冶金机械绿色设计应用关键问题研究.pdf

总第 2 1 8期 2 0 1 4年第 2期 河 北冶金 HEBEI M ETAL LURGY To t a l NO 21 8 2 01 4， Nu m b e r 2 ， ‘ 。 。 “‘ ‘ 。 ’ ‘ ’ 、 经济管理 k一一 一”． ． 冶金机械 绿色设计应用关键 问题研究 邓 蕊 ， 赵 士 明 1 ． 唐 山钢铁 国际工 程技 术有 限公 司 ， 河 北 唐 山 0 6 3 0 0 0 ； 2 ． 燕 山 大学 机 械 工程 学 院 ， 河 北 秦 皇 岛 0 6 6 0 0 4 摘要 绿色设计是冶金机械制造业的发展方 向， 对绿色设计应用 的关键 问题进行 了分析 。针 对 目前推广 应用冶金机械绿色设计 出现的问题 ， 介绍 了绿色设计 的基本原则 、 方法 、 关键技术 和后评 价体 系， 为相关 设计人员提供参考 。 关键词 冶金机械 ； 绿色设计 ； 关键问题 ； 研究 中图分类号 T F 3 4 1 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 5 0 0 8 2 0 1 4 0 2 0 0 7 5 0 4 d o i 1 0． 1 3 6 3 0 ／ j ． c n k i ． 1 31 1 7 2 ． 2 01 4． 0 2 2 4 R E S E AR CH AB O UT K E Y AP P L I C AT 1 0N QU E S T I ONS I N GRE E N DES I GN OF MET AL LURGI CAL MACHI NERY ． De n g Ru i ，Zha o S hi mi ng 1 ． T a n g s h a n I r o n a n d S t e e l E n g i n e e r i n g T e c h n i q u e C o ． ，L t d ． ， T a n g s h a n ，H e b e i ， 0 6 3 0 0 0 ；2 ．Me c h n i c a l E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e，Ya n s h a n Un i v e r s i t y，Qi n h u a n g d a o，He b e i ，0 6 6 0 0 4 Abs t r a c t The g r e e n d e s i gn i s t h e de ve l o pi ng di r e c t i on of me t a l l ur g i c a l ma c hi ne r y ma n u f a c t u r e i nd us t ry ．The k e y q u e s t i o n s i n a p p l i c a t i o n o f g r e e n d e s i g n a r e a n a l y z e d．Ag a i n s t t h e p r o b l e ms i n t h e g r e e n d e s i g n，i t i s i n t r o du c e d t he b a s i c p r i nc i pl e，me t ho d，k e y t e c h n i q u e a nd p os t e va l u a t i o n s ys t e m o f g r e e n de s i gn，of f e r s a r e f - e r e nc e f o r c o nc e r ne d de s i g n s t a ff． Ke y W or d sme t a l l ur g i c a l ma c hi ne r y；g r e e n d e s i gn；ke y qu e s t i on s；r e s e a r c h 0 引言 绿色设计是指在产品设计过程 中， 以对环境 和 资源的保护为核 心， 综合考虑 产品 的功能性 、 经济 性 、 设计周期和产品质量的同时， 对产品生命周期全 过程各种设计因素进行优化 ， 最终实现产品设计 的 少量化 、 再利用和资源回收。 1 冶 金机 械绿 色设 计原 则 冶金机械包括大型机床、 大型锻压设备、 锻造设 备 、 起重设备 、 工业动力设备等。