節(jié)能設(shè)計理念在機械制造及自動化應(yīng)用中的滲透研究

魯璐

（南陽理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，河南 南陽 473004）

以發(fā)動機以及電機驅(qū)動的機械設(shè)備制造推動現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，并且隨著設(shè)備功能的快速演進，集成了微電子、通信等技術(shù)的機械設(shè)備被應(yīng)用到絕大部分的生產(chǎn)生活場景，使其不再是簡單的動力輸出裝置以及體力勞動替代者，而是成為形式和功能多樣、操控簡便，可以按照設(shè)定程序自動化運行乃至具備自主決策能力的設(shè)備。但機械設(shè)備所有功能的實現(xiàn)都需要保障其能源供應(yīng)，而且設(shè)備本身的制造過程涉及能源與資源的大規(guī)模消耗。

1 機械制造行業(yè)發(fā)展歷程及趨勢

（1）機械制造理念的演進。機械設(shè)備在人們的生產(chǎn)活動中歷來是提高工作效率、完成人力無法實現(xiàn)的目標(biāo)的關(guān)鍵，而內(nèi)燃機等動力輸出裝置的發(fā)明賦予了機械設(shè)備更加強大的動力。而將電子、電力技術(shù)應(yīng)用于機械制造，不僅讓設(shè)備的性能有了質(zhì)的變化，而且改變了傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方式，讓機械設(shè)備具備自動化控制的功能，使設(shè)備的操作基于生產(chǎn)工藝要求進行比較精確的啟停操作，便捷地調(diào)整其運行速度和工藝參數(shù)。20 世紀(jì)末，信息技術(shù)的應(yīng)用使機械制造理念再次產(chǎn)生質(zhì)變，運用智能化控制以及無線通信等技術(shù)的機械設(shè)備操控更為簡便和靈活。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)理念的提出則正在推動著后工業(yè)時代機械制造、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的又一次革命。但在這一進程中，鑒于資源環(huán)境狀況的持續(xù)劣化以及工業(yè)生產(chǎn)需求的增勢不減，使節(jié)能設(shè)計理念的應(yīng)用尤為關(guān)鍵。

（2）機械制造與自動控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。目前，機械制造行業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)對自動化技術(shù)的依賴性越來越高，無論是設(shè)計環(huán)節(jié)還是生產(chǎn)階段，都涉及計算機軟硬件以及相關(guān)科技成果的創(chuàng)新應(yīng)用。首先，在現(xiàn)代機械制造行業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)與設(shè)計工作中，要想滿足各個生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)C械裝備性能日新月異的要求，必須準(zhǔn)確了解市場需求并進行產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。而機械設(shè)備各個系統(tǒng)的集成化、模塊化設(shè)計理念則是滿足市場需求的基礎(chǔ)，一方面，通過對自動控制技術(shù)的優(yōu)化利用實現(xiàn)對設(shè)備傳動系統(tǒng)、動力裝置以及控制系統(tǒng)的集成化制造，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率以及使用性能；另一方面，又能基于模塊化設(shè)計理念實現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)與加工工藝設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)人員的高效協(xié)同，壓縮新產(chǎn)品的研發(fā)與制造周期。其次，在自動化技術(shù)的應(yīng)用方面，機械制造企業(yè)不僅需要利用人工智能等技術(shù)提升產(chǎn)品性能，更要在產(chǎn)品的設(shè)計、加工工藝設(shè)計等環(huán)節(jié)引進虛擬制造等理念，節(jié)約產(chǎn)品的研發(fā)成本并優(yōu)化節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。

2 機械制造關(guān)鍵技術(shù)與節(jié)能設(shè)計理念的聯(lián)系

機械設(shè)備自身性能、加工工藝以及材料的使用均與節(jié)能理念存在直接聯(lián)系，在任一環(huán)節(jié)合理運用新技術(shù)或者創(chuàng)新設(shè)計理念都能達到節(jié)能目標(biāo)，并對設(shè)備的制造、使用能耗產(chǎn)生深刻影響。因此，探究現(xiàn)代機械制造行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)與節(jié)能設(shè)計理念之間的關(guān)系可以找到后者的應(yīng)用途徑并將其付諸實踐。

