浅析机电产品的绿色设计

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进展的有效途径，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，而且还要从可持续进展观点动身，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阻碍，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，以爱护环境、实现人与自然和谐进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。

将绿色设计融入机电产品的设计开发之中，是可持续进展战略思想在工业产品设计领域的重要体现，将对人类社会的进展具有特不深远的意义。

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进展的同时，却产生了对能源和原材料的巨大消耗和白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、德国等取得了许多成果。

我国的资源并不丰富，但环境污染问题己经特不突出。

我国的工业进展至今仍然沿
用高能耗、高投入的粗放型工业进展模式，单位能耗比发达国家高出1-3倍，“三废”排放量大，污染严峻，严峻阻碍了我国产品在国际市场上的竞争能力。

现在中国已加入WTO(世界贸易组织)，能够预见，在不久的今后，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。

２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（CAD／CAPP／CAM）、销售及售后服务等几个时期，而且设计也要紧是从企业自身的进展和经济利益动身，仅仅考虑如何满足用户要求，满足产品的差不多属性（如差不多功能、质量、寿命、成本等），而不考虑或专门少考虑环境属性，其设计指导原则是只要产品易于制造，同时具有要求的功能、性能即可。

按传统设计生产的产品在达到其使用寿命后差不多上成了一堆垃圾，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进展，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、经济的飞速进展，传统设计差不多无法满足社会进展和环境爱护的要求，采纳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，采纳全生命周期评价、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阻碍，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阻碍减到最低[1]。

由于产品成本的80﹪～90﹪取决于设计时期，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。

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，要紧表现在：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，系统不断地从外界汲取能源和资源，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。

由于绿色设计将产品生命
周期中的各个时期(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动身，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、质量和成本等差不多性能的条件下，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、环境爱护和劳动爱护等问题。

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，从全然上达到爱护环境、爱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进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阻碍降到最小。

综上所述，绿色设计的目的确实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阻碍，使所设计的产品对社会的贡献最大，对制造商、用户以及环境负面阻碍最小[2]。

3.绿色设计所遵循的原则
绿色设计与传统设计相比较，应该遵循以下要紧原则.
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
绿色设计应完全抛弃传统的“先污染、后治理”的末端治理环境爱护方式，而实施“预防为主，治理为辅”的环境爱护战略，因此设计时就应充分考虑如何消除污染源，从全然上防止污染。

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爱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损害。

总的来讲，应力使损害趋于零。

4)技术先进原则
绿色产品生产过程中，不仅要实现产品方便有用、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，而且还要从可持续进展现点动身，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阻碍，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，达到可持续进展的目的。

从资源、能源和环境的角度动身，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
在那个过程中，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阻碍。

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要紧根源之一，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，探讨进展既有良好性能和功能、又对资源和能源消耗较低的同时与环境协调较好的材料及其制品。

材料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约能源、节约资源、爱护环境、爱护劳动者的程度。

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，不仅能够减少材料白费，解决资源枯竭问题，而且能够减少排放，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纳清洁型可再生能源(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阻碍，严峻的环境污染会给人类乃至整个生物圈造成巨大的损害[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:选用材料与加工零件形状相似，有利于节约材料，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汲取，保持生态平衡。

5)回收性:材料易于回收处理。

6)再利用性:材料能够循环利用。

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
关于受弯构件，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排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
1 2.90 1.18 2.33 2.75
(相对值)
关于脆性材料，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，依照受力和变形情况，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，能够幸免材料的白费。

2. 合理设计形状
在机械产品中，为了节约材料和减轻自重，常采纳以下的结构：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
I弯 1 1.17 1.55
3）提高接触刚度
多零件连接的结构，接触表面的刚度会阻碍结构整体刚度。

为提高
接触刚度，对有相对运动的接触表面，如机床导轨和滑台，其表面粗糙
度应该适当要求；关于固定接触面，需施加适当的预紧载荷，如合理设计螺钉的数量及分布，并规定装配时螺钉应具有的预紧力[4]。

4）机械装置的轻型化设计
在满足产品功能、性能的前提下，进行机械装置的轻量化设计不仅能够节约材料，而且能够带来专门多优点：能减轻其它部件或构件所承受的载荷，从而减轻机器的总重量，由于机器重量的减轻，能使有效载荷增加(如车辆、挖掘机等)；节约能源，减小运行费用。

3.1.5 按照节材原则进行工艺设计
1）合理进行工艺设计，减少废次品、提高产品合格率
减少废次品、提高产品合格率要紧是通过合理的制造工艺来实现。

设计时，应从如下几个方面分析着手：
（1）选用高质量的加工原材料
（2）合理的产品结构工艺设计
（3）正确制定加工工艺方案
2）合理选择零件加工成型方式
零件成型的工艺方法可分：材料去除法(如车、铣、刨、磨)、材料变形法(如锻压、冲压)和材料添加法(如铸造、注塑和快速成型制造)。

