1 引言
环境、资源、能源和人口四大问题对人类社会的可持续发展至关重要,由于当今资源环境问题的日益恶化,迫使人们对环境问题的研究愈来愈重视,环境问题已经成为世界各国关注的焦点。绿色设计和绿色制造是人类社会可持续发展的必由之路。绿色设计概念最旱是由国外科研人员于1979年在他们的GreenDesign一书中提出的。绿色设计又称生态设计,即利用生态学的思想,借助产品全生命周期中与产品相关的各类信息,利用各种先进的设计方法,使设计出的产品具有先进技术性、良好的环境脚调性以及合理的经济性的一种系统设计方法。
纺织工业是我国国民经济发展的重要支柱产业,纺织机械作为纺织工业的基础和生产装备,尽管已取得了快速发展,但由于技术水平较低,且长期忽视产品在整个生命周期过程中的环境影响,面临着很大的危机和挑战。为了提高纺织机械产品的国际市场竞争力,突破绿色贸易壁垒,实现纺织工业的可持续发展,对纺织机械实施绿色设计已经成为纺织机械发展的大势所趋。传统产品设计是粗放型的,它仅考虑产品的功能、质量、寿命,并不全面考虑产品制造、使用及废弃后对环境的影响,其产品生命周期为“摇篮到坟墓”的开放式结构。
传统产品设计是粗放型的，它仅考虑功能、质量、寿命，并不全面考虑产品制造，使用及废弃后的影响，其产品生命周期为“摇篮到坟墓” 的开放式结构。传统产品设计浪费了地球上大量的资源和能源，生产出来的产品在报废后马上就变成了具体垃圾，并且极难处理。绿色设计是集约型设计，它与传统设计不同，绿色设计的重要特点如下：产品从设计到生产制造，乃至废弃后的循环利用各个阶段，都要做到从源头上防止污染，其生产模式是“生产到再生产”的闭环模式。绿色设计尽量缩小产品体积，使其少占用空间：考虑产品生产、使用、废弃后对环境的影响；减少废弃物对环境的污染，降低了产品的生产过程中对自然的消耗和能源的浪费。
2 纺织机械绿色设计的体系结构
随着国民经济的迅速发展和人名的生活水平的不断提高，人们对产品质量的要求也越来越高，特别是近几年来防止行业迅速发展促纺织机械不断提高产品的质量与生产水平。目前，在纺织机械甚至整个纺织行业中，已经开展；一些与绿色技术紧密相关的应用技术专项研究，如绿色材料选择、绿色包装设计、污水处理、切削液的选择等。但还没有系统深入地开展防止借些绿色设计技术理论应用研究。
在分析绿色设计内涵及特点的基础上，讨论了纺织机械绿色设计的主要内容及实现绿色设计的关键技术，建立了纺织机械绿色设计的体系结构，如图1所示。
3 面向纺织机械绿色设计的主要内容和关键技术
3．1绿色材料选择
纺织机械产品材料的绿色程度对最终产品的绿色性能有着极为重要的影响。绿色材料选择必须建立在绿色材料的基础上，绿色材料应具备的基本性能有：低污染、低能耗、低成本；易加工和加工过程中少、无污染；可降解，可回收利用。
在纺织机械绿色材料选择中，摒弃过去对材料进行表面处理所采用的化学方法，代之以物理的方法以达到防腐的目的。用不锈钢材料来加工防腐的纺织机械外壳以替代电镀；用对环境危害小的镍磷镀替代电镀铬。根据绿色材料的选择原则，对纺织机械的传动部分尽可能的选用耐磨损的新型高分子材料，提高纺织机械齿轮、轴承、链条、皮带轮等传动件的使用寿命，从而使整机寿命尽可能延长，避免因传动部分的水桶效应，而导致延长整机寿命的瓶颈问题不能很好的解决。选择高强度、低重量的原材料不仅可以满足安全性，支持纺织机械的优化设计，还可以减少纺织机械在使用过程中对燃料的消耗，为了减少在机加工过程中的噪声和振动问题，在满足结构件的强度和刚度条件下，综合考虑原材料的成本，尽量用非金属件代替金属件。通过对纺织机械绿色材料的优化选择，达到提高纺织机械的技术含量、缩减经济开支、降低能耗的绿色生产的目的。
3．2绿色设计的规范化、标准化
随着科学技术的不断发展，产品更新换代的速度越来越快，然而产品的更新、升级并不意味着所有零部件的报废，很多只是对核心部件的升级，设计者应充分考虑产品的规范性与适用化，使产品能通过部件重组而不断更新实现不同的功能，满足不同的使用要求。规范化、标准化设计可以提高零部件的通用性和重复性，对于实现产品的全生命周期设计具有重要意义，同时标准化设计可以促进规范化生产、减少工艺装备的种类、提高资源利用率、降低能源消耗。纺织机械标准化是组织纺织机械专业化生产的前提。纺织机械的专业化生产是提高纺织机械质量、缩短纺织机械制造周期、降低成本的关键。对纺织机械各零部件结构设计的规范化、标准化可以节约资源，缩短设计周期，方便加工管理。
