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1.1机械设计节能的背景
我国在1972年就提出了“可持续发展”的战略，注重经济增长处于长期发展的模式中，但是由于这一时期，我国还没有开始改革开放，经济发展和社会效益比较落后，工业化发展比较落后，国家的生态环境还比较好，但是在1978年，改革开放之后，国家在初期一直大力发展重工业，为了提高经济效益的发展，对我国的资源和能源进行过度开采，导致我国的环境破坏现象越来越严重。因此，我国在2003年提出“科学发展观”的政策，促进人与自然和谐发展，合理有效的保护生态环境，增强生态资源和能源的使用效率，减少工业废水和污染物的排放，是我国发展的当务之急。机器设备的能源消耗和尾气排放是我国环境污染和破坏的重要原因之一，为了对环境进行合理有效的保护和治理，就需要开展节能减排促使，进行机械设计节能的开展，对环境进行有效的治理，提高经济效益。
1.2机械设计节能的基本原理
机械设计是按照使用要求对机械的工作原理、组成部分、运行模式、能量传送、各部件的形态等进行规划、分析、研究和计算，以及将其从理论的规划转变为实际制作基础的工作流程。机械设计是机械工程主要的构成成分，也是决定机械效能的重要因素。为了减少机械类机器对环境的污染和破坏，就需要开展机械设计节能，其基本原理为：对实际机械体系的效能、动力能量、运行的使用效力以及机械体系的耗能速率等进行整合，然后运用相关的数学函数进行分析计算，通过一系列的设计计算和合理分析最终有效归纳合成，形成机械设计节能的工作原理，减少能源的消耗，促进可持续发展政策的进行。
2机械设计节能基本原理的应用
开展机械设计节能，对于环境保护而言，有非常重要的作用。在机械设计节能中，为了减少能源的浪费，就需要对动力效能进行深入研究，包括：机械体系的动力势能、机械运行时效以及运行速率等进行调整，增强机械使用的时效性和有效性，在一定程度上降低机械使用能源的功率，优化机械体系动力势能的变化速率和实际机械运行功率相结合，为了实现有效的节能减排，将机械体系中的动力势能用多个周期函数进行表示，合理计算动能的结合，从而提高机械的使用效率，以及降低机械的能源消耗，从而起到保护环境的目的。由于机械设计节能基本原理，能够有效的减少能源的消耗，因此，机械设计节能基本原理被广泛的应用在实际生活和发展中，由于机械设计节能的基本原理是利用质点系动能定理所研究出来的，质点系动能定理即在静止参考系中，系统由多个质点组成，对每一质点用动能定理，然后求和后得到质点组动能定理，，即质点组动能的变化等于质点组受的外力和内力做功之和（动能定理），也被称为系统动能定理。因此机械设计节能的实用性和有效性也非常明显。
2.1将机械设计节能原理应用在升降机械的设计中
升降机械是利用也太压力容器或者链条促使升降设备进行移动，主要进行高空作业或者高空维修。由于升降设备主要是进行高空作业，就需要很大的动力能量才能将设备送至一定的高度，进行实际施工作，因此，升降机械的能源消耗量是比较大的，就需要对其进行改进。从升降机械实际工作的流程中，可以发现其在升降这一环节中消耗的能源比较大，产生的功率比较高，由此，将机械设计节能的工作原理应用在升降机械设计中，依据电梯的设计标准进行合理的机构优化和设计，降低升降机械的耗能量，升降物品的质量。将机械设计节能基本原理应用在升降机械设计中，能够有效地降低升降过程中的能源消耗和浪费。
2.2将机械设计节能基本原理应用在机械加工设备的设计中
机械加工是指一种机械设备对需要加工对象实现外观形状或者实际效能方面改变的流程，在实际生活中，很多的日常设备都是经过机械加工形成的，比如：衣柜、电脑桌等。由于现在生产经营讲究效率和质量，一直采用电脑自动机械化进行生产，因此，在进行机械加工设备中，就避免不了使用冲压、焊接等机器，就利用焊接工具而言，对加工对象进行加工按照图纸改造时，需要电力给予支持，势必会在整个加工流程中，浪费一定的能源。
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 01. 054
[中图分类号] F273 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2017）01- 0091- 01
0 引 言
环境与经济从来都是群众重点关注的问题，特别是在社会经济快速发展的今天，人们对环境和资源保护逐渐重视起来，人们逐步发现，正确处理经济与资源环境的关系，对社会的稳定发展和进步有着重要作用。其中，节能减排是促进社会可持续发展的基本要求之一，机械设计应该遵循节能减排，促进社会发展。
1 机械设计节能基本理论
在机械设计中，机械设计人员对机械改革结构的组成形式进行优化，以降低能源损耗为目的，努力达到节能指标要求。在此过程中，机械设计人员努力将各个零件设施的配合优化为最理想模式，减轻机械使用间的磨损，延长机械设备使用手柄，进一步达到节能需求。此外，机械设计人员，在设计时，借助机械制图软件优化机械结构，同时利用一系列的公式计算，对机械使用后的节能指标进行计算分析，将大部分能源提供到机械设备运行阶段，将个零件受力形式进行科学安排，进一步将科学节能落到实处。
2 导致机械设计产生能源浪费的主要原因
（1）节能理念欠缺。受到传统机械设计观念的影响，大部分机械设计人员还是以提高机械设备生产力为主要目的，因此，设计人员在进行机械设备设计的过程中，首先主要考虑如何提高机械设备的运转速度和承载量，其次也是对机械设备的运行稳定性和可靠性进行考虑，对机械设备的节能设计考虑少之又少，有些设计人员甚至直接忽略了机械设备的节能性能。甚至，为了提高机械的生产力，有些设计人员枉顾设计的节能性能，反而将设计能耗提高，这对于社会的发展和进步有着消极作用。
（2）专业水平不高。由于大部分机械设计工作有专门设计人员进行操作，如果设计人员在只是理论方面故步自封，不愿与更随时代的发展，与时俱进，与先进的设计方式和设计理念相脱节，甚至抵触新的设计知识，导致机械设计滞后，无法实现节能。另外，还有很多设计人员忙于设计工作，没有对设备的使用情况进行深入了解，导致设计理论与实践相脱节，所设计出的机械设备无法与实际使用相符合，造成了大量的资源浪费。
（3）设计水平过低。由于受到现有技术水平的限制，有很多设计思想无法实现，及时进行勉强实现设计思想，也会造成机械设计成本增加，因此，受限于经济效益，大部分机械制造商并不会完全按照设计要求进行节能技术的引用。这就导致节能技术和节能理念只停留于表面，并没有真正的落到实处。
3 做好机械设计节能工作的措施
仿生学原理，可以使用到很多的领域和行业。对于现在的科技成果来说，我们的仿生学也得到了很大的发展，也在很多的实际领域上取得很大的成绩，其研究的成果也是接踵而至。在于机械设计上，它的实际效果和设计理念也是表现得很明显的，其作用在机械设计上将会极大的强化机械的实际操作性，对于机械的研发改革是有很大的指导意义的。
1 机械设计的仿生的实际定义
