節能設計理念在機械制造及自動化中的應用

姚建斌

（山西太鋼工程技術有限公司，山西 太原 030009）

1 機械制造及自動化中運用節能設計理念的必要性

首先，節能設計理念的運用體現在控制能源消耗問題。當前工業化發展腳步迅速，我國工業能源消費總量于2015年至2019年間呈現明顯上升趨勢，由統計數據可了解到2015年消費總量為295953萬噸標準煤，截至2019年已增長至322503萬噸標準煤，增長幅度達到8.97%[1]。能源消耗量的增加對工業制造業產業提出了更高的要求，迫切需要以節能設計理念為理論指導，優化機械制造及自動化過程，從能源消耗控制、環境保護等方面制定可行性較強的技術方案，實現整體產業的可持續發展。例如，發揮節能設計理念優勢，實現機械設備及其零部件的回收再利用，減少設備生產能源消耗，降低生產成本，滿足行業可持續發展需求。

其次，充分運用節能設計理念能夠實現生產投資的有效控制。在機械制造及設計環節發揮節能理念優勢，合理控制生產成本投入，減輕企業在資金方面的壓力。在設計和制造環節中，最大限度重復利用資源，在對生產工藝予以優化的同時，減少資源投入量，以質量為基礎使所獲取的經濟效益更高，為企業長久穩定發展提供保障。

最后，發揮節能設計理念優勢更加有利人與自然的和諧發展。當前在諸多因素影響下，人們賴以生存的自然環境（大氣環境、水資源、土壤資源）受到嚴重污染[2]。將節能設計理念融合在機械制造及自動化領域中，能夠在滿足企業生產發展需求的基礎上，減少對生態環境的不良影響，達到資源節約型、環境友好型的和諧發展現狀。

2 山西省某機械制造業企業概況分析

山西省某機械制造企業成立于2003年，隨著近些年來機械制造領域的快速發展，加上信息技術、自動化技術等先進技術的成熟運用，使其機械制造及自動化水平得以明顯提升，為推進企業發展注入了更多的活力。近年來高速發展背景下，該企業在機械制造及自動化方面取得了諸多成就，但在產業發展過程中仍然面臨著諸多的限制因素。表現最為明顯的即能源消耗量大的問題，企業高速發展的同時由于對節能設計理念缺少重視，導致嚴重的生態環境污染及能源短缺。特別是《中國制造2025》“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”方針政策的提出[3]，更是對該企業機械制造及自動化節能理念設計的轉型發展提出了更高的要求。實現機械制造及自動化節能設計的同時，將節能設計理念充分融入到機械制造各環節，降低能源消耗實現企業的可持續穩定發展，這是目前機械制造業的選擇。

3 山西省某機械制造業企業機械制造及自動化中節能設計理念的應用路徑

3.1 明確節能設計理念應用思路

該企業為實現機械制造及自動化的節能設計將節能理念貫穿始終，即從產品設計至機械生產的全流程的節能設計。首先在產品開發環節對其可回收性予以充分考量分析，考慮機械設備在使用壽命終止時刻能否具有回收利用價值，減少對環境的影響。在傳統設計理念下，往往側重機械設備的生產質量及使用壽命，在回收利用時較為困難，在壽命終止時只能通過報廢途徑處理，不僅對保護生態環境帶來不利，同時也導致生產原材料的大量浪費，和節能設計理念相違背。該企業為充分發揮節能設計理念優勢，清晰梳理節能設計理念應用思路，總結見表1。

表1 山西省某機械制造業企業節能設計理念應用思路

3.2 優化生產工藝

企業在優化生產工藝時，首先要求相關從業人員具有較強的責任意識，確保能夠對機械制造生產過程中所面臨的能源資源利用率低、能源消耗量大且環境污染嚴重等問題予以更好的處理，在生產環節實現低碳環保、節能減排。優化生產工藝其從機械設計、產品結構以及產品功能等方面入手。優化機械設計過程中，發動機在機械系統中具有不可替代的關鍵作用，通過對發動機結構予以節能理念設計，降低發動機運行過程中的能源消耗，節約資源利用，保護環境，提高企業生產的綜合效益。在優化產品結構和功能方面，持續優化機械設備及結構的函數，降低高耗能設備的使用頻率，減少能源浪費，實現資源的充分利用。

（1）從動力設備的實際運作情況入手，以能源轉化為手段提高資源的綜合利用效率，確保機械設備能夠穩定運行。

（2）以設備在功能結構設計方面的要求為基礎，明確動力設備類別。

（3）明確合理的額定參數，在設計中優選低能耗設備。

其在對生產工藝予以優化的同時，對各項工藝流程予以全方位優化。一方面以實際情況為基礎條件，優選最適合的加工工藝。在加工單一零件時，充分考慮其和設備間的配合度，保證機械設備運行的高效性與穩定性。通過工藝流程的優化，機械制造及自動化設備生產過程的能源消耗，在保證運行效率的基礎上實現能耗的有效控制，降低后期維護難度。

3.3 選擇使用新型材料

該企業機械制造及自動化過程中，充分認識到影響機械產品制造過程能源消耗水平和環境污染程度最大的因素為生產材料的節能性。因此在運用節能設計理念下，將使用新型環保材料作為重點。

