机械产品中的绿色设计

机械产品中的绿色设计
姚**
（北京科技大学数理学院北京海淀100083）
摘要：本文介绍机械产品绿色设计的概念,阐述了绿色设计的原则、内容等问题，并提出未来的绿色设计与绿色制造将向全球化、社会化、集成化、并行化、智能化、产业化方向发展。

关键字：机械产品、绿色设计、回收
随着世界资源的日益匮乏和环境压力的不断增大,在制造行业实现绿色设计、制造、回收再利用等,生产满足社会需求的绿色机械产品就显得尤为重要。

特别是对消费量大、生命周期短的汽车、家电等。

绿色将是21世纪制造业的一个重要主题,对此我国的制造业界深入研究和实现机械产品绿色设计,从而克服“绿色贸易壁垒”的限制,提高我国机械产品的国际竞争力,实现可持续发展。

在我国的机械加工过程中,绿色设计、绿色制造以及报废处理问题至今还没有得到企业的足够重视, 许多企业仍走的是粗放型老路子(即高投入、高消耗、高污染的发展模式) , 只注重产品的质量、成本、效益, 而忽略了加工、使用、产品报废给环境带来的污染(即环境成本)。

1 绿色设计的定义
绿色设计又称为生态设计、环境设计、生命周期设计或环境意识设计等。

它是指机械产品在产品设计、选材、生产、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期的全部过程中,充分的考虑产品对环境和资源的影响,既考虑功能、质量、开发周期和成本,同时也将可拆卸性、可回收性、可制造性等作为机械产品的设计目标,积极选择与环境友好的材料、机械结构和制造工艺,在使用过程中能耗最低,不产生或少产生毒副作用,使机械产品及其制造、使用和报废后,对环境和资源的消耗影响减到最低。

2 绿色设计原则
2.1 生态效益最好原则绿色设计强调不论是在产品制造过程中，还是在产品使用过程中，都要求产品对周围环境“零污染”。

这就要求在设计过程中尽量选择低污染的材料及零部件，避免选用有毒、有害和有辐射性的材料；设计能源消耗少的产品，减少对材料和资源的需求，保护地球的矿物资源。

噪声也是一种环境污染，影响到人体健康。

随着环保意识的增强，人们对环境要求越来越苛刻，
低噪声设计日趋重要。

从设计上就考虑产品的生态平衡性，应用绿色设计理念，是一种从源头上控制污染的有效策略。

2.2 经济效益最好原则设计的机械零件既要功能满足客户要求，又要成本低廉。

考虑经济最佳性必须从设计和制造两个方面上入手。

设计上保证合理的原理方案，选用正确的材料；制造上考虑零件的加工工艺性和装配工艺性。

2.3 安全可靠原则安全可靠是机械产品品质的保证，必须确定零件在强度、刚度、耐磨性、稳定性及热平衡性上满足设计要求。

对于重型机械，一般要求有自锁装置和保险装置，以确保操作员人身安全。

2.4 人机工程学原则绿色设计倡导“以人为本”，进行人性化设计，实现对人体的良好保护。

通过研究组成人机系统的人和机器的相互关系，以提高整个系统的工作效率，并使“人—机器—环境”相互协调，以求达到人的能力与作业活动要求相适应，创造高效、舒适、安全的劳动条件。

机器外观造型应比例协调、大方，给人以时代感和美感，色彩要和产品功能相适应。

如医疗器械要用浅色，给人以卫生、安静感；冰箱、制冷器要用冷色，给人以清凉感。

绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要考虑产品的整个生命周期，从产品的构思开始，在产品的结构设计、零部件的选材、制造、使用、报废和回收利用过程中对环境、资源的影响，希望以最小的代价实现产品“从摇篮到再现”的循环。

绿色设计综合考虑环境因素和资源利用率等。

3 绿色设计的主要内容
（1)材料。

材料选择是机械产品绿色设计不可缺少的组成部分,是产品开发过程中的最早最重要的设计决策,同时又是一种重要手段,它可以使产品对环境的影响达到最小。

（2)包装。

机械产品绿色包装设计应符合4R1D的标准,再填充、再利用、循环再造、减少包装浪费、再降解,既在设计上无害于人体健康、废弃物不污染环境,且便于回收再用或再循环产品包装。

（3)可回收性。

绿色机械产品的可回收性设计指在进行产品设计时充分考虑产品的各种材料组分的回收再用的可能性、回收处理方法、回收费用等与产品回收有关的一系列问题,从而达到节约材料、减少浪费,并对环境污染为最小的设计方法。

（4)可拆卸性。

机械产品绿色设计要求把可拆卸性作为产品结构设计的一种评价准则,使产品在报废以后其零部件能够高效地不被破坏地拆卸下来,从而有利于零部件的重新利用或进行材料的循环再生,从而达到节省和保护环境的目的。

4 绿色设计理念对机械设计的影响
绿色设计理念的提出，是机械设计学科发展历史上一个重要的里程碑，是机械设计理念的一次革命和飞跃，它对现代机械设计学科所带来的革命性影响主要表现为：
(1) 第一次从人类整体利益的高度，强调了设计者、生产企业在人类社会可持续发展和环境资源保护方面应该承担的社会责任。

