食品机械的全生命周期与设计
1 基本特征
食品机械全生命周期与其寿命有所不同。食品机械全生命周期包括设计、制造、使用、报废、处置等整个闭环周期；而寿命往往指食品机械从出厂或投入使用后到产品报废不再使用的一段区间，仅是全生命周期内使用期的一部分。由于食品机械传统设计的功能和性能主要在使用期内实现，所以传统设计主要解决食品机械运行的功能、性能和使用寿命的设计。基于食品机械的社会效应，全生命周期涵盖全寿命期，全寿命期涵盖经济使用寿命和安全使用寿命。作为全生命周期的一个重要转折点，食品机械报废一般有三种判据： 一是功能失效；二是安全失效；三是经济失效。
进行食品机械全生命周期设计，意味着在设计阶段就要考虑到其生命历程的所有环节，以求全生命周期设计的综合优化。食品机械全生命周期设计主要有三个目的：一是在设计阶段尽可能预见食品机械全生命周期各个环节的问题，并在设计阶段加以解决或设计好解决的途径。二是在设计阶段对食品机械全生命周期内的所有费用(包括维修费用、停机损失和报废处理费用等)、资源消耗和环境代价进行整体分析，最大程度地提高食品机械的整体经济性和市场竞争力。三是在设计阶段对从材料选择、制造、维修、零部件更换、安全保障直到产品报废、回收再利用等全过程，对自然资源和环境的影响进行分析预测和优化，以积极有效地利用和保护资源、保护环境，创造良好的人机交互环境。
2 主要设计内容
食品机械全生命周期设计实际上是面向全生命周期所有环节、所有方面的设计。其中，每一个面向都需要专门的知识、技术做支撑，满足全生命周期不同方面的需求，发现所存在的问题并提出改进方案。
2.1面向材料选择的设计
在食品机械全生命周期设计中，材料的选择应考虑如下因素：
2.1.1 材料的卫生性能?食品机械的制造材料主要是不锈钢，其次还有工程塑料和橡胶。尤其是与食品接触的材料，要认真考虑卫生问题，保障加工的食品符合食品安全要求。食品机械设计中，应该保证所选择的材料不得向食品中迁移有害物质。这就需要设计者对食品机械材质进行认真研究，不仅要掌握材质的化学成分、组织结构，而且还要熟悉其使用环境，以避免材料的有害物质向外迁移。
2.1.2 材料的安全性能?主要考虑满足食品机械本身的功能、性能以及质量设计的有关材料性能，包括材料的常规机械性能、疲劳断裂性能、抗复杂环境侵蚀的性能等。用于制造食品机械的材料，在整个生命周期内的各个阶段都不能危害人的安全与健康。因此，在食品机械设计中要求选择的制造材料，具有足够的机械强度和刚度、足够的环境适应能力和机械可靠性、足够的抗物理性能危害等。
2.1.3 材料的环保性能?在食品机械制造和使用过程中，要求材料对环境无害、与生态环境和谐共存、具有良好的使用性能、资源和能源消耗少、报废后回收利用率高以及有利于人体健康，其本质特征在于全生命周期内具有较低的环境负荷值。
2.1.4 材料的加工性能?主要包括食品机械制造材料的可铸造性、可锻造性、可焊接性、可切削性、可冲压性、可弯曲性以及可耐磨性等。在设计阶段考虑材料的可加工性，可以提高食品机械的经济性，减少能耗和制造过程中的不利副产品。尤其是外形复杂、加工精度要求高的零部件，考虑加工性能够显著提高食品机械制造工效和降低成本。
此外，材料的价格性能比是制约设计选材的一个重要因素。但在全生命周期设计中不能单纯看待材料价格，而应当全面分析材料的使用效能。针对材料的产品设计，材料的选择和结构细节设计是一种互动关系。当材料性能难以满足产品性能或寿命要求时，必须改进设计。
2.2面向制造过程的设计
