食品機(jī)械的全生命周期與設(shè)計(jì)
1 基本特征
食品機(jī)械全生命周期與其壽命有所不同。食品機(jī)械全生命周期包括設(shè)計(jì)、制造、使用、報(bào)廢、處置等整個(gè)閉環(huán)周期；而壽命往往指食品機(jī)械從出廠或投入使用后到產(chǎn)品報(bào)廢不再使用的一段區(qū)間，僅是全生命周期內(nèi)使用期的一部分。由于食品機(jī)械傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能和性能主要在使用期內(nèi)實(shí)現(xiàn)，所以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要解決食品機(jī)械運(yùn)行的功能、性能和使用壽命的設(shè)計(jì)?；谑称窓C(jī)械的社會(huì)效應(yīng)，全生命周期涵蓋全壽命期，全壽命期涵蓋經(jīng)濟(jì)使用壽命和安全使用壽命。作為全生命周期的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，食品機(jī)械報(bào)廢一般有三種判據(jù)： 一是功能失效；二是安全失效；三是經(jīng)濟(jì)失效。
進(jìn)行食品機(jī)械全生命周期設(shè)計(jì)，意味著在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的綜合優(yōu)化。食品機(jī)械全生命周期設(shè)計(jì)主要有三個(gè)目的：一是在設(shè)計(jì)階段盡可能預(yù)見(jiàn)食品機(jī)械全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的問(wèn)題，并在設(shè)計(jì)階段加以解決或設(shè)計(jì)好解決的途徑。二是在設(shè)計(jì)階段對(duì)食品機(jī)械全生命周期內(nèi)的所有費(fèi)用(包括維修費(fèi)用、停機(jī)損失和報(bào)廢處理費(fèi)用等)、資源消耗和環(huán)境代價(jià)進(jìn)行整體分析，最大程度地提高食品機(jī)械的整體經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。三是在設(shè)計(jì)階段對(duì)從材料選擇、制造、維修、零部件更換、安全保障直到產(chǎn)品報(bào)廢、回收再利用等全過(guò)程，對(duì)自然資源和環(huán)境的影響進(jìn)行分析預(yù)測(cè)和優(yōu)化，以積極有效地利用和保護(hù)資源、保護(hù)環(huán)境，創(chuàng)造良好的人機(jī)交互環(huán)境。
2 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
食品機(jī)械全生命周期設(shè)計(jì)實(shí)際上是面向全生命周期所有環(huán)節(jié)、所有方面的設(shè)計(jì)。其中，每一個(gè)面向都需要專門(mén)的知識(shí)、技術(shù)做支撐，滿足全生命周期不同方面的需求，發(fā)現(xiàn)所存在的問(wèn)題并提出改進(jìn)方案。
2.1面向材料選擇的設(shè)計(jì)
在食品機(jī)械全生命周期設(shè)計(jì)中，材料的選擇應(yīng)考慮如下因素：
2.1.1 材料的衛(wèi)生性能?食品機(jī)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(rèn)真考慮衛(wèi)生問(wèn)題，保障加工的食品符合食品安全要求。食品機(jī)械設(shè)計(jì)中，應(yīng)該保證所選擇的材料不得向食品中遷移有害物質(zhì)。這就需要設(shè)計(jì)者對(duì)食品機(jī)械材質(zhì)進(jìn)行認(rèn)真研究，不僅要掌握材質(zhì)的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)，而且還要熟悉其使用環(huán)境，以避免材料的有害物質(zhì)向外遷移。
2.1.2 材料的安全性能?主要考慮滿足食品機(jī)械本身的功能、性能以及質(zhì)量設(shè)計(jì)的有關(guān)材料性能，包括材料的常規(guī)機(jī)械性能、疲勞斷裂性能、抗復(fù)雜環(huán)境侵蝕的性能等。用于制造食品機(jī)械的材料，在整個(gè)生命周期內(nèi)的各個(gè)階段都不能危害人的安全與健康。因此，在食品機(jī)械設(shè)計(jì)中要求選擇的制造材料，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度、足夠的環(huán)境適應(yīng)能力和機(jī)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(jī)械制造和使用過(guò)程中，要求材料對(duì)環(huán)境無(wú)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(bào)廢后回收利用率高以及有利于人體健康，其本質(zhì)特征在于全生命周期內(nèi)具有較低的環(huán)境負(fù)荷值。
2.1.4 材料的加工性能?主要包括食品機(jī)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(shè)計(jì)階段考慮材料的可加工性，可以提高食品機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性，減少能耗和制造過(guò)程中的不利副產(chǎn)品。尤其是外形復(fù)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(jī)械制造工效和降低成本。
此外，材料的價(jià)格性能比是制約設(shè)計(jì)選材的一個(gè)重要因素。但在全生命周期設(shè)計(jì)中不能單純看待材料價(jià)格，而應(yīng)當(dāng)全面分析材料的使用效能。針對(duì)材料的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，材料的選擇和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)是一種互動(dòng)關(guān)系。當(dāng)材料性能難以滿足產(chǎn)品性能或壽命要求時(shí)，必須改進(jìn)設(shè)計(jì)。
