綠色設(shè)計法在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用 Application of Green Design Method in Mechanical Design and Manufacture

楊祥和 YANG Xiang-he

摘要： 合理使用機械產(chǎn)品可以有效提高工程質(zhì)量和工作效率，機械化水平的不斷提高，致使機械設(shè)備大幅度增加。隨著人們環(huán)保意識的增強，機械制造業(yè)環(huán)境問題越來越受到重視。機械產(chǎn)品的不科學(xué)生產(chǎn)會產(chǎn)生大量廢棄物，成為環(huán)境污染源頭。為促進(jìn)機械制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，迫切需要將低碳環(huán)保和節(jié)約資源的現(xiàn)代綠色設(shè)計理念融入機械產(chǎn)品設(shè)計與制造中?；诖耍敬吾槍G色設(shè)計法在內(nèi)燃機等機械設(shè)計制造中的應(yīng)用必要性與具體應(yīng)用展開分析和探討。

Abstract： The rational use of mechanical products can effectively improve the quality of engineering and work efficiency， the level of mechanization， resulting in a substantial increase in mechanical equipment. Along with the enhancement of people’s environmental protection consciousness， the environmental problem of machinery manufacturing industry is paid more and more attention. Unscientific production of mechanical products will produce a large number of waste products and become a source of environmental pollution. In order to promote the sustainable development of machinery manufacturing industry， it is urgent to integrate the modern green design concept of low-carbon environmental protection and resource saving into the design and manufacture of machinery products. Based on this， this paper analyzes and discusses the necessity and concrete application of green design method in the design and manufacture of internal combustion engine and other machinery.

關(guān)鍵詞： 機械設(shè)計制造;綠色設(shè)計法;內(nèi)燃機;具體應(yīng)用

Key words： machine design and manufacture;green design method;internal combustion engine;concrete application

中圖分類號：TH161+.21? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0216-02

0? 引言

現(xiàn)如今，綠色設(shè)計與輕量化已成為內(nèi)燃機等機械設(shè)計制造的一種趨勢。綠色設(shè)計是在可持續(xù)發(fā)展觀念下，將資源利用與環(huán)境友好性有機結(jié)合起來，在滿足人類生活生產(chǎn)、工作以及社會發(fā)展的前提下，盡可能減少對環(huán)境資源的損害與消耗，從而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)價值和社會利益之間最佳平衡為目標(biāo)而進(jìn)行的一種生產(chǎn)活動。工業(yè)化與機械化水平不斷提升下，資源短缺以及環(huán)境惡化等問題逐漸顯現(xiàn)，在這樣的發(fā)展背景下，為了有效降低內(nèi)燃機等機械設(shè)計過程中廢水、廢渣等廢料的產(chǎn)生，減少污染源，有必要充分認(rèn)識綠色設(shè)計在內(nèi)燃機等機械設(shè)計制造中應(yīng)用的獨特之處，基于綠色環(huán)保視角與理念探索內(nèi)燃機等機械設(shè)計制造的新路徑。

1? 機械設(shè)計制造中的綠色設(shè)計

綠色設(shè)計是以保護(hù)環(huán)境為前提，在可持續(xù)發(fā)展的指導(dǎo)下，從人與自然、環(huán)境與社會等方面進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的最大化。在機械設(shè)計與制造中，綠色設(shè)計理念與原則是指以環(huán)境資源為核心，充分考慮環(huán)境與經(jīng)濟(jì)間的關(guān)系，綜合考慮成本與環(huán)境等相關(guān)因素，通過對現(xiàn)有材料的充分利用減少資源浪費等問題，在機械產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)減少對社會與環(huán)境的影響，促進(jìn)機械設(shè)計制造的新型環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展。目前綠色設(shè)計主要遵循“3R”原則，Reduce、Reuse、Recycle，即減少環(huán)境污染、減少能源消耗、產(chǎn)品或零部件的回收再利用。

在內(nèi)燃機等機械設(shè)計與制造中，設(shè)計階段在確保內(nèi)燃機等機械產(chǎn)品設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，兼顧考慮質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等因素，設(shè)計中充分考慮最終階段的產(chǎn)品或零部件回收循環(huán)和再利用，例如拆卸設(shè)計，以確保內(nèi)燃機等機械產(chǎn)品的環(huán)境和資源特性;設(shè)計制造者應(yīng)具有節(jié)約和環(huán)保意識，在內(nèi)燃機等機械產(chǎn)品生產(chǎn)周期內(nèi)實現(xiàn)綠色設(shè)計制造，充分利用資源，盡量避免零部件等資源的浪費;應(yīng)不斷改革和創(chuàng)新傳統(tǒng)機械設(shè)計制造方法，遵循綠色設(shè)計法則。

