淺析機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理的分析與應(yīng)用

1、淺析機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能基本原理的分析與應(yīng)用摘 要：在機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中，一定要遵循節(jié)能原則，充分改變機(jī)械系統(tǒng)的動能輸出及勢能變化，盡量減小機(jī)械的無用功，充分利用機(jī)械功率，以達(dá)到節(jié)能的目的。本文著重分析機(jī)械設(shè)計(jì)過程中節(jié)能的基本原理，以及在實(shí)際生活中應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；節(jié)能原理；實(shí)際應(yīng)用1 機(jī)械設(shè)計(jì)概述所謂的機(jī)械設(shè)計(jì)就是對所有部件和整體的配合進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程，整個過程都要遵循機(jī)械應(yīng)用的原則，大到整個機(jī)械設(shè)備的配合及運(yùn)行，小到每個工作零件的選材、大小及潤滑等，都要你按照其運(yùn)行的基本原理進(jìn)行構(gòu)思設(shè)計(jì)。對不同用途的機(jī)械，要利用不同的原理進(jìn)行相應(yīng)功能的設(shè)計(jì)。2 現(xiàn)代的機(jī)械生產(chǎn)模式2.1能適應(yīng)市場批量生

2、產(chǎn)的要求?，F(xiàn)在的市場對機(jī)械產(chǎn)品的需求量很大，相應(yīng)的生產(chǎn)周期也在不斷減小。這對傳統(tǒng)生產(chǎn)模式是一種挑戰(zhàn)，因此，機(jī)械生產(chǎn)的方式以及觀念都發(fā)生了很大變化。目前，生產(chǎn)企業(yè)都使用了自動化控制技術(shù)，再加上多媒體技術(shù)的輔助，為企業(yè)帶來了極大的益處。2.2引進(jìn)全新的技術(shù)，完善現(xiàn)在的生產(chǎn)模式。目前，單一的生產(chǎn)技術(shù)已跟不上市場的腳步，必須要將多個領(lǐng)域的技術(shù)綜合起來，以很好地適應(yīng)社會。在機(jī)械制造行業(yè)，傳統(tǒng)模式以人工操作的方式為主，這樣不僅生產(chǎn)速度慢，而且容易出現(xiàn)差錯，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量較差，此外，對能源的浪費(fèi)也很嚴(yán)重。 當(dāng)下的生產(chǎn)模式中，加工車間的安全也是一個重要問題，工人一旦操作失誤，不僅會危及人身安全，而且會影響產(chǎn)品質(zhì)

3、量，導(dǎo)致整個生產(chǎn)過程面臨誤工，耽誤整體產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。3機(jī)械設(shè)計(jì)能源浪費(fèi)的原因3.1設(shè)計(jì)者水平有限機(jī)械設(shè)計(jì)需要有專業(yè)的設(shè)計(jì)知識，這就對設(shè)計(jì)者有十分高的技術(shù)要求。當(dāng)然能夠進(jìn)行設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)者基本都是有一定的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的人員。但我們不能說所有的人員都具有比較高的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識，畢竟時(shí)代在發(fā)展，知識在更新。每個設(shè)計(jì)者原來的知識基礎(chǔ)或者十分堅(jiān)實(shí)，但隨著知識的更新，很多原來的設(shè)計(jì)者不愿意去學(xué)習(xí)，就導(dǎo)致原來的設(shè)計(jì)思路不能適應(yīng)現(xiàn)在的設(shè)計(jì)要求。這就使得很多設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的時(shí)候有脫節(jié)的現(xiàn)象產(chǎn)生，進(jìn)而使得設(shè)計(jì)的不合理。從而導(dǎo)致機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能的無法實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致所完成的設(shè)計(jì)不能滿足節(jié)能減排的新要求。3.2技術(shù)的要求不能滿足設(shè)計(jì)我國