这种责任一方面可以通过国家法律的形式强制企业承担，如汽车尾气的排放法规、锅炉的尾气排放法规、工业废水的排放法规等，而更重要的是作为设计者和生产企业，必须主动意识到自己应承担的社会责任，在企业的产品开发、生产和企业发展过程中，能进行自我约束，不能仅仅为了实现自己企业商业利益的最大化，而置社会利益于不顾。

绿色设计所代表的是“以人为本，实现人与自然和谐相处”的现代设计文化。

所以，如果说“功能思想”的提出是在技术层面上推动了设计学科的进步；而“绿色设计理念”的提出是在人的思想道德和设计文化的层面上推动了设计学科的进步，它体现了：“地球环境与资源保护是大家的共同责任”的崇高思想。

(2) 对机械产品来讲，设计是源头。

今天所面临的主要由工业设备、工业产品制造与使用所造成的环境污染、资源浪费等问题，除受当时时代的科学技术发展水平的限制，对可能引起的问题预见、认识不够有关外，还在很大程度上与一些传统落后的产品设计理念有关。

例如：在过去的设计理念中，几乎不考虑环境问题，也不考虑产品的回收利用问题，并将烟囱林立、浓烟滚滚、污水横流、机器轰鸣等看成是工业化的标志就是最典型的代表。

对所制造和销售的产品与企业和设计人员的关系，现在很多设计人员仍认为“产品过了保修期就与自己和企业没有关系了”。

所以，必须改变产品设计的传统观念，要树立“今天的产品，就是明天的废品”的产品设计理念，从产品的性能、材料选择、制造、使用、合理的产品寿命、报废回收的整个过程来看待现在正进行的产品设计，尤其是考虑产品报废后的回收性，进行综合平衡和决策，树立全新的绿色产品设计理念。

(3) 对报废产品的重新认识。

当今社会，科学技术发展很快，新产品层出不穷，产品的有效寿命周期明显缩短，很多产品不是因为不能使用，而是由于性能落后或仅仅由于外观老旧而报废。

虽然可以花钱买新的，但被废弃的不仅是报废的产品，而且还有废弃产品中所包含的资源。

所以，绿色设计强调对“物理报废”和“性能报废”产品的回收和再利用。

为此，要在产品设计的各个环节上综合考虑对产品整个寿命周期的影响，对产品技术的发展有科学的预测，在现有产品、储备产品和研发产品之间有合理的技术继承和联系，充分考虑由于产品款式、技术升级等因素引起的产品报废，使产品具有合理的使用寿命，而不是一味地追求产品的经久耐用。

5 绿色制造的发展趋势
将来绿色设计和制造的特点将趋向于全球化、社会化、集成化、并行化、智能化、产业化方向发展[1] 。

未来可能的研究方法有: (1) 模块化设计; (2) 神经网络和模糊数学的应用; (3) 公理化设计; (4) 虚拟拆卸[2] 。

人们提出了绿色设计发展体系, 其中关键是绿色产品设计评价体系的完善, 对产品从设计、制造、包装、运输、报废整个生命周期中每一个环节对环境影响做出评价, 并且要在整个生命周期中、集成环境下建立绿色产品的评价体系。

同时, 要研究开发先进制造技术, 以及与之相匹配的先进制造模式, 大力开发低污染、低能耗、无公害的生产工艺与最终产品。

研究开发适合绿色设计和制造需要的数据库和信息系统, 例如, 材料数据库、制造数据库、LCA 数据库及各种知识库, 开发绿色产品设计和实施绿色制造的支撑软件[3] 。

WTO 规则中的“绿色壁垒”虽有一些大国为限制发展中国家贸易借口的因素, 但其积极意义不言而喻,我国的机械行业要在世界贸易中站住脚,“绿色”水平的高低至关重要。

因此, 能否在绿色设计与制造方面有所作为, 不再是一个间接的或长远的效益问题, 而是一个直接的效益问题。

必须加强对企业的“绿色”教育, 完善政府部门对企业绿色制造的监督机制, 加强立法和行政规定以及相关的经济政策[ 。

建立较为系统的绿色制造理论和方法体系, 促进和指导绿色设计和制造技术的深入。

6 结论
随着现代化科学技术的发展,机械产品已成为多学科交叉的科技密集性产品,功能日益增多,它涉及信息、制造、计算机、控制、人工智能等各个领域,技术含量越来越高,市场竞争日益激烈,特别是中国融入国际市场后,对机械产品的绿色化会有更高的要求。

虽然各个国家面临的国情不同,发展水平不一致,但都有解决环境、资源和可持续发展的共同要求。

机械产品采用绿色设计方法后所具有的特性说明,绿色设计具有非常良好的应用前景,可以达到机械产品整个生命周期的最优化控制。

虽然绿色设计方法在不断完善和发展的,但要真正要实现机械产品的绿色设计,还需要社会各界人士广泛参与进行更多的试验与探索。

参考文献
【1】张丰《清洁生产与可持续发展》《武汉汽车工业大学学报》1999 (4) 【2】汪劲松, 段广洪, 杨向东《基于产品生命周期的绿色制造技术研究现状与展望》《计算机集成制造系统》1999
【3】冯培恩《机械广义优化设计的理论框架》《中国机械工程》2000。