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1.1機械設計節能的背景
我國在1972年就提出了“可持續發展”的戰略，注重經濟增長處于長期發展的模式中，但是由于這一時期，我國還沒有開始改革開放，經濟發展和社會效益比較落后，工業化發展比較落后，國家的生態環境還比較好，但是在1978年，改革開放之后，國家在初期一直大力發展重工業，為了提高經濟效益的發展，對我國的資源和能源進行過度開采，導致我國的環境破壞現象越來越嚴重。因此，我國在2003年提出“科學發展觀”的政策，促進人與自然和諧發展，合理有效的保護生態環境，增強生態資源和能源的使用效率，減少工業廢水和污染物的排放，是我國發展的當務之急。機器設備的能源消耗和尾氣排放是我國環境污染和破壞的重要原因之一，為了對環境進行合理有效的保護和治理，就需要開展節能減排促使，進行機械設計節能的開展，對環境進行有效的治理，提高經濟效益。
1.2機械設計節能的基本原理
機械設計是按照使用要求對機械的工作原理、組成部分、運行模式、能量傳送、各部件的形態等進行規劃、分析、研究和計算，以及將其從理論的規劃轉變為實際制作基礎的工作流程。機械設計是機械工程主要的構成成分，也是決定機械效能的重要因素。為了減少機械類機器對環境的污染和破壞，就需要開展機械設計節能，其基本原理為：對實際機械體系的效能、動力能量、運行的使用效力以及機械體系的耗能速率等進行整合，然后運用相關的數學函數進行分析計算，通過一系列的設計計算和合理分析最終有效歸納合成，形成機械設計節能的工作原理，減少能源的消耗，促進可持續發展政策的進行。
2機械設計節能基本原理的應用
開展機械設計節能，對于環境保護而言，有非常重要的作用。在機械設計節能中，為了減少能源的浪費，就需要對動力效能進行深入研究，包括：機械體系的動力勢能、機械運行時效以及運行速率等進行調整，增強機械使用的時效性和有效性，在一定程度上降低機械使用能源的功率，優化機械體系動力勢能的變化速率和實際機械運行功率相結合，為了實現有效的節能減排，將機械體系中的動力勢能用多個周期函數進行表示，合理計算動能的結合，從而提高機械的使用效率，以及降低機械的能源消耗，從而起到保護環境的目的。由于機械設計節能基本原理，能夠有效的減少能源的消耗，因此，機械設計節能基本原理被廣泛的應用在實際生活和發展中，由于機械設計節能的基本原理是利用質點系動能定理所研究出來的，質點系動能定理即在靜止參考系中，系統由多個質點組成，對每一質點用動能定理，然后求和后得到質點組動能定理，，即質點組動能的變化等于質點組受的外力和內力做功之和（動能定理），也被稱為系統動能定理。因此機械設計節能的實用性和有效性也非常明顯。
2.1將機械設計節能原理應用在升降機械的設計中
升降機械是利用也太壓力容器或者鏈條促使升降設備進行移動，主要進行高空作業或者高空維修。由于升降設備主要是進行高空作業，就需要很大的動力能量才能將設備送至一定的高度，進行實際施工作，因此，升降機械的能源消耗量是比較大的，就需要對其進行改進。從升降機械實際工作的流程中，可以發現其在升降這一環節中消耗的能源比較大，產生的功率比較高，由此，將機械設計節能的工作原理應用在升降機械設計中，依據電梯的設計標準進行合理的機構優化和設計，降低升降機械的耗能量，升降物品的質量。將機械設計節能基本原理應用在升降機械設計中，能夠有效地降低升降過程中的能源消耗和浪費。
2.2將機械設計節能基本原理應用在機械加工設備的設計中
機械加工是指一種機械設備對需要加工對象實現外觀形狀或者實際效能方面改變的流程，在實際生活中，很多的日常設備都是經過機械加工形成的，比如：衣柜、電腦桌等。由于現在生產經營講究效率和質量，一直采用電腦自動機械化進行生產，因此，在進行機械加工設備中，就避免不了使用沖壓、焊接等機器，就利用焊接工具而言，對加工對象進行加工按照圖紙改造時，需要電力給予支持，勢必會在整個加工流程中，浪費一定的能源。
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 01. 054
[中圖分類號] F273 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2017）01- 0091- 01
0 引 言
環境與經濟從來都是群眾重點關注的問題，特別是在社會經濟快速發展的今天，人們對環境和資源保護逐漸重視起來，人們逐步發現，正確處理經濟與資源環境的關系，對社會的穩定發展和進步有著重要作用。其中，節能減排是促進社會可持續發展的基本要求之一，機械設計應該遵循節能減排，促進社會發展。
1 機械設計節能基本理論
在機械設計中，機械設計人員對機械改革結構的組成形式進行優化，以降低能源損耗為目的，努力達到節能指標要求。在此過程中，機械設計人員努力將各個零件設施的配合優化為最理想模式，減輕機械使用間的磨損，延長機械設備使用手柄，進一步達到節能需求。此外，機械設計人員，在設計時，借助機械制圖軟件優化機械結構，同時利用一系列的公式計算，對機械使用后的節能指標進行計算分析，將大部分能源提供到機械設備運行階段，將個零件受力形式進行科學安排，進一步將科學節能落到實處。
2 導致機械設計產生能源浪費的主要原因
（1）節能理念欠缺。受到傳統機械設計觀念的影響，大部分機械設計人員還是以提高機械設備生產力為主要目的，因此，設計人員在進行機械設備設計的過程中，首先主要考慮如何提高機械設備的運轉速度和承載量，其次也是對機械設備的運行穩定性和可靠性進行考慮，對機械設備的節能設計考慮少之又少，有些設計人員甚至直接忽略了機械設備的節能性能。甚至，為了提高機械的生產力，有些設計人員枉顧設計的節能性能，反而將設計能耗提高，這對于社會的發展和進步有著消極作用。
（2）專業水平不高。由于大部分機械設計工作有專門設計人員進行操作，如果設計人員在只是理論方面故步自封，不愿與更隨時代的發展，與時俱進，與先進的設計方式和設計理念相脫節，甚至抵觸新的設計知識，導致機械設計滯后，無法實現節能。另外，還有很多設計人員忙于設計工作，沒有對設備的使用情況進行深入了解，導致設計理論與實踐相脫節，所設計出的機械設備無法與實際使用相符合，造成了大量的資源浪費。
（3）設計水平過低。由于受到現有技術水平的限制，有很多設計思想無法實現，及時進行勉強實現設計思想，也會造成機械設計成本增加，因此，受限于經濟效益，大部分機械制造商并不會完全按照設計要求進行節能技術的引用。這就導致節能技術和節能理念只停留于表面，并沒有真正的落到實處。
3 做好機械設計節能工作的措施
仿生學原理，可以使用到很多的領域和行業。對于現在的科技成果來說，我們的仿生學也得到了很大的發展，也在很多的實際領域上取得很大的成績，其研究的成果也是接踵而至。在于機械設計上，它的實際效果和設計理念也是表現得很明顯的，其作用在機械設計上將會極大的強化機械的實際操作性，對于機械的研發改革是有很大的指導意義的。
1 機械設計的仿生的實際定義