在材料去除法中，不可幸免地会产生一定的边角料或废料（切屑），如切削加工的材料利用率一般为65%-70%，而车削加工仅为60%；材料变形法的材料利用率有所提高，但也不可幸免会产生一定的废料，如冲压加工会产生大量的下脚料，材料利用率约为80%，最高也可不能超过90%；冷挤压的材料利用率约为80%以上，高时可达93%[5]。

3.2 可拆卸性设计
随着社会生产力的进展，人们对物质条件要求的不断提高，产品更新换代加速，产生了大量的废弃产品。

然而这些废弃产品并非毫无价值，其中的许多零部件还能够直接地或通过修复后接着使用，即使不能接着使用，其材料通过分类回收后能够接着使用，这就需要对废弃产品进行拆卸回收。

拆卸是产品生命周期中的一个重要时期，是实现从“摇篮”到“再生”这一闭环过程中的一个重要环节。

所谓拆卸确实是从产品或部件上有规律地拆下可用零部件的过程，同时保证不因拆卸过程而造成该零部件的损伤。

可拆卸性设计研究如何设计产品才能高效率、低成本的进行组件、零件的拆卸以及材料的分类拆卸，以便重新使用和回收。

它是设计方法和功能工具的集合，它将产品可拆卸性作为开发目标，面向整个生命周期对产品可拆卸性和拆卸工艺性进行分析和研究，通过减少产品零件数等措施，改善产品的拆卸工
艺性，降低产品的拆卸成本和时刻。

3.2.1产品拆卸目的
产品的可拆卸性是产品回收的前提，直接阻碍产品的再生性。

产品拆卸的目的要紧有三方面，一是拆下那些能够被再销售和再利用的部件，二是拆下那些有毒的、有害的材料，三是尽可能容易地将残余的材料分离成纯净的材料。

关于制造成本高、革新周期长或使用寿命长的零部件能够考虑拆卸后直接再利用，或者修复以后再利用。

而关于原材料成本高，单个零件的生产成本低，产品生命周期短时，通常能够考虑材料拆卸后的回收。

对应于拆卸的三个目的，拆卸也分为三种不同的类型，即破坏性拆卸、部分破坏性拆卸和非破坏性拆卸。

显然，破坏性拆卸以分离为宗旨，而不管产品结构的破坏程度，一般采纳外力强制解除零部件之间的几何约束，无须顾及对象组成零部件的先后拆卸顺序;部分破坏性拆卸则要求在拆卸过程中只损坏部分廉价零件，使其它部分安全分离，如采纳火焰切割、高压水喷射切割、激光切割等分离连接部位，拆卸过程中需要考虑拆卸的顺序，以免破坏所需拆卸的零部件;非破坏性拆卸则是拆卸的最高时期，在拆卸过程中不能损坏任何零部件，如松开螺纹、拆除及压出等，以分析产品零部件之间的几何约束关系为基
础，通过制定合理的拆卸步骤，逐步解除这些约束关系达到拆卸目的。

产品的拆卸是对产品装配约束关系的解除，是一个解约束的过程。

同一产品结构可对应着多种装配方案，一种装配方案的确定也即一种约束关系的确定。

同时，一种固定装配关系的解约束却对应着多种的求解过程，通常文明依照拆卸策略寻求其中二种最优的约束解，因此，产品的拆卸过程不能简单地等同于实际装配的逆过程[6]。

3.2.2可拆卸性设计实施的重要意义
1 .提高产品可制造和可维护性
通过对产品设计提出修正意见，减少不必要的零件，选用优化的可拆卸结构，使产品制造装配和使用维护更加方便。

另外关于在制造维护中拆卸下来的零部件，因它们具有优良的拆卸性能，而使零部件重用成为可能，如此对降低成本、提高效益具有重要意义。

2.提高产品报废回收的绿色性和经济性
拆卸是产品回收不可缺少的组成部分，因为只有拆卸才能保证重新得到品种纯洁的材料及重用部件。

而复杂机电产品的回收一般直接存放或者压成碎片处理，但在目前技术条件下，粉碎或分选通常仅能得到部分回收材料，且因纯度不高只能进入低级应用。

为改善这种状况只有两条出路，即提高粉碎分选技术或者扩大可拆卸性，而DFD的全然目标确实是提高产品的拆卸性能，因此DDF的应用将有利于产品报废回收的绿色性和经济性的提高。

3.2.3可拆卸性设计要紧内容
1.可拆卸性设计标准
在产品开发中，方案设计的结果是满足功能要求的抽象设计概念，它们在详细设计时将被转化为具体的零部件结构、空间位置关系等，这一转化过程具有“一对多”的特点，即同一设计原理可解为多种设计方案。

