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液压缸可拓绿色设计 Th e ext eni cs gr een de si gn of hy dr aul i c c yl i nder 郑辉，刘磊 ZHENG Hu i ．L I U L e i 天津科技大学 机械工程学院 工业工程系，天津 3 0 0 2 2 2 摘 要将可拓学理论应用到液压缸的绿色设计中，根据菱形和逆向思维模式，以功能实现为基础阐述 了液压缸的设计流程。根据可拓学的物元定义提出了绿色设计元的概念，形式化的描述绿色 设计的对象，并通过拓展分析建立绿色设计元的关系网络。综合考虑设计方案的绿色性和经 济性 ，对成本指标进行量化分析，引入可拓学中距的概念对其进行标准化处理，以此对设计 方案进行优度评价，并根据物元变换理论进行改善分析，实现了液压缸的绿色设计。 关键词可拓学；液压缸；绿色设计元 中图分类号T H 1 2 2 文献标识码 B 文章编号；1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 5 0 9 上 一 0 0 8 7 0 5 D o i 1 0 ． 3 9 6 l／ J ． I s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． 0 9 上 ． 2 5 0 引言 近年来随着当代工业的迅速发展，环境 日益恶化， 环保意识也随之愈加深入人心。传统的产品设计存在着 严重的污染问题，绿色设计则能有效地降低消耗、控制 污染。文献[ 1 】 对可拓工程的理论、方法进行 了详细的介 绍；文献【 2 ～4 】 将可拓学应用到产品的概念设计上，基 于产品的功能需求建立创新设计模型；文献【 5 】 运用可拓 学进行产 品的模块划分中，以描述模块设计过程；文献 【 6 ～8 ] 对可拓学的优度评价方法进行 了介绍 ，并据此建 立评价模型；文献[ 9 】 根据可拓学的物元概念给出了可拓 能量元的定义，并以此驱动机 电产品的节能设计。以上 文献多为理论上的研究，只关注产品设计 中可拓学模型 的建立，并未对设计方案进行量化分析，只能保证方法 的可行性，无法体现其优越性。 图1 可拓绿色设计结构框架 本文将可拓学应用到产 品的绿色设计中，提 出可拓 绿色设计的概念 在满足产 品功能需求的前提下 ，综合 考虑产品的绿色性和经济性 ，以可拓学的理论和方法为 基础完成产品的设计 、评价及 改善。其结构框架如 图1 所示首先 ，以功能实现为基础根据菱形／ 逆向思维模 式分析液压缸的设计流程，得到液压缸的设计方案；然 后，据此菱形结构和物元理论建立绿色设计元，并根据拓 展分析建立设计元关系网络；最后，根据优度评价方法对 设计方案进行量化评价 ，选择可行方案，并通过物元变换 对其进行改善分析以获得液压缸的可拓绿色设计方案。 1 液压缸绿色设计菱形结构 以某型号单杆双作用液压缸为例，其结构简图如图 2 所示。 1 ． 缸简2 ．缸盖 ；3 ． 缸底；4 ．拉杆 ；5 ．法兰；6 ． 活塞；7活塞杆；8 ．导 向套 图2液压 缸结构简图 运用可拓学的菱形思维模式对液压缸进行发散． 收 敛分析首先，液压缸功能的实现需要多个子功能协 同 完成 ，根据子功能将其发散为结构模块、连接模块、执 行模块和辅助模块“ ；然后将为完成某一子功能的主要 收稿日用2 0 1 5 - 0 3 -0 4 基盒项目国家 自然科学基金项 目 5 1 0 7 5 3 0 0 fi e 者简介郑辉 1 9 7 8一，女，齐齐哈尔人，副教授，博士，研究方向为可持续设计与制造。 第3 7 卷第9 期2 0 1 5 0 9 上 【 8 7 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 零部件划分 到相应模块 ，模块即可扩展到零部件 ；最 后，通过零部件的组装形成产品以达到用户需求 ” 。液 压缸可拓绿色设计的菱形结构如图3 所示。 根据可拓学的逆 向思维模式对此菱形结构进行 分 析首先 ，根据客户需求进行液压缸零部件的材料、尺 寸等特征的设计，由此确定其资源和能源消耗 ，通过成 本因子便可对其成本特征进行量化分析；然后，将零部 件进行收敛分析，整合为子功能模块 ；最后，将支持液 压缸功能实现的子功能模块进行收敛形成产品。基于功 能实现的收敛过程不仅可以完成产品的设计，而且可对 成本特征进行计算并以此进行设计方案的评价。 