可持續發展背景下的機械制造與設計

李正帆，王偉偉

（中鐵大橋（鄭州）纜索有限公司，河南 鄭州 450000）

機械制造業是一個國家技術和社會進步的基礎工業，機械制造業是指把現有的資源和能源，通過制造業轉變成可以被人類使用的工業化產品或生產性消費品的行業，在進行機械制造的過程中會生成很多的廢棄物，其中有材料廢棄物、能源廢棄物、產品使用結束后的廢物等。這些廢棄物的出現已成為我國城市環境污染的重要污染源，要想從根本上解決此現象，實現可持續發展目標，就必須在機械制造與設計環節上制定相關防治手段，以解決我國機械制造業所產生的環境污染問題。

1 可持續發展綜述

1.1 可持續發展理念

隨著我國社會經濟的快速發展，生態環境遭受了一定程度的破壞，導致諸如氣候變化，水資源短缺，生物多樣性減少等一系列問題。可持續發展戰略已成為國際社會的普遍共識，它意味著人類必須在經濟、社會、環境等各方面取得發展均衡，在保證現有需求的前提下，不損害后代人的利益。可持續發展理念產生于20 世紀60 年代，在近幾年得到了普遍的認可和關注，其核心思想是把人的發展與生態系統需求、資源利用、環境污染和廢物處置等有機結合起來，以實現可持續發展的目的。可持續發展理念包括三個層面：經濟發展、社會進步、環境保護[1]。就經濟發展而言，要實現可持續發展，必須構建一種新的、可持續的經濟發展模式，在不對生態和資源進行破壞的前提下，構建復合產業結構，發展綠色生態產業，節約能源，是實現可持續發展的重要途徑。從社會發展的角度看，要想實現可持續發展，就必須建立公平、合理的社會分配制度，推動城鄉一體化，促進教育、文化和衛生等社會資源的統一。從環境保護角度看，要樹立“綠色生產、生態先行”的理念，對已有的天然資源進行保存與恢復，提倡自然環境保護與生態修復技術，在可持續發展過程中，還必須采取諸如減少環境污染，減少礦物燃料消耗等環保措施。這對于解決環境問題，減輕社會壓力，推動經濟發展有著十分重要的作用，期望更多的國家和企業可以認識到可持續發展的重要意義，為實現可持續發展目標做出貢獻[2]。

1.2 可持續發展設計特點

1.2.1 持續性

企業可持續發展設計的持續競爭力是通過持續創新和持續學習培養出來的，是能夠不斷地滿足各利害關系方需求的設計。

1.2.2 生態性

在企業的可持續發展設計中，既包含傳統技術創新設計、學習產品設計能力，又包含引入綠色設計理念，注重綠色文化、綠色創新和綠色市場營銷能力的培養。

1.2.3 協同性

企業可持續發展著重于培育和競爭對手之間的協同性，將企業的發展從過去封閉的、自我學習的狀況中解脫出來，與競爭者進行更多的合作，從而實現共贏或者多贏。

1.2.4 公平性

企業可持續發展的公平性主要體現在對企業的公平選擇上，其中包含兩個層面：一是代際公平性，也就是企業在當前和將來利益相關者之間實現的縱向公平；二是現代企業中各利益主體之間要滿足橫向公平。

2 機械制造與設計中的環保問題

我國機械制造行業仍停留在傳統的高能耗、高投入、“三廢”大量排放、對生態環境造成巨大影響的道路上，每一種機械產品的設計與加工，都會釋放出大量污染環境的廢物。傳統制造業通常是單純從經濟效益出發來進行制造流程設計的，在進行產品的設計時，主要將重點放在了產品的功能和質量上，在生產中只是一味地追求高效益、低費用，以低成本高收益的思想來進行機械產品的設計[3]。隨著新型、高效的先進生產技術的出現，機械制造業也得到了迅速的發展，機械產品更新換代周期的不斷縮短，使得大量的垃圾廢物被排放，已經遠遠超出了人們賴以生存的生態系統的極限，嚴重阻礙到社會、經濟的可持續發展。就環保而言，機械制造業面臨的主要問題可以分為以下幾點：

