装备制造业绿色设计与可靠性设计的构想

    一、引言

    21世纪人类面临着人口。资源和环境三大危机。我国制造业直接创造GDP的三分之一，是创造人类财富的支柱产业．是将高科技转化为现实生产力所必要的手段和工具，它集中反映了一国总体科技水平，是中国的战略性产业，是中国工业化的前提。但同时又是当前环境和资源浪费的主要源头，中国制造业经历了50多年的发展，从总体上看，依然没有走出资源消耗型，没有摆脱传统的高投入，高消耗、高污染，低产出，低效益为特征的发展模式：另一方面，由于我国原材料的品质较低，导致原材料的使用量增加，产品设计冗余量增大。中国装备制造业比发达和自主创新的国家在资源投入和能耗上要高得多，单位产值的能耗高于发达国家的20%到30%。我国制造业的能耗占全国一次能耗的63%，可以说制造业是能耗大户，单位能耗偏高，由此带来了对能源、资源的较多依赖。同时，据世界银行估计．环境污染给中国带来相当于3．5%～8%的GDP的损失，按《中国统计年鉴》(2007)2006年我国GDP为2094万亿元，环境污染给中国带来的损失为7329亿～16752亿元。由于制造业量大面广，因而对环境的整体影响很大。针对目前装备制造业的状况，本文主要研究装备制造业可靠性设计在绿色设计中的应用，如何将可靠性设计理论与循环经济绿色设计理论相给合．在生产过程中节约能源和原材料，淘汰有害的原材料．减少和降低所有废物的数量和毒性．降低产品对环境的有害影响，实现产品绿色制造．提高资源使用率和能源使用率，以达到发展循环经济，实现可持续发展的目标。

    二．绿色设计与可靠性设计的内涵

    1．绿色设计的内涵

    技术研究表明，产品性能的70%～80%是由设计阶段决定的，设计阶段是产品生命周期的源头，设计的浪费是较大的浪费。绿色设计是指在产品生命周期全过程的设计中，充分考虑对环境和资源的影响，在考虑功能、质量、开发周期和成本的同时，优化设计因素，使产品及其制造过程对环境和资源消耗的总体影响减到较小。绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，它的目标是使产品设计、制造、运输、使用到报废处理的整个产品周期中，对环境的负影响作用较小，资源效率较高。简单地说，绿色制造要综合考虑制造、环境和资源这三大领域。绿色设计要将3R(Reduce．Reuse．Recycle)直接引入产品研发阶段，绿色设计是绿色制造技术的核心。美国威廉·麦克唐《从摇篮到摇篮》一书尖锐指出，现代工业设计思想是从摇篮到坟墓的设计思想，思想方式是直线型的，只关心生产，并快速、廉价地送到消费者手里，而其他的事情却没有考虑。从亚当·斯密和李嘉图起。西方经济学的指导思想是较大限度地开发自然资源：较大限度地创造社会财富；较大限度地获取利润。绿色设计要将“减量化”放在首位，零部件的设计应”小而精”。在满足可靠性的条件下，零件结构越小，所用材料越少，可节约资源的使用量，同时给环境的污染也相应减少．使零件的“绿色”性能得以提高。在材料选取后，可根据可靠性确定零件形状和尺寸。在传统的设计过程中，违背了绿色设计的原则，采用较大的安全系数来确定零件的形状和尺寸。这样导致零件的结构尺寸偏大，增加了材料的消耗，同时增加了能源的使用量。因此，在零件的设计过程中要尽量采用先进的设计理论和方法，提高机械零件计算载荷的准确度，确定合理的安全系数，将产品安全系数与绿色设计相结合。这既可以合理地设计出零件的结构尺寸，又可以减少设计者的工作量，同时减少能源的使用量。本文主要研究零件的尺寸在满足可靠度的条件下，怎样达到绿色设计的目的。

