綠色設計理念在機械設計制造中的應用

張光曙

（江西機電職業技術學院機械工程學院，江西南昌 330029）

0 引言

近年，機械設計理念不斷發展變化，從粗放發展模式轉為精細化設計模式。在實際設計過程中應用綠色設計理念，可以提高產品的科學性與環保性，提升整體產品的價值，滿足人們綠色消費需求。在當前機械設計制造中，應用設計理念還可以提高產品附加值，順應環境保護發展的時代潮流。

1 機械設計制造應用綠色理念的價值

1.1 綠色設計理念應用的必要性

在傳統機械制造發展過程中，很多設計人員片面追求經濟價值，對于材料本身的綠色環保性能沒有全面重視。不僅浪費大量資源，造成機械設計制造的產品運行消耗的能源較多，本質上是一種粗放化的經營發展模式。新時代以來，提高機械制造的精細化程度，不論是從綠色設計還是綠色生產、綠色投入，可以形成一個完整的閉環效果，融入綠色環保理念，提升設計制造的精細化程度。有效的綠色機械制造設計是后期綠色生產和綠色使用的基礎，只有提高設計的精細化程度，才能減少產品投入使用過程中的資源浪費，從可持續發展的角度，提升產品本身的附加值。

1.2 綠色設計理念對機械設計制造的提升作用

首先，踐行綠色機械設計制造可以滿足人們對于經濟效益的追求。尤其是在當前綠色發展的社會環境中進行綠色設計制造，可以減少材料使用成本，對已經使用的機械制造材料進行有效回收和利用。從成本上來講，具有廣泛的發展空間，更加合理科學地進行機械制造設計，有利于生產企業降低成本。其次，融入綠色發展理念可以促進經濟的可持續發展以及精細化發展，積極響應國家提出的綠色生產號召。開展有效的機械產品設計，通過前期反復實驗以及數據化的調整，減少生產以及后期維護中造成的資源浪費，避免環境資源枯竭，為子孫后代創造一個良好的生存發展空間，滿足經濟的可持續發展需求[1]。

2 機械設計制造中應用綠色設計理念的路徑

2.1 機械視覺環境綠色設計

首先，在機械視覺設計過程中，要考慮到產品的形態、產品的類型，而不是一刀切地根據想象去進行產品的機械設計。外包裝要符合現實形態，而不是單純強調格調和等級，更多的使用綠色元素和自然界中的資源進行綠色設計。避免過度加工或者人為制造造型，影響產品整個視覺效果。區分人工形態和自然形態，采取簡潔的外包裝設計來提高整個產品的親切感和自然感。例如，可以采用環保充氣紙板來進行機械產品的外包裝設計，既可以減少產品運輸過程中的振動損耗，降低對產品的負面影響，又可以在運輸完成后回收該紙板，起到資源優化利用的作用。

其次，在視覺設計過程中，要根據自然界形成的一些天然形態來展現機械產品的觀念和技能，尤其是在產品外包裝設計中體現綠色產品的應用環境，使之與自然界充分融合在一起。例如，在外包裝設計上可以更加高精度地展現機械產品的應用環境，尤其是一些小件機械產品的設計。這種設計方法可以方便運輸人員和管理人員通過產品外包裝箱的信息，對產品進行倉儲分類，從而減少運輸和管理時間，降低資源浪費。

最后，綠色產品的材料設計也要考慮全面，避免在機械設計過程中應用高耗能、高污染的材料。例如，重金屬材料、能源密集型材料等，更多應用一些綠色環保材料，例如，低密度樹脂材料、環氧脂材料。這些材料的應用對自然界資源的消耗更少，有助于提升產品性能。同時，新型材料的應用可推動機械產品的創新升級，解決產品同質化問題，提高其市場競爭力，為產品后續宣傳提供充分的競爭點。從最初設計階段就要對產品的回收利用進行全面分析，從而提高產品結構的低碳環保性能。

2.2 機械液壓系統綠色設計

80%以上的機械產品都會使用液壓結構，如果設計過程中沒有充分考慮到液壓系統的應用環境，造成漏油，就會嚴重影響資源利用的有效性。

一方面，液壓系統的設計要充分考慮到其使用的環境，保障使用人員可以按照正確的操作方法使用液壓系統。在此基礎上，設計人員應綜合考慮液壓系統的應用環境，結合環境特點及運行要求，進行液壓系統的優化設計，并提供規范操作說明，提高操作人員對于液壓系統的掌控能力，并且在研發設計過程中，要對環境可能出現的一些問題進行有效預防。

另一方面，在產品設計過程中要充分考慮到液壓系統的回收利用，一般來說機械產品液壓系統的使用壽命在5～6 年。更換液壓系統的配件開銷巨大。某液壓系統生產企業在設計過程中充分考慮到零件更換的資源浪費問題，對于各部件的拆卸進行了靈活化設計，對于零件更替循環使用問題進行了一致性分析。從生態保護的角度增加了關鍵零件的緩沖系統，并配合移動數據來對關鍵零件的使用次數和壽命進行針對性分析。配合數據輸出網絡，可以為使用單位提供液壓系統零件的更換模型。這樣的設計方法既可以給使用單位創造便利，又可以減少故障零件應用造成的機械損傷。

