周萬(wàn)鴻

（金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100）

如今，在能源危機(jī)與環(huán)保不斷推動(dòng)下，節(jié)能環(huán)保成為各地區(qū)人員關(guān)注的焦點(diǎn)和研究的重點(diǎn)課題，尤其是在各種先進(jìn)技術(shù)發(fā)展創(chuàng)造的便利條件下，使得節(jié)能環(huán)保技術(shù)也得到迅速發(fā)展。然而，雖然節(jié)能產(chǎn)品的技術(shù)水平得到很大程度的提高，但某些大功率機(jī)械仍然有不節(jié)能情況發(fā)生。因此，需要掌握機(jī)械設(shè)計(jì)過程中必須嚴(yán)格遵循的節(jié)能環(huán)保原則。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)保節(jié)能基本原理

機(jī)械設(shè)備環(huán)保節(jié)能將以勢(shì)能為基礎(chǔ)的節(jié)能、以動(dòng)能為基礎(chǔ)的節(jié)能、通過降低其它方面輸出功率實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減少無(wú)用功率、以功率平衡為基礎(chǔ)的多種措施結(jié)合到一起，這些不同措施的原理構(gòu)成了機(jī)械設(shè)計(jì)節(jié)能及環(huán)保的基本原理[1]。

對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將系統(tǒng)的勢(shì)能及動(dòng)能作為常量，或促使其處在允許范圍內(nèi)；將輸出消耗功能及無(wú)用功率都限制在相對(duì)較小的范圍內(nèi)；對(duì)勢(shì)能、動(dòng)能的變化率、其它輸出消耗及無(wú)用功率進(jìn)行嚴(yán)格控制；如果機(jī)器導(dǎo)致輸入功率處在相對(duì)較大的變化范圍，需要配置一個(gè)能和輸入功率保持相同周期的新裝置，使合成后形成的函數(shù)幅度處在相對(duì)較小的變化范圍，也可配置具有能量?jī)?chǔ)存及轉(zhuǎn)換功能的新系統(tǒng)，則可以使系統(tǒng)保持在相對(duì)較低的功率水平，最終使有限的能量得以最大限度的應(yīng)用。

導(dǎo)致機(jī)器裝置實(shí)際輸入功率變高或功率未得到最大限度利用的主要原因包括：在相對(duì)較短的時(shí)間范圍內(nèi)，系統(tǒng)的勢(shì)能與動(dòng)能、其它輸出及無(wú)用功率等都處在相對(duì)較大的變化范圍。另外，機(jī)器處于循環(huán)工作時(shí)，減速過程中系統(tǒng)的勢(shì)能及動(dòng)能未能充分轉(zhuǎn)化及儲(chǔ)存，導(dǎo)致功率無(wú)法被完全利用，最終造成一定程度的資源浪費(fèi)，同時(shí)還會(huì)造成環(huán)境污染現(xiàn)象[2]。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)保節(jié)能基本原理具體應(yīng)用

2.1 主要應(yīng)用范圍

這一基本原理主要是將質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)能作為核心通過微分得出的，與很多不同的領(lǐng)域都有關(guān)系，所以它可以在每個(gè)由質(zhì)點(diǎn)系構(gòu)成的對(duì)象中使用。基于此，這一基本原理能應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)或其它學(xué)科當(dāng)中，應(yīng)用范圍較廣。

2.2 工程設(shè)計(jì)對(duì)原理的應(yīng)用

2.2.1 升降機(jī)械設(shè)計(jì)

和其它類型的機(jī)械設(shè)備相比，升降機(jī)械功率消耗為人與貨物總重處于勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均消耗功率。通過以往的實(shí)踐可知，當(dāng)以恒定且相同的速度對(duì)質(zhì)量一致的重物進(jìn)行提升時(shí)，根據(jù)現(xiàn)行電梯標(biāo)準(zhǔn)通過計(jì)算確定的曳引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其消耗總功率小于目前普遍使用的卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

如果能將系統(tǒng)的勢(shì)能作為一種常量，或?qū)⑵淇刂圃诒M可能小的變化范圍內(nèi)，以此進(jìn)行升降機(jī)械或者是電梯的設(shè)計(jì)，則能得到使升降機(jī)械或電梯實(shí)現(xiàn)平衡的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于平衡升降機(jī)械，若將提升重物質(zhì)量表示為Q（t），將重量保持不變的配重表示為P，將重物卷筒半徑表示為r1，將配重卷筒半徑表示為r2，當(dāng)系統(tǒng)此時(shí)的勢(shì)能是一個(gè)常量時(shí)，則有以下關(guān)系式：