機械仿生設計是以設計者的創造力為基礎的，在相關技術和經驗的根據下，使用現代化的仿生學原理激發想象，將獨具一格的機械構造創造出來的一種實踐活動。其要求我們要站在以前的經驗和技術至上，不斷突破就得思路，結合計算機設計，優化設計，相關的性能設計于一身，形成現代化的機械設計體系，最后以仿生學理論為激發點去展開機械的設計。這是一項創新活動，也是一項全新的設計領域，值得我們去深刻的探討。
2 機械仿生設計關注的角度
2.1 機械功能結構中的仿生設計角度
機械功能結構的仿生設計，是整個設計過程的中心內容，這是有前提的，那就是對于生物機體的構造充分的熟悉，這有這樣的才可以將生物身上的功能性優勢展現在機械身上去，這兩者的結合是和不容易的。我們知道自然界的生物是歷經種種修煉和磨合，使得可以很好的適應自然環境，以實現自身的不斷發展和進化，在這樣的過程中無論是自己的形態，還是其結構都發生了很大的變化，這就是適應自然的結果。我們就是要利用生物身上這樣的優勢結構，將其使用到我們的器械的設計理念里。
2.2 機械運動性的仿生設計角度
對于機械的運行性能的研究就要關注與對于仿生學的運動技能展開深入的研究，要想充分的了解動物的運動機制，我們就要從多方面的內容著手，無論是其形態組成，還是其功能實現都要進行仔細的研究，確保形成全面的研究體系。在運動性上，我們關注的對象是仿生機器人的設計。社會的發展是沒有辦法阻擋的，機器人的使用也會漸漸的蔓延，在我們的生活，學習中將會扮演著很重要的角色。我們僅僅關注一些有著運動性的機械設計， 比如杯狀飲料機械的手的設計，使用的是雙曲結構，可以保證收到靈活性，可以滿足現實的種種需要。還有就是生物肌肉的反應幾乎是很我們的實際的肌肉的反應速度是一樣的，這就是對于其運動性的充分利用。
2.3 機械材料選擇的仿生角度
在仿生種類中還有一種仿生，其應用的范圍十分的廣泛，無論是生物的組成，還是其結構流程，都可以很準確的把握，并且以此來開展材料的設計，這就是為了更好的使用機械。天然材料的結果組織，微型纖維的研究，有利于我們開展復合材料的設計，這樣的話以高仿生材料來代替本身有著缺陷的材料，這對于機械來說可以極大的強化其使用的價值，將最好的仿生材料應用的這樣的環境是很有利于我們的機械設計的。
2.4 機械控制性能上的仿生學角度
現代機器系統很多的都是采用機電合一的，是為了保證對于機械的智能控制，這是未來機械的發展趨勢也是現在的機械不斷發展的動力源泉。為了實現對于機械的控制更加的人性化和智能化，就會對于生物的控制展開研究，這樣的話就會不斷的增加我們在機械控制能力上的嘗試，比如智能機器人的有效控制，在于農業方面表現的更加的明顯。比如日本和美國都在農業領域展開智能化操作，其操作的主體就是對于機械控制性能上的仿生原理的使用，其在與定位，在于導航方面都是有很大的指導性的，可以確保農業生產的均勻化作業，精準化操作。
3 機械仿生設計的未來發展方向
3.1 機械仿生設計的理念不斷深入和發展
首先，機械仿生設計其領域越來越廣泛，所能夠設計的方面也是日漸豐富，無論是概念上，內容上，還是目的上都有著很大的發展趨勢。比如工程方面的仿生學，生命方面的仿生學，生物方面上的仿生學，結構方面的仿生學等等，這些都是機械仿生學之前的理論基礎，我們通過對于這樣的理論基礎全方位，立體化的分析，對于其實踐活動進行有效的指導。在這方面我們國家涉及的領域有工農機械的設計，以仿生學的角度來審視我們的工農機械的設計以及在使用中遇到的實際問題，像阻力大，容易掉鏈等問題都在慢慢的得以解決，由此產生的一些技術和仿生學的利用也漸漸的變得多了。
3.2 現代信息技術的使用，使得仿生技術不斷的進入使用階段
現代的信息技術飛速發展，這對于機械的仿生技術來說是一個很大促進，因為計算機的技術使用可以讓我們更加直觀的將機械的形狀，構造與生物的原理結合起來，其結合的實際參考效果是很直觀的，可以形成具體的操作方案，不再像以前一樣知識單單的想象，沒有實際的參考。在計算機技術下，我們就可以有效的將其想象中的仿生技術一一的反應出來，并對于這樣的顯示做出種種修改，以保證在投入使用中不會出現很多的問題。其CAD技術不斷嫻熟，生成圖像的虛度很快，將對于實際的操作有著很直接的指導意義?？梢哉f是現代的信息技術在不斷的促進著我們的仿生事業的不斷發展。
3.3 仿生學的智能化應用
我們仿生機器人是有著很明顯的分類的，其一是仿生物機器人，其二是仿人類機器人。前者比如說蛇類，螃蟹，蜘蛛類，這樣的功能實現是依靠這樣的仿生模式的；而后者就是對于我們的人體的肢體動作，肢體組成，進行有效的分析總結，在這樣的仿生基礎上進行設計，我們看到的就是既可以爬山滅火，又可以完勝家務才做的高智能化的機器人，這對于我們的生活和娛樂都是很大的幫助。我們可以結合不同的生物特性，將動植物的特性一一的反饋到我們的實際使用的機械上，這樣的話我們就可以最大限度的享受現代的仿生學帶來的實際效果。
4 結束語
機械仿生設計是符合我們時代的發展要求的，這是人類知識積累和發展的結果，有著很高的創新性，但是在追求仿生化的同時我們要尤其注意掌握分寸，不能單方面的癡迷于仿生，將其最完美的效果展現出來就好了，我們為的是實現我們的機械更加的智能化，而不是建立一個惟妙惟肖的動物園。我們一致追求的是仿生學的最有效的使用，可以在這樣的過程中最大限度的掌握其技巧，理解其真正的內涵。結構化，智能化，人性化這才是我們機械追求的仿生化。這是我們在追求仿生學中必須要明確的觀念。
參考文獻：
關鍵詞：
機械設計；節能減排；基本原理；應用
1引言
在當今社會下，經濟迅猛發展，人們在物質和生活上得到了極大的滿足，但是經濟發展的同時也帶來了許多的環境問題，比如環境污染、資源浪費等。所以人們開始尋求一條環境與經濟和諧發展的可持續性道路。正確處理好環境和經濟的關系，不僅關乎國家的穩定發展，而且關乎社會的和諧安寧。機械設計節能作為節能減排，實現健康可持續發展道路的重要組成部分，已經逐漸成為機械設計人員的重要研究方向。
2機械設計節能的背景
機械設備在人們的生產生活中隨處可見，特別是工業生產中表現的尤為顯著，它不僅是工業生產的重要組成，也是國家經濟發展的重要支柱。但是大量機械設備的使用，必然會造成國家巨大的能源浪費，這與我國提倡的“節能減排”政策十分不符。為了響應我國的節能政策的號召，設計人員必須對機械設備從設計到制造最終到完成這一過程進行合理的機械節能優化，保證資源最大化的利用，這其中對于機械設備的設計是節能工作最重要的環節。近年來，機械使用者們為了減少資源的不必要浪費，降低生產成本，提高機械使用效率，使經濟利益最大化，他們越來越青睞于節能型的機械設備，這使得傳統的機械設計和制造方法即將淘汰。
3機械設計節能原理及其應用
機械設計節能原理又稱為平衡節能原理，要求在設計中從動力源、減少摩擦、功率匹配節能等方面入手，充分考慮實際應用中的能耗問題，不斷完善設計圖紙，盡可能在設計源頭上減少能源的浪費。
3.1動力源
動力源一般指機械設備的發動機，在機械設計時要求盡可能減少輸入功率的同時盡可能的提高輸出功率，簡單的說就是提高能源的轉化率。在實際的應用中，這一理念體現在機械設備的啟動和減速兩個階段上。
3.2設計中減少摩擦
發動機所產生的動力，必須依靠齒輪、動力傳送帶等進行傳送，傳遞到機械設備所需要的運作部位，這一過程的運動難免會產生摩擦，從而損耗動能。因此，對于機械設備的設計，要盡可能的減少機械構件間的摩擦。一般對于減少機械設備活動處摩擦的方法是使用光滑構件、對機械設備進行定期，這樣可以減少動力的損失。
