造業(yè)的一般生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)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(shí)候才使用。這些設備有的可以直接關(guān)閉，有的需要保持在待機的狀態(tài)，通過(guò)及時(shí)關(guān)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(chǎn)成本。
2.5機械運輸過(guò)程的節能環(huán)保
一提到節能環(huán)保，大多數人的思考角度多是從機械本身的改進(jìn)上考慮，都忽略了設備在包裝和運輸過(guò)程中所消耗的能源。隨著(zhù)制造工藝的進(jìn)步，現在的機器越做越精細，工藝也日趨復雜，在運輸過(guò)程中如何能夠保證精密部件的完好成為運輸過(guò)程的首要問(wèn)題。在運輸的過(guò)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(huán)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(guò)程中的磕碰和損壞。這就需要在設計環(huán)節就考慮到這一問(wèn)題，盡量將精密的部件與其周?chē)牟考O計為一個(gè)整體，運輸的過(guò)程中將這個(gè)整體作為運輸單位，其周?chē)臉嫾匀怀蔀榱吮Ｗo，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(guò)度使用木板勢必會(huì )對環(huán)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(huì )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(guò)程中受到的損害，其生產(chǎn)和使用都對環(huán)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(lái)講最環(huán)保、最具性?xún)r(jià)比的選擇；最后，運輸方式的選擇也應該注意節能環(huán)保，海、陸、空三種運輸方式各有利弊。海運雖然運輸的風(fēng)險和成本比較低，但是耗時(shí)較長(cháng)。陸路運輸的時(shí)間和成本都比較折中，但設備裝載困難，還有一定的風(fēng)險性�？者\安全、高效，但是價(jià)格昂貴，所以根據實(shí)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(huán)保的效果。
3結語(yǔ)
我國作為一個(gè)生產(chǎn)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(guò)420000萬(wàn)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(shí)也對我國的環(huán)境造成了極大的破壞。雖然我們取得的進(jìn)步有目共睹，但這絕不是可以持續發(fā)展的方式。能源危機的問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)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(yè)能源消耗、優(yōu)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(shù)應該受到各行業(yè)的重視，并付諸實(shí)踐。大到宏觀(guān)的產(chǎn)業(yè)結構，小到每條生產(chǎn)線(xiàn)、每件設備都應該將節能、環(huán)保的理念貫徹到底。
參考文獻:
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