1 引言
環(huán)境、資源、能源和人口四大問題對人類社會的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要,由于當(dāng)今資源環(huán)境問題的日益惡化,迫使人們對環(huán)境問題的研究愈來愈重視,環(huán)境問題已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。綠色設(shè)計(jì)和綠色制造是人類社會可持續(xù)發(fā)展的必由之路。綠色設(shè)計(jì)概念最旱是由國外科研人員于1979年在他們的GreenDesign一書中提出的。綠色設(shè)計(jì)又稱生態(tài)設(shè)計(jì),即利用生態(tài)學(xué)的思想,借助產(chǎn)品全生命周期中與產(chǎn)品相關(guān)的各類信息,利用各種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法,使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品具有先進(jìn)技術(shù)性、良好的環(huán)境腳調(diào)性以及合理的經(jīng)濟(jì)性的一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
紡織工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè),紡織機(jī)械作為紡織工業(yè)的基礎(chǔ)和生產(chǎn)裝備,盡管已取得了快速發(fā)展,但由于技術(shù)水平較低,且長期忽視產(chǎn)品在整個生命周期過程中的環(huán)境影響,面臨著很大的危機(jī)和挑戰(zhàn)。為了提高紡織機(jī)械產(chǎn)品的國際市場競爭力,突破綠色貿(mào)易壁壘,實(shí)現(xiàn)紡織工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,對紡織機(jī)械實(shí)施綠色設(shè)計(jì)已經(jīng)成為紡織機(jī)械發(fā)展的大勢所趨。傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是粗放型的,它僅考慮產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、壽命,并不全面考慮產(chǎn)品制造、使用及廢棄后對環(huán)境的影響,其產(chǎn)品生命周期為“搖籃到墳?zāi)?rdquo;的開放式結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是粗放型的，它僅考慮功能、質(zhì)量、壽命，并不全面考慮產(chǎn)品制造，使用及廢棄后的影響，其產(chǎn)品生命周期為“搖籃到墳?zāi)?rdquo; 的開放式結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)浪費(fèi)了地球上大量的資源和能源，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品在報廢后馬上就變成了具體垃圾，并且極難處理。綠色設(shè)計(jì)是集約型設(shè)計(jì)，它與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，綠色設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)如下：產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造，乃至廢棄后的循環(huán)利用各個階段，都要做到從源頭上防止污染，其生產(chǎn)模式是“生產(chǎn)到再生產(chǎn)”的閉環(huán)模式。綠色設(shè)計(jì)盡量縮小產(chǎn)品體積，使其少占用空間：考慮產(chǎn)品生產(chǎn)、使用、廢棄后對環(huán)境的影響；減少廢棄物對環(huán)境的污染，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中對自然的消耗和能源的浪費(fèi)。
2 紡織機(jī)械綠色設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)
隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人名的生活水平的不斷提高，人們對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高，特別是近幾年來防止行業(yè)迅速發(fā)展促紡織機(jī)械不斷提高產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)水平。目前，在紡織機(jī)械甚至整個紡織行業(yè)中，已經(jīng)開展；一些與綠色技術(shù)緊密相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)專項(xiàng)研究，如綠色材料選擇、綠色包裝設(shè)計(jì)、污水處理、切削液的選擇等。但還沒有系統(tǒng)深入地開展防止借些綠色設(shè)計(jì)技術(shù)理論應(yīng)用研究。
在分析綠色設(shè)計(jì)內(nèi)涵及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，討論了紡織機(jī)械綠色設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，建立了紡織機(jī)械綠色設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
3 面向紡織機(jī)械綠色設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)
3．1綠色材料選擇
紡織機(jī)械產(chǎn)品材料的綠色程度對最終產(chǎn)品的綠色性能有著極為重要的影響。綠色材料選擇必須建立在綠色材料的基礎(chǔ)上，綠色材料應(yīng)具備的基本性能有：低污染、低能耗、低成本；易加工和加工過程中少、無污染；可降解，可回收利用。