3.3功率匹配節能，合理運用節能
在設計中，需要合理的分析機械設備所需的功率，處于不同的環境中，或者工作性質的不同都會導致機械設備所需的功率不同。所以在設計機械設備時要依據的設計標準功率。
4機械設計能源浪費的原因
4.1缺乏節能設計理念
傳統的機械設備是為了更好的提高機械設備的生產能力，促進企業的生產最大化，所以設計者往往更加注重的是如何提高機械設備的載重量、運轉速度等，然后保證設備運作的穩定性和可靠性，可以說完全忽視了對于節能這一方面的考慮，甚至有些設備在設計時為了更好的提高以上的兩方面性能，不惜消耗更多的資源，造成資源的嚴重浪費。
4.2設計人員專業水平低
對于機械設備的設計人員一般都是專業性的人才，他們擁有豐富的經驗，但是他們有些人員不愿意進行理論學習，一直閉門造車，不想去了解新的理論，最終使得與社會先進的新型設計脫節，不利于國家機械行業的發展。同時有些人員長期工作，沒有進行基層實地考察，導致自己所設計出來的設備與實際應用不符，不能滿足企業生產的需要。
4.3技術水平無法滿足設計需要
由于經濟技術的制約，導致許多新的設計理念和設計思想難以實施，即使勉強能夠完成，不說是否會出現問題，就是生產成本也會大大的提高，不符合經濟利益最大化的原則。所以許多的機械制造商回來減少利益的損失，還是不愿意在機械設備中引入節能技術。
5如何做好機械設計節能
5.1選用環保型材料和環保型發動機
從機械設計環節入手，在滿足設計要求的條件下，盡可能選擇環保型材料，這樣可以使得材料無污染、無公害、易于回收、方便處理。在機械設備中，機械發動機是機械設備的主要污染源之一，為了減少環境污染，有害物質的排放，要選用環保型的發動機，可以使得發動機具有油耗低、排放低等的優勢。
5.2電子控制系統精確化控制
利用電子計算機和無線區域網組成的控制系統，實現對機械的精準控制。信息終端智能化可以實時監測機械的實際運作情況，同時做出智能化的判斷，已達到控制發動機的輸出功率，來盡可能的減少能源消耗。同時，這樣的檢測還可以及時的發現問題，做到及時的處理，這樣就延長了機械設備使用的壽命，提高了經濟利益。
5.3引入新型技術
機械設計離不開技術的支持，在設計中不能脫離現實生活生產的實際發展水平，但是又不能思想陳舊，固步自封，需要設計人員在設計時要有創新精神，要敢于嘗試，將新型技術大膽的融入到自己的設計中去。這樣不僅提高了技術人員的創新能力，還使得我國的機械行業發展不斷的提高。
6結束語
隨著我國經濟的不斷發展，國家和個人越來越重視環境問題，對于國家而言，出臺了許多的政策，比如“走可持續發展道路”、經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設、生態文明建設“五位一體”的總布局。這些都可以看出國家對于環境的重視。對于個人，我們越來越喜歡使用清潔環保的工具，比如對于汽車的選擇，我們更加青睞于環保型的汽車。機械行業作為節能減排的重要組成部分，就要從源頭做到盡可能的減少環境污染，提高資源使用率。這就對機械設計人員有了更加嚴格的要求，不僅需要他們設計出機械產品，還必須達到能耗低，資源浪費少，同時可以給企業帶來利益最大化的機械產品。
作者：李永森 單位：久益環球（佳木斯）采礦設備有限公司
參考文獻：
在長時間的發展形勢下，經濟水平的發展通常都是以消耗能源以及環境為代價的，這樣也會在某種程度上致使環境受到污染的情況較為嚴重，同時也面臨資源緊缺的問題。而這些問題的存在，會在某種程度上對經濟的發展帶來一定的阻礙。這樣就促使人們逐漸對保護環境的重要性引起了必要的重視。是否可以協調好經濟發展和環境資源之間的關系，會對國家的經濟發展帶來直接的影響。而節能降耗在環境領域中扮演中重要的角色，因此相關人員應當加大對機械設計節能的研究力度，從而確保我國經濟的不斷發展。
一、加強機械設計節能的背景
當今社會已經是一個高度機械化的社會，經濟的快速發展又需要更多的機械設備，機械設備已經是我們日常生活和生產必不可少的工具。大量的機械設備投入使用必然產生很多問題，如環境污染、能源浪費等，這嚴重違背了我國走可持續發展道路的要求，因此，在這種形勢下，我們必須要加強對機械設備從生產到使用各個環節的節能減排工作，其中在設計環節進行節能設計是從根本上解決這些問題的一種方式，所以我們要加強機械設備的節能設計。
二、機械設計節能中存在的問題
對于機械設計來說，能源大量的消耗是時常發生的現象，同時也是相關人員需要解決的問題，產生的能源浪費有著諸多的因素，本文主要從以下幾點內容進行分析：
1、不重視節能設計，缺乏節能設計理念
從以往設計模式來說，機械設計的主要目的是將機械設備生產效率加以提升，相關人員一定要遵循這個理念。首先，需要對機械設備的運轉速度、相應的載重數量進行考慮；其次，還需要對機械設備據是否具有安全性能、節能減排等方面引起必要的重視。隨著我國國民經濟水平的日益發展下，技術水平不斷完善，機械設計理念不斷更新，不但可以將機械設備的整體生產水平加以提升，而且還要求相關人員應當打破以往的傳統設計理念，并對節能設計引起必要的重視。
2、設計人員專業水平較低
由于機械設計工作具有一定的專業性，這樣就要求相關人員應當具備專業的理論知識以及操作能力。然而，某些設計人員沒有較高的文化素養，設計理論也沒有做到熟練掌握，并且不愿意接受新的事物，這種“吃老本”的情況就會在某種程度上致使機械設計出現落后的情況，從而使能源消耗過大。除此之外，還有某些設計人員沒有對具體的情況進行詳細的調查就開始進行機械設計，致使機械不能發揮出最大的作用。
3、技術水平較低，無法滿足設計需求
機械設計在某種程度上會限制于技術，在新型的設計理念倘若沒有技術的支撐，那么也會無濟于事。在實際的生活中，一方面諸多節能設計思維形式依然會受到技術水平的影響。另一方面，倘若可以實現節能設計，那么就需要將設備的生產成本加以提升。從經濟效益方面來說，機械制造有著較高的成本，還有某些節能技術被省略，所以導致節能沒有較高的實現率。
三、機械設計節能基本原理及運用
1、動力源
發動機是機械設備的主要動力源，在機械節能設計時，要特別注意提高機械設備電能、動能、勢能、熱能等相互之間的轉化率，由此需要盡最大努力減少發動機的輸入功率、增大發動機的輸出功率。在實際的生活當中，啟動和減速這兩個階段主要體現了這一設計原理。
2、在設計時注意減少各部位之間的摩擦
機械設備個零件部位之間的摩擦力過大就會導致資源損耗大的問題。機械設備是通過齒輪、動力傳送帶等傳送設備將發動機產生的動力運送到所需部位而運轉起來的，在這個過程中，如果摩擦力過大，就會損失一部分動力，造成資源浪費，因此，在機械設計的時候，一定要盡量減小各個部位的摩擦力。例如，加強零件之間的等。
3、注重功率匹配節能
機械設備在不同的應用環境下所需要的功率大小是不一樣的，合理的研究和分析在不同的應用環境下功率需求的大小至關重要，這可以為設計標準功率提供依據。在機械設備設計時，要注意經濟效益和環境效益相結合，可以設計不同的擋位根據實際所需功率進行調節，以此應對不同的應用需求。
