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1、 机电产品的绿色设计摘 要： 绿色设计已成为我国机械制造业实现可持续发展的有效途径，具有广泛的应用前景。绿色设计中不仅要考虑企业自身的经济效益，而且还要从可持续发展观点出发，考虑产品全生命周期的环境行为对生态环境和社会所造成的影响，通过节约材料，优化设计方案，对材料的回收再利用等方法，最终取得良好的经济效益、生态效益和社会效益。本论文以材料选择、可拆卸性设计为主进行的设计。关键词： 机电产品； 材料选择； 绿色设计； 1 引言进入21世纪以来，以保护环境、实现人与自然和谐发展为目标的绿色浪潮正在全球全面兴起。在这股浪潮的推动下，一种全新的设计理念绿色设计，成为设计领域人们关注的一个重点。将绿色
2、设计融入机电产品的设计开发之中，是可持续发展战略思想在工业产品设计领域的重要体现，将对人类社会的发展具有非常深远的意义。 当微电子技术、大规模集成电子技术和机械工业相结合，从而使古老的机械工业蓬勃发展的同时，却产生了对能源和原材料的巨大消耗和浪费及对生态环境的日益破坏，使得全世界的技术人员和环保人士都在全力解决此类问题，美国、日本、德国等取得了不少成果。我国的资源并不丰富，但环境污染问题己经非常突出。我国的工业发展至今仍然沿用高能耗、高投入的粗放型工业发展模式，单位能耗比发达国家高出1-3倍，“三废”排放量大，污染严重，严重影响了我国产品在国际市场上的竞争能力。现在中国已加入WTO(世界贸易组
3、织)，可以预见，在不久的将来，国外的绿色产品将会大量充斥国内市场，我国的企业将会遭受更加激烈的竞争压力。因此，开展绿色设计与制造的研究与应用已成为我国迫在眉睫的任务。 机电产品绿色设计和传统设计的对比 2.1传统设计在传统的产品设计中，设计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（CADCAPPCAM）、销售及售后服务等几个阶段，而且设计也主要是从企业自身的发展和经济利益出发，仅仅考虑如何满足用户要求，满足产品的基本属性（如基本功能、质量、寿命、成本等），而不考虑或很少考虑环境属性，其设计指导原则是只要产品易于制造，并且具有要求的功能、性能即可。按传统设计生产的产品在达到其使用
4、寿命后基本上成了一堆垃圾，传统产品设计是从“摇篮到坟墓”的过程，传统产品的寿命周期具有开环性。长期以来，尽管这种开环运行模式曾经极大地推动了社会的发展，但它是以破坏生态环境、加速资源枯竭为代价的。随着现代科技、经济的飞速发展，传统设计已经无法满足社会发展和环境保护的要求，采用一种新的设计理念和方法来逐渐代替传统设计方法就成为解决上述问题的关键。2.2 绿色设计 1.绿色设计的含义 绿色设计作为具有环保意识的设计，它不同于传统的从摇篮到坟墓的设计，而是一种从摇篮到再生的设计。它采取并行工程的思想，采用全生命周期评价、分析，将产品的设计、制造、使用和最终处理作为一个整体来加以重视，从产品的最初设计
5、起就开始防治污染，预先考虑产品在制造、使用和最终处理(即产品的全生命周期)中可能给环境带来的负面影响，然后在设计中加以解决。设计中充分考虑产品的环境属性和资源属性，在考虑功能、质量、开发周期和成本的同时，也将可拆卸性、可回收性、可制造性等作为设计的目标，在产品设计时，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，使产品及其制造过程、使用过程和报废处理后，对环境和资源消耗的总体影响减到最低1。由于产品成本的8090取决于设计阶段，因此绿色设计决定了绿色制造系统的效率，是绿色制造的核心。能源回收和焚烧通过热裂解的清洁燃料的生产产品拆卸材料拆解处置环境空气水
