基于全寿命周期的起重机机械绿色展望

太原科技大学TAIYUANUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY基于全寿命周期的起重机械绿色展望姓名：高翔宇班级：研1402班学号：S20140167基于全寿命周期的起重机械绿色展望1面向2030年机械工程技术的发展趋势机械制造业的信息化和经济全球化使机械产品的全球市场竞争加剧，人们对产品设计的要求越来越高。如何尽快地推出性价比高的新产品，不断满足消费者个性化和多样化需求，已经成为企业吸引消费者，进而占有更大市场份额的关键要素。这就要求加快产品的开发速度，迅速提高产品的设计水平，实现产品的创新与绿色设计，从而满足用户的需求。全球性的环境和资源制约强有力地呼唤市场上有更多环保、资源节约、可持续发展的机械产品、产业涌现。我国制造业的工业增加值已经进入世界前四位，成了制造大国，但远远不是制造强国。与发达国家的差距还很大，主要表现在产品的性能和品质上，但更为关键的是缺乏自主知识产权，缺乏自主创新产品。这就要求我们加快机械产品的现代设计理论与方法学研究，走可持续发展的道路。现代机械产品通过增加传感器，已经具有某些感知能力，计算机的应用又使产品具有智能性，其构成要素如图1所示。机械产品设计可以是应用新的原理或新的概念，开发制造出新的机器，也可以是在已有机器上的重新设计或改进。现代产品设计，设计者不仅只是考虑自然科学技术，还要求面向产品的全生命周期进行设计，将“产品—人—环境—社会”看成是设计中完整的一个系统。既要考虑产品本身，又要考虑产品对环境的影响；既要考虑技术层面，又要考虑经济社会层面；既要看当前发展，又要看长远发展。面向产品全生命周期的机械产品设计系统通常可分为如图2所示的6个阶段来实现图1现代机械产品模型图2面向产品全生命周期的机械产品设计系统1.1创新设计就创新设计本身，是要求设计者充分发挥创造性思维，吸收最新科技成果，运用现代设计理论和方法，设计出更具竞争力的新颖产品。“Creativetiveleap”概念认为：创新是经过一系列思维飞跃而最终获得的，每一次飞跃中都蕴藏着潜在的方法，而这些方法是可供借鉴和遵循的。机械产品创新设计类型可分为3种：原创设计、变异设计和反求设计。现代公司必须致力于开发新产品，必须学习如何有效的创新，从产品概念到投放市场，都必须融合新的“设计”。从另外一方面上说，产品设计可以看成是一种以解决问题为直接目标的活动，需要一系列复杂而系统的努力，包括：提出设计概念，拓展设计概念，修改细节，评价合理的解决方案等。Ljungberg和Edwards认为产品开发可分为两个重要的领域：物理开发和思维开发。前者更多考虑物质性和运用传统方法，而后者更多专注于心理思维。1.2绿色设计绿色设计指在产品整个周期内，着重考虑产品环境属性(可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等)，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、品质等。机械产品的绿色设计原则有：1)生态效益最好原则：绿色设计强调不论是在产品制造过程中，还是在产品使用过程中，都要求产品对周围环境“零污染”。这就要求在设计过程中尽量选择低污染的材料及零部件，避免选用有毒、有害和有辐射性的材料；设计能源消耗少的产品，减少对材料和资源的需求，保护地球的矿物资源。噪声也是一种环境污染，影响到人体健康。随着环保意识的增强，人们对环境要求越来越苛刻，低噪声设计日趋重要。从设计上就考虑产品的生态平衡性，应用绿色设计理念，是一种从源头上控制污染的有效策略。2)经济效益最好原则：设计的机械零件既要功能满足客户要求，又要成本低廉。考虑经济最佳性必须从设计和制造两个方面上入手。设计上保证合理的原理方案，用正确的材料；制造上考虑零件的加工工艺性和装配工艺性。