面向物能资源优化利用的机械产品设计
1 前言工业生产的发展推动了人类社会的进步，同时也给人类带来了越来越严重的环境问题。造成环境问题的根本原因是资源的不合理开发和利用。当前，各国都在研究如何最有效地利用有限的自然资源和最低限度地产生废弃物，以从根本上解决环境问题。
制造业是人类社会最大的污染源之一。在量大面广的制造系统中，制造资源的利用率很低，产生的废弃物很多，环境污染严重。
制造系统资源利用率低的原因是多方面的。制造资源的利用率与产品设计、工艺方案、加工路线、制造资源配置以及制造系统本身等诸因素有密切关系。而产品设计是影响资源消耗的最关键的环节。因为在产品功能和基本要素确定的情况下，产品的结构布局、材料选择、加工工艺、可制造性、可装配性、可重复使用性等影响资源消耗的主要因素都是在设计阶段确定的。
因此，分析产品设计对资源消耗的影响因素，并从系统的角度研究面向资源优化利用的产品设计方法，对提高资源利用率，改善资源危机和环境污染的状况有重要意义。
制造资源的概念涉及面很广，包括物料、能源、设备、资金、厂房、人力等。本文所讨论的资源主要是指物料(原材料、坯件等)和能源，本文称之为物能资源，有时又简称为资源。
2 产品设计对物能资源消耗的影响因素
产品设计可从多方面影响物能资源的消耗，采用不同的设计方案，所消耗的物能资源大不一样。下面对设计中影响物能资源消耗的主要因素进行分析。
2.1 机械产品的系统方案设计
系统方案的确定是后续设计工作的依据，它不仅确定了机械产品的工作原理，对产品的性能、质量、可适用性等起决定性的作用，而且对物能资源的消耗情况也有决定性的影响。
例如：机床传动系统的设计。对于直线往复运动的传动机构，机械传动系统和液压传动系统都是应用得比较广泛的。而两种方案的物能资源的消耗情况是不一样的，分别比较如下表。
表
液压传动系统
机械传动系统
1.产品结构
传动系统结构简单，重量轻，体积小，在同等功率的情况下，液压泵的重量为电机的10%～20%，因此，材料消耗少，制造过程能量消耗少。
传动系统结构复杂，重量、体积较大，因此，材料消耗多，制造过程能量消耗多。
2.产品使用过程
由于存在机械摩擦损失、压力损失、泄漏损失，因此传动效率较低，能量损失较大。
传动效率较高，能量损失小。
3.产品工作寿命
以液体作为工作介质，润滑条件好，元件寿命长，更换元件所消耗的资源少。
零部件易磨损，使用寿命短。更换零件所耗费的资源多。
由此可见，系统方案设计确定了系统的工作原理、动力来源、能量转换方式等，因而对机构的结构复杂性、外廓尺寸、能量传递效率有决定性的影响，从而影响产品的能量消耗和材料消耗。
2.2 产品的结构设计
2.2.1 结构的复杂性
结构简单的产品零件数量较少，联接方法简单。因此，零件的加工量少，加工过程中的能量消耗、以及夹具、量具、刀具、模具等工艺装备数量也会由于零件数的减少而相应地减少；而且产品的体积小，重量轻，材料消耗少。而结构复杂，零件繁多的产品，材料消耗多；并且零件的加工量大，加工过程中的能量损耗、工装数量也相应增多。因此，在满足产品功能要求的前提下，简化产品结构，尽量避免设计可有可无的零件，采用功能多样化和复合化的零件以及简单的联接方法，使整体装置的零件数减少，可大大减少资源消耗。
2.2.2 构件的布置
构件的相互位置关系，及其相关尺寸的大小，将会影响产品的整体尺寸，从而影响整个机构的体积和重量，以及原材料消耗。特别是对于箱体、壳体等大型零件，其重量系数高，对材料消耗的影响较大。
例如：图1所示两种曲柄滑块传动机构，图1a的曲柄长度r为滑块行程s的一半，滑块行程很大时，整个机构的尺寸随之增大。图1b机构，利用杠杆作用使曲柄长度减小，从而减小了整个机构的外廓尺寸。因此，在进行结构设计时，合理布置构件，使机构的结构紧凑，外廓尺寸减小，可减少产品的材料消耗。
图1 往复运动机构
2.2.3 构件受力状况
构件的受力状况从以下两方面影响材料消耗：第一，在满足同等承载能力的前提下，受力状况好的构件可采用较小的截面，材料消耗少；第二，受力状况好的构件，使用寿命长，减少因构件破坏失效而造成的资源损失。例如：图2a所示的简支梁，若将两端支座均向内移动0.2L(L为梁的长度)，如图2b所示，则最大弯矩值即降至原来的1/5，梁的截面尺寸就可相应地减小。
图2
可见，在进行结构设计时，如能合理地设计支承和载荷的布置，可改善构件的受力情况。从而，提高材料利用率，减少材料消耗。
2.2.4 可拆卸性设计
