設備機械設計與實踐創新思路研究

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摘要：在實際工作基礎上，根據機械設計的過程，對設備創新設計的思路進行整理。理清設計思考過程需要的條件和因素，以實踐經驗為依托，說明進行創新設計存在的因果關系。在設計過程中，要以理論知識為內核，以實體設計為載體，依據公式和參數來進行分析和計算。

關鍵詞：設計思路；設計框架；柔性邊界；創新落地

隨著國家的進步，國內制造業由曾經的以仿制為主，走到現在注重高品質發展，經歷了從無到有、由弱變強的過程。制造轉變為“質造”和創造，行進在高質量創新發展的路上。

1定位

當下，在行進隊伍中，機械設計是制造業應用技術的創新主力之一。它是設備市場需求的接收者，是設備實現功能的轉化者，是設備成型的規劃者，是設備參數保障的執行者。

2執行與方法

2.1創新的來源。創新要突破慣性思維和既定形式，既要有天馬行空的思考，又要可落地解決實際問題。因此，接收設備使用者遇到的問題和麻煩，接收市場對設備性能的需求和呼喚，以實際問題為導向平臺，讓天馬降落可駕馭，是創新的意義。2.2設計框架的搭建。根據設備性能需求，定義設備框架，如體積、形狀、重量和質量分布，實現功能的基本原理等?；蚱鹩诤诵牟考膽茫蓛榷獾匮诱?；或起于局部服從整體，由外而內地組成?！霸O計框架”即設備設計思路的軸，在設計過程中，調用知識、經驗和創新舉措，皆圍繞此設計框架展開。2.3柔性邊界條件分析。在機械設計過程中，設備的外在形式是表象和載體，而包括結構設計、傳動設計、過流設計等在內的內在參數的理論知識為本體。對理論的應用表現在理論分析和公式運用上，它們以等式或不等式的形式表達，兩端參數高低相隨，增減相伴。在設計過程中，依據條件需求，適當調整參數，或局部服從整體，或整體遷就局部，相互妥協，以實現設備整裝的最佳存在。2.4保證質量的條件曾經，“MadeinChina”被說成“低質”的代名詞。這是過程，不是標簽，超級跑車也不是一踩油門速度就直接到200邁的。得用發展的眼光看事物，與時俱進?，F在，“MadeinChina”已經在眾多設備上打造了高品質、高質量的產品。從機械設計角度看，使用工況是首先考慮的問題，因為工況被動引導著設備的使用條件。在此條件下，環境因素影響著用材的選取，像食品醫藥設備，常選用耐腐蝕性能好的奧氏體不銹鋼，如06Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo2等；其負載狀況，關系著承載設計，引導著結構件截面的選型，與載荷作用力方向一致的立面與壁厚起著主要承載作用，橫面尺寸起著剛性作用，其依據截面系數公式計算，如矩形截面板材Wz=bH2/6。而載荷的大小，通過力系平衡和簡化的方式分析，再代入參數取得。由此可見，依據工況和使用條件進行正確選材，保證荷載安全，才能在機械設計層面上為設備質量保駕護航?？梢哉f，質量的保證，對于設計而言，是被動獲取的，其受初始目標條件的制約和引導，來確定影響質量的最大或最小參數值，參數值選取合理，則質量就有保障。2.5取得創新設計的成果以解決問題為初衷，以實現結果為目的，引導創新思維的產出。以理論知識和實踐經驗為基礎，實現創新成果。因為創新是為了進步、變好，和突發奇想、亂改的區別是，創新后的設備，在效率、性能、操作、成本等方面有一定提高，而不是原地踏步，甚至是后退。創新，其簡單，簡單在想法簡單，表面上換個形式、換個方法，便可出現；其難，難在現實意義有價值，使其實現并不簡單。有價值的創新，需要以一定的理論知識為基礎，以實踐可操作性為前提，了解設備處于什么樣的行業背景和技術水平，以此為基準，向上突破。創新后的設備，在性能提高、質量保證、成本控制、實現價值上，同過去的設備進行綜合評估，確實更佳，才會落地。而以上的這些評估，沒有一條是憑感覺、想當然能做到的。需要系統架構邏輯更嚴謹、原理組成分析更細致、參數選取與計算更準確。諸多公式的參數對比是非線性的，會有平方、三次方、四次方的關系，關鍵參數的取值和變化，對創新設計有著重要影響。

