节能设计理念在机械制造及自动化应用中的渗透研究

2020-01-20鲁璐

中国设备工程 2020年9期

鲁璐

（南阳理工学院机械与汽车工程学院，河南南阳 473004）

以发动机以及电机驱动的机械设备制造推动现代工业的发展，并且随着设备功能的快速演进，集成了微电子、通信等技术的机械设备被应用到绝大部分的生产生活场景，使其不再是简单的动力输出装置以及体力劳动替代者，而是成为形式和功能多样、操控简便，可以按照设定程序自动化运行乃至具备自主决策能力的设备。但机械设备所有功能的实现都需要保障其能源供应，而且设备本身的制造过程涉及能源与资源的大规模消耗。

1 机械制造行业发展历程及趋势

（1）机械制造理念的演进。机械设备在人们的生产活动中历来是提高工作效率、完成人力无法实现的目标的关键，而内燃机等动力输出装置的发明赋予了机械设备更加强大的动力。而将电子、电力技术应用于机械制造，不仅让设备的性能有了质的变化，而且改变了传统的工业生产方式，让机械设备具备自动化控制的功能，使设备的操作基于生产工艺要求进行比较精确的启停操作，便捷地调整其运行速度和工艺参数。20 世纪末，信息技术的应用使机械制造理念再次产生质变，运用智能化控制以及无线通信等技术的机械设备操控更为简便和灵活。而工业互联网理念的提出则正在推动着后工业时代机械制造、工业生产领域的又一次革命。但在这一进程中，鉴于资源环境状况的持续劣化以及工业生产需求的增势不减，使节能设计理念的应用尤为关键。

（2）机械制造与自动控制技术的发展趋势。目前，机械制造行业的产品研发和生产对自动化技术的依赖性越来越高，无论是设计环节还是生产阶段，都涉及计算机软硬件以及相关科技成果的创新应用。首先，在现代机械制造行业的产品研发与设计工作中，要想满足各个生产领域对机械装备性能日新月异的要求，必须准确了解市场需求并进行产品的优化设计。而机械设备各个系统的集成化、模块化设计理念则是满足市场需求的基础，一方面，通过对自动控制技术的优化利用实现对设备传动系统、动力装置以及控制系统的集成化制造，提高产品的生产效率以及使用性能；另一方面，又能基于模块化设计理念实现设备结构与加工工艺设计、生产技术人员的高效协同，压缩新产品的研发与制造周期。其次，在自动化技术的应用方面，机械制造企业不仅需要利用人工智能等技术提升产品性能，更要在产品的设计、加工工艺设计等环节引进虚拟制造等理念，节约产品的研发成本并优化节能技术的应用。

2 机械制造关键技术与节能设计理念的联系

机械设备自身性能、加工工艺以及材料的使用均与节能理念存在直接联系，在任一环节合理运用新技术或者创新设计理念都能达到节能目标，并对设备的制造、使用能耗产生深刻影响。因此，探究现代机械制造行业的关键技术与节能设计理念之间的关系可以找到后者的应用途径并将其付诸实践。

（1）自动控制技术。自动控制技术在现代机械制造领域的应用价值不仅在于丰富产品功能和提升其运行效率，而是成为优化生产工艺流程、节约驱动生产设备以及辅助设备运行动能的关键。因此，自动控制技术的合理运用对机械制造企业实现节能目标有极其重要的意义，也决定了产品使用方生产活动中的能耗水平。首先，自动化技术使机械设备的运行过程可以基于编程精准控制，根据产品加工需要自动化的调节工艺参数，提升生产质量，并在没有人为干预的情况下完成所有加工流程。其次，自动化控制技术赋予了机械设备乃至生产线自动化运行的功能，集成化的控制以及生产管理系统能准确调节所有机电设备的运行工况，自行检测负荷变化并做出最优化决策，从而降低单位产能下的总体能耗。