1.廢棄或未使用設備的循環和重復使用效率不高：隨著數控機床、加工中心以及FMS/CIMS 技術的廣泛使用，使得大部分的機床設備逐漸退出歷史舞臺，如何對老舊的機械進行技術改造成為需要思索的問題之一。

2.能耗大、原料資源浪費大：我國機械制造業生產技術不夠先進，且大部分企業的環境保護意識不強，傳統的工藝水平無法對我國能源和資源實現有效利用，經常會造成大量的資源浪費。

3.產品重復使用效率不高：在很長一段時間內，我國的工業企業一直遵循著“產出-流通-報廢”的開放式循環進行生產，在制造過程中，幾乎沒有對廢舊產品進行循環再利用，尤其是機械制造的循環利用率更是低下[4]。

4.生產中所形成的廢物沒有進行無污染處置：很多企業只關注于生產中的低投入和高效率，而忽視生產中所用設備和原料造成的環境污染問題。高能耗、高污染的制造工藝仍然被大量且廣泛地應用著，利于環境保護的技術因其高昂的使用費用被遺忘，企業雖然獲取了高額的收益，但人們生活的生態環境卻受到了嚴重的破壞。

3 可持續發展背景下的機械制造與設計

3.1 統一機械功能與形態

機械產品同一切人造的產物一樣，都是用來滿足人們需求的，作為功能性的載體，通常都會有一種形式，這種形式常服從于功能的需求，且風格也是通過更好地實現和方便的操作來確定的。但這兩個要素往往存在著沖突，設計者只注重其中的某一方面，而忽視另外一方面。例如，形態設計人員過分注重外形設計，忽視產品的功能性，容易落入“為設計而設計”的圈套中，工藝設計人員總是專注于把功能做好，卻忽略造型設計，落入“粗大笨重”的泥潭中[5]。在設計領域，人們普遍傾向于采用極簡主義的形式，以求達到“功能與形態之間的協調”。隨著現代產品機械加工技術的日趨完善，其性能的實現多依賴于微小的、可內置的元件，例如高集成度的線路板。在生產過程中，設計人員可以通過LCD 與使用者進行信息交流，這種技術的產生，一方面促進了產品微型化的發展，另一方面也促進了產品結構簡單化。近些年，科技的飛速發展使機械產品的生產過程發生了翻天覆地的變化，功能與現實、投入與產出的協調一致其實就是一種誠信的設計理念，唯有如此，機械制造與設計才能滿足可持續發展的需求。

3.2 滿足適宜性使用原則

對可持續發展理念產生積極作用的設計，是可以有效促進經濟發展的，只有投入、產出之間達到均衡設計出來的產品才能滿足適宜性的使用原則，適宜的設計方式，既可以滿足設計師的需求，又能滿足使用者的需求。設計人員在進行機械產品設計時要考慮到使用的適宜性，讓使用者在使用過程中最大限度地發揮其功能，避免浪費和對環境造成污染[6]。在進行設計時要遵循以下幾點要求：

1.產品的設計應以滿足使用者需求為基礎，不能為了追求某種功能而犧牲其他功能。

2.在考慮經濟因素時考慮使用對象的實際喜好，并以此作為衡量使用效果的重要依據，以最小的資源消耗為前提，綜合考慮機械產品的制造成本和使用成本。

3.產品設計應盡可能使用戶容易操作、快速裝配、減少拆卸次數。

4.機械產品在設計時必須滿足生產安全性和使用安全性的要求，設計人員在進行機械產品設計時要考慮到材料的選用、結構設計、內部布線和元件布置、人機工程學、人機界面設計等。

