食品機械的全生(shēng)命周期與設計
1 基本特征
食品機械全生(shēng)命周期與其壽命有所不同。食品機械全生(shēng)命周期包括設計、制造、使用、報(bào)廢、處置等整個(gè)閉環周期；而壽命往往指食品機械從出廠或投入使用後到産品報(bào)廢不再使用的一(yī)段區間(jiān)，僅是全生(shēng)命周期内使用期的一(yī)部分(fēn)。由于食品機械傳統設計的功能(néng)和性能(néng)主要在使用期内實現(xiàn)，所以傳統設計主要解決食品機械運行的功能(néng)、性能(néng)和使用壽命的設計。基于食品機械的社會效應，全生(shēng)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(zuò)為(wèi)全生(shēng)命周期的一(yī)個(gè)重要轉折點，食品機械報(bào)廢一(yī)般有三種判據： 一(yī)是功能(néng)失效；二是安全失效；三是經濟失效。
進行食品機械全生(shēng)命周期設計，意味着在設計階段就(jiù)要考慮到其生(shēng)命曆程的所有環節，以求全生(shēng)命周期設計的綜合優化(huà)。食品機械全生(shēng)命周期設計主要有三個(gè)目的：一(yī)是在設計階段盡可能(néng)預見食品機械全生(shēng)命周期各個(gè)環節的問題，并在設計階段加以解決或設計好(hǎo)(hǎo)解決的途徑。二是在設計階段對食品機械全生(shēng)命周期内的所有費用(包括維修費用、停機損失和報(bào)廢處理(lǐ)費用等)、資源消耗和環境代價進行整體(tǐ)分(fēn)析，最大程度地提高食品機械的整體(tǐ)經濟性和市(shì)場(chǎng)競争力。三是在設計階段對從材料選擇、制造、維修、零部件更換、安全保障直到産品報(bào)廢、回收再利用等全過程，對自然資源和環境的影響進行分(fēn)析預測和優化(huà)，以積極有效地利用和保護資源、保護環境，創造良好(hǎo)(hǎo)的人(rén)機交互環境。
2 主要設計内容
食品機械全生(shēng)命周期設計實際上(shàng)是面向全生(shēng)命周期所有環節、所有方面的設計。其中，每一(yī)個(gè)面向都需要專門的知識、技術做支撐，滿足全生(shēng)命周期不同方面的需求，發現(xiàn)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(shēng)命周期設計中，材料的選擇應考慮如(rú)下(xià)因素：
2.1.1 材料的衛生(shēng)性能(néng)?食品機械的制造材料主要是不鏽鋼，其次還有工程塑料和橡膠。尤其是與食品接觸的材料，要認真考慮衛生(shēng)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(zhè)就(jiù)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(huà)學成分(fēn)、組織結構，而且還要熟悉其使用環境，以避免材料的有害物質向外遷移。
2.1.2 材料的安全性能(néng)?主要考慮滿足食品機械本身(shēn)的功能(néng)、性能(néng)以及質量設計的有關(guān)材料性能(néng)，包括材料的常規機械性能(néng)、疲勞斷裂性能(néng)、抗複雜環境侵蝕的性能(néng)等。用于制造食品機械的材料，在整個(gè)生(shēng)命周期内的各個(gè)階段都不能(néng)危害人(rén)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、足夠的環境适應能(néng)力和機械可靠性、足夠的抗物理(lǐ)性能(néng)危害等。
2.1.3 材料的環保性能(néng)?在食品機械制造和使用過程中，要求材料對環境無害、與生(shēng)态環境和諧共存、具有良好(hǎo)(hǎo)的使用性能(néng)、資源和能(néng)源消耗少、報(bào)廢後回收利用率高以及有利于人(rén)體(tǐ)健康，其本質特征在于全生(shēng)命周期内具有較低(dī)的環境負荷值。
2.1.4 材料的加工性能(néng)?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(néng)耗和制造過程中的不利副産品。尤其是外形複雜、加工精度要求高的零部件，考慮加工性能(néng)夠顯著提高食品機械制造工效和降低(dī)成本。
