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。綠色設(shè)計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)計又稱生態(tài)設(shè)計,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,利用各種先進的設(shè)計方法,使設(shè)計出的產(chǎn)品具有先進技術(shù)性、良好的環(huán)境腳調(diào)性以及合理的經(jīng)濟性的一種系統(tǒng)設(shè)計方法。

    紡織工業(yè)是我國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè),紡織機械作為紡織工業(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,面臨著很大的危機和挑戰(zhàn)。為了提高紡織機械產(chǎn)品的國際市場競爭力,突破綠色貿(mào)易壁壘,實現(xiàn)紡織工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,對紡織機械實施綠色設(shè)計已經(jīng)成為紡織機械發(fā)展的大勢所趨。傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計是粗放型的,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)計浪費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)計是集約型設(shè)計，它與傳統(tǒng)設(shè)計不同，綠色設(shè)計的重要特點如下：產(chǎn)品從設(shè)計到生產(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。

2  紡織機械綠色設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)

    隨著國民經(jīng)濟的迅速發(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)展促紡織機械不斷提高產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)水平。目前，在紡織機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)專項研究，如綠色材料選擇、綠色包裝設(shè)計、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)計技術(shù)理論應(yīng)用研究。

    在分析綠色設(shè)計內(nèi)涵及特點的基礎(chǔ)上，討論了紡織機械綠色設(shè)計的主要內(nèi)容及實現(xiàn)綠色設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，建立了紡織機械綠色設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

3  面向紡織機械綠色設(shè)計的主要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)

    3．1綠色材料選擇

    紡織機械產(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。

    在紡織機械綠色材料選擇中，摒棄過去對材料進行表面處理所采用的化學(xué)方法，代之以物理的方法以達到防腐的目的。用不銹鋼材料來加工防腐的紡織機械外殼以替代電鍍；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，提高紡織機械齒輪、軸承、鏈條、皮帶輪等傳動件的使用壽命，從而使整機壽命盡可能延長，避免因傳動部分的水桶效應(yīng)，而導(dǎo)致延長整機壽命的瓶頸問題不能很好的解決。選擇高強度、低重量的原材料不僅可以滿足安全性，支持紡織機械的優(yōu)化設(shè)計，還可以減少紡織機械在使用過程中對燃料的消耗，為了減少在機加工過程中的噪聲和振動問題，在滿足結(jié)構(gòu)件的強度和剛度條件下，綜合考慮原材料的成本，盡量用非金屬件代替金屬件。通過對紡織機械綠色材料的優(yōu)化選擇，達到提高紡織機械的技術(shù)含量、縮減經(jīng)濟開支、降低能耗的綠色生產(chǎn)的目的。

    3．2綠色設(shè)計的規(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)計可以提高零部件的通用性和重復(fù)性，對于實現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期設(shè)計具有重要意義，同時標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計可以促進規(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。紡織機械標(biāo)準(zhǔn)化是組織紡織機械專業(yè)化生產(chǎn)的前提。紡織機械的專業(yè)化生產(chǎn)是提高紡織機械質(zhì)量、縮短紡織機械制造周期、降低成本的關(guān)鍵。對紡織機械各零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化可以節(jié)約資源，縮短設(shè)計周期，方便加工管理。

    3．3綠色產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

    綠色產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計是后續(xù)設(shè)計的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(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)進行分析，盡可能使操作者感到舒適、方便、心情愉快，符合人機工程學(xué)原理，對各種加工方泛的特點和工廠設(shè)備的狀況有一定的了解，才可能做到設(shè)計合理。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與能源消耗；設(shè)計結(jié)構(gòu)便于回收、易于拆卸，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用；設(shè)計結(jié)構(gòu)便于維修和保護，延長產(chǎn)品的使用壽命。結(jié)構(gòu)設(shè)計是相對的，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)合紡織機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：在紡織機械產(chǎn)品生產(chǎn)線上，部分紡織機械產(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，同時符合人機工程學(xué)的設(shè)計原理。紡織機械產(chǎn)品的機架部分，根據(jù)其受力和承受應(yīng)變的特點，均布機架部分的筋板并適當(dāng)增加筋板厚度，增強機架整體結(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，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，達到提高機械的傳動效率、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

    綠色包裝設(shè)計主要包括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，又可以降低對環(huán)境的污染。

    3．5回收處理設(shè)計

    紡織機械產(chǎn)品的回收處理設(shè)計就是在紡織機械的設(shè)計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用及其可行陛。紡織機械產(chǎn)品回收處理設(shè)計包括回收處理方法、回收的結(jié)構(gòu)設(shè)計和回收技術(shù)經(jīng)濟性評估等。