5.設計人員在進行機械產品設計時，還要考慮到產品質量保證和性能測試，并將其作為評估該機械產品性能的依據。

3.3 合理選擇材料種類

設計人員在選擇材料時必須考慮其對環境的影響，還要考慮到使用過程中的可回收性、可分解性、可再加工性、可修復性，盡量選用對環境影響較小的材料。在設計過程中可以使用清潔能源如太陽能、風能等，減少對大氣和水的污染，或者選用固體廢棄物作為原料，設計時利用可熔性較高的合金或復合材料作為零件材料，這樣可以有效節省貴重金屬資源。選用無污染或少污染、資源消耗少、能源消耗低、價格便宜以及回收處理容易等優點的環保材料，也可以選擇可降解或易降解材料，以減少對環境的污染[7]。選擇的結構形式和結構材料必須合理，相關人員要充分考慮到產品的經濟性和適用性，盡量減少產品原材料的使用量。使用成熟可靠，制造工藝簡單，容易實現自動化或半自動化生產的工藝，同時也要考慮到產品生產過程中對環境質量如噪聲、廢氣排放等可能產生的影響。

3.4 遵循綠色可回收原則

綠色設計主要以可持續發展思想為指導，在設計和制造過程中要充分考慮產品的使用壽命、生態效應和資源消耗，減少對環境的污染，實現資源利用最大化。綠色設計可以通過使用無毒、無害、無污染的材料，采用可拆卸、可回收或易拆卸的設計方法來減少廢物的產生量。可再制造性設計是實現回收再利用的重要方法之一，可以有效提高資源利用效率，減少機械制造過程中廢物的排放量。設計人員在進行機械產品設計時可以適當減少零部件數量，縮小零部件尺寸，針對功能單一、體積大的零部件使用標準化設計。不同用途和材質的零件，要將其歸類，盡可能使其標準化、系列化，以便重復使用與維護，各類可重復使用的零件，既可以通過簡易的機械加工、循環使用，也可以通過其他方式進行修理、再生。

3.5 保障功能的多樣性

隨著科技的不斷發展，機械產品的功能拓展越來越豐富，設計人員在進行功能多樣性設計的時候，也要注意到其帶來的負面影響，例如在保護環境的機械設計中，盡管對產品的性能需求不變，但是在生產過程中對材料的選用和加工過程的需求發生了變化，當采用不太清潔的原材料和工藝時，可能會引起能源和環境污染，進而降低產品的功能性。因此，從可持續發展的角度來看，機械產品必須實現其功能的多樣化和合理化，從功能上來說，產品可以分為兩大類：一類是機器類，如各類機床、加工中心、儀器儀表等；另一類是其他機械，如各種運輸車輛、建筑機械、設備制造等。這兩類產品的結構形式不同，要求設計者在進行產品設計開發時，根據市場需要和使用者對產品功能多樣化的需求進行合理設計。例如，在農業機械中有拖拉機和聯合收割機兩種，拖拉機主要用于耕地、播種和收割農作物，聯合收割機則用于谷物的粉碎、脫粒和輸送。根據使用者對拖拉機功能需求的不同，可以將其設計成手扶拖拉機、輪式拖拉機和履帶式拖拉機三種。傳統的機械產品設計開發，往往只重視產品結構、工藝等方面，十分容易忽視市場環境的變化，導致產品的市場營銷能力受到限制。采用智能化技術則可以有效解決這一問題，傳統機械設計過程中往往需要設計師根據自身經驗進行判斷，存在很大的主觀隨意性，應用智能化技術可以通過計算機輔助設計手段快速發現產品中存在的問題，并對設計方案進行快速優化和調整。制造過程中所用設備、工藝和材料大多是相同或相近的，設計人員可以通過智能化技術來對產品制造過程中所用的設備和材料是否與現有工藝相匹配進行分析，有效避免由于其不同而導致設計出現問題。除此之外，智能化技術在機械設計開發中的實際應用還可以提高產品的市場適應性，通過對市場環境和使用者要求等方面進行分析后，有針對性地選擇相應的產品結構、工藝以及設備和材料，滿足使用者對產品功能多樣性的實際需求。

4 結語

機械制造是我國經濟發展的重要組成部分，機械制造與設計不但可以給人們提供更加環保的機器、裝備和產品，還可以對人類依賴的生態環境和資源進行有效的保護，從而促進社會的可持續發展。我國政府對此已經作出了鄭重的保證，表明要尋找一條人口、經濟、社會、環境和資源和諧發展的可持續發展之路，這不但有助于社會生活環境不斷地得到提高，對于機械制造與設計來說，也是一種必要的途徑。