2.2面向制造過(guò)程的設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)階段，可利用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)方法對(duì)食品機(jī)械制造過(guò)程進(jìn)行模擬分析，改進(jìn)設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)化加工制造工藝、簡(jiǎn)化模具和夾具設(shè)計(jì)、充分利用標(biāo)準(zhǔn)件等。設(shè)計(jì)中一些小的改進(jìn)往往會(huì)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(jī)械零件的沖壓成形制造中，如能夠在設(shè)計(jì)階段利用大變形接觸問(wèn)題的有限元軟件對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)，會(huì)避免許多設(shè)計(jì)缺陷和由此導(dǎo)致的制造困難，提高成品率和生產(chǎn)效率。采用CAE方法的目的是進(jìn)行食品機(jī)械的分析計(jì)算與分析仿真，具體包括工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)與過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評(píng)估、運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)仿真。其中工程數(shù)值分析用來(lái)分析確定產(chǎn)品的性能；結(jié)構(gòu)與過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)用來(lái)保證產(chǎn)品功能、工藝過(guò)程的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品、工藝過(guò)程的性能最優(yōu)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評(píng)估用來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的精度設(shè)計(jì)是否可行，可靠性如何以及使用壽命為多少；運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)仿真用來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）建模完成的虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真。從過(guò)程化、實(shí)用化技術(shù)發(fā)展的角度看，CAE的核心技術(shù)為有限元技術(shù)與虛擬仿真技術(shù)。
國(guó)際上食品機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展到今天，已形成門(mén)類齊全的制造工藝。與現(xiàn)代信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能等相結(jié)合，促進(jìn)了食品機(jī)械制造技術(shù)已由傳統(tǒng)的制造技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)代制造技術(shù)。食品機(jī)械的設(shè)計(jì)，應(yīng)充分與各種制造工藝和制造技術(shù)相協(xié)調(diào)，才能發(fā)揮各種制造技術(shù)的長(zhǎng)處，方便制造并提高工效。對(duì)大批量制造的食品機(jī)械，設(shè)計(jì)的零部件應(yīng)能適應(yīng)生產(chǎn)線流水作業(yè)制造。在面向制造過(guò)程的設(shè)計(jì)中，方便裝配是全生命周期設(shè)計(jì)必須考慮的又一重要因素。裝配方式、裝配強(qiáng)度、裝配工藝應(yīng)在設(shè)計(jì)階段確定，以避免裝配過(guò)程的困難或臨時(shí)改動(dòng)對(duì)食品機(jī)械完整性的破壞。
2.3面向產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì)
食品機(jī)械產(chǎn)品功能和性能的開(kāi)發(fā)，依賴于相關(guān)多學(xué)科的發(fā)展和技術(shù)突破，同時(shí)也受市場(chǎng)需求的推動(dòng)。產(chǎn)品功能和性能設(shè)計(jì)一直是食品機(jī)械設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，也貫穿于食品機(jī)械全生命周期設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比，現(xiàn)代食品機(jī)械具有一系列新的特征。模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化已被證明是保證食品機(jī)械高性能、低成本和開(kāi)發(fā)周期短的有效方式。但隨著技術(shù)發(fā)展的推進(jìn)和市場(chǎng)需求的拉動(dòng)，對(duì)食品機(jī)械節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、安全衛(wèi)生的要求日益突出。在食品機(jī)械全生命周期設(shè)計(jì)中，如何將模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化要求與節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、安全衛(wèi)生要求協(xié)調(diào)統(tǒng)一，是全球食品機(jī)械爭(zhēng)奪市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。在食品機(jī)械產(chǎn)品性能與功能方面，可以充分發(fā)揮模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)勢(shì)，而在產(chǎn)品的表現(xiàn)形式、外部結(jié)構(gòu)等方面盡量滿足節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境和安全衛(wèi)生的市場(chǎng)要求。