2? 綠色設(shè)計在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用必要性

2.1 機械行業(yè)發(fā)展的需要

在工業(yè)化、機械化發(fā)展的推動下，能源問題成為制約工業(yè)發(fā)展的重要因素，為實現(xiàn)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，需貫徹落實和推進(jìn)綠色設(shè)計，改善能源消耗與資源浪費，擯棄傳統(tǒng)高消耗、高污染機械設(shè)計方式。比如在內(nèi)燃機設(shè)計中，常出現(xiàn)柴油分子霧化不良、燃燒不充分等現(xiàn)象，造成能源大量浪費的同時污染環(huán)境，可以通過合理應(yīng)用綠色設(shè)計法，在內(nèi)燃機設(shè)計過程中在機車柴油箱輸油管道外側(cè)配置電熱裝置，利用妨害材料進(jìn)行包裹，安裝WLS-TJ環(huán)保型機車柴油節(jié)油器等，改善內(nèi)燃機燃油霧化性能，充分發(fā)揮綠色設(shè)計的環(huán)保作用。

2.2 社會發(fā)展的需要

綠色設(shè)計是啟動綠色發(fā)展的第一杠桿，也是綠色發(fā)展的靈魂，是在深刻認(rèn)識人與自然關(guān)系基礎(chǔ)上，實現(xiàn)自然資源持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善、生產(chǎn)設(shè)計科技含量不斷提升的現(xiàn)代設(shè)計潮流。在工業(yè)設(shè)計不斷商業(yè)化的發(fā)展趨勢下，設(shè)計成為鼓動人們無節(jié)制消費的重要介質(zhì)，環(huán)境污染與能源消耗問題日益加重。內(nèi)燃機在國家戰(zhàn)略發(fā)展中占據(jù)著不可替代的地位，優(yōu)化升級傳統(tǒng)工業(yè)機械設(shè)計方式，利用綠色設(shè)計理念保證機械設(shè)計的低碳與環(huán)保重要程度不言而喻，在機械設(shè)計制造中高度融入綠色設(shè)計法可以極大程度減少機械設(shè)計制造對環(huán)境造成的污染，促進(jìn)社會環(huán)境的良好發(fā)展。

2.3 生態(tài)保護(hù)的需要

可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)安全、環(huán)境友好是綠色設(shè)計的總要求，工業(yè)化的過度商業(yè)化致使固體廢棄物、水污染、噪聲污染等大量污染源被動產(chǎn)生，嚴(yán)重破壞了人與自然間的和諧發(fā)展。運用綠色設(shè)計法克服傳統(tǒng)設(shè)計的不足，從機械產(chǎn)品的概念形成到生產(chǎn)制造、使用、廢棄后的產(chǎn)品回收、重復(fù)利用等各個階段貫徹推進(jìn)落實綠色設(shè)計理念，可以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)的雙向推進(jìn)。以一臺內(nèi)燃發(fā)動機為例，采用綠色設(shè)計理念的內(nèi)燃發(fā)動機更多采用的是鋁合金等輕質(zhì)材料，在零部件模塊和結(jié)構(gòu)優(yōu)化上比傳統(tǒng)小排量汽油發(fā)動機有了很大的突破，重量可以減輕20kg以上，燃油消耗也可以相對應(yīng)地下降10%左右，CO2排放量也可相對應(yīng)地減少，既滿足工業(yè)需求，又實現(xiàn)了對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

3? 綠色設(shè)計在機械設(shè)計制造中的具體應(yīng)用

3.1 綠色材料的選擇和應(yīng)用

綠色材料是指在原料選取、產(chǎn)品制造使用、再循環(huán)利用、廢物處理等環(huán)節(jié)中實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)計與生態(tài)環(huán)境和諧共處且不會對人類健康造成威脅的一種材料，在機械設(shè)計和制造過程中可以實現(xiàn)低污染、低消耗。在內(nèi)燃機動力機械設(shè)計制造中，面對復(fù)雜且規(guī)模龐大的綠色原材料，設(shè)計者需從環(huán)保角度入手進(jìn)行篩選，避免在設(shè)計制造過程中因含有害物質(zhì)材料的使用對后期回收和環(huán)境產(chǎn)生不利影響。因此。在內(nèi)燃機設(shè)計制造的材料選取上，應(yīng)遵循綠色設(shè)計法，選擇與環(huán)境具有高兼容性的綠色環(huán)保材料，比如選用鋁合金、鎂合金、工程塑料等輕質(zhì)材料作為結(jié)構(gòu)材料，對內(nèi)燃發(fā)動機的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;在模具材料的選擇方面，用物理腐蝕防護(hù)代替化學(xué)腐蝕防護(hù)，用對環(huán)境影響較小的鍍鎳磷代替電鍍鉻等，從原材料選取源頭上為機械設(shè)計制造奠定綠色設(shè)計基礎(chǔ)。

