机械设计方案范文

导语：如何才能写好一篇机械设计方案，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

机械设计方案

篇1

关键词：机械产品；方案设计方法；发展趋势

引言

科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。

根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。

1、系统化设计方法

系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。

系统化设计思想于70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准VDI2221“技术系统和产品的开发设计方法。

制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：

(1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。

(2)将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。

(3)将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。

由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。

1.1设计元素法

用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。

1.2图形建模法

研制的“设计分析和引导系统”KALEIT，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。

将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。

文献［11］将语义设计网作为设计工具，在其开发的活性语义设计网ASK中，采用结点和线条组成的网络描述设计，结点表示元件化的单元(如设计任务、功能、构件或加工设备等)，线条用以调整和定义结点间不同的语义关系，由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型，使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达，实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。

1.3“构思”—“设计”法

将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。

将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。Roper，H.利用图论理论，借助于由他定义的“总设计单元(GE)”、“结构元素(KE)”、“功能结构元素(FKE)”、“联接结构元素(VKE)”、“结构零件(KT)”、“结构元素零件(KET)”等概念，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述，形成了有效地应用现有知识的方法，并将其应用于“构思”和“设计”阶段。

从设计方法学的观点出发，将明确了设计任务后的设计工作分为三步：1)获取功能和功能结构(简称为“功能”)；2)寻找效应(简称为“效应”)；3)寻找结构(简称为“构形规则”)。并用下述四种策略描述机械产品构思阶段的工作流程：策略1：分别考虑“功能”、“效应”和“构形规则”。因此，可以在各个工作步骤中分别创建变型方案，由此产生广泛的原理解谱。策略2：“效应”与“构形规则”(包括设计者创建的规则)关联，单独考虑功能(通常与设计任务相关)。此时，辨别典型的构形规则及其所属效应需要有丰富的经验，产生的方案谱远远少于策略1的方案谱。策略3：“功能”、“效应”、“构形规则”三者密切相关。适用于功能、效应和构形规则间没有选择余地、具有特殊要求的领域，如超小型机械、特大型机械、价值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：针对设计要求进行结构化求解。该策略从已有的零件出发，通过零件间不同的排序和连接，获得预期功能。

1.4矩阵设计法

在方案设计过程中采用“要求—功能”逻辑树(“与或”树)描述要求、功能之间的相互关系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据“要求—功能”逻辑树建立“要求—功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关系，表示出要求与功能间一一对应的关系。

Kotaetal将矩阵作为机械系统方案设计的基础，把机械系统的设计空间分解为功能子空间，每个子空间只表示方案设计的一个模块，在抽象阶段的高层，每个设计模块用运动转换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示；在抽象阶段的低层，每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。

1.5键合图法

将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。

2、结构模块化设计方法

从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解(如通用零件部件等)描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层，(1)产品(2)功能组成(3)主要功能组件(4)功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件STRAT。

认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。

提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。

以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。

根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：1)元件间直接定位，并具有自调整性的部件；2)结构上具有共性的组合件；3)具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接；4)具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。

在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。

3、基于产品特征知识的设计方法

基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。

机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。

3.1编码法

根据“运动转换”功能(简称功能元)将机构进行分类，并利用代码描述功能元和机构类别，由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床的方案设计中。

利用生物进化理论，通过自然选择和有性繁殖使生物体得以演化的原理，在机构方案设计中，运用网络图论方法将机构的结构表达为拓扑图，再通过编码技术，把机构的结构和性能转化为个体染色体的二进制数串，并根据设计要求编制适应值，运用生物进化理论控制繁殖机制，通过选择、交叉、突然变异等手段，淘汰适应值低的不适应个体，以极快的进化过程得到适应性最优的个体，即最符合设计要求的机构方案。

3.2知识的混合型表达法

针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合，这一点已得到我国许多设计学者的共识。

在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DMDSS中，将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法(规则、框架和过程)，按面向对象的编程原则，用框架的槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处理，组成一种混合型的知识表达型式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDIS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDES”。

3.3利用基于知识的开发工具

在联轴器的CAD系统中，利用基于知识的开发工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法数据库，为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。则利用NEXPERT描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容，由此寻求出基于知识的解，并开发出直线导轨设计专家系统。

3.4设计目录法

构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。

3.5基于实例的方法

在研制设计型专家系统的知识库中，采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案，用框架结构描述“工程实例”和各种“概念实体”，通过基于实例的推理技术产生候选解来配匹产品的设计要求。

4、智能化设计方法

智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。

在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。

在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术——虚拟现实技术。1)产品规划—构思产品。其任务是确定产品的外部特性，如色彩、形状、表面质量、人机工程等等，并将最初的设想用CAD立体模型表示出，建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借助于数据帽和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。2)开发—设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素，如机、电、电子部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等等。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置(设计模型中解元素间的关系)进行分析，产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。3)生产规划—加工和装配产品。在这一阶段中，主要论述了装配过程中CAD技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法，并认为将CAD技术综合应用于产品开发的三个阶段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续地交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的问题，使产品在开发进程中不断地细化和完善。

我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。利用面向对象的技术，重点研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的OpenGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察，如运动中机构间的衔接状况是否产生冲突等等。

将构造标准模块、产品整体构造及其制造工艺和使用说明的拟订(见图1)称之为快速成型技术。建议在产品开发过程中将快速成型技术、多媒体技术以及虚拟表达与神经网络(应用于各个阶段求解过程需要的场合)结合应用。指出随着计算机软、硬件的不断完善，应尽可能地将多媒体图形处理技术应用于产品开发中，例如三维图形(立体模型)代替装配、拆卸和设计联接件时所需的立体结构想象力等等。

利用智能型CAD系统SIGRAPH-DESIGN作为开发平台，将产品的开发过程分为概念设计、装配设计和零件设计，并以变量设计技术为基础，建立了胶印机凸轮连杆机构的概念模型。从文献介绍的研究工作看，其概念模型是在确定了机构型、数综合的基础上，借助于软件SIGRAPH-DESIGN提供的变量设计功能，使原理图随着机构的结构参数变化而变化，并将概念模型的参数传递给下一级的装配模型、零件设计。

5、各类设计方法评述及发展趋势

综上所述，系统化设计方法将设计任务由抽象到具体(由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构)进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。

结构模块化设计方法视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。由于实体与功能之间并非是一一对应的关系，一个实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种实体予以实现。因此，若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计，结构模块的划分和选用都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域知识。

机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。

目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。

值得一提的是：上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想，建立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法，此外，基于产品特征知识的设计同时又是方案智能化设计的基础之一。在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。

篇2

关键词：机械产品；方案设计方法；发展趋势

引　言

根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。

1、系统化设计方法

1.1　设计元素法

1.2　图形建模法

1.3　“构思”—“设计”法

从设计方法学的观点出发，将明确了设计任务后的设计工作分为三步：1) 获取功能和功能结构(简称为“功能”)；2) 寻找效应(简称为“效应”)；3) 寻找结构(简称为“构形规则”)。并用下述四种策略描述机械产品构思阶段的工作流程：策略1：分别考虑“功能”、“效应”和“构形规则”。因此，可以在各个工作步骤中分别创建变型方案，由此产生广泛的原理解谱。策略2：“效应”与“构形规则”(包括设计者创建的规则)关联，单独考虑功能(通常与设计任务相关)。此时，辨别典型的构形规则及其所属效应需要有丰富的经验，产生的方案谱远远少于策略1的方案谱。策略3：“功能”、“效应”、“构形规则”三者密切相关。适用于功能、效应和构形规则间没有选择余地、具有特殊要求的领域，如超小型机械、特大型机械、价值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：针对设计要求进行结构化求解。该策略从已有的零件出发，通过零件间不同的排序和连接，获得预期功能。

1.4　矩阵设计法

1.5　键合图法

2、结构模块化设计方法

根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：1)元件间直接定位，并具有自调整性的部件；2) 结构上具有共性的组合件；3)具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接；4)具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。

3、基于产品特征知识的设计方法

3.1　编码法

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3.2　知识的混合型表达法

针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合，这一点已得到我国许多设计学者的共识。

3.3　利用基于知识的开发工具

3.4　设计目录法

3.5　基于实例的方法

4、智能化设计方法

在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。

在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术——虚拟现实技术。1) 产品规划—构思产品。其任务是确定产品的外部特性，如色彩、形状、表面质量、人机工程等等，并将最初的设想用CAD立体模型表示出，建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借助于数据帽和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。 2) 开发—设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素，如机、电、电子部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等等。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置(设计模型中解元素间的关系)进行分析，产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。3) 生产规划—加工和装配产品。在这一阶段中，主要论述了装配过程中CAD技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法，并认为将CAD技术综合应用于产品开发的三个阶段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续地交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的问题，使产品在开发进程中不断地细化和完善。

