楊增光（河北遠東通信系統(tǒng)工程有限公司，石家莊　050200）

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淺析機械設(shè)計節(jié)能基本原理的分析與應(yīng)用

楊增光
（河北遠東通信系統(tǒng)工程有限公司，石家莊050200）

摘要：在機械設(shè)備的設(shè)計過程中，一定要遵循節(jié)能原則，充分改變機械系統(tǒng)的動能輸出及勢能變化，盡量減小機械的無用功，充分利用機械功率，以達到節(jié)能的目的。本文著重分析機械設(shè)計過程中節(jié)能的基本原理，以及在實際生活中應(yīng)用的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；節(jié)能原理；實際應(yīng)用

1　機械設(shè)計概述

所謂的機械設(shè)計就是對所有部件和整體的配合進行設(shè)計的過程，整個過程都要遵循機械應(yīng)用的原則，大到整個機械設(shè)備的配合及運行，小到每個工作零件的選材、大小及潤滑等，都要你按照其運行的基本原理進行構(gòu)思設(shè)計。對不同用途的機械，要利用不同的原理進行相應(yīng)功能的設(shè)計。

2　現(xiàn)代的機械生產(chǎn)模式

（1）能適應(yīng)市場批量生產(chǎn)的要求?，F(xiàn)在的市場對機械產(chǎn)品的需求量很大，相應(yīng)的生產(chǎn)周期也在不斷減小。這對傳統(tǒng)生產(chǎn)模式是一種挑戰(zhàn)，因此，機械生產(chǎn)的方式以及觀念都發(fā)生了很大變化。目前，生產(chǎn)企業(yè)都使用了自動化控制技術(shù)，再加上多媒體技術(shù)的輔助，為企業(yè)帶來了極大的益處。（2）引進全新的技術(shù)，完善現(xiàn)在的生產(chǎn)模式。目前，單一的生產(chǎn)技術(shù)已跟不上市場的腳步，必須要將多個領(lǐng)域的技術(shù)綜合起來，以很好地適應(yīng)社會。在機械制造行業(yè)，傳統(tǒng)模式以人工操作的方式為主，這樣不僅生產(chǎn)速度慢，而且容易出現(xiàn)差錯，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量較差，此外，對能源的浪費也很嚴重。

當下的生產(chǎn)模式中，加工車間的安全也是一個重要問題，工人一旦操作失誤，不僅會危及人身安全，而且會影響產(chǎn)品質(zhì)量，導(dǎo)致整個生產(chǎn)過程面臨誤工，耽誤整體產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

3　機械設(shè)計的節(jié)能基本原理

所謂機械設(shè)計節(jié)能的基本原理就是對設(shè)備的動能輸出以及勢能和其消耗的無用功進行整理，并進行函數(shù)分析，總結(jié)出該如何進行設(shè)備的節(jié)能設(shè)計。

（1）動能方面的節(jié)能分析。在傳統(tǒng)設(shè)計中，工程師一般都考慮動能變化對輸出功率的影響，調(diào)節(jié)改善設(shè)備的波動、使用周期及加工精度，很少改善其給系統(tǒng)帶來的影響。因此，筆者主要在這一點上進行研究改善。傳統(tǒng)機械設(shè)備的動能并沒有完全開發(fā)出來，這主要是因為在加工過程中，動能沒有及時進行回收并轉(zhuǎn)化。本著節(jié)能原則，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動能變化范圍，盡可能地縮小范圍。

（2）在輸出力方面的節(jié)能分析。不同工作要求的機械設(shè)備在工作過程中的輸出力是不同的，即使是相同的機械設(shè)備在不同過程要求下輸出的力也不完全相同。因此，要在節(jié)能方面進行改善。

導(dǎo)致機械設(shè)備在工作過程中輸出力偏高的因素主要是在很短時間內(nèi)，力的變化波動比較大，在函數(shù)中表現(xiàn)為周期函數(shù)。只要把輸出力的波動變化范圍縮小，變化越小，節(jié)能的效果也就越好。

（3）降低無用功，節(jié)省能源。無論何種機械設(shè)備，都不可避免地會有摩擦以及其他阻力，這些阻力都或多或少地產(chǎn)生無用功。這些都和設(shè)備在設(shè)計過程中采用的零件精度以及潤滑方式有很大關(guān)系。這些無用功都對設(shè)備的使用效率產(chǎn)生極大阻礙。因此，在設(shè)計時，要充分考慮節(jié)能因素，最大限度地減小無用功，提升設(shè)備的使用率。

（4）節(jié)能原理的分析總結(jié)。節(jié)能的方法主要就是在動能、輸出力以及減小無用功等方面對設(shè)備進行改進。簡單地說，就是工程師在設(shè)計的過程中，把系統(tǒng)的一些參數(shù)變化維持在一個盡可能小的范圍內(nèi)，就可以極大地節(jié)省能源。但這點實現(xiàn)起來極為不易，是所有工程師長期奮戰(zhàn)的目標。