在紡織機(jī)械綠色材料選擇中，摒棄過去對材料進(jìn)行表面處理所采用的化學(xué)方法，代之以物理的方法以達(dá)到防腐的目的。用不銹鋼材料來加工防腐的紡織機(jī)械外殼以替代電鍍；用對環(huán)境危害小的鎳磷鍍替代電鍍鉻。根據(jù)綠色材料的選擇原則，對紡織機(jī)械的傳動部分盡可能的選用耐磨損的新型高分子材料，提高紡織機(jī)械齒輪、軸承、鏈條、皮帶輪等傳動件的使用壽命，從而使整機(jī)壽命盡可能延長，避免因傳動部分的水桶效應(yīng)，而導(dǎo)致延長整機(jī)壽命的瓶頸問題不能很好的解決。選擇高強(qiáng)度、低重量的原材料不僅可以滿足安全性，支持紡織機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可以減少紡織機(jī)械在使用過程中對燃料的消耗，為了減少在機(jī)加工過程中的噪聲和振動問題，在滿足結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度條件下，綜合考慮原材料的成本，盡量用非金屬件代替金屬件。通過對紡織機(jī)械綠色材料的優(yōu)化選擇，達(dá)到提高紡織機(jī)械的技術(shù)含量、縮減經(jīng)濟(jì)開支、降低能耗的綠色生產(chǎn)的目的。
3．2綠色設(shè)計(jì)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快，然而產(chǎn)品的更新、升級并不意味著所有零部件的報廢，很多只是對核心部件的升級，設(shè)計(jì)者應(yīng)充分考慮產(chǎn)品的規(guī)范性與適用化，使產(chǎn)品能通過部件重組而不斷更新實(shí)現(xiàn)不同的功能，滿足不同的使用要求。規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可以提高零部件的通用性和重復(fù)性，對于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期設(shè)計(jì)具有重要意義，同時標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可以促進(jìn)規(guī)范化生產(chǎn)、減少工藝裝備的種類、提高資源利用率、降低能源消耗。紡織機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化是組織紡織機(jī)械專業(yè)化生產(chǎn)的前提。紡織機(jī)械的專業(yè)化生產(chǎn)是提高紡織機(jī)械質(zhì)量、縮短紡織機(jī)械制造周期、降低成本的關(guān)鍵。對紡織機(jī)械各零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化可以節(jié)約資源，縮短設(shè)計(jì)周期，方便加工管理。
3．3綠色產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
綠色產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是后續(xù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，對綠色生產(chǎn)有著深刻的影響。綠色產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要集中在以下幾個方面：需要對產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，盡可能使操作者感到舒適、方便、心情愉快，符合人機(jī)工程學(xué)原理，對各種加工方泛的特點(diǎn)和工廠設(shè)備的狀況有一定的了解，才可能做到設(shè)計(jì)合理。簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，避免非必需的零件；采用多功能的復(fù)合化零件和簡單的連接方式，使整裝的零件數(shù)減少，降低資源消耗；合理布局產(chǎn)品的零件、支撐和載荷，優(yōu)化產(chǎn)品的整體尺寸，提高材料利用率；設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)符合技術(shù)性、工藝性與加工性，減少加工過程中的資源浪費(fèi)與能源消耗；設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)便于回收、易于拆卸，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用；設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)便于維修和保護(hù)，延長產(chǎn)品的使用壽命。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是相對的，不是絕對的。隨著新的加工方法不斷涌現(xiàn)，在傳通的機(jī)械加工來說結(jié)構(gòu)可能不好，而對于特種加工來說可能就不是問題。
結(jié)合紡織機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：在紡織機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)線上，部分紡織機(jī)械產(chǎn)品的給棉部分是開式結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)過程對環(huán)境污染比較大，生產(chǎn)工人的身體健康不利，將該結(jié)構(gòu)改為閉式結(jié)構(gòu)，降低環(huán)境污染，同時符合人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)原理。紡織機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)架部分，根據(jù)其受力和承受應(yīng)變的特點(diǎn)，均布機(jī)架部分的筋板并適當(dāng)增加筋板厚度，增強(qiáng)機(jī)架整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定陛，減小振動量和降低噪聲。圓墻板采用與錫林軸承座一體的整體式結(jié)構(gòu)，穩(wěn)固性強(qiáng)，消除了錫林與圓墻板之間的位移，降低該部分因變形和錯位而引起的生產(chǎn)加工誤差。在滿足使用性能和產(chǎn)品功能要求的前提下，盡可能的將傳動部分的滾動軸承替換為滑動軸承，在確保產(chǎn)品生產(chǎn)成本未有增加的前提下，達(dá)到提高機(jī)械的傳動效率、降低傳動部件的損耗和節(jié)約動力和能源的目地。
3．4綠色包裝設(shè)計(jì)
