机械设计中的绿色理念

迟鹏

（山东建筑大学，250101）

摘要：近年来，国民经济增长明显，工业化的进程不断加快，随之产生的环境问题也越来越严重。作为科学发展观的核心内容可持续发展观是指既满足当代人的需要，又不损害后代人满足需要的能力的发展。环保理念日渐深入人心，绿色发展已经成为当前的主题。机械行业一直是工业发展的支柱产业，也是资源消耗及污染环境的主要因素。为了适应社会发展需求，推进经济持续稳定发展，将绿色设计理念引入机械行业是必不可少的。

关键词：可持续发展；绿色设计；机械设计

1.引言

可持续发展是八十年代提出的一个新概念。1987年世界环境与发展委员会在《我们共同的未来》报告中第一次阐述了可持续发展的概念，得到了国际社会的广泛共识[1]。工业革命带来的经济迅速发展的同时，随之而来的是环境的日益恶劣，人们对生活的需求不止于经济的增长，更重要的是人与自然和谐相处。当今社会，全球气候变暖，臭氧层破坏，城市垃圾围城，大气污染（硫氧化物，氮氧化物，PM2.5等）生物多样性减少，能源短缺，森林资源锐减，土地荒漠化等已经严重影响了人民的生活质量。人们逐渐认识到绿色理念的重要性，社会的发展离不开绿色理念。过去的机械工业中，特别是设计制造阶段，通常只是考虑产品的功能质量和寿命等基本属性，通过市场需求来设计制造产品，反而忽视了产品的回收及循环利用，导致大量资源和能源的浪费，并污染环境。因此，以绿色理念指导机械设计制造具有十分重要的意义和价值。

2.绿色设计的概念

绿色设计(GreenDesign)也称为生态设计(EcologicalDesign)，环境设计(DesignforEnvironment)等。与抗震设计相似，是一种概念设计。绿色设计是指在产品整个生命周期内，要充分考虑对资源和环境的影响，在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，更要优化各种相关因素，使产品及其制造过程中对环境的总体负影响减到最小，使产品的各项指标符合绿色环保的要求。其基本思想是：在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小[2]。对工业设计而言，绿色设计的核心是“3R1D”，即Reduce,Recycle,Reuse,Degradable，不仅要减少物质和能源的消耗，减少有害物质的排放，而且要使产品及零部件能够方便的分类回收并再生循环或重新利用。

3.绿色理念对机械设计的影响

3.1理念决定设计

理念不是具体的方法，但理念可以为具体方法的研究指引方向。例如CAD、DFMA、优化设计等先进的设计方法都是出于先进的设计理念。这种新的设计理念使人们重新审视产品设计与环境资源之间的关系。绿色设计理念的提出对现代机械设计产生深刻的影响。

传统的机械设计从市场的角度出发，根据市场的需求以创造更大的经济利润为主，从产品规划到方案与概念设计，再到详细改进设计，最后形成最终方案，这个过程中完全忽略了在制造过程中以及产品使用过程中所产生的各种排放和废弃物，最终导致环境污染。而绿色设计在此过程中首先要考虑的就是环境污染问题，首先根据环境效益和生态环境指标合理选用原材料，不使用有毒物质，对必要但有毒的物质安排封闭回路，然后要考虑产品生产与使用过程中所占用的资源与能源，以及对环境所产生的影响，从根本上防止污染，不能等产品已经产生了不良影响以后再采取防治措施，因为这往往会造成更大的人力物力等资源的浪费。必须考虑其环境属性：可拆卸，可回收，可维护，可重复利用和人身健康及安全性的问题。

3.2绿色机械设计的设计目标和准则

（1）减少拆卸的工作量。尽量将各元素结合成统一的模块，减少所用材料的种类，采用兼容性的材料。

（2）产品的预见性。避免老化及腐蚀材料的连接，避免零部件被腐蚀和连接。

（3）易于拆卸。连接结构应该易于去除和被破坏，避免零部件拆卸时移动方向的复杂性，采用同样的紧固方法，减少紧固件数量，在基础部件上设计中心元素，避免在塑料中潜入金属件。

（4）易于分离和处理。避免二次处理（油漆，镀层，电镀），对不同材料进行标识和颜色识别，避免零部件或材料的小问题而损坏电机，避免非刚性零部件。能做到及时维护。

（5）减少多样性。严格按照标准设计生产零部件，最大限度的减少紧固件类型。

3.3机械设计中绿色理念的应用措施----以塔式起重机为例

（1）塔式起重机疲劳损伤的识别

塔式起重机作为一类典型的大型工程机械，属于建筑施工中的一种高危特种设备。塔机发生故障，不仅需要专业人员进行维修、维护、机械停工，而且如果不能确定损伤位置及损伤类型，则整台塔机都要拆除，且拆除后的塔机零部件在不确定有无损伤的情况下无法重复使用，造成较大的经济损失。所以塔机有效安全的运转，对塔机的安全监测是必不可少的，及时发现塔机存在的隐患，对提高塔机运行的可靠性、经济性和重复使用性有深远的影响。不止于塔机还包括其他的结构损伤识别研究，都有助于绿色发展。如基于固有频率变化的结构损伤识别方法，基于阵型变化的结构损伤识别，基于模型修正的结构损伤识别方法，基于传递函数变化的结构损伤识别方法，基于柔度变化的结构损伤识别方法等等。

（2）基于4Dcad的塔式起重机的布局

作为施工工地的主要大型运输设备，塔式起重机的数目必然不止一台，合理布置塔机的位置是降低工程造价与资源浪费的直接条件。基于4Dcad的评估系统，可以自动计算利用率的转换，以规划在建造中起重机的部署。为了自动准确地计算利用率，开发了两个函数：第一个函数是使用“轴对齐包围盒的快速几何干涉检查方法，在3D对象和可携带的任务之间绘制数据；第二种方法是利用一种叫做“随即森林”的数据挖掘技术来估算早期建筑规划阶段的安装材料数量。实践验证该系统对于减少创建起重机部署计划所需要的时间并提高准确性有着显著的成效。最大化的释放了塔式起重机的利用率，有效的节约了资源。

4.总结

在绿色设计理念下引导的机械设计无疑是有益于推动社会进步的，不仅提高了资源的利用率，还有效避免了机械工程发展过程中对环境产生的巨大影响。无论是机械设计，还是其他的产品发展，都不应该脱离绿色的范畴。选择绿色材料及绿色工艺，提高产品的循环使用率，实现对环境保护的目标，是社会可持续稳定发展的保证。

参考文献

[1]何兴华.可持续发展论的内在矛盾以及规划理论的困惑——谨以此文纪念布隆特兰德报告《我们共同的未来》发表10周年[J].城市规划,1997(03):48-51.

[2]赖辉家.绿色建筑理念下的建筑设计分析[J].居舍,2019(25):101.