集成化和綠色化往往帶來(lái)食品機(jī)械產(chǎn)品性能和環(huán)保問(wèn)題的歷史變革。其中，集成化是將代表食品機(jī)械先進(jìn)特征的技術(shù)和性能集合在一起，在充分體現(xiàn)技術(shù)和性能先進(jìn)的前提下，力求簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，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(hù)、安全衛(wèi)生等方面考核食品機(jī)械的技術(shù)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(jī)械產(chǎn)品品質(zhì)的重要組成部分。
現(xiàn)代食品機(jī)械除了滿足節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、安全衛(wèi)生和性能可靠等要求外，智能化、數(shù)字化等功能也是食品機(jī)械創(chuàng)新的重要體現(xiàn)。無(wú)論是生產(chǎn)規(guī)模大小還是品種各異的食品機(jī)械，都需要這些創(chuàng)新功能。食品機(jī)械全生命周期的設(shè)計(jì)，更要注重這方面的功能創(chuàng)新。借助計(jì)算機(jī)仿真和計(jì)算試驗(yàn)技術(shù)，是分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、評(píng)價(jià)食品機(jī)械仿真活動(dòng)的重要工具，可以在設(shè)計(jì)階段考察、改進(jìn)食品機(jī)械的功能和性能。而食品機(jī)械的功能與材料、結(jié)構(gòu)、工藝、質(zhì)量等是一種互動(dòng)關(guān)系，依賴性較強(qiáng)。
2.4面向使用壽命的設(shè)計(jì)
食品機(jī)械的使用壽命包括其經(jīng)濟(jì)壽命和技術(shù)壽命。經(jīng)濟(jì)壽命是從經(jīng)濟(jì)的角度和最合理的使用期限，具體分析能使食品機(jī)械的年平均使用成本（由機(jī)械購(gòu)置費(fèi)的折舊費(fèi)和機(jī)械的年運(yùn)行費(fèi)用兩部分組成）最低的年數(shù)。技術(shù)壽命是從技術(shù)折舊角度看食品機(jī)械最合理的使用期限，具體分析從食品機(jī)械開(kāi)始使用到因技術(shù)落后而被淘汰所持續(xù)的時(shí)間，它與技術(shù)進(jìn)步的速度有關(guān)，與食品機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間有關(guān)。應(yīng)該指出，食品機(jī)械的使用壽命并不是越長(zhǎng)越好，這里強(qiáng)調(diào)的是合理延長(zhǎng)使用壽命。從技術(shù)進(jìn)步、能源消耗、環(huán)境保護(hù)等方面考慮，不科學(xué)、無(wú)限延長(zhǎng)食品機(jī)械的使用壽命，反而會(huì)造成食品加工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益下降，阻礙技術(shù)進(jìn)步。因此，適時(shí)對(duì)食品機(jī)械進(jìn)行更新?lián)Q代是必要的。
食品機(jī)械的使用壽命，是食品機(jī)械使用價(jià)值的重要體現(xiàn)。在設(shè)計(jì)階段對(duì)食品機(jī)械使用壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是對(duì)食品機(jī)械使用壽命和可能受到破壞的準(zhǔn)確分析預(yù)測(cè)。目前食品機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的使用壽命預(yù)測(cè)，主要基于材料疲勞力學(xué)的安全壽命方法和斷裂力學(xué)的損傷容限耐久性方法。對(duì)食品機(jī)械來(lái)說(shuō)，除了機(jī)械疲勞破壞外，電致電子元件的疲勞、控制開(kāi)關(guān)的電接觸疲勞、運(yùn)動(dòng)部件的磨損、腐蝕環(huán)境中部件的剝蝕等，都對(duì)食品機(jī)械的使用壽命構(gòu)成影響。在使用壽命設(shè)計(jì)中，除了壽命分析和預(yù)測(cè)方法外，材料的選擇和性能指標(biāo)的試驗(yàn)測(cè)定、對(duì)制造和加工工藝質(zhì)量的評(píng)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(shè)計(jì)
食品機(jī)械設(shè)計(jì)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(yīng)盡量使用可再生資源和可回收的材料，合理利用食品機(jī)械報(bào)廢后可回收的材料和零部件，促進(jìn)材料的再利用和零部件的循環(huán)利用。在節(jié)能方面，通過(guò)合理的材料選擇和工藝設(shè)計(jì)，可降低食品機(jī)械制造加工過(guò)程的能耗；通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和采用先進(jìn)技術(shù)，可降低食品機(jī)械使用運(yùn)行中的能耗；選擇合適的能源品種和設(shè)計(jì)好食品機(jī)械的拆卸性，可降低報(bào)廢后材料和零部件回收或再生產(chǎn)的能耗。在環(huán)保方面，食品機(jī)械全生命周期設(shè)計(jì)中環(huán)保理念應(yīng)貫徹始終，包括選擇環(huán)保材料、設(shè)計(jì)有利于環(huán)保的制造方式和工藝、控制食品機(jī)械使用過(guò)程的有害物產(chǎn)生和排放、采用先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)制造工藝控制噪音污染、合理設(shè)計(jì)降低電磁污染等等。因此，食品機(jī)械全生命周期設(shè)計(jì)中的環(huán)保問(wèn)題，包括材料中有害物質(zhì)向食品遷移、食品機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題導(dǎo)致食品微生物超標(biāo)、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(jī)械操作人員的工作環(huán)境，創(chuàng)造舒適的人機(jī)交互界面、提高工作效率和質(zhì)量、降低事故發(fā)生率等，也是面向資源環(huán)境設(shè)計(jì)的重要方面。