冶金机械绿色设计 就是将绿色设计技术应用到冶金机 械的产 品设计 、 制造、 使用以及回收的各个阶段 ， 提高资源和材料 的 利用率 ， 解决 当前我国在冶金机械生产中暴露 出来 的噪声大 、 废气排放多、 热辐射现象严重 、 泄漏事故 时有发生的问题 ， 进而实现冶金机械设计和环境、 资 收稿 日期 2 0 1 3～1 2 0 9 作者简介 邓蕊 1 9 8 1一 ， 女， 工程师 ， 2 0 0 7年毕 业于大连 理工 大学 机电一体化专业 ， 现在唐山钢铁 国际工程技术 有限公 司从事冶金 机 械设计工作 ， Em a i l d e n g r u i t s i s i ． c o rn． c n 源 的和谐 发展 。 在冶金机械 的绿色设计过程 中， 设计人员应充 分考虑产品的生产工 艺对环境的影 响， 重点考虑设 计产品在整个生命周期各阶段与人 、 周围环境 的相 互影响。在设计时， 遵循闭环设计原则 、 资源回收再 利用原则 、 节能降耗原则 、 成本优化原则 、 技术先进 原则 、 污染最低原则等， 如图 I 所示。 1 闭环设计原则。冶金机械产品的绿色程度 应包括产品设计 、 制造 、 运输、 销售、 使用、 废弃处理 等 6个阶段 ， 在产品整个生命周期 中， 确保在各个阶 段均符合绿色特征， 提高对资源的利用效率 。 2 资源 回收再 利用原 则。在 冶金机 械设计 时， 应最大限度提高产 品的可拆 卸性 和回收再利用 性 ， 对回收材料的性质进行研究 ， 对材料的用量和种 类进行控制 ， 减少对环境或材料的危害。 3 节能降耗原则 。设计 时应尽量采取清洁能 源 ， 同时在满足基本的生产工艺要求条件下 ， 力求冶 金机械的整个生命周期循环 中能耗最少。 7 5 总 第 21 8期 4 成本优化原则。在设计初期建立基于整个 冶金机械产品全生命周期 的成本管理模型 ， 综合考 虑设计 、 制造 、 使用 、 资源回收再利用等各项成本 ， 对 冶 金机械 进行 成本 优化 管理 。 5 技 术 先进原 则 。应 采 用最 先 进 的技 术 体 现 绿色设计效果 ， 可以采取开发性设计 、 适应性设计 、 组合选型设计等方法， 并加以创造性的应用 ， 以获得 最佳 的经济效益。 6 污染最 低 原则 。设 计 时 实行 预 防 为主 的清 洁生产策略 ， 充分考虑如何消除污染源 ， 从根本上防 止 污染环 境 。 图 1 冶 金 机 械 绿 色 设 计 原 则 F i g．1 P r i n c i p l e o f g r e e n d e s i g n 2 冶 金机械 绿 色设计 内容 绿色设计的主要 内容包括设计材料 的选择 、 产 晶的町拆卸性设计 、 产品的可回收性设计、 产品成本 分析 、 产品设计数据库与知识库等内容。在冶金机 械绿色没计时应结合冶金行业 的特殊性， 在合理确 定 冶金 机 械 的 系 统 功 能 、 保 证 系统 的 可靠 性 、 经 济 性 、 安 全性 的 同时 ， 绿 色设计 应包 括 以下 内容 。 1 冶金 机 械 的环境 、 资源 、 能 源 属性 。应 将 冶 金机 械的环 境属 性 、 资源属性 、 能源属 性放 在绿 色设 计的首要地位 ， 在设计初始阶段就应进行充分考虑。 在满足上述属性要求后， 再确定 冶金机械产品的经 济 属性 。 2 冶金 机械 的 可拆 性 和 回 收利 用性 。设计 时 应 对产 品 的可拆 性 和 回收利 用 性 进 行 事 先分 析 ， 根 据冶金机械绿色设计评价系统的信息反馈再对设计 方 案进 行调 整 。 3 原 材 料 的 呵再 生 性 。 在 设 计 原 材 料 选 取 时 ， 应重 视原 料 的可再生 性 、 易分解 性 、 可 回收 性 ， 在 提高原料在生产过程 中的使用效果 同时， 显著降低 原 料对 环境 的不 利影 响 。 4 冶金 机械 的 零排 放 。应 重 视 冶金 机 械 生产 过程中工业“ 三废” 废水 、 废气 、 废液 的有效处理 ， 采 取合 理措施 和 技 术 ， 实 现 冶 金 机械 生 产 过 程 中 的 零 排放 。 5 冶金 机械 的 减震 。应 加 强 对 冶金 机 械 的 噪 声 消除 设计 ， 在液 压系 统 、 动力 系统 、 工 作 系统 、 控 制 系统等装置部分 ， 使用 隔震性较好 的弹性支撑或高 性能的消声器以减少噪声 ， 最大限度 降低对周围环 境 的干扰 。 