此外，材料的價格性能(néng)比是制約設計選材的一(yī)個(gè)重要因素。但(dàn)在全生(shēng)命周期設計中不能(néng)單純看待材料價格，而應當全面分(fēn)析材料的使用效能(néng)。針對材料的産品設計，材料的選擇和結構細節設計是一(yī)種互動關(guān)系。當材料性能(néng)難以滿足産品性能(néng)或壽命要求時(shí)，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(suàn)機輔助工程(CAE)方法對食品機械制造過程進行模拟分(fēn)析，改進設計以簡化(huà)加工制造工藝、簡化(huà)模具和夾具設計、充分(fēn)利用标準件等。設計中一(yī)些(xiē)小的改進往往會在很大程度上(shàng)方便制造、降低(dī)制造成本、縮短制造周期。例如(rú)，在食品機械零件的沖壓成形制造中，如(rú)能(néng)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拟分(fēn)析并優化(huà)設計，會避免許多設計缺陷和由此導緻的制造困難，提高成品率和生(shēng)産效率。采用CAE方法的目的是進行食品機械的分(fēn)析計算(suàn)與分(fēn)析仿真，具體(tǐ)包括工程數值分(fēn)析、結構與過程優化(huà)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(fēn)析用來(lái)分(fēn)析确定産品的性能(néng)；結構與過程優化(huà)設計用來(lái)保證産品功能(néng)、工藝過程的基礎上(shàng)，使産品、工藝過程的性能(néng)最優；結構強度與壽命評估用來(lái)評估産品的精度設計是否可行，可靠性如(rú)何以及使用壽命為(wèi)多少；運動/動力學仿真用來(lái)對計算(suàn)機輔助設計（CAD）建模完成的虛拟樣機進行運動學仿真和動力學仿真。從過程化(huà)、實用化(huà)技術發展的角度看，CAE的核心技術為(wèi)有限元技術與虛拟仿真技術。
國際上(shàng)食品機械制造技術發展到今天，已形成門類齊全的制造工藝。與現(xiàn)代信息技術、計算(suàn)機技術、控制技術、人(rén)工智能(néng)等相結合，促進了(le)食品機械制造技術已由傳統的制造技術發展到現(xiàn)代制造技術。食品機械的設計，應充分(fēn)與各種制造工藝和制造技術相協調，才能(néng)發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(néng)适應生(shēng)産線流水作(zuò)業制造。在面向制造過程的設計中，方便裝配是全生(shēng)命周期設計必須考慮的又一(yī)重要因素。裝配方式、裝配強度、裝配工藝應在設計階段确定，以避免裝配過程的困難或臨時(shí)改動對食品機械完整性的破壞。
2.3面向産品功能(néng)的設計
食品機械産品功能(néng)和性能(néng)的開發，依賴于相關(guān)多學科的發展和技術突破，同時(shí)也(yě)受市(shì)場(chǎng)需求的推動。産品功能(néng)和性能(néng)設計一(yī)直是食品機械設計的核心内容，也(yě)貫穿于食品機械全生(shēng)命周期設計的所有環節。與傳統的設計相比，現(xiàn)代食品機械具有一(yī)系列新(xīn)的特征。模塊化(huà)和标準化(huà)已被證明是保證食品機械高性能(néng)、低(dī)成本和開發周期短的有效方式。但(dàn)随着技術發展的推進和市(shì)場(chǎng)需求的拉動，對食品機械節能(néng)減排、保護環境、安全衛生(shēng)的要求日益突出。在食品機械全生(shēng)命周期設計中，如(rú)何将模塊化(huà)和标準化(huà)要求與節能(néng)減排、保護環境、安全衛生(shēng)要求協調統一(yī)，是全球食品機械争奪市(shì)場(chǎng)競争的關(guān)鍵。在食品機械産品性能(néng)與功能(néng)方面，可以充分(fēn)發揮模塊化(huà)和标準化(huà)的優勢，而在産品的表現(xiàn)形式、外部結構等方面盡量滿足節能(néng)減排、保護環境和安全衛生(shēng)的市(shì)場(chǎng)要求。集成化(huà)和綠(lǜ)色化(huà)往往帶來(lái)食品機械産品性能(néng)和環保問題的曆史變革。其中，集成化(huà)是将代表食品機械先進特征的技術和性能(néng)集合在一(yī)起，在充分(fēn)體(tǐ)現(xiàn)技術和性能(néng)先進的前提下(xià)，力求簡化(huà)産品結構，節約制造材料，降低(dī)制造成本。而綠(lǜ)色化(huà)則是從節能(néng)減排、環境保護、安全衛生(shēng)等方面考核食品機械的技術狀況，把生(shēng)态環境和可持續發展擺在重要地位，成為(wèi)食品機械産品品質的重要組成部分(fēn)。
