机械制造及自动化中的节能高效设计理念

陈 军 吉顺林

（中传重型机床有限公司，南京 210000）



机械制造及自动化中的节能高效设计理念

陈 军 吉顺林

（中传重型机床有限公司，南京 210000）

摘 要：改革开放后，我国经济形势逐年好转，并保持着较快的增长速度。机械制造业作为国民经济支柱产业，也迅速地发展起来。当前，高消耗和低效率问题在制造业发展中尤为突出。因此，节能高效设计理念将是推动机械制造业降低成本、提高生产效率和实现工业社会高速发展的一项有效途径。本文就机械制造及自动化过程中的节能高效理念进行详细说明，以期为节约能源及成本和提高生产效率提供一些具有建设性的意见和建议。

关键词：机械制造 自动化 节能高效

1 机械制造业发展概况

随着社会的进步和科学技术的不断发展，人们的生产方式发生了日新月异的变化。从最开始的手工作业，发展为牲畜和生产工具结合，直到蒸汽机的改良，人类进入机械化工业生产，大大加快了生产速率，提高了产品质量，降低了生产的平均成本，人们的生活水平由此得到提升。机械制造方式由最初的人工控制机械逐渐发展为机械的自动化，先后实现了机械的自动诊断、自动检测、自动修复。机械制造的自动化发展，降低了可能给操作人员带来人身危险的概率，提高了生产速率，加快了生产周期，实现了量化生产，降低了生产成本，也同时带动了经济的迅速发展。

然而，在机械制造高速发展的现代工业中，仍然存在一些高耗能、高成本和低效率的结构和产品。相较于发达国家，我国机械制造业起步较晚，自动化程度仍处在低级水平。技术水平的落后，导致我们需要花费高成本获取低价值产品。在工业4.0的浪潮下，我们可以随大势不断优化设计思路，强化产品质量，提高产品生产效率，降低产品生产成本。

2 节能高效理念在机械制造及自动化中的应用

节能高效设计主现应用于对产品的结构优化设计，以减少产品部件不需要的部分或材料，对可使用资源的循环利用，以及有效减少人工的繁琐作业，以期在低成本情况下提高生产率，避免一些不必要的工作。作为机械设计人员，可将节能高效设计理念引入到实际生产设计过程中，充分应用低成本、高效率的设计思想，提高国家的工业产值，缩短我国工业与国外发达国家的差距。

（1）机械结构的优化设计。对于机械设计人员来说，首要的节能高效理念应该灌注在设计产品的最开端，也就是产品的结构优化。一个好的结构可以有效提高产品的整体质量。机械结构的优化，主要体现在以下五个方面。

一是选择使用节能高效型的电机。电机是一个机械的动力源，是多数机械产品的核心部件，同时也是机械产品耗能最大的部件。因此，进行机械设计时应当优先选择低能耗、高效率的电机。当前，在普通机床上驱动移置导轨的Y系列电机均已被淘汰，由于其高能耗、低效率，如CK516的横梁升降电机Y90L-6，其1.1kW的效率为72%。但是，在《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》中规定，其不低于2级能效，即效率不小于81%，故此被淘汰。所以，设计中应避免选用淘汰电机。

二是优化进给系统的动态响应，有效减少无用功的时间，提高系统稳定性。设计伺服系统时，设计者应尽量提高移动件的加速度。在电机选定的情况下，电机的最大输出扭矩M也随之固定。以一级减速机构为例，此时可以将负载轴角加速度α2与负载转动惯量JL、驱动轴转动惯量JM和一级降速比i联系起来

由此可以得到负载轴角加速度α2关于降速比i的函数，从而可以画出函数曲线。至此，可以轻松得出其负载轴角加速度α2在降速比i的某个值下收敛，从而得到系统最佳响应速度。在高速精密设备中，其响应速度对其生产效率不容忽视。

三是优化零部件内部结构。产品零部件的不同结构，产生完全不同的机械性能。在保证机械性能的前提下，设计者可以对零件的内部结构进行优化设计，从而强化零件性能，减少零件重量。在机床的主要大型铸件设计中，在保证刚度的情况下，需对其结构进行优化。图1即为零部件的优化流程。例如，横梁的截面优化。不同的截面所形成的刚度是不同的，故需在人和软件的综合分析下选择最佳结构。