机械仿生设计是以设计者的创造力为基础的，在相关技术和经验的根据下，使用现代化的仿生学原理激发想象，将独具一格的机械构造创造出来的一种实践活动。其要求我们要站在以前的经验和技术至上，不断突破就得思路，结合计算机设计，优化设计，相关的性能设计于一身，形成现代化的机械设计体系，最后以仿生学理论为激发点去展开机械的设计。这是一项创新活动，也是一项全新的设计领域，值得我们去深刻的探讨。
2 机械仿生设计关注的角度
2.1 机械功能结构中的仿生设计角度
机械功能结构的仿生设计，是整个设计过程的中心内容，这是有前提的，那就是对于生物机体的构造充分的熟悉，这有这样的才可以将生物身上的功能性优势展现在机械身上去，这两者的结合是和不容易的。我们知道自然界的生物是历经种种修炼和磨合，使得可以很好的适应自然环境，以实现自身的不断发展和进化，在这样的过程中无论是自己的形态，还是其结构都发生了很大的变化，这就是适应自然的结果。我们就是要利用生物身上这样的优势结构，将其使用到我们的器械的设计理念里。
2.2 机械运动性的仿生设计角度
对于机械的运行性能的研究就要关注与对于仿生学的运动技能展开深入的研究，要想充分的了解动物的运动机制，我们就要从多方面的内容着手，无论是其形态组成，还是其功能实现都要进行仔细的研究，确保形成全面的研究体系。在运动性上，我们关注的对象是仿生机器人的设计。社会的发展是没有办法阻挡的，机器人的使用也会渐渐的蔓延，在我们的生活，学习中将会扮演着很重要的角色。我们仅仅关注一些有着运动性的机械设计， 比如杯状饮料机械的手的设计，使用的是双曲结构，可以保证收到灵活性，可以满足现实的种种需要。还有就是生物肌肉的反应几乎是很我们的实际的肌肉的反应速度是一样的，这就是对于其运动性的充分利用。
2.3 机械材料选择的仿生角度
在仿生种类中还有一种仿生，其应用的范围十分的广泛，无论是生物的组成，还是其结构流程，都可以很准确的把握，并且以此来开展材料的设计，这就是为了更好的使用机械。天然材料的结果组织，微型纤维的研究，有利于我们开展复合材料的设计，这样的话以高仿生材料来代替本身有着缺陷的材料，这对于机械来说可以极大的强化其使用的价值，将最好的仿生材料应用的这样的环境是很有利于我们的机械设计的。
2.4 机械控制性能上的仿生学角度
现代机器系统很多的都是采用机电合一的，是为了保证对于机械的智能控制，这是未来机械的发展趋势也是现在的机械不断发展的动力源泉。为了实现对于机械的控制更加的人性化和智能化，就会对于生物的控制展开研究，这样的话就会不断的增加我们在机械控制能力上的尝试，比如智能机器人的有效控制，在于农业方面表现的更加的明显。比如日本和美国都在农业领域展开智能化操作，其操作的主体就是对于机械控制性能上的仿生原理的使用，其在与定位，在于导航方面都是有很大的指导性的，可以确保农业生产的均匀化作业，精准化操作。
3 机械仿生设计的未来发展方向
3.1 机械仿生设计的理念不断深入和发展
首先，机械仿生设计其领域越来越广泛，所能够设计的方面也是日渐丰富，无论是概念上，内容上，还是目的上都有着很大的发展趋势。比如工程方面的仿生学，生命方面的仿生学，生物方面上的仿生学，结构方面的仿生学等等，这些都是机械仿生学之前的理论基础，我们通过对于这样的理论基础全方位，立体化的分析，对于其实践活动进行有效的指导。在这方面我们国家涉及的领域有工农机械的设计，以仿生学的角度来审视我们的工农机械的设计以及在使用中遇到的实际问题，像阻力大，容易掉链等问题都在慢慢的得以解决，由此产生的一些技术和仿生学的利用也渐渐的变得多了。
3.2 现代信息技术的使用，使得仿生技术不断的进入使用阶段
现代的信息技术飞速发展，这对于机械的仿生技术来说是一个很大促进，因为计算机的技术使用可以让我们更加直观的将机械的形状，构造与生物的原理结合起来，其结合的实际参考效果是很直观的，可以形成具体的操作方案，不再像以前一样知识单单的想象，没有实际的参考。在计算机技术下，我们就可以有效的将其想象中的仿生技术一一的反应出来，并对于这样的显示做出种种修改，以保证在投入使用中不会出现很多的问题。其CAD技术不断娴熟，生成图像的虚度很快，将对于实际的操作有着很直接的指导意义。可以说是现代的信息技术在不断的促进着我们的仿生事业的不断发展。
3.3 仿生学的智能化应用
我们仿生机器人是有着很明显的分类的，其一是仿生物机器人，其二是仿人类机器人。前者比如说蛇类，螃蟹，蜘蛛类，这样的功能实现是依靠这样的仿生模式的；而后者就是对于我们的人体的肢体动作，肢体组成，进行有效的分析总结，在这样的仿生基础上进行设计，我们看到的就是既可以爬山灭火，又可以完胜家务才做的高智能化的机器人，这对于我们的生活和娱乐都是很大的帮助。我们可以结合不同的生物特性，将动植物的特性一一的反馈到我们的实际使用的机械上，这样的话我们就可以最大限度的享受现代的仿生学带来的实际效果。
4 结束语
机械仿生设计是符合我们时代的发展要求的，这是人类知识积累和发展的结果，有着很高的创新性，但是在追求仿生化的同时我们要尤其注意掌握分寸，不能单方面的痴迷于仿生，将其最完美的效果展现出来就好了，我们为的是实现我们的机械更加的智能化，而不是建立一个惟妙惟肖的动物园。我们一致追求的是仿生学的最有效的使用，可以在这样的过程中最大限度的掌握其技巧，理解其真正的内涵。结构化，智能化，人性化这才是我们机械追求的仿生化。这是我们在追求仿生学中必须要明确的观念。
参考文献：
关键词：
机械设计；节能减排；基本原理；应用
1引言
在当今社会下，经济迅猛发展，人们在物质和生活上得到了极大的满足，但是经济发展的同时也带来了许多的环境问题，比如环境污染、资源浪费等。所以人们开始寻求一条环境与经济和谐发展的可持续性道路。正确处理好环境和经济的关系，不仅关乎国家的稳定发展，而且关乎社会的和谐安宁。机械设计节能作为节能减排，实现健康可持续发展道路的重要组成部分，已经逐渐成为机械设计人员的重要研究方向。
2机械设计节能的背景
机械设备在人们的生产生活中随处可见，特别是工业生产中表现的尤为显著，它不仅是工业生产的重要组成，也是国家经济发展的重要支柱。但是大量机械设备的使用，必然会造成国家巨大的能源浪费，这与我国提倡的“节能减排”政策十分不符。为了响应我国的节能政策的号召，设计人员必须对机械设备从设计到制造最终到完成这一过程进行合理的机械节能优化，保证资源最大化的利用，这其中对于机械设备的设计是节能工作最重要的环节。近年来，机械使用者们为了减少资源的不必要浪费，降低生产成本，提高机械使用效率，使经济利益最大化，他们越来越青睐于节能型的机械设备，这使得传统的机械设计和制造方法即将淘汰。
3机械设计节能原理及其应用
机械设计节能原理又称为平衡节能原理，要求在设计中从动力源、减少摩擦、功率匹配节能等方面入手，充分考虑实际应用中的能耗问题，不断完善设计图纸，尽可能在设计源头上减少能源的浪费。
3.1动力源
动力源一般指机械设备的发动机，在机械设计时要求尽可能减少输入功率的同时尽可能的提高输出功率，简单的说就是提高能源的转化率。在实际的应用中，这一理念体现在机械设备的启动和减速两个阶段上。
3.2设计中减少摩擦
发动机所产生的动力，必须依靠齿轮、动力传送带等进行传送，传递到机械设备所需要的运作部位，这一过程的运动难免会产生摩擦，从而损耗动能。因此，对于机械设备的设计，要尽可能的减少机械构件间的摩擦。一般对于减少机械设备活动处摩擦的方法是使用光滑构件、对机械设备进行定期，这样可以减少动力的损失。
