節能減排在機械設計中的應用

朱姍

摘 要：隨著我國社會不斷進步，對能源短缺以及環境污染等問題的重視程度不斷提升，想要更好地促進我國社會可持續建設發展，必須要加大節能減排力度。在當前節能減排政策號召之下，我國工程機械設計開始積極與節能減排理念進行融合，這也使得機械設計行業的發展進入到了一個新的階段。基于此，該文也嘗試對節能減排在機械設計中的應用情況進行了分析。

關鍵詞：節能減排? 機械設計? 應用路徑? 應用

中圖分類號：TU7文獻標識碼：A??????? 文章編號：1672-3791（2022）01（b）-0000-00

Application of Energy Saving and Emission Reduction in Mechanical Design

ZHU Shan

（Energy Work Service Center of Tancheng County Development and Reform Bureau， Linyi， Shandong Province， 276199 China）

Abstract： With the continuous progress of China's society， the importance of energy shortage and environmental pollution and other issues has been increasing. If we want to better promote the sustainable construction and development of our society， we must strengthen energy conservation and emission reduction. Under the call of the current energy conservation and emission reduction policy， China's construction machinery design has begun to actively integrate with the concept of energy conservation and emission reduction， which also makes the development of machinery design industry enter a new stage. Based on this， this paper also attempts to analyze the application of energy conservation and emission reduction in mechanical design.

Key Words： Energy saving and emission reduction; Mechanical design; Application path; Application

現階段全球能源消耗以及環境污染問題日益嚴重，世界各國都開始積極開展機械節能減排工作，這也使得機械設備的能源消耗得到了有效控制。目前來看，我國在工程機械減排以及降耗方面的重視程度不斷提升，并且開始加大節能減排研發力度，在此方面的理念創新以及技術創新體系規范化程度不斷提升，但整體來看，我國在機械設計節能減排理念落實發展方面仍處于成長階段，尚且沒有形成與之相配套的產業體系。并且，相關科研人員在對節能減排新技術進行探索時，大多是圍繞著機械元件性能提升等方面，其研究方向往往較為單一，對能源排放的控制效果并不明顯，雖然對很多元件進行了優化處理，但是往往不足以解決當前機械運行過程中的高能耗以及高污染等問題。由此看出，我國今后還應該進一步加強對節能減排在機械設計中應用的研究力度。

1機械設計節能減排技術的主要原理分析

任何機械設備的運動都要遵循牛頓力學定律，想要實現對機械節能效果的有效提升，應該注意以能量守恒理論為基礎，保證能量的投入可以實現對設備運動效果的有效優化。在機械設備運動過程中，往往各設備以及組件之間會涉及到多種類型的能量互相轉化，一些時候，勢能與動能之間往往不能夠實現完全轉化，這也導致了能量轉化具有動態性的特點，因此很容易造成能量損耗，從而致使能量過度消耗的情況經常出現[1]。而通過強化機械節能減排設計的方式，可以實現對機械設備運動過程中勢能波動的有效控制，保證企業始終處在合理范圍內，從而使得勢能與動能之間的轉化更為完全。在機械設備正式運行的過程中，動能是保證其動力的源泉，由于一部分機械設備結構龐大，并且內部結構較為復雜，即運行過程中需要多個組件互相配合，這也使得其在能量轉化過程中，很容易產生能量過度消耗現象。今后，想要有效減少能量轉化不完全的情況發生，應該注意在機械設計過程中著重減小設備構件之間存在的摩擦力，從而使機械設備的節能減排效果得到保證[2]。

2節能減排在機械設計中的具體應用分析

2.1改善動力源

對于機械工程來說，內燃機是其最為主要的動力源泉，當前來看，世界范圍內對于此項技術的研究正在不斷深入，尤其對于一些西方發達國家來說，其已經取得了較為完善的成果體系。當前，內燃機傳動控制方面的研究重心轉向為混合動力技術以及燃料電池技術，這兩項技術在世界范圍內有廣泛應用，而對于我國來說，科學技術水平不斷提升，對于內燃機傳動裝置的研究也已經進入到了一個新的階段，尤其在內燃機混合動力研發方面，實現了對油電混合動力以及油液混合動力的雙向分析。其中，油電混合的優勢主要體現為能量密度較高，通常會考慮將其應用到小型汽車中，其在實際應用的過程中發揮出了較為理想的效果，使得小型汽車的整體節能性得到了明顯優化。但與此同時，此種技術的應用也體現出了一些弊端，主要表現為環境污染問題較為突出，因此不適合將其應用在一些頻繁啟停的工程機械中[3]。相比較而言，油液混合動力技術的優勢則更為明顯，其主要體現為環境適應能力較強、對環境污染程度不高、造價成本低廉等幾個方面，目前來看，此項技術在我國大型化工廠以及機械加工廠中有較為廣泛的應用，并且其依然具備廣闊的發展空間。想要實現對機械設備動力源的有效改善，應該注意運用儲能器與電池組合的方式作為混合動力系統的儲能元件。在進行電能與液壓能轉化的過程中，往往會出現一定的能量損失，今后應該注意對這一損失進行有效控制，這就需要加大對儲能元件以及能量轉化元件的研究力度，積極引進先進的技術理念。目前來看，美國在此方面的研究處于世界領先地位，其在進行電能與液壓能轉化的時候，可以有效節約40%左右的發動機燃油。而德國亞琛工業大學則研究出了一種適用于挖掘機負載敏感系統的混合動力液壓系統，這一系統的應用可以有效減小發動機以及泵的體積，從而實現了節能減排[4]。

