食品機械的全生命周期設計

1  基本特征  

食品機械全生命周期與其壽命有所不同。食品機械全生命周期包括設計、制造、使用、報廢、處置等整個閉環(huán)周期；而壽命往往指食品機械從出廠或投入使用后到產品報廢不再使用的一段區(qū)間，僅是全生命周期內使用期的一部分。由于食品機械傳統(tǒng)設計的功能和性能主要在使用期內實現，所以傳統(tǒng)設計主要解決食品機械運行的功能、性能和使用壽命的設計?；谑称窓C械的社會效應，全生命周期涵蓋全壽命期，全壽命期涵蓋經濟使用壽命和安全使用壽命。作為全生命周期的一個重要轉折點，食品機械報廢一般有三種判據： 一是功能失效；二是安全失效；三是經濟失效。  
進行食品機械全生命周期設計，意味著在設計階段就要考慮到其生命歷程的所有環(huán)節(jié)，以求全生命周期設計的綜合優(yōu)化。食品機械全生命周期設計主要有三個目的：一是在設計階段盡可能預見食品機械全生命周期各個環(huán)節(jié)的問題，并在設計階段加以解決或設計好解決的途徑。二是在設計階段對食品機械全生命周期內的所有費用(包括維修費用、停機損失和報廢處理費用等)、資源消耗和環(huán)境代價進行整體分析，zui大程度地提高食品機械的整體經濟性和市場競爭力。三是在設計階段對從材料選擇、制造、維修、零部件更換、安全保障直到產品報廢、回收再利用等全過程，對自然資源和環(huán)境的影響進行分析預測和優(yōu)化，以積極有效地利用和保護資源、保護環(huán)境，創(chuàng)造良好的人機交互環(huán)境。  

