节能减排在机械设计中的应用

朱姗

摘 要：随着我国社会不断进步，对能源短缺以及环境污染等问题的重视程度不断提升，想要更好地促进我国社会可持续建设发展，必须要加大节能减排力度。在当前节能减排政策号召之下，我国工程机械设计开始积极与节能减排理念进行融合，这也使得机械设计行业的发展进入到了一个新的阶段。基于此，该文也尝试对节能减排在机械设计中的应用情况进行了分析。

关键词：节能减排  机械设计  应用路径  应用

中图分类号：TU7文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2022）01（b）-0000-00

Application of Energy Saving and Emission Reduction in Mechanical Design

ZHU Shan

（Energy Work Service Center of Tancheng County Development and Reform Bureau， Linyi， Shandong Province， 276199 China）

Abstract： With the continuous progress of China's society， the importance of energy shortage and environmental pollution and other issues has been increasing. If we want to better promote the sustainable construction and development of our society， we must strengthen energy conservation and emission reduction. Under the call of the current energy conservation and emission reduction policy， China's construction machinery design has begun to actively integrate with the concept of energy conservation and emission reduction， which also makes the development of machinery design industry enter a new stage. Based on this， this paper also attempts to analyze the application of energy conservation and emission reduction in mechanical design.

Key Words： Energy saving and emission reduction; Mechanical design; Application path; Application

现阶段全球能源消耗以及环境污染问题日益严重，世界各国都开始积极开展机械节能减排工作，这也使得机械设备的能源消耗得到了有效控制。目前来看，我国在工程机械减排以及降耗方面的重视程度不断提升，并且开始加大节能减排研发力度，在此方面的理念创新以及技术创新体系规范化程度不断提升，但整体来看，我国在机械设计节能减排理念落实发展方面仍处于成长阶段，尚且没有形成与之相配套的产业体系。并且，相关科研人员在对节能减排新技术进行探索时，大多是围绕着机械元件性能提升等方面，其研究方向往往较为单一，对能源排放的控制效果并不明显，虽然对很多元件进行了优化处理，但是往往不足以解决当前机械运行过程中的高能耗以及高污染等问题。由此看出，我国今后还应该进一步加强对节能减排在机械设计中应用的研究力度。

1机械设计节能减排技术的主要原理分析

任何机械设备的运动都要遵循牛顿力学定律，想要实现对机械节能效果的有效提升，应该注意以能量守恒理论为基础，保证能量的投入可以实现对设备运动效果的有效优化。在机械设备运动过程中，往往各设备以及组件之间会涉及到多种类型的能量互相转化，一些时候，势能与动能之间往往不能够实现完全转化，这也导致了能量转化具有动态性的特点，因此很容易造成能量损耗，从而致使能量过度消耗的情况经常出现[1]。而通过强化机械节能减排设计的方式，可以实现对机械设备运动过程中势能波动的有效控制，保证企业始终处在合理范围内，从而使得势能与动能之间的转化更为完全。在机械设备正式运行的过程中，动能是保证其动力的源泉，由于一部分机械设备结构庞大，并且内部结构较为复杂，即运行过程中需要多个组件互相配合，这也使得其在能量转化过程中，很容易产生能量过度消耗现象。今后，想要有效减少能量转化不完全的情况发生，应该注意在机械设计过程中着重减小设备构件之间存在的摩擦力，从而使机械设备的节能减排效果得到保证[2]。