3)安全可靠原则：安全可靠是机械产品品质的保证，必须确定零件在强度、刚度、耐磨性、稳定性及热平衡性上满足设计要求。对于重型机械，一般要求有自锁装置和保险装置，以确保操作员人身安全。4)人机工程学原则：绿色设计倡导“以人为本”，进行人性化设计，实现对人体的良好保护。通过研究组成人机系统的人和机器的相互关系，以提高整个系统的工作效率，并使“人—机器—环境”相互协调，以求达到人的能力与作业活动要求相适应，创造高效、舒适、安全的劳动条件。机器外观造型应比例协调、大方，给人以时代感和美感，色彩要和产品功能相适应[6]。如医疗器械要用浅色，给人以卫生、安静感；冰箱、制冷器要用冷色，给人以清凉感。绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要考虑产品的整个生命周期，从产品的构思开始，在产品的结构设计、零部件的选材、制造、使用、报废和回收利用过程中对环境、资源的影响，希望以最小的代价实现产品“从摇篮到再现”的循环。1.3机械产品绿色设计的原则绿色设计与传统设计相比，应遵循以下几个原则：功能先进实用原则；技术先进性原则；环境协调性原则；能量最佳利用原则；资源最佳利用原则；安全宜人性原则；污染极小化原则以及综合效益最佳原则。1.4绿色产品的基本特征根据绿色设计“节约能源、利用资源、减少污染，有利于环境保护”的指导思想，绿色产品应具备以下特征：①最大限度地节约能源。绿色产品在其生命周期的各个阶段所消耗的能源应最少，使能源得到最有效的利用；②最大限度地利用材料资源。绿色产品应尽可能减少材料的使用量和使用材料的种类（少用或不用有毒、有害材料），这就要求设计设备时应在满足使用性能要求的前提下，尽量简化设备结构，合理使用材料，并可最大限度地实现设备材料的再利用；③最大限度地减少污染、保护环境。绿色产品从开发设计、生产制造到使用维护乃至报废后回收处理的各个过程中均应对环境无负面影响或污染甚小。2基于起重机全寿命绿色化思路起重机全生命周期绿色设计技术包括以下几个方面：2.1绿色材料选择材料选择是绿色设计不可缺少的组成部分，是产品开发过程中的最早最重要的设计决策，同时又是一种重要手段，它可以使产品对环境的影响达到最小。因此，绿色设计要求设计人员改变传统的选材程序和步骤，选材时不仅要考虑产品的使用要求和性能，而且更要优先考虑产品的环境性能，优先考虑本身制备过程中低能耗、少污染且产品报废后材料便于回收再生重用或易于降解的具有良好环境协调性的绿色材料。2.2绿色可拆卸性传统的设计方法一般只考虑零部件的装配性，很少考虑产品的拆卸性，而绿色设计则要求把可拆卸性作为产品结构设计的一项评价准则，使产品在报废以后其零部件能够高效地不加破坏地拆卸下来，从而有利于零部件的重新利用或进行材料循环再生，达到既节省又保护环境的目的。2.3绿色可回收性产品的可回收性设计指在进行产品设计时充分考虑产品的各种材料组分的回收再用的可能性、回收处理方法（再生、降解等）、回收费用等与产品回收有关的一系列问题，从而达到节约材料、减少浪费，并对环境污染为最小的目的。2.4绿色成本分析绿色设计中成本分析与传统的成本分析截然不同。由于在产品的设计初期，就必须考虑产品的回收、再利用等性能，因此，在进行成本分析时，就必须考虑污染物的替代、产品拆卸、重复利用成本、特殊产品相应的环境成本等。因此，进行绿色设计时，应在作出每一设计选择时进行成本分析，使产品更“绿色化”，达到追求环境效益与经济效益“双赢”的目的。3创新设计能力支撑起重机械绿色化3.1起重机机械系统全寿命周期绿色设计。机械结构作为起重机的主体部分，是起重机设计阶段最先要考虑的问题。在产品规划阶段就要依据国家和行业的法律法规，产品的主要性能指标和技术条件，综合考虑环保性能来规划产品的绿色寿命周期；按照产品绿色设计原则，提出起重机全寿命周期内绿色设计方案，探讨新的设计方法和手段、研究先进的绿色制造技术，实现产品绿色设计和制造。