1、机械工程及技术创新机械产品中的绿色设计机械工程及技术创新结课论文机械工程及技术创新1目录1 机械产品绿色设计的定义及其内涵 .11.1绿色设计的定义 .11.2绿色设计的实质与内涵 .11.3绿色设计创新设计理念 .11.4机械产品绿色设计三要素 .12 机械产品绿色设计与传统设计的对比 .12.1机械产品传统设计 .12.2机械产品绿色设计 .12.3俩种设计方法的对比 .13.绿色设计的主要内容 .13.1材料 .13.2包装 .13.3可回收性 .13.4可拆卸性 .14 机械产品绿色设计中应考虑的主要因素 .14.1产品的功能 .14.2环境保护 .14.3劳动保护 .14.4产品寿命
2、周期成本 .15 机械产品基于绿色创新设计的实现 .15.1产品问题空间的提出 .15.2寻找基于绿色的创新点 .15.3建立设计方案形态学矩阵 .15.4分析、求解和组合方案 .15.5形成产品最终设计方案 .15.6分析产品的技术和功能属性，实现基于绿色原型的创新设计 .16 机械产品绿色设计制造的方法 .16.1 精确成形工艺 .1机械工程及技术创新26.2 高速切削机床 .16.3 工程机械绿色化 .16.4 工作环境绿色化 .17 机械产品绿色设计应用实例 .17.1燃油喷射系统-柴油发动机之芯 .17.2洁净呼吸启动绿色制冷芯 .17.3西安煤机 .18 机械产品绿色设计对现代的影
3、响 .19 机械产品绿色设计的发展趋势 .110 对机械产品中绿色设计的体会与感受 .1参考文献： .1机械工程及技术创新31 机械产品绿色设计的定义及其内涵1.1绿色设计的定义绿色设计(green design)又称为生态设计 (Ecological Design,ED)、环境设计(Design For Environmental,DFE)、生命周期设计(Life Cycle Design,LCD)或环境意识设计(Environmental Conscious Design,ECD)等。它是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，也是可持续发展战略在制造业中的重要体现。它是一个综合考虑
4、环境影响和资源效率的现代设计制造模式。其是指机械产品在产品设计、选材、生产、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期的全部过程中,充分的考虑产品对环境和资源的影响,既考虑功能、质量、开发周期和成本,同时也将可拆卸性、可回收性、可制造性等作为机械产品的设计目标,积极选择与环境友好的材料、机械结构和制造工艺,在使用过程中能耗最低,不产生或少产生毒副作用,使机械产品及其制造、使用和报废后,对环境和资源的消耗影响减到最低。1.2绿色设计的实质与内涵从绿色设计的定义可以看出绿色设计 GD(green design)是实现产品绿色要求的设计，是在世界“绿色设计”中诞生的一种全新的产品设计概念。因此，绿色设
5、计是一种综合了面向对象技术、并行工程、寿命周期设计等的一种发展中的设计方法，包含了产品从概念形成到生产制造、使用乃至废弃后的回收、再利用及处理的各个阶段，即涉及到产品的整个生命周期，是从“摇篮到再现”的过程。绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现在制造业中的体现。其内涵是产品生命周期的全过程均具有绿色性。由此可见，绿色制造的实质是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现，是一种综合考虑环境影响和资源效率的先进的现代制造模式。因此，绿色制造策略对人类社会的可持续发展在现代制造业的体现，是制造业的发展趋势。而其本质上是一种对环境的影响和先进的现代制造模式的资源利用效率综合考虑，是现代企业提高
6、核心竞争力的必由之路。其基本的内涵有：1.2.1 在产品设计的全过程中，产品的基本技术性能属性与环境资源属性、经济属性并重，且环境资源属性优先。1.2.2 在设计阶段应充分考虑产品在使用废弃后的可拆性和回收利用性。1.2.3 提出了产品设计者和生产企业在环境保护、节约资源方面应承担的社会责任。即对大宗工业产品，企业不但要生产产品，同时，还应在可能的范围内，承担产品回收和再利用的义务。1.2.4 它是对传统设计方法、设计理念的发展和创新，体现了人类对机械产品设计学科认识的深化。机械工程及技术创新41.3绿色设计创新设计理念绿色设计指在产品整个周期内，着重考虑产品环境属性(可拆卸性、可回收性、可维
7、护性、可重复利用性等)，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、品质等。机械产品的绿色设计原则有：1.3.1 生态效益最好原则：绿色设计强调不论是在产品制造过程中，还是在产品使用过程中，都要求产品对周围环境“零污染” 。这就要求在设计过程中尽量选择低污染的材料及零部件，避免选用有毒、有害和有辐射性的材料；设计能源消耗少的产品，减少对材料和资源的需求，保护地球的矿物资源。噪声也是一种环境污染，影响到人体健康。随着环保意识的增强，人们对环境要求越来越苛刻，低噪声设计日趋重要。从设计上就考虑产品的生态平衡性，应用绿色设计理念，是一种从源头上控制污染的有效策略。1.