在设计阶段，可利用计算机辅助工程(CAE)方法对食品机械制造过程进行模拟分析，改进设计以简化加工制造工艺、简化模具和夹具设计、充分利用标准件等。设计中一些小的改进往往会在很大程度上方便制造、降低制造成本、缩短制造周期。例如，在食品机械零件的冲压成形制造中，如能够在设计阶段利用大变形接触问题的有限元软件对成形过程进行模拟分析并优化设计，会避免许多设计缺陷和由此导致的制造困难，提高成品率和生产效率。采用CAE方法的目的是进行食品机械的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、结构强度与寿命评估、运动/动力学仿真。其中工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行，可靠性如何以及使用寿命为多少；运动/动力学仿真用来对计算机辅助设计（CAD）建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。从过程化、实用化技术发展的角度看，CAE的核心技术为有限元技术与虚拟仿真技术。
国际上食品机械制造技术发展到今天，已形成门类齐全的制造工艺。与现代信息技术、计算机技术、控制技术、人工智能等相结合，促进了食品机械制造技术已由传统的制造技术发展到现代制造技术。食品机械的设计，应充分与各种制造工艺和制造技术相协调，才能发挥各种制造技术的长处，方便制造并提高工效。对大批量制造的食品机械，设计的零部件应能适应生产线流水作业制造。在面向制造过程的设计中，方便装配是全生命周期设计必须考虑的又一重要因素。装配方式、装配强度、装配工艺应在设计阶段确定，以避免装配过程的困难或临时改动对食品机械完整性的破坏。
2.3面向产品功能的设计
食品机械产品功能和性能的开发，依赖于相关多学科的发展和技术突破，同时也受市场需求的推动。产品功能和性能设计一直是食品机械设计的核心内容，也贯穿于食品机械全生命周期设计的所有环节。与传统的设计相比，现代食品机械具有一系列新的特征。模块化和标准化已被证明是保证食品机械高性能、低成本和开发周期短的有效方式。但随着技术发展的推进和市场需求的拉动，对食品机械节能减排、保护环境、安全卫生的要求日益突出。在食品机械全生命周期设计中，如何将模块化和标准化要求与节能减排、保护环境、安全卫生要求协调统一，是全球食品机械争夺市场竞争的关键。在食品机械产品性能与功能方面，可以充分发挥模块化和标准化的优势，而在产品的表现形式、外部结构等方面尽量满足节能减排、保护环境和安全卫生的市场要求。集成化和绿色化往往带来食品机械产品性能和环保问题的历史变革。其中，集成化是将代表食品机械先进特征的技术和性能集合在一起，在充分体现技术和性能先进的前提下，力求简化产品结构，节约制造材料，降低制造成本。而绿色化则是从节能减排、环境保护、安全卫生等方面考核食品机械的技术状况，把生态环境和可持续发展摆在重要地位，成为食品机械产品品质的重要组成部分。
现代食品机械除了满足节能减排、保护环境、安全卫生和性能可靠等要求外，智能化、数字化等功能也是食品机械创新的重要体现。无论是生产规模大小还是品种各异的食品机械，都需要这些创新功能。食品机械全生命周期的设计，更要注重这方面的功能创新。借助计算机仿真和计算试验技术，是分析、设计、运行、评价食品机械仿真活动的重要工具，可以在设计阶段考察、改进食品机械的功能和性能。而食品机械的功能与材料、结构、工艺、质量等是一种互动关系，依赖性较强。
2.4面向使用寿命的设计
食品机械的使用寿命包括其经济寿命和技术寿命。经济寿命是从经济的角度和最合理的使用期限，具体分析能使食品机械的年平均使用成本（由机械购置费的折旧费和机械的年运行费用两部分组成）最低的年数。技术寿命是从技术折旧角度看食品机械最合理的使用期限，具体分析从食品机械开始使用到因技术落后而被淘汰所持续的时间，它与技术进步的速度有关，与食品机械的运转时间有关。应该指出，食品机械的使用寿命并不是越长越好，这里强调的是合理延长使用寿命。从技术进步、能源消耗、环境保护等方面考虑，不科学、无限延长食品机械的使用寿命，反而会造成食品加工企业经济效益下降，阻碍技术进步。因此，适时对食品机械进行更新换代是必要的。