綠色包裝設(shè)計(jì)主要包括3方而：綠色包裝材料選擇、包裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和包裝材料及其廢棄物的回收再利用。產(chǎn)品的包裝結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量從簡；包裝材料在丟棄后產(chǎn)生的廢棄物對環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響，尤其是一些難以回收或不易降解的包裝材料，這些材料只能焚燒或掩埋，對大氣、水土都會產(chǎn)生很大的影響，因此包裝材料應(yīng)盡量使用無毒、無公害、易回收、易降解的材料，這樣既可以減少資源的浪費(fèi)，又可以降低對環(huán)境的污染。
3．5回收處理設(shè)計(jì)
紡織機(jī)械產(chǎn)品的回收處理設(shè)計(jì)就是在紡織機(jī)械的設(shè)計(jì)階段就考慮其使用后回收利用的可能性及回收處理的方法費(fèi)用及其可行陛。紡織機(jī)械產(chǎn)品回收處理設(shè)計(jì)包括回收處理方法、回收的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和回收技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評估等。
3．6可拆卸性設(shè)計(jì)
拆卸是產(chǎn)品回收重用的前提，無法拆卸的產(chǎn)品造成大量可重復(fù)零部件材料的浪費(fèi)，而且因廢棄物不好處置，還會嚴(yán)重污染環(huán)境。所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，必需將可拆卻性作為綠色設(shè)計(jì)的日標(biāo)之一。可拆卸性取決于零部件配合的種類和聯(lián)接方式。在間隙配合、過渡配合和過盈配合中，過盈配合尤其是以壓力機(jī)壓入方式裝配的可拆卻性最差；在鍵與銷聯(lián)接方式中，以切向鍵和半圓鍵聯(lián)接的可拆卻性最差，在螺紋緊固、鉚接、焊接接等方式中，以鉚接可拆卻性最差。此外，在進(jìn)行可拆卻設(shè)計(jì)時，還必須考慮材料相容性原則。材料之間的相容性好，意昧著這些材料可一起同收，可減少拆卸分類的工作量。如金屬和塑料之間的相容性差，不能一起同收，必須對其進(jìn)行分類；在其零部件不能重用的前提下，則不必進(jìn)行分類。所以設(shè)計(jì)時，盡量將相容材料放在一起，不相容材料之間采用易于分解的聯(lián)接。
紡織機(jī)械產(chǎn)品拆卸性設(shè)計(jì)過程如下：對紡織機(jī)械產(chǎn)品拆卸信息進(jìn)行分析及建模，建立可拆卸時間、拆卸方向范圍、拆卸能量的量化模型，構(gòu)造紡織機(jī)械產(chǎn)品零件可拆卸制約矩陣。提出紡織機(jī)械產(chǎn)品零件間關(guān)聯(lián)度的概念，作為零件間結(jié)合緊密程度的度量，利用層次分析法對零件間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行定量分析，依據(jù)關(guān)聯(lián)度構(gòu)造了零件間的關(guān)聯(lián)矩陣。通過零件間的關(guān)聯(lián)度矩陣，對構(gòu)成紡織機(jī)械產(chǎn)品的各個子部件進(jìn)行子裝配體的聚類，并通過空間幾何約束矩陣的判別和子裝配體的穩(wěn)定性來判斷紡織機(jī)械產(chǎn)品零部件進(jìn)行拆卸設(shè)計(jì)的可行性。
3．7基于CAD/cAE/CAM的綠色設(shè)計(jì)
CAD/CAM/CAE是紡織機(jī)械綠色設(shè)計(jì)走向全面自動化的重要舉措。采用CAD/CAM/CAE技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)少圖紙或無圖紙加工和工藝管理，節(jié)約了資源，可縮短紡織機(jī)械設(shè)計(jì)與生產(chǎn)周期，可提高紡織機(jī)械產(chǎn)品研制的成功率及紡織機(jī)械質(zhì)量。因此，綠色設(shè)計(jì)需有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助工具做支持[61，在對紡織機(jī)械進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)時，將其與計(jì)算機(jī)輔助工具結(jié)合，可以為紡織機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)工作的開展提供有力的技術(shù)支持。
當(dāng)今CAD/CAM/CAE技術(shù)已被廣泛使用。應(yīng)用CAD技術(shù)構(gòu)建計(jì)產(chǎn)品的三維模型，標(biāo)出其基本尺寸；結(jié)合加工零件的技術(shù)需求和工藝要求，應(yīng)用CAM技術(shù)得出待加工產(chǎn)品的加工工藝流程圖；最后采用CAE技術(shù)對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、可行性分析及工藝分析。現(xiàn)在的CAD三維軟件(如Pro/E、Solid Works、UG)等基本都集成了CAE技術(shù)，不僅可以對零件進(jìn)行靜態(tài)有限分析，還可以模擬加工材料的流動情況及分析其承受動載荷時的強(qiáng)度、剛度等。使用CAD/CAM/CAE為實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)提供了支持工具，提高了紡織機(jī)械的設(shè)計(jì)效率，縮短了整個產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。
3．8人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)
人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)是以人機(jī)工程學(xué)理論為基礎(chǔ)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)。它是依據(jù)人的心理和生理特征，利用科學(xué)技術(shù)的成果和數(shù)據(jù)去設(shè)計(jì)的技術(shù)系統(tǒng)，符合人的使用要求，并優(yōu)化人機(jī)系統(tǒng)，使之達(dá)到最佳配合，以最小的勞動代價換取最大的經(jīng)濟(jì)效益171。結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理，紡織機(jī)械產(chǎn)品一改傳統(tǒng)紡織機(jī)械產(chǎn)品單一綠色的缺點(diǎn)(單一色極易使人產(chǎn)生視覺疲勞)，新型紡織機(jī)械產(chǎn)品的外形使用藍(lán)白相間的混合色，給操作工人以很好的視覺享受，可以提高操作工人的勞動積極性；通過適當(dāng)調(diào)整紡織機(jī)械給棉口臺子的高度，方便操作工人進(jìn)行送棉操作，進(jìn)一步提高梳棉的效率；考慮工人操作時的安全性，適當(dāng)改進(jìn)紡織機(jī)械濾塵部分的外形和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對紡織機(jī)械產(chǎn)品的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)。
