淺析機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理的分析與應(yīng)用

楊增光（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，石家莊　050200）

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淺析機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理的分析與應(yīng)用

楊增光
（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，石家莊050200）

摘要：在機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一定要遵循節(jié)能原則，充分改變機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)能輸出及勢(shì)能變化，盡量減小機(jī)械的無(wú)用功，充分利用機(jī)械功率，以達(dá)到節(jié)能的目的。本文著重分析機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中節(jié)能的基本原理，以及在實(shí)際生活中應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；節(jié)能原理；實(shí)際應(yīng)用

1　機(jī)械設(shè)計(jì)概述

所謂的機(jī)械設(shè)計(jì)就是對(duì)所有部件和整體的配合進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程都要遵循機(jī)械應(yīng)用的原則，大到整個(gè)機(jī)械設(shè)備的配合及運(yùn)行，小到每個(gè)工作零件的選材、大小及潤(rùn)滑等，都要你按照其運(yùn)行的基本原理進(jìn)行構(gòu)思設(shè)計(jì)。對(duì)不同用途的機(jī)械，要利用不同的原理進(jìn)行相應(yīng)功能的設(shè)計(jì)。

2　現(xiàn)代的機(jī)械生產(chǎn)模式

（1）能適應(yīng)市場(chǎng)批量生產(chǎn)的要求?，F(xiàn)在的市場(chǎng)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的需求量很大，相應(yīng)的生產(chǎn)周期也在不斷減小。這對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式是一種挑戰(zhàn)，因此，機(jī)械生產(chǎn)的方式以及觀念都發(fā)生了很大變化。目前，生產(chǎn)企業(yè)都使用了自動(dòng)化控制技術(shù)，再加上多媒體技術(shù)的輔助，為企業(yè)帶來(lái)了極大的益處。（2）引進(jìn)全新的技術(shù)，完善現(xiàn)在的生產(chǎn)模式。目前，單一的生產(chǎn)技術(shù)已跟不上市場(chǎng)的腳步，必須要將多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)綜合起來(lái)，以很好地適應(yīng)社會(huì)。在機(jī)械制造行業(yè)，傳統(tǒng)模式以人工操作的方式為主，這樣不僅生產(chǎn)速度慢，而且容易出現(xiàn)差錯(cuò)，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量較差，此外，對(duì)能源的浪費(fèi)也很?chē)?yán)重。

當(dāng)下的生產(chǎn)模式中，加工車(chē)間的安全也是一個(gè)重要問(wèn)題，工人一旦操作失誤，不僅會(huì)危及人身安全，而且會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程面臨誤工，耽誤整體產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

3　機(jī)械設(shè)計(jì)的節(jié)能基本原理

所謂機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能的基本原理就是對(duì)設(shè)備的動(dòng)能輸出以及勢(shì)能和其消耗的無(wú)用功進(jìn)行整理，并進(jìn)行函數(shù)分析，總結(jié)出該如何進(jìn)行設(shè)備的節(jié)能設(shè)計(jì)。

（1）動(dòng)能方面的節(jié)能分析。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，工程師一般都考慮動(dòng)能變化對(duì)輸出功率的影響，調(diào)節(jié)改善設(shè)備的波動(dòng)、使用周期及加工精度，很少改善其給系統(tǒng)帶來(lái)的影響。因此，筆者主要在這一點(diǎn)上進(jìn)行研究改善。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)能并沒(méi)有完全開(kāi)發(fā)出來(lái)，這主要是因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中，動(dòng)能沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行回收并轉(zhuǎn)化。本著節(jié)能原則，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)能變化范圍，盡可能地縮小范圍。

（2）在輸出力方面的節(jié)能分析。不同工作要求的機(jī)械設(shè)備在工作過(guò)程中的輸出力是不同的，即使是相同的機(jī)械設(shè)備在不同過(guò)程要求下輸出的力也不完全相同。因此，要在節(jié)能方面進(jìn)行改善。

導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備在工作過(guò)程中輸出力偏高的因素主要是在很短時(shí)間內(nèi)，力的變化波動(dòng)比較大，在函數(shù)中表現(xiàn)為周期函數(shù)。只要把輸出力的波動(dòng)變化范圍縮小，變化越小，節(jié)能的效果也就越好。

（3）降低無(wú)用功，節(jié)省能源。無(wú)論何種機(jī)械設(shè)備，都不可避免地會(huì)有摩擦以及其他阻力，這些阻力都或多或少地產(chǎn)生無(wú)用功。這些都和設(shè)備在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的零件精度以及潤(rùn)滑方式有很大關(guān)系。這些無(wú)用功都對(duì)設(shè)備的使用效率產(chǎn)生極大阻礙。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮節(jié)能因素，最大限度地減小無(wú)用功，提升設(shè)備的使用率。

（4）節(jié)能原理的分析總結(jié)。節(jié)能的方法主要就是在動(dòng)能、輸出力以及減小無(wú)用功等方面對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是工程師在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，把系統(tǒng)的一些參數(shù)變化維持在一個(gè)盡可能小的范圍內(nèi)，就可以極大地節(jié)省能源。但這點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來(lái)極為不易，是所有工程師長(zhǎng)期奮戰(zhàn)的目標(biāo)。

