機械制造及自動化中的節能高效設計理念分析

宋韶華 隆丹寧

摘要：本文聚焦機械制造行業的高效節能設計理念，探索節能降耗帶來成本降低對機械制造行業帶來的影響。研究結果表明，通過改進機械制造工藝，對機械制造設備進行技術升級改造可以達到節能降耗的效果。

關鍵詞：機械制造;自動化;節能高效

前言：機械制造行業是支撐我國經濟發展的重要行業之一，對我國綜合經濟實力具有直接的影響。在近幾年發展進程中，我國機械制造自動化程度不斷提升，推動著機械制造效率、質量的同步提升。但是，在機械制造生產實踐過程中仍然存在較高的能量損耗率，且污染物質排放量較大，對機械制造行業在新時期的可持續發展造成了較大的不利影響。因此，探索節能高效設計理念在機械制造及自動化中的應用非常必要。

一、節能高效設計理念的應用意義

1、推動機械制造行業可持續發展

節能高效是各行業關注的重要課題，機械制造及自動化也不例外。在機械制造過程中會消耗大量原材料及能源，特別是不可再生能源。相關能源的無節制利用，不僅會增加機械制造成本，而且會加劇整個行業內的能源危機[1]。通過合理利用節能高效設計理念，可以在降低能源損耗量的同時，創新應用可再生能源，為整個機械制造行業可持續發展提供充足支持。

2、提高環境效益

在機械制造過程中，不僅需要消耗大量能源，而且在能源消耗過程中會散發出不同類別的氣體以及固體顆粒，對環境具有較大的不良影響。而自然環境是人們共同生活的家園，與人們生活生產均具有密切的關系。通過將節能高效設計理念恰當應用于機械制造及自動化過程中，可以切斷機械制造污染物散發、傳播線路，提高行業環境效益。

二、節能高效設計理念的應用內容

1、機械制造工藝

1）從熱處理工藝來看，熱處理工藝是機械制造行業主要用工藝，以電爐、鹽浴爐、普通箱式爐為代表的有氧熱處理設備占據比重在80%以上，而感應加熱爐、可控氣氛爐等無氧熱處理設備則在20%以下。工藝模式多依賴技術工人的經驗，仍然沒有形成規模化、社會化、產業化體系，能耗高出發達國家40%左右，生產效率則低于發達國家30%左右。基于此，可以應用節能高效設計理念，引用天然氣等清潔新能源代替煤炭等高污染能源，并應用煙道氣廢熱提高熱利用率，達到節能環保目的。同時結合熱處理設備實際情況，綜合考慮整機、零件改造成本、技術，恰當的應用真空加熱處理技術或者感應加熱處理技術、離子束、激光束表面快速加熱技術，以便在≤10-5負壓空間內順利完成預處理件加熱任務。

2）以注塑工藝為例，利用源于節能高效設計領域的高性能伺服節能注塑設計理念或高速瓶坯注塑設計理念，可以降低機械制造過程中能源損耗率，提高機械制造成效。其中高性能伺服節能注塑設計理念主要是將點對點式智能定量潤滑應用到鎖模部分潤滑系統，同時將免潤滑石墨套應用到鎖模機鉸部分，在不干擾惡劣工況下潤滑效果的情況下，降低潤滑油損耗量，同時利用便于模具拆卸、安裝的T型槽代替定量泵，并在高剛性箱式模板中配置高精度、節能節水的同步伺服驅動控制系統，降低50%左右的能源損耗。結合整體式射座+斜排雙射移射膠結構，確保射膠動作平穩順暢，同時有效避免高壓射膠時因射座下沉造成的部件損壞和漏膠現象，可以從根源上規避高壓射膠下沉以及由此引發的膠泄露、射膠部件毀損情況，保障射膠動作的順暢無阻。