式（1）中，雖然Q（t）是一個(gè)變量，但可通過對(duì)自動(dòng)變速系統(tǒng)的應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)勢(shì)能仍然保持為一個(gè)常量[3]。

對(duì)于平衡電梯，若將電梯轎廂及水箱重量和乘客數(shù)量變化質(zhì)量表示為Q（t），將電梯配重及水箱的重量表示為P（t），將導(dǎo)向輪和曳引輪的半徑表示為r，則在平衡電梯實(shí)際運(yùn)行過程中，如果進(jìn)入電梯轎廂中的乘客質(zhì)量為q1，則下水箱會(huì)立即向配重下水箱輸入相同質(zhì)量的水。

當(dāng)電梯處于空載狀態(tài)時(shí)，電梯轎廂及水箱重量和乘客數(shù)量變化質(zhì)量和電梯配重及水箱的重量相等，而在正常運(yùn)行時(shí)，電梯轎廂及水箱重量和乘客數(shù)量變化質(zhì)量是乘客質(zhì)量與電梯質(zhì)量的和減去進(jìn)入到配重的水的質(zhì)量，此時(shí)代入已知的數(shù)值即可確定進(jìn)入到配重下水箱當(dāng)中的水的質(zhì)量大小。

通過對(duì)不同升降機(jī)械的分析和對(duì)比，可知平衡升降機(jī)械與電梯消耗的功率少于曳引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。此外，還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于卷?yè)P(yáng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其勢(shì)能處于最大的變化范圍當(dāng)中，而曳引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的勢(shì)能則能保持在相對(duì)較小的變化范圍當(dāng)中，平衡升降機(jī)械與電梯勢(shì)能都是一個(gè)常量?？梢姡绻到y(tǒng)的勢(shì)能可以變成一個(gè)常量，則能發(fā)揮顯著的節(jié)能效果[4]。

2.2.2 大型沖壓機(jī)設(shè)計(jì)

因大型沖壓機(jī)所用沖擊輪具有非圓形的特征，所以它的勢(shì)能往往以周期函數(shù)形式體現(xiàn)，并且處在很大的變化范圍當(dāng)中。

基于此，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保目標(biāo)，盡可以使勢(shì)能處在最小的變化范圍當(dāng)中，無(wú)法使勢(shì)能變成一個(gè)常量。根據(jù)由多個(gè)勢(shì)能組成的勢(shì)能處在最小的變化范圍內(nèi)的基本條件，沖壓輪勢(shì)能需要符合的要求，通過理論計(jì)算及作圖可知，若要使勢(shì)能處于最小的變化范圍內(nèi)，小參數(shù)夾角必須是一個(gè)平衡角。通過對(duì)勢(shì)能在最大和最小兩個(gè)變化范圍的功能對(duì)比，發(fā)現(xiàn)勢(shì)能在最小的變化范圍內(nèi)時(shí)，其功率遠(yuǎn)小于處于最大的范圍內(nèi)，所以這一原理的應(yīng)用是切實(shí)有效的[5]。

2.2.3 加工設(shè)備設(shè)計(jì)

為對(duì)牛頭刨床運(yùn)行時(shí)因機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的速度波動(dòng)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，一般會(huì)在設(shè)備中額外設(shè)計(jì)一個(gè)具有很大慣量的飛輪結(jié)構(gòu)，以此把不均勻系數(shù)控制在要求的范圍之內(nèi)，使機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)能夠保持穩(wěn)定。如果除了要控制不均勻系數(shù)，還要降低輸入功率，則需要以基本原理為依據(jù)，對(duì)刨床實(shí)際消耗的動(dòng)能及輸出實(shí)際變化率進(jìn)行疊加合成，確定為何在設(shè)備中額外設(shè)計(jì)一個(gè)具有很大慣量的飛輪結(jié)構(gòu)的具體原因。根據(jù)以上基本原理，在現(xiàn)有的設(shè)備中增加一個(gè)刨床，使它的初相位和現(xiàn)有裝置保持180°的相差。對(duì)這兩種功率圖實(shí)施分析與對(duì)比，根據(jù)平衡理論通過設(shè)計(jì)得到的刨床，其最最大功率和原刨床沒有太大的差異，但在功效上卻能達(dá)到原刨床至少兩倍。因此，功效的提高就意味著達(dá)到相同加工目的所需時(shí)間和能源的減少，實(shí)現(xiàn)降低輸入功率等根本目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)基本原理進(jìn)行求證和推導(dǎo)時(shí)，始終貫徹了平衡理念與基本方法，因此還能將這一基本原理稱作平衡節(jié)能原理，這是在降低功率，最大限度利用功率基礎(chǔ)上，提高機(jī)械設(shè)備實(shí)際性能的重要方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。