3.3功率匹配节能，合理运用节能
在设计中，需要合理的分析机械设备所需的功率，处于不同的环境中，或者工作性质的不同都会导致机械设备所需的功率不同。所以在设计机械设备时要依据的设计标准功率。
4机械设计能源浪费的原因
4.1缺乏节能设计理念
传统的机械设备是为了更好的提高机械设备的生产能力，促进企业的生产最大化，所以设计者往往更加注重的是如何提高机械设备的载重量、运转速度等，然后保证设备运作的稳定性和可靠性，可以说完全忽视了对于节能这一方面的考虑，甚至有些设备在设计时为了更好的提高以上的两方面性能，不惜消耗更多的资源，造成资源的严重浪费。
4.2设计人员专业水平低
对于机械设备的设计人员一般都是专业性的人才，他们拥有丰富的经验，但是他们有些人员不愿意进行理论学习，一直闭门造车，不想去了解新的理论，最终使得与社会先进的新型设计脱节，不利于国家机械行业的发展。同时有些人员长期工作，没有进行基层实地考察，导致自己所设计出来的设备与实际应用不符，不能满足企业生产的需要。
4.3技术水平无法满足设计需要
由于经济技术的制约，导致许多新的设计理念和设计思想难以实施，即使勉强能够完成，不说是否会出现问题，就是生产成本也会大大的提高，不符合经济利益最大化的原则。所以许多的机械制造商回来减少利益的损失，还是不愿意在机械设备中引入节能技术。
5如何做好机械设计节能
5.1选用环保型材料和环保型发动机
从机械设计环节入手，在满足设计要求的条件下，尽可能选择环保型材料，这样可以使得材料无污染、无公害、易于回收、方便处理。在机械设备中，机械发动机是机械设备的主要污染源之一，为了减少环境污染，有害物质的排放，要选用环保型的发动机，可以使得发动机具有油耗低、排放低等的优势。
5.2电子控制系统精确化控制
利用电子计算机和无线区域网组成的控制系统，实现对机械的精准控制。信息终端智能化可以实时监测机械的实际运作情况，同时做出智能化的判断，已达到控制发动机的输出功率，来尽可能的减少能源消耗。同时，这样的检测还可以及时的发现问题，做到及时的处理，这样就延长了机械设备使用的寿命，提高了经济利益。
5.3引入新型技术
机械设计离不开技术的支持，在设计中不能脱离现实生活生产的实际发展水平，但是又不能思想陈旧，固步自封，需要设计人员在设计时要有创新精神，要敢于尝试，将新型技术大胆的融入到自己的设计中去。这样不仅提高了技术人员的创新能力，还使得我国的机械行业发展不断的提高。
6结束语
随着我国经济的不断发展，国家和个人越来越重视环境问题，对于国家而言，出台了许多的政策，比如“走可持续发展道路”、经济建设、政治建设、文化建设、社会建设、生态文明建设“五位一体”的总布局。这些都可以看出国家对于环境的重视。对于个人，我们越来越喜欢使用清洁环保的工具，比如对于汽车的选择，我们更加青睐于环保型的汽车。机械行业作为节能减排的重要组成部分，就要从源头做到尽可能的减少环境污染，提高资源使用率。这就对机械设计人员有了更加严格的要求，不仅需要他们设计出机械产品，还必须达到能耗低，资源浪费少，同时可以给企业带来利益最大化的机械产品。
作者：李永森 单位：久益环球（佳木斯）采矿设备有限公司
参考文献：
在长时间的发展形势下，经济水平的发展通常都是以消耗能源以及环境为代价的，这样也会在某种程度上致使环境受到污染的情况较为严重，同时也面临资源紧缺的问题。而这些问题的存在，会在某种程度上对经济的发展带来一定的阻碍。这样就促使人们逐渐对保护环境的重要性引起了必要的重视。是否可以协调好经济发展和环境资源之间的关系，会对国家的经济发展带来直接的影响。而节能降耗在环境领域中扮演中重要的角色，因此相关人员应当加大对机械设计节能的研究力度，从而确保我国经济的不断发展。
一、加强机械设计节能的背景
当今社会已经是一个高度机械化的社会，经济的快速发展又需要更多的机械设备，机械设备已经是我们日常生活和生产必不可少的工具。大量的机械设备投入使用必然产生很多问题，如环境污染、能源浪费等，这严重违背了我国走可持续发展道路的要求，因此，在这种形势下，我们必须要加强对机械设备从生产到使用各个环节的节能减排工作，其中在设计环节进行节能设计是从根本上解决这些问题的一种方式，所以我们要加强机械设备的节能设计。
二、机械设计节能中存在的问题
对于机械设计来说，能源大量的消耗是时常发生的现象，同时也是相关人员需要解决的问题，产生的能源浪费有着诸多的因素，本文主要从以下几点内容进行分析：
1、不重视节能设计，缺乏节能设计理念
从以往设计模式来说，机械设计的主要目的是将机械设备生产效率加以提升，相关人员一定要遵循这个理念。首先，需要对机械设备的运转速度、相应的载重数量进行考虑；其次，还需要对机械设备据是否具有安全性能、节能减排等方面引起必要的重视。随着我国国民经济水平的日益发展下，技术水平不断完善，机械设计理念不断更新，不但可以将机械设备的整体生产水平加以提升，而且还要求相关人员应当打破以往的传统设计理念，并对节能设计引起必要的重视。
2、设计人员专业水平较低
由于机械设计工作具有一定的专业性，这样就要求相关人员应当具备专业的理论知识以及操作能力。然而，某些设计人员没有较高的文化素养，设计理论也没有做到熟练掌握，并且不愿意接受新的事物，这种“吃老本”的情况就会在某种程度上致使机械设计出现落后的情况，从而使能源消耗过大。除此之外，还有某些设计人员没有对具体的情况进行详细的调查就开始进行机械设计，致使机械不能发挥出最大的作用。
3、技术水平较低，无法满足设计需求
机械设计在某种程度上会限制于技术，在新型的设计理念倘若没有技术的支撑，那么也会无济于事。在实际的生活中，一方面诸多节能设计思维形式依然会受到技术水平的影响。另一方面，倘若可以实现节能设计，那么就需要将设备的生产成本加以提升。从经济效益方面来说，机械制造有着较高的成本，还有某些节能技术被省略，所以导致节能没有较高的实现率。
三、机械设计节能基本原理及运用
1、动力源
发动机是机械设备的主要动力源，在机械节能设计时，要特别注意提高机械设备电能、动能、势能、热能等相互之间的转化率，由此需要尽最大努力减少发动机的输入功率、增大发动机的输出功率。在实际的生活当中，启动和减速这两个阶段主要体现了这一设计原理。
2、在设计时注意减少各部位之间的摩擦
机械设备个零件部位之间的摩擦力过大就会导致资源损耗大的问题。机械设备是通过齿轮、动力传送带等传送设备将发动机产生的动力运送到所需部位而运转起来的，在这个过程中，如果摩擦力过大，就会损失一部分动力，造成资源浪费，因此，在机械设计的时候，一定要尽量减小各个部位的摩擦力。例如，加强零件之间的等。
3、注重功率匹配节能
机械设备在不同的应用环境下所需要的功率大小是不一样的，合理的研究和分析在不同的应用环境下功率需求的大小至关重要，这可以为设计标准功率提供依据。在机械设备设计时，要注意经济效益和环境效益相结合，可以设计不同的挡位根据实际所需功率进行调节，以此应对不同的应用需求。
四、对做好机械设计节能的建议
1、重视人才培养，学习和运用新技术