3.2 可拆卸性設(shè)計

機械設(shè)計是機械制造業(yè)的基礎(chǔ)與核心，是決定機械性能和壽命的重要因素。隨著工業(yè)機械的設(shè)計復(fù)雜化，現(xiàn)代機械產(chǎn)品使用的材料日益多樣化，機械零部件不可拆卸重復(fù)利用會造成大量的資源浪費，并且加劇廢棄物處理難度，在傳統(tǒng)的機械設(shè)計與制造中，更多的是關(guān)注零件的相容性，而很少考慮產(chǎn)品的可拆卸性。而在機械綠色設(shè)計制造中，可拆卸性是產(chǎn)品設(shè)計的重要內(nèi)容之一，可以有效節(jié)約資源，實現(xiàn)資源的再利用。因此，將可拆卸性作為機械設(shè)計制造的重要衡量與評價標(biāo)準(zhǔn)，可以使產(chǎn)品報廢后可以好到相匹配的零部件，便于材料與零部件的循環(huán)使用與回收。其中可拆卸原則設(shè)計主要包含實現(xiàn)零部件的多功能性、避免因材料零件損壞的相互作用而造成的設(shè)計缺陷、減小零件的多樣性等。盡量避免采用焊接、鉚接等鏈接方式，在機械設(shè)計階段融入成熟的拆卸方式，盡量采用螺紋連接、鏈接等，便于后期機械產(chǎn)品的拆卸，既便于機械產(chǎn)品的組合又便于拆卸，深刻融入綠色設(shè)計法的綠色設(shè)計理念。

3.3 綠色設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

機械產(chǎn)品的綠色設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)需明確產(chǎn)品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，做好產(chǎn)品評價技術(shù)規(guī)范，在設(shè)計時充分考慮各方面因素的影響，從綠色理念層面著手設(shè)計制造，針對具體機械產(chǎn)品的設(shè)計制造制定產(chǎn)品評價技術(shù)規(guī)范，以此作為機械產(chǎn)品生產(chǎn)制造完成后的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。以內(nèi)燃機為例，在進(jìn)行內(nèi)燃機綠色設(shè)計制造過程中，應(yīng)設(shè)計規(guī)定相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，比如內(nèi)燃機質(zhì)量管理體系應(yīng)當(dāng)按照GB/T19001要求編制;能源屬性應(yīng)按照GB/T23331要求編制;污染排放物應(yīng)達(dá)到國家和地方污染物排放標(biāo)準(zhǔn);應(yīng)按照GB/T24256開展內(nèi)燃機產(chǎn)品綠色設(shè)計工作;確保內(nèi)燃機產(chǎn)品的耐用性、模塊化和可維修性、可拆卸性、易回收性、可再制造性等;內(nèi)燃機燃料類型可再利用率需超過85%;內(nèi)燃機產(chǎn)品尿素燃料消耗比為6.5%等。通過相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)內(nèi)燃機的綠色設(shè)計制造與綠色生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

3.4 綠色設(shè)計制造技術(shù)

微量潤滑技術(shù)開始時多用于鑄件加工領(lǐng)域，隨著時間的推移，在鋼件和鋁制件中的應(yīng)用日益增多，這項融入了綠色設(shè)計制造理念的先進(jìn)技術(shù)可以為機械設(shè)計制造創(chuàng)造潔凈的工作環(huán)境，實現(xiàn)“綠色”生產(chǎn)。以某內(nèi)燃機缸蓋生產(chǎn)線為例，單臺加工中心大約需要400L/min冷卻潤滑液進(jìn)行循環(huán)，而20臺機床則需8000L/min冷卻潤滑液完成循環(huán)，計算可知生產(chǎn)一個缸蓋消耗量約4.3L，而采取微量潤滑技術(shù)僅需10mL以下即可，可以有效地節(jié)省資源，而且可以明顯地降低水的消耗，省去冷卻潤滑液系統(tǒng)回路的循環(huán)泵，大大降低制造過程中的總能耗，在生產(chǎn)制造過程中實現(xiàn)了綠色設(shè)計方法。

4? 總結(jié)

綜上所述，綠色設(shè)計法為內(nèi)燃機等機械設(shè)計制造提供了新的發(fā)展契機，綠色設(shè)計理念集成了資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)等多方面的優(yōu)勢，對機械設(shè)計制造發(fā)展具有重要推動作用。綠色設(shè)計法在機械設(shè)計制造中還處于不斷探索和深入的過程，只有在機械設(shè)計制造中充分考慮人與自然、社會與環(huán)境間的因素，深入探索綠色設(shè)計法，明確保護(hù)環(huán)境的設(shè)計理念，才能制造出壽命更長久、質(zhì)量更高、污染更小的機械產(chǎn)品，實現(xiàn)機械設(shè)計制造的可持續(xù)發(fā)展。

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