摘要：笔者主要从机械设计节能基本原理、机械设计节能原理的实际应用等方面概述了本文主题，旨在与广大学者共同探讨学习。
关键词：机械设计；节能；基本原理；应用
随着时代的发展，生态问题与能源危机日益严峻，极大影响了人们生活与生产，在这种时代背景下，节约能源、保护环境已成为全球共识。机械生产作为社会发展中不可或缺的产业，节能环保问题不容忽视。机械设计作为机械工程领域的第一工序，其在产品设计中除了考虑产品性能、质量外，更要注重设备的节能型，尽可能的节省资源浪费，避免因为设备不具备节能性能而造成大量材料的浪费。文章从机械设计节能的原理入手，从实际出发通过能量分析提出了机械设计的节能方法。
一、机械设计节能的重要性
我国工业产业与西方国家相比，有着起步晚、起点低的特征，但伴随改革开放以来国内经济的迅速发展，机械生产行业也得到了前所未有的发展，在国家经济中占有重要地位。机械设计作为机械工程领域的重要组成部分，其对机械工程有着很大影响，近几年来，受到国家节能减排、保护环境政策的影响，机械设计节能工作的开展已成为不可逆的趋势，在这种时代背景下，要求机械设计人员充分考虑各种因素，除了保证机械产品的最初性能外，更要做好节能环保及经济性要求，我们首先要对这些内容分析和整理，正确认识这些环节的工作要求。因此，在机械设计的时候，我们要对设备的配合及应用更加注意，力求机械设计在保持正常运转的时候，尽可能的降低能量损耗，从而让机械设计达到当前可持续发展战略的要求。
二、机械设计节能基本原理
机械在工作的过程中，能源消耗的功率为机械工作的有效功率和损失功率之和。根据机械守恒原理，可以
推导出如下的式子：
N M =N SF +NCF+N R +dT/dt
在上式之中，N SF 表示的是其它作用力做功消耗的功率；N CF 表示的是有势力做功消耗的功率；N R 指的是无用的功率；dT/dt 则表示的是该系统之中动能的变化率；N M 则表示的是该机械设备输入的总功率。现根据该式子进行机械设计节能分析：
（一）基于势能的机械设计节能方法
根据机械工作原理分析，可以知道有势力消耗的功率大小将会受到系统势能的影响。其主要表现为以下的情况：如果机械设备在工作的时候，势能会发生一定程度的变化，当势能发生变化的时候处于一段较短的时间之内，会使得机械设备在运作过程之中不能有效的利用该部分势能转化的能量，从而使得机械设备的有势力消耗增大，使得机械设备在运转过程中增大能源损耗。
为有效的控制这一现象，在进行机械设计的时候，应当尽可能的缩小机械势能变化的范围，减小有势力消耗的功率，从而实现机械设计节能。
（二）降低其它的消耗功率
机械设备在运行的过程中，会差生很多的无用功率，有效的降低这部分消耗的功率，将能够有效提升机械设备运作过程中能源的使用效率，从而达到节能的目的。机械设备在工作的时候，零件之间、工作表面与物体之间都会产生摩擦力，其做功之后会产生大量的热量，这部分热量就是消耗的无用功率。同时机械设备在运行中，部分材料会发生轻微的弹性、塑性变形，这也是机械做功所产生的现象，也会造成功率的损耗。因此，在进行设计的时候，应当充分考虑这些因素造成的能源损耗，采取有效的措施减少其消耗的功率，从而实现节省能源的目的。
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（三）基于动能的机械设计节能方法分析
在机械运动中动能是其中最为关键的一部分，通常情况下，能源的消耗就是为了将其转化为有效的机械动能，从而达到自身所需要的状态。在关于动能的机械设计过程中，由于机械内部结构极为复杂，对动能的实际做功情况影响因素也较多。如：机械设备中零件制作的精确程度、零件的材质、机械设备的启停频率等都会影响到机械动能的实际有效做功率。因此，为了更好的提升能源的利用效率，实现节能的目的，在进行机械设计的时候，应当尽可能的减少机械运动过程中产生的摩擦力，以及其它一些制动作用力等，使得转化为有效动能的效率增加。如：增加零件之间的装配精度、使用新型的机械材料、减少制动以及启停的频率。都能够实现机械设计节能的目的。
（四）基于机械设计在其他输出力方面的节能