四、對做好機械設計節能的建議
1、重視人才培養，學習和運用新技術
機械設計節能涉及的知識范圍很廣，專業性很強，因此，對設計人才的專業性要求很高。機械設計節能需要大量的設計人才，人才是進行機械設計節能的核心基礎，加強人才的培訓是重中之重。⑴.在學校招聘高材生。⑵.企業加強對設計人員的培訓。另外，技術是實現機械設計節能的必要條件，在機械設計中既不能超越實際的技術發展水平，又不能完全不敢突破，要積極學習和運用新技術。促進機械設計節能水平的提高。
2、重視設計選材環節，優先選擇環保型材料和環保型發動機
在對機械進行設計的過程中，一定要對機器所選用的材料進行確定，在機械制節能設計的時候首要選擇可以回收、沒有污染的材料。不僅僅如此，機械設備最大的污染主要是來源于發動機，這樣就要求相關人員應當選擇油耗低、使用時間較長的發動機，避免發動機尾氣產生過大的排放量，對機械設計節能起到了重要的作用。例如，可以選擇環保型水冷增壓柴油機亦或是相應的電控發動機。
3、加強電子控制系統的精確化控制
應用電子控制系統來對機械做好嚴格的控制是實現機械設計節能的關鍵所在。而電子控制系統能夠實時的掌握機械的運作情況，利用智能化的形式來對發動機的功率進行辨別，為避免大量的消耗創造有利條件。
4、加強液壓系統的清潔和防漏工作
機械消耗大的一個主要原因就是機械設備的磨損和腐蝕嚴重。機械設備磨損和腐蝕嚴重是因為液壓系統的污染物較多。另外，浪費資源最大的原因是液壓系統滲漏而，因此，進行節能設計時要加強液壓系統的清潔和防漏工作。針對液壓系統的污染物問題，可以加裝一個高性能的過濾設備。對于液壓系統滲漏問題，可以選用防滲漏的材料等。
五、結語
通過以上內容的論述，可以得知：隨著當前我國經濟水平的日益完善下，可持續發展已經逐漸成為全球長時間發展的關鍵所在。始終堅持可持續發展的道路，并確保自然資源發展方面能夠達到和諧統一的效果。將節能減排的思想逐漸滲透到機械設計當中，是推動經濟和社會實現可持續發展的重要途徑。加大機械節能設計研究的力度，這樣就需要相關人員對機械設計以及相關作用做到熟練掌握，本文主要從以上幾個方面較好的論述了機械設計節能基本原理和作用，提供給相關人士，供以借鑒。
中圖分類號：TE08文獻標識碼： A 文章編號：
1基于動能的機械設計節能方法證明
人們以往對系統動能變化率對輸入功率的影響研究,主要對機器工作過程中經過“起動-工作(勻速)-減速”3個階段中的第1和第3階段進行分析。雖然也對不勻速的第2階段進行分析研究,但主要是針對機器周期性速度波動和非周期性速度波動的如何調節,為提高使用壽命、工作精度進行研究,很少涉及到功率問題。所以,還應對系統動能的變化率對輸入功率的影響進行分析研究。
機器系統結構復雜,在其內部所有運動件均按設計要求作各自的運動(平動、轉動和平面運動等),故該系統動能T可表示為
(1)
式中:Ici為轉動慣量;ωi為角速度;mi為質量;vci為速度。
對式(1)求導,可得系統動能變化率為
(2)
式中:εi為角加速度;αci為加速度。分析式(1)可得出如下結論:
短時間內,系統動能在最大范圍內變化,或系統動能在制動過程中沒有得到回收或轉換而白白浪費等,均是系統動能變化率引起輸入的功率較高和能量沒有得到充分利用的原因;若系統動能為常量,則系統動能的變化率所需輸入的功率為0,與速度的大小無關。
為了便于分析,將系統動能表示為由多個用周期函數表示的動能的疊加組合,計算式為
(3)
則系統動能變化率又可表示為
(4)
式中:ω為基頻;b0為待定常數;t為時間;Bji為幅值;φjib為相位角。
分析可得如下結論:系統動能的變化率的大小取決于系統動能變化的最大幅值B和變化時間t,在相同時間內最大幅值B越小,則系統動能的變化率越小;系統動能變化的最大幅值由機器內各部件的動能的初相位決定;當系統動能的變化率呈周期性變化,在設計時既要滿足提高使用壽命、工作精度,還要達到節能要求,此時,可配置一個相同系統動能的變化率呈周期性變化機構,2個系統動能的初相位相差π角度。
綜上所述,歸納如下:①引起系統動能變化率較高和沒有得到充分利用的原因為，短時間內系統動能在最大范圍內變化;②系統動能在整個工作過程中沒有得到回收或轉換。基于動能的機械設計節能方法,在設計機械系統時,只要使系統的動能為常量,或在最小范圍內變化;若機器系統動能的變化率呈周期性變化,還可再設計一個與原周期變化相同的機構,使2個系統動能的初相位相差π角度;對于制動頻繁的機器或工作裝置,應設計一套將能量(動能、勢能)儲存或轉換系統;則維持系統正常工作所需輸入的功率將會降低和能量得到充分利用。系統的動能為常量和在最小范圍內變化的必充條件是,各動能2個相鄰的初始相位角的之差為π或在π附近。
2降低其他輸出力消耗功率NSF措施的論證
機器在工作過程中的輸出力,針對不同的工作對象便以不同的形式表示,如車輛的輸出力,包括行駛阻力、坡道阻力、慣性阻力等;刨床的輸出力為刨刀的削力;振動機械的輸出力還包括激振力;液壓機械的輸出力為推力或扭矩(與油壓和流量有關)等。由此分析可得出,機器輸出力是由不同形式的力組成的。
除了重力外,其他輸出力在少數情況為常量,在多數工作狀態為變量,若將其中某一輸出力Fsi與其速度vsi的乘積可表示為某輸出力消耗功率NSFi,或將其輸出扭矩Msi與其角速度ωsi的乘積可表示為某輸出力消耗功率NSF。則輸出力消耗功率NSF可表示為
(5)
根據機器檢測的數據結果,式(5)中每個輸出力Fsi、Msi的工作速度,仍然以周期性的變化顯示。根據周期函數的性質,周期函數無論是與常數還是其他任意函數的乘積,其結果為周期函數和非周期函數2種。所以機器系統其他輸出力消耗功率NSF可以看作為多個周期函數和非周期函數的合成。現將其以多個周期函數合成表示為
(6)
式中:ω為基頻;c0為待定常數;Cji為幅值;φjic為相位角。
分析結果可得:以周期函數和非周期函數表示的其他輸出力消耗功率在較大范圍內變化時所需匹配的平均功率較大;其他輸出力消耗功率的變化與每個輸出力Fsi、Msi和其工作速度vsi、ωsi有關;當其他輸出力消耗功率在較大范圍內變化,則每個輸出力Fsi、Msi或系統動能必然在較大范圍內變化。若要將其他輸出力消耗功率降低,則以周期函數和非周期函數表示的其他輸出力消耗功率應在較小范圍內變化,其充分必要條件是每個輸出力Fsi、Msi的工作速度vsi、ωsi的乘積所表示的周期函數或非周期函數的相位應相差π。
綜上所述,歸納如下:①引起其他輸出力消耗功率較高的原因為,短時間內輸出力Fsi、Msi或系統動能在最大范圍內變化;②降低其他輸出力消耗功率NSF的措施,在設計機械系統時,只要使以周期函數和非周期函數表示的其他輸出力消耗功率應在較小范圍內變化,則維持系統正常工作所需輸入其他輸出力消耗功率將會降低;在最小范圍內變化的充要條件是每個周期函數相鄰的初始相位角之差為π或在πrad附近;針對某輸出力和工作速度的乘積所表示的周期函數就是機器系統的周期函數,還想取得更佳的節能效果,應再附加一個相同周期函數機構,2個相同周期函數機構初相位應相差π。
3降低無用功率NR措施的論證