4　機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能原理的實(shí)際應(yīng)用

由于機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能的基本原理主要涉及質(zhì)點(diǎn)以及動(dòng)能定理，因此，由質(zhì)點(diǎn)組成的對(duì)象都可以利用，其適用范圍寬泛。

4.1該節(jié)能原理在升降機(jī)械力的應(yīng)用

升降機(jī)械在實(shí)際工作中消耗的功率較大，產(chǎn)生的無(wú)用功也較大，因此，要在節(jié)能方面進(jìn)行改善。改進(jìn)前，要先研究消耗的原因，大部分功率的消耗都發(fā)生在設(shè)備提升以及下放物體的過(guò)程中。一般來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)升降機(jī)械前，一定要標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)合電梯的設(shè)計(jì)原理，加入機(jī)械設(shè)計(jì)的節(jié)能原理。在升降機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用升降機(jī)械與其他機(jī)械相比，消耗功率的主要特征是貨物和人的重量（有勢(shì)力）在提升或下降的勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中均要消耗功率。工程實(shí)踐證明，以相同的速度提升質(zhì)量相等的重物，按照電梯標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算設(shè)計(jì)的曳引驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所消耗的功率比傳統(tǒng)卷?yè)P(yáng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)要小得多。若按“系統(tǒng)勢(shì)能為常量或在最小范圍內(nèi)變化”設(shè)計(jì)升降機(jī)械或電梯，可得平衡升降機(jī)和平衡電梯設(shè)計(jì)方案。在平衡升降機(jī)中，若用Q（t）表示提升物體的質(zhì)量，用P表示自重不變的配重，用r1表示升降貨物卷筒的半徑，r2表示升降配重卷筒的半徑，若要平衡升降機(jī)的系統(tǒng)勢(shì)能為常量，則必須滿足式Q（t）r1=Pr2（公式1），雖然Q（t）為變量，但可采用自動(dòng)變速機(jī)構(gòu)改變傳動(dòng)比，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)勢(shì)能為常量。在平衡電梯中，若用Q（t）表示轎廂和水箱自重以及隨人數(shù)變化載質(zhì)量，P（t）表示配重和水箱自重（變量），曳引輪與導(dǎo)向輪半徑相等用r表示。平衡電梯在工作時(shí)，當(dāng)進(jìn)入轎廂人的質(zhì)量為q1，轎廂下水箱里將有p1重的水進(jìn)入配重下水箱。電梯空載時(shí)，Q（t）=QP（t）=P，電梯工作時(shí)Q（t）=Q+q1-p1，P（t）=P+p1，將其代入式（公式1），則可求得轎廂下水箱里水進(jìn)入配重下水箱的質(zhì)量。

可以看出由轎廂水箱進(jìn)入配重水箱水的質(zhì)量只是人質(zhì)量的1/2?，F(xiàn)對(duì)卷?yè)P(yáng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、曳引驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和平衡升降機(jī)或平衡電梯所需要的電機(jī)功率進(jìn)行對(duì)比，可以看出平衡升降機(jī)或平衡電梯顯然要比曳引驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)要小。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，卷?yè)P(yáng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)勢(shì)能在最大范圍內(nèi)變化，曳引驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)勢(shì)能在較小范圍內(nèi)變化，平衡升降機(jī)或平衡電梯的系統(tǒng)勢(shì)能為常量或在最小范圍變化。由此可知，當(dāng)系統(tǒng)勢(shì)能為常量時(shí)，該機(jī)構(gòu)節(jié)能效果最為明顯。

4.2在加工型設(shè)備中的應(yīng)用

加工型機(jī)械設(shè)備在實(shí)際生活中較為常見(jiàn)，其在加工過(guò)程中消耗的能源也最大，因此，該類(lèi)設(shè)備的節(jié)能尤其重要。以牛頭刨床為例，該設(shè)備主要由一個(gè)質(zhì)量很大的主軸來(lái)操作其穩(wěn)定運(yùn)行，要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能，就要降低輸入的功率，結(jié)合機(jī)械原理，再增添一個(gè)該裝置，設(shè)備的功率變?yōu)樵鹊?倍，以提升功率，節(jié)省能源。

4.3該節(jié)能原理在大壓路機(jī)上的應(yīng)用

大型壓路機(jī)的輪子表面并沒(méi)有嚴(yán)格按照周期函數(shù)來(lái)表現(xiàn)，其變化范圍較大。這在無(wú)形中阻礙了節(jié)能設(shè)計(jì)。因此，要想真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能，就要把沖擊輪的勢(shì)能在重心處于最低處時(shí)的變化縮小在一個(gè)最小區(qū)間，區(qū)間越小，節(jié)能效果越好。

5　結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能原理主要是利用降低輸入，提高效率的方式方法來(lái)達(dá)到目的。在現(xiàn)代生產(chǎn)基礎(chǔ)上，添加新的設(shè)計(jì)觀念，完善實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)模式，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。在機(jī)械設(shè)計(jì)加工行業(yè)內(nèi)減輕能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，是目前市場(chǎng)上機(jī)械行業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.073