3 冶金机 械绿 色设计 方 法 3 ． 1 设 计 阶 段 划 分 按照冶金机械全过程绿色设计流程可以分为需 求分析阶段 、 方案设计阶段 、 技术设计阶段和后评价 阶段 4个 阶段 图 2 ， 设计 人 员应 严 格 遵 循 系 统 化 的绿色设计程序 ， 以实现绿色产品生命周期为设计 宗 旨 ， 对 制 造 过 程 、 回收 过 程 中 可 能 产 生 的环 境 污 染 、 资 源浪 费进行 充分 考虑 ； 在设 计过 程进 行 系统 性 研究 ， 从产品的整体质量考虑 ， 使设计产品能够为用 户提供 最有 效 的服务 。 并行闭环动态可持续绿色设计原则和方法 粪 l{ l萋 l l l l l i 1 1 1蕃 控 制 机 构 设 计 l l 需求分析阶段 一 方案设计阶段1 ． - ． 1 技术设计阶段L． I 后评价阶段 图 2冶 金 机 械 全 过 程 绿 色 设 计 流 程 Fi g 2 Fl o w o f f ul l p r o c e d u r e g r e e n d e s i g n o f me t a l l u r g i c a l ma c h i n e r y 1 在需 求 阶段 ， 设 计 人 员 应 定位 于 对 冶 金 机 及 的技术 进行 充分 调研 、 分析 。 械使用单位 的需求分析 ， 确定冶金机械的主要功能 2 在方案设计 阶段 ， 主要从环境属性 、 经济属 和次要功能， 分析满足主要功能的技术可行性 ， 对涉 性 、 材料选择 、 资源回收 4个角度进行多角度论证 、 7 6 经济属性 评价 环境属性评价 工作机构设计 河 北 冶 金 2 0 1 4年 第 2期 研究 ， 确定绿色设计的总体方案 。 3 技术设计 阶段 ， 主要是落 实上述阶段 的研 究成果 ， 结合冶金机械的特点 ， 从液压 系统 、 动力系 统 、 工作结构 、 控制机构进行基于绿色设计基本原则 的具体设 计 。 4 在设计后评价阶段 ， 通过对环境评价指标、 经济评价指标 、 能 源评 价指标 、 资源评价指标 等途 径 ， 结合绿色设计后评价方法评价设计 的有效性 。 3 ． 2绿 色设计 方法 根据绿色设计 的侧重点和设计要求 ， 冶金机械 绿色设计方法可 以分为产品生命周期设计法、 可拆 卸结构设计 法、 并行交 叉工作设计 法 、 可 回收设计 法、 创新问题解决法、 绿色质量功能配置法等 6类基 本方法。其中， 产 品生命周期设计法为绿色设计 的 主要方法。但在实际设计 中， 往往根据具体冶金机 械设计要求的特殊性 ， 采取生命周期设计法与其他 多种 方法 共 同设计 的综 合法 。 1 产品生命周期设计法。设计人员在设计伊 始就要确定冶金机械的绿色设计 目标 ， 确保绿色特 征贯穿在产 品生命周期全过程 。从全局 的角度理解 和掌握与设计产品有关的环境 问题、 资源问题 、 能源 问题和经济问题， 对设计产品进行全程评估和分析 ， 保证产品的性能符合设计要求 。 2 可拆卸结构设计法。设计人员把冶金机械 产 品的可拆卸性作 为基本评价准则， 主要考虑产 品 的易于拆卸与回收处理。目前可拆卸结构设计法主 要有基于成熟结构的联接方法和基于计算机仿真分 析 的设计方法 ， 前者包括螺栓联接、 键联接等 ， 是 目 前较为常用 的方法； 后者需要建立可拆卸性评价指 标体系、 评价方法 、 拆卸结构设计准则等 。 3 并行交叉工作设计法 。为了保证绿色设计 在有效的并行环境下实施 ， 应在设计人员的组合及 绿色设计的实施策略方面强调协调和交叉工作。根 据绿色设计既定 目标 的要求 ， 设计人员可以应其他 设计人员的要求修改 自己的设计， 也可以要求其他 设计人员修改其设计 以适应 自己的要求 ， 保证多种 工作并行交叉进行 。 4 可回收设计法。资源回收和再利用是绿色 设计的主要控制 目标之一 ， 可 回收性设计是在产 品 设计时要充分考虑该产品报废后回收和再利用的问 题 ， 充分重视可重复利用的零件和材料。 目前主要 通过原材料的再循环和零部件的再利用来实现 ， 其 中后者是较为合理的资源回收方式。 5 创新 问题解决法。也称为基 于 T R I Z的绿 色设计 ， T R I Z是一种机制 ， 利用这种机制可 以对缺 少既有的解决方案 ， 需要非标准的、 创新性概念和思 想等复杂问题进行创造性或突破性思考。 6 绿色质量功能配置法 。