拆卸性设计标准确实是为了保证产品的拆卸性要求，而为上述转化过程制定的专用设计标准。

在概念产品向具体产品的转化过程中，设计人员便可遵循和采纳这些标准进行设计和审核，以确保产品的拆卸性落实在产品设计中，并最终实现良好的产品拆卸性能。

2.可拆卸性设计程序
可拆卸性设计的研究对象是机电产品，但实际中机电产品类不较多，而且每种产品所包含零部件数量通常都比较大，导致机电产品可拆卸性设计工作特不复杂的，因此实际工作中常作如下简化：
1)拆卸过程由手工完成，且无破坏性。

2)零部件拆卸为一维拆卸，即零部件拆卸时其整体沿着一条直线运动，拆卸时不改变运动。

同时拆卸没有附近运动。

3)零部件拆卸是串行的，同一时刻只有一个零部件被拆卸移走，不考虑并行拆卸。

拆卸评价通常是从两方面着手进行，一方面是产品结构的拆卸难易程度，另一方面是与拆卸过程有关的时刻、费用等。

而在这些指标中，有一些是定量指标，也有一些是定性指标。

3.2.4与拆卸过程有关的指标
与拆卸过程有关的指标包括拆卸费用、拆卸时刻、拆卸能耗和拆卸造成的环境阻碍等。

1）拆卸费用产品中零部件的连接结构不同，拆卸的难易程度也不相同，拆卸费用则表现为不同的量值。

拆卸费用是指与拆卸有关的一切费用，即人力费用和投资费用等。

投资费用包括拆卸所需的工具及夹具、工具的定位及夹具送进装置的费用，拆卸操作费用，拆下材料的识不、分类运输及存储费用等。

人力费用要紧是指工人工资。

拆卸费用是衡量结构拆卸性好坏的要紧指标之一。

某一零部件单元的拆卸费用高，则其回收重用的价值就小。

当拆卸费用大于该零部件单元废弃后的固有成本时，则其就完全失去了回收重用的价值。

由此可见，拆卸费用越小，零部件单元的回收重用价值就越高。

2）拆卸时刻拆卸时刻（Tz）即拆下某一连接所需要的时刻。

产品的某一部件单元可能是由多个连接方式组合而成，则该部件单元的拆卸时刻确实是完成所有这些连接所消耗的时刻总和。

它包括差不多拆卸时刻和辅助时刻。

差不多拆卸时刻(T j)是指松开连接件、将待拆零件和
相关连接件分离所花费的时刻；辅助时刻(T f)是指为完成拆卸工作所作的辅助工作所花费的时刻，如拆卸工具或人的手臂接近拆卸部位的时刻等。

拆卸时刻越长，表明该构的复杂程度越高，产品的拆卸性能差。

拆卸时刻（Tz）用下式表示：
Tz= T j + T f
不同连接方式，其拆卸时刻的计算方法不同。

如单个螺栓联接可用下式计算：
T=T1+T2
其中：T1 --拆卸螺栓的时刻（分钟）；T2 --其它时刻，包括分离联接件的时刻及辅助时刻（分钟）；T--总拆卸时刻（分钟）；因此，在拆卸过程中拆卸工具、工人熟练程度、结构复杂程度对拆卸时刻会有不同程度的阻碍，可依照具体情况调整其修正系数。

拆卸时刻的大小确定必须来自于实际拆卸数据的搜集、整理与分析。

表3为由时刻累计法所确定的机械电子结构中某些连接的拆卸、安装和更换时刻[7]。

表3 某些机电连接结构的拆卸、安装和更换时刻
时刻标
标准时间
准序号项目
更
拆卸安装
换
紧固件
1 标准螺钉0.16 0.26 0.42
2 六角螺钉0.17 0.4
3 0.60
3 快速紧固件（1/4周）0.08 0.05 0.13
4 快速紧固件（小于1周）0.06 0.06 0.12
5 碟型螺钉0.0
6 0.08 0.14
6 螺母螺栓0.34 0.44 0.78
7 U型挡圈--- 0.27
8 扣锁
9 拉环扣锁0.03 0.03 0.06
10弹簧夹扣锁0.04 0.03 0.07
11 碟型扣锁0.05 0.05 0.10
3) 拆卸过程中的能量消耗拆卸产品必定要消耗能量，其能量消耗方式有两种，即人力消耗和外加动力消耗（如电能、热能等）。

拆卸单元零部件所消耗的能量大小也是表明该零部件拆卸性能的一个指标。

能耗少，则该部分拆卸性能好。

由于机电产品中广泛采纳多种连接方式，如螺纹连接、搭扣连接等的机械连接方式和粘结、焊接等，因此其拆卸能量的计算方法也不同。

机械连接的拆卸能量包括螺纹的释放能、搭扣连接的弹性变形能或连接元件的摩擦能等；而化学连接方式，可视其分离方法，其消耗能能够是融化能、断裂能或溶解能。

假如某一待拆。