8、3.2 经济效益最好原则：设计的机械零件既要功能满足客户要求，又要成本低廉。考虑经济最佳性必须从设计和制造两个方面上入手。设计上保证合理的原理方案，选用正确的材料；制造上考虑零件的加工工艺性和装配工艺性。1.3.3 安全可靠原则：安全可靠是机械产品品质的保证，必须确定零件在强度、刚度、耐磨性、稳定性及热平衡性上满足设计要求。对于重型机械，一般要求有自锁装置和保险装置，以确保操作员人身安全。1.3.4 人机工程学原则：绿色设计倡导“以人为本” ，进行人性化设计，实现对人体的良好保护。通过研究组成人机系统的人和机器的相互关系，以提高整个系统的工作效率，并使“人一机器一环境”相互协调，以求达到人的能
9、力与作业活动要求相适应，创造高效、舒适、安全的劳动条件。机器外观造型应比例协调、大方，给人以时代感和美感，色彩要和产品功能相适应。如医疗器械要用浅色，给人以卫生、安静感；冰箱、制冷器要用冷色，给人以清凉感。绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要考虑产品的整个生命周期，从产品的构思开始，在产品的结构设计、零部件的选材、制造、使用、报废和回收利用过程中对环境、资源的影响，希望以最小的代价实现产品“从摇篮到再现”的循环。绿色设计综合考虑环境因素和资源利用率等，其评价指标体系如图 1 所示。1.4机械产品绿色设计三要素绿色设计指的是在产品整个生命周期内，着重考虑产品对自然资源、环境影响，将可拆除
10、性、可回收性、可重复利用性等要素融入到产品设计的各个环节中去。在满足环境要求的同时，兼顾产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等。实现绿色设计至少需要满足以下三个方面的要素：1.4.1 二次利用要求产品及其零部件和附件外包装能够被反复使用。这就要求设计师在对产品进行设计建模的过程中，零部件结构要尽可能的简单化和标准化，这样，其用料不但少，节约了资源，而且由于是标准件，还可以对其进行回收再利用。制造商应该尽量延长产品的使用期，而不是非常快地更新换代。1.4.2 循环利用图 1机械工程及技术创新5要求生产出来的物品在完成其功能后能重新变成可以利用的资源，而不是不可恢复的垃圾。再循环有两种情况，
11、一是原级再循环，即废品被循环用来产生同种类型的新产品；另一种是次级再循环，即将废物资源转化为其他产品的原料。从对这两种循环的定义来看，原级再循环能够更好的节省自然资源，也是绿色设计中提倡的方式。1.4.3 节约能源要求用较少的原料和能源投入来达到既定的生产或消费目的，进而从源头就注意节约资源和减少污染。2 机械产品绿色设计与传统设计的对比2.1机械产品传统设计产品传统设计方法，主要考虑产品的基本属性（功能，质量，寿命，成本）而较少的考虑环境属性，并且其仅涉及到产品寿命周期的市场分析、产品设计、工艺设计、制造、销售及售后服务等几个阶段,而且设计也是从企业本身的发展和经济利益考虑,使机械产品如何满
12、足用户的要求,满足产品的最基本属性,而几乎不考虑对环境的影响,其产品设计的指导思想是易于制造,同时达到要求的功能即可。按照传统设计生产制造出来的产品，在其使用寿命一结束以后，就成为了废弃物，回收率低，资源浪费严重。所以传统产品设计是从摇篮到坟墓的过程。多年以来,尽管这种传统设计方法曾经极大地推动了社会的经济发展,但它是以严重破坏自然环境、加速能源枯竭为代价的。2.2机械产品绿色设计绿色设计是在传统设计基础上发展而来的,包括了产品从概念形成到生产制造、使用至最终废弃后的回收、再制造、再使用及处理等各阶段,即涉及到产品的整个寿命周期,是从摇篮到再现的过程。绿色设计追求产品的环境协调性,技术先进性和