5、各类设计方法评述及发展趋势

篇3

关键词：机械设计；轴系结构；功能元

中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）15-0024-02

轴系的结构方案设计和机器的整体质量息息相关，一旦发生轴失效，将导致严重后果。轴系的结构方案设计和一般零部件的设计存在很大的差异，不仅包括强度设计，还包括结构设计。

1 基于功能元的结构方案设计分析

机械产品概念设计内容主要包括下列三个部分：功能抽象化、功能分解、功能结构图设计。机器可被视作一个大系统，在这个系统中，各种零件按照某种关系组合在一起，以满足客户的特定需求，其基本功能要素如下：（1）轴承集——支撑功能的功能元；（2）齿轮副集——传递运动的功能元；（3）螺栓集——紧固功能元。在每一类功能元中，又可根据功能特性的差异而做进一步的细分。以图1所示的单级减速器为例，扭矩通过轴、键、齿轮、轴承、轴承座进行传递，力的传递过程可以用图2表示。

2 轴系主要功能元的特征属性分析

2.1 轴的属性

轴发挥着支撑以及传递转矩的功能，其决定性能的因素主要有两个：一是刚度，二是强度。在轴的设计过程中，不仅要以工作能力准则为基础，而且要兼顾如下要求：（1）轴向定位方法的运用；（2）周向固定轴上的各类零件，使其符合转矩传递的要求；（3）轴和其他部分存在相对滑动的表面要具有良好的耐磨性；（4）符合实际工艺生产要求。

2.2 传动类结构功能元

两轴间的运动通常依靠齿轮传动来完成。齿轮传动不仅效率高，而且持续稳定，因而具有很强的适应性。齿轮副有以下分类：（1）平面齿轮——直齿/斜齿圆柱齿轮传动；（2）空间齿轮——传递相交轴/交错轴运动。结合齿轮的特点及使用条件，采用功能元划分的方法将齿轮副的十大特征总结如下：（1）传动比；（2）传动平稳性；（3）传动效率；（4）耐磨性；（5）结构紧凑性；（6）轴向力；（7）承载能力；（8）转速要求；（9）两轴线方向；（10）制造成本。

2.3 支撑类结构功能元

在机器中，轴承装置是一种应用广泛且相当关键的部件，其设计质量关系着机器是否能够正常运转。轴承装置的设计涉及多种知识与技术，表现出了一定的复杂性和灵活性。设计师应在充分满足用户需求的基础上，对轴承的规格、型号、安装等进行科学确定。对于轴承装置设计而言，建立知识库是前提条件。以滚动轴承为例，可总结出十二个特征：（1）高速性能；（2）噪声性能；（3）旋转精度；（4）使用寿命；（5）刚性；（6）摩擦性能；（7）联合载荷；（8）轴向载荷；（9）径向载荷；（10）耐冲击性；（11）径向尺寸；（12）内外圈可分离性。

3 轴系结构设计

3.1 拟定轴上零件的装配方案

拟定轴上零件的装配方案，其重点在于确定轴上关键零件的装配方向、顺序以及彼此关系。它决定了轴的基本形式，是轴结构设计的基础，拟定轴上零件装配方案的过程中，通常需要设计多个不同方案，然后展开分析对比，确定最佳方案。

3.2 轴上零件的定位

轴上零件在受力条件下，有可能沿轴向或者周向发生位移，为避免这一问题，两种特殊情况（有游动要求或者空转要求）除外，其他轴上零件需要做好轴向和周向的有效定位，从而确保轴上零件工作位置的准确性。

3.2.1 零件在轴上的轴向定位。零件在轴上的轴向定位通常依靠以下部件实现：轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈、轴承盖。至于定位方面，则需要根据轴向力的大小确定。除此之外，还需要考虑轴的制造难度、零件装拆难度以及工作稳定性等各类因素。

3.2.2 零件在轴上的周向定位。周向定位是为了避免零件和轴之间出现相对转动。主要的周向定位零件包括以下几种：键、花键、销、紧定螺钉、过盈配合。其中紧定螺钉仅适用于传力不大的部分。

3.3 各轴段直径和长度的确定

当零件定位方案与装拆方案被确定之后，轴的基本形状也便基本被确定了。各轴段直接取决于轴上载荷的大小，一般根据轴所承受的扭矩对轴直径进行初步估算。将初步估算的直径视作轴段的最小直径编，并根据零件装配方案以及相关定位要求，对各段轴的直径进行逐一确定，同时注意以下四点：（1）对于那些存在配合要求的轴段，尽可能采用标准直径；（2）便于装拆，同时降低配合表面擦伤几率，在配合轴段前一般采用相对较小的直径；（3）确定各轴段长度时，主要依据轴上配合零件的有关参数，如毅孔长度、位置、轴承宽度以及轴承端盖的厚度等；（4）应尽量保证结构的紧凑，还要兼顾零件装配空间或者调整空间的留置问题。

3.4 提高轴强度的措施

轴上零件（包括结构、工艺、安装等各个因素）将会对轴的强度产生极大的影响。为了进一步加强轴的承载力，同时减轻机器重量，减小轴尺寸，降低综合制造成本，应认真研究以下四点：（1）做好轴上零件的科学布置，从而有效减小轴的载荷；（2）做好轴上零件结构的改进，从而有效减小轴的载荷；（3）做好轴结构的改进，从而降低应力集中的不利影响；（4）做好轴表面质量的改进，从而提高轴的抗疲劳强度。

4 轴系结构方案设计实例

本文以链式运输机为例，对基于结构功能元的轴系结构方案设计进行说明。该链式运输机的设计需求如下：（1）中等冲击环境；（2）以电动机驱动；（3）功率为2.2kW；（4）转速为640r/min；（5）链轮转速为94r/min。通过相关分析与计算，得出其可使用的运动方案如表1

所示：

结合空间布局的实际需要以及各个装配方案的反复对比，最后决定选择方案1中给出的带传动方案。链传动过程中将会受到一定强度的冲击力，运动存在不均匀的问题，同时考虑到摩擦传动在承载力方面相对有限，所以，选择低速级。除此之外，还要综合考虑电动机的各项参数，如功率、外形尺寸、满载转速以及最大转矩等等，最终选择齿轮啮合的单级传动，带和齿轮的传输比分别是2和5，电动机轴转速、高速轴转速、低速轴转速以及工作机轴转速分别是940r/min、470r/min、94r/min、94r/min。

5 结语

本文结合了笔者多年的实践工作经验，从理论的角度出发，对机械设计中轴系的结构方案设计进行了深入的分析与研究。实践证明，本文所给出的方法在实践环节具有非常不错的实用价值。随着研究的进一步深入，发现该系统在通用性方面还存在一定的不足，另外，系统的智能化方向将成为日后工作的一个重点。

参考文献

[1]王海涛，李初晔.基于力学分析的主轴轴系结构优化设计[J].制造技术与机床，2011，（7）.

[2]肖文刚，何志华，董青海.碳纤维复合材料传动轴设计与制造技术研究[J].玻璃钢/复合材料，2012，（S1）.

[3]竺芳.机械设计中轴系结构主要功能元的特征属性研究[J].科技信息，2010，（33）.

[4]何泽军.机械设计中轴系结构方案的设计与研究[J].长春理工大学学报，2010，（9）.

[5]赵靖超，聂国林，姚新改，轧刚.基于弹塑性理论提高转矩轴设计失效转矩精度[J].机械传动，2013，（3）.

篇4

[关键词]精度设计培养方案教学实践改革

[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A

引言

机械产品往往由于丧失精度而报废，周期性检修的实质就是对其精度的检定和修复，没有足够的几何精度，机械产品就失去了使用价值。因此，从理论上讲，无论何种生产类型、何种功能要求，都应该对零件的几何要素提出精度要求。精度设计用以确定机械各零件几何要素的公差。机械产品的精度设计是联系产品使用性能和生产制造过程的桥梁[1]，精度设计给定的公差等级、采用的公差原则对生产设备的选择、工装夹具的设计和制造、检验方法的制定等方面有着决定作用，它直接影响着生产成本的高低，进而影响着产品的市场竞争能力。

《互换性与测量技术基础》是高等院校机械类、仪器仪表类和机电相结合类各专业必需的主干技术基础课程[2]，涵盖了几何精度设计与检测两方面的内容。在几年的教学实践中发现以下问题：

（1）学生没有充分意识到几何精度对机械产品使用性能的重要性。在课程设计和毕业设计时，只做完系统设计与参数设计，精度设计基本就没做或者很少做。

（2）学生不具备相应的精度设计能力，不能灵活运用所学的相关知识进行机械产品设计。在课程设计和毕业设计时，精度的确定并没有考虑产品的性能要求和生产成本之间的关系，所做的设计在目前生产条件下无法制造生产，或者造成生产成本的增加。

