液压挖掘机的并行设计与绿色设计

并行设计，受设计手段限制,传统的设计过程通常采用串行方法进行,即设计任务按时序从一个环节转入下个环节,各个环节具有较强的独立性。这种方法由于在设计阶段不能有效地评价产品的制造性、可装配性、可维护性及产品质量等诸多因素,导致产品在制造阶段或安装阶段才有可能发现问题,从而使产品开发周期长、成本较高,质量难以得到保证。一项研究表明,产品设计仅消耗5%的生产费用。但它确定了75%的制造费用和80%的产品质量性能;另一项研究显示,产品生命周期费用的70%是在设计阶段确定的。为了缩短产品开发周期,提高设计的一次成功率,在机械产品的开发中应采用并行设计技术。

并行工程( concurrent engineering,CE)是一种系统工程的方法,能动态优化处理问题。它在产品开发的设计阶段即考虑产品生命周期中工艺规则、制造、装配、测试、维护等多个环节的影响,通过各环节的并行集成,以缩短产品的开发时间,提高产品的设计质量,降低产品成本,并行工程的核心是并行设计,并行设计的特点是“集成”与“并行”。所谓“集成”是指在信息集成的基础上,更强调过程的集成,过程集成需要优化和重组产品的开发过程,组织多学科专家队伍,在协同工作环境下,齐心协力,共同完成设计任务;所谓“并行”是指一个以上的事件在同一时刻或同一时段内发生,以此来减少整个设计过程的时间。

面向制造的设计(DFM)、面向装配的设计(DFA)与面向服务的设计(DFS)是并行工程思想的重要体现。并行设计意味着在同一时间内多机、多程序地对同一设计总是并行协同求解,因此, 络化、分布式的信息系统是其必要条件。并行工程的必要条件是计算机的普及应用。在计算机上利用 CAD/CAE软件,不仅可以根据设计者的构思自动生成工程图形和实体模型,而且可以进行结构件强度分析和机构运动学分析,以及整机和零部件的参数优化和动态性能仿真试验等。设计的工程图形(零部件)通过数据库直接传输给工艺部门,就可以编制工艺路线和设计工装刀具,也可以通过CAM直接生成数控加工程序软件,很快就可在数控机床上试制出样品。

绿色设计，工程机械产品的绿色设计( green design,GD)是指产品从设计、毛坯制造、切削加工、热处理、装配、包装、使用、维修到 废回收等全过程中,对材料、能源的消耗量最少,对环境的污染最小,并使企业的经济效益和社会效益协调优化。绿色设计通常也称为生态设计( ecological design,ED)、环境设计( design for environment,DFE)、生命周期设计( life cycle design,LCD)或环境意识设计( environment conscious design,ECD)等。绿色工程机械产品符合可持续发展的要求,是社会进步的标志,也是科技发展的必然趋势。由于绿色设计的历史不长,绿色产品至今尚无严格准确的行业标准,但从消费市场来看,目前得到公认的绿色标准包括以下三条:①产品在生产过程中少用资源,并且不污染环境;②产品在使用过程中能耗低,不会对使用者造成危害,也不会产生环境污染物;③产品使用后易于拆卸、回收、翻新,能够安全废置,并长期无虑。

目前,绿色工程机械产品设计主要体现在以下几个方面。(1)控制废气排放,开发清洁能源发动机采用低油耗、低排放、低噪声、高效率的环保型水冷、电控喷射燃油、增压的柴油机,大大降低了环境负荷。另外,在液压系统设计中采用双泵分流技术、液压负荷传感技术、静液压驱动技术等都可达到节能降耗的目的。目前,也有一些国家研究天然气、液化石油气和天然气柴油混用的双燃料清洁能源等,如日本已经研制出燃气动力的装载机。因为液压挖据机作业时具有较大的动能和位能,适合于发展混合动力系统,也有一些国家正在研制混合动力的发动机。

(2)减振降噪,提高作业环境的舒适性选用新型减振材料,采用隔振性能括发动机、驾驶室、座椅的弹性支承等),并从参数选择到具体的结构设计与布置,从提高产品的动态性能上综合考虑和进行科学设计,以尽可能提高司机工作环境的舒适性。在降噪方面,也有利用电子消音器通过电子仪器分析发动机排气噪声的波形结构,并产生一种与之相位相差180°的干扰声波,这种“抗噪声”与发动机排气的噪声相抵消,从而达到消声的目的。这种电子消音器还可用于消除发动机的基本噪声和驾驶室内的噪声。通过消声和隔离,可使工程机械司机室内的噪声降低到70dB以下 。

(3)提高密封技术,防止泄漏发生工程机械上的泄漏可能会因油液不能到达润滑部位而影响设备的使用寿命和工作性能,还浪费油液,污染环境,甚至发生火灾等安全事故。目前,工程机械的液压系统的压力采用高于40MPa的液压系统时,系统的密封装置就可能失效,导致泄漏。一定程度上可以这么说,密封装置的性能及可靠性已成为我国机械产品实施绿色设计的“瓶颈”问题。

(4)资源的循环利用采用绿色材料,实现零部件的标准化、模块化,提高产品的可拆卸性,便于材料的回收和重复使用,在产品全寿命周期内,实现产品的再循环利用。从产品设计开始,环保型工程机械首先采用能再生利用的材料和资源,在各系统及部件设计中所选用的材料应是可回收、易分解、能再生,且在加工过程中对环境无害的材料,特别是结构件的设计应尽可能采用比较容易装配和分解的大模块化结构和无毒材料,以提高工程机械材料的再生率。尽量采用低环保负荷材料,在零部件设计中应尽可能不使用含氟利昂、含氯橡胶、树脂及石棉等有害材料。

绿色制造过程也是绿色工程机械中重要的一环。若不注重制造过程的绿色环保,也会对环境造成污染,所以采用绿色制造、清洁生产工艺,有效地利用资源,产生最少的废物,实现综合利用就成为发展趋势。工程机械产品的绿色加工、制造工艺技术应以传统的工艺技术为基础,并结合材料科学表面技术、控制技术等先进的制造工艺技术,其目标就是对资源的合理利用,节约成本,降低对环境造成的污染。