机械设计与加工的低能耗与污染控制研究

崔文凯

(深圳市欣旺达综合能源服务有限公司518055)

摘要:传统的机械设计和加工存在能耗高、污染范围大等缺点。因此，提出机械设计加工中的低能耗与污染控制。利用结构优化方式减轻质量，更换新型节能材料降低加工流程中能源消耗，创新机械加工设计流程降低机械加工能耗，并以AtkinsonSchi-LewisD环境污染控制系统为基础，实现机械设计和加工的污染控制。实验数据表明，所提出的机械设计和加工方法与传统的方法相比能耗降低了64.2%。污染控制减少了58.79%。

关键词:机械设计;机械加工;低能耗;污染控制

前言

机械设计和加工在整个工业中占有巨大的比重，在设计和加工过程中，研究低能耗和低污染控制具有十分重要的意义。传统的设计和加工存在能耗大，污染范围广等弊端。因此，提出了机械设计和加工中的低能耗和低污染控制。从三个方面降低能耗。首先，通过尺寸优化、形状优化、拓扑优化等方法对机械设计进行优化。其次，改进工艺流程，采用节能材料代替高能耗材料。第三，应用创新技术完成机械加工的低能耗控制。在机械设计污染控制和环境污染控制的基础上，实现了机械设计和加工过程的污染控制。完成机械设计中的低能耗和污染控制设计。为了保证设计的有效性，对不同加工对象进行了仿真实验，在机械设计和加工中，低能耗和低污染控制的设计是非常有效的。

一加工低能耗设计方案

1．1优化设计加工结构

设计和加工结构的优化是指减轻重量，改进工艺，采用新技术对现有设计进行优化。减重过程中有两种优化方法。一是改变原材料，以满足设计要求，并以较轻密度或强度较大的材料取代它们。二是减少直角结构设计的使用，采用曲面结构代替直角结构，以保证结构在尺寸优化、形状优化和拓扑优化的情况下的安全性。

工艺的改进是指选择合适的加工设备进行加工，合理规划加工工艺，制作装配线，降低生产能耗。选择合理的加工设备，为大工件选择大型加工设备，为小工件选择小设备，因为不同的加工设备能耗不同，通过合理选择加工设备，降低生产过程中的能耗。采用流水线设计降低了工装的能耗，特别是加工加热或冷却过程的过程控制，通过减少加工剩余料，减少金属材料的浪费。

1．2导入节能原料完善技术流程

用节能原料代替现有的高能耗原料。例如，在传统的机械设备不需要高强度和硬度的情况下，通常用性能较低的金属材料代替，例如某某机械产品的壳体，某某机械产品的面罩，将性能要求不高的产品，将金属材料更换为能耗更低的高分子材料，或者将能耗较高的金属材料更换为能耗较低的金属材料。例如将高耗能的钢铁材料使用有色金属材料铝代替，或使用高强塑料代替。

通过设计和加工的整体布局，改进工艺过程，降低工艺过程中的能耗。例如，在中国传统的热轧中厚板工艺中，先将铸锭从铸造车间输送到热轧厂，然后加热到热轧温度的起始线，由热连轧机进行加工。在这一过程中，高能耗部分首先从铸钢厂输送到热连轧机，然后再加热钢锭，加热过程也是一个高能耗部分。为了降低运输和热铸锭的能耗，我国大多数钢铁企业在21世纪采用连铸连轧技术，将铸轧车间和热轧车间整合为连铸连轧车间，大大降低了加工能耗。

1．3创新的设计加工方式

创新的设计与加工是指不采用传统的机械加工方法，采用一体成型、多工序并行加工、完全机械自动化。创新的设计和加工方法主要用于航空航天器的加工，但民用领域还没有完全扩展。随着科学技术的发展，设计和加工过程中的能耗越来越小，对环境、加工设备和工件的污染也越来越小。设计与加工的污染控制从机械设计环境污染控制和机械加工环境污染控制两个方面入手。

二实现机械设计加工污染控制

拟定环节的污染控制主要考虑加工对象的污染因素、加工设备的污染因素和加工过程的污染因素。利用静态循环技术控制加工对象的污染，利用循环动能来减少加工对象的污染。机械设备污染控制主要采用环境降尘技术，以合理控制污染量。合理控制工作环境污染，可以提高加工零件的整体质量。企业应参照国际标准或相应的标准建立自己的加工污染标准，控制污染和机械设计和加工环节。

三仿真试验

为了保证创新的机械设计和加工方法的低能耗和低污染控制的有效性，进行了仿真实验。在实验过程中，以不同的加工对象为实验对象，模拟了能耗和污染情况，模拟了不同材料的加工状态和设计要求。为了保证实验的有效性，以传统的机械设计和加工方法为比较对象，对两种模拟实验的结果进行了比较，并在相同的数据图表中给出了实验数据。

动态材料质量曲线

3．1数据准备

为了保证仿真测试过程的准确性，设置了测试参数。采用两种机械设计和加工方法对试验结果进行了分析，模拟了不同加工对象的能耗和污染情况。由于不同方法的分析结果和方法不同，有必要保证试验过程中环境参数的一致性。

3．2对比试验结果

在实验过程中，采用了两种机械设计和加工方法来模拟不同加工对象的能耗和污染。由于两种建模和分析方法的分析结果不能直接比较，所以使用第三方分析和记录软件对实验数据进行记录和分析，并将结果显示在相同的图表中。在仿真实验结果曲线中，消除了人员操作和仿真计算机设备的因素，比较了不同机械设计和加工方法与不同

被加工对象的能耗和污染。

为了方便模拟试验记录，在试验结果对比曲线中采用了能耗单位。从理论上计算了常规设计和加工100件工件所消耗的能量，即用常规设计和机加工方法的总能耗除以100件，计算出一个单元的能耗。用同样的理论计算100个工件的污染值，即处理一个单位的污染体积。

通过对实验结果的分析和比较，得出两种设计加工方法的能耗。随机加工量变化不大，能耗为25±3个能量单位。这种能量是运行加工设备中最低的驱动能量。然而，传统设计和加工方法的能耗比较突出，其中前40位工件的能耗相对较低，超过40件。持续工作的机器开始消耗大量的能量。40~60件工件的增长速度较快，能耗较大。当工件数为100件时，与理论计算一致，耗能为100单位。结果表明，创新的机械设计加工方法具有能耗低、同时保证加工质量的优点。

在污染控制方面，创新的机械设计加工方法的环境污染和工件污染均小于25污染量，对环境的污染最小，当100件工件完工时，其环境污染量为9个单位。工件污染12个单元。然而，传统机械设计加工方法的污染更为严重，其中工件污染呈比例上升。当加工100个工件时，污染量与理论计算一致，环境污染更加突出。当工件未加工时，环境污染达到100污染量。结果表明，传统的机械设计和加工方法不利于污染的控制。

四结论

研究了机械设计加工过程中的能耗和污染控制问题。通过优化机械设计和机械加工的方法，改进机械设计中增加工作量的过程，提出创新的机械设计加工方法，完成机械加工的低能耗设计。实验数据表明，该设计方法是有效的。

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