1 引言
環境、資源、能源和人口四大問題對人類社會的可持續發展至關重要,由于當今資源環境問題的日益惡化,迫使人們對環境問題的研究愈來愈重視,環境問題已經成為世界各國關注的焦點。綠色設計和綠色制造是人類社會可持續發展的必由之路。綠色設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。綠色設計又稱生態設計,即利用生態學的思想,借助產品全生命周期中與產品相關的各類信息,利用各種先進的設計方法,使設計出的產品具有先進技術性、良好的環境腳調性以及合理的經濟性的一種系統設計方法。
紡織工業是我國國民經濟發展的重要支柱產業,紡織機械作為紡織工業的基礎和生產裝備,盡管已取得了快速發展,但由于技術水平較低,且長期忽視產品在整個生命周期過程中的環境影響,面臨著很大的危機和挑戰。為了提高紡織機械產品的國際市場競爭力,突破綠色貿易壁壘,實現紡織工業的可持續發展,對紡織機械實施綠色設計已經成為紡織機械發展的大勢所趨。傳統產品設計是粗放型的,它僅考慮產品的功能、質量、壽命,并不全面考慮產品制造、使用及廢棄后對環境的影響,其產品生命周期為“搖籃到墳墓”的開放式結構。
傳統產品設計是粗放型的，它僅考慮功能、質量、壽命，并不全面考慮產品制造，使用及廢棄后的影響，其產品生命周期為“搖籃到墳墓” 的開放式結構。傳統產品設計浪費了地球上大量的資源和能源，生產出來的產品在報廢后馬上就變成了具體垃圾，并且極難處理。綠色設計是集約型設計，它與傳統設計不同，綠色設計的重要特點如下：產品從設計到生產制造，乃至廢棄后的循環利用各個階段，都要做到從源頭上防止污染，其生產模式是“生產到再生產”的閉環模式。綠色設計盡量縮小產品體積，使其少占用空間：考慮產品生產、使用、廢棄后對環境的影響；減少廢棄物對環境的污染，降低了產品的生產過程中對自然的消耗和能源的浪費。
2 紡織機械綠色設計的體系結構
隨著國民經濟的迅速發展和人名的生活水平的不斷提高，人們對產品質量的要求也越來越高，特別是近幾年來防止行業迅速發展促紡織機械不斷提高產品的質量與生產水平。目前，在紡織機械甚至整個紡織行業中，已經開展；一些與綠色技術緊密相關的應用技術專項研究，如綠色材料選擇、綠色包裝設計、污水處理、切削液的選擇等。但還沒有系統深入地開展防止借些綠色設計技術理論應用研究。
在分析綠色設計內涵及特點的基礎上，討論了紡織機械綠色設計的主要內容及實現綠色設計的關鍵技術，建立了紡織機械綠色設計的體系結構，如圖1所示。
3 面向紡織機械綠色設計的主要內容和關鍵技術
3．1綠色材料選擇
紡織機械產品材料的綠色程度對最終產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上，綠色材料應具備的基本性能有：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；用對環境危害小的鎳磷鍍替代電鍍鉻。根據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，而導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，支持紡織機械的優化設計，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，在滿足結構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化選擇，達到提高紡織機械的技術含量、縮減經濟開支、降低能耗的綠色生產的目的。
3．2綠色設計的規范化、標準化
隨著科學技術的不斷發展，產品更新換代的速度越來越快，然而產品的更新、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，設計者應充分考慮產品的規范性與適用化，使產品能通過部件重組而不斷更新實現不同的功能，滿足不同的使用要求。規范化、標準化設計可以提高零部件的通用性和重復性，對于實現產品的全生命周期設計具有重要意義，同時標準化設計可以促進規范化生產、減少工藝裝備的種類、提高資源利用率、降低能源消耗。紡織機械標準化是組織紡織機械專業化生產的前提。紡織機械的專業化生產是提高紡織機械質量、縮短紡織機械制造周期、降低成本的關鍵。對紡織機械各零部件結構設計的規范化、標準化可以節約資源，縮短設計周期，方便加工管理。
3．3綠色產品結構設計
