（机械工程专业论文）绿色设计在阳极搬运车后拖车总布置设计中的应用研究.pdf

，i l 、 ad i s s e r t a t i o ni nm e t a l l u r g ye n g i n e e r i n g g r e e n d e s i g n i nt h ea n o d e t r a n s p o r t a t i o nt r u c k r e a rr a c k d e s i g no f g e n e r a l l a y o u t o ft h e a p p l i e dr e s e a r c h b yl ij i a nz h a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rs o n gg u iq i u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 ，_ j 嘲b t ， ， 独创性声明 素 i 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位做赭躲蜡 日期：冽年z 月，秒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 。或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 导师签名： 答宰日期， ，- ， _ -_j-口， 南 - ，1 l f ， 1 d 吉扩 。 ”1 ：? 葛毒：2 j l + j 专 喘 砟 c 0 婶 j ， ，i 一 litlii；： 莓 h t 东北大学硕士学位论文摘要 绿色设计在阳极搬运车后拖车总布置设计中的应用研究 摘要 阳极搬运车是一种电解铝工艺流程中用于阳极碳块和残极( 使用过的阳极碳块) 搬 运的专用车辆。作为一种专用车辆，由于其具有运输效率高的特点，并且与电解铝工艺 流程匹配，因此该车辆在国内外大型电解铝企业中均有采用。 进入2 1 世纪，人类面临着环境加剧恶化的形势，为了保护环境，绿色产品逐渐成为 世界主要商品市场的主导产品，而绿色设计则也渐渐成为工业生产行为的规范，绿色设 计是人类社会可持续发展的必由之路。设计阳极搬运车这种专用车辆的过程中，采用绿 色设计的理论进行设计，是产品的可持续发展的需要。 探讨了绿色设计的概念和特点，比较了绿色设计与传统设计的关系，并按照产品生 命周期的各个阶段详细论述了绿色设计的主要内容和方法。重点分析了绿色设计中材料 的选择、产品的可拆卸性、产品的虚拟设计和结构设计。 采用了产品虚拟设计中的三维设计技术进行了结构设计，对主要系统之一的液压系 统整个系统采用了绿色设计理论进行设计，对阳极搬运车后拖车的总体参数进行了设计 校核，对车辆的制动系统、后车架轮式行走机构以及整车总体功率分析。 以往设计时采用二维设计，缺乏结构的整体性的认识，对装配上可能出现的干涉检 查非常容易出差错，并且对局部进行设计改动之后，相关部件的改动容易出现遗漏。针 对二维设计中存在的缺陷，在设计过程中采用了三维设计软件一一p r o ew i l e f i r e 2 0 对结 构件的虚拟装配。 应用了分集流阀在液压系统解决了多缸同步举升，该设计对负载的偏载敏感度降低， 具有同步精度高的特点。 制动系统采用了双管路气压驱动液压制动器( 牵引车) + 气压驱动气制动器( 后拖车) 的 一种综合配置形式的制动系统，这也是一种在阳极搬运车上所采用的新型制动系统。采 用了该配置型式的双管路制动系统之后，整车制动系统的安全性和可靠性得到了提高， 对整车的性能提升也有帮助。 关键词：阳极搬运车；后拖车；总布置设计；绿色设计 u 一i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t g r e e n d e s i g ni nt h ea n o d et r a n s p o r t a t i o nt r u c k r e a rr a c k d e s i g no f g e n e r a ll a y o u to ft h e a p p l i e d r e s e a r c h a bs t r a c t t h ea n o d et r a n s p o r t a t i o nt r u c ki sak i n do fs p e c i a lp u r p o s ev e h i c l ei nt h ec r a f tp r o c e s s o fe l e c t r o l y t i ca l u m i n u mt oc a r r yt h ea n o d ec a r b o np i e c ea n dr e m n a n t sp o l