机电产品绿色设计若干关键技术的研究

王珊珊

河北省机械科学研究设计院 河北石家庄 050051

1 机电产品绿色设计的原则

1.1 最小能耗和污染的原则

最低能耗原则包括两个方面。第一，从能源选择的角度出发，要尽量使用清洁、可再生的风能、太阳能能源，避免不可再生的化石能源的使用，缓解化石能源消耗引起的环境危机。第二，从设计的角度出发，力争在产品的整个生命周期中将能耗降至最低，确保设计时在产品的整个生命周期中最大化发挥所选资源的作用。同时，机电产品的绿色设计应贯彻“预防为主、治理为辅”的环保战略。因此，设计时必须充分考虑如何消除污染源，从根本上防止污染。

1.2 生态经济效益最佳原则

绿色设计不仅应考虑产品创造的经济利益，而且还应从可持续发展角度考虑产品开发、生产、应用中的环境行为对生态环境和社会的影响，及其带来的生态效益和社会效益的丧失。换句话说，绿色产品的生产者不仅应获得良好的环境效益，而且还应获得良好的经济效益，即最佳的生态和经济效益。

2 机电产品绿色设计内容

根据生产和使用机电产品的市场需求，要求产品的绿色设计必须满足以下三个部分：机电产品在生命周期中对环境无污染，对人体无伤害；机电产品的结构和功能在满足生产需求的同时要做到能耗最小；机电产品在淘汰时必须是可回收的，并且可以翻新或重复使用。根据具体情况，如果不能翻新或重复使用，则需要一种安全的回收方法。可以看出，机电产品的绿色设计需要包括以下内容：

2.1 机电绿色产品的描述和建模

建立机电产品的设计模型，根据机电产品的特性优化设计，测量每个属性元素，提出重量、材料消耗、体积等评估标准，并使用模糊评估来评估机电产品绿色设计的程度。

2.2 材料选择

材料选择是绿色设计必不可少的部分。这是产品开发过程中最早也是最重要的设计决策，也是减少产品对环境影响的重要手段。因此，绿色设计要求设计师改变传统的选择程序和步骤，要选择降低能耗、环境协调性好、污染少、环保的绿色材料，且要满足产品报废后易于回收、再利用或降解等条件。

2.3 产品的可拆卸、可回收设计

由于现代机电产品的设计材料不同，机电产品每个组件的生命周期也会有所不同。如果不可拆卸替换，则会造成浪费。因此，机电产品部件可以设计为可拆卸的结构，从而可以回收并更换高度磨损的部件，以避免浪费。

3 机电产品绿色设计的关键技术

3.1 材料设计

在选择绿色机电产品的材料时，应遵循以下几点：①使用易于加工和制造的材料，以减少零件加工的难度和报废率，并降低能耗；②尽量减少所用材料的种类，尤其是稀有和昂贵的原材料；③优先使用便于回收或再利用的材料。

3.2 制造工艺

干切割技术作为对传统湿切割生产方法的重大改革，是指在加工过程中不使用或少量使用切削液，并且控制环境污染源以使生产过程清洁环保的制造工艺。干式切割技术无需使用切削液即可进行。切削液的传统排屑、冷却和润滑功能已被工具设计和制造等方法逐渐取代，不仅使系统结构得以简化，降低了生产成本，同时切屑更加清洁干净，便于回收利用和加工。干切割已成为绿色制造技术研究的热点，并已成功地应用于实际加工中。

3.3 微机电技术

微机电的关键技术是微加工技术。微加工是指加工规模在微米范围内的加工方法。具有体积小、精度高、重量轻、能耗低、效率高的优点。适用于机电工业中产品的批量生产，可以降低生产成本，减少环境污染。

3.4 模块化设计

模块化设计可以实现功能与结构的集成，也是一种标准化的设计。模块化和标准化的设计为机电产品的快速升级和产品质量的提高提供了必要的条件，以方便维护，并在产品磨损后便于产品的拆卸和回收。因此，在机电产品的设计中应尽可能使用模块化和标准化的组件。例如，在模具设计中，由于模具通常以多个品种、单个零件或小批量生产，因此标准的模具底座和标准零件解决了产品品种和规格、设计和制造周期以及生产成本之间的矛盾，为标准零件的重复使用提供了保证。

3.5 面向环境的设计方法

面向环境的设计方法是世界环保潮流中诞生的一种新产品设计理念，其强调从根本上防止污染、节约资源和能源，关键在于设计和制造，而不是等产生不利的环境后果之后再治理，应积极采取预防措施。因此，必须在制造之前就采取措施防止产品对环境的负面影响。该技术涵盖了以下方面：①绿色产品评估体系和方法研究；②绿色产品集成设计的理论与方法研究；③建立适用于规范和量化绿色产品设计的环境指标；④建立绿色产品设计的材料和数据库；⑤建立以回收为导向的产品拆卸设计与评价指标体系；⑥可拆卸结构的模块化划分和接口设计；⑦可回收的零件和材料识别和分类系统；⑧开发特定产品的系统设计工具平台。

3.6 面向能源的设计

面向能源的设计技术指优化能源供应驱动方式，对能源回收和再利用的有效性进行经济分析和优化。各种能量的消耗最终以热量消耗的形式排出。采用传热理论，并采用热管、热泵、储热相变材料等技术手段进行产品设计，有效回收余热，提高其他环节的回用质量。研究的主要内容包括：①能源供应形式与回收转化形式的一致性和效率；②明确合理使用、分配和储存回收能源的设计。

4 结语

绿色设计的实质是产品对人和环境的友好性，对于机电产品，这种友好性主要体现在产品的高效率、实用性上。高效是指材料和能源的利用率高、危害小，这意味着更少的环境排放，更少的浪费和更少的危害。实用性是指便于使用、安全、有益于健康并符合人体工学要求的产品。作为一种新的设计方法，绿色设计将成为21世纪机电产品设计的主要特征之一，必将对人类的未来生存和发展产生深远的影响。