淺析機械設計節能基本原理的分析與應用

楊增光（河北遠東通信系統工程有限公司，石家莊　050200）

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淺析機械設計節能基本原理的分析與應用

楊增光
（河北遠東通信系統工程有限公司，石家莊050200）

摘要：在機械設備的設計過程中，一定要遵循節能原則，充分改變機械系統的動能輸出及勢能變化，盡量減小機械的無用功，充分利用機械功率，以達到節能的目的。本文著重分析機械設計過程中節能的基本原理，以及在實際生活中應用的實現。

關鍵詞：機械設計；節能原理；實際應用

1　機械設計概述

所謂的機械設計就是對所有部件和整體的配合進行設計的過程，整個過程都要遵循機械應用的原則，大到整個機械設備的配合及運行，小到每個工作零件的選材、大小及潤滑等，都要你按照其運行的基本原理進行構思設計。對不同用途的機械，要利用不同的原理進行相應功能的設計。

2　現代的機械生產模式

（1）能適應市場批量生產的要求。現在的市場對機械產品的需求量很大，相應的生產周期也在不斷減小。這對傳統生產模式是一種挑戰，因此，機械生產的方式以及觀念都發生了很大變化。目前，生產企業都使用了自動化控制技術，再加上多媒體技術的輔助，為企業帶來了極大的益處。（2）引進全新的技術，完善現在的生產模式。目前，單一的生產技術已跟不上市場的腳步，必須要將多個領域的技術綜合起來，以很好地適應社會。在機械制造行業，傳統模式以人工操作的方式為主，這樣不僅生產速度慢，而且容易出現差錯，導致產品質量較差，此外，對能源的浪費也很嚴重。

當下的生產模式中，加工車間的安全也是一個重要問題，工人一旦操作失誤，不僅會危及人身安全，而且會影響產品質量，導致整個生產過程面臨誤工，耽誤整體產品的生產效率。

3　機械設計的節能基本原理

所謂機械設計節能的基本原理就是對設備的動能輸出以及勢能和其消耗的無用功進行整理，并進行函數分析，總結出該如何進行設備的節能設計。

（1）動能方面的節能分析。在傳統設計中，工程師一般都考慮動能變化對輸出功率的影響，調節改善設備的波動、使用周期及加工精度，很少改善其給系統帶來的影響。因此，筆者主要在這一點上進行研究改善。傳統機械設備的動能并沒有完全開發出來，這主要是因為在加工過程中，動能沒有及時進行回收并轉化。本著節能原則，調節系統的動能變化范圍，盡可能地縮小范圍。

（2）在輸出力方面的節能分析。不同工作要求的機械設備在工作過程中的輸出力是不同的，即使是相同的機械設備在不同過程要求下輸出的力也不完全相同。因此，要在節能方面進行改善。

導致機械設備在工作過程中輸出力偏高的因素主要是在很短時間內，力的變化波動比較大，在函數中表現為周期函數。只要把輸出力的波動變化范圍縮小，變化越小，節能的效果也就越好。

（3）降低無用功，節省能源。無論何種機械設備，都不可避免地會有摩擦以及其他阻力，這些阻力都或多或少地產生無用功。這些都和設備在設計過程中采用的零件精度以及潤滑方式有很大關系。這些無用功都對設備的使用效率產生極大阻礙。因此，在設計時，要充分考慮節能因素，最大限度地減小無用功，提升設備的使用率。

（4）節能原理的分析總結。節能的方法主要就是在動能、輸出力以及減小無用功等方面對設備進行改進。簡單地說，就是工程師在設計的過程中，把系統的一些參數變化維持在一個盡可能小的范圍內，就可以極大地節省能源。但這點實現起來極為不易，是所有工程師長期奮戰的目標。

4　機械設計節能原理的實際應用

由于機械設計節能的基本原理主要涉及質點以及動能定理，因此，由質點組成的對象都可以利用，其適用范圍寬泛。

4.1該節能原理在升降機械力的應用

升降機械在實際工作中消耗的功率較大，產生的無用功也較大，因此，要在節能方面進行改善。改進前，要先研究消耗的原因，大部分功率的消耗都發生在設備提升以及下放物體的過程中。一般來說，在設計升降機械前，一定要標準化，結合電梯的設計原理，加入機械設計的節能原理。在升降機械設計中的應用升降機械與其他機械相比，消耗功率的主要特征是貨物和人的重量（有勢力）在提升或下降的勻速運動過程中均要消耗功率。工程實踐證明，以相同的速度提升質量相等的重物，按照電梯標準計算設計的曳引驅動機構所消耗的功率比傳統卷揚驅動機構要小得多。若按“系統勢能為常量或在最小范圍內變化”設計升降機械或電梯，可得平衡升降機和平衡電梯設計方案。在平衡升降機中，若用Q（t）表示提升物體的質量，用P表示自重不變的配重，用r1表示升降貨物卷筒的半徑，r2表示升降配重卷筒的半徑，若要平衡升降機的系統勢能為常量，則必須滿足式Q（t）r1=Pr2（公式1），雖然Q（t）為變量，但可采用自動變速機構改變傳動比，可實現系統勢能為常量。在平衡電梯中，若用Q（t）表示轎廂和水箱自重以及隨人數變化載質量，P（t）表示配重和水箱自重（變量），曳引輪與導向輪半徑相等用r表示。平衡電梯在工作時，當進入轎廂人的質量為q1，轎廂下水箱里將有p1重的水進入配重下水箱。電梯空載時，Q（t）=QP（t）=P，電梯工作時Q（t）=Q+q1-p1，P（t）=P+p1，將其代入式（公式1），則可求得轎廂下水箱里水進入配重下水箱的質量。

可以看出由轎廂水箱進入配重水箱水的質量只是人質量的1/2。現對卷揚驅動機構、曳引驅動機構和平衡升降機或平衡電梯所需要的電機功率進行對比，可以看出平衡升降機或平衡電梯顯然要比曳引驅動機構要小。同時還可以發現，卷揚驅動機構系統勢能在最大范圍內變化，曳引驅動機構系統勢能在較小范圍內變化，平衡升降機或平衡電梯的系統勢能為常量或在最小范圍變化。由此可知，當系統勢能為常量時，該機構節能效果最為明顯。

4.2在加工型設備中的應用

加工型機械設備在實際生活中較為常見，其在加工過程中消耗的能源也最大，因此，該類設備的節能尤其重要。以牛頭刨床為例，該設備主要由一個質量很大的主軸來操作其穩定運行，要想實現節能，就要降低輸入的功率，結合機械原理，再增添一個該裝置，設備的功率變為原先的2倍，以提升功率，節省能源。

4.3該節能原理在大壓路機上的應用

大型壓路機的輪子表面并沒有嚴格按照周期函數來表現，其變化范圍較大。這在無形中阻礙了節能設計。因此，要想真正實現節能，就要把沖擊輪的勢能在重心處于最低處時的變化縮小在一個最小區間，區間越小，節能效果越好。

5　結語

現代機械設計節能原理主要是利用降低輸入，提高效率的方式方法來達到目的。在現代生產基礎上，添加新的設計觀念，完善實現生產模式，是實現節能的一個關鍵性問題。在機械設計加工行業內減輕能源浪費，實現節能減排，是目前市場上機械行業發展的一個趨勢。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.073