e ( o n c eu s eo ft h e a n o d ec a r b o np i e c e ) i th a st h ec o n v e y a n c ee f f i c i e n c yh i g hc h a r a c t e r i s t i c s ， a n dm a t c h e s 诹t h t h ee l e c t r o l y s i sa l u m i n u mc r a f tp r o c e s s ， s ot h a tt h i sk i n do fv e h i c l eh a sa na d o p t i o ni n d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ll a r g ee n t e r p r i s ei ne l e c t r o l y s i sa l u m i n u mt h eb u s i n e s s g e t t i n gi n t o2 1c e n t u r i e s ，t h em a n k i n df a c et h ee n v i r o n m e n ti st u r n i n gw o r s e f o rt h e s a k eo ft h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，t h eg r e e np r o d u c tw i l lb e c o m et h ep r e d o m i n a n tp r o d u c t o fm a i nc o m m o d i t ym a r k e ti nt h ew o r l dg r a d u a l l y ， a n dt h e nt h eg r e e nd e s i g nw i l la l s o b e c o m et h eo p e r a t i v en o r mo fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o ng r a d u a l l y t h eg r e e nd e s i g ni st h eo n l y w a yf o rh u m a ns o c i e t yt od e v e l o ps u s t a i n a b i l i t y a d o p t i n gt h eg r e e nd e s i g nt h e o r i e si nt h e p r o c e s so fd e s i g n i n ga n o d et r a n s p o r t a t i o nt r u c ki st h ed e m a n do ft h ep r o d u c t ss u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t t h i st h e s i se x p l o r et h ec o n c e p t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fg r e e nd e s i g n ， c o m p a r et h eg r e e n d e s i g n 、析t l lt h et r a d i t i o n a ld e s i g n ， a n dd i s c u s st h em a i nc o n t e n t sa n dm e t h o d so fg r e e nd e s i g n i nd e t a i la c c o r d i n gt oe a c hs t a g eo ft h ep r o d u c t sl i f ec y c l e o fa l l ，t h i st h e s i sm a i n l ya n a l y z e s i ng r e e nd e s i g nt h em a t e r i a ls e l e c t i o n ，p r o d u c t sd e t a c h a b i l i t y ，t h ev i r t u a ld e s i g na n dt h e s t r u c t u r ed e s i g n a d o p t e dt h e3 dd e s i g nt e c h n i q u eo f p r o d u c tv i r t u a ld e s i g no ns t r u c t u r ed e s i g n ，a