3．3绿色产品结构设计
绿色产品结构设计是后续设计的基础，结构设计的优劣，对绿色生产有着深刻的影响。绿色产品结构设计主要集中在以下几个方面：需要对产品的功能结构进行分析，尽可能使操作者感到舒适、方便、心情愉快，符合人机工程学原理，对各种加工方泛的特点和工厂设备的状况有一定的了解，才可能做到设计合理。简化产品结构，避免非必需的零件；采用多功能的复合化零件和简单的连接方式，使整装的零件数减少，降低资源消耗；合理布局产品的零件、支撑和载荷，优化产品的整体尺寸，提高材料利用率；设计结构符合技术性、工艺性与加工性，减少加工过程中的资源浪费与能源消耗；设计结构便于回收、易于拆卸，实现资源的循环利用；设计结构便于维修和保护，延长产品的使用寿命。结构设计是相对的，不是绝对的。随着新的加工方法不断涌现，在传通的机械加工来说结构可能不好，而对于特种加工来说可能就不是问题。
结合纺织机械产品的结构特点，对其进行结构优化：在纺织机械产品生产线上，部分纺织机械产品的给棉部分是开式结构，生产过程对环境污染比较大，生产工人的身体健康不利，将该结构改为闭式结构，降低环境污染，同时符合人机工程学的设计原理。纺织机械产品的机架部分，根据其受力和承受应变的特点，均布机架部分的筋板并适当增加筋板厚度，增强机架整体结构的稳定陛，减小振动量和降低噪声。圆墙板采用与锡林轴承座一体的整体式结构，稳固性强，消除了锡林与圆墙板之间的位移，降低该部分因变形和错位而引起的生产加工误差。在满足使用性能和产品功能要求的前提下，尽可能的将传动部分的滚动轴承替换为滑动轴承，在确保产品生产成本未有增加的前提下，达到提高机械的传动效率、降低传动部件的损耗和节约动力和能源的目地。
3．4绿色包装设计
绿色包装设计主要包括3方而：绿色包装材料选择、包装结构的优化和包装材料及其废弃物的回收再利用。产品的包装结构应尽量从简；包装材料在丢弃后产生的废弃物对环境产生了巨大的影响，尤其是一些难以回收或不易降解的包装材料，这些材料只能焚烧或掩埋，对大气、水土都会产生很大的影响，因此包装材料应尽量使用无毒、无公害、易回收、易降解的材料，这样既可以减少资源的浪费，又可以降低对环境的污染。
3．5回收处理设计
纺织机械产品的回收处理设计就是在纺织机械的设计阶段就考虑其使用后回收利用的可能性及回收处理的方法费用及其可行陛。纺织机械产品回收处理设计包括回收处理方法、回收的结构设计和回收技术经济性评估等。
3．6可拆卸性设计
拆卸是产品回收重用的前提，无法拆卸的产品造成大量可重复零部件材料的浪费，而且因废弃物不好处置，还会严重污染环境。所以在产品设计过程中，必需将可拆却性作为绿色设计的日标之一。可拆卸性取决于零部件配合的种类和联接方式。在间隙配合、过渡配合和过盈配合中，过盈配合尤其是以压力机压入方式装配的可拆却性最差；在键与销联接方式中，以切向键和半圆键联接的可拆却性最差，在螺纹紧固、铆接、焊接接等方式中，以铆接可拆却性最差。此外，在进行可拆却设计时，还必须考虑材料相容性原则。材料之间的相容性好，意昧着这些材料可一起同收，可减少拆卸分类的工作量。如金属和塑料之间的相容性差，不能一起同收，必须对其进行分类；在其零部件不能重用的前提下，则不必进行分类。所以设计时，尽量将相容材料放在一起，不相容材料之间采用易于分解的联接。
纺织机械产品拆卸性设计过程如下：对纺织机械产品拆卸信息进行分析及建模，建立可拆卸时间、拆卸方向范围、拆卸能量的量化模型，构造纺织机械产品零件可拆卸制约矩阵。提出纺织机械产品零件间关联度的概念，作为零件间结合紧密程度的度量，利用层次分析法对零件间的关联度进行定量分析，依据关联度构造了零件间的关联矩阵。通过零件间的关联度矩阵，对构成纺织机械产品的各个子部件进行子装配体的聚类，并通过空间几何约束矩阵的判别和子装配体的稳定性来判断纺织机械产品零部件进行拆卸设计的可行性。
3．7基于CAD/cAE/CAM的绿色设计
CAD/CAM/CAE是纺织机械绿色设计走向全面自动化的重要举措。采用CAD/CAM/CAE技术，可实现少图纸或无图纸加工和工艺管理，节约了资源，可缩短纺织机械设计与生产周期，可提高纺织机械产品研制的成功率及纺织机械质量。因此，绿色设计需有相应的计算机辅助工具做支持[61，在对纺织机械进行绿色设计时，将其与计算机辅助工具结合，可以为纺织机械产品绿色设计工作的开展提供有力的技术支持。