该方法的基本思想 是将质量功能配置和生命周期设计相结合 ， 将用户 的需求分别转换为工程技术特性， 满足用户 的需求。 4 绿 色设 计 的关键 技术研 究 冶金机械绿色设计作为一种新的设计概念 ， 其 关键技术是产品液压系统、 动力系统 、 工作系统和控 制系统等部分与传统 的机械设计相 比， 呈现 出的显 著 差异 。 1 液压系统关键技术。液压系统设计应 充分 考虑简化技术 、 工作介质 的绿色化 、 减震去噪、 密封 等相关因素 ， 建议使用组合化和集成化设计的元件 及系统进行设计简化。采用无毒性液压油 ， 利用 纯 水作为介质 ， 充分进行 回收再利用 。要采取防振 、 隔 声装 置 措 施 ， 对 污染 进 行 有效 净 化 ， 实 现 防污 染 、 抗 噪声设计 ， 同时应采取先进 的密封技术和密封产品 进行 防泄 露设 计 。 2 动力系统关键技术。冶金 机械动力装 置的 绿色设计 ， 可以采用大容量消声器 、 全塑风机及罩壳 进行系统除噪、 减振 ， 采用一体化结构设计减轻动力 装置重量 ， 并采用铝合金或尼龙等材料代替传统材 料。同时， 采取清洁能源对机械能源进行改变 或改 良 ， 实 现材 质 的轻量 化 和节约 能源 。 3 工作 系统关键技术。冶金机械工作机构应 使用变频无级调速技术 ， 提高工作能力。 4 控 制 系统关 键 技 术 。冶金 机 械 控 制 系统 绿 色设计， 应采取光机 电一体化技术 。使用先进 的操 作方式将设备结合在一起 ， 综合可靠性设计 、 工业设 计 、 优化设计、 有限元设计等多种方法， 充分降低设 备 的操作难度。 5 绿 色 设计后 评 价体 系 在对冶金机械生产工艺进行全面分析 的基础上 做好检测和评估 ， 建立完整 、 规范的绿色设计后评价 体系。通过对技术设计 阶段获取信息 的评价分析 ， 对全过程绿色设计效果进行反馈 ， 改善和指导前期 方案与技术设计过程 ， 更好地进行环境保护。为 了 保证冶金机械绿色设计后评价更 为科学 ， 需要设计 单位同各协作单位协 同合作 ， 后评价信息 的获取应 保证即时性和有效性。绿色设计后评价人员应熟悉 冶金机械设计专业知识和后评价分析流程 ， 具备一 定的数据分析和处理能力， 要求建立满足冶金机械 绿色设计后评价要求的数据库和知识库 ， 见图 3 。 77 总 第 2l 8期 图 3 冶金机械绿色设计后评价框架 Fi g ．3 P o s t e v a l u a t i o n f r a me wo r k o f g r e e n d e s i g n o f me t a l l u r g i c a l ma c h i n e r y 6 结 语 目前 我 国的冶 金 机 械绿 色 设 计 应 用 并 不广 泛 ， 推广应用阻力较大 ， 一方面因为节能 、 减噪、 环保 、 降 耗等 新技术 和新 材料 的采 用导致 用户 短期 的成 本 投 入增加； 另一方面冶金机械设计人员的绿色设计能 力提升不到位 ， 对于节能环保新技术 、 新材料了解不 上 接 第 6 2页 如果在允许时间内车辆由于 自身原因无法进入 厂区装车， 为保证正常生产秩序将取消该 车的进厂 资格 ， 由后续车辆进厂， 该车再进厂区必须重新刷卡 产生 顺序 号 。 4 结论 1 “ A厂区车辆进厂 自动排号” 系统进一步加 强了进厂运输车辆的管理 ， 保证 了厂区的正常物流 秩序 、 提高了车辆的运行效率 ， 维护了企业正常生产 和工作秩序。目前， 该系统已经成为保证远距离厂 78 够 ， 对基于产品生命周期的绿色设计理念缺乏深刻 认识 。但冶金机械绿色设计符合我国可持续发展 的 战 略 目标 ， 通过 政 府 对 冶 金机 械 绿 色 技 术应 用 的政 策支持和绿色技术系统的不断完善 ， 冶金机械绿色 设计的实际应用效果将得到显著提高 ， 我国冶金行 业也 将迎 来 飞速发 展 的新 契 机 。 区间物料运输管理的一体化信息平 台。 2 违 规 车辆查 询 系 统 可 以对 违规 车 辆 的 违规 原因、 厂家进行查询 ， 以此作为评价合格运输单位的 有效依据。 3 运 输 车辆 在 A 厂 区 内 的管 控 ， 有 效 规 定 了 车辆在厂区内的行为， 缩短了车辆在厂 内的停放 时 间 ， 加快物资流转速度 ， 提升 了 A厂 区内的物 资装 卸 能力 ， 实现 了物 流运输 车辆 进厂 的规 范有 序 。