（1）自動控制技術(shù)。自動控制技術(shù)在現(xiàn)代機械制造領(lǐng)域的應(yīng)用價值不僅在于豐富產(chǎn)品功能和提升其運行效率，而是成為優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程、節(jié)約驅(qū)動生產(chǎn)設(shè)備以及輔助設(shè)備運行動能的關(guān)鍵。因此，自動控制技術(shù)的合理運用對機械制造企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)有極其重要的意義，也決定了產(chǎn)品使用方生產(chǎn)活動中的能耗水平。首先，自動化技術(shù)使機械設(shè)備的運行過程可以基于編程精準(zhǔn)控制，根據(jù)產(chǎn)品加工需要自動化的調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，提升生產(chǎn)質(zhì)量，并在沒有人為干預(yù)的情況下完成所有加工流程。其次，自動化控制技術(shù)賦予了機械設(shè)備乃至生產(chǎn)線自動化運行的功能，集成化的控制以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)所有機電設(shè)備的運行工況，自行檢測負荷變化并做出最優(yōu)化決策，從而降低單位產(chǎn)能下的總體能耗。

（2）機械制造原材料的研發(fā)和應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)原材料的研發(fā)對資源環(huán)境保護具有多重意義，而機械制造所用材料不僅涉及自然資源的優(yōu)化利用，還會通過設(shè)備的性能改進、影響下游產(chǎn)業(yè)鏈的工藝創(chuàng)新達到節(jié)能目的。首先，機械制造行業(yè)生產(chǎn)使用的金屬及非金屬材料直接影響設(shè)備的性能。例如，傳動部件的材料決定了設(shè)備運行工況的穩(wěn)定性和能量損耗大小，而具有優(yōu)良工藝性能以及力學(xué)、物理學(xué)性能的材料則有助于降低摩擦力、提升設(shè)備使用壽命，從而減少設(shè)備運行過程中的能量損耗并提升其產(chǎn)能。其次，基于可循環(huán)利用或者低能耗水平新材料的利用也能有效降低機械制造以及設(shè)備使用領(lǐng)域的能耗。

（3）信息技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用。無線通信以及人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)的快速演進和應(yīng)用改變了所有領(lǐng)域的生產(chǎn)和管理理念，在優(yōu)化資源配置以及動態(tài)控制生產(chǎn)過程、實時優(yōu)化各類組織計劃方面體現(xiàn)出空前的優(yōu)勢。

首先，基于信息技術(shù)可以優(yōu)化機械制造業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)過程，運用計算機軟件進行零部件的受力分析、模擬設(shè)備零件加工以及組裝過程，既可以簡化產(chǎn)品的設(shè)計流程并且壓縮其研發(fā)周期，還可以免去試生產(chǎn)以及反復(fù)評估和調(diào)試的過程，節(jié)省生產(chǎn)材料、能源以及優(yōu)化企業(yè)的資源配置。

其次，在互聯(lián)網(wǎng)、無線通信以及自動控制等技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的背景下，能對機械制造過程進行動態(tài)的監(jiān)測并實現(xiàn)過程控制，讓原材料供應(yīng)、半成品質(zhì)量檢測以及工藝參數(shù)調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)全部自動化完成。而在此基礎(chǔ)上，不僅機電設(shè)備的有功功率可以始終保持最優(yōu)化，減少中間環(huán)節(jié)的人力資源需求，還可以基于動態(tài)的智能化控制減少生產(chǎn)原料的耗費。