2  主要設計內容  

食品機械全生命周期設計實際上是面向全生命周期所有環(huán)節(jié)、所有方面的設計。其中，每一個面向都需要專門的知識、技術做支撐，滿足全生命周期不同方面的需求，發(fā)現所存在的問題并提出改進方案。  
2.1面向材料選擇的設計  
在食品機械全生命周期設計中，材料的選擇應考慮如下因素：  
2.1.1 材料的衛(wèi)生性能 食品機械的制造材料主要是不銹鋼，其次還有工程塑料和橡膠。尤其是與食品接觸的材料，要認真考慮衛(wèi)生問題，保障加工的食品符合食品安全要求。食品機械設計中，應該保證所選擇的材料不得向食品中遷移有害物質。這就需要設計者對食品機械材質進行認真研究，不僅要掌握材質的化學成分、組織結構，而且還要熟悉其使用環(huán)境，以避免材料的有害物質向外遷移。  
2.1.2 材料的安全性能 主要考慮滿足食品機械本身的功能、性能以及質量設計的有關材料性能，包括材料的常規(guī)機械性能、疲勞斷裂性能、抗復雜環(huán)境侵蝕的性能等。用于制造食品機械的材料，在整個生命周期內的各個階段都不能危害人的安全與健康。因此，在食品機械設計中要求選擇的制造材料，具有足夠的機械強度和剛度、足夠的環(huán)境適應能力和機械可靠性、足夠的抗物理性能危害等。  
2.1.3  材料的環(huán)保性能 在食品機械制造和使用過程中，要求材料對環(huán)境無害、與生態(tài)環(huán)境和諧共存、具有良好的使用性能、資源和能源消耗少、報廢后回收利用率高以及有利于人體健康，其本質特征在于全生命周期內具有較低的環(huán)境負荷值。  
2.1.4  材料的加工性能 主要包括食品機械制造材料的可鑄造性、可鍛造性、可焊接性、可切削性、可沖壓性、可彎曲性以及可耐磨性等。在設計階段考慮材料的可加工性，可以提高食品機械的經濟性，減少能耗和制造過程中的不利副產品。尤其是外形復雜、加工精度要求高的零部件，考慮加工性能夠顯著提高食品機械制造工效和降低成本。  
此外，材料的價格性能比是制約設計選材的一個重要因素。但在全生命周期設計中不能單純看待材料價格，而應當全面分析材料的使用效能。針對材料的產品設計，材料的選擇和結構細節(jié)設計是一種互動關系。當材料性能難以滿足產品性能或壽命要求時，必須改進設計。  
2.2面向制造過程的設計  
在設計階段，可利用計算機輔助工程(CAE)方法對食品機械制造過程進行模擬分析，改進設計以簡化加工制造工藝、簡化模具和夾具設計、充分利用標準件等。設計中一些小的改進往往會在很大程度上方便制造、降低制造成本、縮短制造周期。例如，在食品機械零件的沖壓成形制造中，如能夠在設計階段利用大變形接觸問題的有限元軟件對成形過程進行模擬分析并優(yōu)化設計，會避免許多設計缺陷和由此導致的制造困難，提高成品率和生產效率。采用CAE方法的目的是進行食品機械的分析計算與分析仿真，具體包括工程數值分析、結構與過程優(yōu)化設計、結構強度與壽命評估、運動/動力學仿真。其中工程數值分析用來分析確定產品的性能；結構與過程優(yōu)化設計用來保證產品功能、工藝過程的基礎上，使產品、工藝過程的性能*；結構強度與壽命評估用來評估產品的精度設計是否可行，可靠性如何以及使用壽命為多少；運動/動力學仿真用來對計算機輔助設計（CAD）建模完成的虛擬樣機進行運動學仿真和動力學仿真。從過程化、實用化技術發(fā)展的角度看，CAE的核心技術為有限元技術與虛擬仿真技術。   
上食品機械制造技術發(fā)展到今天，已形成門類齊全的制造工藝。與現代信息技術、計算機技術、控制技術、人工智能等相結合，促進了食品機械制造技術已由傳統(tǒng)的制造技術發(fā)展到現代制造技術。食品機械的設計，應充分與各種制造工藝和制造技術相協(xié)調，才能發(fā)揮各種制造技術的長處，方便制造并提高工效。對大批量制造的食品機械，設計的零部件應能適應生產線流水作業(yè)制造。在面向制造過程的設計中，方便裝配是全生命周期設計必須考慮的又一重要因素。裝配方式、裝配強度、裝配工藝應在設計階段確定，以避免裝配過程的困難或臨時改動對食品機械完整性的破壞。  
2.3面向產品功能的設計  
食品機械產品功能和性能的開發(fā)，依賴于相關多學科的發(fā)展和技術突破，同時也受市場需求的推動。產品功能和性能設計一直是食品機械設計的核心內容，也貫穿于食品機械全生命周期設計的所有環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)的設計相比，現代食品機械具有一系列新的特征。模塊化和標準化已被證明是保證食品機械高性能、低成本和開發(fā)周期短的有效方式。但隨著技術發(fā)展的推進和市場需求的拉動，對食品機械節(jié)能減排、保護環(huán)境、安全衛(wèi)生的要求日益突出。在食品機械全生命周期設計中，如何將模塊化和標準化要求與節(jié)能減排、保護環(huán)境、安全衛(wèi)生要求協(xié)調統(tǒng)一，是食品機械爭奪市場競爭的關鍵。在食品機械產品性能與功能方面，可以充分發(fā)揮模塊化和標準化的優(yōu)勢，而在產品的表現形式、外部結構等方面盡量滿足節(jié)能減排、保護環(huán)境和安全衛(wèi)生的市場要求。集成化和綠色化往往帶來食品機械產品性能和環(huán)保問題的歷史變革。其中，集成化是將代表食品機械*特征的技術和性能集合在一起，在充分體現技術和性能*的前提下，力求簡化產品結構，節(jié)約制造材料，降低制造成本。而綠色化則是從節(jié)能減排、環(huán)境保護、安全衛(wèi)生等方面考核食品機械的技術狀況，把生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展擺在重要地位，成為食品機械產品品質的重要組成部分。  
現代食品機械除了滿足節(jié)能減排、保護環(huán)境、安全衛(wèi)生和性能可靠等要求外，智能化、數字化等功能也是食品機械創(chuàng)新的重要體現。無論是生產規(guī)模大小還是品種各異的食品機械，都需要這些創(chuàng)新功能。食品機械全生命周期的設計，更要注重這方面的功能創(chuàng)新。借助計算機仿真和計算試驗技術，是分析、設計、運行、評價食品機械仿真活動的重要工具，可以在設計階段考察、改進食品機械的功能和性能。而食品機械的功能與材料、結構、工藝、質量等是一種互動關系，依賴性較強。  
2.4面向使用壽命的設計  
食品機械的使用壽命包括其經濟壽命和技術壽命。經濟壽命是從經濟的角度和zui合理的使用期限，具體分析能使食品機械的年平均使用成本（由機械購置費的折舊費和機械的年運行費用兩部分組成）zui低的年數。技術壽命是從技術折舊角度看食品機械zui合理的使用期限，具體分析從食品機械開始使用到因技術落后而被淘汰所持續(xù)的時間，它與技術進步的速度有關，與食品機械的運轉時間有關。應該指出，食品機械的使用壽命并不是越長越好，這里強調的是合理延長使用壽命。從技術進步、能源消耗、環(huán)境保護等方面考慮，不科學、無限延長食品機械的使用壽命，反而會造成食品加工企業(yè)經濟效益下降，阻礙技術進步。因此，適時對食品機械進行更新?lián)Q代是必要的。  
食品機械的使用壽命，是食品機械使用價值的重要體現。在設計階段對食品機械使用壽命進行設計的基礎，是對食品機械使用壽命和可能受到破壞的準確分析預測。目前食品機械產品結構的使用壽命預測，主要基于材料疲勞力學的安全壽命方法和斷裂力學的損傷容限耐久性方法。對食品機械來說，除了機械疲勞破壞外，電致電子元件的疲勞、控制開關的電接觸疲勞、運動部件的磨損、腐蝕環(huán)境中部件的剝蝕等，都對食品機械的使用壽命構成影響。在使用壽命設計中，除了壽命分析和預測方法外，材料的選擇和性能指標的試驗測定、對制造和加工工藝質量的評估、載荷譜和環(huán)境譜的編制等都具有重要影響。  
2.5面向資源環(huán)境的設計  
食品機械設計涉及的資源環(huán)境，主要包括制造材料的選擇、節(jié)能、環(huán)保以及人體健康等方面。在材料選擇方面，應盡量使用可再生資源和可回收的材料，合理利用食品機械報廢后可回收的材料和零部件，促進材料的再利用和零部件的循環(huán)利用。在節(jié)能方面，通過合理的材料選擇和工藝設計，可降低食品機械制造加工過程的能耗；通過創(chuàng)新設計和采用*技術，可降低食品機械使用運行中的能耗；選擇合適的能源品種和設計好食品機械的拆卸性，可降低報廢后材料和零部件回收或再生產的能耗。在環(huán)保方面，食品機械全生命周期設計中環(huán)保理念應貫徹始終，包括選擇環(huán)保材料、設計有利于環(huán)保的制造方式和工藝、控制食品機械使用過程的有害物產生和排放、采用*的動力學制造工藝控制噪音污染、合理設計降低電磁污染等等。因此，食品機械全生命周期設計中的環(huán)保問題，包括材料中有害物質向食品遷移、食品機械結構設計問題導致食品微生物超標、食品加工中排放的廢棄物污染、噪聲污染、空氣污染、輻射污染、電磁污染等。此外，改善食品機械操作人員的工作環(huán)境，創(chuàng)造舒適的人機交互界面、提高工作效率和質量、降低事故發(fā)生率等，也是面向資源環(huán)境設計的重要方面。  