綠色產品結構設計是后續設計的基礎，結構設計的優劣，對綠色生產有著深刻的影響。綠色產品結構設計主要集中在以下幾個方面：需要對產品的功能結構進行分析，盡可能使操作者感到舒適、方便、心情愉快，符合人機工程學原理，對各種加工方泛的特點和工廠設備的狀況有一定的了解，才可能做到設計合理。簡化產品結構，避免非必需的零件；采用多功能的復合化零件和簡單的連接方式，使整裝的零件數減少，降低資源消耗；合理布局產品的零件、支撐和載荷，優化產品的整體尺寸，提高材料利用率；設計結構符合技術性、工藝性與加工性，減少加工過程中的資源浪費與能源消耗；設計結構便于回收、易于拆卸，實現資源的循環利用；設計結構便于維修和保護，延長產品的使用壽命。結構設計是相對的，不是絕對的。隨著新的加工方法不斷涌現，在傳通的機械加工來說結構可能不好，而對于特種加工來說可能就不是問題。
結合紡織機械產品的結構特點，對其進行結構優化：在紡織機械產品生產線上，部分紡織機械產品的給棉部分是開式結構，生產過程對環境污染比較大，生產工人的身體健康不利，將該結構改為閉式結構，降低環境污染，同時符合人機工程學的設計原理。紡織機械產品的機架部分，根據其受力和承受應變的特點，均布機架部分的筋板并適當增加筋板厚度，增強機架整體結構的穩定陛，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構，穩固性強，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加工誤差。在滿足使用性能和產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，在確保產品生產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約動力和能源的目地。
3．4綠色包裝設計
綠色包裝設計主要包括3方而：綠色包裝材料選擇、包裝結構的優化和包裝材料及其廢棄物的回收再利用。產品的包裝結構應盡量從簡；包裝材料在丟棄后產生的廢棄物對環境產生了巨大的影響，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、水土都會產生很大的影響，因此包裝材料應盡量使用無毒、無公害、易回收、易降解的材料，這樣既可以減少資源的浪費，又可以降低對環境的污染。
3．5回收處理設計
紡織機械產品的回收處理設計就是在紡織機械的設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。紡織機械產品回收處理設計包括回收處理方法、回收的結構設計和回收技術經濟性評估等。
3．6可拆卸性設計
拆卸是產品回收重用的前提，無法拆卸的產品造成大量可重復零部件材料的浪費，而且因廢棄物不好處置，還會嚴重污染環境。所以在產品設計過程中，必需將可拆卻性作為綠色設計的日標之一。可拆卸性取決于零部件配合的種類和聯接方式。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；在鍵與銷聯接方式中，以切向鍵和半圓鍵聯接的可拆卻性最差，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接。
紡織機械產品拆卸性設計過程如下：對紡織機械產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，構造紡織機械產品零件可拆卸制約矩陣。提出紡織機械產品零件間關聯度的概念，作為零件間結合緊密程度的度量，利用層次分析法對零件間的關聯度進行定量分析，依據關聯度構造了零件間的關聯矩陣。通過零件間的關聯度矩陣，對構成紡織機械產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定性來判斷紡織機械產品零部件進行拆卸設計的可行性。
3．7基于CAD/cAE/CAM的綠色設計
CAD/CAM/CAE是紡織機械綠色設計走向全面自動化的重要舉措。采用CAD/CAM/CAE技術，可實現少圖紙或無圖紙加工和工藝管理，節約了資源，可縮短紡織機械設計與生產周期，可提高紡織機械產品研制的成功率及紡織機械質量。因此，綠色設計需有相應的計算機輔助工具做支持[61，在對紡織機械進行綠色設計時，將其與計算機輔助工具結合，可以為紡織機械產品綠色設計工作的開展提供有力的技術支持。