機器在將能量傳送到工作裝置和作用,并與工作對象(或介質)在工作過程中,由于摩擦發熱、發聲、以及彈性、塑性變形等,要損耗掉一部分功率,即無用功率。雖然其量與機器的傳動方式、制造精度、條件等有關,但對損耗功率的發聲、彈性、塑性變形現象進行動力學分析,可知產生該現象的主要原因是,部件運動過程中的慣性作用使其受力不均勻、變化較大。從能量分析可得出,部件受力不均勻、變化較大的原因是,系統的動能或勢能在較大范圍內變化。
動摩擦因數不僅與接觸物體的材料和表面有關,而且與接觸物體間相對滑動的速度大小有關,動摩擦因數隨相對滑動速度的增大而減小;若系統的動能或勢能在較大范圍內變化,即使部件的接觸表面的摩擦因數不變,但接觸表面的正壓力則呈周期變化,所以摩擦力與摩擦力損耗功率呈周期變化。同時鑒于機器發聲、彈性變形也基本都是周期性的,故無用功率NR可用周期函數表示為
(7)
式中:ω為基頻;d0為待定常數;t為時間;Dji為幅值;φj為相位角。
分析以周期函數和非周期函數表示的無用功率,可得:當以周期函數表示的無用功率在較大范圍內變化時,所需匹配的平均功率較大;當無用功率的變化主要與每個無用輸出力Fsi、Msi的工作速度vsi、ωsi有關,若其他輸出力消耗功率在較大范圍內變化,則無用輸出力Fsi、Msi或系統動能必然在較大范圍內變化。
引起無用功率較高的原因是,短時間內以周期函數表示的無用功率在較大范圍內變化。降低無用功率NR措施:在設計機械系統時,只要使以周期函數表示的無用功率在較小范圍內變化,則維持系統正常工作所需輸入無用功率將會降低。
4機械設計節能基本原理的歸納整理
將基于動能的機械設計節能方法,降低其他輸出力消耗功率的措施,降低無用功率的措施歸納為機械設計節能基本原理。在設計機械系統時,只要使系統動能為常量,或使其能量在最小范圍內變化;只要使以周期函數和非周期函數表示的其他輸出力消耗功率、無用功率在較小范圍內變化;調整系統動能變化率、其他輸出力消耗功率、無用功率3個函數初相位,使輸入功率函數幅值在最小范圍內變化;若機器或工作裝置使輸入功率函數幅值在較大范圍內變化,應再配置一個與輸入功率相同周期函數的工作裝置,使新的合成輸入功率函數幅值在較小范圍內變化,或直接配置一套能量儲存或轉換系統;則維持系統正常工作所需輸入功率將會降低,系統能量將得到充分利用。
5結語
機械設計節能基本原理對設計機械、機電產品具有較好的節能效果，它是降低輸入功率、充分利用功率以及提高機器性能的理論基礎和有效方法。
在經濟發展與城市化建設中，機械設備是不可缺少的發展因素，而這也使機械設計與制造行業的發展逐漸受到重視。機械設計與制造行業的發展，不僅會其它各個行業得以發展的重要支持依據，也是發展社會經濟的重要推動力。隨著節能減排這一政策的推行，傳統機械設計與制造不符合該政策的要求，應對其進行創新。網絡時代背景下，為符合時展的需求，機械自動化逐漸成為了機械設計與制造行業的發展方向，而這也是推動社會經濟向可持續方向發展的重要基礎。
1機械設計制造及其自動化的設計原理
隨著科技水平的不斷提升，新型信息技術與機械設計制造技術的結合，也為機械設計與制造行業的發展提供了機會。時展背景下，機械設計與制造技術的創新是推動社會經濟發展的重要動力，也是增強企業市場爭力的重要基礎。自動化生產作為目前機械設計與制造的發展方向，不僅能夠提升機械設計與制造的質量和效率，也能夠降低機械設計與制造的壓力，對推動其他各行業的發展也可提供更大的保障?；诖耍瑸榇_保機械設計制造及其自動化能夠實現可持續發展，應依據下述原理對機械設計制造及其自動化進行設計，以便促使其能夠推動社會經濟的快速發展。
機械設計制造及其自動化的設計原理如下：第一，效率化原理。機械設計制造及其自動化的設計是為滿足其他行業發展對機械設備的需求，是為了確保對信號、能量、物質的自動化傳輸和加工能夠真正實現，也是為了達到提升機械設備運行效率、降低生產壓力的目的。基于此，在對機械設計制造及其自動化進行設計的時候，應堅持效率至上的原則，以提升效率為目標，對自動化技術予以充分使用，以此提升機械設計制造的自動化水平，以便確保機械設計與制造業能夠得到更好地發展，進而達到提升企業生產質量和效率，增加企業所獲得經濟效益的目的。第二，節能減排原理。機械設計制造業作為推動社會經濟發展的重要動力，其的發展會對社會經濟及其他行業的發展造成極大影響。機械設計制造業的發展對各類能源的依賴性比較高，需要消耗大量的能源，而且伴隨著該行業發展速度的不斷加快，對能源的消耗量也在大幅度增加，這也導致能源短缺問題越發明顯，從而對國家經濟實施可持續發展戰略造成不利影響。基于此，為降低對能源的效率，減輕機械設計制造及其自動化發展對生態環境造成的破壞，在機械設計制造及其自動化發展過程中，應依據節能減排政策的相關要求，對機械設計制造及其自動化技術進行創新，以此提升能源利用率，降低能源消耗量，減少污染物的排放，以便在此基礎上促使機械設計制造及其自動化能夠實現可持續發展，進而為推動社會經濟及其他行業的發展奠定基礎。第三，綠色發展原理。為確保社會經濟的發展能夠滿足可持續發展戰略的相關要求，在對機械設計制造及其自動化進行設計的時候，應堅持綠色發展原則，改革機械設計與制造技術，提升機械設計與制造的自動化水平，以便確保機械設備的設計與制造能夠符合綠色產品的生產要求，進而促使社會經濟能夠真正實現持續健康的發展。
2機械設計制造及其自動化的發展趨勢
2.1提高產能
經濟的發展與社會的進步離不開各行業的支持。隨著機械設計制造及其自動化的產生和發展，對社會經濟及其他行業造成了極大的影響。在當前社會發展背景下，為了滿足各行業發展對機械設備的多樣化需求，機械設計與制造技術的更新換代越來越快，而這也為機械設計制造及其自動化的發展提供了空間?；谧詣踊夹g的產生和發展，機械設計制造與先進科學技術的結合越發緊密，而這不僅對提升機械自動化設備的靈敏度、適應性極為有利，也能夠真正實現對參數、溫度等因素的自動控制，對物質、能量的自動傳輸和加工。在此基礎上，各行業的產能將會得到大幅度提高，對各類能源的消耗也會得到有效降低，而這也為社會經濟可持續發展的實現奠定了基礎。
2.2實現機電一體化
隨著社會經濟發展速度的不斷加快，各行業發展對機械設備的需求量也在不斷提升，對機械設備的要求也變得多樣化。為更好地滿足各行業發展對機械設備提出的高要求，應對機械設計制造及其自動化技術進行創新，以此提升機械設計與制造的質量和效率。當前社會發展背景下，基于對機械設計制造與自動化技術的結合，機械設計與制造也正逐漸向機電一體化方向發展，這對提升機械設計與制造的質量和效率極為有利。在機械設計與制造業發展過程中，機電一體化的實現是對電子電工技術、信息技術等先進科學技術的綜合應用，可以使各行業發展對機械設備提出的多樣化需求得到更好地滿足，對推動社會經濟的發展也極為有利。
2.3實現自動化生產、智能化管理
隨著科技水平的不斷提升，基于對自動化技術、信息技術、智能技術等先進科學技術的發展和應用分析，自動化生產、智能化管理將成為機械設計與制造業的未來發展方向。在市場競爭日益激烈的今天，機械設計與制造企業要想提升自身的市場競爭力，必須依據機械設計與制造業的主流發展方向，對自身的發展觀念和管理策略進行創新，優化機械自動化技術，利用智能化管理措施，對機械設計與制造過程進行全方位的管理，據此實現對機械設計與制造的自動化生產和智能化管理，以便確保機械設計制造及其自動化能夠得到更好地發展，進而為推動社會經濟的持續、健康發展予以支持。