机械设计节能涉及的知识范围很广，专业性很强，因此，对设计人才的专业性要求很高。机械设计节能需要大量的设计人才，人才是进行机械设计节能的核心基础，加强人才的培训是重中之重。⑴.在学校招聘高材生。⑵.企业加强对设计人员的培训。另外，技术是实现机械设计节能的必要条件，在机械设计中既不能超越实际的技术发展水平，又不能完全不敢突破，要积极学习和运用新技术。促进机械设计节能水平的提高。
2、重视设计选材环节，优先选择环保型材料和环保型发动机
在对机械进行设计的过程中，一定要对机器所选用的材料进行确定，在机械制节能设计的时候首要选择可以回收、没有污染的材料。不仅仅如此，机械设备最大的污染主要是来源于发动机，这样就要求相关人员应当选择油耗低、使用时间较长的发动机，避免发动机尾气产生过大的排放量，对机械设计节能起到了重要的作用。例如，可以选择环保型水冷增压柴油机亦或是相应的电控发动机。
3、加强电子控制系统的精确化控制
应用电子控制系统来对机械做好严格的控制是实现机械设计节能的关键所在。而电子控制系统能够实时的掌握机械的运作情况，利用智能化的形式来对发动机的功率进行辨别，为避免大量的消耗创造有利条件。
4、加强液压系统的清洁和防漏工作
机械消耗大的一个主要原因就是机械设备的磨损和腐蚀严重。机械设备磨损和腐蚀严重是因为液压系统的污染物较多。另外，浪费资源最大的原因是液压系统渗漏而，因此，进行节能设计时要加强液压系统的清洁和防漏工作。针对液压系统的污染物问题，可以加装一个高性能的过滤设备。对于液压系统渗漏问题，可以选用防渗漏的材料等。
五、结语
通过以上内容的论述，可以得知：随着当前我国经济水平的日益完善下，可持续发展已经逐渐成为全球长时间发展的关键所在。始终坚持可持续发展的道路，并确保自然资源发展方面能够达到和谐统一的效果。将节能减排的思想逐渐渗透到机械设计当中，是推动经济和社会实现可持续发展的重要途径。加大机械节能设计研究的力度，这样就需要相关人员对机械设计以及相关作用做到熟练掌握，本文主要从以上几个方面较好的论述了机械设计节能基本原理和作用，提供给相关人士，供以借鉴。
中图分类号：TE08文献标识码： A 文章编号：
1基于动能的机械设计节能方法证明
人们以往对系统动能变化率对输入功率的影响研究,主要对机器工作过程中经过“起动-工作(匀速)-减速”3个阶段中的第1和第3阶段进行分析。虽然也对不匀速的第2阶段进行分析研究,但主要是针对机器周期性速度波动和非周期性速度波动的如何调节,为提高使用寿命、工作精度进行研究,很少涉及到功率问题。所以,还应对系统动能的变化率对输入功率的影响进行分析研究。
机器系统结构复杂,在其内部所有运动件均按设计要求作各自的运动(平动、转动和平面运动等),故该系统动能T可表示为
(1)
式中:Ici为转动惯量;ωi为角速度;mi为质量;vci为速度。
对式(1)求导,可得系统动能变化率为
(2)
式中:εi为角加速度;αci为加速度。分析式(1)可得出如下结论:
短时间内,系统动能在最大范围内变化,或系统动能在制动过程中没有得到回收或转换而白白浪费等,均是系统动能变化率引起输入的功率较高和能量没有得到充分利用的原因;若系统动能为常量,则系统动能的变化率所需输入的功率为0,与速度的大小无关。
为了便于分析,将系统动能表示为由多个用周期函数表示的动能的叠加组合,计算式为
(3)
则系统动能变化率又可表示为
(4)
式中:ω为基频;b0为待定常数;t为时间;Bji为幅值;φjib为相位角。
分析可得如下结论:系统动能的变化率的大小取决于系统动能变化的最大幅值B和变化时间t,在相同时间内最大幅值B越小,则系统动能的变化率越小;系统动能变化的最大幅值由机器内各部件的动能的初相位决定;当系统动能的变化率呈周期性变化,在设计时既要满足提高使用寿命、工作精度,还要达到节能要求,此时,可配置一个相同系统动能的变化率呈周期性变化机构,2个系统动能的初相位相差π角度。
综上所述,归纳如下:①引起系统动能变化率较高和没有得到充分利用的原因为，短时间内系统动能在最大范围内变化;②系统动能在整个工作过程中没有得到回收或转换。基于动能的机械设计节能方法,在设计机械系统时,只要使系统的动能为常量,或在最小范围内变化;若机器系统动能的变化率呈周期性变化,还可再设计一个与原周期变化相同的机构,使2个系统动能的初相位相差π角度;对于制动频繁的机器或工作装置,应设计一套将能量(动能、势能)储存或转换系统;则维持系统正常工作所需输入的功率将会降低和能量得到充分利用。系统的动能为常量和在最小范围内变化的必充条件是,各动能2个相邻的初始相位角的之差为π或在π附近。
2降低其他输出力消耗功率NSF措施的论证
机器在工作过程中的输出力,针对不同的工作对象便以不同的形式表示,如车辆的输出力,包括行驶阻力、坡道阻力、惯性阻力等;刨床的输出力为刨刀的削力;振动机械的输出力还包括激振力;液压机械的输出力为推力或扭矩(与油压和流量有关)等。由此分析可得出,机器输出力是由不同形式的力组成的。
除了重力外,其他输出力在少数情况为常量,在多数工作状态为变量,若将其中某一输出力Fsi与其速度vsi的乘积可表示为某输出力消耗功率NSFi,或将其输出扭矩Msi与其角速度ωsi的乘积可表示为某输出力消耗功率NSF。则输出力消耗功率NSF可表示为
(5)
根据机器检测的数据结果,式(5)中每个输出力Fsi、Msi的工作速度,仍然以周期性的变化显示。根据周期函数的性质,周期函数无论是与常数还是其他任意函数的乘积,其结果为周期函数和非周期函数2种。所以机器系统其他输出力消耗功率NSF可以看作为多个周期函数和非周期函数的合成。现将其以多个周期函数合成表示为
(6)
式中:ω为基频;c0为待定常数;Cji为幅值;φjic为相位角。
分析结果可得:以周期函数和非周期函数表示的其他输出力消耗功率在较大范围内变化时所需匹配的平均功率较大;其他输出力消耗功率的变化与每个输出力Fsi、Msi和其工作速度vsi、ωsi有关;当其他输出力消耗功率在较大范围内变化,则每个输出力Fsi、Msi或系统动能必然在较大范围内变化。若要将其他输出力消耗功率降低,则以周期函数和非周期函数表示的其他输出力消耗功率应在较小范围内变化,其充分必要条件是每个输出力Fsi、Msi的工作速度vsi、ωsi的乘积所表示的周期函数或非周期函数的相位应相差π。
综上所述,归纳如下:①引起其他输出力消耗功率较高的原因为,短时间内输出力Fsi、Msi或系统动能在最大范围内变化;②降低其他输出力消耗功率NSF的措施,在设计机械系统时,只要使以周期函数和非周期函数表示的其他输出力消耗功率应在较小范围内变化,则维持系统正常工作所需输入其他输出力消耗功率将会降低;在最小范围内变化的充要条件是每个周期函数相邻的初始相位角之差为π或在πrad附近;针对某输出力和工作速度的乘积所表示的周期函数就是机器系统的周期函数,还想取得更佳的节能效果,应再附加一个相同周期函数机构,2个相同周期函数机构初相位应相差π。
3降低无用功率NR措施的论证