图1 零部件的优化流程

四是优化系统的控制方式。在机械制造领域，系统的控制方式主要采用液压控制系统。然而，现实中它会存在以下缺陷：传动介质易泄漏，污染环境；能量传递过程中泄漏的存在，使得传动效率低；流体传动装置不宜在高温下工作；流体控制元件制造精度高，以至成本过高，等等。因此，机械设计过程中，可以结合气压控制系统的优点：空气可以从大气中取之不竭；无介质成本；泄漏不会污染环境等等，设计采用液压、气动相结合的控制系统。

五是防漏和自动回收设计。众所周知，机械设备使用过程中存在不可避免的漏油现象，进而造成原料浪费。因此，机械设计时可考虑减少或避免漏油现象的发生。例如，在数控立式车床中，当其X轴采用静压导轨时，导轨侧的液压油飞溅导致液压油不断渗出，液压油的渗出会让周围环境以及机床整体被污损。此时，可采用在横梁导轨防护罩内部作引流结构，使飞溅出的液压油再次被引导回接油盒，延长液压油的使用周期，有效提高设计能效，降低成本。再如，铁屑、边角料等废料需要人工清扫，既降低了生产效率，也增加了人工成本。所以，在设计排屑结构时，计算废料在斜面上的自锁角，尽量增加排屑斜度，使废料可以由自重自行滑落至排屑器。

（2）机械设计制造过程中材料的节能设计。材料的选择是机械零件设计中非常重要的组成部分。随着工程实际对机械以及零件要求的提高，以及材料科学的不断发展，机械设计制造过程中材料的节能设计越来越成为提高零件质量、降低成本的重要手段。例如，机械设计过程中，当用廉价的材料能满足使用要求时，就不应选用价格高的材料，这对批量生产制造可以大大减少成本；对一些需要经常更换的设备零件，设计过程中可以选择可回收、可拆卸的生产材料，以有效提高机械制造材料的循环使用率，减少机械制造过程中材料的浪费，节约生产资源；设计时采用无切屑或少切屑毛坯，如精铸、冷拉毛坯等，可以提高材料的利用率，降低生产成本；此外，设计过程中采用材料组合结构，可以提高材料使用率，如火车车轮是在一般材料的轮芯外部热套上一个硬度高且耐磨损的轮箍。综上所述，机械设计过程中，合理选用材料，可以降低机械产品的能耗，节约成本，达到节能的目的。

（3）机械设计的虚拟化。进入互联网发展阶段，需要将互联的思想运用到机械设计和制造过程中，其中运用计算机进行虚拟设计就是未来发展的一个方向。通过大型CAD/CAE/CAM软件，如AutoCAD、SolidWorks等，可以完成从图纸到生产全过程的模拟仿真；通过各种分析软件如Abaqus、ANASY等，可以对产品进行强度、刚度等的预判断，并进行结构优化。设计中，计算机模拟制造能够在生产前简洁明了地对产品的结构、动作以及质量分布进行分析，同时对其进行修正，直到达到要求，从而大大减少了生产过程中的次品率，有效提高了设计效率，降低了不必要的花费。

3 结语

综上所述，随着我国技术水平在制造行业主要方面和细节方面的不断研究进步，将会加速缩小我国与制造强国之间的差距，从而带动各行各业的前进。因此，要将节能高效的理念应用到机械制造与自动化领域中，使之乘着新一轮工业革命的春风，实现我国机械行业的快速发展。

参考文献

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Analysis of Energy Saving and High Efficiency Design in Mechanical Manufacturing and Automation

CHEN Jun，JI Shunlin
（China Heavy Duty Machine Tool Co.， Ltd.， Nanjing 210000）

Abstract:After the reform and opening up， China's economic situation has improved year by year， and m aintain a rapid growth rate. Machinery manufacturing industry as a pillar industry of the national economy， has also developed rapidly. At pres ent， the problem of high consumption and low efficiency in the development of the manufacturing industry is particularly prominent. Therefore，energy saving and high efficiency des ign concept will be an effective way to promote the mechanical manufacturing industry to reduce costs， improve production efficiency and realize the rapid development of industrial society. In this paper， the concept of energy saving and high efficiency in the process of mechanical manufacturing and automation is explained in detail in order to provide some constructive suggestions and opinions for saving energy and cost and improving production efficiency.

Key words:mechanical manufacturing， automation， energy saving and high efficiency