3結束語
伴隨著信息技術的廣泛應用，為滿足社會經濟發展對機械設備提出的高要求，機械設計與制造的自動化必將成為機械設計與制造業的未來發展方向。在此基礎上，機電一體化、生產自動化、管理智能化也將成為機械設計制造的主流發展趨勢，而這對推動機械設計與制造業的發展，滿足各行業發展對機械設備的需求也極為有利。
參考文獻：
現如今，低碳環保、節能減排已經成為人們時常掛在嘴邊的耳熟能詳的流行詞匯，而實際上，這樣的事情都是說起來容易做起來難，國家雖然對此情況做出了相應的規定，也頒布了一些有針對性的法律條文，也加強了這方面的監督，但是收效甚微，很多問題仍然存在。工業行業特別是礦山行業本身就是能耗較高的產業，為了社會發展和工業需求的滿足，很多重型設備機械被設計研制出來，應用到礦山的開采當中，這些設備的耗能高，如何解決該行業中的環保問題，走上節能減排的道路，還是非常值得我們深入研究的。就目前的形勢來看，節能減排已經成為世界的主題，就礦山機械行業這樣的耗能大的行業來說，將會給技術設備的研究設計提出更高的要求，礦山機械行業同時也面臨著更大的挑戰。
1 機械設計節能的背景
伴隨著社會經濟的發展，能源的利用和消耗都是空前的強盛，這也進一步使環境問題更加的惡化，給自然生態和人們正常的生活帶來了嚴重的影響。我國自改革開放以來，一直非常注重工業生產，對環境問題的重視不夠，對環境的破壞現象越來越多。所以，必須將環境問題的關注提上日程。
背景分析。我國目前所面臨的節能減排的形勢是非常嚴峻的。工業生產一方面給人們的生活做出了突出的貢獻，另一方面也增加了能源物資的消耗，破壞了生態環境，影響了人們的生活質量，阻礙了工業的可持續發展。礦山制造業在節能減排的過程中占據著重要的位置，無論是從礦山的開采、材料的冶煉、零部件的加工，還是機械的使用、報廢處理，這些都會不同程度的產生污染。礦山行業每年報廢淘汰的產品比較多，如果沒有進行合適的處理，不僅僅會造成極大的資源浪費，還將對自然環境造成極大的污染。所以，凡是從事機械制造的人員，身上都始終肩負著節能減排、降低污染、節約原料的責任，他們必須采取行之有效的措施，盡力完成這一艱巨的任務。
機械設計在節能減排的過程中作用非常大，機械生產首先從設計開始，機械的強度、壽命、制造和裝備的工藝性，材料和熱處理的選擇，使用和維修是否方便，是否具有回收和再利用的可能性等等，這些都是在機械設計階段必須進行決定和解決的。設計的過程中如果出現了錯誤或者是不足，在以后的生產和使用的過程中都將是無法進行更正的。所以，要想將節能減排落到實處，就必須重視機械的設計。設計的過程必須有合理的制度和嚴格的管理，設計師要參與到有關規定和制度的制定當中來，這樣會使制度更加的全面合理。
2 機械設計中節能原理應用的必要性
在機械設計的過程中，一般的設計單位都沒有進行統一和固定的能源消耗標準的明示，這直接導致了現代機械設計在加工的過程中，無法對優化后的生產工藝進行節能降耗的及時分析，同時由于目前采用的工藝技術和工藝流程等都相對成熟，在這樣的情況下，機械設計加工企業幾乎沒有對生產過程中的節能降耗問題進行綜合的分析和考慮，這在一定程度上提升了機械設計加工的企業在能源上的過量消耗。并且在生產的過程中，機械設計加工企業普遍都是比較關注機械加工的效率和精度，很少關注能源的消耗與浪費，因此很少有機械設計加工的企業會考慮如何提高設備的能源利用率，而進行科學合理的技術措施的采用，或者在機械設計加工的過程中，通過對整體能源消耗量進行有效控制，實現節能降耗的目的。對于組織開展機械設計加工作業的具體操作人員來說，在生產的過程中，關注的一直都是工作效率，并且企業也沒有將能源消耗納入到績效考核中來，這樣的管理模式影響和制約了節能減排的實施。
3 機械設計節能的基本原理
礦山工程機械環境的性能情況和對環境的負荷在很大程度上都是由設計部門在設計的階段事先確定好的，所以進行節能型工程機械的開發研制最應該注重的就是設計的階段。
3.1在材料和資源的選用上盡量選擇可再生利用的
在材料和資源的選擇上，各系統及部件的設計盡量選擇可回收、易分解、能再生的，同時在加工和使用的過程中對于環境的影響不大甚至是沒有污染的的材料，特別是對于結構組件的設計，盡量選用比較容易裝配和分解的大模塊化結構和無毒無害的材料，提高工程機械材料可再生的可能性。
3.2在產品的零部件設計上，遵循長壽命、低能耗和減輕重量設計的原則
工程的設計人員應該再保持主機的相關性能參數的前提下，盡可能的減少主機和附屬作業裝置或者是機具的體積和重量，提高動力傳動系統零部件的強度和耐久的性能，實現液壓系統的輕量化和高效率，進而降低對環境的負面影響。
3.3低公害、防滲漏、節能高效的發動機
在工程機械產品設計的過程中，盡量保證低公害、減震降噪、防滲漏、節能減排、高效，選用低公害的發動機，發動機是工程機械所有系統中對環境影響最大的部件，采用低油耗、低排放、低噪聲、高效率的環保型冷增壓柴油機性能大大降低對環境的負荷。
4 機械設計節能基本原理在礦山行業中的具體措施應用
伴隨著國家經濟建設的發展，我國大型工程項目逐步開工，礦山工程施工機械的品種和數量已經達到了比較可觀的程度，在全球范圍內各地的機械數量還在不斷的增加。但是，大部分的工程機械對于能源的消耗、排放產生的污染物給環境都造成了不可估量的負荷。為實現大量工程機械對環境的污染最小化，加強對我們生活的地球資源的保護，實現全球經濟環境的可持續發展，提高操作人員的工作安全性和工作的舒適性，盡可能的實現人、機、環境的高度親和統一，非常有必要根據礦山行業的環保標準進行工程機械產品的設計。但是隨著國內外環境保護意識的增強，可以預見的是開發研制環保節能型的機械產品必將是今后礦山工程機械設計的主要潮流和趨勢。
4.1將節能理念融入到機械設計中
隨著經濟的發展，人們的生活水平不斷的提高，而環保意識在人們的心目中也逐漸的增強，在這樣的形勢下，機械設計無論是企業還是管理層都一致的認識到：利用生產效率很難能夠提升和強化自身的市場競爭能力，通過節能基本原理的推廣和實施，不僅能夠幫助企業節約一定的生產成本，實現經濟效益的最大化，并且能夠在激烈的市場競爭中，確保企業的市場競爭力，增強核心技術的優勢。因此，在整個機械產品的生命周期中，機械設計加工企業必須始終做好節能基本理念的貫徹落實。機械設計加工企業需要加強設計人員的教育和培訓，協助設計人員提升自身的業務能力，也能幫助設計人員不斷的進行節能知識的豐富，這樣才能在每一個機械產品設計方案中，有效的落實節能的目標。
4.2將機械設計節能基本原理應用在礦山機械加工設備的設計中
機械加工主要是指通過一種機械設備，對工件的外形尺寸或者是性能進行改造的全過程。在礦山行業中，大多數的應用型設備都是經過機械加工而形成的。機械化的生產過程，就難免會使用沖壓、焊接等機械設備，就單單從焊接工具的方面來看，針對指定的加工對象進行加工，并且按照既定的圖紙進行改造的時候，需要電力充分的支持，這就難免會在整個加工的流程中，浪費一定的能源。因此，將機械設計的技能原理應用于礦山機械加工設備的設計中，是十分必要的，能產生很大的節能價值。