4、的現(xiàn)在教育有很多的弊端，其中應(yīng)試教育就導(dǎo)致很多人缺乏動手的能力。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們不單單要考慮到設(shè)計(jì)者的技術(shù)水平，更要考慮到設(shè)計(jì)者的動手能力。而且機(jī)械設(shè)計(jì)所要滿足的要求很多，單單從一個方面的考慮遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求。所以，對于設(shè)計(jì)中的技術(shù)要求，要是十分的嚴(yán)格和苛刻。只有做到技術(shù)水平十分突出，能力也十分強(qiáng)的設(shè)計(jì)者，才能真正的滿足設(shè)計(jì)的基本要求。才能在既滿足實(shí)用性的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)環(huán)保及節(jié)能。3.3節(jié)能理念的缺乏對于節(jié)能的要求，提出的時(shí)間不是很長，而且節(jié)能要求十分難以把握。機(jī)械設(shè)計(jì)所兼顧的不單單是經(jīng)濟(jì)因素，但經(jīng)濟(jì)因素對于機(jī)械設(shè)計(jì)的影響確實(shí)最大的。很多制造商沒有節(jié)能的理念，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的時(shí)候沒有節(jié)能的考慮

5、因素。這就使得設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的時(shí)候也會忽略對節(jié)能的設(shè)計(jì)要求，僅僅注重于實(shí)際的運(yùn)行效果以及穩(wěn)定性經(jīng)濟(jì)性。4 機(jī)械設(shè)計(jì)的節(jié)能基本原理 所謂機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能的基本原理就是對設(shè)備的動能輸出以及勢能和其消耗的無用功進(jìn)行整理，并進(jìn)行函數(shù)分析，總結(jié)出該如何進(jìn)行設(shè)備的節(jié)能設(shè)計(jì)。4.1動能方面的節(jié)能分析 在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，工程師一般都考慮動能變化對輸出功率的影響，調(diào)節(jié)改善設(shè)備的波動、使用周期及加工精度，很少改善其給系統(tǒng)帶來的影響。因此，筆者主要在這一點(diǎn)上進(jìn)行研究改善。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的動能并沒有完全開發(fā)出來，這主要是因?yàn)樵诩庸み^程中，動能沒有及時(shí)進(jìn)行回收并轉(zhuǎn)化。本著節(jié)能原則，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動能變化范圍，盡可能地縮小范圍。4.2在

6、輸出力方面的節(jié)能分析不同工作要求的機(jī)械設(shè)備在工作過程中的輸出力是不同的，即使是相同的機(jī)械設(shè)備在不同過程要求下輸出的力也不完全相同。因此，要在節(jié)能方面進(jìn)行改善。 導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備在工作過程中輸出力偏高的因素主要是在很短時(shí)間內(nèi)，力的變化波動比較大，在函數(shù)中表現(xiàn)為周期函數(shù)。只要把輸出力的波動變化范圍縮小，變化越小，節(jié)能的效果也就越好。4.3降低無用功，節(jié)省能源無論何種機(jī)械設(shè)備，都不可避免地會有摩擦以及其他阻力，這些阻力都或多或少地產(chǎn)生無用功。這些都和設(shè)備在設(shè)計(jì)過程中采用的零件精度以及潤滑方式有很大關(guān)系。這些無用功都對設(shè)備的使用效率產(chǎn)生極大阻礙。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮節(jié)能因素，最大限度地減小無用功，提

7、升設(shè)備的使用率。4.4節(jié)能原理的分析總結(jié)節(jié)能的方法主要就是在動能、輸出力以及減小無用功等方面對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。簡單地說，就是工程師在設(shè)計(jì)的過程中，把系統(tǒng)的一些參數(shù)變化維持在一個盡可能小的范圍內(nèi)，就可以極大地節(jié)省能源。但這點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來極為不易，是所有工程師長期奮戰(zhàn)的目標(biāo)。5機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能原理的實(shí)際應(yīng)用由于機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能的基本原理主要涉及質(zhì)點(diǎn)以及動能定理，因此，由質(zhì)點(diǎn)組成的對象都可以利用，其適用范圍寬泛。5.1動力源 發(fā)動機(jī)是機(jī)械設(shè)備的主要動力源，在機(jī)械節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意提高機(jī)械設(shè)備電能、動能、勢能、熱能等相互之間的轉(zhuǎn)化率，由此需要盡最大努力減少發(fā)動機(jī)的輸入功率、增大發(fā)動機(jī)的輸出功率。在實(shí)際的生活當(dāng)中