d o p t e d t h eg r e e nd e s i g nt h e o r i e so nt h ed e s i g n i n go fo n ep r i m a r ys y s t e m ，h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m c h e c k e dt h et o t a ld e s i g np a r a m e t e ro ft h ea n o d et r a n s p o r t a t i o nt r u c kt r a i l e r s a n a l y z e dt h e b r a k es y s t e m ，a f t e rw h e e l e dw a l k i n gf r a m ea g e n c i e sa n dt h et o t a lp o w e ro ft h ew h o l ec a r i tl a c k e di n t e g r a lu n d e r s t a n d i n go fs t r u c t u r a lw h e nt h et w od i m e n s i o n a ld e s i g ni sa d o p t e d b e f o r e t h ei n t e r f e r ei n s p e c t i o nw h i c hp o s s i b l ya p p e a ri na s s e m b l yi se a s yt om a k eam i s t a k e o t h e r w i s e ，i ti se a s yt oa p p e a rl e a ki nm o d i f y i n gr e l a t i v eu n i t sa f t e rc h a n g i n gp a r t i a ld e s i g n s o ， a i ma tt h ee x i s t e n td e f e c to f t w o - d i m e n s i o n a ld e s i g n ，i ta d o p t st h e3 dd e s i g ns o f t w a r e p r o ew i l d f i r e2 0d u r i n g v i r t u a la s s e m b l yo fs t r u c t u r ep i e c e s i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a p p l i c a t i o no ft h ed i v e r s i t yf l o wv a l v ei n t h eh y d r a u l i cs y s t e mo fm u l t i - c y l i n d e r s y n c h r o n o u sl i f t i n gr e s o l v e d ，t h ed e s i g no ft h ep a r t i a ll o a dc o n t a i n e dl o w e rs e n s i t i v i t yw i t h l i g hp r e c i s i o ns y n c h r o n i z a t i o nf e a t u r e s t h eb r a k e s y s t e ma d o p t sak i n do fb r a k es y s t e mw h i c hi n t e g r a t e st h ed o u b l et u b e a i r - a s s i s t e dh y d r a u l i cb r a k e ( t r a c t o r ) w i t ht h ea i rp m s s u r ed r i v eb r a k et r a i l e r st h i si sa n e w - s t y l eb r a k ew h i c hi sa d o p t e di nt h ea n o d et r a n s p o r t a t i o nt r u c k c o n f i g u r a t i o nu s i n gt h e d u a l - p i p et y p eb r a k es y s t e m ，v e h i c l eb r a k i n gs y s t e mo fs e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yh a v eb e e n i m p r o v e d ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h ev e h i c l eu p g r a d ea l s oh e l p e d k e yw o r d s ：a n o d e ；t r a n s p o r t a t i o n t r u c k ；g e n e r a lc o n f i g u r a t i o nd e s i g n ；g r e e nd e s i g n i v _灌*1 ? i 。 