食品机械的使用寿命，是食品机械使用价值的重要体现。在设计阶段对食品机械使用寿命进行设计的基础，是对食品机械使用寿命和可能受到破坏的准确分析预测。目前食品机械产品结构的使用寿命预测，主要基于材料疲劳力学的安全寿命方法和断裂力学的损伤容限耐久性方法。对食品机械来说，除了机械疲劳破坏外，电致电子元件的疲劳、控制开关的电接触疲劳、运动部件的磨损、腐蚀环境中部件的剥蚀等，都对食品机械的使用寿命构成影响。在使用寿命设计中，除了寿命分析和预测方法外，材料的选择和性能指标的试验测定、对制造和加工工艺质量的评估、载荷谱和环境谱的编制等都具有重要影响。
2.5面向资源环境的设计
食品机械设计涉及的资源环境，主要包括制造材料的选择、节能、环保以及人体健康等方面。在材料选择方面，应尽量使用可再生资源和可回收的材料，合理利用食品机械报废后可回收的材料和零部件，促进材料的再利用和零部件的循环利用。在节能方面，通过合理的材料选择和工艺设计，可降低食品机械制造加工过程的能耗；通过创新设计和采用先进技术，可降低食品机械使用运行中的能耗；选择合适的能源品种和设计好食品机械的拆卸性，可降低报废后材料和零部件回收或再生产的能耗。在环保方面，食品机械全生命周期设计中环保理念应贯彻始终，包括选择环保材料、设计有利于环保的制造方式和工艺、控制食品机械使用过程的有害物产生和排放、采用先进的动力学制造工艺控制噪音污染、合理设计降低电磁污染等等。因此，食品机械全生命周期设计中的环保问题，包括材料中有害物质向食品迁移、食品机械结构设计问题导致食品微生物超标、食品加工中排放的废弃物污染、噪声污染、空气污染、辐射污染、电磁污染等。此外，改善食品机械操作人员的工作环境，创造舒适的人机交互界面、提高工作效率和质量、降低事故发生率等，也是面向资源环境设计的重要方面。
3 全生命周期的优化设计
相对于传统的单一性能优化和局部结构设计过程的优化设计，全生命周期优化设计应是一种食品机械全局的、面向全部性能和全生命周期过程的优化设计。进行食品机械全生命周期优化，是一个需要多学科知识融合的复杂决策过程。数值分析、工程预测、虚拟仿真以及试样和模型试验等，都是食品机械优化设计的方法。由于涉及的因素太多，优化目标相互交织、相互制约甚至相互矛盾，对食品机械进行设计方案的全生命周期优化是十分困难的，严格的数学寻优很难实现。因此，除了采用更为先进的优化方法或融合多种优化算法的特点于一体外，更为重要的是按照现代食品机械的产品特征进行多约束决策。例如，对等寿命设计目标，考虑到经济维修性只需要将不可维修和不可更换的部分按等寿命进行优化设计，可维修、可更换的部分由经济性设计目标来要求。
模块化、标准化、集成化等使得食品机械的全局优化可以变为分级结构模型，包括一级结构、二级结构等子结构化。这就使得子结构化的食品机械全生命周期优化设计变得简洁多了。采用知识共享和分工合作，具有子结构化的食品机械设计还可以促进快速的产品创新。在子结构化的食品机械设计中，下一级子结构是上一级结构的组件，其性能、价格等指标可以作为上一级结构优化设计的初始变量。相应的上一级结构优化的结果就是下一级子结构的优化目标。依次形成层层关联的优化分层和优化决策。子结构的划分，应依据食品机械功能、生产工艺和产品的模块化、标准化、集成化情况以及相关知识和丰富信息来进行。
4 结束语
4.1 根据以上研究不难看出，食品机械全寿命周期设计最重要的特点是它的集成性， 把食品机械的设计、制造、使用、报废和处置等环节的问题，全部集中在设计阶段研究解决或者提出解决的途径。
4.2 食品机械全寿命周期设计，始终是面向环境资源（包括制造资源、使用环境等）而言的，它的一切活动都是为了使制造出来的产品能够“一次成功”，并在当地的资源环境下达到最优，而不必进行不必要的返工或修复。
4.3 在食品机械全寿命周期设计过程中，不仅要考虑产品功能、性能、材料、结构、外观、包装、成本等常规因素，而且要考虑产品生命周期对能源、环境、资源和安全卫生的影响程度，同时还要考虑产品设计的可制造性和可回收性等。
4.4 食品机械全生命周期设计的关键问题，在于建立面向产品全生命周期的产品模型，如可制造性评价模型、成本估算模型、可装配性模型、可维护性模型等，同时产品模型应能全面表达和评价与产品全寿命周期相关的性能指标，最终实现食品机械全生命周期的综合优化。
