1 化工设备可持续性设计的主要方面 节约资源 节约能源 减少废弃物污染物化工设备和普通机械设备的差别化工设备节能化工设备使用过程的安全性 2 第十一讲机械设备面向使用 拆卸 回收的设计 3 面向使用的设计 减量化设计 以汽车为例 汽车行驶必须克服多种阻力 除空气阻力外的其余三项均与整车的质量成正比 降低整车质量 有利于节能 排放 安全性材料 结构 加工工艺 5 汽车的结构减量化设计 结构优化设计 在确保性能和功能的前提下 消除无用材 寻求零部件壁厚的减薄 数量的精简和结构的整体化 合理化 研究发现 生物增长载体 如骨骼 树木等 会避免应力集中 并始终试图增长为在一种标准载荷作用下表现为均匀表面应力的形状 可借助形状的变异来降低峰值或是使应力分布均匀化 具体做法是向承受高负荷的部位储存材料 而从承受低负荷的部位取出材料 零件的形状将按照避免出现应力高峰并使应力分布均匀来设计 水箱散热器支架优化前后应力分布及变形情况 汽车的结构减量化设计 车门铰链优化 汽车的结构减量化设计 8 线圈弹簧如果充分设置端部磨平圈且圈数较多的话 按常理 压缩力可施加到中心轴上 但最近出现端部磨平圈及圈数均减少的趋势 因此承受压缩力的轴逐渐偏离了线圈的中心 受力轴偏离中心 就会出现轴与线材的距离有远有近的地方 近的地方会受到较大的应力 而远的地方会受到较小的应力 如果线材的直径固定的话 远的地方可能就不会承受达到材料极限的应力 线材就会出现浪费 因此 该设计对线材的直径采取了有粗有细的设计 原来产品的直径固定为15 8mm 而新设计将细的地方设定为12 0mm 将粗的地方设定为16 4mm 由此重量从3 07kg减轻到2 60kg 铝合金锻造轮毂已经很轻了 但根据宝马的轻量化要求 宝马的未来轮毂将设计成中空型 在其中注入硅化物泡沫 在减轻重量的同时保持轮毂的坚硬 10 使用空心材料的螺旋弹簧 摩托车用 汽车用 11 减量化设计 减少零件数量 简化产品结构例如 采用卡扣式连接方式 卡扣式结构的优缺点 卡扣式结构主要应用于塑料件与塑料件之间 塑料件与金属件之间的连接 卡扣式结构目前广泛应用于汽车和电器领域 13 改变加工方法实现减量 激光焊 激光束发散度极小 能量密度极大 当激光束焦点靠近工件时 工件会在几毫秒内熔化 从而将不同厚度 不同材质及不同表面状态的钢板焊接在一起 以满足零部件对材料性能的不同要求 激光拼焊 根据汽车前纵梁 车辆正面碰撞的主要吸能件 功能的需要 将两块不同厚度 不同材料的钢板拼焊成一块内板毛坯 然后冲压成型 例如 前端选取屈服强度较低的材料 以达到较大的溃缩变形 后端适当增加钢板厚度或选取屈服强度较高的材料 以达到较高的强度 面向使用的节省资源设计 减少产品辅助资源消耗 均衡寿命设计 组成产品的各个零部件的寿命如不相匹配 则可能造成资源浪费 均衡寿命设计 根据零部件的工作环境 采取合理措施 使产品的零部件之间或零件不同部位之间具有相等的或成倍数的寿命 例 为使机床传动系统从输入端 电机 到输出端各零部件的寿命相匹配 应为各零部件选择合理的齿轮模数 齿面宽度 轴径等 采用合理的结构工艺设计实现寿命均衡 通过优化设计增强零件易断裂的薄弱部位 采取措施提高易磨损部位的耐磨性 转移 均化或极小化造成寿命缩短的主动载荷 模块化设计 对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能 不同规格的产品进行功能分析 划分并设计出一系列功能模块 模块化设计的目的 解决产品品种规格 设计制造周期和生产成本之间的矛盾 产品快速更新换代 提高产品质量 方便维修 有利于产品废弃后的拆卸回收 将产品中对环境或人体有害的部分 使用寿命相近的部分等 集成在同一模块中 便于拆卸回收和维护更换 模块划分准则 零件合并 通过将某些零件合并为一个新的零件 可以将零件间的功能 信息和物质等交互作用转化为零件内部的交互作用 达到节约材料和便于废弃后的重用 回收与处理的目的 产品工作过程中 零件相互接触 