浅析机械设计节能基本原理的分析与应用

杨增光（河北远东通信系统工程有限公司，石家庄　050200）



浅析机械设计节能基本原理的分析与应用

杨增光
（河北远东通信系统工程有限公司，石家庄050200）

摘要：在机械设备的设计过程中，一定要遵循节能原则，充分改变机械系统的动能输出及势能变化，尽量减小机械的无用功，充分利用机械功率，以达到节能的目的。本文着重分析机械设计过程中节能的基本原理，以及在实际生活中应用的实现。

关键词：机械设计；节能原理；实际应用

1　机械设计概述

所谓的机械设计就是对所有部件和整体的配合进行设计的过程，整个过程都要遵循机械应用的原则，大到整个机械设备的配合及运行，小到每个工作零件的选材、大小及润滑等，都要你按照其运行的基本原理进行构思设计。对不同用途的机械，要利用不同的原理进行相应功能的设计。

2　现代的机械生产模式

（1）能适应市场批量生产的要求。现在的市场对机械产品的需求量很大，相应的生产周期也在不断减小。这对传统生产模式是一种挑战，因此，机械生产的方式以及观念都发生了很大变化。目前，生产企业都使用了自动化控制技术，再加上多媒体技术的辅助，为企业带来了极大的益处。（2）引进全新的技术，完善现在的生产模式。目前，单一的生产技术已跟不上市场的脚步，必须要将多个领域的技术综合起来，以很好地适应社会。在机械制造行业，传统模式以人工操作的方式为主，这样不仅生产速度慢，而且容易出现差错，导致产品质量较差，此外，对能源的浪费也很严重。

当下的生产模式中，加工车间的安全也是一个重要问题，工人一旦操作失误，不仅会危及人身安全，而且会影响产品质量，导致整个生产过程面临误工，耽误整体产品的生产效率。

3　机械设计的节能基本原理

所谓机械设计节能的基本原理就是对设备的动能输出以及势能和其消耗的无用功进行整理，并进行函数分析，总结出该如何进行设备的节能设计。

（1）动能方面的节能分析。在传统设计中，工程师一般都考虑动能变化对输出功率的影响，调节改善设备的波动、使用周期及加工精度，很少改善其给系统带来的影响。因此，笔者主要在这一点上进行研究改善。传统机械设备的动能并没有完全开发出来，这主要是因为在加工过程中，动能没有及时进行回收并转化。本着节能原则，调节系统的动能变化范围，尽可能地缩小范围。

（2）在输出力方面的节能分析。不同工作要求的机械设备在工作过程中的输出力是不同的，即使是相同的机械设备在不同过程要求下输出的力也不完全相同。因此，要在节能方面进行改善。

导致机械设备在工作过程中输出力偏高的因素主要是在很短时间内，力的变化波动比较大，在函数中表现为周期函数。只要把输出力的波动变化范围缩小，变化越小，节能的效果也就越好。

（3）降低无用功，节省能源。无论何种机械设备，都不可避免地会有摩擦以及其他阻力，这些阻力都或多或少地产生无用功。这些都和设备在设计过程中采用的零件精度以及润滑方式有很大关系。这些无用功都对设备的使用效率产生极大阻碍。因此，在设计时，要充分考虑节能因素，最大限度地减小无用功，提升设备的使用率。

（4）节能原理的分析总结。节能的方法主要就是在动能、输出力以及减小无用功等方面对设备进行改进。简单地说，就是工程师在设计的过程中，把系统的一些参数变化维持在一个尽可能小的范围内，就可以极大地节省能源。但这点实现起来极为不易，是所有工程师长期奋战的目标。

4　机械设计节能原理的实际应用

由于机械设计节能的基本原理主要涉及质点以及动能定理，因此，由质点组成的对象都可以利用，其适用范围宽泛。

4.1该节能原理在升降机械力的应用

升降机械在实际工作中消耗的功率较大，产生的无用功也较大，因此，要在节能方面进行改善。改进前，要先研究消耗的原因，大部分功率的消耗都发生在设备提升以及下放物体的过程中。一般来说，在设计升降机械前，一定要标准化，结合电梯的设计原理，加入机械设计的节能原理。在升降机械设计中的应用升降机械与其他机械相比，消耗功率的主要特征是货物和人的重量（有势力）在提升或下降的匀速运动过程中均要消耗功率。工程实践证明，以相同的速度提升质量相等的重物，按照电梯标准计算设计的曳引驱动机构所消耗的功率比传统卷扬驱动机构要小得多。若按“系统势能为常量或在最小范围内变化”设计升降机械或电梯，可得平衡升降机和平衡电梯设计方案。在平衡升降机中，若用Q（t）表示提升物体的质量，用P表示自重不变的配重，用r1表示升降货物卷筒的半径，r2表示升降配重卷筒的半径，若要平衡升降机的系统势能为常量，则必须满足式Q（t）r1=Pr2（公式1），虽然Q（t）为变量，但可采用自动变速机构改变传动比，可实现系统势能为常量。在平衡电梯中，若用Q（t）表示轿厢和水箱自重以及随人数变化载质量，P（t）表示配重和水箱自重（变量），曳引轮与导向轮半径相等用r表示。平衡电梯在工作时，当进入轿厢人的质量为q1，轿厢下水箱里将有p1重的水进入配重下水箱。电梯空载时，Q（t）=QP（t）=P，电梯工作时Q（t）=Q+q1-p1，P（t）=P+p1，将其代入式（公式1），则可求得轿厢下水箱里水进入配重下水箱的质量。

可以看出由轿厢水箱进入配重水箱水的质量只是人质量的1/2。现对卷扬驱动机构、曳引驱动机构和平衡升降机或平衡电梯所需要的电机功率进行对比，可以看出平衡升降机或平衡电梯显然要比曳引驱动机构要小。同时还可以发现，卷扬驱动机构系统势能在最大范围内变化，曳引驱动机构系统势能在较小范围内变化，平衡升降机或平衡电梯的系统势能为常量或在最小范围变化。由此可知，当系统势能为常量时，该机构节能效果最为明显。

4.2在加工型设备中的应用

加工型机械设备在实际生活中较为常见，其在加工过程中消耗的能源也最大，因此，该类设备的节能尤其重要。以牛头刨床为例，该设备主要由一个质量很大的主轴来操作其稳定运行，要想实现节能，就要降低输入的功率，结合机械原理，再增添一个该装置，设备的功率变为原先的2倍，以提升功率，节省能源。

4.3该节能原理在大压路机上的应用

大型压路机的轮子表面并没有严格按照周期函数来表现，其变化范围较大。这在无形中阻碍了节能设计。因此，要想真正实现节能，就要把冲击轮的势能在重心处于最低处时的变化缩小在一个最小区间，区间越小，节能效果越好。

5　结语

现代机械设计节能原理主要是利用降低输入，提高效率的方式方法来达到目的。在现代生产基础上，添加新的设计观念，完善实现生产模式，是实现节能的一个关键性问题。在机械设计加工行业内减轻能源浪费，实现节能减排，是目前市场上机械行业发展的一个趋势。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.073