當今CAD/CAM/CAE技術已被廣泛使用。應用CAD技術構建計產品的三維模型，標出其基本尺寸；結合加工零件的技術需求和工藝要求，應用CAM技術得出待加工產品的加工工藝流程圖；最后采用CAE技術對產品進行結構分析、可行性分析及工藝分析。現在的CAD三維軟件(如Pro/E、Solid Works、UG)等基本都集成了CAE技術，不僅可以對零件進行靜態有限分析，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為實現綠色設計提供了支持工具，提高了紡織機械的設計效率，縮短了整個產品設計周期。
3．8人機工程學設計
人機工程學設計是以人機工程學理論為基礎的產品設計技術。它是依據人的心理和生理特征，利用科學技術的成果和數據去設計的技術系統，符合人的使用要求，并優化人機系統，使之達到最佳配合，以最小的勞動代價換取最大的經濟效益171。結合人機工程學原理，紡織機械產品一改傳統紡織機械產品單一綠色的缺點(單一色極易使人產生視覺疲勞)，新型紡織機械產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；通過適當調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，適當改進紡織機械濾塵部分的外形和結構，實現對紡織機械產品的人機工程學設計。
4 面向紡織機械綠色設計評估體系結構
產品整個生命周期包括從概念形成到產品報廢處理的所有因素，如產品質量、成本、進度計劃和用戶要求等。產品生命周期評估(Life—cycle Assessment，LCA)是一種對產品全生命周期的資源消耗、經濟效益和環境影響進行評價的環境管理工具，也稱為產品生命周期分析(Life—cycle Analysis，LCA)、資源環境狀況分析Resource and Environmental Profile Analysis，REPA)。綜合國內外所作的研究，LCA可理解為：運用系統的觀點，對產品體系在整個生命周期中的資源消耗、環境影響的數據和信息進行收集、鑒定、量化、分析和評估，并為改善產品的環境性提供全面、準確的信息的一種環境|生評價工具。
層次分析法從本質上說是一種思維方式，它把復雜問題分解成各個組成元素，又將這些元素按支配關系分組形成遞階層次結構，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雜決策問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深人分析的基礎上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數學化，從而為多目標、多準則或無結構特陛的復雜決策問題提供簡便的決策方法，尤其適合于對決策結果難于直接準確計量的場合。
采用層次分析法把紡織機械產品整個生命周期中定性和定量的指標結合起來，先篩選出重要的單項指標，然后利用層次分析法，建立兩比較判斷矩陣及矩陣運算，對構造的比較判斷矩陣進行一致性檢驗；得出各個層中相關元素的相對權值，計算出綜合評價值，實現紡織機械產品綠色設計方案的量化。
5 總結
為了促進紡織機械行業的可持續發展，從綠色材料設計、綠色規范化設計、綠色產品結構設計、綠色包裝設計、綠色回收處理方案設計、可拆卸性設計及計算機輔助綠色設計等方面，分析了紡織機械綠色設計的研究內容和關鍵技術，建立了紡織機械綠色設計的體系結構，為系統地組織和開展紡織機械綠色設計的工作提供了技術支持，基于層次分析法構建了面向紡織機械的綠色評估體系結構。
綠色設計與綠色制造技術將成為本世紀機械行業的主要發展方向，也是改善工業環境的重要途徑。綠色并行工程是現代綠色產品設計和開發的新模式。它以集成的、并行的方式設計產品及其生命周期全過程，力求使產品開發人員在設計開始就考慮到產品整個生命周期中從概念形成到產品報廢處理的所有因素，如質量、成本、用戶要求、環境影響、資源消耗狀況等。紡織機械實現了綠色設計與制造，將大大加快紡織機械行業的迅速發展，也是紡織機械發展的必然趨勢，從而真正實現紡織機械設計與制造的高質量、低成本、高效率、低污染的日標。綠色技術將對人類未來的生存環境起到深遠的影響。
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本文標題：紡織機械綠色設計的關鍵技術研究
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