3 節(jié)能設(shè)計理念應(yīng)用策略

（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與功能優(yōu)化。作為生產(chǎn)領(lǐng)域能量轉(zhuǎn)換的核心，機械設(shè)備的構(gòu)造形式?jīng)Q定了能源的利用率，也對資源的合理利用產(chǎn)生了深遠影響。因此，節(jié)能設(shè)計理念應(yīng)用必須從優(yōu)化機械設(shè)備的構(gòu)造和功能入手，基于降低設(shè)備能耗以及提高資源利用率的視角審視設(shè)計方案的合理性。首先，鑒于電機等動力設(shè)備完成能量轉(zhuǎn)化并驅(qū)動機械設(shè)備運行，因此，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的功能設(shè)計構(gòu)想以及應(yīng)用場景特點確定電機或燃油發(fā)動機的類型以及優(yōu)化其額定參數(shù)的選擇。其次，在設(shè)備傳動、自動控制等系統(tǒng)的設(shè)計過程中，應(yīng)首選能量損耗小、可靠性高的技術(shù)方案。例如，在技術(shù)條件允許的前提下優(yōu)先選擇氣壓傳動而非液壓傳動系統(tǒng)，為設(shè)備配置完善的故障自檢、診斷功能的控制系統(tǒng)等，達到節(jié)能、提升機械設(shè)備性能以及減少污染源的多重目的。

（2）機械設(shè)備的加工工藝。在結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜和精密的機械設(shè)備生產(chǎn)工藝流程中，能源以及生產(chǎn)資源的消耗形式也多種多樣，除了成功轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品加工動能和被加工成設(shè)備零部件的部分，其他能量和材料等資源以多種形態(tài)、通過多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)和渠道被耗費和排放到環(huán)境中，包括直接的熱量散失、振動等機械能損耗以及廢棄物等。所以，基于節(jié)能設(shè)計理念、運用自動化技術(shù)優(yōu)化機械制造領(lǐng)域的加工工藝，能有效控制能量和資源的損耗。首先，運用當(dāng)前廣為應(yīng)用的數(shù)控加工技術(shù)能精確控制零部件加工過程中的溫度、切削量等參數(shù)，從而基于對設(shè)備自身工況的精確控制達到節(jié)能目標(biāo)，并且可以簡化工藝流程并減少設(shè)備生產(chǎn)過程的能耗，節(jié)約零部件的加工材料。其次，基于技術(shù)創(chuàng)新改進生產(chǎn)過程中的冷卻、表面處理等工藝，可以直接減少熱能損失并改進設(shè)備性能，提高零部件的耐久性與可靠性。例如，采用風(fēng)冷技術(shù)替代傳統(tǒng)的冷卻工藝能降低冷卻液的消耗并減少廢液排放。

（3）新材料的研發(fā)與使用。材料性能對機械設(shè)備的節(jié)能效果有決定性影響，因此，著重研發(fā)與應(yīng)用各類功能性材料并提升可循環(huán)利用材料的比例，都是體現(xiàn)節(jié)能設(shè)計理念很好的方式?；趯αW(xué)等性能突出的功能性材料的利用，可以滿足設(shè)備使用功能要求的前提下縮小零部件的體積，減少其材料用量的同時，提高設(shè)備運行的可靠性。例如，在軸承、密封件等關(guān)鍵零配件的加工和選用方面使用具有卓越的耐磨、耐腐蝕等性能的新興材料，可以達到節(jié)能和改進設(shè)備使用性能的目的。而在機械制造中優(yōu)先選用綠色制造工藝生產(chǎn)的材料，則可以推動產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化，并在更廣闊的范圍內(nèi)產(chǎn)生積極的節(jié)能作用。

4 結(jié)語

機械設(shè)備幾乎參與人類社會能源使用過程中的所有能量轉(zhuǎn)換，所以在機械設(shè)備的制造與應(yīng)用環(huán)節(jié)踐行節(jié)能設(shè)計理念，必然可以對能源的轉(zhuǎn)換率產(chǎn)生重要影響，而且能推動各個生產(chǎn)領(lǐng)域的產(chǎn)品加工工藝改進、功能性材料研發(fā)以及運營管理理念的創(chuàng)新，實現(xiàn)綠色制造的目標(biāo)。