机械设计节能基本原理的分析与应用 南京廖华

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机械设计节能基本原理的分析与应用

摘要：节能减排是实现健康可持续发展的基本要求，机械设计节能作为其中的重要环节，也逐渐成为设计人员重要的研究方向。这就要求机械设计人员详细了解机械设计节能的基本原理，再运用到设计工作的实践中去，从企业的角度来说，对降低企业的生产成本，增强企业信誉和影响力，实现更大的效益都具有重要意义。因此，做好机械设计节能基本原理及其应用探索工作势在必行。

关键词：机械设计；节能基本原理；应用

机械设计节能基本原理是由质点系动能定理的微分形式求证得出的，涉及到较多领域，所以它适用于质点系组成的所有研究对象。由此可知，该原理适用于机械节能产品的设计以及其他学科的研究，具有一定的广泛性。

一、机械设计节能的背景

机械设备是人民日常生产生活中所必不可少的，特别是在工业生产中，机械设备占据了重要地位，也是我国经济发展的重要支柱。然而，大量机械设备的使用必然会造成巨大的能源浪费，除了用于正常的机械运转之外还有很多能源是被浪费了，这与我国推行的“节能减排”政策严重的不符。为了积极响应国家“节能减排”的号召，我们必须从机械设备的制造、使用环节做好其节能工作，其中设计环节的节能工作是最根本也是最有效的方式。

目前，在需要使用大量机械设备的行业经常会发现能源浪费的问题，例如动能转化率低、摩擦导致机械能损失、发动机与设备功率不匹配等都会造成能源的浪费。机械使用单位为了降低生产成本、提高机械的使用效率，更加倾向于购买节能的机械设备，这就导致了传统的机械设计和制造方法即将被淘汰。随着技术的进步以及制造理念的转变，机械制造商逐渐认识到了机械节能设计的重要性，并且通过不断的研究与创新已经取得了初步的进展。

二、机械设计节能原理及应用

机械设计节能原理又称之为平衡节能原理，平衡理念是节能设计的主要指导思想。机械节能设计应当从改进动力源、减小摩擦、功率匹配节能这三个方面入手，充分考虑机械设备在实际应用中所存在的能耗问题，尽量在设计环节就加以改善，从源头上减少能源的浪费。

1.动力源

动力源通常指的是机械设备的发动机，在节能设计的过程中要求尽量的减少发动机的输入功率，同时尽可能增大其输出功率，简单的说就是提高机械设备电能与动能、势能、热能等的转化率。在实际的应用中这一设计理念体现在机械设备的启动、减速停止这两个阶段中。例如，在停止设备的动力输入之后由于惯性的因素机械设备还会运行一小会儿，通过合理的设计将这一部分动能或者势能储存起来，在机械需要发动的时候提供一部分初始动力。

2.在设计过程中减小摩擦

发动机所产生的动力必须通过齿轮、动力传送柱、动力传动带等传递给机械设备需要作用的部位，在这个过程中难以避免的会产生摩擦，损失一部分动能。因此，需要在设计的过程中尽量较小各个组件之间的摩擦。例如，在“机械手”的设计环节，对于其关节处都会采用光滑的圆柱、轴承和液压柱进行连接，同时在使用的过程中还会定期的用油进行润滑。目的就是为了减少机械设备活动处的摩擦，减少动力的损失。

3.功率匹配节能，合理运用节能

合理的分析不同应用环境下所需要的功率大小，有依据的设计机械设备的标准功率。例如，饮品加工传动带所需的功率就远远小于装卸工厂所用的传动带的功率。为了节约机械的购买费用还可以利用汽车发动机的原理，设置不同的档位，根据实际功率需求进行调节。