    3．6可拆卸性設(shè)計

    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，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)計過程中，必需將可拆卻性作為綠色設(shè)計的日標(biāo)之一�？刹鹦缎匀�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，在進行可拆卻設(shè)計時，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，必須對其進行分類；在其零部件不能重用的前提下，則不必進行分類。所以設(shè)計時，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。

    紡織機械產(chǎn)品拆卸性設(shè)計過程如下：對紡織機械產(chǎn)品拆卸信息進行分析及建模，建立可拆卸時間、拆卸方向范圍、拆卸能量的量化模型，構(gòu)造紡織機械產(chǎn)品零件可拆卸制約矩陣。提出紡織機械產(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)成紡織機械產(chǎn)品的各個子部件進行子裝配體的聚類，并通過空間幾何約束矩陣的判別和子裝配體的穩(wěn)定性來判斷紡織機械產(chǎn)品零部件進行拆卸設(shè)計的可行性。

    3．7基于CAD/cAE/CAM的綠色設(shè)計

    CAD/CAM/CAE是紡織機械綠色設(shè)計走向全面自動化的重要舉措。采用CAD/CAM/CAE技術(shù)，可實現(xiàn)少圖紙或無圖紙加工和工藝管理，節(jié)約了資源，可縮短紡織機械設(shè)計與生產(chǎn)周期，可提高紡織機械產(chǎn)品研制的成功率及紡織機械質(zhì)量。因此，綠色設(shè)計需有相應(yīng)的計算機輔助工具做支持[61，在對紡織機械進行綠色設(shè)計時，將其與計算機輔助工具結(jié)合，可以為紡織機械產(chǎn)品綠色設(shè)計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度、剛度等。使用CAD/CAM/CAE為實現(xiàn)綠色設(shè)計提供了支持工具，提高了紡織機械的設(shè)計效率，縮短了整個產(chǎn)品設(shè)計周期。

    3．8人機工程學(xué)設(shè)計

    人機工程學(xué)設(shè)計是以人機工程學(xué)理論為基礎(chǔ)的產(chǎn)品設(shè)計技術(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)計的技術(shù)系統(tǒng)，符合人的使用要求，并優(yōu)化人機系統(tǒng)，使之達到最佳配合，以最小的勞動代價換取最大的經(jīng)濟效益171。結(jié)合人機工程學(xué)原理，紡織機械產(chǎn)品一改傳統(tǒng)紡織機械產(chǎn)品單一綠色的缺點(單一色極易使人產(chǎn)生視覺疲勞)，新型紡織機械產(chǎn)品的外形使用藍白相間的混合色，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)整紡織機械給棉口臺子的高度，方便操作工人進行送棉操作，進一步提高梳棉的效率；考慮工人操作時的安全性，適當(dāng)改進紡織機械濾塵部分的外形和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對紡織機械產(chǎn)品的人機工程學(xué)設(shè)計。

4  面向紡織機械綠色設(shè)計評估體系結(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、進度計劃和用戶要求等。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)濟效益和環(huán)境影響進行評價的環(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：運用系統(tǒng)的觀點，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)確計量的場合。

    采用層次分析法把紡織機械產(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算，對構(gòu)造的比較判斷矩陣進行一致性檢驗；得出各個層中相關(guān)元素的相對權(quán)值，計算出綜合評價值，實現(xiàn)紡織機械產(chǎn)品綠色設(shè)計方案的量化。

5  總結(jié)

    為了促進紡織機械行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，從綠色材料設(shè)計、綠色規(guī)范化設(shè)計、綠色產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、綠色包裝設(shè)計、綠色回收處理方案設(shè)計、可拆卸性設(shè)計及計算機輔助綠色設(shè)計等方面，分析了紡織機械綠色設(shè)計的研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)，建立了紡織機械綠色設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)地組織和開展紡織機械綠色設(shè)計的工作提供了技術(shù)支持，基于層次分析法構(gòu)建了面向紡織機械的綠色評估體系結(jié)構(gòu)。

    綠色設(shè)計與綠色制造技術(shù)將成為本世紀(jì)機械行業(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)計和開發(fā)的新模式。它以集成的、并行的方式設(shè)計產(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。紡織機械實現(xiàn)了綠色設(shè)計與制造，將大大加快紡織機械行業(yè)的迅速發(fā)展，也是紡織機械發(fā)展的必然趨勢，從而真正實現(xiàn)紡織機械設(shè)計與制造的高質(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)境起到深遠的影響。

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本文標(biāo)題：紡織機械綠色設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)研究

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