表1 绿色设计元 对象 特征 绿色设计元 型号 一 液压缸 型号T y p e 一 液压缸Hy d r a u l i c C y l i n d e r ，H C 功能H C 功能 F u n c t i o n 成本 一 成本 Co s t一 编号 模块编号 J J J C M0 d u l e ，M M 名称 N a me 功能 Fu n c t i o n 成本 成本 Co s t 零部件编号 i 编 号 名称 Na m e 名称 J C P a r t s ，P P 功能 F u n c t i o n 尺寸 材料 Ma t e r i a l 成本 尺寸 S i z e 成本 Co s t 作用力 客户需求负载 F 客户需求Cu s t o me r s Re q u i r e me n t s ，C R 压力 C R 压力 P 行程 行程 S 一 成本 绿色成本 GC一 成 本 c 。 s t， c 霪 c 经 济 成 本 E C 一 资源消耗R e s o u r c e C o n s u mp t i o n ，R C 消耗量 R C [ 资源 消耗 消 耗 量 R C o n ． 资 源 成 本 因 子 R es。urce c 。st F actor， R c F 藿 昌 季 R c [ 资 源 成 本 因 子 RR GEcC F ] Resource C ost, cR 霪 甓 c [ 资 源 成 本 ] 能源消 耗E n e r g y C o n s u m p t i o n ， E C 消耗量 E C [ 能 源 消 耗 消 耗 量 E C o n 】 能 源 成 I if E nergy C ost Fac or， R C F 薹 套 昌 季 nc [ 能 源 成 本 因 子 萎 詈 E G cC F] 能 源 成 本 e曜 c 。st， C E 霪 襞 c 能 经 济 成 本 lC EEC ] 注1 ． j l ， 2 ， 3 ， 4 ，表示模块编号，分别为结构模块 、连接模 块、功能模块 和辅助模块 ；2 ． i 1 ，2 ， ⋯， 8 ，表示零部件编号 ，分别为缸简、 缸底 、缸盖 、拉杆 、法兰 、活塞、活塞杆和导向套；当j 1 时，i 1 ， 2 ， 3 ，当j 2 时，i 4 ， 5 ，当j 3 时，i 6 ， 7 ，当j 4 时 ，i 8 。 【 8 8 l 第3 7 卷第9 期2 0 1 5 - 0 9 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 绿色设计元 根据可拓学的物元理论，提出绿色设计元的概念，以 有序三元组的形式对绿色设计的对象进行具象描述【 。 I O， c ， v O，c ，v 分别表示绿色设计元的对象、特征及对象关 于特征的量值。其中， C，V称为对象O的特征元，假设 绿色设计元有n 个特征c l ，c 2 ，⋯，c |l ，即， C c l ， c 2 ，⋯， c 则其对应的量化值分别为v 。 ，v 2 ，⋯，v ，表示为V v ． ，v ，⋯，v n T 则绿色设计元模型可表示为 {。 Cl V1 C2 V2 ⋯ ●●● Cn V“ 根据图3 的菱形结构，建立各级绿色设计元如表1 所示。 3 绿色设计元关系网络 3 ． 1 相关分析 客户需求决定了零部件 的材料和尺寸特征，所 以客 户需求设计元与零部件设计元存在如下关系 C R 台 1 ；表示有向相关 ；八表示 “ 与 ”关系。 3 ． 2蕴含分析 根据菱形思维模式 的发散． 收敛过程 可知液压缸、 模块和零部件设计元之间存在如下关系 Mj ／ 、 E 2 HC A M ． 3 表示前者蕴含后者。 3 ． 3 发散和可扩分析 传统的产品设计在满足功能需求的基础上只关注其 经济属性，而忽略 了产 品对环境的影响。本文提 出的成 本设计元综合考虑产品的绿色性和经济性，成本特征的 量化分析过程如下 c -[{C R C E [成 本 GEcC R 。 EGcC E] ． 1 表示前者可以发散为若干设计元0表示两者具 有可组合性。 R c - 1 [ 资 源 消 耗 h 消 耗 量 R C o n h ] 酹 嚣 臻 ] 资 源成本 ∑ 资 源消耗 资 源成 本因 子 『 资 源 成 本绿 色 成 本∑ R c 0 n h R G C F h ] c n R c 。 R c F 1 经 济 成 本圭 R c 。n h R E c F h l h 表示资源种类 ；0表示两者具有可积性 。 以k 表示能源种类 ，同理可得C 如下 『 能 源 成 本 绿 色 成 本 E C o n E G C F k ] c E c 。 E c F I 经 济 成 本 E c o n k E E C Fk l 所以 『 成 本 绿 色 成 本 ∑ R C o n R G C F h ∑ E C o n E G C F R ] 【 经 济 成 本 E R C o n h 0 R E c F h 0 ∑ E C o n E E C F k l 根据上文对绿色设计元的相关分析、蕴含分析和可 扩分析，得到绿色设计元间的关系如图4 所示。 