4.在加工设备设计中的应用

为了调节牛头刨床在工作过程由于机构引起的机器主轴速度波动，通常在机器内在设计一个转动惯量较大的飞轮，将机器运转的不均匀系数限制在允许范围内，以保证其稳定运转。若既要考虑不均匀系数，又要考虑输入功率的降低，则应首先根据基本原理将刨刀所消耗的输出和动能变化率2项叠加合成，就可找出为什么必须在机器内设计一个转动惯量较大的飞轮的原因。按基本原理在原机器的基础上再加一组牛头刨床工作装置，使其初相位与原工作装置的初相位相差180°。将2种功率图进行分析比较，按平衡理论设计新的牛头刨床的功率最大值与原牛头刨床的功率最大值相差较小，而新的牛头刨床的功效则是原牛头刨床的2倍。从提高功效的角度看，已达到降低维持刨床正常工作所需的输入功率的目的。

三、机械设计能源浪费的原因

1.缺乏节能设计理念

传统的机械设计理念是尽可能的提高机械设备的生产能力，设计人员在设计的过程中首先考虑到的就是如何提高机械设备的载重量、运转速度等，其次便是机械设备的稳定性和可靠性，完全忽略了节能设计，，甚至为了提高之前的两方面性能而使得设计能耗更高。

2.设计人员专业水平低

机械设计工作都是由专门的设计人员完成的，部分设计人员的理论知识匮乏，固步自封、不愿意学习新的知识，导致与先进的新型设计方式脱节。同时，很多设计人员长期忙于设计工作，不愿意深入基层考察设备的使用情况，导致理论脱离实践，设计出的机械设备不具有可实现性。

3.技术水平无法满足设计需要

受到现有技术水平的限制很多设计思想很难得到实现，即使勉强得以实现也会大大增加机械设备的制造成本。所以，处于经济效益的角度考虑，很多机械制造商并不愿意完全按照设计要求引入相应的节能技术。

四、如何做好机械设计节能

1.选用环保型材料和环保型发动机

从设计环节入手，在满足设计要求时，优先选取环保型的材料，材料尽量能够做到可回收、易处理、无污染。发动机是机械设备的主要污染源之一，对减少污染物排放具有重要的意义，比如可以选用环保型水冷增压柴油机作为发动机，此发动机具有油耗低、排放低、使用寿命长等优势，条件允许的话，电控高性能长寿命节能型发动机也是不错的选择。

2.电子控制系统的精确化控制

利用电子计算机和无线网组成的控制系统，实现对机械的精准控制是机械节能的又一项措施。智能化终端可以依据设定的程序对机械的运行情况实行实时监控，做出智能化判断，控制发动机的输出功率等，以达到减少消耗的最佳标准，同时，其自我检测还能及时发现、处理问题，延长机械的使用寿命。

3.做好液压系统的清洁和防渗漏工作

液压系统的污浊物加快机械设备的磨损和腐蚀，液压系统渗漏直接浪费了宝贵的资源，因此，机械液压系统也是机械节能设计时要重点考虑的问题之一。比如，加装一个高效率、高精准度的过滤装置就可以过滤掉大部分掺杂物，降低杂物与机械的物理磨损。采用防渗透的新材料或改变零部件结构，如密封的销轴等防止渗漏。

4.引入新的技术

机械设计节能的实现离不开技术的支持，在设计的过程中不能脱离实际的技术发展水平。但是，又不能完全禁锢设计思想，要大胆的进行创新与尝试，积极的将各种先进的新型技术应用到设计中去。例如，利用太阳能发电技术为机械设备提供动力，再外加传统的动力系统以备不时之需，特别是对于小型机械设备，具有很强的可操作性。

结语

节能控制系统的应用，使动力系统与负载所需功率匹配更好，机械内部工作强度降低，系统发热减少，可靠性提高，能耗降低，从而产生了可观的经济和社会效益。但是，面对这些先进高科技的节能产品，特别是对大功率的工程机械的分析，就会发现这些产品仍然存在不节能现象。机械设计节能基本原理是在机械设计基本原理的基础上融入节能理念的新型机械设计原理，是对传统设计原理的完善和发展，符合社会可持续发展的要求。应用机械设计节能基本原理进行生产可以降低成本、减少污染、节约能源，实践意义重大，值得全面推广。

参考文献

[1]车胜创。机械设计节能基本原理的分析与应用[J].长安大学学报：自然科学版，2011

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[3]张超。计算机辅助设计在机械设计教学中应用的探究[J].课程教育研究，2013

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