8、，啟動和減速這兩個階段主要體現(xiàn)了這一設(shè)計(jì)原理。5.2在設(shè)計(jì)時(shí)注意減少各部位之間的摩擦機(jī)械設(shè)備個零件部位之間的摩擦力過大就會導(dǎo)致資源損耗大的問題。機(jī)械設(shè)備是通過齒輪、動力傳送帶等傳送設(shè)備將發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的動力運(yùn)送到所需部位而運(yùn)轉(zhuǎn)起來的，在這個過程中，如果摩擦力過大，就會損失一部分動力，造成資源浪費(fèi)，因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定要盡量減小各個部位的摩擦力。例如，加強(qiáng)零件之間的潤滑等3。5.3注重功率匹配節(jié)能機(jī)械設(shè)備在不同的應(yīng)用環(huán)境下所需要的功率大小是不一樣的，合理的研究和分析在不同的應(yīng)用環(huán)境下功率需求的大小至關(guān)重要，這可以為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)功率提供依據(jù)。在機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，要注意經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益相結(jié)合，可以設(shè)

9、計(jì)不同的擋位根據(jù)實(shí)際所需功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此應(yīng)對不同的應(yīng)用需求。5.4該節(jié)能原理在升降機(jī)械力的應(yīng)用升降機(jī)械在實(shí)際工作中消耗的功率較大，產(chǎn)生的無用功也較大，因此，要在節(jié)能方面進(jìn)行改善。改進(jìn)前，要先研究消耗的原因，大部分功率的消耗都發(fā)生在設(shè)備提升以及下放物體的過程中。一般來說，在設(shè)計(jì)升降機(jī)械前，一定要標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)合電梯的設(shè)計(jì)原理，加入機(jī)械設(shè)計(jì)的節(jié)能原理。在升降機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用升降機(jī)械與其他機(jī)械相比，消耗功率的主要特征是貨物和人的重量（有勢力）在提升或下降的勻速運(yùn)動過程中均要消耗功率。工程實(shí)踐證明，以相同的速度提升質(zhì)量相等的重物，按照電梯標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算設(shè)計(jì)的曳引驅(qū)動機(jī)構(gòu)所消耗的功率比傳統(tǒng)卷揚(yáng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)要小得多。

10、若按“系統(tǒng)勢能為常量或在最小范圍內(nèi)變化”設(shè)計(jì)升降機(jī)械或電梯，可得平衡升降機(jī)和平衡電梯設(shè)計(jì)方案。在平衡升降機(jī)中，若用Q（t）表示提升物體的質(zhì)量，用P表示自重不變的配重，用r1表示升降貨物卷筒的半徑，r2表示升降配重卷筒的半徑，若要平衡升降機(jī)的系統(tǒng)勢能為常量，則必須滿足式Q（t）r1=Pr2（公式1），雖然Q（t）為變量，但可采用自動變速機(jī)構(gòu)改變傳動比，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)勢能為常量。在平衡電梯中，若用Q（t）表示轎廂和水箱自重以及隨人數(shù)變化載質(zhì)量，P（t）表示配重和水箱自重（變量），曳引輪與導(dǎo)向輪半徑相等用r表示。平衡電梯在工作時(shí)，當(dāng)進(jìn)入轎廂人的質(zhì)量為q1，轎廂下水箱里將有p1重的水進(jìn)入配重下水箱。電梯空

11、載時(shí)，Q（t）=QP（t）=P，電梯工作時(shí)Q（t）=Q+q1-p1，P（t）=P+p1，將其代入式（公式1），則可求得轎廂下水箱里水進(jìn)入配重下水箱的質(zhì)量?？梢钥闯鲇赊I廂水箱進(jìn)入配重水箱水的質(zhì)量只是人質(zhì)量的1/2。現(xiàn)對卷揚(yáng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)、曳引驅(qū)動機(jī)構(gòu)和平衡升降機(jī)或平衡電梯所需要的電機(jī)功率進(jìn)行對比，可以看出平衡升降機(jī)或平衡電梯顯然要比曳引驅(qū)動機(jī)構(gòu)要小。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，卷揚(yáng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)系統(tǒng)勢能在最大范圍內(nèi)變化，曳引驅(qū)動機(jī)構(gòu)系統(tǒng)勢能在較小范圍內(nèi)變化，平衡升降機(jī)或平衡電梯的系統(tǒng)勢能為常量或在最小范圍變化。由此可知，當(dāng)系統(tǒng)勢能為常量時(shí)，該機(jī)構(gòu)節(jié)能效果最為明顯。5.5在加工型設(shè)備中的應(yīng)用加工型機(jī)械設(shè)備在實(shí)際生活中較為

