孫 偉，孫見君，陳 衛(wèi)，佘寶秋

1 前言

綠色設(shè)計(jì)又稱生態(tài)設(shè)計(jì)或環(huán)境意識(shí)設(shè)計(jì)，指的是：在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)（設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、銷售、使用或消費(fèi)、廢棄處理），以環(huán)境和資源保護(hù)為核心，同時(shí)也并行地考慮并保證產(chǎn)品應(yīng)有的基本功能、使用壽命、經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量等［1］。綠色設(shè)計(jì)采用合理的優(yōu)化算法來優(yōu)化整體設(shè)計(jì)流程，可以解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中常常出現(xiàn)的破壞環(huán)境、浪費(fèi)資源等問題。

綠色設(shè)計(jì)理念，是實(shí)現(xiàn)最合理資源配置利用、最小環(huán)境影響、最大經(jīng)濟(jì)效益三方面統(tǒng)籌兼顧的有效途徑之一。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)綠色設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并提出了大量可靠的綠色設(shè)計(jì)優(yōu)化算法，如：李艷萍提出了礦山機(jī)械綠色設(shè)計(jì)理念，并提出了綠色設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)基本原則［2］；劉英平提出了對(duì)于水利機(jī)械綠色設(shè)計(jì)成果的評(píng)價(jià)方法，定性和定量地規(guī)定了評(píng)價(jià)指標(biāo)［3］；李偉等利用優(yōu)化算法，對(duì)實(shí)際工程問題進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，提出了基于約束滿足的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法［4］；張雷等則在李偉的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將約束滿足算法與綠色設(shè)計(jì)相結(jié)合，提出了綠色約束這一概念［5］。

機(jī)械密封作為裝備常用易損部件，需要經(jīng)歷設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)和報(bào)廢全過程，欲實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的綠色化，就需從設(shè)計(jì)源頭開始。

本文綜合考慮機(jī)械密封功能、結(jié)構(gòu)、工況等因素，引入滿足約束（CSP）和基于范例推理（CBR）2種優(yōu)化算法，通過約束回溯方法求解不同方案的綠色需求滿足度，從而獲得最佳設(shè)計(jì)方案。

2 基于綠色設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

機(jī)械產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)思想，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：產(chǎn)品選用材料的綠色性、產(chǎn)品的再制造性、機(jī)械結(jié)構(gòu)的拆卸便捷性以及整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模塊化。基于綠色設(shè)計(jì)思想的機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)模式如圖1所示。

圖1 綠色設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)模式

產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式分為先期決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品報(bào)廢與再制造三大步驟，利用綠色環(huán)保技術(shù)，建立基于特定優(yōu)化算法的綠色產(chǎn)品知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，將綠色設(shè)計(jì)理念貫穿在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程中，在保證符合強(qiáng)制性能要求的前提下，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

綠色設(shè)計(jì)思想增加了產(chǎn)品報(bào)廢與再制造單元，對(duì)達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)的零件不是簡(jiǎn)單的丟棄，而是進(jìn)行分類處理。對(duì)于可再制造的零件進(jìn)行可以恢復(fù)原有工作性能的二次加工；對(duì)于難以二次利用的廢棄物，進(jìn)行無害處理，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)自然環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

3 基于CSP和CBR的機(jī)械密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械密封零件可以分為標(biāo)準(zhǔn)件與非標(biāo)準(zhǔn)件兩大類，非標(biāo)準(zhǔn)件可采用CSP算法進(jìn)行處理。標(biāo)準(zhǔn)件可采用基于CBR的算法進(jìn)行選型。具體流程如圖2所示。

圖2 機(jī)械密封零件設(shè)計(jì)流程

3.1 非標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)

對(duì)于機(jī)械密封系統(tǒng)中非標(biāo)準(zhǔn)件而言，設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)在于其約束條件多，且約束之間存在輕重關(guān)系，因此可引入約束滿足算法進(jìn)行處理。對(duì)機(jī)械密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題可用一維四元數(shù)組來表示［6］：

式中 Cq——設(shè)計(jì)中需滿足的強(qiáng)制性能約束

Cg——設(shè)計(jì)中盡量滿足的綠色約束

U ——根據(jù)約束選型的單元

Di——單元Ui對(duì)應(yīng)的作用域

非標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 結(jié)合CSP算法非標(biāo)件設(shè)計(jì)流程

3.1.1 確定用戶需求及分類

在進(jìn)行整體系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模之前，首先要確認(rèn)用戶需求，即用戶對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品提出的約束。約束可分為強(qiáng)制性能約束與綠色約束。其描述的全面與準(zhǔn)確性將直接影響整體設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性與可靠性。強(qiáng)制性能約束指的是對(duì)結(jié)構(gòu)安全、性能等方面提出的要求，如果不能滿足則無法達(dá)到設(shè)計(jì)目的。綠色約束指的是出于環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排等方面考慮，在滿足強(qiáng)制性能約束前提下盡量滿足的約束。綠色約束以綠色需求滿足度為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)并選擇設(shè)計(jì)方案。綠色約束又可細(xì)分為數(shù)值型約束與符號(hào)型約束。數(shù)值型約束可用數(shù)值或數(shù)值范圍表示其滿足程度，符號(hào)性約束則用“是”或“否”回答進(jìn)行判斷。

