机械设计环保节能基本原理分析与应用

2019-05-11周万鸿

世界有色金属 2019年4期

周万鸿

（金川集团股份有限公司，甘肃金昌 737100）

如今，在能源危机与环保不断推动下，节能环保成为各地区人员关注的焦点和研究的重点课题，尤其是在各种先进技术发展创造的便利条件下，使得节能环保技术也得到迅速发展。然而，虽然节能产品的技术水平得到很大程度的提高，但某些大功率机械仍然有不节能情况发生。因此，需要掌握机械设计过程中必须严格遵循的节能环保原则。

1 机械设计环保节能基本原理

机械设备环保节能将以势能为基础的节能、以动能为基础的节能、通过降低其它方面输出功率实现节能、减少无用功率、以功率平衡为基础的多种措施结合到一起，这些不同措施的原理构成了机械设计节能及环保的基本原理[1]。

对机械系统进行设计时，将系统的势能及动能作为常量，或促使其处在允许范围内；将输出消耗功能及无用功率都限制在相对较小的范围内；对势能、动能的变化率、其它输出消耗及无用功率进行严格控制；如果机器导致输入功率处在相对较大的变化范围，需要配置一个能和输入功率保持相同周期的新装置，使合成后形成的函数幅度处在相对较小的变化范围，也可配置具有能量储存及转换功能的新系统，则可以使系统保持在相对较低的功率水平，最终使有限的能量得以最大限度的应用。

导致机器装置实际输入功率变高或功率未得到最大限度利用的主要原因包括：在相对较短的时间范围内，系统的势能与动能、其它输出及无用功率等都处在相对较大的变化范围。另外，机器处于循环工作时，减速过程中系统的势能及动能未能充分转化及储存，导致功率无法被完全利用，最终造成一定程度的资源浪费，同时还会造成环境污染现象[2]。

2 机械设计环保节能基本原理具体应用

2.1 主要应用范围

这一基本原理主要是将质点系动能作为核心通过微分得出的，与很多不同的领域都有关系，所以它可以在每个由质点系构成的对象中使用。基于此，这一基本原理能应用在产品设计或其它学科当中，应用范围较广。

2.2 工程设计对原理的应用

2.2.1 升降机械设计

和其它类型的机械设备相比，升降机械功率消耗为人与货物总重处于匀速运动时的平均消耗功率。通过以往的实践可知，当以恒定且相同的速度对质量一致的重物进行提升时，根据现行电梯标准通过计算确定的曳引驱动系统，其消耗总功率小于目前普遍使用的卷扬机驱动系统。

如果能将系统的势能作为一种常量，或将其控制在尽可能小的变化范围内，以此进行升降机械或者是电梯的设计，则能得到使升降机械或电梯实现平衡的设计方案。对于平衡升降机械，若将提升重物质量表示为Q（t），将重量保持不变的配重表示为P，将重物卷筒半径表示为r1，将配重卷筒半径表示为r2，当系统此时的势能是一个常量时，则有以下关系式：

式（1）中，虽然Q（t）是一个变量，但可通过对自动变速系统的应用来实现传动比的调节，使系统势能仍然保持为一个常量[3]。

对于平衡电梯，若将电梯轿厢及水箱重量和乘客数量变化质量表示为Q（t），将电梯配重及水箱的重量表示为P（t），将导向轮和曳引轮的半径表示为r，则在平衡电梯实际运行过程中，如果进入电梯轿厢中的乘客质量为q1，则下水箱会立即向配重下水箱输入相同质量的水。

当电梯处于空载状态时，电梯轿厢及水箱重量和乘客数量变化质量和电梯配重及水箱的重量相等，而在正常运行时，电梯轿厢及水箱重量和乘客数量变化质量是乘客质量与电梯质量的和减去进入到配重的水的质量，此时代入已知的数值即可确定进入到配重下水箱当中的水的质量大小。

通过对不同升降机械的分析和对比，可知平衡升降机械与电梯消耗的功率少于曳引驱动系统。此外，还发现，对于卷扬驱动系统，其势能处于最大的变化范围当中，而曳引驱动系统的势能则能保持在相对较小的变化范围当中，平衡升降机械与电梯势能都是一个常量。可见，如果系统的势能可以变成一个常量，则能发挥显著的节能效果[4]。

2.2.2 大型冲压机设计

因大型冲压机所用冲击轮具有非圆形的特征，所以它的势能往往以周期函数形式体现，并且处在很大的变化范围当中。

基于此，要实现节能和环保目标，尽可以使势能处在最小的变化范围当中，无法使势能变成一个常量。根据由多个势能组成的势能处在最小的变化范围内的基本条件，冲压轮势能需要符合的要求，通过理论计算及作图可知，若要使势能处于最小的变化范围内，小参数夹角必须是一个平衡角。通过对势能在最大和最小两个变化范围的功能对比，发现势能在最小的变化范围内时，其功率远小于处于最大的范围内，所以这一原理的应用是切实有效的[5]。

2.2.3 加工设备设计

为对牛头刨床运行时因机构产生的速度波动进行有效调节，一般会在设备中额外设计一个具有很大惯量的飞轮结构，以此把不均匀系数控制在要求的范围之内，使机械设备的运转能够保持稳定。如果除了要控制不均匀系数，还要降低输入功率，则需要以基本原理为依据，对刨床实际消耗的动能及输出实际变化率进行叠加合成，确定为何在设备中额外设计一个具有很大惯量的飞轮结构的具体原因。根据以上基本原理，在现有的设备中增加一个刨床，使它的初相位和现有装置保持180°的相差。对这两种功率图实施分析与对比，根据平衡理论通过设计得到的刨床，其最最大功率和原刨床没有太大的差异，但在功效上却能达到原刨床至少两倍。因此，功效的提高就意味着达到相同加工目的所需时间和能源的减少，实现降低输入功率等根本目标。