4.3將機械設計節能原理應用到礦山升降機械的設計中
升降機械主要是利用壓力容器或者是鏈條達到促進升降設備移動的目的，主要是進行高空作業或者是高空維修時進行使用。正是由于升降設備使用的情況，要完成良好的高空作業，就必須具備強大的動力能量，才能保證將設備送至指定的高度，進行現場作業的實施。所以，升降機械在能源的消耗上是比較大的，這就需要進行相應的改造。
結合節能型液壓升降機的工作情況和結構原理，對主要的技術參數進行篩選和有效的討論，設計出來的液壓系統結構相對簡單，工作比較可靠，并且工作效率較高，耗能低，在達成勢能回收的同時，又能增加液壓系統的工作平穩性，可以給設計和制造以及使用單位一定的啟示。
5 結語
現如今，受企業自身的規模和實際的技術水平等因素的影響與制約，大部分的機械設計公司特別是中小型機械設計企業，在具體的操作中，一般的生產模式都是逐一進行單件產品生產，從而導致了企業無法進行流水線式生產模式推廣，在某種程度上增加了企業生產的能耗。所以，機械設計企業需要創新模式，積極推廣使用批量生產模式，幫助企業不斷優化自身的內部資源，降低加工生產的能耗。
綜上所述，將節能基本理念融入到現代機械設計之中，能夠有效的幫助企業實現自身的可持續發展，否則在現如今激烈的市場競爭中，機械設計企業很難形成堅固的技術屏障，面對社會能源的日趨緊張的局面，市場將會淘汰能源消耗量大的企業。為此，機械設計企業必須采取相應的措施，不斷的降低能耗，實現自身的可持續發展。
參考文獻：
2機械設計中設計人員應該樹立創新的理念
要想突破傳統的模式，在設計上有所創新，對機械人員首先就要要求其具有大膽的創新理念并會將其運用到時間中去。創新就是突破傳統的思維模式，運用現代超前的理念進行問題的思考。對于一個設計者而言，缺少創新意味著他在工作上無法得到肯定。優秀的機械設計者要時刻謹記創新理念，要用創新的思維對問題進行深入的思考，再結合自己的專業知識將自己的設想轉化成現實。
3機械的優化中應該具備的創新方式
（1）智力思維法———這是一種發揮集體智慧的方法，它通常是通過抓住瞬間的靈感或潛意識的新想法或通過相關專家人士針對某一目標進行討論，通過相互啟發、激勵，在越來越多的思路中，在越來越好的方案中取長補短，最終引起創新設計的連鎖反應，為機械設計提供更好的創新成果。
（2）列舉創新法———這是指依據一定規則，列舉研究對象的各種性質，通過對這些性質的逐項分析，尋求改變來又發創新設想的方法。它適合于現有事物的改進及應用型的開發，一般經過的過程如下：列舉特征———改變特征———改變事物。
關鍵詞：
OBE；工程教育；《機械原理》課程設計
為了推進工程教育改革，促進中國工程教育的國際互認，培養與國際接軌的中國工程師，由專門的職業或行業協會（聯合會）、專業學會針對高等教育機構開設了工程類專業實施專門性認證，工程教育認證強調工科專業人才培養質量達到行業提出的基本質量標準要求，是一種合格性評價[1，2]。工程教育專業認證強調的三個核心理念：產出導向（Outcomebasededu-cation，簡稱OBE）、學生為中心、持續改進，這些理念代表了工程教育改革的方向，是一種先進的教育理念[3]。我國若要成為《華盛頓協議》正式簽約組織，就必須基于OBE理念，深化我國的工程教育改革和工程教育認證體制?！稒C械原理》是機械類專業必修的一門重要的技術基礎課，它是研究機械的工作原理、構成原理、設計原理與方法的一門學科，而《機械原理》課程設計是緊隨《機械原理》課程之后的實踐性教學環節，是《機械原理》課程的延伸[4]。基于OBE工程教育認證的12條畢業能力要求及課程規劃，《機械原理》課程設計需培養的主要能力包括：1）掌握工程基礎理論知識并能將其應用于工程問題（畢業要求1）；2）具有分析和解釋數據，得到合理、有效結論的能力（畢業要求2）；3）具有綜合運用機械設計理論和技術手段設計復雜機械系統、部件和過程的能力（畢業要求3）。本文基于OBE工程教育理念對《機械原理》課程設計課程能力的上述四條要求，結合近年實踐經驗，闡述我?！稒C械原理》課程設計改革模式，并為其《機械原理》課程設計改革提供參考。
一、機械傳動系統設計能力
《機械原理》內容包括兩部分，其一是對現有機構的學習，包括構型分析、運動學和動力學的學習；其二是針對具體任務，利用所學機構學知識，設計傳動方案。前者稱為分析，后者稱為型綜合，《機械原理》學習的最終目的，就是要達到型綜合的高度，《機械原理》課程設計正是鍛煉綜合能力的實踐教學。遺憾的是，傳統的《機械原理》課程設計，體現不出OBE所要求的設計系統的能力，復雜機械系統更無從談起，因此，改革勢在必行。基于OBE教學理念的課程設計改革使設計題目多樣化，調動學生設計的積極性而不限制其思維，并且課程設計只提出最終要求而不限制方法，為了讓學生在規定的時間內獨立完成設計任務，題目不宜太深太復雜，其原則為：題目具有綜合性，以運動方案設計為主；題目要覆蓋《機械原理》課程的主要內容；題目應結合生產實際，是學生在日常生活、生產實踐中所熟悉的；題目的設計結果應包括兩到三種基本機構，也允許選用其他常用機構或組合機構；題目要有一定的靈活性和創新性，有利于發揮學生的創造力。在設計題目確定后，需對已選題目提出三種運動方案，并經反復論證，確定一種最佳運動方案進行設計和分析。這種自由選題的模式可大大提高同學的興趣。設計方案由學生獨立提出，經獨立地分析、比較后確定最佳方案，以發揮其主觀性、創造力，使學生受到一次真實的設計訓練，進而提升其機械傳動系統設計能力。此外，改革后的課程設計，學生們可以自由組合，每個小組自由選擇設計題目，小組成員分工協作，共同完成設計任務。從選題、論證、設計到最后提交設計成果，共同討論、研究，各自發揮自己的長處，不僅培養了創新意識和創新能力，也使他們體會到團隊合作的作用。這也符合OBE培養大綱中工程畢業生個人能力和人際團隊能力培養的要求。
二、工程基礎理論知識應用能力
傳統的《機械原理》課程設計中，方案確定之后，其相關運動參數也隨之給定，每個學生需要做的就是繪制機構運動簡圖，利用圖解法和解析法對所選機構的位移、速度、加速度及力進行分析，并繪制機構運動線圖和作誤差分析，最后編寫課程設計說明書。從本質上來說，這樣的設計僅能算一次作業，效果并不理想。盡管學生都能按部就班地完成設計任務，但卻調動不了學生的設計興趣，對工程基礎理論知識的應用缺乏深刻理解，談不上對學生的畢業能力的培養?；贠BE教學理念的課程設計改革使設計題目多樣化，只提出最終要求而不限制方法，學生可以充分地利用所學的理論知識去解決實際的問題?？紤]到《機械原理》課程設計時間較短，教師在《機械原理》課程教學中，需提前做出安排，如現代工具的使用、軟件的學習、各種方法的比較、綜合性作業安排等。任務的不確定性導致解決方法的多樣性。學生需要根據所選擇任務，基于所學的機構學知識，甚至查閱相關文獻去設計解決方案，當多個設計方案確定后，需要比較各方案的優缺點，必然會深入了解每個所設計的傳動方案，最終方案確定后，需對其進行結構、運動學和動力學分析，因有了方案設計的深刻理解，設計的目的已非常清楚，在相應分析時，對方法的選擇和掌握自然水到渠成，加深了對所學理論知識的認識，明確了理論知識的實際應用，從而不至感覺學無所用。