現(xiàn)代食品機械除了(le)滿足節能(néng)減排、保護環境、安全衛生(shēng)和性能(néng)可靠等要求外，智能(néng)化(huà)、數字化(huà)等功能(néng)也(yě)是食品機械創新(xīn)的重要體(tǐ)現(xiàn)。無論是生(shēng)産規模大小還是品種各異的食品機械，都需要這(zhè)些(xiē)創新(xīn)功能(néng)。食品機械全生(shēng)命周期的設計，更要注重這(zhè)方面的功能(néng)創新(xīn)。借助計算(suàn)機仿真和計算(suàn)試驗技術，是分(fēn)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(néng)和性能(néng)。而食品機械的功能(néng)與材料、結構、工藝、質量等是一(yī)種互動關(guān)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最合理(lǐ)的使用期限，具體(tǐ)分(fēn)析能(néng)使食品機械的年平均使用成本（由機械購(gòu)置費的折舊費和機械的年運行費用兩部分(fēn)組成）最低(dī)的年數。技術壽命是從技術折舊角度看食品機械最合理(lǐ)的使用期限，具體(tǐ)分(fēn)析從食品機械開始使用到因技術落後而被淘汰所持續的時(shí)間(jiān)，它與技術進步的速度有關(guān)，與食品機械的運轉時(shí)間(jiān)有關(guān)。應該指出，食品機械的使用壽命并不是越長越好(hǎo)(hǎo)，這(zhè)裏強調的是合理(lǐ)延長使用壽命。從技術進步、能(néng)源消耗、環境保護等方面考慮，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經濟效益下(xià)降，阻礙技術進步。因此，适時(shí)對食品機械進行更新(xīn)換代是必要的。
食品機械的使用壽命，是食品機械使用價值的重要體(tǐ)現(xiàn)。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(néng)受到破壞的準确分(fēn)析預測。目前食品機械産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(lái)說(shuō)，除了(le)機械疲勞破壞外，電緻電子(zǐ)元件的疲勞、控制開關(guān)的電接觸疲勞、運動部件的磨損、腐蝕環境中部件的剝蝕等，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(le)壽命分(fēn)析和預測方法外，材料的選擇和性能(néng)指标的試驗測定、對制造和加工工藝質量的評估、載荷譜和環境譜的編制等都具有重要影響。
2.5面向資源環境的設計
食品機械設計涉及的資源環境，主要包括制造材料的選擇、節能(néng)、環保以及人(rén)體(tǐ)健康等方面。在材料選擇方面，應盡量使用可再生(shēng)資源和可回收的材料，合理(lǐ)利用食品機械報(bào)廢後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利用。在節能(néng)方面，通過合理(lǐ)的材料選擇和工藝設計，可降低(dī)食品機械制造加工過程的能(néng)耗；通過創新(xīn)設計和采用先進技術，可降低(dī)食品機械使用運行中的能(néng)耗；選擇合适的能(néng)源品種和設計好(hǎo)(hǎo)食品機械的拆卸性，可降低(dī)報(bào)廢後材料和零部件回收或再生(shēng)産的能(néng)耗。在環保方面，食品機械全生(shēng)命周期設計中環保理(lǐ)念應貫徹始終，包括選擇環保材料、設計有利于環保的制造方式和工藝、控制食品機械使用過程的有害物産生(shēng)和排放(fàng)、采用先進的動力學制造工藝控制噪音(yīn)污染、合理(lǐ)設計降低(dī)電磁污染等等。因此，食品機械全生(shēng)命周期設計中的環保問題，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緻食品微生(shēng)物超标、食品加工中排放(fàng)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(zuò)人(rén)員(yuán)的工作(zuò)環境，創造舒适的人(rén)機交互界面、提高工作(zuò)效率和質量、降低(dī)事(shì)故發生(shēng)率等，也(yě)是面向資源環境設計的重要方面。