2节能减排在机械设计中的具体应用分析

2.1改善动力源

对于机械工程来说，内燃机是其最为主要的动力源泉，当前来看，世界范围内对于此项技术的研究正在不断深入，尤其对于一些西方发达国家来说，其已经取得了较为完善的成果体系。当前，内燃机传动控制方面的研究重心转向为混合动力技術以及燃料电池技术，这两项技术在世界范围内有广泛应用，而对于我国来说，科学技术水平不断提升，对于内燃机传动装置的研究也已经进入到了一个新的阶段，尤其在内燃机混合动力研发方面，实现了对油电混合动力以及油液混合动力的双向分析。其中，油电混合的优势主要体现为能量密度较高，通常会考虑将其应用到小型汽车中，其在实际应用的过程中发挥出了较为理想的效果，使得小型汽车的整体节能性得到了明显优化。但与此同时，此种技术的应用也体现出了一些弊端，主要表现为环境污染问题较为突出，因此不适合将其应用在一些频繁启停的工程机械中[3]。相比较而言，油液混合动力技术的优势则更为明显，其主要体现为环境适应能力较强、对环境污染程度不高、造价成本低廉等几个方面，目前来看，此项技术在我国大型化工厂以及机械加工厂中有较为广泛的应用，并且其依然具备广阔的发展空间。想要实现对机械设备动力源的有效改善，应该注意运用储能器与电池组合的方式作为混合动力系统的储能元件。在进行电能与液压能转化的过程中，往往会出现一定的能量损失，今后应该注意对这一损失进行有效控制，这就需要加大对储能元件以及能量转化元件的研究力度，积极引进先进的技术理念。目前来看，美国在此方面的研究处于世界领先地位，其在进行电能与液压能转化的时候，可以有效节约40%左右的发动机燃油。而德国亚琛工业大学则研究出了一种适用于挖掘机负载敏感系统的混合动力液压系统，这一系统的应用可以有效减小发动机以及泵的体积，从而实现了节能减排[4]。

2.2改善匹配与控制系统

目前来看，改善以往的匹配以及控制系统已经成为了机械工程行业内部所关注的重点，由于在很多时候工程机械的工作环境较差，并且机械设备的负载较大，想要保证柴油机在运行过程中不会出现熄火情况，并且始终保持较高的功率输出，则对功率匹配提出了更高要求。而对于系统控制来说，其主要是对传动型系统进行针对性控制，目的性强，省去了诸多中间环节，这也使得系统运转的开展取得良好效果，进而提升液压系统与发动机设备的匹配程度[5]。但是，现阶段我国在此方面并没有规范的指标体系，这也使得发动机以及油品的配置缺乏具体依据，很难保证系统运转的高效性以及安全性。今后，应该注意将液压系统以及发动机设备的功能性进行不断完善，并且提升二者之间的契合程度，从而对原有工程机械匹配与控制系统进行逐渐优化，保证燃油价值得到有效发挥，彻底改变工程机械运行过程中的“冒黑烟”现象[6]。

2.3再制造技术

再制造技术是节能减排理念在机械设计中的重要体现，其主要是指报废的产品经过一系列加工修复之后产生与原有产品一致品质。通过对再造技术的有效应用可以实现高价值零部件的修复，而表面修复技术则是在制造技术的核心组成部分。目前来看，我国工程机械中所应用到的再制造技术可以实现在原有制造成本的基础上降低50%左右，并且其能量消耗降低40%左右，其具有较为理想的节能减排效果。美国、日本等发达国家在再制造产业方面的起步时间较早，其发展较为迅速，早在20世纪30年代初期便开始践行再制造发展道路。例如，1932年美国的福特公司创造了第一个再制造企业，提升了再制造产品的规模以及制造过程规范化程度[7]。而与发达国家相比较，我国的再制造技术发展时间相对较晚，由于我国工程机械行业内部所涉及到的相关机械设备价格较为便宜，并且人工费用较低，这也使得再制造产业成本动力不足。随着我国有关在制造产业政策的不断出台以及完善，夏工、广西玉柴以及徐工等多个大型机械化工企业都开始积极发展再制造产业，其在此方面的资金投入、人力资源投入力度也在不断加大，使得我国再制造产业体系不断趋于完善。但与此同时我们发现，在21世纪的今天，我国再制造产业的发展依然面临着诸多挑战，例如缺少完整的、成熟的应用标准支持，再加上当前还有少数企业处于在制造技术试点阶段，难以推广到整个企业运行中。并且，部分业内人士往往对再制造技术的认知较为浅显，自身再制造意识不强，这也使得一部分大型工程机械设备出现了荒废搁置的情况[8]。因此，今后应该注意尽快出台相应的再制造产品税收减免政策，进一步推行更为完善的产品再制造工艺流程，从而使得机械生产效益得到保证，进而促进企业整体发展。