13、经济合理性的统一。产品在其生命周期全过程的设计中,在满足功能、质量、使用寿命和经济可靠的前提下,以产品的维修性、运输性、循环利用性、制造性、装配性、测试性和环境友好等作为设计目标,从而达到缩短新产品上市时间、提高产品质量、降低成本、改进服务、加强环境保护, 实现社会经济可持续发展。绿色设计具备如下特点:节约资源和能源,绿色产品设计从整体上优化了产品性能, 使组成产品的零部件和材料得到充分、有效的利用,减缓了资源消耗。从源头上减少了环境污染,绿色产品设计减少了废弃物的产生,减少了处理大量垃圾所带来的种种难题。有利于生态系统的平衡和实现可持续发展是绿色设计的核心所在,绿色设计积极将产品制造和使用对
14、环境产生的负面影响降到最低。2.3俩种设计方法的对比绿色设计与传统设计的根本区别在于设计构思阶段，要以环境要素为考虑中心，脱离了原有的简单线型设计程序，架构出由中心向四周发展的轮辐型结构，这样，有利于每一个设计环节的细化，但要考虑到产品的能耗，再生俩种设计方法的对比图 2机械工程及技术创新6利用，保护生态等方面的问题，而传统的设计方案单单以产品的性能，寿命，成本作为主要的设计目标，等到在使用过程中出现了问题以后，才会考虑到解决的方法，显然，这种出现问题再解决问题的模式不能适应可持续发展的需求。绿色设计要考虑产品的整个生命周期，从产品的构思开始，在产品的结构设计、零部件的选材、制造、使用、报废和
15、回收利用过程中对环境、资源的影响，希望以最小的代价实现产品“从摇篮到再现”的循环。如图 2 所示。3.绿色设计的主要内容3.1材料材料选择是机械产品绿色设计不可缺少的组成部分,是产品开发过程中的最早最重要的设计决策,同时又是一种重要手段, 它可以使产品对环境的影响达到最小。机械产品材料选择的技术性能主要包括机械性能和工艺性能。在设计机械产品并选择材料时，由于机械性能是保证零件的工作安全可靠和经久耐用的先决条件，所以是产品零件选材时的首先因素。材料是构成工程机械产品的基础，当前工程机械产品绿色化的一个重要发展方向是产品绿色材料的使用比重不断提高。绿色材料义称环境协调性材料或生态材料，是指那些具有
16、良好使用性能或功能，并对资源和能源消耗少，对生态与环境污染小，有利于人类健康，再生利用率高或可降解循环利用，在制备、使用、废弃直到再生循环利用的整个过程中，与环境协调共存的一大类材料。传统的材料选择方法已不能适应绿色产品及绿色没计的要求，必须从更广泛的角度考虑材料的选择，不仅应考虑基本性能要求，更要着重考虑材料的环境属性。在现阶段，选择工程机械绿色材料的主要原则包括： 3.1.1 材料本身性能的先进性；3.1.2 材料与环境协调相容性，选用新型环境材料，包括易加工、低毒害、污染小等；3.1.3 尽量采用不加涂镀工艺的材料以及易回收、可再生、分解或降解的材料；3.1.4 尽可能采用回收率较高的零
17、部件和材料；3.1.5 尽量减少所用材料种类、数量。从全局的角度，充分考虑材料对产品全生命周期各阶段的环境影响以及产品性能、成本等因素的约束，使得产品整体环境性协调优化。3.2包装机械产品绿色包装设计应符合 4R1D 的标准,再填充、再利用、循环再造、减少包装浪费、再降解,既在设计上无害于人体健康、废弃物不污染环境,且便于回收再用或再循环产品包装。 3.3可回收性绿色机械产品的可回收性设计指在进行产品设计时充分考虑产品的各种材料组分的回收再用的可能性、回收处理方法、回收费用等与产品回收有关的一系列问题,从而达到节约材料、减少浪费,并对环境污染为最小的设计方法。 机械工程及技术创新73.4可拆卸