除此之外，在液壓系統綠色設計過程中，還要使用符合規范的液壓油，避免使用不合格或者資源浪費嚴重的液壓油，嚴重危害環境。增加隔音墊、減振器等，減少液壓系統運行中出現的噪聲污染。例如，某液壓系統制造企業就在生產期間通過24 次生產設計調試，對噪聲污染等級進行評定，整合出系統數據，為生產和使用企業提供相應的數據支撐，方便其按照自己的工業生產環境選擇合適的液壓機。這種系統化的設計方法可以幫助工業生產企業更好地控制生產中的噪聲污染，提高整體生產的環保性能。

2.3 機械界面系統綠色設計

現代機械產品正在朝向數字化的方向發展，人機互動增強，因而進行優化的界面設計，對于提升綠色環保性能也具有重要價值。

第一，在設計過程中，設計人員要全面了解用戶的使用環境、使用特征以及使用心理，從成本角度和消費需求角度進行統籌把握。做到界面操作與用戶的生產習慣、使用習慣和身心習慣一一對應。減少用戶由于不熟悉操作界面造成的錯誤操作問題，降低機械產品出現問題和故障的概率。

第二，本著簡潔的原則進行機械產品界面的設計，避免復雜繁瑣的操作影響用戶的體驗感。從用戶實際應用的場景角度，對頁面圖標的大小顏色以及相關聯的其他圖標進行整合性分析。整體的界面要保持一致性。如果操作按鈕過小或者顏色與其他按鈕混淆，就可能誘發操作失誤問題。從2018 年12 月獲得的統計數據顯示，界面設計不合理在機械產品故障的原因中排在第三位。可見，優化界面設計可以減少故障概率，進而減少后續維修工作。

第三，產品的整個界面設計要考慮用戶的使用習慣，尤其是按照用戶的個性化定制需求來設計具體的操作桿控制器、數字界面器、停止鍵等。從而縮短用戶在特殊情況下的反應時間，更好地控制機器操作效率，并應用這種數字化控制方式，方便用戶在使用過程中對設備進行擴展。減少重新購置設備造成的成本浪費，提高單一設備的使用壽命。

2.4 機械產品回收綠色設計

（1）機械設計當中融入綠色設計理念，要從整體產品的使用環境屬性來進行分析，做好產品的生產應用、回收維護、反復拆卸以及廢舊零件回收等工作。機械產品結束使用周期后，如果質量和使用功能仍然能夠滿足相應的生產條件，可以按照單部分零件來進行回收，而不是按照材料進行回收。這樣的回收方式相對于傳統回收方式可降低70%以上的資源浪費，并且減少材料重新回收而浪費的成本。在設計過程中，可以針對零件的具體使用場景來進行拆分，從而保障結束產品生命周期之后，機械產品可以重新回到生產線中進行二次加工。

（2）進行標準化的生產設計，也是綠色產品方便回收的基礎之一。機械加工的工藝尺寸要嚴格按照規程來進行操作，留有加工余量，并按照工序尺寸對于工藝尺寸鏈條進行嚴格的生產把控。從經濟技術角度研讀設計的工藝文件，結合客戶上傳的具體規程實例進行定制化操作，滿足機器裝配工藝規程設計要求。高質量的機械產品供應零件會降低后期維修成本，因而只有不斷提高規范化生產程度與質量水平，才能夠真正做到綠色生產與設計。

（3）以飛機中的機械產品設計為例，按照鑄造—鍛造—沖壓—機械加工—裝配—焊接這個完整的工藝流程，可以不斷提高機械制造產品設計的綠色化水平，并且按照成品、半成品對于工藝過程進行優化把控，可以減少生產中造成的資源浪費和產品的工藝質量不良。在設計發展過程中，要根據合理的工藝過程來指導整個產品設計的理念，并通過自動化設計流程等，對于電子工藝規程進行全方面考慮。在當前環境中，可以結合數字化平臺來對各種機械組件的分配流水和工藝編制進行全面分析，完成高質量制造。

（4）綠色機械制造要考慮到工步和工作行程。工步就是在加工表面不變、加工工具不變、切削用量不變的情況下，提升整體設計的精準化程度。工作行程也稱為走刀，是指完成一次精細化加工所需要的工步。在機械制造過程中要充分考慮到工步和工作行程，進行全面的精細化測量，提高檢查的一致性，經過精準稱重之后進行機械產品的精加工。設計人員要深入到一線生產車間，了解生產制造存在的問題，才能夠不斷改進操作的精細化程度。減少由于設計不合理造成的后續生產資源浪費，提高對環境的保護能力。

3 結論

綠色機械產品的設計是綠色生產與綠色維修的基礎，在機械產品制造生產的整個生命周期都要進行全方面的考慮。從本文分析可知，研究綠色機械產品制造要全面分析相關因素，進行產品性能設計、產品回收設計、產品材料設計、產品質量功能設計，減少污染。因此要建立全面的綠色觀念，提高機械產品的循環利用效率，引入更多自然資源與綠色觀念，促進產品的可持續發展，實現產品創新升級。