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创性声明i 摘要 a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 概j ；苤1 1 1 1 环境保护与绿色设计。1 1 1 2 采用绿色设计理论的背景。2 1 1 3 国内外绿色设计的研究现状2 1 2 国内外阳极搬运车发展动态3 1 2 1 国内阳极搬运车发展动态。3 1 2 2 国内阳极搬运车的发展动态3 1 3 阳极搬运车后车架总布置设计现状与存在的问题。5 1 3 1 后车架总布置设计现状5 1 3 2 叉架举升机构的结构形式的选择问题。5 1 3 3 叉架举升机构的同步性的解决方案5 1 4 课题研究的意义与课题的主要内容。5 1 4 1 课题研究的意义5 1 4 2 课题研究的主要内容。6 1 5 本章小节6 第2 章绿色设计理论7 2 1 绿色设计的概念。7 2 1 1 绿色设计与传统设计的比较。7 2 1 2 绿色设计的特点8 2 2 绿色设计研究的内容9 2 2 1 绿色材料及其选择，9 2 2 2 面向维修的设计1 0 2 2 3 产品的虚拟设计1 0 2 2 4 绿色产品结构设计1 1 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 2 5 液压系统的节能设计1 2 2 2 6 零部件的长寿命设计1 2 2 3 本章小节1 2 第3 章总体参数的设计与校核1 3 3 1 对新型阳极搬运车后拖车总体性能要求1 3 3 1 1 承载重量1 3 3 1 2 阳极托盘尺寸1 3 3 1 3 最小转弯半径1 3 3 1 4 最大车辆宽度1 4 3 2 总布置草图的绘制1 4 3 3 主要性能参数的校核1 6 3 3 1 比功率1 6 3 3 2 阳极搬运车转弯半径的确定1 6 3 3 3 阳极搬运车倾覆的极限速度1 7 3 3 4 阳极搬运车开始横向打滑的极限速度1 8 3 4 阳极搬运车的功率分析18 3 4 1 克服各种阻力所需的功率校核1 8 3 4 2 阳极搬运车行驶时的功率平衡2 0 3 5 本章小节2 l 第4 章后拖车车身结构件的三维设计2 3 4 1 车架总成结构总体结构介绍2 3 4 1 1 边梁( 主梁) 2 3 4 1 2 横梁2 4 4 1 3 翻盖2 4 4 1 4 叉架( 货叉) 2 5 4 1 5 滑动小车与滚轮机构2 5 4 1 6 其他辅助结构2 6 4 2 后车架金属结构的设计2 7 4 2 1 边梁( 主梁) 局部设计2 7 4 2 2 横梁的设计2 7 4 2 3 轨道及支撑设计2 7 v i 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 中国铝业贵州分公司汽车公司作为中国铝业股份有限公司唯一具备自主研发电解铝 专用车辆的单位，从1 9 9 9 年成功研制第一台华光牌阳极搬运车以来，先后完成了电解铝 保持炉专用扒渣车、铝水抬包车、高空作业车、阳极叉车、再生电解质粉罐车等铝冶炼 行业专用车辆的研制，目前正在进行双后桥的阳极搬运车拖车部分的研发。 阳极搬运车作为电解铝冶炼行业的一种专用运输搬运车，主要功能是用于将电解铝 冶炼所需的主要原料之阳极碳块运输至电解槽工位，同时将使用过的阳极碳块( 残 机) 运输回阳极搬运车间，该车具备自装自卸阳极托盘的功能，一台设备一个操作人员就 可以完成装、运、卸三个工序的任务，工效较高，属于电解铝工艺流程专用运输设备。 1 1 1 环境保护与绿色设计 据国家环保总局公布的2 0 0 6 年中国环境状况公报的数据显示，2 0 0 6 年，全国 工业固体废物产生量1 5 2 0 亿吨，比上年增加1 3 1 ；工业固体废物排放量为1 3 0 3 万吨， 比上年减少2 1 3 。工业固体废物综合利用量为9 2 6 亿吨。据统计，造成环境污染的排 放物有7 0 以上来自制造业。【1 1 我国经济在高速发展的过程中，环境污染带来和资源短 缺的压力逐渐增大，随着2 0 0 7 年1 2 月3 - - 1 4 日在印度尼西亚巴厘岛召开的联合国气候 变化会议的召开，全球对环境的关注度进一步提高。