（3）学生不能正确运用设计标准和规范。比如，在齿轮的设计中，图纸表达不完善，参数表只有结构参数的内容，而没有精度参数的内容，甚至没有参数表；标准件并没有按照国家标准选用规格；已废除的国标仍在使用。

鉴于此，作者对课程教学进行研究，并进行大胆尝试与改革。

一、建设课程群，确立精度设计地位

课程群是为完善同一施教对象的认知结构，而将本专业或跨专业培养方案中若干门在知识、方法、问题等方面有逻辑联系的课程加以整合而成的课程体系[3]。以实现学生综合设计能力、创新能力为培养目标，把“机械制图”、“机械原理”、“机械设计”、“互换性与测量技术”4门课程的各教学环节进行优化重组融合，形成机械类专业基础课群。机械产品的设计过程通常可分为三个阶段：系统设计、参数设计和精度设计[4]。如果说系统设计为机械产品的一次设计，那么精度设计就是系统的三次设计。系统设计以整机的功能为目标而进行的机械基本工作原理和总体布局设计，是运动学的设计，主要由机械原理课程承担；参数设计以保证系统的能量转换和工作寿命来确定机构各零件几何要素的公称值，由机械设计课程承担；精度设计以保证机械产品的性能要求同时考虑制造的经济性来确定机械各零件几何要素的允许误差，由互换性与测量技术课程承担。

通过分析，互换性与技术测量课程的教学内容应该以精度设计为主线，以提高精度设计能力为目标，和机械原理课程及机械设计课程共同研究机械产品的设计。

二、设计性能检测实验，增强精度设计意识

在几年的教学实践中发现，学生能够理解机械结构参数对机械性能的重要性，却认识不到几何精度对机械性能的重要影响，甚至错误的认为机械设计就是做系统设计和参数设计，认为精度无关紧要。

为了更好的帮助学生理解几何精度设计在生产实际中的应用，体会几何精度对机械产品性能的重要影响，增强学生综合运用知识能力，强化机械设计、几何精度和机械制造之间的相关性，指导毕业生研制出机械性能检测实验台，使学生通过实验，切身体验几何精度对机械产品性能的影响，增强精度设计意识。

本实验台的整体结构系统图如图1所示：

图1：机械性能检测实验台整体结构系统图

直流电机作为动力通过一个一级传动机构驱动发电机工作，并设计的检测系统（传感器、采集卡、PC机自行开发的测试系统）对其性能指标进行检测，如传动效率、振动、噪声、温度等。传动机构的主要零件是可以拆装的，同时，主要零部件配备有多套（结构参数相同，仅精度不同）。实验时，学生组装不同精度的传动机构，进行整机运行，通过测试性能指标比较来反映整机的运行性能。

通过本实验可以加强学生对几何精度影响产品使用性能的主要认识，增强工程意识，并通过此综合实验培养学生综合运用所学相关知识的能力。

三、进行综合设计，提高精度设计能力

依据机械类专业教学计划，机械原理课程和机械设计课程及互换性与测量技术课程一般都安排有相应的2～3周的课程设计。课程设计一般要求学生在相对集中的时间内运用所学的相关知识完成一个具体的小设计[5]。目前，一般教学安排都是每门课程独立安排相应的课程设计，而这样做的结果对学生造成一种误导，形成“机械设计就是系统设计”，或者“机械设计就是参数设计”，“质量（使用性能）是检验出来的”等错误认识；同时也不能增强学生综合设计能力的培养；另外，也不利于“培养学生的工程实践能力和创新能力”教学目标的实现。以至于做毕业设计甚至在实际工作中，出现图纸表达不清楚、不合理、不符合规范，或者设计出来的产品依据目前的生产条件根本没法生产或者是生产成本过高等问题。

针对以上问题，把机械原理课程设计、机械设计课程设计及互换性与技术测量课程设计进行优化、整合。以培养综合设计能力为目标，进行综合性课课程设计。

（一）课程设计内容优化改革

目前，机械设计课程设计所做的机械产品设计基本上都是只考虑系统设计和参数设计，至于精度设计，基本就没做或者做的很少，有的只是在图纸上参照相关的设计做了些公差标注，至于为什么要选用这些精度项目？为什么要确定如此精度？学生基本就不知道。

曾经针对此问题，提出在互换性与测量技术课程设计调整精度设计的内容，让学生各自找出自己所做的机械设计课程设计，对整个设计进行完善。学生在系统设计和参数设计的基础上进行精度设计，并对前期的错误进行更正，形成完整的机械产品技术资料。

通过此项改革，提升了学生对精度设计在机械产品设计的重要性认识，但是，这样就会由于工作的不连续就耽误了很多时间。首先，对机械设计课程设计、机械原理课程设计、互换性与技术测量课程设计时间进行调整，调整为同时进行；然后，对其设计内容进行整合，取消原来的独立课程设计，实行综合课程设计，涵盖系统设计、参数设计、精度设计等内容。

（二）选题来源于工程实际

目前，机械设计课程设计题目大多是“一级或二级齿轮减速器”的设计，它涵盖了“机械设计”课程中大部分内容，有助于学生加强相关的知识的综合运用能力，但这样就出现题目单一化，不能充分调动学生的创新意识。通过对以往的课程设计答辩情况来看，部分学生曾出现抄袭现象。基于此，课程设计的选题来源于工程实际，解决所在城市厂矿的实际问题。根据任务的大小对学生进行分组，使学生协同完成整个设计任务，而所做设计是否能满足实际需要，可以直接在生产中得到检验，在工程实际中体会精度设计与生产性能及生产成本的关系，增强学生的工程意识。另外，设计要变为产品，图纸是设计工作者和制造工作者之间的沟通语言，这样，图纸的表达必须规范。学生在实际工程中体会图纸表达规范化的重要性，并能运用国标进行规范化设计。

四、改革考核办法，激发学生学习动力

以往，对于课程设计的考核方法是“考勤（10%）+报告（20%）+答辩（70%）”，这种考核办法能够使老师对学生的知识及素质得到全面的考核。但对学生来说有种“课程到此为止”的感觉，学生只知道自己的一个综合分数，并不知道自己掌握的相应知识到何种程度，是否满足工程实际所需？或者对于实际工程，还需要哪此方面的知识？其它同学是个什么样的水平？

一种理想的课程考核模式，应该能够全面、正确、有效地实现检查评价、教育激励、诊断反馈和导向等多种功能[6，7]。因此，在对精度设计进行考核时，采取了以下措施：

1．学生作为评委对学生进行答辩。这时，老师只是作为场外指导，对学生解答不了，而对他们的能力提升有关键作用的知识点做出解释和阐述，同时也从学生的答辩时所提的问题及回答情况对答辩学生和答辩评委的知识和能力掌握程度做出全面判断。

2．指导老师和学生进行互动，并做总结。在答辩进行完毕，指导老师就精度设计和学生进行互动，学生在互动中调动学习的积极性，并能对知识理解的更深刻。然后通过老师的总结，使学生对精度设计的脉络有个更清楚的知识，能够掌握精度设计的要领，并能体会精度设计在机械产品设计中的地位。从而激发学生学习知识的积极性和动力。

五、结束语

精度设计作为机械产品设计的一个重要环节，在理论教学与实践教学中应该加强学生精度设计能力的培养。近年的教学实践，学生精度设计能力有了很大的提高，为以后的毕业设计和工作打下良好的基础。

[参考文献]

[1]王永泉，马秋生，潘艳波.机械产品精度设计与生产成本的关系[J].机械设计与制造，2005（5）：147～148.

[2]王伯平.互换性与测量技术基础（第3版）[M].机械工业出版社，2009.

[3]李慧仙.论高校课程群建设[J].江苏高教，2006（6）：73～75.

[4]杜文华，郑江.机械基础系列课程教改中机械精度设计的实现[J].华北工学院学报（社科版），2004，20（3）：89～91.

[5]刘小康，余洁冰.工科学生课程设计与综合素质培养[J]. 高教探索，2009，（5）：133～134.

[6]施军.高校考试制度改革的若干思考[J].江苏高教，2003，（5）：57～59．

篇5

Abstract： On the basis of a lot of market research， through analyzing and comparing a variety of window cleaning device， this paper designs a double-sided window cleaning robot facing family apartment windows， which uses the mechanical mechanism as the main body， supplemented by automatic control.