机器在将能量传送到工作装置和作用,并与工作对象(或介质)在工作过程中,由于摩擦发热、发声、以及弹性、塑性变形等,要损耗掉一部分功率,即无用功率。虽然其量与机器的传动方式、制造精度、条件等有关,但对损耗功率的发声、弹性、塑性变形现象进行动力学分析,可知产生该现象的主要原因是,部件运动过程中的惯性作用使其受力不均匀、变化较大。从能量分析可得出,部件受力不均匀、变化较大的原因是,系统的动能或势能在较大范围内变化。
动摩擦因数不仅与接触物体的材料和表面有关,而且与接触物体间相对滑动的速度大小有关,动摩擦因数随相对滑动速度的增大而减小;若系统的动能或势能在较大范围内变化,即使部件的接触表面的摩擦因数不变,但接触表面的正压力则呈周期变化,所以摩擦力与摩擦力损耗功率呈周期变化。同时鉴于机器发声、弹性变形也基本都是周期性的,故无用功率NR可用周期函数表示为
(7)
式中:ω为基频;d0为待定常数;t为时间;Dji为幅值;φj为相位角。
分析以周期函数和非周期函数表示的无用功率,可得:当以周期函数表示的无用功率在较大范围内变化时,所需匹配的平均功率较大;当无用功率的变化主要与每个无用输出力Fsi、Msi的工作速度vsi、ωsi有关,若其他输出力消耗功率在较大范围内变化,则无用输出力Fsi、Msi或系统动能必然在较大范围内变化。
引起无用功率较高的原因是,短时间内以周期函数表示的无用功率在较大范围内变化。降低无用功率NR措施:在设计机械系统时,只要使以周期函数表示的无用功率在较小范围内变化,则维持系统正常工作所需输入无用功率将会降低。
4机械设计节能基本原理的归纳整理
将基于动能的机械设计节能方法,降低其他输出力消耗功率的措施,降低无用功率的措施归纳为机械设计节能基本原理。在设计机械系统时,只要使系统动能为常量,或使其能量在最小范围内变化;只要使以周期函数和非周期函数表示的其他输出力消耗功率、无用功率在较小范围内变化;调整系统动能变化率、其他输出力消耗功率、无用功率3个函数初相位,使输入功率函数幅值在最小范围内变化;若机器或工作装置使输入功率函数幅值在较大范围内变化,应再配置一个与输入功率相同周期函数的工作装置,使新的合成输入功率函数幅值在较小范围内变化,或直接配置一套能量储存或转换系统;则维持系统正常工作所需输入功率将会降低,系统能量将得到充分利用。
5结语
机械设计节能基本原理对设计机械、机电产品具有较好的节能效果，它是降低输入功率、充分利用功率以及提高机器性能的理论基础和有效方法。
在经济发展与城市化建设中，机械设备是不可缺少的发展因素，而这也使机械设计与制造行业的发展逐渐受到重视。机械设计与制造行业的发展，不仅会其它各个行业得以发展的重要支持依据，也是发展社会经济的重要推动力。随着节能减排这一政策的推行，传统机械设计与制造不符合该政策的要求，应对其进行创新。网络时代背景下，为符合时展的需求，机械自动化逐渐成为了机械设计与制造行业的发展方向，而这也是推动社会经济向可持续方向发展的重要基础。
1机械设计制造及其自动化的设计原理
随着科技水平的不断提升，新型信息技术与机械设计制造技术的结合，也为机械设计与制造行业的发展提供了机会。时展背景下，机械设计与制造技术的创新是推动社会经济发展的重要动力，也是增强企业市场争力的重要基础。自动化生产作为目前机械设计与制造的发展方向，不仅能够提升机械设计与制造的质量和效率，也能够降低机械设计与制造的压力，对推动其他各行业的发展也可提供更大的保障。基于此，为确保机械设计制造及其自动化能够实现可持续发展，应依据下述原理对机械设计制造及其自动化进行设计，以便促使其能够推动社会经济的快速发展。
机械设计制造及其自动化的设计原理如下：第一，效率化原理。机械设计制造及其自动化的设计是为满足其他行业发展对机械设备的需求，是为了确保对信号、能量、物质的自动化传输和加工能够真正实现，也是为了达到提升机械设备运行效率、降低生产压力的目的。基于此，在对机械设计制造及其自动化进行设计的时候，应坚持效率至上的原则，以提升效率为目标，对自动化技术予以充分使用，以此提升机械设计制造的自动化水平，以便确保机械设计与制造业能够得到更好地发展，进而达到提升企业生产质量和效率，增加企业所获得经济效益的目的。第二，节能减排原理。机械设计制造业作为推动社会经济发展的重要动力，其的发展会对社会经济及其他行业的发展造成极大影响。机械设计制造业的发展对各类能源的依赖性比较高，需要消耗大量的能源，而且伴随着该行业发展速度的不断加快，对能源的消耗量也在大幅度增加，这也导致能源短缺问题越发明显，从而对国家经济实施可持续发展战略造成不利影响。基于此，为降低对能源的效率，减轻机械设计制造及其自动化发展对生态环境造成的破坏，在机械设计制造及其自动化发展过程中，应依据节能减排政策的相关要求，对机械设计制造及其自动化技术进行创新，以此提升能源利用率，降低能源消耗量，减少污染物的排放，以便在此基础上促使机械设计制造及其自动化能够实现可持续发展，进而为推动社会经济及其他行业的发展奠定基础。第三，绿色发展原理。为确保社会经济的发展能够满足可持续发展战略的相关要求，在对机械设计制造及其自动化进行设计的时候，应坚持绿色发展原则，改革机械设计与制造技术，提升机械设计与制造的自动化水平，以便确保机械设备的设计与制造能够符合绿色产品的生产要求，进而促使社会经济能够真正实现持续健康的发展。
2机械设计制造及其自动化的发展趋势
2.1提高产能
经济的发展与社会的进步离不开各行业的支持。随着机械设计制造及其自动化的产生和发展，对社会经济及其他行业造成了极大的影响。在当前社会发展背景下，为了满足各行业发展对机械设备的多样化需求，机械设计与制造技术的更新换代越来越快，而这也为机械设计制造及其自动化的发展提供了空间。基于自动化技术的产生和发展，机械设计制造与先进科学技术的结合越发紧密，而这不仅对提升机械自动化设备的灵敏度、适应性极为有利，也能够真正实现对参数、温度等因素的自动控制，对物质、能量的自动传输和加工。在此基础上，各行业的产能将会得到大幅度提高，对各类能源的消耗也会得到有效降低，而这也为社会经济可持续发展的实现奠定了基础。
2.2实现机电一体化
随着社会经济发展速度的不断加快，各行业发展对机械设备的需求量也在不断提升，对机械设备的要求也变得多样化。为更好地满足各行业发展对机械设备提出的高要求，应对机械设计制造及其自动化技术进行创新，以此提升机械设计与制造的质量和效率。当前社会发展背景下，基于对机械设计制造与自动化技术的结合，机械设计与制造也正逐渐向机电一体化方向发展，这对提升机械设计与制造的质量和效率极为有利。在机械设计与制造业发展过程中，机电一体化的实现是对电子电工技术、信息技术等先进科学技术的综合应用，可以使各行业发展对机械设备提出的多样化需求得到更好地满足，对推动社会经济的发展也极为有利。
2.3实现自动化生产、智能化管理
随着科技水平的不断提升，基于对自动化技术、信息技术、智能技术等先进科学技术的发展和应用分析，自动化生产、智能化管理将成为机械设计与制造业的未来发展方向。在市场竞争日益激烈的今天，机械设计与制造企业要想提升自身的市场竞争力，必须依据机械设计与制造业的主流发展方向，对自身的发展观念和管理策略进行创新，优化机械自动化技术，利用智能化管理措施，对机械设计与制造过程进行全方位的管理，据此实现对机械设计与制造的自动化生产和智能化管理，以便确保机械设计制造及其自动化能够得到更好地发展，进而为推动社会经济的持续、健康发展予以支持。