产品达到其使用寿命终期时，如将其全部报废丢弃，不仅对环境造成污染，而且造成大量的资源浪费。而实际上，旧产品上的许多零部件是可以回收和重复利用的，特别是对贵重的金属，有很高的回收价值。如在设计时，能考虑到哪些零部件可以回收和重复利用，并将其设计成可拆卸的，以便于产品报废后对这些零部件的拆卸回收，这样可节省大量的原材料，特别是贵重的金属材料，减少对环境造成的污染。
2.3 零件的结构工艺性
2.3.1 减少工艺废品
工艺废品也是造成资源浪费的主要方面之一，废品越多，资源浪费越严重。造成工艺废品的原因是多方面的，设计不合理是其中重要因素之一。例如设计一个铸件，如果零件壁厚不均匀，厚壁和薄壁联接处急剧过渡，就会使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、翘曲等现象，从而降低零件的强度，在强度要求较高的场合，就产生废品。因此在设计时，应考虑到零件的工艺特性，使其结构符合其制造工艺，从设计上尽量减少在制造中出现废品 的可能，降低废品率，从而减少资源浪费。
2.3.2 零件的可加工性
具有良好结构工艺性的零件，不仅易于加工，而且加工中的动力消耗和设备损耗少，无需专用设备。而结构工艺性差的零件加工工艺复杂，耗费工时，且需要专用刀、夹、量具才能加工,增加了设备损耗和制造专用工装的资源消耗。因此，进行零件结构设计时，应使零件便于用最简单的工艺，最高的生产率加工出来，以减少加工过程的资源消耗。
2.3.3 切削加工量
零件的切削加工量直接影响机床的切削加工时间和材料损耗，零件的被加工面的面积和数量越多，切削加工量越大，加工零件的能量损耗和机床、刀具的磨损越多，变成切削而浪费掉的材料越多。在进行结构设计时，应考虑零件各个面的使用情况，避免对没有精度要求和表面粗糙度要求的表面进行加工。例如：图3箱体零件的底面不必全部加工，采用图3b的结构可减少材料和能量耗损，提高劳动生产率。
2.4 零部件的材料选择
合理选择材料是保证产品质量和可靠性的前提，而且材料本身作为主要的物料资源之一，它的选取是否得当，直接影响材料的消耗情况，并且对产品制造过程中的能量消耗也有很大影响。机械产品的材料以金属材料为主，因此，本文只讨论金属材料的选择对资源消耗的影响。
图3
材料选择的主要依据是零件的服役条件和材料的使用性能。所选材料的特性与零件的工作条件是否相适合，将影响材料各种使用性能(如强度、塑性、耐腐蚀性等)的充分发挥，从而影响材料消耗。例如：柴油机曲轴在服役过程中承受小能量重复冲击载荷的作用，有关试验表明，在此种载荷情况下，强度高，塑性低的球墨铸铁的工作寿命高于强度低，塑性高的正火45＃钢。采用球墨铸铁比45＃钢有利于节约金属材料，延长构件工作寿命。因此，选择材料时，并不是材料的各种性能指标越高越好，而应根据具体情况(包括负荷情况、工作温度、环境腐蚀等)选择与其相适合的材料，做到“物尽其用”，以充分发挥材料潜能，减少材料消耗，延长构件寿命，避免因构件失效而造成的资源浪费。
材料选择还应考虑材料的工艺性能。材料工艺性能的好坏决定了零件加工的难易程度，对废品率、加工过程的能量消耗有很大的影响，例如：对需切削加工的零件应选用切削性好的材料，以减少机床能量消耗和刀具磨损。
在使用性能和工艺性能可以满足的前提下，尽量少用含贵重合金元素的材料，以通用材料代替贵重稀有材料，可减少稀缺金属的消耗。
2.5 产品的标准化设计
产品的设计工作，应贯彻“三化”原则，即产品系列化、零部件通用化、标准化，这是国家的一项重要的技术经济政策。在设计中实行标准化的程度不仅影响到产品的质量和劳动生产率，而且也是影响资源消耗状态的重要因素之一。标准化设计可从以下几个方面影响资源的消耗：
(1)促进专业化生产，提高资源利用率
标准化在统一和简化产品结构的基础上，将同类零件的各种不同型式和不同尺寸合理分档，并使其形成系列，以便于用先进工艺和专用设备进行大批量专业化生产，从而提高生产设备、原材料和能源的利用率，使单位产品的资源消耗量减少。以紧固件标准化为例，据有关统计资料表明：每1 000 t成品采用专业化大批量生产比小批量生产节约材料1 750 t，原材料利用率提高一倍多。
(2)减少工艺装备的品种和数量