12、常見，其在加工過程中消耗的能源也最大，因此，該類設(shè)備的節(jié)能尤其重要。以牛頭刨床為例，該設(shè)備主要由一個質(zhì)量很大的主軸來操作其穩(wěn)定運(yùn)行，要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能，就要降低輸入的功率，結(jié)合機(jī)械原理，再增添一個該裝置，設(shè)備的功率變?yōu)樵鹊?倍，以提升功率，節(jié)省能源。5.6該節(jié)能原理在大壓路機(jī)上的應(yīng)用大型壓路機(jī)的輪子表面并沒有嚴(yán)格按照周期函數(shù)來表現(xiàn)，其變化范圍較大。這在無形中阻礙了節(jié)能設(shè)計(jì)。因此，要想真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能，就要把沖擊輪的勢能在重心處于最低處時(shí)的變化縮小在一個最小區(qū)間，區(qū)間越小，節(jié)能效果越好。6對做好機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能的建議6.1重視人才培養(yǎng)，學(xué)習(xí)和運(yùn)用新技術(shù)機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能涉及的知識范圍很廣，專業(yè)性很強(qiáng)，因此，對設(shè)計(jì)

13、人才的專業(yè)性要求很高。機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能需要大量的設(shè)計(jì)人才，人才是進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能的核心基礎(chǔ)，加強(qiáng)人才的培訓(xùn)是重中之重。1.在學(xué)校招聘高材生。2.企業(yè)加強(qiáng)對設(shè)計(jì)人員的培訓(xùn)。另外，技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能的必要條件，在機(jī)械設(shè)計(jì)中既不能超越實(shí)際的技術(shù)發(fā)展水平，又不能完全不敢突破，要積極學(xué)習(xí)和運(yùn)用新技術(shù)。促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能水平的提高。6.2重視設(shè)計(jì)選材環(huán)節(jié)，優(yōu)先選擇環(huán)保型材料和環(huán)保型發(fā)動機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)都會對機(jī)械使用的材料做明確的說明。在機(jī)械節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，要優(yōu)先選擇可回收、無污染、易處理的環(huán)保型材料。另外，其實(shí)機(jī)械設(shè)備最大的污染部位就是發(fā)動機(jī)，選擇油耗低、排放低、使用壽命長的發(fā)動機(jī)，減少發(fā)動機(jī)尾氣排放量，對機(jī)械設(shè)計(jì)

14、節(jié)能具有重大意義，比如可以選擇環(huán)保型水冷增壓柴油機(jī)或者是電控發(fā)動機(jī)。6.3加強(qiáng)電子控制系統(tǒng)的精確化控制使用電子控制系統(tǒng)對機(jī)械進(jìn)行精確的控制是機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能的重要措施。電子控制系統(tǒng)可以對機(jī)械的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)管和控制，通過智能化的判斷控制發(fā)動機(jī)的功率輸出，有利于減少消耗，使之達(dá)到最佳標(biāo)準(zhǔn)。另外，電子控制系統(tǒng)還可以進(jìn)行自我檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和并處理問題，有利于延長機(jī)械的使用壽命。6.4加強(qiáng)液壓系統(tǒng)的清潔和防漏工作機(jī)械消耗大的一個主要原因就是機(jī)械設(shè)備的磨損和腐蝕嚴(yán)重。機(jī)械設(shè)備磨損和腐蝕嚴(yán)重是因?yàn)橐簤合到y(tǒng)的污染物較多。另外，浪費(fèi)資源最大的原因是液壓系統(tǒng)滲漏而，因此，進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)液壓系統(tǒng)的清潔和防漏工作。針對液壓系統(tǒng)的污染物問題，可以加裝一個高性能的過濾設(shè)備。對于液壓系統(tǒng)滲漏問題，可以選用防滲漏的材料等6。7結(jié)語現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能原理主要是利用降低輸入，提高效率的方式方法來達(dá)到目的。在現(xiàn)代生產(chǎn)基礎(chǔ)上，添加新的設(shè)計(jì)觀念，完善實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)模式，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的一個關(guān)鍵性問題。在機(jī)械設(shè)計(jì)加工行業(yè)內(nèi)減輕能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，是目前市場上機(jī)械行業(yè)發(fā)展的一個趨勢。參考文獻(xiàn)：1 方永鋒，陳建軍，曹鴻鈞.多次隨機(jī)作用下可修復(fù)的k/n表決系統(tǒng)