回 ； 田乍[ 乍[ 回_ { [ 0[ I l l l 臣垂回匪亟回 图4 绿色设计 元关系网络 4 设计方案优度评价 根据图4 的绿色设计元关系 网络逐级计算零部件 、 模块和液压缸设计元的成本特征 ，并以此作为量化指标 对设计方案进行评价。 经典数学中距离的概念指出 “ 区间内的点与区间的 距离皆为零”，本质上是 “ 域 内即为同”的定性描述， 无法体现评价指标的量变和质变 。为了描述 “ 类 内事物 的区别 ”，此处引入可拓学 中距 的定义 。但是需要指出 的是，距是指点与区间的关系，而成本指标 的距为点与 点的量变和质变关系，且其量值越小越好，所以采用左 侧距 的概念，并将其模型变形为 ， x o 篡 其 中 ， 分别表示成本指标 的下 限和上限，可以 通过液压缸设计方案间的横 向比较确定 ，则成本指标的 域可表示为 墨 ， x 成 本 指 标 的 接 受 其 值 可 根 第3 7 卷第9 期2 0 1 5 0 9 上 【 8 9 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 据阈值系数 确定，为了保证可行方案的优越性且避免 可行方案的单一性，此处取 1 ／ 5 ，则接受阈值为 x 。 丁4 x x 综上所述， 成本指标IE p x ，X 。 ， x 为 v x ，x o ， X x ≤ X X 0 4 X0 即 8 HC 八 I - l 则有 C H c - ] C B l P P i p B l 6 根据距的定义可知，成本指标 的正部会对设计方案 的评 价起到负面影 响 ，所 以，需要 针对 p 0 的零部 件，以可拓学的物元变换理论为基础对其进行改善n 。 以下为两种改善分析实例 1 置换变换 v 连接 连接功能 V 表示 “ 或”关系，则上式表示多种连接方式只要 实现其一，便可实现连接功能。以连接设计元对连接方 式进行描述如下 连 接 『连 接 方 式 羹 箨 ] [ g O l 第3 7 卷第9 期2 0 1 5 0 9 上 拉 杆 组 件 『c l 法 螺 钉 组 件 『 c 竺 】 Z 根据上述分析过程则有 连接方式拉杆连接 螺钉连接 C C法兰 C C 连接功能 通过计算可知C o s t 螺 钉C o s t 拉 杆 ，则可 以使用螺钉 连接方式代替拉杆连接。 2 增删变换 根据零部件设计元模型，提取缸盖和法兰关于功能 的设计元如下 I 缸盖 功能 结构I l 法兰 功能 连接l 根据实践经验可知法兰盖 同时具有结构功能和连接 功能，其设计元可表示为 P ’ r 法兰盖 功能 结构0连接] 则有 P P 2 ／ k P 5 表示P ’ 功能实现则必有P 和P 同时实现。 经过 上述分析过程 ，液压缸结构可删 除缸盖和法 兰，同时增加法兰盖以实现两者功能。同理，可将缸筒 和缸底组合形成缸体。由于C o s t C o s t E ，所 以在计算 和评价成本指标时可忽略螺钉，即可在液压缸结构中删 除此结构。 通过置换和增删变换过程，原始 的液压缸结构可缩 减为结构／ 连接模块 缸体、法兰盖 ，执行模块 活 塞、活塞杆和辅助模块 导 向套，如 图5 所示。 1 缸体；2 ．法 兰盖 ；3 ． 活塞4活塞杆；5 ． 导向套 图5 液压缸可拓绿色设 计结构 图 此外 ，该方法不仅可以面向功能进行改善分析，也 可以面向其他特征进行设计方案的优化 。以导向套的材 料特征为例 杆 兰 钉 兰 拉 法 螺 法 C C C C 杆 兰钉 兰 拉 法螺 法 C C ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． L ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． L 訾 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 。 由上式可知，青铜和铸铁各具特点，将两者进行组 合 ，其过程如下式所示，结果表明采用铸铁熔堆青铜的 设计方案不仅可 以保证导向套的耐磨性要求，而且可以 大幅度降低成本。 P s { P 8 e e ． ’ } l 青铜0铸铁 耐磨性 很好0一般I l 成本 很高0很低1 l 铸 铁 熔 堆 青 铜耐 磨 性 好l l 成 本 一 般 J 经济成本主要考虑零部件原材料消耗以及加工阶段 能源消耗、劳动力和设备折 旧所产生的成本 ；绿色成本 则以零部件原材料消耗 以及加工阶段 的能源消耗所造成 的碳足迹为指标 ，以二氧化碳 当量 k g C O e 表示。 经计算可得改善前后液压缸的成本清单如表2 所示，由 此可知 ，改善后液压缸的绿色成本有所减少 ，经济成本 更是大幅降低 。 