零件的几何形状和结构尺寸是一个传递性因素，如果它们的规格繁杂，会使刀具、夹具、量具的品种数量大大增加。如设计螺钉，如果螺钉的直径和螺纹尺寸一经确定，与其相配合的螺母尺寸也就定下来了，接着加工用的丝锥和板牙的尺寸、攻丝前底孔的尺寸、检验用的环规和塞规的尺寸也相应地确定下来;配合螺钉使用的垫圈和紧固螺钉用的扳手尺寸也随之而定;攻丝前底孔的确定又相应地确定了钻头、扩孔钻和铰刀的尺寸。可见，在设计过程中，对零件进行标准化设计，按优先数系制定零件几何尺寸，并尽量采用标准件或通用件，可简化零件规格，从而大大减少工艺装备的品种和数量，降低制造专用工装的资源消耗。
2.6 其它
产品设计对资源消耗的影响是多方面的，除本文以上所列举的几个方面以外，还有许多与资源消耗有关的因素。如安全系数的确定，将影响构件的截面尺寸，从而影响材料消耗；零件的加工精度和表面粗糙度要求，将影响切削加工过程中的能量消耗；等等。本文在此不一一列举。产品设计对资源的影响因素随产品类型、生产条件，设备能力等条件的变化而有所不同，各种因素对资源消耗的影响程度也会随条件的变化而改变。设计时，应根据具体情况作具体分析。
3 面向物能资源优化利用的产品设计模型
通过以上分析可知：产品设计是影响制造系统物能资源消耗的至关重要的阶段。设计不合理所带来的资源耗费问题是“先天性”问题，很难在后续阶段弥补和修正。因此,要求设计人员从一开始就应具有资源意识和环境意识。在设计中,不仅要考虑产品的功能、寿命、成本，还要考虑产品的资源消耗和环境特性，从设计上尽量减少产品在制造和使用等过程中的资源消耗，使产品以最少的资源耗费，最少的环境污染和最高的可回收率制造出来。
而在设计中，影响资源消耗的诸因素之间是相互联系、有时甚至是相互矛盾的。例如：为节约贵重金属，在设计齿轮时，其轮齿采用耐磨强度较高的合金钢，而其轮毂采用铸铁，两部分用联接件联件。但这样却增加了结构的复杂性，因而增加了制造过程的资源消耗(如机床能量消耗、设备磨损等)。因此，面向资源优化的产品设计是一个系统工程问题，设计人员在评价设计方案时，应从系统的角度出发，分析产品及其每一个零部件在整个生产制造、拆卸和回收利用过程中的资源消耗情况及其影响因素，选择综合资源消耗量最少的方案，从而提高整个制造系统的资源综合利用率。
分析研究表明，降低产品资源消耗应受以下几个条件的约束：
(1)产品功能和质量
降低产品资源消耗必须以满足产品的功能和质量要求为前提。只有在保证产品使用性能不变的情况下减少资源消耗才是有意义的，否则，只会生产出次品、废品，从而造成更大的资源浪费。
(2)生产周期
在产品的系统方案设计、材料选取和结构设计时，应使产品有利于采用先进技术和先进工艺加工制造，从而提高生产率，缩短生产周期。
(3)制造成本
必须从加工管理、设备投资等方面综合考虑产品的经济效益，使产品的成本降低。
综合以上分析，本文提出一种面向资源消耗的产品设计模型。如图4所示：
图4 面向物能资源优化利用的产品设计模型
4 从设计方面提高物能资源利用率的途径和措施
(1)培养设计人员的资源意识。企业通过宣传和教育，使每个设计人员都意识到资源问题的重要性和环境问题的严重性，提高节约资源、保护环境的责任感，并自觉地将降低资源消耗、减少环境污染落实到设计工作中来。设计人员通过不断学习，了解先进制造技术、材料科学等科技新成果，并将它运用到设计工作中来，从而提高优化利用资源的设计技术。
(2)运用并行工程的设计方法，从设计一开始就考虑产品从概念设计到报废处理的整个生命周期中影响资源消耗的所有因素，从而优化各个设计环节，提高整个制造系统资源利用率。
(3)本文第二节已对产品设计过程中对物能资源消耗的影响因素进行了分析。充分考虑这些影响因素并采取相应的措施，实质上就是提高物能资源利用率的具体措施。
(4)建立资源消耗综合评价指标体系。制造系统中资源种类繁多、消耗情况复杂。必须建立统一的方法和指标体系才能对其进行系统的测算和评估。也只有在此基础上，才能对设计方案进行定量的评价，从而作出正确的决策。
5 结论
产品设计是影响制造系统物能资源消耗的最关键的环节。如果在设计阶段就考虑到产品的资源消耗状况，就能对物能资源进行有效的控制。面向资源消耗的产品设计方法，是从系统方案设计、产品结构设计、结构工艺性设计、材料选择和设计标准化等多方面综合考虑产品在制造、使用和报废处理等阶段的资源消耗状况，使产品所消耗的物能资源最少，制造和使用产品所产生的废弃物最少，产品报废后的回收利用率最高，从而提高物能资源的综合利用率，达到资源优化利用的目的。
【MechNet】
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