首先，在材料選取環節，對相關從業人員的環保意識有著更高的要求。特別是當前時代強調可持續發展理念，其所選用的材料要求具備可回收、可再生或可降解等性能且需確保無毒無害，在使用時不會對環境污染及人體健康產生影響[4]。其所選用的材料側重可循環利用性，使資源利用率得以明顯提高，以達成節能環保的生產目標。

其次，為減輕機械設備自身質量，提高后續裝配、搬運過程的便利度，降低生產制造及設備運轉過程中的能源消耗，優先使用周期長且質量輕的低能耗材料。

最后，為提高機械制造及自動化設計生產的可持續性，該企業在節能設計環節高度重視所選擇的零部件在達到使用壽命后報廢處理是否具有節能性。機制造產品在投入使用一定年限后，其整體將出現不同程度的損壞，將達到報廢處理標準，如圖1所示為待報廢處理的機械設備示意圖。在零部件材料選取設計階段，在保證設備運行性能的基礎上優選可回收的零部件，以減少全生命周期廢棄物的產生。

圖1 待報廢處理的機械設備示意圖（現場拍攝）

3.4 改進機械結構設計

機械設備制造及自動化實現節能設計的另一關鍵要素體現在設備的內部結構方面，改進機械內部結構以有效控制能源消耗。

在機械制造過程中，該企業高度重視機械效率和節能性兩方面性能的提升，對機械設計予以優化，表現出效果最佳的節能設計。首先，在選擇發動機時，將其是否具有低公害性作為關鍵標準。發動機是機械設備的動力來源，在節能減排背景下對其有著更高的要求。因此在設計環節優選使用環保性能良好的發動機，在運行時噪聲污染低，實現節能降噪。在性能方面能夠提升系統運轉效率，以降低在設備運行階段對環境產生的污染及破壞[5]。其次，對液壓系統予以改進，保證液壓系統使用處于清潔狀態。在節能設計背景下設計人員首先結合設計情況對油料進行選取，將存在油液中的雜質清理干凈，保證液壓系統清潔性。根據設備運行狀況，適當延長液壓系統的換油時間，減少液壓系統被污染的可能。再次，對液壓管予以改進，充分考慮管路的老化、腐蝕現象，將原有的軟管替換為硬管路。最后，合理增設自動加脂裝置。該企業傳統機械制造過程以手動添加潤滑脂為主，在實際添加時不僅消耗著大量的時間成本和人工成本，在加入環節油液流出也會導致空氣環境的污染。因此在節能設計理念下，考慮增加自動化加脂裝置，如圖2所示。根據設備運行情況，對潤滑系統設定定時模式，在達到一定時間間隔后能夠實現自動加注黃油并嚴格控制黃油的加注量，規避了人工加油導致的油液浪費及環境污染問題，滿足節能設計效果。

圖2 自動化加脂裝置（現場拍攝）

3.5 設計使用通用構件

機械產品內部構造復雜，在設計過程中涉及多種零部件，考慮到一旦在使用過程中某一零部件出現了故障損壞，在沒有相應零部件及時替換時，機械產品難以實現正常運轉，影響設備的運轉性能并加大了資源消耗。為有效解決上述問題，在設計階段發揮節能理念優勢，盡量使用通用構件或將特殊零部件通用化，在機械設備出現零部件故障時，能夠及時找到相同的部件予以替換，保證機械產品的正常運轉[6]。此外，機械產品零部件通用化在控制生產成本、提高生產效率方面具有重要意義。在產品設計階段可直接選擇現有的通用零部件，不需要進行特殊的結構設計，降低設計難度，從而縮短機械產品生產周期、提高機械制造生產效率。

3.6 機械調控自動化

在科學技術發展進步背景下，機械產品的設計生產以自動化、智能化為發展趨勢。融合節能理念和自動化調控手段，能夠在高質量、高效率的基礎上完成生產流程，降低機械設備運行階段的能源消耗，提高節能效果。

以該企業某一型號的鍋爐設備為例，在對其生產設計過程中利用通信系統、傳感器設備、執行單元以及單片機構建一套完整的自動化控制系統。在不同時間段能夠實現運行需求分析，根據實際運行工況對運行參數予以自動調整，在發揮鍋爐設備性能作用的基礎上實現節能降耗。另外，機械設備及其自動化的節能設計還在智能化調控方面有所體現。發揮人工智能技術優勢，設備運行過程中能夠做到實時監控運行狀態。根據實際運行工況對設備參數進行調整。一旦設備運轉出現異常能夠聯網報警，檢修人員可及時發現故障并予以處理，提高設備運轉效能。

3.7 實現能源利用結構性分配

該企業為在機械制造及自動化設計中充分發揮節能理念優勢，在設計中充分考慮環保能源的綜合利用。在設計階段構建節能型能源系統，在進行機械制造及自動化相關工作時能夠為其提供進而再生的環保能源，達成節能目標。在制造生產環節，充分利用可循環利用的清潔能源，為機械產品的生產提供非火力發電的清潔能源供應，強化節能設計理念標準。

4 結語

隨著我國對低碳環保理念的重視程度逐漸加大，對各個行業的節能性發展提出了更高的要求。機械制造及自動化作為傳統領域，隨著設計理念的更新，也更應當注重節能環保理念的運用。從優化生產工藝、優選新型材料、改進機械結構、零部件通用設計等方面入手，減少生產制造環節的能源消耗，實現企業的可持續發展。