不同的机械设备在工作过程中所表现的输出力是不一样的，而且相同的一款机械设备在不同的工作过程中其输出力也不尽相同，所以机械的输出力在不同的工作阶段形式也是不一样的。在机械工作过程中造成输出力消耗过高的主要原因是在比较短的时间内输出力变化较大，如果把周期函数形式的输出力消耗保持在比较小的范围内变化就能达节能到节能的目的。
三、机械设计节能原理的实际应用
由于机械设计节能的基本原理主要涉及质点以及动能定理，因此，由质点组成的对象都可以利用，其适用范围宽泛。
（一）在加工型设备中的应用
加工型机械设备在实际生活中较为常见，其在加工过程中消耗的能源也最大，因此，该类设备的节能尤其重要。以牛头刨床为例，该设备主要由一个质量很大的主轴来操作其稳定运行，要想实现节能，就要降低输入的功率，结合机械原理，再增添一个该装置，设备的功率变为原先的 2 倍，以提升功率，节省能源。
（二）该节能原理在大压路机上的应用
大型压路机的轮子表面并没有严格按照周期函数来表现，其变化范围较大。这在无形中阻碍了节能设计。因此，要想真正实现节能，就要把冲击轮的势能在重心处于最低处时的变化缩小在一个最小区间，区间越小，节能效果越好。
（三）该节能原理在升降机械力的应用
升降机械在实际工作中消耗的功率较大，产生的无用功也较大，因此，要在节能方面进行改善。改进前，要先研究消耗的原因，大部分功率的消耗都发生在设备提升以及下放物体的过程中。一般来说，在设计升降机械前，一定要标准化，结合电梯的设计原理，加入机械设计的节能原理。在升降机械设计中的应用升降机械与其他机械相比，消耗功率的主要特征是货物和人的重量（有势力）在提升或下降的匀速运动过程中均要消耗功率。工程实践证明，以相同的速度提升质量相等的重物，按照电梯标准计算设计的曳引驱动机构所消耗的功率比传统卷扬驱动机构要小得多。若按“系统势能为常量或在最小范围内变化”设计升降机械或电梯，可得平衡升降机和平衡电梯设计方案。在平衡升降机中，若用 Q（t）表示提升物体的质量，用 P 表示自重不变的配重，用 r 1 表示升降货物卷筒的半径，r 2 表示升降配重卷筒的半径，若要平衡升降机的系统势能为常量，则必须满足式 Q（t）r 1 =Pr 2（公式 1），虽然 Q（t）为变量，但可采用自动变速机构改变传动比，可实现系统势能为常量。在平衡电梯中，若用Q（t）表示轿厢和水箱自重以及随人数变化载质量，P（t）表示配重和水箱自重（变量），曳引轮与导向轮半径相等用 r 表示。平衡电梯在工作时，当进入轿厢人的质量为 q1，轿厢下水箱里将有 p1 重的水进入配重下水箱。电梯空载时，Q（t）=QP（t）=P，电梯工作时 Q（t）=Q+q1-p1，P（t）=P+p1，将其代入式（公式 1），则可求得轿厢下水箱里水进入配重下水箱的质量。
可以看出由轿厢水箱进入配重水箱水的质量只是人质量的 1/2。现对卷扬驱动机构、曳引驱动机构和平衡升降机或平衡电梯所需要的电机功率进行对比，可以看出平衡升降机或平衡电梯显然要比曳引驱动机构要小。同时还可以发现，卷扬驱动机构系统势能在最大范围内变化，曳引驱动机构系统势能在较小范围内变化，平衡升降机或平衡电梯的系统势能为常量或在最小范围变化。由此可知，当系统势能为常量时，该机构节能效果最为明显。
结语：
持续发展成为我国经济与社会不断进步的重要载体。可持续发展道路能够实现自然、资源、人类等方面的和谐统一。特别是工业生产中融入可持续发展理念将会实现节能减排。针对这种情况要强化机械设计节能效果，明确掌握全面的机械设计节能基本原理，通过掌握理论知识指导工业实践生产，这样能够实现成本投入得到有效的控制，避免资源出现严重浪费，在根本上保护环境。对于构建和谐文明健康的社会具有重要的意义。机械设计节能在社会发展充分发挥巨大作用。保证机电产品消耗得到控制，实现降低输入功率。
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论文作者:李盛勇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/21
标签：机械设计论文; 节能论文; 功率论文; 势能论文; 消耗论文; 机械论文; 机械设备论文; 《建筑学研究前沿》2017年第17期论文;