2.2改善匹配與控制系統

目前來看，改善以往的匹配以及控制系統已經成為了機械工程行業內部所關注的重點，由于在很多時候工程機械的工作環境較差，并且機械設備的負載較大，想要保證柴油機在運行過程中不會出現熄火情況，并且始終保持較高的功率輸出，則對功率匹配提出了更高要求。而對于系統控制來說，其主要是對傳動型系統進行針對性控制，目的性強，省去了諸多中間環節，這也使得系統運轉的開展取得良好效果，進而提升液壓系統與發動機設備的匹配程度[5]。但是，現階段我國在此方面并沒有規范的指標體系，這也使得發動機以及油品的配置缺乏具體依據，很難保證系統運轉的高效性以及安全性。今后，應該注意將液壓系統以及發動機設備的功能性進行不斷完善，并且提升二者之間的契合程度，從而對原有工程機械匹配與控制系統進行逐漸優化，保證燃油價值得到有效發揮，徹底改變工程機械運行過程中的“冒黑煙”現象[6]。

2.3再制造技術

再制造技術是節能減排理念在機械設計中的重要體現，其主要是指報廢的產品經過一系列加工修復之后產生與原有產品一致品質。通過對再造技術的有效應用可以實現高價值零部件的修復，而表面修復技術則是在制造技術的核心組成部分。目前來看，我國工程機械中所應用到的再制造技術可以實現在原有制造成本的基礎上降低50%左右，并且其能量消耗降低40%左右，其具有較為理想的節能減排效果。美國、日本等發達國家在再制造產業方面的起步時間較早，其發展較為迅速，早在20世紀30年代初期便開始踐行再制造發展道路。例如，1932年美國的福特公司創造了第一個再制造企業，提升了再制造產品的規模以及制造過程規范化程度[7]。而與發達國家相比較，我國的再制造技術發展時間相對較晚，由于我國工程機械行業內部所涉及到的相關機械設備價格較為便宜，并且人工費用較低，這也使得再制造產業成本動力不足。隨著我國有關在制造產業政策的不斷出臺以及完善，夏工、廣西玉柴以及徐工等多個大型機械化工企業都開始積極發展再制造產業，其在此方面的資金投入、人力資源投入力度也在不斷加大，使得我國再制造產業體系不斷趨于完善。但與此同時我們發現，在21世紀的今天，我國再制造產業的發展依然面臨著諸多挑戰，例如缺少完整的、成熟的應用標準支持，再加上當前還有少數企業處于在制造技術試點階段，難以推廣到整個企業運行中。并且，部分業內人士往往對再制造技術的認知較為淺顯，自身再制造意識不強，這也使得一部分大型工程機械設備出現了荒廢擱置的情況[8]。因此，今后應該注意盡快出臺相應的再制造產品稅收減免政策，進一步推行更為完善的產品再制造工藝流程，從而使得機械生產效益得到保證，進而促進企業整體發展。

3未來工程機械節能減排輕量化設計展望

對于傳統的工程機械結構來說，在實際展開設計過程中，應該注意對產品自重問題進行針對性解決，通過這種方式來實現對其能耗情況的進一步控制。例如，裝卸機鏟斗在作業中發揮出了重要作用，其在作業過程中受到阻力僅僅由鏟斗結構進行抵消，往往很難發揮出理想效果，并且還要承受自身重力及物料重力，很多設計人員在對這一結構進行設計時，往往沒能夠充分考慮到作業阻力、插入角度阻力、自重所產生的阻力等，這也使得裝載機鏟斗結構在作業過程中無法發揮出理想效果。很多設計人員都應用前蘇聯的經驗公式法來確定當前裝載機所需要的最大牽引力，這種方法需要修正的系數較多，并且與物料種類、物料形狀以及鏟斗寬度等多項指標信息有直接關系，這也使得裝載機鏟斗很難實現有效的節能減排設計。因此，今后再進行類似工程機械裝置設計時，應該借助離散元素法來對作業物料以及物料之間所產生的相互作用力進行深入分析，以此為基礎確定裝置作業阻力以及裝飾荷載情況。同時，還應該應用有限元方法，將作業過程中所產生的阻力精準施加到節點上，從而保證各零部件在工作狀態下所受外力較為均勻。并且，還應該通過材料選擇優化的方式來促進其結構輕量化設計工作的有效開展，這也是降低大型機械結構的關鍵手段，保證其節能減排效果[9-10]。

4結語

總而言之，現階段我國能源消耗以及環境污染情況日益嚴重，正面臨著能源枯竭的發展窘境，在這樣的時代背景之下，將節能減排理念全面融入工程機械設計中非常重要，是促進我國工程機械行業以及社會整體可持續發展的關鍵路徑之一。今后，應該注意將節能減排理念以及技術應用到工程機械設計中，使其與機械設計各個關鍵點進行有效融合，積極發掘當前機械節能減排核心技術尚且存在的不足之處。同時，還應該進一步落實輕量化設計理念，從而減小工程機械作業阻力，這也有利于對工程材料、能源成本進行有效控制，是促進工程機械行業健康發展的關鍵。

參考文獻

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