绿色产品设计思想正是在当前针对 环境日益恶化而提出的一种新的产品设计理念，其核心思想是为了社会的可持续性发展， 在产品设计阶段，便应考虑如何使设计的产品，在设计、生产、流通、使用、维修、报 废回收、再生利用的各个阶段中的资源利用，减少对环境的污染。 据有关统计资料报道，目前世界上每消费1 t 产品，在整个产品的生命周期内，要给 环境增加8 t 负担。因此为了节约资源和防止污染，目前采用较多的两个策略是：“源头 预防和“末端治理，所谓的“源头预防”，是指在产品设计阶段，便从产品全生命 周期的角度去预防滥用资源和产生污染。而所谓的“末端治理 ，则是指在产品生命周 期终止后，对其进行回收、拆卸、重用、焚烧和掩埋。目前，我国对“末端治理 治理 的力度逐渐加大，2 0 0 6 年，全国环境污染治理投资为2 5 6 7 8 亿元，比上年增长7 5 ， 占当年g d p 的1 2 3 ，达到历史新高。其中，工业污染源污染治理投资4 8 5 7 亿元，比 上年增长6 0 ；建设项目“三同时”环保投资7 6 7 2 亿元，比上年增加1 9 1 ；城市环境 基础设施建设投资1 3 1 4 9 亿元，比上年增长1 9 。但与此同时也需要将“源头预防 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 策略积极推进，使“源头预防和“末端治理 两个策略应用形成相辅相成的局面。采 用“源头预防 策略，也就是采用“绿色设计 方法去设计产品，使产品的全生命周期 对环境有一个友好性。 1 1 2 采用绿色设计理论的背景 目前绿色设计已经成为现代设计方法之一，采用绿色设计方法设计的绿色产品，正 逐步成为市场准入的门槛，而绿色设计也将成为制造业的行业规范。我国现在已经成为 “世界的制造工厂 ，但是也存在“出口了产品，留下了污染”的状况，我国的环境压 力在逐渐增大，许多企业仍然在走粗放型老路子，即“高投入、高消耗、高污染 的发 展模式，对产品在制造、使用、报废过程中对环境的污染不够重视。中国铝业公司从2 0 0 5 年开始发布可持续发展报告，认真履行中央骨干企业的社会责任。中国铝业贵州分公司 作为其下属的国有大型铝冶金企业，在环境治理上给予了充分地重视，提出了“天蓝、 地绿、人和、业兴 的企业发展目标，并且已经实现了工业污水零排放的目标。 阳极搬运车作为电解铝工业专用车辆，该产品在我公司经过近1 0 年的发展，已经在 国内、国外电解铝行业得到较为广泛地使用。如今，随着产品换代的需要，开始进行新 型阳极搬运车后车架的研制开发，以往该车型采用了传统的设计方法，在设计过程中对 产品的环境友好性没有采用现代的设计方法进行设计，在目前对环境保护的呼声日益增 长的大背景下，作为国内大型企业应承担的社会责任，在新开发的产品中，采用绿色设 计方法进行设计。 1 1 3 国内外绿色设计的研究现状 国外许多国家和研究机构对绿色设计进行了深入的研究。国内外专家学者普遍认为 产品的绿色性是设计出来，不是制造出来。为此，国内外众多研究机构( m i t 、斯坦福、 卡内基梅隆等) 、企业0 3 e n z 、m o t o r o l a 、v o l v o 、i b m 等) 和组织( c i v v 、a s m e 、i s o 等) 都投入大量的人力、物力和财力进行相关研究，并取得了一定的成绩。 在国内，绿色设计的研究和应用已经得到各方面的广泛重视，也取得了阶段性的成 果。在国家自然科学基金、“8 6 3 、c i m s 主题等研究项目中，与绿色设计有关的内容 不断增加：研究单位也不断增多，目前已有合肥工业大学、清华大学、重庆大学、华中理 工大学、上海交通大学等科研院所在从事这方面的研究工作。合肥工业大学的刘光复教 授出版了绿色设计，绿色设计与绿色制造等书；由清华大学、上海交通大学、 合肥工业大学和机械科学研究院联合承担，国家自然科学基金的重点项目机电产品绿 色设计理论及方法也已经顺利完成【2 j 。 2 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 国内外阳极搬运车发展动态 1 2 1 国内阳极搬运车发展动态 国外铝工业专用阳极搬运车在车辆结构设计上具有强度高、重量轻和承载量大的特 点，生产厂家主要有荷兰的h e n c o n 公司、意大利的t e c h m o 公司、南非的一家公司和日 本神钢株式会社。发展动态主要朝大型化和操作舒适性方向发展。最大的阳极搬运车已 能够一次装载重量达到1 5 吨。从车辆的灵活性和在厂房内通道尺寸受限制等因素考虑， 均采用铰接车架，并且有些厂家的阳极搬运车牵引机头的驾驶室具有3 6 0 度旋转功能， 可以在卸货时正向操作。日本神钢株式会社的产品采用了较先进的制动方式，即利用液 压泵的动力作为液压制动的动力进行制动，前车架采用边梁式车架，后车架采用的箱形 框架“门 式结构。国外其它公司的同类产品后车架基本都采用箱形框架“门 式结构。 