3實例說明

以定滑輪為支點，使用電機牽引料斗向上自動送料的運動機構。（1）初定了料斗的裝料體積V，需送高度h，輸送速度v（m/s），整個系統的框架即可定義。（2）運用理論知識建立邊界條件，再進行柔性分析。功率P（kW）、轉速n（r/min）、輸出扭矩T（Nm）和負載F（N）、負載與轉軸中心距R（m）。調用公式：T=9549P/n或P=Tn/9549；T=FR=mgR=籽VgR；n=60v/（2仔R）。由公式T=FR=mgR=籽VgR可以看出，由裝料體積V和裝料介質的密度籽，可以得出負載上升需要的輸出扭矩；由輸出扭矩再選取合適的上升速度，就可以得出電機選型的功率。由上升高度h及裝料體積V=寬×長×高，可以規劃設備的外形尺寸。定滑輪輸送，一般采用鋼絲繩，通過負載F的參數值，選取鋼絲繩的截面規格，通過上升高度，選取鋼絲繩長度。鋼絲繩的截面尺寸決定了定滑輪輪槽尺寸；通過負載F和常用軸材料，可以計算定滑輪的軸徑：此系統軸承受的是剪力，可利用公式子=F/啄d算得軸徑最小值。式中，子為材料許用切應力；啄為軸套或軸承長度，即與軸的軸向接觸長度；d為軸徑。通過軸徑選取對應尺寸和負載的軸套或軸承，則定滑輪的最小截面尺寸可以定義。鋼絲繩配電機，一般選取電動卷揚機。根據需要的鋼絲繩長度和需求功率，選取相應型號的電動卷揚機規格尺寸（含繞鋼絲繩的圓筒半徑R和圓筒軸向寬度L）。因電動卷揚機和料斗在定滑輪兩邊，所以，料斗的寬度可以與卷揚機長度對應定值，以優化設備寬度方向上的空間布局?；竟δ軐挾却_定后，根據需升料高度h判斷機架穩定性，如料斗到頂端后，裝料重心不在中間，或地面不平有傾角，是否會導致機架傾倒。由此設定使用工況，適當增加寬度，滿足使用工況的要求。又卷揚機在機架下部，其寬度尺寸也要配合機架挑選。鋼絲繩牽引料斗上升，如戶外有風，難免會使料斗擺動，使作業存在風險。因此，設計時要根據工況考慮讓料斗上升沿著既定導軌行走，控制平衡。料斗上升和下降到位，可以在相應位置設置觸控傳感器，來控制電機安全啟停。（3）保證質量可靠。機架部分的結構設計，在參數滿足上述功能需求的前提下，可用鈑金折彎或型材制作，通過理論力學的平衡力系和工程力學的強度校核知識，選取板厚和截面形狀，采用焊接或安裝結構形式。計算結構件在最大受力狀態下截面系數與力矩的對應關系，再校核材料應力保證滿足使用要求。緊固螺栓組，要合理均布，并根據其安裝位置分析受力狀態，計算抗剪或抗拉強度。對于附屬部件的設計，如設備上的電機，需要考慮防水、防撞等問題。如是小型設備，可考慮美觀易操作問題。對于大型設備，更注重考慮極端狀態下的安全問題，如鋼絲繩維護不善或意外撞擊，在料斗升到高處時繩斷，怎么不讓料斗自由下落等。（4）取得創新成果。在上述方法下，將原需裝載200kg料斗、升高4m、負載速度約0.5m/s的料場升料機構車總重減小了30%，加工制造成本降低了50%。原設備為仿造其他設備改制而來，雖然能用，但上面的零部件有諸多參數不靠近設備的實際使用工況；其升降采用定動滑輪和二級導軌的組合方式，相對于此工況略顯繁瑣。

4結語

對于復雜系統，考慮將其分解成多個單元問題進行設計校核，再將簡單問題融入整體去應用調整、修正參數。因此，設計一個設備，按照上文思路，可以不仿造其他設備，制造出體積、重量比佳，功能質量有保證的產品。同時，出于實際效率考慮，需要利用已有的成熟產品上的優秀部分為當前設備所用，即系統設計是自己的，在細節上，集成好的、解決不好的；在設備性能、質量保證上，不向過去妥協。對于設備設計，進行創新的同時不自閉，在繼承原設備優點的基礎上，要有發展進步，依據自己的系統設計有所取舍。在機械設計上，積累實踐經驗，融合理論知識，二者相輔相成。對于一般性問題，可以經驗帶著理論跑，使用已知方法，帶入需求參數，較快解決；對于難點或未接觸過的問題，用理論帶著經驗跑，逢山開路，遇水架橋。設計者既要觀查設備外在形式的“熱鬧”，也要琢磨其理論知識的運用“門道”，門道認清了，應用技術，百變創新有其“中”。

作者:于開洋 單位:南京國信能源有限公司