无相对运动且有刚性连接 零件使用同一种材料 或改进后可以使用同种材料 零件合并后不会影响到产品的装配与拆卸性能 模块划分准则 功能 通过识别零件间相互作用的种类与大小 基于产品功能将其划分到不同的模块中 结构交互准则能量交互准则物质交互准则信号交互准则作用力交互准则一般来说 两零件间的这五种交互作用越大 它们划分在同一模块中的概率就越高 模块划分准则 绿色 以最小化产品的环境影响为目的 划分模块 重用性准则使零件或材料在产品达到预期寿命时以最高附加值回收并重复利用 降低产品生命周期成本基于价值 功能 制造难度 易损程度等需求 产品中不同零件具有不同的重用可能性 将重用可能性较大的零件放在同一模块中 可方便产品整体废弃后部分零部件的重用 且减轻废弃物对环境的影响 模块划分准则 绿色 以最小化产品的环境影响为目的 划分模块 升级性准则不能因部分零部件升级而废弃整个产品 将未来可能升级的零件放在同一模块中 在升级时直接更换该模块 可改善产品的环境影响 维护性准则不同零件有不同的维护频率 维护要求 维护时间和维护复杂性 按以上要求对零件进行模块划分 可以更加有效的进行故障分析和维护 模块划分准则 绿色 以最小化产品的环境影响为目的 划分模块 回收性准则尽可能选择环境协调性好 低能耗 低成本 少污染 易加工和易回收的材料 尽量减少材料种类 将相容或相同性质 有毒有害 的材料放在同一模块中 可方便材料分拣和回收 处理性准则对于当前条件下无法或不需要进行重用和回收的零部件 按照自然降解 焚烧和掩埋等不同的处理方式将零件划分到不同模块中去 24 面向维修的设计准则 产品零部件的标准化 通用化 可互换采取防止维修差错的措施或设置维修识别标志产品设计中充分考虑故障检测诊断的方便性产品维修的安全性贵重零部件的可修复性 25 面向维修的设计准则 待维修零部件应处于易于接近的位置 26 数据采集和监控 压电效应 当晶体受到某固定方向外力的作用时 内部产生电极化现象同时在某两个表面上产生符号相反的电荷 当外力撤去后 晶体又恢复到不带电的状态 当外力作用方向改变时 电荷的极性也随之改变 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比 压电效应 压电材料 外力 正电荷 负电荷 电流 电流 28 以多个传感器记录产品的运行信息 可能包括振动 力 温度 电流 磁场等物理值 通过定量分析传感器信号的绝对值及变化趋势 确定部件的磨损情况等性能特征 量化产品性能的退化过程 预测产品的失效可能性 数据采集和监控 29 面向拆卸回收的设计 30 31 2006 2012年间 新增废旧微型电子计算机约3683 5万台 按每台微型电子计算机30kg计算 将排放66120t的铅 长期铅吸收量超标 会对人体 特别是儿童 造成危害 33 据EPA估算 2004年全美有3亿多台计算机被废弃 大约850万吨的含有铅 汞和镉等有害元素的废弃物被运往填埋场 传统机电产品设计很少考虑产品废弃后的处理 浪费资源 污染环境 拆卸回收的基本概念 从废弃物中分离出尽可能多的零部件或材料 使其重新回到工业生态系统中 从产品中分离出对环境和人体有害的材料 35 零部件继续使用 直接使用无需处理或只需简单清洁和表面处理等即可异化再使用维修后再用去除故障后重新使用再制造再制造所得零部件的价值减去再制造消耗应大于该零部件作为材料回收所得收益 36 拆卸 拆卸是指从产品上系统的分离零件 组件 部件或其他零件集合体的方法 通过初步拆卸 简化需要粉碎处理的部件的材料组成 从而简化后续的分选处理 提高回收材料的纯度 从产品中剔除可能损害回收设备 如粉碎机 的高强度零部件 37 回收报废汽车 流水线式拆卸 39 预处理 40 保险杠拆卸机保险杠拆卸过程 非破坏性拆卸 41 金刚石切割机风窗玻璃的拆卸 半破坏性拆卸 拆卸后分类存放可回收零件 43 回收废旧电子电器产品 44 回收 来自全球的废旧手机 电子线路板甚至汽车被运到优美科工厂 经过神奇的 炼金术 