三、分析和解釋數據能力
在我國的工程教育認證中，第二條畢業要求學生能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論[5]。傳統課程設計整個傳動方案為教師所指定，分析方法固定，無需學生深入了解，只需按部就班完成畫圖和分析即可，可見，傳統課程設計在第二條畢業能力要求上基本沒起到培養作用。改革后的課程設計，從設計任務到設計方案的確定，均需要學生根據具體情況進行分析，然后根據所學知識，自己設計傳動方案，并需要通過多方案的比較而得出可行方案。在方案確定后，詳細設計傳動系統時，需要根據實際任務確定各參數，最后對機構進行分析，并對數據進行誤差分析。為了更真實地讓學生理解數據的意義和正確性，要求學生對所設計的傳動方案進行全部或者部分的搭接實驗，通過搭接實物并測量參數，再與理論分析數據進行對比，找出誤差存在原因，從而得出相應結論。
四、考核方式的改進
評估學習產出是OBE教育模式中十分重要的環節，如何合理地對各項能力進行客觀評價，對課程的改革及持續改進有非常重要的作用，與課程設計所培養能力相對應，《機械原理》課程設計成績分為四部分：選題成績、平時成績、設計成績及答辯成績。各部分成績分值及考核依據如下。選題成績占總成績的30%。主要考查設計機械傳動系統方案能力。每個團隊均需通過PPT形式，結合參考文獻查閱或調研情況，對自己團隊的設計任務進行說明，根據所定任務設計兩到三種機械傳動方案，每個方案中必須包含兩至三種典型傳動機構，并且必須包含四桿以上連桿機構。根據傳動方案是否合理、考慮是否周全、有無創新點、是否實用進行綜合考核。平時成績占總成績的10%，主要依據設計階段的出勤情況和態度評定，這是設計正常進行的基本保證，也是初步對畢業要求9中個人與團隊能力的培養。設計成績占總成績的40%，主要評估工程基礎理論知識應用能力與分析和解釋數據能力，根據所選擇分析方法、數據分析的正確性、模型建立、運動仿真、簡圖繪制等進行評價。答辯成績占總成績的20%，各組將集中設計階段的工作及成果以PPT形式作匯報，主要介紹組員分工及完成情況，組員自評分，搭接視頻等，并回答提問，據此評判答辯成績。通過此類考核方式，對畢業生的能力9（個人與團隊）和10（溝通，包括撰寫報告和陳述發言、清晰表達或回應指令）也起到初步培養的效果。此外，上述基于OBE工程教育理念的考核方式對教師的教學投入提出很高要求。例如：教師需要投入較多的精力和心血研究繁瑣的教學目標分解和教學方法選擇，要求其自身具有扎實的專業理論知識、較廣博的基礎知識面、較強的動手能力及計算機應用能力。對設計中可能出現的各種方案及其特點要有充分認識，能夠正確引導學生，使他們經過認真思考和分析比較后，可以選擇一個適當的方案。這樣才能適應當前實踐教學改革和發展的需要，從而有效引導學生積極思考，培養他們的創新能力。
五、結束語
經過近兩年的實踐，發現根據OBE教學理念改革后的《機械原理》課程設計，為學生機械傳動系統設計能力、工程基礎理論知識應用能力、分析問題和解決問題的能力以及團隊合作和工程實踐能力的鍛煉和提高提供了很好的平臺，并確實取得了較好的效果。然而，OBE工程教學模式是一個系統的工程，無論是在設計內容，還是在設計方法和評估方式上，還有很多需要完善之處，需要進一步的改革和探索，持續改進，以更好地培養學生相應的畢業能力，實現培養與國際接軌的中國工程師的目標。
作者：曾達幸 李飛 侯雨雷 宜亞麗 鄭立娟 張芳芳 單位：燕山大學機械工程學院
參考文獻：
[1]中國工程教育專業認證委員會.工程教育認證一點通[M].北京：教育科學出版社，2015.
[2]余天佐，劉少雪.從外部評估轉向自我改進—美國工程教育專業認證標準EC2000的變革及啟示[J].高等工程教育研究，2014，（6）：28-34.
中圖分類號：G622.3 文獻標識碼：B 文章編號：1009-9166（2009）017（c）-0113-01
機械原理課程設計能夠培養機械類專業學生創新能力，是學生綜合運用機械原理課程所學的理論知識解決實際問題，獲得工程技術實訓的實踐性教學環節。長期以來，各個學校來對“機械原理”課程設計的教學內容與教學方法進行了不少的改革，取決了較好的效果。但在課程設計過程中對機械機構的方案進行對比分析或變參數分析存在很多局限性，這在一定程度上影響到這門課程的教學效果和學生的學習積極性。
為進一步鞏固學生在課程階段所學的理論知識，培養其獨立分析和解決問題的能力，解決產品方案設計教學與結構設計教學相脫節的問題，獲得產品開發的綜合設計能力，筆者讓學生利用ADAMS軟件完成課程設計中的機械運動學及動力學的分析和設計，這改變了原來學生用圖解法或解析法進行機械原理課程設計的傳統做法。讓學生在設計過程中得到系統的訓練，這使學生變學生的被動學習為主動學習，教學效果很好。
一、虛擬樣機技術――ADAMS簡介
虛擬樣機技術是一項新生的工程技術。借助于這項技術，工程師們可以在計算機上建立機械系統的模型，伴之以三維可視化處理，模擬在現實環境下系統的運動和動力特性，并根據仿真結果精化和優化系統的設計與過程。ADAMS是由美國MDI公司開發的一套應用最為廣泛的機械系統運動學和動力學仿真分析軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬樣機進行靜力學、運動學和動力學分析，利用ADAMS軟件建立參數化模型可以進行設計研究、試驗設計和優化分析，為系統參數優化提供了一種高效開發工具。因此，利用ADAMS軟件可對機械原理中凸輪機構、齒輪機構、曲柄連桿機構等常用機構的靜力學、運動學和動力學特性進行仿真，使學門了解現代計算機輔助機械設計的高效、直觀、快捷的特點，從而提高他們的學習積極性。
二、ADAMS在機械原理課程設計中應用
機械原理課程設計的內容和步驟如圖1所示。以機械運動方案設計與解析法機構設計好機構后，可以用ADAMS進行三維運動仿真驗證機構設計的合理性。
ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。同學用戶在仿真過程進行中或者當仿真完成后，都可以觀察主要的數據變化以及模型的運動。這些就像做實際的物理試驗一樣。ADAMS的仿真流程如圖2所示。
1、建模：ADAMS/View是ADAMS系列產品的核心模塊之一，可以像建立物理樣機一樣建立任何機械系統的虛擬樣機。幾何建模是ADAMS/View仿真分析的第一步，先要建立好幾何模型（或者從CAD軟件中導入）、然后用約束限制和定義ADAMS中各零件的位置和運動，模擬機械的實際運行狀況。最后利用外力或運動將他們驅動。ADAMS/View支持參數化建模，以便能很容易地修改模型并用于實驗研究。
2．求解：ADAMS/Solver會根據設定自行運算求解，得到如位移、速度、加速度、作用力及反作用力等信息，不但能得到最終結果，而且還可以獲得計算過程中的每一步的信息。設定仿真時間及仿真步數，設定完畢后點擊即可開始仿真，提交給求解器，在求解的同時，主窗口會同步顯示模型的運動狀況。待仿真結束我們通過可以進行動畫回放模型的運動過程。