3结束语
伴随着信息技术的广泛应用，为满足社会经济发展对机械设备提出的高要求，机械设计与制造的自动化必将成为机械设计与制造业的未来发展方向。在此基础上，机电一体化、生产自动化、管理智能化也将成为机械设计制造的主流发展趋势，而这对推动机械设计与制造业的发展，满足各行业发展对机械设备的需求也极为有利。
参考文献：
现如今，低碳环保、节能减排已经成为人们时常挂在嘴边的耳熟能详的流行词汇，而实际上，这样的事情都是说起来容易做起来难，国家虽然对此情况做出了相应的规定，也颁布了一些有针对性的法律条文，也加强了这方面的监督，但是收效甚微，很多问题仍然存在。工业行业特别是矿山行业本身就是能耗较高的产业，为了社会发展和工业需求的满足，很多重型设备机械被设计研制出来，应用到矿山的开采当中，这些设备的耗能高，如何解决该行业中的环保问题，走上节能减排的道路，还是非常值得我们深入研究的。就目前的形势来看，节能减排已经成为世界的主题，就矿山机械行业这样的耗能大的行业来说，将会给技术设备的研究设计提出更高的要求，矿山机械行业同时也面临着更大的挑战。
1 机械设计节能的背景
伴随着社会经济的发展，能源的利用和消耗都是空前的强盛，这也进一步使环境问题更加的恶化，给自然生态和人们正常的生活带来了严重的影响。我国自改革开放以来，一直非常注重工业生产，对环境问题的重视不够，对环境的破坏现象越来越多。所以，必须将环境问题的关注提上日程。
背景分析。我国目前所面临的节能减排的形势是非常严峻的。工业生产一方面给人们的生活做出了突出的贡献，另一方面也增加了能源物资的消耗，破坏了生态环境，影响了人们的生活质量，阻碍了工业的可持续发展。矿山制造业在节能减排的过程中占据着重要的位置，无论是从矿山的开采、材料的冶炼、零部件的加工，还是机械的使用、报废处理，这些都会不同程度的产生污染。矿山行业每年报废淘汰的产品比较多，如果没有进行合适的处理，不仅仅会造成极大的资源浪费，还将对自然环境造成极大的污染。所以，凡是从事机械制造的人员，身上都始终肩负着节能减排、降低污染、节约原料的责任，他们必须采取行之有效的措施，尽力完成这一艰巨的任务。
机械设计在节能减排的过程中作用非常大，机械生产首先从设计开始，机械的强度、寿命、制造和装备的工艺性，材料和热处理的选择，使用和维修是否方便，是否具有回收和再利用的可能性等等，这些都是在机械设计阶段必须进行决定和解决的。设计的过程中如果出现了错误或者是不足，在以后的生产和使用的过程中都将是无法进行更正的。所以，要想将节能减排落到实处，就必须重视机械的设计。设计的过程必须有合理的制度和严格的管理，设计师要参与到有关规定和制度的制定当中来，这样会使制度更加的全面合理。
2 机械设计中节能原理应用的必要性
在机械设计的过程中，一般的设计单位都没有进行统一和固定的能源消耗标准的明示，这直接导致了现代机械设计在加工的过程中，无法对优化后的生产工艺进行节能降耗的及时分析，同时由于目前采用的工艺技术和工艺流程等都相对成熟，在这样的情况下，机械设计加工企业几乎没有对生产过程中的节能降耗问题进行综合的分析和考虑，这在一定程度上提升了机械设计加工的企业在能源上的过量消耗。并且在生产的过程中，机械设计加工企业普遍都是比较关注机械加工的效率和精度，很少关注能源的消耗与浪费，因此很少有机械设计加工的企业会考虑如何提高设备的能源利用率，而进行科学合理的技术措施的采用，或者在机械设计加工的过程中，通过对整体能源消耗量进行有效控制，实现节能降耗的目的。对于组织开展机械设计加工作业的具体操作人员来说，在生产的过程中，关注的一直都是工作效率，并且企业也没有将能源消耗纳入到绩效考核中来，这样的管理模式影响和制约了节能减排的实施。
3 机械设计节能的基本原理
矿山工程机械环境的性能情况和对环境的负荷在很大程度上都是由设计部门在设计的阶段事先确定好的，所以进行节能型工程机械的开发研制最应该注重的就是设计的阶段。
3.1在材料和资源的选用上尽量选择可再生利用的
在材料和资源的选择上，各系统及部件的设计尽量选择可回收、易分解、能再生的，同时在加工和使用的过程中对于环境的影响不大甚至是没有污染的的材料，特别是对于结构组件的设计，尽量选用比较容易装配和分解的大模块化结构和无毒无害的材料，提高工程机械材料可再生的可能性。
3.2在产品的零部件设计上，遵循长寿命、低能耗和减轻重量设计的原则
工程的设计人员应该再保持主机的相关性能参数的前提下，尽可能的减少主机和附属作业装置或者是机具的体积和重量，提高动力传动系统零部件的强度和耐久的性能，实现液压系统的轻量化和高效率，进而降低对环境的负面影响。
3.3低公害、防渗漏、节能高效的发动机
在工程机械产品设计的过程中，尽量保证低公害、减震降噪、防渗漏、节能减排、高效，选用低公害的发动机，发动机是工程机械所有系统中对环境影响最大的部件，采用低油耗、低排放、低噪声、高效率的环保型冷增压柴油机性能大大降低对环境的负荷。
4 机械设计节能基本原理在矿山行业中的具体措施应用
伴随着国家经济建设的发展，我国大型工程项目逐步开工，矿山工程施工机械的品种和数量已经达到了比较可观的程度，在全球范围内各地的机械数量还在不断的增加。但是，大部分的工程机械对于能源的消耗、排放产生的污染物给环境都造成了不可估量的负荷。为实现大量工程机械对环境的污染最小化，加强对我们生活的地球资源的保护，实现全球经济环境的可持续发展，提高操作人员的工作安全性和工作的舒适性，尽可能的实现人、机、环境的高度亲和统一，非常有必要根据矿山行业的环保标准进行工程机械产品的设计。但是随着国内外环境保护意识的增强，可以预见的是开发研制环保节能型的机械产品必将是今后矿山工程机械设计的主要潮流和趋势。
4.1将节能理念融入到机械设计中
随着经济的发展，人们的生活水平不断的提高，而环保意识在人们的心目中也逐渐的增强，在这样的形势下，机械设计无论是企业还是管理层都一致的认识到：利用生产效率很难能够提升和强化自身的市场竞争能力，通过节能基本原理的推广和实施，不仅能够帮助企业节约一定的生产成本，实现经济效益的最大化，并且能够在激烈的市场竞争中，确保企业的市场竞争力，增强核心技术的优势。因此，在整个机械产品的生命周期中，机械设计加工企业必须始终做好节能基本理念的贯彻落实。机械设计加工企业需要加强设计人员的教育和培训，协助设计人员提升自身的业务能力，也能帮助设计人员不断的进行节能知识的丰富，这样才能在每一个机械产品设计方案中，有效的落实节能的目标。
4.2将机械设计节能基本原理应用在矿山机械加工设备的设计中
机械加工主要是指通过一种机械设备，对工件的外形尺寸或者是性能进行改造的全过程。在矿山行业中，大多数的应用型设备都是经过机械加工而形成的。机械化的生产过程，就难免会使用冲压、焊接等机械设备，就单单从焊接工具的方面来看，针对指定的加工对象进行加工，并且按照既定的图纸进行改造的时候，需要电力充分的支持，这就难免会在整个加工的流程中，浪费一定的能源。因此，将机械设计的技能原理应用于矿山机械加工设备的设计中，是十分必要的，能产生很大的节能价值。
4.3将机械设计节能原理应用到矿山升降机械的设计中