表2改善前后液压缸成本清单 6 结束语 本文将可拓理论应用 到液压 缸的绿色设计中 ，首 先，以产品的功能实现为基础 ，根据菱形思维模式对液 压缸结构进行发散和收敛，由此确定绿色设计的对象， 基于此结构通过逆 向思维对液压缸 的设计流程进行 了阐 述 ；其次 ，根据物元的定义提 出了绿色设计元的概念， 以此对绿色设计对象进行形式化的描述，并根据菱形结 构建立各级设计元模型；然后 ，根据拓展分析原理，结 合液压缸结构分析过程，建立绿色设计元的关系网络； 最后 ，引入可拓学中距的概念，将其模型进行变形，据此 对成本特征的量化数据进行标准化处理，以此为指标对液 压缸的设计方案进行优度评价，并针对成本特征的正部根 据物元变换理论进行改善分析，证明该方法的可行性。 参考文献 【 1 】杨春燕， 蔡文． 可拓工程【 M】 ．2 版． 北京 科学出版社，2 0 1 0 ． 【 2 】 刘晓平 ， 李书杰， 秦 晋． 基于可拓 学的产 品功 能创新模型【 J 】 _工 程 图学学报， 2 0 0 7 ， 4 1 2 1 6 ． 【 3 ] 陈 梦 华 ， 王 小平 ． 可 拓 学 在产 品创 新 设 计 中 的应 用 研 究 【 J 】 ． C ME T 锻压装 备与制造技术， 2 0 1 0 ， 4 6 8 ． 7 1 ． [ 4 】杨刚俊， 余隋怀， 初建杰． 基于可拓学模型的产品创新设计方法 【 J 】 ． 包装工程， 2 0 1 1 ， 3 2 1 8 3 0 ． 3 3 ． 【 5 ] 李江 ， 钟诗胜 ， 刘金， 林琳 ． 基于 可拓理论 的模 块化设计方 法研究 [ J 】 _ 计算机集成制造系统， 2 0 0 6 ， 1 2 5 6 4 1 ． 647 ． 【 6 】 孟 婷． 基 于可拓 学物元 理论 的电能质量 综合评 估方法研 究 【 J 】 ． 机 电信息， 2 0 1 1 ， 2 4 2 3 2 2 3 5 ． 【 7 】张以晨， 佴磊， 孟凡奇， 王延亮， 王洁玉， 王立春．基于最优组合赋权 理论 的可拓学评价模 型的应用【 J 】 ． 吉林大 学学报 地 球科学版 ， 2 0 1 1 ， 4 l 4 1 1 1 0 1 1 1 5 ， 1 1 3 5 ． [ 8 】 李仁 旺， 彭卫平， 顾 新建， 祁 国宁， 周济， 可拓学 中优度评 价方法在 变 型设计 中的应用研 究⋯ ． 计算机集 成制造 系统． C I MS ， 2 0 0 1 ， 7 4 4 8 5 1 ． [ 9 】 郑 辉， 吴越， 张付英． 可拓 能量元驱动 的机电产 品节 能设计【 J 】 ． 机 械 设计与制造， 2 0 1 3 ， 4 2 1 7 2 1 9 ． 【 1 O 】 祁卓娅． 机械产品模块化设计方法研究【 D 】 ． 机械科学研究院， 2 0 o 6． 【 1 1 】张宝 辉 ， 龚 京 忠 ， 李 国喜， 吴 宝 中， 慈 元卓 ． 产 品模 块 化 设计 中 的 功 能 模 块 划 分 方 法 研 究 【 J 】 ． 组 合 机 床 与 自动 化 加 工 技 术 ， 2 0 0 4 ， 9 5 5 ． 5 9 ． 【 1 2 】蔡文， 杨春燕． 可拓 学的基础理论与方法 体系【 J 】 ．科 学通报 ， 2 0 1 3 ， 1 3 1 1 9 0 1 1 9 9 ． 【 1 3 】王静． 基 于可拓 学的知识表 示及推理方 法研究 【 D】 ． 哈尔滨工程 大学， 2 0 0 6 ． ■● 蠡‘ 蠡I ●童● 蠡 ●岛‘ 蠡‘ {矗‘ 蠡‘ {量 蠡‘ ●蠡I 矗● j蠡I 蠡‘ 矗I 蠡● 岛● 蠡‘ 蠡I 童‘ 矗● 蠡● 如‘ 广告索引 北京瑞驰拓维科技有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯封面 北京瑞驰拓维科技有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯封二 中船重工 河北 清洗机有 限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯封三 北京瑞驰拓维科技有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯封底 北京瑞驰拓维科技有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 前彩1 ’ 罗克韦尔 自动化 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 前彩2 北京卓立汉光仪器有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- - 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