6、产品回收原材料加工流通使用维护产品制造提取重复利用利用再造原料再生能源其他废物废渣废水废气 图1产品的生命周期过程与传统设计相比，绿色设计的内涵更加丰富，主要表现在：绿色设计将产品的生命周期拓展为从原材料制备到产品报废后的回收处理及再利用。图1描述了一个产品的生命周期全过程，即从地球环境(土地、空气和海洋)中提取材料，加工制造成产品，并流通给消费者使用，产品报废后经拆卸、回收和再循环将资源重新利用的整个过程。在产品整个生命周期过程中，系统不断地从外界吸收能源和资源，排放各种废弃物质。利用系统的观点，将环境、安全性、能源、资源等因素集成到产品的设计活动之中，其目的是获得真正的绿色产品。由于绿色设
7、计将产品生命周期中的各个阶段(包括原材料制备、产品设计制造、产品使用维护、回收处理及再利用等)看成是一个有机的整体，并从产品生命周期整体性出发，在产品概念设计和详细设计的过程中运用并行工程的原理在保证产品的功能、质量和成本等基本性能的条件下，充分考虑产品生命循环周期各个环节中资源和能源的合理利用、环境保护和劳动保护等问题。因此有助于实现产品生命周期中“预防为主，治理为辅”的绿色设计与制造战略，从根本上达到保护环境、保护劳动者和优化利用资源与能源的目的。 2.绿色设计的特点1.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。2.从
8、源头上减少了环境污染：绿色产品设计减少了废弃物产生，减少了处理垃圾带来的种种棘手问题。3.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：绿色设计力图将产品制造和使用对环境产生的负面影响降到最小。综上所述，绿色设计的目的就是利用并行设计的思想，综合考虑在产品生命周期中的技术、环境以及经济性等因素的影响，使所设计的产品对社会的贡献最大，对制造商、用户以及环境负面影响最小2。3.绿色设计所遵循的原则 绿色设计与传统设计相比较，应该遵循以下主要原则.l)资源、能源最佳利用原则该原则包含两层意思，一是在考虑选用时，应尽可能选用可再生的资源、能源；另一方面，在设计上应尽可能保证在产品的整个寿命
9、周期中得以最大限度的利用资源及能源。2)“零污染”原则绿色设计应彻底抛弃传统的“先污染、后治理”的末端治理环境保护方式，而实施“预防为主，治理为辅”的环境保护战略，因此设计时就应充分考虑如何消除污染源，从根本上防止污染。产品寿命循环周期中环境污染趋于零为最佳状态，是绿色设计所追求的最终目标。3)“零损害”原则确保产品寿命周期中对操作者良好的劳动保护是绿色设计必须遵循的设计原则。从设计上不仅要从产品制造和使用环境以及产品的质量和可靠性等方面考虑如何确保生产者和使用者的安全，而且还要使产品符合人机工程学、美学等有关原理，以免对人们的身心健康造成伤害。总的来说，应力使损害趋于零。4)技术先进原则绿色
10、产品生产过程中，不仅要实现产品方便实用、无冗余的功能，而且还要力求所生产的产品在寿命周期中节资、节能、劳保性好、环保性好，这是传统生产技术所难以作到的。因此，绿色设计考虑生产技术时，技术先进性是一个十分重要的设计原则。5)整体效益最佳原则与传统设计不同，绿色设计中不仅要考虑企业自身的经济效益，而且还要从可持续发展现点出发，考虑产品全生命周期的环境行为对生态环境和社会所造成的影响，色设计不应只片面地追求某一项效益而忽略其它，应该追求整体效益最佳化。3 机电产品的绿色设计 3.1材料选择 在机械产品生产制造过程中，人类既期望获得大量高性能或高功能的各种材料，又要求有一个良好的生态环境，达到可持续发