3未来工程机械节能减排轻量化设计展望

对于传统的工程机械结构来说，在实际展开设计过程中，应该注意对产品自重问题进行针对性解决，通过这种方式来实现对其能耗情况的进一步控制。例如，装卸机铲斗在作业中发挥出了重要作用，其在作业过程中受到阻力仅仅由铲斗结构进行抵消，往往很难发挥出理想效果，并且还要承受自身重力及物料重力，很多设计人员在对这一结构进行设计时，往往没能够充分考虑到作业阻力、插入角度阻力、自重所产生的阻力等，这也使得装载机铲斗结构在作业过程中无法发挥出理想效果。很多设计人员都应用前苏联的经验公式法来确定当前装载机所需要的最大牵引力，这种方法需要修正的系数较多，并且与物料种类、物料形状以及铲斗宽度等多项指标信息有直接关系，这也使得装载机铲斗很难实现有效的节能减排设计。因此，今后再进行类似工程机械装置设计时，应该借助离散元素法来对作业物料以及物料之间所产生的相互作用力进行深入分析，以此为基础确定装置作业阻力以及装饰荷载情况。同时，还应该应用有限元方法，将作业过程中所产生的阻力精准施加到节点上，从而保证各零部件在工作状态下所受外力较为均匀。并且，还应该通过材料选择优化的方式来促进其结构轻量化设计工作的有效开展，这也是降低大型机械结构的关键手段，保证其节能减排效果[9-10]。

4结语

总而言之，现阶段我国能源消耗以及环境污染情况日益严重，正面临着能源枯竭的发展窘境，在这样的时代背景之下，将节能减排理念全面融入工程机械设计中非常重要，是促进我国工程机械行业以及社会整体可持续发展的关键路径之一。今后，应该注意将节能减排理念以及技术应用到工程机械设计中，使其与机械设计各个关键点进行有效融合，积极发掘当前机械节能减排核心技术尚且存在的不足之处。同时，还应该进一步落实轻量化设计理念，从而减小工程机械作业阻力，这也有利于对工程材料、能源成本进行有效控制，是促进工程机械行业健康发展的关键。

参考文献

[1]       淡乾川.节能设计理念在机械制造自动化中的应用简析[J].文存阅刊，2021，14（17）：165.

[2]       张全国.节能降耗在机械设计加工中的应用[J]. 南方农机，2019，50（23）：125.

[3]       杨丽华.节能设计理念在机械制造及自动化应用中的渗透[J].时代农机，2017，44（11）：14，35.

[4]       刘伟成.浅谈节能設计理念在机械制造与自动化中的应用[J].建筑工程技术与设计，2018，14（19）：4136.

[5]       黄庆流.电气自动化技术在装卸机械节能减排中的应用探析[J].建筑工程技术与设计，2018，5（27）：3312.

[6]       谢永忠.浅析节能设计理念在机械制造与自动化中的应用[J].建筑工程技术与设计，2018，17（35）：834.

[7]       仇启龙.浅谈节能降耗在机械设计加工中的应用[J].科技与创新，2017，4（23）：145-146.

[8]       吴芳.浅谈节能设计理念在机械制造与自动化中的应用[J].山东工业技术，2018，28（10）：70.

[9]  王凯.考虑磁性能和机械强度的同心式磁齿轮调制环优化设计[D].北京：华北电力大学（北京），2021.

[10]      朱弟发.协作机械臂一体化力矩传感器优化设计研究[D].长春：中国科学院大学（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所），2021.