節能設計理念在機械制造及自動化應用中的滲透研究

魯璐

（南陽理工學院機械與汽車工程學院，河南 南陽 473004）

以發動機以及電機驅動的機械設備制造推動現代工業的發展，并且隨著設備功能的快速演進，集成了微電子、通信等技術的機械設備被應用到絕大部分的生產生活場景，使其不再是簡單的動力輸出裝置以及體力勞動替代者，而是成為形式和功能多樣、操控簡便，可以按照設定程序自動化運行乃至具備自主決策能力的設備。但機械設備所有功能的實現都需要保障其能源供應，而且設備本身的制造過程涉及能源與資源的大規模消耗。

1 機械制造行業發展歷程及趨勢

（1）機械制造理念的演進。機械設備在人們的生產活動中歷來是提高工作效率、完成人力無法實現的目標的關鍵，而內燃機等動力輸出裝置的發明賦予了機械設備更加強大的動力。而將電子、電力技術應用于機械制造，不僅讓設備的性能有了質的變化，而且改變了傳統的工業生產方式，讓機械設備具備自動化控制的功能，使設備的操作基于生產工藝要求進行比較精確的啟停操作，便捷地調整其運行速度和工藝參數。20 世紀末，信息技術的應用使機械制造理念再次產生質變，運用智能化控制以及無線通信等技術的機械設備操控更為簡便和靈活。而工業互聯網理念的提出則正在推動著后工業時代機械制造、工業生產領域的又一次革命。但在這一進程中，鑒于資源環境狀況的持續劣化以及工業生產需求的增勢不減，使節能設計理念的應用尤為關鍵。

（2）機械制造與自動控制技術的發展趨勢。目前，機械制造行業的產品研發和生產對自動化技術的依賴性越來越高，無論是設計環節還是生產階段，都涉及計算機軟硬件以及相關科技成果的創新應用。首先，在現代機械制造行業的產品研發與設計工作中，要想滿足各個生產領域對機械裝備性能日新月異的要求，必須準確了解市場需求并進行產品的優化設計。而機械設備各個系統的集成化、模塊化設計理念則是滿足市場需求的基礎，一方面，通過對自動控制技術的優化利用實現對設備傳動系統、動力裝置以及控制系統的集成化制造，提高產品的生產效率以及使用性能；另一方面，又能基于模塊化設計理念實現設備結構與加工工藝設計、生產技術人員的高效協同，壓縮新產品的研發與制造周期。其次，在自動化技術的應用方面，機械制造企業不僅需要利用人工智能等技術提升產品性能，更要在產品的設計、加工工藝設計等環節引進虛擬制造等理念，節約產品的研發成本并優化節能技術的應用。

2 機械制造關鍵技術與節能設計理念的聯系

機械設備自身性能、加工工藝以及材料的使用均與節能理念存在直接聯系，在任一環節合理運用新技術或者創新設計理念都能達到節能目標，并對設備的制造、使用能耗產生深刻影響。因此，探究現代機械制造行業的關鍵技術與節能設計理念之間的關系可以找到后者的應用途徑并將其付諸實踐。

（1）自動控制技術。自動控制技術在現代機械制造領域的應用價值不僅在于豐富產品功能和提升其運行效率，而是成為優化生產工藝流程、節約驅動生產設備以及輔助設備運行動能的關鍵。因此，自動控制技術的合理運用對機械制造企業實現節能目標有極其重要的意義，也決定了產品使用方生產活動中的能耗水平。首先，自動化技術使機械設備的運行過程可以基于編程精準控制，根據產品加工需要自動化的調節工藝參數，提升生產質量，并在沒有人為干預的情況下完成所有加工流程。其次，自動化控制技術賦予了機械設備乃至生產線自動化運行的功能，集成化的控制以及生產管理系統能準確調節所有機電設備的運行工況，自行檢測負荷變化并做出最優化決策，從而降低單位產能下的總體能耗。

（2）機械制造原材料的研發和應用。工業生產原材料的研發對資源環境保護具有多重意義，而機械制造所用材料不僅涉及自然資源的優化利用，還會通過設備的性能改進、影響下游產業鏈的工藝創新達到節能目的。首先，機械制造行業生產使用的金屬及非金屬材料直接影響設備的性能。例如，傳動部件的材料決定了設備運行工況的穩定性和能量損耗大小，而具有優良工藝性能以及力學、物理學性能的材料則有助于降低摩擦力、提升設備使用壽命，從而減少設備運行過程中的能量損耗并提升其產能。其次，基于可循環利用或者低能耗水平新材料的利用也能有效降低機械制造以及設備使用領域的能耗。