关键词：双面擦玻璃；机械机构；曲柄滑块机构；自动控制；安全方便

Key words： double-side cleaning window；mechanical mechanism；slider-crank mechanism；automatic control；safe and convenient

中图分类号：TP241.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）08-0070-02

0 引言

随着人民生活水平的不断提高，人们对生活环境提出了更高的要求。在建筑业，由于玻璃的采光性好、保温防潮性能好，彩色玻璃实用美观，高层建筑越来越多地采用玻璃窗的结构。但是，由于随着时间的推移，雨雪天气以及空气中的灰尘，就会逐渐的蒙上一层厚厚的城市灰尘，使得这些建筑黯然失色，这样就需要对玻璃窗进行清洗。目前对高层建筑上玻璃的清洗工作主要是由人工完成的。高空擦洗，稍有不慎就会出现事故，造成伤亡。因此人们迫切希望能有一种清洗机器来代替人工作业。这种清洗机器的使用将大大降低高层建筑的清洗成本，提高劳动生产率。所要设计的高层户外玻璃自动清洁器，要求既要做到简单实用，又要价格便宜。这样经济实惠的擦玻璃机器人想法就悠然诞生了。

1 产品类别的介绍

1.1 双面玻璃擦 ①一面擦，两面净；②站在屋里擦窗外玻璃，安全，方便，又省力；③本产品通过磁力相吸的原理，内动外应，从而达到一次操作，玻璃两面干净的效果；④同时解决了人们住楼房不便到窗外擦玻璃，极其安全。

1.2 机械臂式玻璃擦一种手撑式电动多功能玻璃清洁器由刷头装置、撑杆装置、电动装置和喷雾装置四部分构成。功能：解决人们在高楼室内清洁窗及玻璃窗外侧面玻璃的难题。撑杆上还装有手压泵，通过软管可将清洗液送至刷头喷出，擦头罩壳内壁上有凸棱曲线，具有收集污液的功能、可避免污染周围环境。

1.3 撑杆式玻璃擦玻璃擦头固定在一根长的不锈钢管上，一侧是擦玻璃的海绵体，另一侧是清除玻璃上污水的刮擦。

2 主要目标

根据所调查的资料显示，不管是擦玻璃器还是擦玻璃机器人的开发比较完备，无论在功能上，还是材料上，因此这次“自动擦玻璃器的设计与制作”设计主要希望实现两个目标：①功能完备化。②降低高空擦玻璃机器人的成本。

3 设计方法

具体的设计方式我们采用以下几点顺序原则：①资料的查询，在图书馆查阅工具书，电子阅览室查询论文期刊等资料，了解自动擦玻璃机的发展趋势及状况。②初步构建自己的自动擦玻璃机的图形，绘制CAD图形，了解各部分的构造。③根据图纸设计各部分的具体参数，选用电动机、伸缩杆导轨滑块，设计底盘等部分的参数。④根据所选的参数购买和加工。⑤组装及验证其功能的可行性，修改最后完成设计。

4 设计方案

4.1 运动方式的设计支撑机构是玻璃擦设计中的最重要的结构，它对玻璃擦头的运动以及整个机构的安装位置的确定有着很大的影响，这个机构也是设计的一个重点。

蜗轮蜗杆传动，此种设计方案采用蜗轮蜗杆作为传动装置，传递电动机的动力，带动滑块在导轨上上下运动，完成玻璃擦的上下擦玻璃的任务。擦玻璃的范围由蜗轮的直径决定，擦玻璃的高度有伸缩杆的长度来决定，可以达到很高的地方，如图1所示。

但是此种设计方案在擦拭范围上存在很大的局限性，由于擦玻璃器主要面向家庭公寓使用，玻璃的尺寸大约为1500*1500mm，因此要求蜗轮的直径必须大于1000mm，这使得设计非常不现实，工作空间限制及其本身重量的限制使得本方案很难实际应用。

4.2 擦头组件的设计由于两个玻璃擦头是用磁铁之间的吸引力，使其吸附在玻璃表面上，因此擦头的设计考虑的重点就是要轻便。玻璃擦头设计成一个盒子状，里面装有磁铁，清洗液存储空间等。在盒子的表面贴有擦玻璃布，刮水板。制作这样一个盒子，首先需要制作模具，然后才能做出塑料的玻璃擦头来[6]。但是模具制作相当的昂贵，对于实验阶段来说没有必要使用这种方法进行制作。对方案进行修改，把结构进行简化，只保留最基本的构件，实现设计要求。另外还需要考虑的问题：①磁铁位置的确定；②玻璃擦头的连接。

4.3 底盘的设计底盘由小轮、驱动电机组成，需要承受整个机构的重量，保证其重心的稳定，使机构在运行过程中不至于倾倒。

底盘采用600*400*25mm的木板作为承重板，综合考虑电动机、曲柄滑块机构、导轨、玻璃擦等的重量大约为5KG，木板强度足够满足需求。木板下边在距离每个角90*50mm的位置安装小轮，高度大于为70mm，在满足要求的基础上尽量降低重心。小轮与固定在底盘的小电机相连，实现随着擦玻璃的进行，小车实现自动运动。小电动机配备有时间继电器，能够实现间歇式的运动，配合玻璃擦的上下运动，完成擦玻璃的任务。在底盘的上面一个长边250*50mm的位置安装一个100*100*5mm的铝合金薄板，作为导轨安装的界面，保持导轨的稳定性。

5 零件的设计制造

5.1 连接杆的设计制造 ①连杆材料的选择。连接杆与曲柄、导轨相连，起到传递动力的作用。同曲柄一样，连接杆材料也选定为铝合金，因为铝合金质量轻，强度大且容易加工。②连杆的制造。连接杆是选用直径为22mm的铝合金棒料通过数控铣床加工而成。经过几道工序加工之后，停车，取出曲柄，用锉把曲柄上的毛刺，锐边去除。第二部是钻孔，在钻床上夹紧，使用直径为6mm的钻刀，在曲柄的10mm处钻孔。每隔30mm钻一个孔，一共钻出3个孔，然后在连接杆的另一端的10mm处钻孔。用锉把曲柄上的毛刺，锐边去除。连接杆加工就完成了，如图2所示。

5.2 滑块的设计制造螺钉的底座的厚度为3mm，用磨床把厚度磨为1mm。根据导轨的形状，选取滑块为螺钉，这样螺钉能够在导轨的凹槽里滑动，如图3所示。

5.3 底盘的设计制造擦玻璃器的所有零件都要固定在底盘上，底盘的底部还要安装上定向轮，所以底盘既要易于加工又需要质量轻便。底盘选取为600*400的木板，质量轻且易于加工，在底盘上用电钻钻出16个直径为6mm的孔，能让4个小轮安装在底盘上。

注：黑龙江工程学院大学生创新创业训练计划.

参考文献：

[1]王炎.爬壁机器人的发展现状与应用前景[N].计算机世界报，2010，27.

[2]王园宇，武利生，李元宗.壁面清洗机器人发展趋势浅析[J].引进与咨询，2009，4.

[3]谢宇，曹彤，焦晓凯.多吸盘式擦窗机器人吸附系统研究[J].液压与气动，2007.

[4]秦卓.玻璃自动清洁器[P].中国，实用新型，专利号95204302.5，2009.7.19.

[5]黄建余.高楼擦窗机[P].中国，实用新型，专利号88213921.5，

篇6

[关键词]起重机械防护设备技术创新

中图分类号：TP271.31 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0010-01

起重机械在广泛被应用的同时也有一部分缺陷，由于自身的运行特点以及人为操作时的疏忽等各种因素导致了起重机械在实际运行过程中存在着很大的安全隐患。

一、起重机械存在的安全隐患

起重机械在实际工作的过程当中所存在的一些特点是安全隐患存在的主要因素，这些特点包括搬运货物的高势能、运动的多维性、作业范围大及作业条件复杂等。

1.新型防风防撞智能安全装置的特点

分析了起重机械在作业时所存在的安全隐患之后，研发了一种新型的防风防撞智能安全装置，这种安全装置具有多种功能及用途，在起重机械安全防护设备技术上具有一定的创新性，其保护性能非常突出。表1为起重机防风防撞安全装置功能对照表。

（1）由于起重机械属于高空作业，所以对操作人员操作的精确度要求很高，基本上操作人员都会把所有的注意力放在装卸货物上，如果这时候突然来阵风向不定的强风，很多的操作人员都会措手不及，从而导致起重机械安全事故的发生。新型防风防撞安全装置就是针对这个问题所安装的安全措施，它可以在突然出现大风的时候避免起重机械由于失控滑行导致的安全事故，有效的控制好起重机大车的工作状态。

（2）像造船厂、码头、大型机械厂等起重机应用比较多的地方，由于轨道的长期使用往往会出现某段下沉的现象，当起重机在这个下沉地段吊装重物时，起重机的大车经常会发生滑动现象。为了能够解决起重机械在下沉段的定点吊装问题，研究出了新型防风防撞智能安全装置，这种装置能够自动控制铁楔下落来防止大车的滑动现象，大车启动行走时自动升起铁楔，这种对大车轮子控制自如的定位在一定程度上有效的减轻了操作人员的负担，为起重机定点吊装的安全保障提供了可能。

