機械設計環保節能基本原理分析與應用

周萬鴻

（金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100）

如今，在能源危機與環保不斷推動下，節能環保成為各地區人員關注的焦點和研究的重點課題，尤其是在各種先進技術發展創造的便利條件下，使得節能環保技術也得到迅速發展。然而，雖然節能產品的技術水平得到很大程度的提高，但某些大功率機械仍然有不節能情況發生。因此，需要掌握機械設計過程中必須嚴格遵循的節能環保原則。

1 機械設計環保節能基本原理

機械設備環保節能將以勢能為基礎的節能、以動能為基礎的節能、通過降低其它方面輸出功率實現節能、減少無用功率、以功率平衡為基礎的多種措施結合到一起，這些不同措施的原理構成了機械設計節能及環保的基本原理[1]。

對機械系統進行設計時，將系統的勢能及動能作為常量，或促使其處在允許范圍內；將輸出消耗功能及無用功率都限制在相對較小的范圍內；對勢能、動能的變化率、其它輸出消耗及無用功率進行嚴格控制；如果機器導致輸入功率處在相對較大的變化范圍，需要配置一個能和輸入功率保持相同周期的新裝置，使合成后形成的函數幅度處在相對較小的變化范圍，也可配置具有能量儲存及轉換功能的新系統，則可以使系統保持在相對較低的功率水平，最終使有限的能量得以最大限度的應用。

導致機器裝置實際輸入功率變高或功率未得到最大限度利用的主要原因包括：在相對較短的時間范圍內，系統的勢能與動能、其它輸出及無用功率等都處在相對較大的變化范圍。另外，機器處于循環工作時，減速過程中系統的勢能及動能未能充分轉化及儲存，導致功率無法被完全利用，最終造成一定程度的資源浪費，同時還會造成環境污染現象[2]。

2 機械設計環保節能基本原理具體應用

2.1 主要應用范圍

這一基本原理主要是將質點系動能作為核心通過微分得出的，與很多不同的領域都有關系，所以它可以在每個由質點系構成的對象中使用。基于此，這一基本原理能應用在產品設計或其它學科當中，應用范圍較廣。

2.2 工程設計對原理的應用

2.2.1 升降機械設計

和其它類型的機械設備相比，升降機械功率消耗為人與貨物總重處于勻速運動時的平均消耗功率。通過以往的實踐可知，當以恒定且相同的速度對質量一致的重物進行提升時，根據現行電梯標準通過計算確定的曳引驅動系統，其消耗總功率小于目前普遍使用的卷揚機驅動系統。

如果能將系統的勢能作為一種常量，或將其控制在盡可能小的變化范圍內，以此進行升降機械或者是電梯的設計，則能得到使升降機械或電梯實現平衡的設計方案。對于平衡升降機械，若將提升重物質量表示為Q（t），將重量保持不變的配重表示為P，將重物卷筒半徑表示為r1，將配重卷筒半徑表示為r2，當系統此時的勢能是一個常量時，則有以下關系式：

式（1）中，雖然Q（t）是一個變量，但可通過對自動變速系統的應用來實現傳動比的調節，使系統勢能仍然保持為一個常量[3]。

對于平衡電梯，若將電梯轎廂及水箱重量和乘客數量變化質量表示為Q（t），將電梯配重及水箱的重量表示為P（t），將導向輪和曳引輪的半徑表示為r，則在平衡電梯實際運行過程中，如果進入電梯轎廂中的乘客質量為q1，則下水箱會立即向配重下水箱輸入相同質量的水。

當電梯處于空載狀態時，電梯轎廂及水箱重量和乘客數量變化質量和電梯配重及水箱的重量相等，而在正常運行時，電梯轎廂及水箱重量和乘客數量變化質量是乘客質量與電梯質量的和減去進入到配重的水的質量，此時代入已知的數值即可確定進入到配重下水箱當中的水的質量大小。

通過對不同升降機械的分析和對比，可知平衡升降機械與電梯消耗的功率少于曳引驅動系統。此外，還發現，對于卷揚驅動系統，其勢能處于最大的變化范圍當中，而曳引驅動系統的勢能則能保持在相對較小的變化范圍當中，平衡升降機械與電梯勢能都是一個常量。可見，如果系統的勢能可以變成一個常量，則能發揮顯著的節能效果[4]。

2.2.2 大型沖壓機設計

因大型沖壓機所用沖擊輪具有非圓形的特征，所以它的勢能往往以周期函數形式體現，并且處在很大的變化范圍當中。

基于此，要實現節能和環保目標，盡可以使勢能處在最小的變化范圍當中，無法使勢能變成一個常量。根據由多個勢能組成的勢能處在最小的變化范圍內的基本條件，沖壓輪勢能需要符合的要求，通過理論計算及作圖可知，若要使勢能處于最小的變化范圍內，小參數夾角必須是一個平衡角。通過對勢能在最大和最小兩個變化范圍的功能對比，發現勢能在最小的變化范圍內時，其功率遠小于處于最大的范圍內，所以這一原理的應用是切實有效的[5]。

2.2.3 加工設備設計

為對牛頭刨床運行時因機構產生的速度波動進行有效調節，一般會在設備中額外設計一個具有很大慣量的飛輪結構，以此把不均勻系數控制在要求的范圍之內，使機械設備的運轉能夠保持穩定。如果除了要控制不均勻系數，還要降低輸入功率，則需要以基本原理為依據，對刨床實際消耗的動能及輸出實際變化率進行疊加合成，確定為何在設備中額外設計一個具有很大慣量的飛輪結構的具體原因。根據以上基本原理，在現有的設備中增加一個刨床，使它的初相位和現有裝置保持180°的相差。對這兩種功率圖實施分析與對比，根據平衡理論通過設計得到的刨床，其最最大功率和原刨床沒有太大的差異，但在功效上卻能達到原刨床至少兩倍。因此，功效的提高就意味著達到相同加工目的所需時間和能源的減少，實現降低輸入功率等根本目標。

3 結語

綜上所述，對基本原理進行求證和推導時，始終貫徹了平衡理念與基本方法，因此還能將這一基本原理稱作平衡節能原理，這是在降低功率，最大限度利用功率基礎上，提高機械設備實際性能的重要方式，具有廣闊的應用前景。