高速瓶坯注塑設計理念主要是將溫度系統、液壓系統等注塑周邊設備與倫茨伺服系統控制的取坯機械手有機整合，以模具中心區域為著力點，實現全液壓合模，摒除以往鉸合模系統另加潤滑油潤滑機鉸運作副環節。與此同時，二板運動可以直接通過直線導軌運作副，工作環境相對清潔，且潤滑油添加量使用需求小。在注塑單元，利用雙級注塑單元代替普通單級注塑單元，利用恒壓電源驅動的一對一單獨溫度控制模具射嘴，實現針閥式熱流道模具，結合高速外壁水冷+內腔風冷3工位冷坯專用機械手、取坯機械手的配備，可以分割取坯、放坯操作，在降低取坯部分運動慣量、提高取坯動作準確度的同時，將一模成型周期壓縮到9s。

2、機械制造設備

1）中頻爐是機械制造企業常用設備之一，但傳統中頻率存在功率因數低于標準要求的情況。因此，可以采用動態諧波治理+無功補償方案，將有源電力濾波器輸出高次諧波濾除后應用高通濾波器，滿足無功補償固定容量要求。比如，針對額定容量為1508kW中頻爐兩路10kV進線側功率因數與標準要求不符情況，因其整流變雙繞組輸出由Y形接法、△形接法組成了12脈波整流器，線路變壓器低壓側電流諧波畸變率較高，可以達到15.2%，不僅會消耗系統無功功率儲備，而且會造成繼電保護與自動裝置工作紊亂，增加輸電線路、變壓器、旋轉電動機損耗，影響輸電線、電容器規定運行年限。基于此，可以利用4臺有源電力濾波器、高通濾波器，構成動態諧波治理+無功補償綜合裝置，并聯裝置與負載，進行中頻爐諧波的動態跟蹤補償。其中無功補償功能由高通濾波器承擔，可以在將有源電力濾波器輸出高次諧波濾除的同時，規避系統諧振問題，保證無功補償固定容量要求的順利達成。假定無功補償經濟效益系數為0.085，與諧波電流250A造成的損耗等效無功電流可達到580A，以250A進行補償容量計算，可得出補償容量為： ，可以節省的電網功率損耗為25kW。按每天運行22h，每年運行355天進行計算，變壓器每年可以節省電量為195250kWh。

2）冶金機械設備是機械制造業重要組成設備。傳統自動化冶金機械設備能源損耗較高，工作噪音加大，且存在熱輻射問題，背離了綠色制造的指導方針[2]。基于此，可以運用節能高效設計理念，運用環保無公害、低油耗、低噪聲的環保型發電機。同時嚴格控制原料、輔助料選擇標準，優選無雜質的油液以及密封性能佳、耐老化的管線料，降低液壓元件磨耗以及溢出導致的風險問題。同時設計自動加脂裝置，規避以往手動加脂存在的效率低、資源耗費量大以及油液溢出風險高等問題。自動加脂裝置包括裝油杯體、底座、彈簧、調節閥等幾個構件。在裝油杯體設計制作時，可以優選透明耐沖擊、耐高溫材料（120℃），根據現場情況直接將油品加注到油杯內，摒棄一次性產品——油囊的使用環節，提高效率;底座則可以選擇金屬料，利用電鍍或氧化鍍工藝，解決以往加脂裝置存在的易腐蝕、易碰撞等問題;對于調節閥，則可以選擇耐腐蝕、調節精密度高的不銹鋼件，經針閥設計制造，滿足基于流量的速度調節要求[3]。

結束語

綜上所述，機械制造及其自動化中節能高效設計理念的應用，不僅可以助力機械制造行業的可持續發展，而且可以提高機械制造業的環境效益。因此，機械制造業可以從制造工藝、制造機械設備兩個方面入手，根據傳統機械制造設備或工藝運行階段存在的浪費現象以及低效問題表現，逐一開展節能高效改進，保證機械制造經濟效益與環境效益的同步提升。

參考文獻：

[1]郭喜旺，路威.機械制造及其自動化中的節能高效設計理念初探[J].質量與市場，2020（05）：62-65.

[2]黃小琴.綠色理念在機械設計制造中的應用[J].南方農機，2020（24）：79-88.

[3]謝子劍.淺析冶金機械行業的綠色設計與制造關鍵技術[J].設備管理與維修，2021（10）：89-90.