3.1.2 確定可選型單元

根據(jù)模塊化原則并結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)需要進(jìn)行可選型單元的確認(rèn)?？蛇x型單元可理解為高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言中的類（Class），其包含了一系列的子成員變量，描述了由類生成的具體對(duì)象及具有的功能屬性、結(jié)構(gòu)特征以及綠色性能等。具體選型單元表述形式省略。

3.1.3 確定約束范圍

當(dāng)遇到機(jī)械密封系統(tǒng)中二維或者多維約束時(shí)，為了便于分析，常采用降維處理，將其轉(zhuǎn)換為一維約束。如果目標(biāo)約束難以降維，則可采用約束回溯進(jìn)行確認(rèn)。該方法在處理可選型對(duì)象過程中，一般采用深度優(yōu)先的原則，若所得結(jié)果與需求不符，則認(rèn)為檢查失敗，重返上一步回溯程序，直到所有可選型單元都被賦值則回溯完成。引入展望與回顧的回溯過程，可使整體搜索效率大大增加［3～5］。

3.1.4 綠色約束權(quán)重計(jì)算

由于綠色需求往往并非唯一，且其重要程度也非一致，區(qū)分各個(gè)綠色約束之間的相對(duì)權(quán)重，能提高設(shè)計(jì)的可信程度?？刹捎脤哟畏治龇ㄓ?jì)算相對(duì)權(quán)重系數(shù)，步驟如下：

（1）建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型。

（2）由用戶輸入相對(duì)重要系數(shù)，構(gòu)造各層次所有判斷矩陣。

（3）層次單排序及一致性檢驗(yàn)，得到結(jié)果。

3.1.5 綠色約束滿足度計(jì)算

經(jīng)過回溯遞歸算法處理，降維回溯使作用域得到一定程度的減小，簡(jiǎn)化了運(yùn)算，保證符合強(qiáng)制性能需求。因此最終設(shè)計(jì)方案的判斷標(biāo)準(zhǔn)就轉(zhuǎn)換為對(duì)綠色需求滿足度的數(shù)值，分為數(shù)值型與符號(hào)型兩類，其分別有不同的滿足度計(jì)算方法［7］。

在機(jī)械密封中，存在許多數(shù)值型約束，比如在進(jìn)行選型時(shí)材料的成本，難以用滿足或不滿足進(jìn)行區(qū)分，可按下式進(jìn)行近似計(jì)算：

式中 Ri——綠色約束i對(duì)應(yīng)的滿足度

c ——綠色約束下需要達(dá)到的數(shù)值

r ——綠色約束下實(shí)際達(dá)到的數(shù)值

S（i）——標(biāo)準(zhǔn)條件下取值范圍

另一方面，在機(jī)械密封設(shè)計(jì)中，還有許多符號(hào)型約束，能夠使用文字表述，即能否滿足，可用下式表達(dá)：

3.2 標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)件選型采用基于范例推理設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)［8］。其原理就是找到或者新建所屬的范例庫(kù)，通過設(shè)定檢索條件，在眾多經(jīng)驗(yàn)證成功的案例中找到一個(gè)或者多個(gè)方案，再結(jié)合實(shí)際工況，進(jìn)行修改得到解決方案。

為將理論計(jì)算與實(shí)際相結(jié)合，需要設(shè)計(jì)適用于機(jī)械密封設(shè)計(jì)的范例庫(kù)（case base）和檢索匹配算法（indexing and matching algorithm）。

（1）范例庫(kù)

在范例庫(kù)的建立中，關(guān)鍵是如何表示零件的尺寸、結(jié)構(gòu)、配合等參數(shù)。將這些參數(shù)抽象化、參數(shù)化處理后，構(gòu)成范例庫(kù)存儲(chǔ)的信息。良好的范例庫(kù)需要包含兩部分，即零件的種類，零件的參數(shù)數(shù)值或零件符合的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。最簡(jiǎn)單的處理方法是進(jìn)行屬性抽取，以范例中最典型的屬性作為檢索依據(jù)存儲(chǔ)。

在機(jī)械密封中，標(biāo)準(zhǔn)件主要包括：O形圈、緊定螺釘。對(duì)于O形圈，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB3452.1-2005，標(biāo)記示例：內(nèi)徑d1×斷面直徑d2。對(duì)于緊定螺釘，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 193-2003和GB/T 3098.3-2016，標(biāo)記示例：默認(rèn)三角螺紋M，公稱直徑×螺距。

利用這些數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS），可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和算法復(fù)用。MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，可應(yīng)用于機(jī)械密封設(shè)計(jì)。