4 面向紡織機(jī)械綠色設(shè)計(jì)評估體系結(jié)構(gòu)
產(chǎn)品整個生命周期包括從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的所有因素，如產(chǎn)品質(zhì)量、成本、進(jìn)度計(jì)劃和用戶要求等。產(chǎn)品生命周期評估(Life—cycle Assessment，LCA)是一種對產(chǎn)品全生命周期的資源消耗、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響進(jìn)行評價的環(huán)境管理工具，也稱為產(chǎn)品生命周期分析(Life—cycle Analysis，LCA)、資源環(huán)境狀況分析Resource and Environmental Profile Analysis，REPA)。綜合國內(nèi)外所作的研究，LCA可理解為：運(yùn)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，對產(chǎn)品體系在整個生命周期中的資源消耗、環(huán)境影響的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行收集、鑒定、量化、分析和評估，并為改善產(chǎn)品的環(huán)境性提供全面、準(zhǔn)確的信息的一種環(huán)境|生評價工具。
層次分析法從本質(zhì)上說是一種思維方式，它把復(fù)雜問題分解成各個組成元素，又將這些元素按支配關(guān)系分組形成遞階層次結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較的方式確定層次中諸因素的重要性，然后綜合決策者的判斷，確定決策方案相對重要性的總的排序。整個過程體現(xiàn)了人的決策思維的基本特征，即分解、判斷與綜合。這種方法的特點(diǎn)是在對復(fù)雜決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深人分析的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學(xué)化，從而為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特陛的復(fù)雜決策問題提供簡便的決策方法，尤其適合于對決策結(jié)果難于直接準(zhǔn)確計(jì)量的場合。
采用層次分析法把紡織機(jī)械產(chǎn)品整個生命周期中定性和定量的指標(biāo)結(jié)合起來，先篩選出重要的單項(xiàng)指標(biāo)，然后利用層次分析法，建立兩比較判斷矩陣及矩陣運(yùn)算，對構(gòu)造的比較判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)；得出各個層中相關(guān)元素的相對權(quán)值，計(jì)算出綜合評價值，實(shí)現(xiàn)紡織機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)方案的量化。
5 總結(jié)
為了促進(jìn)紡織機(jī)械行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，從綠色材料設(shè)計(jì)、綠色規(guī)范化設(shè)計(jì)、綠色產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、綠色包裝設(shè)計(jì)、綠色回收處理方案設(shè)計(jì)、可拆卸性設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助綠色設(shè)計(jì)等方面，分析了紡織機(jī)械綠色設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，建立了紡織機(jī)械綠色設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)地組織和開展紡織機(jī)械綠色設(shè)計(jì)的工作提供了技術(shù)支持，基于層次分析法構(gòu)建了面向紡織機(jī)械的綠色評估體系結(jié)構(gòu)。
綠色設(shè)計(jì)與綠色制造技術(shù)將成為本世紀(jì)機(jī)械行業(yè)的主要發(fā)展方向，也是改善工業(yè)環(huán)境的重要途徑。綠色并行工程是現(xiàn)代綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的新模式。它以集成的、并行的方式設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其生命周期全過程，力求使產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計(jì)開始就考慮到產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的所有因素，如質(zhì)量、成本、用戶要求、環(huán)境影響、資源消耗狀況等。紡織機(jī)械實(shí)現(xiàn)了綠色設(shè)計(jì)與制造，將大大加快紡織機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展，也是紡織機(jī)械發(fā)展的必然趨勢，從而真正實(shí)現(xiàn)紡織機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的高質(zhì)量、低成本、高效率、低污染的日標(biāo)。綠色技術(shù)將對人類未來的生存環(huán)境起到深遠(yuǎn)的影響。
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本文標(biāo)題：紡織機(jī)械綠色設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究
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