4　機械設(shè)計節(jié)能原理的實際應(yīng)用

由于機械設(shè)計節(jié)能的基本原理主要涉及質(zhì)點以及動能定理，因此，由質(zhì)點組成的對象都可以利用，其適用范圍寬泛。

4.1該節(jié)能原理在升降機械力的應(yīng)用

升降機械在實際工作中消耗的功率較大，產(chǎn)生的無用功也較大，因此，要在節(jié)能方面進行改善。改進前，要先研究消耗的原因，大部分功率的消耗都發(fā)生在設(shè)備提升以及下放物體的過程中。一般來說，在設(shè)計升降機械前，一定要標準化，結(jié)合電梯的設(shè)計原理，加入機械設(shè)計的節(jié)能原理。在升降機械設(shè)計中的應(yīng)用升降機械與其他機械相比，消耗功率的主要特征是貨物和人的重量（有勢力）在提升或下降的勻速運動過程中均要消耗功率。工程實踐證明，以相同的速度提升質(zhì)量相等的重物，按照電梯標準計算設(shè)計的曳引驅(qū)動機構(gòu)所消耗的功率比傳統(tǒng)卷揚驅(qū)動機構(gòu)要小得多。若按“系統(tǒng)勢能為常量或在最小范圍內(nèi)變化”設(shè)計升降機械或電梯，可得平衡升降機和平衡電梯設(shè)計方案。在平衡升降機中，若用Q（t）表示提升物體的質(zhì)量，用P表示自重不變的配重，用r1表示升降貨物卷筒的半徑，r2表示升降配重卷筒的半徑，若要平衡升降機的系統(tǒng)勢能為常量，則必須滿足式Q（t）r1=Pr2（公式1），雖然Q（t）為變量，但可采用自動變速機構(gòu)改變傳動比，可實現(xiàn)系統(tǒng)勢能為常量。在平衡電梯中，若用Q（t）表示轎廂和水箱自重以及隨人數(shù)變化載質(zhì)量，P（t）表示配重和水箱自重（變量），曳引輪與導(dǎo)向輪半徑相等用r表示。平衡電梯在工作時，當進入轎廂人的質(zhì)量為q1，轎廂下水箱里將有p1重的水進入配重下水箱。電梯空載時，Q（t）=QP（t）=P，電梯工作時Q（t）=Q+q1-p1，P（t）=P+p1，將其代入式（公式1），則可求得轎廂下水箱里水進入配重下水箱的質(zhì)量。

可以看出由轎廂水箱進入配重水箱水的質(zhì)量只是人質(zhì)量的1/2。現(xiàn)對卷揚驅(qū)動機構(gòu)、曳引驅(qū)動機構(gòu)和平衡升降機或平衡電梯所需要的電機功率進行對比，可以看出平衡升降機或平衡電梯顯然要比曳引驅(qū)動機構(gòu)要小。同時還可以發(fā)現(xiàn)，卷揚驅(qū)動機構(gòu)系統(tǒng)勢能在最大范圍內(nèi)變化，曳引驅(qū)動機構(gòu)系統(tǒng)勢能在較小范圍內(nèi)變化，平衡升降機或平衡電梯的系統(tǒng)勢能為常量或在最小范圍變化。由此可知，當系統(tǒng)勢能為常量時，該機構(gòu)節(jié)能效果最為明顯。

4.2在加工型設(shè)備中的應(yīng)用

加工型機械設(shè)備在實際生活中較為常見，其在加工過程中消耗的能源也最大，因此，該類設(shè)備的節(jié)能尤其重要。以牛頭刨床為例，該設(shè)備主要由一個質(zhì)量很大的主軸來操作其穩(wěn)定運行，要想實現(xiàn)節(jié)能，就要降低輸入的功率，結(jié)合機械原理，再增添一個該裝置，設(shè)備的功率變?yōu)樵鹊?倍，以提升功率，節(jié)省能源。

4.3該節(jié)能原理在大壓路機上的應(yīng)用

大型壓路機的輪子表面并沒有嚴格按照周期函數(shù)來表現(xiàn)，其變化范圍較大。這在無形中阻礙了節(jié)能設(shè)計。因此，要想真正實現(xiàn)節(jié)能，就要把沖擊輪的勢能在重心處于最低處時的變化縮小在一個最小區(qū)間，區(qū)間越小，節(jié)能效果越好。

5　結(jié)語

現(xiàn)代機械設(shè)計節(jié)能原理主要是利用降低輸入，提高效率的方式方法來達到目的。在現(xiàn)代生產(chǎn)基礎(chǔ)上，添加新的設(shè)計觀念，完善實現(xiàn)生產(chǎn)模式，是實現(xiàn)節(jié)能的一個關(guān)鍵性問題。在機械設(shè)計加工行業(yè)內(nèi)減輕能源浪費，實現(xiàn)節(jié)能減排，是目前市場上機械行業(yè)發(fā)展的一個趨勢。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.073