对于起重机来说，由于其工作空间的限制，要能够便于运输、拆卸和维修，并具有很好减振效果，因此在产品绿色设计阶段，采用模块化设计、面向拆卸、面向维修等先进的设计思想，分考虑人机工程因素。在绿色制造技术开发阶段，材料选择要遵循少用短缺稀有材料，减少用料种类，不用有毒害材料，优先选取可再生循环利用材料；结构设计尽量简单化、模块化、易拆卸，注重系列化，精简产品包装；改进优化工艺技术，简化加工流程、减少工序，减少切削加工过程中污染排放。合理地包装运输，科学简便地让操作者正确使用，也是起重机绿色设计的重要环节；最后，如何回收、处理报废的起重机更不可小视，它更是衡量起重机绿色度的重要指标。3.2起重机电气系统全寿命周期绿色设计。电气系统是起重机的神经中枢，控制着起重机的正常运行，全寿命周期的绿色设计则更要考虑到设计的模块化、操作的简便化、维修的快捷化等。可编程控制器的应用使起重机的控制技术和可靠性都迈上了一个新台阶。电控系统的模块化划分，使得设计、操作、维修、回收更加方便和人性化；作为隔离和转换器件的小体积、低功耗、高可靠性的光电耦合元件在本安型控制先导回路中的广泛应用，使得控制的安全性和可靠性具有更良好的效果。选用高质量基础元器件，减少电路设计缺陷、提高抗干扰能力、改善元器件和电控箱抗振性能，改进电控箱设计方法、完善制造工艺。对于起重机电控技术的未来发展趋势，电控系统不仅要能完成常规的控制，还具有遥控、程控功能。3.3起重机液压系统全寿命周期绿色设计。液压系统是起重机实现截割、行走、装运等功能的最主要部分，而液压系统的故障则主要来源于泄漏和液压元件的损坏，如何设计寿命长且环保的绿色液压系统是起重机液压系统设计的一个难点。因此必须遵循如下原则：开发使用环保型液压介质，解决液压工作介质抗污染能力；严格控制液压系统噪声；增加系统节能设计，最好选用变量泵系统；优化液压元件及管路联接，最大程度实现系统模块化设计。润滑系统和水系统作为起重机的一部分具有不可忽视的作用，是延长起重机使用寿命，改善工人劳动条件的具体措施，做好绿色设计工作同样十分重要。4总结总之，机械产品在整个生命周期中的每个环节中都可能带来污染，需要引起足够的重视。我国机械产品虽然在不断提高产品质量、技术水平，但是，效益较差、产品质量不高、国际市场竞争力弱等问题仍然相当突出，同时资源和原材料消耗较大，对环境的污染较严重，可持续发展能力不强。环境问题已成为国际社会关注的焦点和热点，保护环境已成为人们的共识。绿色设计作为一种新的设计方法将是21世纪机械产品设计的主要特点之一，谁能向市场提供绿色产品，谁就能在市场竞争中占有有利位置。总之，绿色产品的兴起是人类认识和解决环境问题的巨大进步，是商品生产的必然发展趋势，必将对人类未来的生存和发展产生深远影响。参考文献[1]薛培军，刘冬敏.基于机械产品绿色设计与开发策略研究[J].中州大学学报.2008(04)[2]黄海龙，曹新闻.浅谈“低碳”时代下机械产品的绿色化[J].装备制造技术.2011(05)[3]钟丹丹，余开朝.机械产品的绿色创新设计[J].机电产品开发与创新.2007(06)[4]高仲璟，陈作俊，王保松.基于全生命周期的机械产品绿色设计技术研究[J].科学之友.2011(10)[5]吴红.论机械设计中的绿色思维——绿色设计及其在机械设计中的运用[J].芜湖职业技术学院学报.2007(01)[6]赵红，常立.机械产品绿色设计关键技术研究[J].硅谷.2010(13)[7]曾庆根.机械产品的绿色设计技术[J].湖南环境生物职业技术学院学报.2006(03)[8]胡茶根，桂国庆，谢世坤，肖冠云.面向环境、能源和材料的绿色制造方法实施[J].煤矿机械.2007(03)[9]张秀棉，殷安琪.机电产品全生命周期的绿色设计[J].轻工机械.2004(01)[10]姜宇.浅谈机械产品的绿色设计理念[J].渭南师范学院学报.2005(S1)