（3）起重机械的运行空间一般都是靠操作者的肉眼来观看，但有时候会出现视觉障碍物，这时操作人员往往根据下面其他人员的指挥或者凭着自己的工作经验来进行吊装作业，由于指挥与操作之间存在时差，这就给起重机之间的碰撞事故提供了可能。新型防风防撞智能安全装置能够有效的控制好大车在多条共用轨道之间的运行，防止碰撞的发生。当起重机械在复杂的场所进行作业时，安全控制指令能够有效的控制好大车在轨道方向的正常工作或者停止，而且还可以识别轨道上的移动物体或障碍物。

（4）如果电子极板能够和智能安全装置有效的结合起来，就能实现起重机械终点限位安全装置功能。一般情况下，新型起重机械的电子反射极板安装在起重机地轨的端头，这种新技术在可靠性和稳定性方面都比传统接触式限位保护装置优越。

2.电气控制结构

新型防风防撞智能安全装置的安全控制单元主要由预警电路、限位电路和状态监测电路组成，预警电路和限位电路的主要作用是接受由传感器或者光电接近开关所传来的信号，对操作人员起到预警作用并能达到强行切断电源的目的。状态监测电路能够接受驱动器状态开关所传来的信号并对当前的防风防撞智能安全装置进行自检。下图为新型防风防撞智能起重机械安全设备结构简图。

3.新型防风防撞智能安全装置的技术创新

新型安全装置的技术创新主要变现在以下几个方面：

①首先，新型的安全装置把预警电路和限位电路集成在一个安全保护控制单元之中，在使用时所增设的限位电路起到的控制效果非常的好，当光电开关或者声波开关检测到轨道前方有障碍物时，这些开关就会立即运作起来，在几十秒之内限位电路会切断主电路，从而阻断起重机械的前行。

②该新型安全装置优化了起重机械的连接结构，起重机械的传动机构一般由驱动轴、驱动臂和曲柄组成，曲柄的两端分别与驱动轴和驱动器顶进行刚性连接，转动连接的实现是通过机架板和驱动轴之间的相互连接。这种新型安全装置结构简单，不容易被损坏，只需通过在传动机构中的曲轴设置和转折点设置并利用曲轴中心的位移来让铁楔产生起落过程时的前后位移。

③和传统的起重机械安全控制装置相比较，新型的智能安全装置增加了故障自检电路，主要是通过把非接触式的传感器开关安装在安全装置的驱动器上面，这时监测电路能自行的对比开关的正常设置状态和实际状态的差别，并自动根据对比的结果判断出是否发生故障。如果判断的结果正常，那一切操作继续进行，如果判断有故障发生，此时故障自检电路就会关闭起重机的行走，并给控制人员发出故障信号，使得维修人员能够及时的对故障进行修复，从而保证了起重机械的安全运行。

二、结束语

总之，起重机械的安全运行已经越来越受到人们的关注，新型防风防撞智能安全装置的技术创新能够有效的提高起重机械的安全运行程度，减少起重机械安全运行事故的发生，保障了人们的生命财产安全。

参考文献

[1] 裴淑玲，袁江.起重机械在使用中的安全隐患分析[J]. 中州煤炭. 2011（05）

[2] 兰天文.浅谈起重机械的安全技术管理[J].大众标准化. 2008（S2）

[3] 杨小栋.起重机械安全防护设备技术创新[J].江苏科技信息. 2008（10）

[4] 李国忠.起重机械设备安全防护对策[J].装备制造技术. 2009（06）

[5] 李黔萍.起重机械设备安全防护建议与措施[J].装备制造. 2009（05）

篇7

【关键词】IDC机房多专业协同 PDU

中图分类号：TN915.02 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-22-

Multi-Discipline Coordination and Design Case of Large-Scale IDC Room

CHEN Jin-fen

（Huaxin Consulting and Designing Institute Co.， Ltd.， Hangzhou 310014， China）

[Abstract]This paper first introduces the construction tendency of large-scale IDC rooms and proposes multi-discipline coordination is the premise to construct large-scale IDC rooms. And then， the paper analyzes the design points of eight disciplines including civil work， decoration， electrical lighting， electronic monitoring， fire control， air conditioning， power and craft in the construction of large-scale IDC rooms. Finally， it presents multi-discipline coordinative measures， as well as illustrates the flow and results of multi-discipline coordination design by means of specific cases.

[Key words]IDC room multi-discipline coordination PDU

1 大型IDC机房建设趋势

IDC（Internet Data Center，互联网数据中心）是电信部门利用已有的互联网通信线路、带宽资源，建立标准化的电信专业级机房环境，为企业、政府提供服务器托管、租用以及相关增值等方面的全方位服务。行业趋势、竞争压力推动大型IDC机房向高密度、高效率、模块化建设、云计算技术应用方向发展。

传统的IDC机房最大支持3kW/机柜，导致机柜内空间浪费严重。为了降低成本，提高机柜利用率，新建IDC机房实际功耗可达4.5～7kW/机柜。

传统的IDC机房PUE（Power Usage Effectiveness，电源使用效率）在2.1左右，电源容量限制、企业社会责任驱动新建IDC机房PUE值向1.5靠近。

为保证竞争力，IDC机房建设应能够根据各机房（区块）容量及建设等级灵活调整。

云计算帮助IDC中心建立业务与资源之间的关系，使现有IDC资源和业务优先级对应，所有服务器可以作为资源池进行统一调度、管理且按需动态分配，从而降低IDC运营成本。

上述IDC机房建设趋势要求各个专业紧密协作，多专业的协同设计是大型IDC机房成功建设的前提条件。

2 大型IDC机房建设涉及的专业

大型IDC机房建设涉及土建、装修、电气照明、弱电监控、消防、空调、电源、工艺这8个专业，每个专业的设计要点如表1所示：

表1 大型IDC机房建设涉及的专业及设计要点

专业

设计要点

土建

机房选址、平面布局、机房载荷、机房层高等

装修

机房的分割、吊顶、隔断、防火门、孔洞的开凿和封堵、隔热保温层、静电地板等

电气照明

消防报警、照明等

弱电监控

视频监控、门禁监控、动环监控、环境监控等

消防

消防管道、钢瓶、烟感、温感等

空调

机房温度和湿度、气体组织结构规划等

电源

供电模式、电源容量、柴油发电机等

工艺

机房整体的布局规划、走线架/尾纤槽道规划、冷/热通道封闭、机房内综合布线

3 大型IDC机房的各专业设计要点

下面详细分析土建、装修、电气照明、弱电监控、消防、空调、电源、工艺这8个专业在大型IDC机房建设中的设计要点。

3.1 土建专业

除了一般选址要求，电力引入条件、政府能耗指标和电价优惠政策等因素正成为大型IDC机房选址的关键要素，选址过程中要充分考虑电力电压等级、电力可供容量以及最近的变电站情况和此区域电力规划情况。

理想的机房平面应该是长方形、大开间（7.2/7.5/8.4/9/9.6m进深），以最大限度提高机房利用率，便于通信设备的安装布置。按照功能模块划分，IDC机房布局分为集中供电和分散供电这2种。

单个空机柜（含挡板）为150～720kg，机墩约为30kg，内置设备重量与型号和数量有关，三者重量相加即为单机柜重量。根据经验，15A机柜重量为600～700kg，20A机柜重量为800～900kg。对于租赁机房，还应根据实际设备重量进行承重再核实。

主机房梁下净高由气体灭火管道高度、工艺生产要求的净高、送风风管或活动地板高度组成，一般为3.2～4m。柴油发电机房梁下净高为3.5m（设备容量≤80kW）或者不小于4m（设备容量>80kW）;其他电力机房梁下净高与进线方式和设备要求有关，一般为4～5.6m。

3.2 装修专业

大开间机房应该根据消防要求、安全疏散距离要求、安全疏散通道要求进行合理分割。机房开门位置要尽量选择在冷热通道，装修时应将搬运斜坡设置在走廊上，以免浪费机柜位置。

暂时不用的孔洞需要做好封堵;空调背面的上线井需要预留足够的空间以防被堵。

为避免水管漏水导致机房进水，需要在空调水管与IT机房间设置混凝土挡水坎;为了有效排水，在土建阶段需要预留排水地漏。

静电地板高度一般设置为500～800mm。

在机房垂直空间富裕的情况下，建议做吊顶，吊顶以上空间可作为机房的静压送风或空调热回风通道。为防止因为温差出现凝露，机房一般需要做隔热保温，可选择地板保温或者吊顶保温。

3.3 电气照明专业

火灾自动报警系统的传输线路应采用穿金属管、经阻燃处理的硬质塑料管或封闭式线槽保护方式布线[1]。在机房内火灾自动报警系统应单独布线，不可与机房通信系统或其他弱电监控系统共用布线桥架。

越来越多的IDC机房使用了封闭冷通道的方式以加强空调制冷效果，为了实现封闭冷通道内的气体灭火，通常采用顶板的控制与消防联合动作的方式来解决消防问题。在设计阶段，需要将此部分的控制作为干接点接入消防报警系统。

