绿色制造论文

重庆大学研究生绿色制造现状及发展趋势论文

学生：马可

学号：

上课教师：曹华军

专业：机械设计

类别：学术型

重庆大学机械工程学院

低碳制造与新能源

摘要：本文主要介绍了机械加工过程中的低碳制造相关理论和技术方法，涉及了轻量化、模块化及生态化的产品设计方法;在低碳经济下的新能源开发与利用已经日趋成为人们关注的技术，至今还没有一种新能源能够取代现在普遍使用的化石能源,而只能作为常规能源有限的补充。太阳能光伏发电和风力发电的利用过程无疑是低碳的;但其开发制造过程却要耗散大量的资源,需要大量化石燃料作支撑。无论今后能源结构如何变化发展,节能都应当是一个永恒的主题。

关键词：低碳制造；低碳机械加工；产品低碳设计；新能源；太阳能; 节能；

1.低碳制造概念

1.1低碳制造概述

低碳制造是指在生产全过程中所有的生产环节，包括生产制造、资源利用、物流运输等，以及产品生产的各个时期都要求节能、减排，提高对资源的利用率，以实现低碳的目的。低碳制造是一种综合考虑资源利用率和能源消耗，以及碳排放对环境影响的现代制造模式。

1.2低碳制造技术

低碳制造技术具有丰富的内涵。低碳制造技术体系主要包括：

1)清洁能源技术：包括太阳能技术、水能技术、潮汐发电技术、风能技术、沼

气能技术、生物质能技术等等。

2)低碳设计技术：包括低碳设计原则及方法、低碳设计评价模型及优化模型、

低碳设计标准体系、低碳评价的数据库、低碳化的经济分析模型等等。

3)碳汇技术：包括碳掩埋技术；碳捕获技术等等。

1.3低碳制造体系结构

轻量化设计：确保产品使用性能前提下，尽量减少产品

低碳产品设计模块化设计：通过各功能模块的优化组合适应不同需求

生态化设计：充分考虑材料能源可循环利用及产品对生态环境影响

部件性能优化：电机及主轴驱动、液压等系统优化

加工设备辅助部件节能控制：润滑、照明、气动等部件节能控

制

先进切削技术及刀具：干切削、微量润滑、新型节

能刀具等

低碳机低碳生产过程加工工艺高效工艺优化：加工策略、路径优化、参数优化等械制造低碳再制造：加工设备回收与再造、节能再造及功

能扩展等

高效生产模式：大规模定制，时间紧凑型等

生产管理生产调度优化：多目标综合调度优化模型等

原材料：开发可循环利用绿色材料

低碳资源开发

能源：降低化石能源应用比例，提高电力能源比例

2.低碳制造技术的背景

低碳制造作为一种全新的可持续制造模式，是实现我国2020年减排承诺的有效途径，符合国家发展战略性新兴产业、实施节能减排以及应对气候变化重大战略工程。实施低碳制造，要从能耗、物耗、废物排放等角度出发，提高能源、资源利用率，减少废物排放，改善能源结构，实现制造企业碳排放减量化。

目前，欧美发达国家正在掀起一场以高能效、低排放为核心的“低碳革命”，大力发展低碳经济、低碳制造。意在占领新时期产业制高点，为自身经济寻找新的增长动力，并将其作为应对金融危机、经济衰退、环境恶化和气候变化等多重危机的重要对策。英国是最早提出“低碳”概念并积极倡导低碳经济的国家。英国政府2009 年7 月15 日正式发布名为《Low Carbon Transition Plan》（低碳转换计划）的国家战略文件，提出到2020 年将碳排放量在1990年基础上减少34％，其内容涉及能源、工业、交通和住房等多个方面。

2007 年7 月，美国参议院提出了《低碳经济法案》，将发展低碳经济列为美国未来工业经济的重要战略选择。2008年1月，国际生产工程学会（The International Academy forProduction Engineering，CIRP）在巴黎成立了Low Carbon ManufacturingWorking Group（CWG）, 并参与发起了名为COPE合作研究计划，目的在于核算并减少离散零件制造工艺过程的碳排放等。国务院总理温家宝于2009年11月25日主持召开国务院常务会议，研究部署应对气候变化工作，决定到2020年我国单位国内生产总值。