升降机械主要是利用压力容器或者是链条达到促进升降设备移动的目的，主要是进行高空作业或者是高空维修时进行使用。正是由于升降设备使用的情况，要完成良好的高空作业，就必须具备强大的动力能量，才能保证将设备送至指定的高度，进行现场作业的实施。所以，升降机械在能源的消耗上是比较大的，这就需要进行相应的改造。
结合节能型液压升降机的工作情况和结构原理，对主要的技术参数进行筛选和有效的讨论，设计出来的液压系统结构相对简单，工作比较可靠，并且工作效率较高，耗能低，在达成势能回收的同时，又能增加液压系统的工作平稳性，可以给设计和制造以及使用单位一定的启示。
5 结语
现如今，受企业自身的规模和实际的技术水平等因素的影响与制约，大部分的机械设计公司特别是中小型机械设计企业，在具体的操作中，一般的生产模式都是逐一进行单件产品生产，从而导致了企业无法进行流水线式生产模式推广，在某种程度上增加了企业生产的能耗。所以，机械设计企业需要创新模式，积极推广使用批量生产模式，帮助企业不断优化自身的内部资源，降低加工生产的能耗。
综上所述，将节能基本理念融入到现代机械设计之中，能够有效的帮助企业实现自身的可持续发展，否则在现如今激烈的市场竞争中，机械设计企业很难形成坚固的技术屏障，面对社会能源的日趋紧张的局面，市场将会淘汰能源消耗量大的企业。为此，机械设计企业必须采取相应的措施，不断的降低能耗，实现自身的可持续发展。
参考文献：
2机械设计中设计人员应该树立创新的理念
要想突破传统的模式，在设计上有所创新，对机械人员首先就要要求其具有大胆的创新理念并会将其运用到时间中去。创新就是突破传统的思维模式，运用现代超前的理念进行问题的思考。对于一个设计者而言，缺少创新意味着他在工作上无法得到肯定。优秀的机械设计者要时刻谨记创新理念，要用创新的思维对问题进行深入的思考，再结合自己的专业知识将自己的设想转化成现实。
3机械的优化中应该具备的创新方式
（1）智力思维法———这是一种发挥集体智慧的方法，它通常是通过抓住瞬间的灵感或潜意识的新想法或通过相关专家人士针对某一目标进行讨论，通过相互启发、激励，在越来越多的思路中，在越来越好的方案中取长补短，最终引起创新设计的连锁反应，为机械设计提供更好的创新成果。
（2）列举创新法———这是指依据一定规则，列举研究对象的各种性质，通过对这些性质的逐项分析，寻求改变来又发创新设想的方法。它适合于现有事物的改进及应用型的开发，一般经过的过程如下：列举特征———改变特征———改变事物。
关键词：
OBE；工程教育；《机械原理》课程设计
为了推进工程教育改革，促进中国工程教育的国际互认，培养与国际接轨的中国工程师，由专门的职业或行业协会（联合会）、专业学会针对高等教育机构开设了工程类专业实施专门性认证，工程教育认证强调工科专业人才培养质量达到行业提出的基本质量标准要求，是一种合格性评价[1，2]。工程教育专业认证强调的三个核心理念：产出导向（Outcomebasededu-cation，简称OBE）、学生为中心、持续改进，这些理念代表了工程教育改革的方向，是一种先进的教育理念[3]。我国若要成为《华盛顿协议》正式签约组织，就必须基于OBE理念，深化我国的工程教育改革和工程教育认证体制。《机械原理》是机械类专业必修的一门重要的技术基础课，它是研究机械的工作原理、构成原理、设计原理与方法的一门学科，而《机械原理》课程设计是紧随《机械原理》课程之后的实践性教学环节，是《机械原理》课程的延伸[4]。基于OBE工程教育认证的12条毕业能力要求及课程规划，《机械原理》课程设计需培养的主要能力包括：1）掌握工程基础理论知识并能将其应用于工程问题（毕业要求1）；2）具有分析和解释数据，得到合理、有效结论的能力（毕业要求2）；3）具有综合运用机械设计理论和技术手段设计复杂机械系统、部件和过程的能力（毕业要求3）。本文基于OBE工程教育理念对《机械原理》课程设计课程能力的上述四条要求，结合近年实践经验，阐述我校《机械原理》课程设计改革模式，并为其《机械原理》课程设计改革提供参考。
一、机械传动系统设计能力
《机械原理》内容包括两部分，其一是对现有机构的学习，包括构型分析、运动学和动力学的学习；其二是针对具体任务，利用所学机构学知识，设计传动方案。前者称为分析，后者称为型综合，《机械原理》学习的最终目的，就是要达到型综合的高度，《机械原理》课程设计正是锻炼综合能力的实践教学。遗憾的是，传统的《机械原理》课程设计，体现不出OBE所要求的设计系统的能力，复杂机械系统更无从谈起，因此，改革势在必行。基于OBE教学理念的课程设计改革使设计题目多样化，调动学生设计的积极性而不限制其思维，并且课程设计只提出最终要求而不限制方法，为了让学生在规定的时间内独立完成设计任务，题目不宜太深太复杂，其原则为：题目具有综合性，以运动方案设计为主；题目要覆盖《机械原理》课程的主要内容；题目应结合生产实际，是学生在日常生活、生产实践中所熟悉的；题目的设计结果应包括两到三种基本机构，也允许选用其他常用机构或组合机构；题目要有一定的灵活性和创新性，有利于发挥学生的创造力。在设计题目确定后，需对已选题目提出三种运动方案，并经反复论证，确定一种最佳运动方案进行设计和分析。这种自由选题的模式可大大提高同学的兴趣。设计方案由学生独立提出，经独立地分析、比较后确定最佳方案，以发挥其主观性、创造力，使学生受到一次真实的设计训练，进而提升其机械传动系统设计能力。此外，改革后的课程设计，学生们可以自由组合，每个小组自由选择设计题目，小组成员分工协作，共同完成设计任务。从选题、论证、设计到最后提交设计成果，共同讨论、研究，各自发挥自己的长处，不仅培养了创新意识和创新能力，也使他们体会到团队合作的作用。这也符合OBE培养大纲中工程毕业生个人能力和人际团队能力培养的要求。
二、工程基础理论知识应用能力
传统的《机械原理》课程设计中，方案确定之后，其相关运动参数也随之给定，每个学生需要做的就是绘制机构运动简图，利用图解法和解析法对所选机构的位移、速度、加速度及力进行分析，并绘制机构运动线图和作误差分析，最后编写课程设计说明书。从本质上来说，这样的设计仅能算一次作业，效果并不理想。尽管学生都能按部就班地完成设计任务，但却调动不了学生的设计兴趣，对工程基础理论知识的应用缺乏深刻理解，谈不上对学生的毕业能力的培养。基于OBE教学理念的课程设计改革使设计题目多样化，只提出最终要求而不限制方法，学生可以充分地利用所学的理论知识去解决实际的问题。考虑到《机械原理》课程设计时间较短，教师在《机械原理》课程教学中，需提前做出安排，如现代工具的使用、软件的学习、各种方法的比较、综合性作业安排等。任务的不确定性导致解决方法的多样性。学生需要根据所选择任务，基于所学的机构学知识，甚至查阅相关文献去设计解决方案，当多个设计方案确定后，需要比较各方案的优缺点，必然会深入了解每个所设计的传动方案，最终方案确定后，需对其进行结构、运动学和动力学分析，因有了方案设计的深刻理解，设计的目的已非常清楚，在相应分析时，对方法的选择和掌握自然水到渠成，加深了对所学理论知识的认识，明确了理论知识的实际应用，从而不至感觉学无所用。
三、分析和解释数据能力