3 全生命周期的優(yōu)化設(shè)計(jì)
相對(duì)于傳統(tǒng)的單一性能優(yōu)化和局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，全生命周期優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)是一種食品機(jī)械全局的、面向全部性能和全生命周期過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)行食品機(jī)械全生命周期優(yōu)化，是一個(gè)需要多學(xué)科知識(shí)融合的復(fù)雜決策過(guò)程。數(shù)值分析、工程預(yù)測(cè)、虛擬仿真以及試樣和模型試驗(yàn)等，都是食品機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。由于涉及的因素太多，優(yōu)化目標(biāo)相互交織、相互制約甚至相互矛盾，對(duì)食品機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的全生命周期優(yōu)化是十分困難的，嚴(yán)格的數(shù)學(xué)尋優(yōu)很難實(shí)現(xiàn)。因此，除了采用更為先進(jìn)的優(yōu)化方法或融合多種優(yōu)化算法的特點(diǎn)于一體外，更為重要的是按照現(xiàn)代食品機(jī)械的產(chǎn)品特征進(jìn)行多約束決策。例如，對(duì)等壽命設(shè)計(jì)目標(biāo)，考慮到經(jīng)濟(jì)維修性只需要將不可維修和不可更換的部分按等壽命進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可維修、可更換的部分由經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)要求。
模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化等使得食品機(jī)械的全局優(yōu)化可以變?yōu)榉旨?jí)結(jié)構(gòu)模型，包括一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)等子結(jié)構(gòu)化。這就使得子結(jié)構(gòu)化的食品機(jī)械全生命周期優(yōu)化設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)潔多了。采用知識(shí)共享和分工合作，具有子結(jié)構(gòu)化的食品機(jī)械設(shè)計(jì)還可以促進(jìn)快速的產(chǎn)品創(chuàng)新。在子結(jié)構(gòu)化的食品機(jī)械設(shè)計(jì)中，下一級(jí)子結(jié)構(gòu)是上一級(jí)結(jié)構(gòu)的組件，其性能、價(jià)格等指標(biāo)可以作為上一級(jí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的初始變量。相應(yīng)的上一級(jí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果就是下一級(jí)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)。依次形成層層關(guān)聯(lián)的優(yōu)化分層和優(yōu)化決策。子結(jié)構(gòu)的劃分，應(yīng)依據(jù)食品機(jī)械功能、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化情況以及相關(guān)知識(shí)和豐富信息來(lái)進(jìn)行。
4 結(jié)束語(yǔ)
4.1 根據(jù)以上研究不難看出，食品機(jī)械全壽命周期設(shè)計(jì)最重要的特點(diǎn)是它的集成性， 把食品機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造、使用、報(bào)廢和處置等環(huán)節(jié)的問(wèn)題，全部集中在設(shè)計(jì)階段研究解決或者提出解決的途徑。
4.2 食品機(jī)械全壽命周期設(shè)計(jì)，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(dòng)都是為了使制造出來(lái)的產(chǎn)品能夠“一次成功”，并在當(dāng)?shù)氐馁Y源環(huán)境下達(dá)到最優(yōu)，而不必進(jìn)行不必要的返工或修復(fù)。
4.3 在食品機(jī)械全壽命周期設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要考慮產(chǎn)品功能、性能、材料、結(jié)構(gòu)、外觀、包裝、成本等常規(guī)因素，而且要考慮產(chǎn)品生命周期對(duì)能源、環(huán)境、資源和安全衛(wèi)生的影響程度，同時(shí)還要考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可制造性和可回收性等。
4.4 食品機(jī)械全生命周期設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，在于建立面向產(chǎn)品全生命周期的產(chǎn)品模型，如可制造性評(píng)價(jià)模型、成本估算模型、可裝配性模型、可維護(hù)性模型等，同時(shí)產(chǎn)品模型應(yīng)能全面表達(dá)和評(píng)價(jià)與產(chǎn)品全壽命周期相關(guān)的性能指標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)食品機(jī)械全生命周期的綜合優(yōu)化。
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