图1 1 是国外相关厂家的阳极搬运车的图片资料： 1 2 2 国内阳极搬运车的发展动态 1 9 9 8 年中国铝业贵州分公司汽车公司根据上级的安排布置，开始进行阳极搬运车的 开发，1 9 9 9 年4 月第一台自主开发的华光牌阳极搬运车在中国铝业贵州分公司汽车公司 ( 原贵州铝厂汽车公司) 成功研制；2 0 0 1 年第二代阳极搬运车成功研制。2 0 0 0 年大连叉车 厂在我公司华光牌阳极搬运车的基础之上开始研制阳极搬运车，2 0 0 4 年之后合肥叉车厂 和沈阳汇丰机械厂亦开始研制阳极搬运车。但以上这些厂家的产品的总体思路是牵引车 加拖挂拖车的模式，牵引车基本采用叉车车架进行改装，拖车部分采用箱形框架结构， 从实际运行效果来看在车架强度和操纵灵活性等指标有所缺陷 3 1 。 我们公司的产品采用了铰接车架的结构，前面的牵引部分采用箱形框架结构和后部 的拖车部分采用箱形框架结构，它具有强度高、布置方便等结构上的优势，得到了行业 用户的青睐，目前国内、国外均有用户使用我们的华光牌阳极搬运车，在行业内具有一 定的市场占有率。但是由于国内目前绝大多数的阳极搬运车承载吨位在5 5 - - + 7 5 吨之间， 随着大型电解槽的应用，对阳极碳块的用量和单块阳极碳块的重量均在往上升，以往的 5 5 - 7 5 吨的阳极搬运车在使用效率上和承载重量上均有所限制，这就提出大吨位阳极 搬运车的实际需求。对框架式结构提出承载量增大，重量增加不能过多的设计要求。 图1 2 是中国铝业贵州分公司汽车公司研制的华光牌h g i i 型阳极搬运车；图1 3 分别是国内其他厂家的阳极搬运车。 3 图1 1 国外阳极搬运车 f i g 1 1a n o d et r a n s p o r t a t i o nf o r e i g nt r u c k 图1 2 华光牌h g i i 型阳极搬运车 f i g 1 2h u a g u a n g h g - i ia n o d et r a n s p o r t a t i o nt r a c k 籀缀远瓣率鳍形圈( 拖拉执动力翌) 图1 3 国内其他厂家的阳极搬运车 f i g 1 3o t h e rd o m e s t i cc a rm a n u f a c t u r e r sa n o d et r a n s p o r t a t i o nt r u c k 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 阳极搬运车后车架总布置设计现状与存在的问题 1 3 1 后车架总布置设计现状 由于阳极搬运车属于电解铝工艺过程中的专用运输车辆，应用范围较为专业和狭窄， 国内专用车辆和工艺车辆的厂家涉及很少，对这方面的投入也较少，均采用传统的经验 设计或直接沿用装载机、叉车的设计来进行阳极搬运车后车架的总布置。但是，从产品 在电解铝企业应用的效果来看，适用性和可靠性均存在一定的问题。阳极搬运车作为一 种专业化产品，随着电解铝行业的快速发展，需求增加，后车架作为其重要的组成部分， 在总布置设计上也必须给予重视，从而提升阳极搬运车的品质。 1 3 2 叉架举升机构的结构形式的选择问题 在现有的阳极搬运车的叉架上，大多采用了机械式同步系统，结构形式为四连杆摇 臂机构，具有结构简单、可靠性较高等优点。但是随着用户对运能增加的需求不断提升， 但是原有及现有厂房设计上从成本考虑，对运输通道不能再过大的增宽，而原有的四连 杆摇臂机构若运输六块三组阳极碳块，必须增长较多的车身长度，同时由于四连杆摇臂 机构结构的特点，在车身长度和宽度尺寸上需预留一部分摇臂运动空间，造成了车身尺 寸结构的庞大，影响了在厂房内运行的通过性和灵活性。因此，我们根据以上工况，提 出了采用液压缸垂直举升的方式来解决尺寸布置上存在的问题，但是该方案也存在结构 形式较四连杆摇臂机构方案复杂的不利因素，综合考虑多方面的有利和不利因素进行比 较，最终选择了采用4 根液压缸垂直举升的方案【5 1 。 1 3 3 叉架举升机构的同步性的解决方案 采用了4 根液压缸垂直举升的方案，其中带来一个液压系统同步举升的解决问题。 在前期，采用叉架自身的结构刚性来保证举升同步的问题，但经过现场验证，同时由于 叉架结构刚性由于车身减重的需要，刚性较弱，因此通过查阅相关技术资料和向有关厂 家进行咨询，提出了液压同步方案结合叉架自身刚性来实现叉架举升机构的同步举升问 题。 1 4 课题研究的意义与课题的主要内容 1 4 1 课题研究的意义 在目前国内企业对质量、效益和安全比较重视，但是对绿色设计在产品研制过程中 的应用还没有得到与质量、效益和安全同等高度的重视，由于绿色设计理论的历史较短， 一5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 缺乏广泛的绿色产品实例。