当今CAD/CAM/CAE技术已被广泛使用。应用CAD技术构建计产品的三维模型，标出其基本尺寸；结合加工零件的技术需求和工艺要求，应用CAM技术得出待加工产品的加工工艺流程图；最后采用CAE技术对产品进行结构分析、可行性分析及工艺分析。现在的CAD三维软件(如Pro/E、Solid Works、UG)等基本都集成了CAE技术，不仅可以对零件进行静态有限分析，还可以模拟加工材料的流动情况及分析其承受动载荷时的强度、刚度等。使用CAD/CAM/CAE为实现绿色设计提供了支持工具，提高了纺织机械的设计效率，缩短了整个产品设计周期。
3．8人机工程学设计
人机工程学设计是以人机工程学理论为基础的产品设计技术。它是依据人的心理和生理特征，利用科学技术的成果和数据去设计的技术系统，符合人的使用要求，并优化人机系统，使之达到最佳配合，以最小的劳动代价换取最大的经济效益171。结合人机工程学原理，纺织机械产品一改传统纺织机械产品单一绿色的缺点(单一色极易使人产生视觉疲劳)，新型纺织机械产品的外形使用蓝白相间的混合色，给操作工人以很好的视觉享受，可以提高操作工人的劳动积极性；通过适当调整纺织机械给棉口台子的高度，方便操作工人进行送棉操作，进一步提高梳棉的效率；考虑工人操作时的安全性，适当改进纺织机械滤尘部分的外形和结构，实现对纺织机械产品的人机工程学设计。
4 面向纺织机械绿色设计评估体系结构
产品整个生命周期包括从概念形成到产品报废处理的所有因素，如产品质量、成本、进度计划和用户要求等。产品生命周期评估(Life—cycle Assessment，LCA)是一种对产品全生命周期的资源消耗、经济效益和环境影响进行评价的环境管理工具，也称为产品生命周期分析(Life—cycle Analysis，LCA)、资源环境状况分析Resource and Environmental Profile Analysis，REPA)。综合国内外所作的研究，LCA可理解为：运用系统的观点，对产品体系在整个生命周期中的资源消耗、环境影响的数据和信息进行收集、鉴定、量化、分析和评估，并为改善产品的环境性提供全面、准确的信息的一种环境|生评价工具。
层次分析法从本质上说是一种思维方式，它把复杂问题分解成各个组成元素，又将这些元素按支配关系分组形成递阶层次结构，通过两两比较的方式确定层次中诸因素的重要性，然后综合决策者的判断，确定决策方案相对重要性的总的排序。整个过程体现了人的决策思维的基本特征，即分解、判断与综合。这种方法的特点是在对复杂决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深人分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特陛的复杂决策问题提供简便的决策方法，尤其适合于对决策结果难于直接准确计量的场合。
采用层次分析法把纺织机械产品整个生命周期中定性和定量的指标结合起来，先筛选出重要的单项指标，然后利用层次分析法，建立两比较判断矩阵及矩阵运算，对构造的比较判断矩阵进行一致性检验；得出各个层中相关元素的相对权值，计算出综合评价值，实现纺织机械产品绿色设计方案的量化。
5 总结
为了促进纺织机械行业的可持续发展，从绿色材料设计、绿色规范化设计、绿色产品结构设计、绿色包装设计、绿色回收处理方案设计、可拆卸性设计及计算机辅助绿色设计等方面，分析了纺织机械绿色设计的研究内容和关键技术，建立了纺织机械绿色设计的体系结构，为系统地组织和开展纺织机械绿色设计的工作提供了技术支持，基于层次分析法构建了面向纺织机械的绿色评估体系结构。
绿色设计与绿色制造技术将成为本世纪机械行业的主要发展方向，也是改善工业环境的重要途径。绿色并行工程是现代绿色产品设计和开发的新模式。它以集成的、并行的方式设计产品及其生命周期全过程，力求使产品开发人员在设计开始就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，如质量、成本、用户要求、环境影响、资源消耗状况等。纺织机械实现了绿色设计与制造，将大大加快纺织机械行业的迅速发展，也是纺织机械发展的必然趋势，从而真正实现纺织机械设计与制造的高质量、低成本、高效率、低污染的日标。绿色技术将对人类未来的生存环境起到深远的影响。
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本文标题：纺织机械绿色设计的关键技术研究
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