二氧化碳排放比2005年下降40％~45％，并作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。2011年1月，由国家自然科学基金委员会工程与材料科学部主办，中南大学承办的“面向高端装备的低碳制造基础研究”研讨会在长沙召开, 共同探讨高端装备低碳制造中的基础科学问题。工程与材料科学部机械与制造科学处于2010年已资助了题为“离散车间制造系统高效低碳运行优化理论与关键技术”基金重点项目，并在2011 年度重点项目立项指南中，设立了“低碳制造的基础研究”以引导国内专家开展低碳制造的基础研究。

据统计，我国制造业的能源消耗占我国能源消费总量的60%左右（根据国家统计局2010年数据），造成环境污染的排放物有70%以上来自制造业，每年约产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物。同时，制造业又是采矿、电力等高能耗工

业产出产品（电能、材料等）的消费者。因此，制造业的快速发展是造成我国整个工业领域的能源消耗与碳排放激增的主要源头。如何在保证我国经济稳定、健康发展的前提下，有效控制碳排放，是目前我国制造业迫切需要解决的问题之一。

3.机械制造中的低碳技术应用

通常情况下，机械产品设计以生产费用最低，获得的经济效益最高为目的，同时要保证产品的功能、性能、质量合格，但随着人们对环境和资源意识的提高，设计产品时还应当做到符合“低碳”的要求。产品设计对能源消耗起着至关重要的作用. 因此, 分析产品设计对能源消耗和环境的影响因素, 研究面向能源优化利用和环境保护的产品设计方法, 对提高能源利用率, 保护环境等方面具有重大的意义。此设计理念的最终目标是控制能源消耗和废物排放, 从而达到合理利用资源和保护环境的目的。面向低碳制造的机械产品的设计主要有以下几种。（1）轻量化设计

轻量化设计是一种综合了性能、成本、重量和配套设备等因素的优化设计方案。轻量化设计主要的优点有：一方面，能够减少生产过程带来的能源消耗，降低原材料和资源在生产中所产生的碳排放量。另一方面，能够降低产品在运行使用过程中污染物的排放以及能源消耗，降低噪声，提高资源的利用效率。

例如：德国汽车厂商奥迪公司在2007年提出技术创新，对汽车的生产进行改造。在生产新一代的奥迪TT跑车时，首先采用轻质铝合金材料，将铝材料质量轻与钢材的强度的特点结合起来。另外在A8车系的ASF（Aluminum Space Frame）车体的基础上，结合新技术的高强度钢材，通过巧妙的结构设计，两种材质的优势均得到充分发挥，让第二代TT的车体重量减少了69％，公司因此获得了巨大的经济效益，另外从环境的角度来看，轻量化的车身设计还有助于降低油耗与污染物的排放。

图1.奥迪轻量化车身设计模型

（2）模块化设计

机械产品的模块化设计是一种先进的机械产品设计方法, 它将系统根据功

能的不同分解为若干模块, 通过模块的优化组合得到不同品种和不同规格的产品, 在当代提倡低碳的时代更是得到广泛的应用。模块化设计已被广泛应用于机械、电子、军事、航天、航空等设计领域。

机械产品往往存在大量的非功能性单元, 而这些非功能性单元用一个固定

的标准来衡量是非常困难的, 使用过程中往往带来大量的不便和浪费能源资源

的情况。因此, 对机械产品各功能单元进行模块化划分, 使用模块来量化每个机械企业的能源消耗的可改进潜力。在设计时通过改变模块, 就可以在不影响设备功能的前提下, 最大化的节约能源资源。实例: 德国Index 公司开发的复合加工设备, 通过不同模块组合能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等许多工序, 实现复杂零件的全部加工。采用了模块化系列机械产品的设计实现了一机代替多机, 减少机床数量, 而且功能复合化装备制造成本低, 耗能少, 实现低碳化。