本人所在企业一中国铝业股份有限公司贵州分公司是国有大 型控股企业，理应承担更多的社会责任，阳极搬运车作为企业的产品之一，对产品不仅 要有性能、质量和成本指标，也应将产品对环境的影响一并考虑。2 0 0 6 年公司提出开发 新型阳极搬运车后拖车，本人作为企业中的设计人员，从1 9 9 8 年第一台阳极搬运车的试 制就开始参与设计，如今也有责任采用较新的设计方法和理论进行产品的设计，研制出 环境友好型的产品。还有非常重要的一点必须贯穿整个设计的始终，那就是“绿色产品” 的思想【1 1 。 在产品的设计阶段即考虑其贯穿整个生命周期的环境影响，对于以具有成本效益的 1 方式推动环境改善具有很大潜力。应有足够的灵活性，在考虑技术、功能和经济因素的 同时，使这一因素能够融入产品设计中。具体设计方案的选择，应在各种环境因素之间、 环境因素与其他考虑之间达到合理的平衡，诸如安全性与健康、对功能、质量和性能的 技术要求，以及包括制造成本和可销售性在内的经济因素。 它主要是令设计人员在设计产品时考虑从选材、加工、装配到拆卸回收再利用这一 产品的整个生命周期内对环境的负担最小，同时必须保证产品的性能不会因此降低，这 对于资源能量的节约、环境的保护、可持续发展的实现有着不可替代的作用。这就要求 设计者树立面向生命周期而设计、面向拆卸而设计和面向回收再利用而设计的思想。 在新产品试制阶段，采用一些先进的设计方法，一方面可以节省资源、能源，一方 面也可以减少在产品试制阶段对环境的影响。 1 4 2 课题研究的主要内容 本文的主要内容有： ( 1 ) 绿色设计理论 ( 2 ) 总体参数设计 ( 3 ) 车架结构的三维设计 ( 4 ) 断开式单轮双后支撑桥与轮胎的选型设计 ( 5 ) 制动系统的设计 ( 6 ) 液压系统的绿色设计 1 5 本章小节 本章介绍了课题的研究背景和课题的来源，阐述了国内外有关绿色设计理论研究发 展的动态，讨论了课题开题的意义，明确了课题主要研究内容。同时，介绍了阳极搬运 车这种铝工业专用车辆的国内外主要厂家的产品，以及阳极搬运车后车架总布置设计中 存在的问题。 6 一 东北大学硕士学位论文 第2 章绿色设计理论 第2 章绿色设计理论 ， 2 1 绿色设计的概念 绿色设计( g d ：g r e e nd e s i g n ) ，也称为生态设计( e d ：e c o l o g i c a ld e s i g n ) 、环境设计( d f e ： d e s i g nf o re n v i r o n m e n t ) 、生命周期设计( l c d ：l i f ec y c l ed e s i g n ) ，在产品整个生命周期内， 着重考虑产品环境属性( 能耗低、污染小、可拆卸回收、可重复利用性等) ，并将其作为 设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等。绿 色设计不同于传统设计，绿色设计包含产品从概念形成到生产制造、使乃至废弃后的回 收、重用及处理处置的各个阶段，即涉及产品整个生命周期，是从摇篮到再现的过程。 也就是说，要从根本上防止环境污染，节约资源和能源，首先决定于设计，要在设计过 程中考虑到产品及工艺对环境产生的负作用，并将其控制在最小范围之内或最终消除， 这就是绿色设计的基本思想【l 】。绿色设计是这样一种设计，即在产品整个生命周期内， 着重考虑产品环境属性( 自然资源的利用、环境影响及可拆卸性、可回收性、可重复利用 性等) ，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，并行地考虑并保证产品应 有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等【3 j 。 2 1 1 绿色设计与传统设计的比较 传统的产品设计是以功能经济性为主要指标的设计，设计过程中仅考虑产品的基 本属性( 功能质量、寿命、成本) ，很少或根本没有考虑资源的再生利用以及产品生 命周期全过程对生态环境的影响。这样设计生产制造出来的产品，在其使用寿命结束后 回收利用率低，资源、能源浪费严重，特别是其中的有毒有害物质，会严重污染生态环 境，影响生产发展的持续性【4 j 。 绿色设计的思想是试图在产品的整个寿命周期过程中持续地运用一体化的、预防性 的环境保护战路，以期达到优化应用资源和能源、最小化环境污染、保护劳动者身心健 康，最终实现经济、环境和人类社会三者协调地可持续发展的目的。产品的绿色概念已 经受到人们的日益关注和重视，在各设计制造领域得到了较好的应用，是现代产品设计 与制造的一种发展趋势1 5 j 。 表2 1 是对绿色设计与传统设计的比较。