（3）信息技術在機械制造中的應用。無線通信以及人工智能等現代信息技術的快速演進和應用改變了所有領域的生產和管理理念，在優化資源配置以及動態控制生產過程、實時優化各類組織計劃方面體現出空前的優勢。

首先，基于信息技術可以優化機械制造業的產品研發過程，運用計算機軟件進行零部件的受力分析、模擬設備零件加工以及組裝過程，既可以簡化產品的設計流程并且壓縮其研發周期，還可以免去試生產以及反復評估和調試的過程，節省生產材料、能源以及優化企業的資源配置。

其次，在互聯網、無線通信以及自動控制等技術聯合應用的背景下，能對機械制造過程進行動態的監測并實現過程控制，讓原材料供應、半成品質量檢測以及工藝參數調節等環節全部自動化完成。而在此基礎上，不僅機電設備的有功功率可以始終保持最優化，減少中間環節的人力資源需求，還可以基于動態的智能化控制減少生產原料的耗費。

3 節能設計理念應用策略

（1）產品結構設計與功能優化。作為生產領域能量轉換的核心，機械設備的構造形式決定了能源的利用率，也對資源的合理利用產生了深遠影響。因此，節能設計理念應用必須從優化機械設備的構造和功能入手，基于降低設備能耗以及提高資源利用率的視角審視設計方案的合理性。首先，鑒于電機等動力設備完成能量轉化并驅動機械設備運行，因此，應根據設備的功能設計構想以及應用場景特點確定電機或燃油發動機的類型以及優化其額定參數的選擇。其次，在設備傳動、自動控制等系統的設計過程中，應首選能量損耗小、可靠性高的技術方案。例如，在技術條件允許的前提下優先選擇氣壓傳動而非液壓傳動系統，為設備配置完善的故障自檢、診斷功能的控制系統等，達到節能、提升機械設備性能以及減少污染源的多重目的。

（2）機械設備的加工工藝。在結構日漸復雜和精密的機械設備生產工藝流程中，能源以及生產資源的消耗形式也多種多樣，除了成功轉化為產品加工動能和被加工成設備零部件的部分，其他能量和材料等資源以多種形態、通過多個生產環節和渠道被耗費和排放到環境中，包括直接的熱量散失、振動等機械能損耗以及廢棄物等。所以，基于節能設計理念、運用自動化技術優化機械制造領域的加工工藝，能有效控制能量和資源的損耗。首先，運用當前廣為應用的數控加工技術能精確控制零部件加工過程中的溫度、切削量等參數，從而基于對設備自身工況的精確控制達到節能目標，并且可以簡化工藝流程并減少設備生產過程的能耗，節約零部件的加工材料。其次，基于技術創新改進生產過程中的冷卻、表面處理等工藝，可以直接減少熱能損失并改進設備性能，提高零部件的耐久性與可靠性。例如，采用風冷技術替代傳統的冷卻工藝能降低冷卻液的消耗并減少廢液排放。

（3）新材料的研發與使用。材料性能對機械設備的節能效果有決定性影響，因此，著重研發與應用各類功能性材料并提升可循環利用材料的比例，都是體現節能設計理念很好的方式?；趯αW等性能突出的功能性材料的利用，可以滿足設備使用功能要求的前提下縮小零部件的體積，減少其材料用量的同時，提高設備運行的可靠性。例如，在軸承、密封件等關鍵零配件的加工和選用方面使用具有卓越的耐磨、耐腐蝕等性能的新興材料，可以達到節能和改進設備使用性能的目的。而在機械制造中優先選用綠色制造工藝生產的材料，則可以推動產業鏈的優化，并在更廣闊的范圍內產生積極的節能作用。

4 結語

機械設備幾乎參與人類社會能源使用過程中的所有能量轉換，所以在機械設備的制造與應用環節踐行節能設計理念，必然可以對能源的轉換率產生重要影響，而且能推動各個生產領域的產品加工工藝改進、功能性材料研發以及運營管理理念的創新，實現綠色制造的目標。