11、展的目的。从资源、能源和环境的角度出发，提取、制备、生产、使用、再生和废弃材料的过程实际上是一个资源消耗和能源消耗及环境污染的过程。而在这个过程中，材料选择是产品设计的第一步，其绿色特性对产品的绿色性能具有重要的影响。3.1.1 产品材料的选择与环境的关系各种统计表明，从资源、能源消费的比重和造成环境污染的根源分析，材料及其材料加工过程是造成能源短缺、资源过度消耗乃至枯竭和环境污染的主要根源之一，这就要求人们重新评价过去研究、开发、生产和使用材料的活动，更新忽视环境恶化、单纯追求高性能高附加值材料的观念，探讨发展既有良好性能和功能、又对资源和能源消耗较低的并且与环境协调较好的材料及其制品。材料
12、的环境协调特性评估是绿色产品设计过程中材料选择的重要依据之一。它是指材料在其生命循环周期内节省能源、节省资源、保护环境、保护劳动者的程度。材料选择的环境协调性原则包括：1）材料的最佳利用原则提高材料的利用率，材料的利用率的提高，不仅可以减少材料浪费，解决资源枯竭问题，而且可以减少排放，减少对环境的污染。2）能源的最佳利用原则材料生命周期中应尽可能采用清洁型可再生能源(也称绿色能源)，如太阳能、风能、水能地热能等。材料生命周期能量利用率最高原则，即输入与输出能量的比值最大。3）污染最小原则材料生命周期全过程中产出的环境污染最小。材料选择时必须考虑其对环境的影响，严重的环境污染会给人类乃至整个生物
13、圈造成巨大的损害3。3.1.2 绿色设计对材料的要求绿色产品首先应要求构成产品的材料具有绿色特性，即在产品的整个寿命机电产品可拆卸性设计理论研究及实现周期内，这类材料应有利于降低能耗，环境负担最轻。具体符合以下几点：1)所用材料应是低能耗、低成本、少污染的材料。这是从所用材料自身的生产过程来考虑的，因此，绿色材料对材料本身的制造过程也提出了严格的要求。2)所用材料应是易加工且加工中无污染或污染最小。这是从材料制成零件的制造过程来考虑的。3)所用材料应是易回收、易处理、可重用、可降解材料。这是从产品报废后易于处理的角度来考虑的。3.1.3 材料的性质1.材料加工属性1)材料的相似性:选用材料与加
14、工零件形状相似，有利于节省材料，合理使用能源。2)材料加工难易性:选择易加工的材料，减少能源的损耗。3)材料能耗性:选择低能源含量材料，以便节约能源。2.材料环境属性1)毒性:尽量选用无毒、无害的材料。2)易燃性:减少易燃材料的使用。3)腐蚀性:减少易腐蚀材料的使用。4)分解性:选择容易降解材料，废弃后能自然分解并为自然界吸收，保持生态平衡。5)回收性:材料易于回收处理。6)再利用性:材料可以循环利用。7)污染性:减少污染材料的使用，尽量使用低或无污染的材料。3.经济性l)成本:选用低成本的材料，节约产品成本。2)加工成本:把材料加工成零件。3)回收成本:循环利用的材料、产品报废后，材料应易于
15、回收，并经济性地适当处理后再资源化。4)废物处理成本:下脚了和不能再利用材料的处理费用。3.1.4 材料形状选用分析1.合理设计构件的截面形状对于受弯构件，弯曲正应力在截面上的分布是距中性面愈远应力愈大。从节约材料的角度来进行受弯构件的截面设计。受弯构件的设计中工字钢是较为常用的截面形状表1罗列了集中截面形状的抗弯模量。表1 几种截面形状的抗弯模量截面形状抗弯模量(相对值)12.901.182.332.75对于脆性材料，如铸铁等，由于其抗压性能优于抗拉性能，因此在设计受弯构件时，根据受力和变形情况，将材料特性和应力分布结合起来考虑。机械零件多在交变应力下工作，据机械零件失效的分析，80%的失效属于疲劳破坏。因此提高抗疲劳破坏的能力，可以避免材料的浪费。2. 合理设计形状在机械产品中，为了节省材料和减轻自重，常采用以下的结构：1）设计加强筋几乎所有的铸件都设计有加强筋，增强构件的强度和刚度。2）选择合理的箱形结构箱体结构不同，其刚度也不同。如表2所示表2 三种截面形式的刚度比较截面形状