3 全生(shēng)命周期的優化(huà)設計
相對于傳統的單一(yī)性能(néng)優化(huà)和局部結構設計過程的優化(huà)設計，全生(shēng)命周期優化(huà)設計應是一(yī)種食品機械全局的、面向全部性能(néng)和全生(shēng)命周期過程的優化(huà)設計。進行食品機械全生(shēng)命周期優化(huà)，是一(yī)個(gè)需要多學科知識融合的複雜決策過程。數值分(fēn)析、工程預測、虛拟仿真以及試樣和模型試驗等，都是食品機械優化(huà)設計的方法。由于涉及的因素太多，優化(huà)目标相互交織、相互制約甚至相互矛盾，對食品機械進行設計方案的全生(shēng)命周期優化(huà)是十分(fēn)困難的，嚴格的數學尋優很難實現(xiàn)。因此，除了(le)采用更為(wèi)先進的優化(huà)方法或融合多種優化(huà)算(suàn)法的特點于一(yī)體(tǐ)外，更為(wèi)重要的是按照現(xiàn)代食品機械的産品特征進行多約束決策。例如(rú)，對等壽命設計目标，考慮到經濟維修性隻需要将不可維修和不可更換的部分(fēn)按等壽命進行優化(huà)設計，可維修、可更換的部分(fēn)由經濟性設計目标來(lái)要求。
模塊化(huà)、标準化(huà)、集成化(huà)等使得食品機械的全局優化(huà)可以變為(wèi)分(fēn)級結構模型，包括一(yī)級結構、二級結構等子(zǐ)結構化(huà)。這(zhè)就(jiù)使得子(zǐ)結構化(huà)的食品機械全生(shēng)命周期優化(huà)設計變得簡潔多了(le)。采用知識共享和分(fēn)工合作(zuò)，具有子(zǐ)結構化(huà)的食品機械設計還可以促進快(kuài)速的産品創新(xīn)。在子(zǐ)結構化(huà)的食品機械設計中，下(xià)一(yī)級子(zǐ)結構是上(shàng)一(yī)級結構的組件，其性能(néng)、價格等指标可以作(zuò)為(wèi)上(shàng)一(yī)級結構優化(huà)設計的初始變量。相應的上(shàng)一(yī)級結構優化(huà)的結果就(jiù)是下(xià)一(yī)級子(zǐ)結構的優化(huà)目标。依次形成層層關(guān)聯的優化(huà)分(fēn)層和優化(huà)決策。子(zǐ)結構的劃分(fēn)，應依據食品機械功能(néng)、生(shēng)産工藝和産品的模塊化(huà)、标準化(huà)、集成化(huà)情況以及相關(guān)知識和豐富信息來(lái)進行。
4 結束語
4.1 根據以上(shàng)研究不難看出，食品機械全壽命周期設計最重要的特點是它的集成性， 把食品機械的設計、制造、使用、報(bào)廢和處置等環節的問題，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，始終是面向環境資源（包括制造資源、使用環境等）而言的，它的一(yī)切活動都是為(wèi)了(le)使制造出來(lái)的産品能(néng)夠“一(yī)次成功”，并在當地的資源環境下(xià)達到最優，而不必進行不必要的返工或修複。
4.3 在食品機械全壽命周期設計過程中，不僅要考慮産品功能(néng)、性能(néng)、材料、結構、外觀、包裝、成本等常規因素，而且要考慮産品生(shēng)命周期對能(néng)源、環境、資源和安全衛生(shēng)的影響程度，同時(shí)還要考慮産品設計的可制造性和可回收性等。
4.4 食品機械全生(shēng)命周期設計的關(guān)鍵問題，在于建立面向産品全生(shēng)命周期的産品模型，如(rú)可制造性評價模型、成本估算(suàn)模型、可裝配性模型、可維護性模型等，同時(shí)産品模型應能(néng)全面表達和評價與産品全壽命周期相關(guān)的性能(néng)指标，最終實現(xiàn)食品機械全生(shēng)命周期的綜合優化(huà)。
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