灯具的高度不能与工艺各桥架冲突。

3.4 弱电监控专业

弱电监控专业包括视频监控、门禁监控、动环监控以及环境监控等。

（1）视频监控分为机房内监控和机房外公共空间监控这2种。一般运营商都建设机房外公共空间的视频监控，有选择性地建设机房内的视频监控。机房内视频监控摄像头一般设置在列头和列尾，线缆较少可与通信线缆共用走线架，线缆较多则需单独设置走线架。

（2）门禁监控包括门开关状态、合法（非法）刷卡状态、出门按钮开关量、紧急碎玻按钮开关量、门禁封锁等。

（3）动环监控包括柴油发电机状态、低压配电柜状态、交流UPS及高压直流系统状态、电源列柜状态以及PDU（Power Distribution Unit，电源分配单元）状态等。

（4）环境监控包括机房温湿度、漏水监测、空调检测、防雷器运行状态以及新风系统排风机状态等。

3.5 消防专业

消防专业的设计要点主要有以下方面：

（1）在机房垂直空间紧张的情况下，机房内消防管网需严格贴梁安装施工，否则将影响机柜上方走线空间，一般预留消防管网的空间为200mm。

（2）消防钢瓶间的承重要求达到8kN/m2[2]。

（3）在做机房划分时，一个防护区的面积不宜大于800m2（北京要求不宜大于500m2），且容积不宜大于3600m3。

（4）地板或吊顶高度大于800mm时，需要设置消防探头。

（5）2个或2个以上的防护区采用组合分配系统时，一个组合分配系统所保护的防护区不应超过8个。

3.6 空调专业

机房温度过高或过低、机房湿度过高或过低都会影响服务器设备的电子器件和逻辑电路的稳定运转，造成服务器出现故障。空调专业设计的目的是保证机房内温度和湿度满足服务器的运行要求，同时节约能耗。

空调的设计跟机房内设备功耗直接相关，不同的单机柜功耗直接影响机房内设备的排布以及空调的制冷方案。

当单机柜功耗在3kW左右时，一般采用下送风上回风的气流组织，此类机房的排列较为简单，可不做冷热通道封闭。

当单机柜功耗达到5kW以上时，效果较好的解决方法是冷（热）通道封闭技术，机柜顶部架设顶板，两侧安装封闭门，封闭整个冷热区域，以此来达到精确制冷的目的。

当单机柜功耗超过8kW时，要采用平行冷空气供应，以便从上到下的温度能够保持一致。由于机架式空调紧靠高密度机架进行安装，在运行过程中，机架产生的热风及时送入空调，处理后的冷风首先进入机架，所以风路的行程缩短，制冷效果明显提高。

3.7 电源专业

（1）供电模型比较

供电模型分为分散供电模式和集中供电模式2种。

集中供电模式的优点是电源设备集中，便于维护人员集中维护;缺点是初期大量电源设备搁置待用或轻载运行，造成浪费。

分散供电模式的优点是可靠性高、承受故障能力强，能合理配置电源设备，节约了初期投资，减少了设备和系统资源的浪费[3]。

一般根据建筑面积、可用机架、电费、运维人员数量及成本等多个因素来选择供电模式。

（2）电源容量设计

首先根据IT机房设备用电、UPS充电用电、空调设备用电、照明用电、弱电办公用电、消防用电和电梯用电计算出电力需求总容量;然后得出市电引入容量;最后进行变压器容量、油机容量、UPS容量和电池容量设计。

（3）柴油发电机组设计

柴油发电机组设计包括油机容量、油机基础、冷却和通风系统、排烟系统以及噪音控制设计。

一类或二类市供电方式下，发电机组的容量应能同时满足通信负荷功率、蓄电池组的充电功率、机房保证空调功率以及其他保证负荷功率。

机房的承重必须能支撑机组湿重加上动负荷，一般按1.0～1.25倍的机组湿重计算，当机房位置底层为楼板时，计算楼板承重须考虑基础的重量。

当机房位于负一层时，进风口应处于通风畅通的空间且保证足够的风量，排风应将其引至室外，并避免与进风发生“短路”;当机房位于地面一层时，除了保证足够的进排风口面积外，还应尽量避免进排风口位于同一立面，不可避免时间距应在10m以上，排风口尽量避开人行通道。

机房内和人易接触的地方应用隔热材料（厚50mm）包裹烟管。

柴油发电机组的噪声标准要求满足《GB3096-2008声环境质量标准》[4]。

3.8 工艺专业

工艺专业的设计要点包括IDC机房整体的布局规划、走线架/尾纤槽道规划、冷/热通道封闭、机房内综合布线等。机房布局直接影响后续的运行成本和节能减排解决方案，下面将重点分析机房布局。

单机柜功耗在4kW以下可采用下进风机柜，单机柜功耗超过4kW需采用前后通风机柜。采用下进风机柜时，机柜冷通道距离可不按地板模数进行铺设;采用前后通风机柜时，由于需要采用开孔地板，一般冷通道距离按地板模数即600mm的倍数进行铺设。

机柜按冷、热通道进行排布，即正对正、背对背放置。

成排服务器机架列长度超过6m时，两端应设出口通道，出口通道超过15m时还应增加中间出口通道，宽度不低于1m。

机架与空调机组的维护间距不低于1 200mm，配电列头柜与空调机组维护间距不低于1 500mm，设备搬运通道不低于1 500mm。

增加机柜数量可以获得更多的租金收入，可采取以下措施多排机柜：

（1）采用定制机柜，部分厂家能提供560mm宽的19英寸机架，从而使纵向由15个机柜增加到16个机柜。

（2）采用冷通道封闭时，为保证通风效果，机柜前门可不设，因此机柜深度可适当减小。

（3）在满足机房散热的前提下减小通道距离，若采用机柜内通风，机架正面通道可缩至900mm，背面散热通道可缩至1 000mm。

（4）设备排布时尽量将柱子放在机柜列中间，以减少对机房气流组织的影响。下送风机房尽量将柱子留在冷通道，柱子与机柜距离应大于650mm以方便开门。

4 大型IDC机房的各专业协同措施

大型IDC机房设计过程中涉及的专业较多，各个专业分别由不同的设计人员完成，以及建设需求变化导致设计方案频繁变更等原因，各个专业在平面布局、走线等方面不可避免地存在冲突。大型IDC机房设计过程中常见的问题如下：

（1）各个专业缺乏协同，导致机房内部的空调管道、消防管道、弱电管道、强电管道在走线方面发生冲突。

（2）空调和工艺专业缺乏协同，导致强弱电桥架与空调回风方向出现交叉甚至垂直（强弱电桥架安装时应该与空调回风方向顺直）。

（3）空调和工艺专业缺乏协同，导致空调与机柜同向设置（空调宜设在机柜列侧向位置）。

（4）电气照明和工艺专业缺乏协同，导致无吊顶机房顶部的灯具安装在设备或者机柜正上方（灯具应安装在设备或机柜列中上方）。

（5）装修和空调专业缺乏协同，装修时没有预留足够空间，导致上线洞被空调管线堵住。

针对大型IDC机房设计过程中存在的各专业缺乏协同问题，建议采取的措施如下：

（1）组建相对稳定的IDC设计和项目管理团队。该团队要求具有极强的执行力，选择熟悉各专业设计要点且有责任心的人担任项目负责人，负责审查各个专业提交的设计成果，并且在不同专业发生冲突时及时协调。

（2）有条件的话集中办公，以便各个专业的设计人员沟通顺畅，某个专业发生设计变更后能及时通知其他专业。

5 大型IDC机房设计实例

下面以1个案例来分析大型IDC机房的多专业协同设计流程和设计结果。

该IDC机房的基本概况是：共5层，建筑面积为9 000m2，机房楼建筑高度为24m，属一类高层建筑，层高为4.2m，承重可加固到10kN/m2。客户要求80%机架负载4kW、20%机架负载6kW。本项目配套有冷热电三联供系统，采用燃气发电并供冷供热。

该大型IDC机房的设计流程如下：

（1）进行现场勘查，测算出IDC机房面积，根据单机柜功耗、空调制冷方式、机房层高、机房荷载进行IDC机房平面布局规划，测算出机柜数量。

（2）根据机柜数量、单机柜功耗测算出IDC机房功耗需求、空调功耗需求，估算出总电力需求，测算出高低压、油机、UPS、电池数量，进行电力机房规划。

（3）工艺和电源专业核实机房平面布局，装修专业核实平面分割是否符合规范，最终确定机房平面。

（4）各专业分别进行设计，汇总核实是否在平面、走线等方面存在冲突，最终完成全专业设计。

该大型IDC机房的设计结果如下：

由于受层高所限，机房静电地板高度不能设置太高，要求单机柜功耗大于4kW以上，所以采用了行间制冷的空调方案，单层平面约400个可用机柜。

一楼设置空调机房、高低压配电室、消控室、瓶组间、光缆进线室和弱电监控办公网络机房。

二楼、四楼、五楼设置电力机房、数据机房以及辅助用房，布局示意图如图1所示。

三楼与二楼共用电力机房，三楼只设置数据机房、瓶组间以及辅助用房。

图1 二楼、四楼、五楼机房布局示意图

6 结束语

各个专业的协同设计是大型IDC机房成功建设的前提条件。在IDC机房的设计过程中，各个专业要密切合作、及时沟通，以便做到机房平面布局合理、走线不冲突，从而加快IDC机房的设计进度。

参考文献：

[1] 中华人民共和国公安部. GB50116-2008火灾自动报警系统设计规范[S]. 北京：中国计划出版社， 2008.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB50174-2008电子信息系统机房设计规范[S]. 北京：中国计划出版社， 2009.