从表2 1 绿色设计与传统设计的比较中可知， 传统产品设计，通常主要考虑的是产品的基本属性，如功能、质量、寿命、成本等，而 很少考虑环境属性，在使用寿命结束后，回收利用率低，资源、能源浪费严重，会严重 污染生态环境；绿色设计则要求在设计产品时必须按环境保护的指标选用合理的原材料、 7 东北大学硕士学位论文 第2 章绿色设计理论 结构和工艺，在制造和使用过程中降低能耗，不产生毒副作用及有利于拆卸和回收，回 收的材料可用于再生产，对无回收价值的产品进行无害化处理，以致不污染或少污染环 境 3 】。绿色设计与传统设计的根本区别在于，绿色设计要求设计人员在设计构思阶段， 就要把降低能耗、易于拆卸、再生利用和保护生态环境与保证产品的性能、质量、寿命、 成本要求列为同等的设计目标，并保证在生产过程中能够顺利实施。绿色设计是生产绿 色产品的保障，在实施绿色制造过程中，绿色设计是关键。研究表明：产品性能的7 0 一8 0 是由设计阶段决定的，而设计本身的成本仅为产品总成本的1 0 ，如果考虑环境 因素，产品设计所造成的生态和环境破坏程度远远大于由设计过程本身所造成的对生态 和环境的影响程度。因此，只有在设计阶段按照绿色产品的特点进行规划、设计，即进 行绿色产品设计，才能保证产品最终的绿色特性 6 1 。 表2 1 绿色设计与传统设计的比较 t a b l e2 1g r e e nd e s i g nc o m p a r i s o nw i t ht h et r a d i t i o n a ld e s i g n 2 1 2 绿色设计的特点 由绿色设计的定义可以看出，绿色设计的主要特点包括以下几个方面： ( 1 ) 扩大了产品的生命周期传统的产品生命周期是从产品的生产到废弃为止，或称为 “从摇篮到坟墓”的过程，是串行设计过程；而绿色设计将产品的生命周期延伸到产品 使用结束后的回收重用及处理处置，也即“从摇篮到再现 的过程，是并行闭环设计。 ( 2 ) 绿色设计从源头上减少了废弃物的产生，有利于保护环境，维护生态系统平衡。 ( 3 ) 绿色设计可以防止地球上矿物资源财富的枯竭由于绿色设计产品材料得到充分 有效地利用，在产品的整个生命周期中能耗最小，而减少了对材料资源及能源的需求， 保护了地球的矿物资源1 7 。 8 东北大学硕士学位论文 第2 章绿色设计理论 ( 4 ) 绿色设计将减少废弃物的数量及其处理的辣手问题，避免通常垃圾处理采用的填 埋、焚烧法所造成的二次污染1 1 。 2 2 绿色设计研究的内容 本文重点研究的绿色设计理论内容包括：绿色材料及其选择、面向维修的设计、虚拟 设计、节能设计、长寿命设计、结构合理性设计等。 2 2 1 绿色材料及其选择 2 2 1 1 绿色材料的概念 绿色材料( g r e e nm a t e r i a l s ：c m ) ，又称环境协调性材料( e n v i r o n m e n t a lc o n s c i o u s m a t e r i a l s ：e c m ) 或生态材料( e c o m a t e r i a l s ) ，是指那些具有好使用性能或功能，并对资源 和能源消耗少，对生态与环境污染小，利于人类健康，再生利用率高或可降解循环利用， 在制备、使用、废直至再生循环利用的整个过程中，与环境协调共存的一大类材料【l 】。 绿色材料是绿色设计的基础，绿色材料对绿色产品的绿色程度有重要作用因此，绿 色设计的材料选择必须建立在绿色材料的基础之上。绿色材料不仅包括直接具有净化环 境、修复等功能的高新技术材料的开发，也包括对使用量大而面广的传统材料及其产品 的改造。过去片面追求高性能和高附加值的设计思想，导致了材料大量生产大量使用和 大量废弃的生产方式。随着产品对环境性能要求的不断提高，传统产品设计中材料选择 有明显不足之处。主要表现在： ( 1 ) 所用材料种类繁多； ( 2 ) 选材很少考虑材料的加工过程及其环境的影响； ( 3 ) 所用材料很少考虑报废后的回收处理问题； ( 4 ) 没有考虑所用材料本身的生产过程。 由此可见，传统的材料选择方法已不能适应绿色产品及绿色设计要求，必须从更广 泛的角度考虑材料的选择，不仅应考虑基本性能要求应着重考虑材料的环境属性。环境 材料应具备先进性、环境协调性和舒适性的特点。环境材料所求的不仅仅是优异的使用 性能，而且在材料的制造、使用、废弃直到再生的整个寿命周期中，必须具备与生态环 境的协调共存性和舒适性。因此，从材料的设计阶段就要考虑到材料的再生循环利用， 从根本上解决资源日益短缺、大量废弃物造成生态环境日益恶化等问题1 8 1 。 。 2 2 1 2 绿色材料选择原则 绿色产品设计首先应要求构成产品的材料具有绿色特性，具体来说， 在材料选择时，应符合以下要求： ( 1 ) 具有良好的使用性能，结构材料的种类尽可能少，减少材料管理难度。 ( 2 ) 所用材料应是低能耗、低成本、少污染的材料，并且容易在市场上采购，降低采 9 东北大学硕士学位论文第2 章绿色设计理论 购成本。 ( 3 ) 尽量不用或少用短缺的或能耗大的原材料，多用废料或再生环保材料作为原