18、性机械产品绿色设计要求把可拆卸性作为产品结构设计的一种评价准则,使产品在报废以后其零部件能够高效地不被破坏地拆卸下来,从而有利于零部件的重新利用或进行材料的循环再生,从而达到节省和保护环境的目的。4 机械产品绿色设计中应考虑的主要因素在机械产品绿色设计中要考虑的因素很多，主要有以下几方面：4.1产品的功能设计是人类为了实现某种特定的目的而进行的一项创造性的活动，它的核心领域是产品设计。产品是为了满足人们的生产、生活的需要而被制造出来的，它是劳动的物化.是认识的反馈。无论是绿色设计，还是传统设计，都必须考虑所设计的产品应能满足消费者所需求的功能、质量等基本属性。否则，产品根本无法占领市场。4.2
19、环境保护绿色设计中强调无论是在产品生产制造过程中，还是在产品的使用过程中，都应具有良好的环境保护性。从源头上将废弃物数量降到最低限度，减少了大量垃圾处理所造成的棘手问题，有利于保护环境，维护生态系统的平衡。4.3劳动保护倡导“以人为本” ，实现对劳动者(包括生产者和使用者) 的良好劳动保护。绿色设计时必须仔细考虑所设计的产品在制造过程中应对生产者具有良好的劳动保护，同时.在使用过程中对使用者也应该具有良好的劳动保护。在产品整个寿命周期中对劳动者的危害应最小化.零危害是最佳状态。4.4产品寿命周期成本从控制理论上讲.传统设计考虑的方案是一个开环系统，而绿色设计考虑的设计方案则是一个闭环系统。传统
20、设计中通常所考虑的产品成本仅包括设计、制造和营销费用成本。未考虑消费者使用成本和产品最终处理成本。而绿色设计中却考虑了产品的寿命周期成本(企业成本、用户成本和社会成本)。随着环境保护的法制化，企业对产品的整个寿命周期负责已逐步走向规范化、法制化。因此，企业设计时不得不考虑产品的维护和最终的处理成本。此外，产品要真正占据市场份额，企业设计时还得为顾客考虑，为用户降低产品的使用成本。机械工程及技术创新85 机械产品基于绿色创新设计的实现5.1产品问题空间的提出应用列举法，分析产品对自然资源的消耗和可能对周围环境、人产生的影响及造成的危害。分析产品环境属性就是在产品设计时着重考虑材料的选择、零部件的
21、再使用、产品的拆卸及面向生命周期的评价等。材料的选择应注意如下要点：尽量减少使用稀有昂贵原材料及有毒、有害材料；寻找稀有昂贵材料的替代材料，多应用回收材料、废料及余料；减少所用材料的种类，采用相容性好的材料，以利于产品报废后的回收与处理；选用再生材料，形成一个有效使用资源的良性循环。采用系列化、模块化的设计能够有效地保证零部件的再使用。产品的拆卸应可能不损坏原有零部件的功能，并使拆卸过程方便。其是产品回收再利用的前提，已在汽车、机床和计算机等产品中得到广泛应用。面向生命周期的评价是分析产品对人和周围环境的影响，着重考虑环境污染和资源消耗方面。分析产品环境资源属性集中在控制能源消耗和无效排放，从
22、而达到节约能源和保护环境的目的。5.2寻找基于绿色的创新点从用户期望出发，分析设计产品的技术功能属性，寻找新颖的创新点是基于绿色原型的创新设计的核心内容。寻找创新点需要设计者掌握很强的创造原理，充分发挥创新性思维，应用工程数据库和工程知识库等技术支持平台，完成产品创新概念设计。通过设计者的直观感觉和他人的启发，产生自由联想，能够寻找出新颖的设计方案。通过前一阶段产品环境资源属性的深入分析，将初始系统解构，以新的方式重组，在其中加入创造性资源，以此来获得有价值的创新点。5.3建立设计方案形态学矩阵在这一阶段，以建立形态学矩阵为基础，对创造对象进行因素分解，找出因素可能的全部形态，并进行方案综合，