（2）机械制造原材料的研发和应用。工业生产原材料的研发对资源环境保护具有多重意义，而机械制造所用材料不仅涉及自然资源的优化利用，还会通过设备的性能改进、影响下游产业链的工艺创新达到节能目的。首先，机械制造行业生产使用的金属及非金属材料直接影响设备的性能。例如，传动部件的材料决定了设备运行工况的稳定性和能量损耗大小，而具有优良工艺性能以及力学、物理学性能的材料则有助于降低摩擦力、提升设备使用寿命，从而减少设备运行过程中的能量损耗并提升其产能。其次，基于可循环利用或者低能耗水平新材料的利用也能有效降低机械制造以及设备使用领域的能耗。

（3）信息技术在机械制造中的应用。无线通信以及人工智能等现代信息技术的快速演进和应用改变了所有领域的生产和管理理念，在优化资源配置以及动态控制生产过程、实时优化各类组织计划方面体现出空前的优势。

首先，基于信息技术可以优化机械制造业的产品研发过程，运用计算机软件进行零部件的受力分析、模拟设备零件加工以及组装过程，既可以简化产品的设计流程并且压缩其研发周期，还可以免去试生产以及反复评估和调试的过程，节省生产材料、能源以及优化企业的资源配置。

其次，在互联网、无线通信以及自动控制等技术联合应用的背景下，能对机械制造过程进行动态的监测并实现过程控制，让原材料供应、半成品质量检测以及工艺参数调节等环节全部自动化完成。而在此基础上，不仅机电设备的有功功率可以始终保持最优化，减少中间环节的人力资源需求，还可以基于动态的智能化控制减少生产原料的耗费。

3 节能设计理念应用策略

（1）产品结构设计与功能优化。作为生产领域能量转换的核心，机械设备的构造形式决定了能源的利用率，也对资源的合理利用产生了深远影响。因此，节能设计理念应用必须从优化机械设备的构造和功能入手，基于降低设备能耗以及提高资源利用率的视角审视设计方案的合理性。首先，鉴于电机等动力设备完成能量转化并驱动机械设备运行，因此，应根据设备的功能设计构想以及应用场景特点确定电机或燃油发动机的类型以及优化其额定参数的选择。其次，在设备传动、自动控制等系统的设计过程中，应首选能量损耗小、可靠性高的技术方案。例如，在技术条件允许的前提下优先选择气压传动而非液压传动系统，为设备配置完善的故障自检、诊断功能的控制系统等，达到节能、提升机械设备性能以及减少污染源的多重目的。

（2）机械设备的加工工艺。在结构日渐复杂和精密的机械设备生产工艺流程中，能源以及生产资源的消耗形式也多种多样，除了成功转化为产品加工动能和被加工成设备零部件的部分，其他能量和材料等资源以多种形态、通过多个生产环节和渠道被耗费和排放到环境中，包括直接的热量散失、振动等机械能损耗以及废弃物等。所以，基于节能设计理念、运用自动化技术优化机械制造领域的加工工艺，能有效控制能量和资源的损耗。首先，运用当前广为应用的数控加工技术能精确控制零部件加工过程中的温度、切削量等参数，从而基于对设备自身工况的精确控制达到节能目标，并且可以简化工艺流程并减少设备生产过程的能耗，节约零部件的加工材料。其次，基于技术创新改进生产过程中的冷却、表面处理等工艺，可以直接减少热能损失并改进设备性能，提高零部件的耐久性与可靠性。例如，采用风冷技术替代传统的冷却工艺能降低冷却液的消耗并减少废液排放。

（3）新材料的研发与使用。材料性能对机械设备的节能效果有决定性影响，因此，着重研发与应用各类功能性材料并提升可循环利用材料的比例，都是体现节能设计理念很好的方式。基于对力学等性能突出的功能性材料的利用，可以满足设备使用功能要求的前提下缩小零部件的体积，减少其材料用量的同时，提高设备运行的可靠性。例如，在轴承、密封件等关键零配件的加工和选用方面使用具有卓越的耐磨、耐腐蚀等性能的新兴材料，可以达到节能和改进设备使用性能的目的。而在机械制造中优先选用绿色制造工艺生产的材料，则可以推动产业链的优化，并在更广阔的范围内产生积极的节能作用。