在我国的工程教育认证中，第二条毕业要求学生能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论[5]。传统课程设计整个传动方案为教师所指定，分析方法固定，无需学生深入了解，只需按部就班完成画图和分析即可，可见，传统课程设计在第二条毕业能力要求上基本没起到培养作用。改革后的课程设计，从设计任务到设计方案的确定，均需要学生根据具体情况进行分析，然后根据所学知识，自己设计传动方案，并需要通过多方案的比较而得出可行方案。在方案确定后，详细设计传动系统时，需要根据实际任务确定各参数，最后对机构进行分析，并对数据进行误差分析。为了更真实地让学生理解数据的意义和正确性，要求学生对所设计的传动方案进行全部或者部分的搭接实验，通过搭接实物并测量参数，再与理论分析数据进行对比，找出误差存在原因，从而得出相应结论。
四、考核方式的改进
评估学习产出是OBE教育模式中十分重要的环节，如何合理地对各项能力进行客观评价，对课程的改革及持续改进有非常重要的作用，与课程设计所培养能力相对应，《机械原理》课程设计成绩分为四部分：选题成绩、平时成绩、设计成绩及答辩成绩。各部分成绩分值及考核依据如下。选题成绩占总成绩的30%。主要考查设计机械传动系统方案能力。每个团队均需通过PPT形式，结合参考文献查阅或调研情况，对自己团队的设计任务进行说明，根据所定任务设计两到三种机械传动方案，每个方案中必须包含两至三种典型传动机构，并且必须包含四杆以上连杆机构。根据传动方案是否合理、考虑是否周全、有无创新点、是否实用进行综合考核。平时成绩占总成绩的10%，主要依据设计阶段的出勤情况和态度评定，这是设计正常进行的基本保证，也是初步对毕业要求9中个人与团队能力的培养。设计成绩占总成绩的40%，主要评估工程基础理论知识应用能力与分析和解释数据能力，根据所选择分析方法、数据分析的正确性、模型建立、运动仿真、简图绘制等进行评价。答辩成绩占总成绩的20%，各组将集中设计阶段的工作及成果以PPT形式作汇报，主要介绍组员分工及完成情况，组员自评分，搭接视频等，并回答提问，据此评判答辩成绩。通过此类考核方式，对毕业生的能力9（个人与团队）和10（沟通，包括撰写报告和陈述发言、清晰表达或回应指令）也起到初步培养的效果。此外，上述基于OBE工程教育理念的考核方式对教师的教学投入提出很高要求。例如：教师需要投入较多的精力和心血研究繁琐的教学目标分解和教学方法选择，要求其自身具有扎实的专业理论知识、较广博的基础知识面、较强的动手能力及计算机应用能力。对设计中可能出现的各种方案及其特点要有充分认识，能够正确引导学生，使他们经过认真思考和分析比较后，可以选择一个适当的方案。这样才能适应当前实践教学改革和发展的需要，从而有效引导学生积极思考，培养他们的创新能力。
五、结束语
经过近两年的实践，发现根据OBE教学理念改革后的《机械原理》课程设计，为学生机械传动系统设计能力、工程基础理论知识应用能力、分析问题和解决问题的能力以及团队合作和工程实践能力的锻炼和提高提供了很好的平台，并确实取得了较好的效果。然而，OBE工程教学模式是一个系统的工程，无论是在设计内容，还是在设计方法和评估方式上，还有很多需要完善之处，需要进一步的改革和探索，持续改进，以更好地培养学生相应的毕业能力，实现培养与国际接轨的中国工程师的目标。
作者：曾达幸 李飞 侯雨雷 宜亚丽 郑立娟 张芳芳 单位：燕山大学机械工程学院
参考文献：
[1]中国工程教育专业认证委员会.工程教育认证一点通[M].北京：教育科学出版社，2015.
[2]余天佐，刘少雪.从外部评估转向自我改进—美国工程教育专业认证标准EC2000的变革及启示[J].高等工程教育研究，2014，（6）：28-34.
中图分类号：G622.3 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2009）017（c）-0113-01
机械原理课程设计能够培养机械类专业学生创新能力，是学生综合运用机械原理课程所学的理论知识解决实际问题，获得工程技术实训的实践性教学环节。长期以来，各个学校来对“机械原理”课程设计的教学内容与教学方法进行了不少的改革，取决了较好的效果。但在课程设计过程中对机械机构的方案进行对比分析或变参数分析存在很多局限性，这在一定程度上影响到这门课程的教学效果和学生的学习积极性。
为进一步巩固学生在课程阶段所学的理论知识，培养其独立分析和解决问题的能力，解决产品方案设计教学与结构设计教学相脱节的问题，获得产品开发的综合设计能力，笔者让学生利用ADAMS软件完成课程设计中的机械运动学及动力学的分析和设计，这改变了原来学生用图解法或解析法进行机械原理课程设计的传统做法。让学生在设计过程中得到系统的训练，这使学生变学生的被动学习为主动学习，教学效果很好。
一、虚拟样机技术――ADAMS简介
虚拟样机技术是一项新生的工程技术。借助于这项技术，工程师们可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统的设计与过程。ADAMS是由美国MDI公司开发的一套应用最为广泛的机械系统运动学和动力学仿真分析软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析，利用ADAMS软件建立参数化模型可以进行设计研究、试验设计和优化分析，为系统参数优化提供了一种高效开发工具。因此，利用ADAMS软件可对机械原理中凸轮机构、齿轮机构、曲柄连杆机构等常用机构的静力学、运动学和动力学特性进行仿真，使学门了解现代计算机辅助机械设计的高效、直观、快捷的特点，从而提高他们的学习积极性。
二、ADAMS在机械原理课程设计中应用
机械原理课程设计的内容和步骤如图1所示。以机械运动方案设计与解析法机构设计好机构后，可以用ADAMS进行三维运动仿真验证机构设计的合理性。
ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。同学用户在仿真过程进行中或者当仿真完成后，都可以观察主要的数据变化以及模型的运动。这些就像做实际的物理试验一样。ADAMS的仿真流程如图2所示。
1、建模：ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一，可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚拟样机。几何建模是ADAMS/View仿真分析的第一步，先要建立好几何模型（或者从CAD软件中导入）、然后用约束限制和定义ADAMS中各零件的位置和运动，模拟机械的实际运行状况。最后利用外力或运动将他们驱动。ADAMS/View支持参数化建模，以便能很容易地修改模型并用于实验研究。
2．求解：ADAMS/Solver会根据设定自行运算求解，得到如位移、速度、加速度、作用力及反作用力等信息，不但能得到最终结果，而且还可以获得计算过程中的每一步的信息。设定仿真时间及仿真步数，设定完毕后点击即可开始仿真，提交给求解器，在求解的同时，主窗口会同步显示模型的运动状况。待仿真结束我们通过可以进行动画回放模型的运动过程。