23、以得到方案的多种解。通过建立形态学矩阵，把创新变成一种系统搜索和程序化的思考过程，能够避免仅凭创新性思维而导致的容易丢掉或忽略某些很有价值的设计方案的出现，以实现系统的创新设计。5.4分析、求解和组合方案在分析、整理和求解方案中，根据绿色设计方法与理念，设计者预先制订出一套选优标准，将形态学矩阵中的所有方案进行组合，去除不符合要求的组合方案，最后得到满足要求的方案可能有多个。组合方案的目的是寻找其中可能的合理的设计方案，为设计者提供了评选最优方案的基础。5.5形成产品最终设计方案这里最终方案指的是进行一次设计所实现的“最终” ，任何成熟产品的设计都是经过反复多次修改而完成，是一个不断改进、循环
24、的设计过程，同时也是一个面向产品全寿命周期的设计过程。除分析产品使用过程中的影响外，产品生产过程中对周围环境和人的影响也是考虑的重点。此阶段需在产品制造工艺性机械工程及技术创新9的基础上，分析满足要求方案的产品的生产工艺性，应用绿色设计的评价指标体系作参考，由此筛选出符合要求的、合理的产品设计方案。5.6分析产品的技术和功能属性，实现基于绿色原型的创新设计绿色设计的核心是要实现“产品人一环境一社会”的生态平衡，避免对环境的污染和资源的过多消耗。虽然在整个设计过程中，始终贯穿着绿色设计理念，并由此提出很多的可能设想和解决方案，但缺乏系统整体的考量，分析样品的各种技术和功能属性，得出产品设计的评价
25、结论。6 机械产品绿色设计制造的方法机械产品绿色设计制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。它使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中节约资源和能源，不产生环境污染或使环境污染最小化。环保型制造技术是指在制造过程中最大限度地减少环境污染，创造安全、舒适的工作环境。包括减少废料的产生及废料有序地排放；减少有毒有害物质的产生及有毒有害物质的适当处理；减小振动与噪声；实行温度调节与空气净化；对废料的回收与再利用等。其下简要介绍一些绿色制造技术。6.1 精确成形工艺精确成形工艺，亦称少无切屑加工，它主要是通过精铸、精锻、冷挤、粉末冶金等加工方
26、法来获得零件或精坯。20 世纪以来，人们开始探索各种减少切削或不切削的精密成形新方法和新材料，以减少工时和材料耗费。例如，采用挤压、冷镦、搓丝等工艺生产螺栓、螺母和机械配件，使材料利用率大大提高，有时列完全不需要切削；采用金属模压力铸造制造铝合金件。与普通铸造相比，制件质量提高，且可基本不用切削加工；采用粉末冶金方法可制造高强度、高密度的机械零件，如精密齿轮等；工程塑料的压塑和注塑件强度高、成型容易，基本上没有加工余量；通过提高传统铸造、锻压工艺的精度也能减少加加工余量，实现毛坯精化。总之，精确成形工艺具有显著的技术经济效益，能实现多种冷、热工艺综合交叉、多种材料复合选用，把材料与工艺有机地结
27、合起来，是机械制造技术的一项突破。对轻工机械制造业来说，不仅可以节约传统毛坯制造时的能耗、物耗，也大大减少了产品的制造周期和生产费用。6.2 高速切削机床我们知道，机械干式加工在切削区域会产生大量的切削热，如果不及时散热，会使机床受热不均而产生热变形，这个热变形就成为影响工件加工精度的一个重要因素，因此机床应配置循环冷却系统，带建切削热量，并在结构上有良好的隔热措施。实验表明，干式切削理想的条件应该是在高速切削条件下进行，这样可以减少传到工件、刀具和机床上的热景。干切削时产生的切屑是干燥的，这样可以尽可能的将干切削机床设计成立轴和倾斜式床身。工作台上的倾斜盖板用绝热材料制成，在机床上配置过滤系统排出灰尘，对机床主要部位进行隔离。现在切削加工已朝着高速、超高速方向发展，高速切削机床的发展给千切削的实现创造了良好的条件，对于精密切削机床，可在机床上装上监控系统，以检测切削区域的温度变化、切削力的变化以及刀具的磨损，井配以机床补偿装置。