[3] 比特网. 当代数据中心的供电系统解决方案[EB/OL]. （2008-07-10）[2013-06-10]. http：///70/8211070.shtml.

篇8

关键词:

安全协议;单步协议;组件;逻辑分析;组合

中图分类号: TP309

文献标志码:A

Security protocol design by composition method

DENG Fan, DENG Shao-feng, LI Yi-fa

(

Institute of Information Engineering, Information Engineering University, Zhengzhou Henan 450002, China

)

Abstract:

The present methods to design security protocol have the following characters: abstract, the narrow application range and complexity. This paper presents a new approach to design security protocol. Firstly, it defines the concepts of the base case and the component in the protocol. Secondly, it analyzes the security attributes on the components, and designs the single-step protocols which can implement the special security goals based on the components. Finally, it defines composition rules allow the combination of several single-step protocols part into a complicated protocol. The rules can’t destroy the security properties established by each independent part. Then it can design security protocol by the choice and composition of the single-step protocols which in specific application environment. In other words, the composition framework permits the specification of a complex protocol to be decomposed into the specifications of simpler single-step protocols, and thus makes the design and verification of the protocol easier to handle.

Since the present design methods for security protocol are characterized by being abstract, narrow application range and complexity, this paper presented a new approach to design security protocol. Firstly, it defined the concepts of the base case and the component in the protocol. Secondly, it analyzed the security attributes on the components, and designed the single-step protocols which can implement the special security goals based on the components. Finally, it defined composition rules allowing the combination of several single-step protocols part into a complicated protocol. The rules cannot destroy the security properties established by each independent part. Then it can design security protocol by the choice and composition of the single-step protocols in specific application situation. In other words, the composition framework permits the specification of a complex protocol to be decomposed into the specifications of simpler single-step protocols, and thus making the design and verification of the protocol easier to handle.

Key words:

security protocol; single-step protocol; component; logical analysis; composition

0 引言

安全协议是网络安全的一个重要组成部分,可以提供身份标识与认证服务、授权与访问控制服务、非否认服务、机密、完整等。目前安全协议设计通常的模式是:先采用基于经验的、非形式化的方法设计出安全协议,然后采用已有的分析方法对安全协议进行分析。如果发现协议存在缺陷,则对协议进行改进,否则认为协议是安全的。然而事实证明,许多在设计时被认为是正确的安全协议都存在安全缺陷,甚至有些缺陷在协议投入使用多年后才被发现。如果在安全协议设计之初就能够保证协议的安全性,不但可以极大地提高安全协议所在网络应用的安全性,而且能够避免大量的重复性工作。因此,安全协议设计的研究是十分有意义的。

为了解决协议设计过程中可能存在的问题,保证所设计协议的安全性,文献[1]在对协议缺陷进行深刻分析的基础上,提出了安全协议设计的一系列准则,然而设计准则对保证协议的安全性既不是充分也不是必要的。文献[2]提出了基于遗传算法和模拟退火算法的自动化协议设计方法,然而该方法在生成复杂协议时效率较低。文献[3]提出了应用串空间模型和认证测试方法来指导安全协议设计,并且所设计的协议其安全性可以直接由设计过程本身得到保证,然而该方法首先假设协议参与方之间存在共享秘密,因而其适用范围受到限制。文献[4-5]提出了一个计算复杂性理论模型:通用可组合(Universally Composable, UC)安全,简称UC安全。在这种模型中设计证明的安全协议,可以和其他任何协议并发组合运行,也可以作为一个子协议嵌入到复杂协议中,仍然能够保持相应的安全性。UC安全对安全性要求非常高,几乎所有的具有实际意义的安全多方计算函数,要想获得UC安全性,必须具备一定的前提假设。文献[6-7]提出了一个用于协议导出的形式化框架,能够从简单的协议成分出发,通过组合、精化和变形等操作导出一系列协议,然而该方法不适用于对称密钥算法。文献[8]指出安全协议之间可以进行组合,在UC安全模型下证明了任意两个安全协议组合后仍然是安全的。

本文提出了应用组合方法进行安全协议设计。针对非对称环境下的若干组件,运用安全协议分析本征逻辑(Security Protocol Analysis Latent Logic,SPALL)分析了这些组件所具有的安全属性,同时基于这些组件设计了与其对应的若干单步协议。本文还定义了单步协议的组合规则,通过选择合适的单步协议按照组合规则组合后便可得到所需协议,最后以非对称环境下的安全认证协议和安全密钥协商协议为例说明如何运用该方法设计安全协议。与文献[8-11]中的其他组合设计方法相比,本文提出的方法特点在于:1)本文所定义的组合规则简单、可靠,组合规则不影响单步协议安全目标的实现,同时可以保证单步协议能够组合成为复合协议。2)本文指出组件作为协议的基本组成部分,对组件的形式化分析可以从协议底层开始保证协议能够实现安全目标,减少协议可能存在的安全隐患,使安全协议的设计与分析都易于实现。3)该方法适用于不同初始假设的多种环境。该方法的关键在于对具体环境下组件安全属性的正确分析,对初始假设的环境无特别要求。

1 应用组合方法设计安全协议

判断一个协议是否安全,其本质就是考查协议所期望的安全目标是否都能达到。传统的设计方法将所有安全目标作为一个整体,然而,要找到一个协议能同时满足所有安全目标并不是一件容易的事。随着安全目标的增加,找到一个满足条件的安全协议将更加困难。

为解决此问题,本文提出了应用组合方法进行安全协议设计,该方法的步骤如下。

1)定义基件的概念,如用户A、B, A生成的随机数NA, B的公钥KB等被称为基件,单个基件是不具有任何安全属性的。将基件进行组合后可得到组件,如[A,NA]KB,组件是协议中具有安全属性的基本单位。

2)对不同的组件进行分析,得出一定环境下单个组件所具有的安全属性,如:B收到A产生的组件[A,NA]KB后回复组件[B,NA]KA给A,则A认证了B的身份,即组件[B,NA]KA在该环境下具有认证属性。将分析后的组件进行合理组合,可得到能实现相应安全目标的单步协议。如基于组件[B,NA]KA的单步协议为:AB:[A,NA]KB; BA:[B,NA]KA,该单步协议实现了A认证B身份的安全目标。

3)定义组合规则使单步协议通过组合可得到新的协议,然后根据具体的应用背景和需求选择合适的单步协议,按照规则进行组合后得到满足需求的安全协议。

用这种组合方法设计协议,将协议的安全目标分散为多个子目标由不同的单步协议实现,组件作为协议的基本组成部分,在保证单步协议达到对应安全目标的同时也从底层保证了协议能达到预期的安全目标,这比将所有安全目标作为一个整体来设计协议容易得多。组合规则的使用使协议设计过程有了规范,避免了单纯基于经验或抽象的设计原则设计协议容易造成的安全隐患,确保了协议能够实现所期望的安全目标。

┑4期 ┑朔等:应用组合方法设计安全协议

┆扑慊应用 ┑30卷

2 基础知识

SPALL[12]逻辑是一种改进的BAN类逻辑, 它把BAN类逻辑置于数理逻辑这一理论基础之上, 使BAN类逻辑进一步理论化、系统化, 同时该逻辑阐释、构建了认证逻辑的理论基础,重新刻划了认证逻辑语义,建立了新的认证逻辑公理系统,把认证逻辑看作该系统的一个特殊解释,省去了理想化过程, 克服了其他BAN类逻辑在分析协议时需要理想化过程的重大缺陷。因此, SPALL逻辑的公理可靠, 使用简便。

2.1 SPALL逻辑的基本命题符号

记所有消息的集合为Е,ζ表示所有时戳的集合,N表示所有随机数的集合。简单命题A的否定记作A,A并且B记为A∧B,如果A那么B记为AB,A当且仅当B记为AB。如果Y是由X和其他比特串级联而成或者就是X,则称Y包含了X,并记作Y=ρ(X)。用(XY)表示从Y中可以恢复出X。由φ和(φψ)可直接得到ψ,该规则称为分离规则,简记为MP。オ