    2可靠性设计的内涵

    传统观念上，可靠性是衡量产品质量的一个重要指标．装备制造业厂家，为了提高产品质量，都有在提高其可靠性．特别是重大装备，产品的可靠性直接影响到设备的安装、调试和维修。因此．可靠性问题是一种综合性的系统工程。装备制造业产品(零件、部件、设备或系统)的可靠性也和绿色制造一样，是与其设计、制造、运输、储存．使用、维修等各个环节紧密相关的。设计只是其中的一个环节，但却是保证产品可靠性较重要的环节，它为产品的可靠性水平奠定基础。因为装备制造业产品的可靠性取决于其零部件的结构形式和尺寸、选用的材料及热处理．制造工艺，检验标准、润滑条件、维修方便性、以及各种安全保护措施等，而这些都是在设计中决定的。设计决定了产品可靠性水平即产品的固有可靠度。产品的制造和使用固然也对其可靠性有重要的影响，但毕竟制造是按设计进行，制造和使用的主要任务是保证产品可靠性指标的实现。

    我国国家标准可靠性基本名词术语及定义GB/T3187-1994定义可靠性为：”产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力”。可靠度是指产品在规定的条件和规定的时间内，能完成规定功能的概率。通常用R表示。

    3．可靠性设计增长与绿色设计

    在产品较初研制和试验期问，一方面，需要反复改进产品设计和制造中的缺陷，可靠性经常得到提高，这种改善可以归因为一些因素的变化和时间的推移得到的经验，用于设计生产更好的产品，使产品的可靠性增加，这种现象叫做”可靠性增长”。可靠性增长是通过逐步改进产品设计和制造中的缺陷，不断提高产品可靠性的过程。另一方面．在考虑产品可靠性的同时．还要研究产品的绿色设计，产品绿色设计将”减量化”放在首位，在满足产品可靠性的条件下，要达到使用材料较省，对环境污染较小，达到节能降耗减排的目的。装备制造业产品，它有一个显著特点“大、高、特”，大：主要是指设备大、产品大。由于有这个“大”的特点．便产生了与普通制造业不同的要求，产品的设计和制造等都与普通中小零件加工有着质的区别。高主要是指产品的技术含量高，产品的可靠性高，工艺流程的准确性高。如风力发电设备，百吨自卸车等，其技术含量牌目前世界领先水平，这些产品的开发对解决能源问题发挥着重要作用。特：主要是指产品的独特性，单一性。重大装备一般产品规模小，规格品种多．具有单一性和不可替代性．如海上石油钻井平台，各种电站成套控制设备等都是按照客户的特殊要求和地形环境特点进行专门设计制造的产品．价值巨大，不成规模，今后也无重复生产的可能．这种特殊产品，不允许先试制再生产，更不允许报废重来。只能一次成功，否则将给国家和企业造成不可估量的损失。这样的产品资源投入量大，成本高，设计难度大，维修复杂，使用过程中对环境的影响较大，因此产品设计是一个可靠性设计与绿色设计相相交叉的过程，如图1所示．该过程是一个不断反馈的过程。

图1可靠性设计增长与绿色设计交叉过程

    三、可靠性设计在绿色设计中的应用

    1．减量化设计的构思

    这个问题是从规定的目标可靠度出发，计算所用材料的尺寸。通过计算．就可以达到“把可靠度设计到零件中去”的可靠性设计的目的，来实现产品的“减量化”设计，较终达到产品的绿色设计。在可靠性设计中，要考虑材料应力和强度。为了计算方便，说明一下随机变量的均值和方差的计算方法。当函数y=f(X)的随机变量是一维时，函数在点X=μ(μ为随机变量X的期望)的泰勒展开式为

    由(1)和(2)就可以根据可靠度R和安全系数n确定d，根据产品的可靠度来确定产品的规格尺寸，一是节省了材料，达到减耗的要求；二是节省了能源，达到了降能的要求。总之，满足了绿色设计“减量化”的首要目标，同时减轻了环境的压力。

    2．系统的绿色设计

    为保证系统的安全，产品设计中经常采取混联系统模型和备用冗余系统模型，来保证系统的可靠度，如图2和图3。

    这种系统的一个明显的特点是有一些并联单元，但它们在同一时刻并不是都投入运行的。对于这种系统，设计时，应尽量提高单个元件的可靠度，减少冗余量来达到“减量化”的目的。绿色是21世纪产品的主要特征之一。只有在设计的初期阶段按照绿色产品的特点规划。从零件设计开始就考虑绿色要求，才能保证产品较终的“绿色”。

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