（2）檢索匹配算法

檢索匹配算法是指通過某標(biāo)準(zhǔn)在范例庫(kù)中尋找與所需符合度最高的范例。范例建立時(shí)，包含解決方案的描述，當(dāng)機(jī)械密封設(shè)計(jì)系統(tǒng)接收了特定的用戶需求后，會(huì)根據(jù)某種匹配算法對(duì)范例庫(kù)中案例進(jìn)行遍歷操作，通過相似度算法比較，以相似度最高的范例為最終方案。

范例檢索與匹配分以下步驟。

（1）特征識(shí)別：從用戶需求中提取到相關(guān)特征信息，對(duì)其進(jìn)行分析。

（2）初步匹配：根據(jù)特征信息在范例庫(kù)中進(jìn)行匹配，得到單個(gè)或多個(gè)備選范例。

（3）最終匹配：利用多個(gè)特征信息，根據(jù)特征信息權(quán)重系數(shù)來進(jìn)行匹配符合度計(jì)算，確定最終解決方案。

同樣范例中各特征的重要程度不同，其權(quán)重計(jì)算類似約束滿足問題計(jì)算，都可采用層次分析法處理。

相似度計(jì)算可按數(shù)值型與符號(hào)型分別處理。符號(hào)型特征信息符合相似度為1，不符合相似度為0。數(shù)值型特征信息處理先設(shè)該特征信息i的數(shù)值為a，范例庫(kù)中該屬性值為b，則進(jìn)行如下判斷：

僅當(dāng)需求特征屬性值a滿足0.8b≤a≤1.2b時(shí)才符合相似需求，否則認(rèn)為不匹配。最終匹配度計(jì)算公式為：

分別對(duì)O形圈、密封墊片、緊定螺釘、傳動(dòng)螺釘?shù)母鱾€(gè)特征信息進(jìn)行權(quán)重系數(shù)的分配，結(jié)合非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)，分別計(jì)算其匹配度，選取出匹配度最高的方案。

4 設(shè)計(jì)示例

基于約束滿足以及范例推理，對(duì)定工況下機(jī)械密封系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以驗(yàn)證綠色設(shè)計(jì)方法的可行性，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 機(jī)械密封示意

4.1 非標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)

用戶需求決定著整體結(jié)構(gòu)的合理性，按照強(qiáng)制性能約束以及綠色約束2種進(jìn)行分類。用戶需求及分類結(jié)果如表1所示。

表1 客戶對(duì)機(jī)械密封的需求

根據(jù)綠色約束內(nèi)容的不同，將其分為符號(hào)型或數(shù)值型，如表2所示。

表2 機(jī)械密封綠色約束分類

根據(jù)機(jī)械密封設(shè)計(jì)實(shí)際需要，對(duì)可配置單元分為3類，其可行域如表3所示。

表3 機(jī)械密封可配置單元及其可行域

機(jī)械密封約束作用范圍如表4所示。

表4 機(jī)械密封約束作用范圍

按照綠色設(shè)計(jì)算法，約束過濾后結(jié)果如表5所示。

表5 機(jī)械密封綠色約束過濾

最后利用層次分析法分配權(quán)重，如表6所示。

表6 機(jī)械密封綠色約束權(quán)重系數(shù)

進(jìn)行約束回溯計(jì)算可以找到滿足強(qiáng)制性能要求的所有組合及其約束滿足度，如表7所示。

由表7可見，第一組配置方案的約束滿足度最高，可作為設(shè)計(jì)人員決定方案的依據(jù)，設(shè)計(jì)出滿足用戶需求的產(chǎn)品。

表7 機(jī)械密封非標(biāo)件選型結(jié)果

4.2 標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)

針對(duì)工況條件，分別對(duì)機(jī)械密封O形圈、緊定螺釘、傳動(dòng)螺釘進(jìn)行選型。

O形圈需要安裝在靜環(huán)與壓蓋處、動(dòng)環(huán)與軸套處。安裝處軸徑與介質(zhì)是其特征信息，分別查找MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)如表8所示。

表8 O形圈選型結(jié)果

緊固螺釘起到確定零件相對(duì)位置作用，需要安裝在彈簧座與軸套、軸套與軸之間，其特征信息是螺紋代號(hào)、公稱直徑以及螺距，分別查找MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)如表9所示。

表9 緊定螺釘選型結(jié)果

5 結(jié)語

本文將約束滿足、范例推理優(yōu)化算法引入機(jī)械密封設(shè)計(jì)領(lǐng)域，以合適表達(dá)方法將用戶需求轉(zhuǎn)換成約束，生成問題解決模型。

同時(shí)將約束細(xì)化，分成必須滿足的強(qiáng)制功能性約束和盡可能達(dá)到的綠色約束，解決2種約束相互矛盾的困境，以滿足功能約束為前提，根據(jù)綠色約束滿足度確定最佳方案，拓寬綠色設(shè)計(jì)方法在機(jī)械密封領(lǐng)域的應(yīng)用。利用綠色設(shè)計(jì)方法所得方案，可實(shí)現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能和經(jīng)濟(jì)高效三方面統(tǒng)一，提高機(jī)械密封綠色設(shè)計(jì)效率。

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