3  全生命周期的優(yōu)化設計  

相對于傳統(tǒng)的單一性能優(yōu)化和局部結構設計過程的優(yōu)化設計，全生命周期優(yōu)化設計應是一種食品機械全局的、面向全部性能和全生命周期過程的優(yōu)化設計。進行食品機械全生命周期優(yōu)化，是一個需要多學科知識融合的復雜決策過程。數值分析、工程預測、虛擬仿真以及試樣和模型試驗等，都是食品機械優(yōu)化設計的方法。由于涉及的因素太多，優(yōu)化目標相互交織、相互制約甚至相互矛盾，對食品機械進行設計方案的全生命周期優(yōu)化是十分困難的，嚴格的數學尋優(yōu)很難實現。因此，除了采用更為*的優(yōu)化方法或融合多種優(yōu)化算法的特點于一體外，更為重要的是按照現代食品機械的產品特征進行多約束決策。例如，對等壽命設計目標，考慮到經濟維修性只需要將不可維修和不可更換的部分按等壽命進行優(yōu)化設計，可維修、可更換的部分由經濟性設計目標來要求。  

模塊化、標準化、集成化等使得食品機械的全局優(yōu)化可以變?yōu)榉旨壗Y構模型，包括一級結構、二級結構等子結構化。這就使得子結構化的食品機械全生命周期優(yōu)化設計變得簡潔多了。采用知識共享和分工合作，具有子結構化的食品機械設計還可以促進快速的產品創(chuàng)新。在子結構化的食品機械設計中，下一級子結構是上一級結構的組件，其性能、價格等指標可以作為上一級結構優(yōu)化設計的初始變量。相應的上一級結構優(yōu)化的結果就是下一級子結構的優(yōu)化目標。依次形成層層關聯(lián)的優(yōu)化分層和優(yōu)化決策。子結構的劃分，應依據食品機械功能、生產工藝和產品的模塊化、標準化、集成化情況以及相關知識和豐富信息來進行。 
  
4  結束語  

4.1  根據以上研究不難看出，食品機械全壽命周期設計zui重要的特點是它的集成性， 把食品機械的設計、制造、使用、報廢和處置等環(huán)節(jié)的問題，全部集中在設計階段研究解決或者提出解決的途徑。 
4.2  食品機械全壽命周期設計，始終是面向環(huán)境資源（包括制造資源、使用環(huán)境等）而言的，它的一切活動都是為了使制造出來的產品能夠“一次成功”，并在當地的資源環(huán)境下達到*，而不必進行不必要的返工或修復。  
4.3  在食品機械全壽命周期設計過程中，不僅要考慮產品功能、性能、材料、結構、外觀、包裝、成本等常規(guī)因素，而且要考慮產品生命周期對能源、環(huán)境、資源和安全衛(wèi)生的影響程度，同時還要考慮產品設計的可制造性和可回收性等。   
4.4  食品機械全生命周期設計的關鍵問題，在于建立面向產品全生命周期的產品模型，如可制造性評價模型、成本估算模型、可裝配性模型、可維護性模型等，同時產品模型應能全面表達和評價與產品全壽命周期相關的性能指標，zui終實現食品機械全生命周期的綜合優(yōu)化。