电子垃圾变成了不同种类的贵重金属 材料级回收再利用 同化再利用异化再利用作为燃烧材料产生热能 金属材料优于非金属材料单一材料优于复合材料 46 回收原材料 车体的破碎压实 粉碎 以剪切 撕裂 破碎等方式将产品变为较小颗粒 可处理汽车 洗衣机 电视机 计算机 轮胎 塑料等多种废弃物 48 粉碎 49 分离 根据材料的粒度 密度 磁性 电特性 熔点等的差异 分离已粉碎的废弃物 回收有价值的材料 磁力分离铁金属金属探测器分离有色金属 Eriez磁力分离滚筒系统 金属探测器 50 拆卸回收的难度 产品设计不适于连续拆卸和回收连接结构难于拆卸 产品的连接方法是根据简化装配和安全连接而选择的 可能存在不可松或不可接近连接 使得拆卸困难 材料多样性 单纯考虑材料经济性和最佳性能 可能采用不同种类的材料 使得分类困难产品在使用阶段产生的污染 腐蚀等变化 可能影响拆卸 所要拆卸的产品缺乏完整的产品信息 51 不考虑拆卸回收的产品设计 目前对废旧产品的处理多为末端处理 即 接受传统的产品设计方法 在产品废弃后 被动的选择拆卸 回收 处理手段 面向拆卸回收的设计 拆卸与回收是产品生命周期中的重要环节 使工业生态系统得以闭环 拆卸回收性能差 会使废弃产品难以处置 面向拆卸回收的设计在产品设计的初期 就将可拆卸性 可回收性作为结构设计的目标之一 使产品的连接结构易于拆卸 低成本或自动化 维护方便 拆卸过程对环境和操作工人无害 并在产品废弃后能够充分有效地回收利用 从而减少废弃物的产生 达到节约资源和保护环境的目的 53 影响产品拆卸性能的主要因素 需要拆卸的零部件的数量和深度每个连接所联系的零件数量拆卸过程的独立性拆连接的数量及深度连接的拆卸时间 避免复杂方法或路径 连接的种类和拆卸所需工具的数量连接的布置应易于接近 易于操作零件或连接在使用后的变化情况 54 面向拆卸回收的设计准则 减少使用材料的种类合并需要拆卸的零件 减少零件数量采用可兼容的材料产品模块化避免材料的腐蚀避免零部件被污染 55 面向拆卸回收的设计准则 保证产品在拆卸过程的稳定性 面向拆卸回收的设计准则 废液应易于排放 面向拆卸回收的设计准则 使用易于拆卸或破坏的紧固件 面向拆卸回收的设计准则 面向拆卸回收的设计准则 面向拆卸回收的设计准则 减少两零件间的紧固件数量多数零件采用相同的紧固方式增加每个紧固件连接的零件的数量 易于到达拆卸或切割位置 面向拆卸回收的设计准则 避免复杂的零件拆卸路径 62 零件的拆卸路径 寻找待拆卸零件在父装配体自由空间中的所有可能路径 从中选取最优全局路径 63 面向拆卸回收的设计准则 避免在塑料件内嵌入金属 64 面向拆卸回收的设计准则 零部件表面应易于抓取避免非刚性零部件密封有毒有害物质避免零件表面的二次处理 电镀 油漆等 标识需拆卸的材料尽量不采用可能损害拆卸回收机械的零部件或材料 65 可拆卸性评价 66 拆卸费用 人力费用 工人工资工具 夹具的费用 拆卸操作费用 材料的识别 分类 运输费用等 拆卸费用高 则回收重用价值小 67 拆卸时间 拆卸时间长 表示结构复杂拆卸性能差 基本拆卸时间 松开连接件 将待拆零件和相关连接件分离所花费的时间 辅助时间 完成拆卸辅助工作所花费的时间 如拆卸工具接近拆卸部位的时间 68 69 拆卸过程的能耗 指拆卸单元零部件所消耗的能量机械连接的拆卸能耗 螺纹释放 卡扣弹性变形 连接元器件的摩擦等化学连接的拆卸能耗 熔化 断裂 溶解等 拆卸能耗大 则该部分拆卸性能差 M10 M68粗牙普通螺纹的钢制螺栓 70 与连接结构直接相关的指标 可达性视觉可达 实体可达 足够的拆卸空间 71 与连接结构直接相关的指标 标准化程度标准化程度高 则拆卸容易且费用较低拆卸方向可能的拆卸方向越多 则拆卸越容易 72 主动拆卸 产品在温度 电流等外界激励下 自行分解 以特殊材料制成主动拆卸结构 置入产品中 当回收处理这些产品时 只须将产品置于主动拆卸结构的激发条件 如 一定的温度 下 这些主动拆卸结构会使产品自行拆解 73 主动拆卸 形