PX表示P生成了X,PX表示P看见了X, XP表示X是给P的,&(P)表示P正在参与执行协议的通信。PB表示P意定的通信对象是B,P|X表示P相信X是真的,P|～X表示P说过X,#(X)表示X是新鲜的,KP表示K是P的公开密钥,PB表示P和B共享秘密X,[X]K表示K加密X所得密文,P|(X)表示X对于P来说具有双向可追溯性,所谓双向可追溯性,是指消息X由确定的主机给出,由合法的接收者接收。 P|≈X表示P|～X∧#(X),称为P刚刚说过X。{A,B}K表示(R)(RXR∈{A, B})。

2.2 SPALL逻辑的公理及定理

本文所用到的公理及定理均来自文献[12],所用编号也与该文献相同。此处列出了本文将用到的一部分公理或定理,其他请参考文献[12]。

1)身份认证公理(Axiom about the Identity of Participator,AIP)。

a) AIP2 P|(Q|≈X∧X∈Σ)P|&(Q)

其含义是:如果P相信Q刚刚说过X,则P相信Q正在参与通信。

b) AIP6 (X∈Σ∧P|～XQ) PQ

其含义是:如果P说过X,并且X是给Q的,则Q是P的通信对象。

2)信宿公理(Axiom about Message Destination,AMD)。

1) AMD1 KP(((P[X]K)∧P|[X]K∈│) P|XP)

其含义是:如果一个主机P看见了[X]K,并能确认其消息真实性,则或者P自己生成了[X]K,或者拥有K的逆,通过解密来确认其真实性。而P拥有解密密钥,必然P是合法的消息接收者。

3)消息生成公理(Axiom about Message Generation,AMG)。

a) AMG1 PX(P|X∈Σ∧P|(X))

其含义是:P生成了X,则P一定认为X是有意义的消息,否则P没有必要在执行协议时生成X。同时,P也一定清楚X的来源和接收对象。

b) AMG2 X∈ζ∪N(PXP|#(X))

其含义是:如果P所生成的X是一个时戳,或者是一个乱数,那么它相信X是新鲜的。

4)消息真实性公理(Axiom about Truthful Message,ATM)。

ATM3 P[X]K(P|X[X]K(P|X∈│勃塥P|[X]K∈Σ))

其含义是:如果[X]K是一个密文,则它必须解密该消息并从中还原出可识别的消息X后才能相信[X]K是一个真实的消息。反过来,如果P相信密文[X]K是一个消息,同时它又能从中恢复出X,则它有理由相信解密所得到的X是一个消息。

5)关于“Said”谓词的定理 (Theorem about said,TAS)

a) TSD2 {P[X]K-1, P|KQ, P|X∈Σ}P|Q|～X

b) TSD6 P|X∈Σ(P|Q|～ρ(X)P|Q|～X)

6)关于信宿的定理(Theorem About asymmetric Key,TAK)。

TAK11KP(P[X]KPX)

综合上述介绍可知,如果A|&(B),A|BA,则表示A认证了B的身份。如果BK,B|K∈Σ, B|#(K),B|(K), B|AK, {A,B}K,则表示A和B参与的密钥建立协议的安全目标(A是密钥生成方但不确认密钥是否被正确接收),其安全目标为:B验证A的身份以及密钥的真实性、新鲜性,同时双方还可保证密钥的机密性(更多详细讨论可参考原文献)。

3 基件与组件

协议的运行是通过协议消息的交换来完成的,本文定义基本消息与基件的概念如下。

定义1 下列4种消息称为基本消息:1)协议实体标识ID。如A,B等代表用户, S代表服务器或管理中心。2)密钥K。K代表各实体的公钥、私钥、会话密钥、共享密钥等。3)乱数N。协议实体在协议运行期间产生的临时值,如随机数NA,时戳TA等。4)数据消息D。实体之间通过协议传送的信息。

定义2 基本消息和密码函数统称为基件。常见的密码函数有如下一些:1)Hash函数Hash(•)。2)签名函数SIGK-1(•)。此处为研究方便,将签名函数表示为[•]K-1,K-1为用户私钥。3)加密函数EK(•)。K为加密密钥。4)DH密钥交换体制中用到的gx,其中x∈Zq,g是群Gq的一个生成元 (p、q为大素数,q|(p-1),Gq为乘法群Z*p的一个阶为q的子群)。

组件通过下列3种操作产生。1)级联操作。两个或多个基件通过级联操作后可得到一个组件。如A、NA是两个基件,级联后形成{A,NA}便是一个组件。2)密码函数操作。如A、NA、Hash(•)是基件, H(A,NA)便形成一个组件。3)混合操作。组件与组件、组件与基件之间通过级联、密码函数的混合操作而形成新的组件。

4 非对称环境下安全协议组件的安全属性分析

4.1 基本假设

在分析协议组件的安全属性时,假定所用的基件都是安全的,如选取的随机数不发生重复,用户间的共享秘密未发生泄漏,用户所使用的密钥、所采用的Hash函数和加密函数是安全的,等等。只有在这些基本假设下保证了基件的安全,讨论组件的安全属性才是有意义的。

4.2 组件的安全属性分析

通过对非对称环境下大量协议的归纳总结,得到了如下一些协议中的常用组件,现介绍这些组件及其应用背景(假设A、B双方已知对方公钥证书)。

1)g11:[A,NA]K-1B,A产生随机数NA后发送组件{A,NA}给B,B回复组件g11给A。

2)g21:[H(A,B,NA)]K-1B,A产生随机数NA后发送组件{A,NA}给B,B回复组件g21给A。

3)g31:[B,gx]K-1A,A生成gx并发送组件g31给B,B回复组件[A,gy]K-1B给A。

4)g41:Epw(B,NA,gx),A、B双方共享口令pw,A生成NA、gx并发送组件g41给B,B回复组件Epw(A,NA)给A。

5)g51:H(A,B,NA,NB,gx,gy,gxy),A生成NA、gx,B生成NB、gy,A、B双方已协商达成共享密钥gxy并各自计算组件g51。

6)g61:[A,NA,gx]K-1B,A生成NA、gx并发送组件{A,NA,gx}给B,B收到后回复组件g61给A。

7)g71:[[A,NA,gx]K-1B]KA,A生成NA、gx并发送组件{A,NA,gx}给B,B回复组件g71给A。

8)g81:[[B,NA]K-1A]KB,A生成NA并发送组件g81给B,B回复组件[B,NA]KA给A。

下面对组件[A,NA]K-1Bг擞SPALL逻辑进行分析,见表1(初始假设简记为BAS)。

通过表1分析可知,该组件所具有的安全属性描述为:ИA|&(B),A|BA,即该组件所具有的安全属性为A认证了B的身份, 同时由签名函数本身所具有的安全属性可知,该组件还具有签名用户的非否认性。

表格(有表名)

表1 ё榧[A,NA]K-1B的分析

推理过程推理依据

(1)A|KBBBAS

(2)A[A,NA]K-1BBAS

(3)ANABAS

(4)NA∈NBAS

(5) ANAA|NA∈ΣAMG1

(6) {(3), (4)}A|#(NA)AMG2

(7) A[A,NA]K-1BA|(A,NA)∈ΣATM3

(8) {(1), (2), (7)}АA|B|～(A,NA)TSD2

(9)A|B|～(A,NA)MP

(10)A|B|～(A,NA)A|B|～NATSD6

(11)A|B|～NAMP

(12){A|B|～NA∧A|#(NA)}A|B|≈NAИ|≈У亩ㄒ

(13)A|B|≈NAMP

(14)A|B|≈NAA|&(B)AIP2

(15)A|&(B)MP

(16)A|B|～(A,NA)A|B|～(A,NA)ABAS

(17)A|B|～(A,NA)AMP

(18) {(7), (17)}АA|BAAIP6

(19)A|BAMP

下面以组件[[A,NA,gx]K-1B]KA为例运用SPALL逻辑进行逻辑化分析,见表2。

表格(有表名)

表2 组件[[A,NA,gx]K-1B]KAУ姆治

推理过程推理依据

(1)ANABAS

(2)AgxBAS

(3)A|(A[[A,NA,gx]K-1B]KA)BAS

(4) AgxA|#(gx)AMG2

(5) AgxA|gx∈ΣAMG1

(6) AgxA|(gx)AMG1

(7)A[[A,NA,gx]K-1B]KABAS

(8)KAABAS

(9) {(7),(8)}АA[A,NA,gx]K-1BTAK11V

(10)A[A,NA,gx]K-1BMP

(11) A[A,NA,gx]K-1BA|[A,NA,gx]K-1B∈ΣATM3

(12)ACERT(B)BAS

(13)ACERT(B)A|KBBBAS

(14)A|KBBMP

(15) A[A,NA,gx]K-1BA|(A,NA,gx)∈ΣATM3

A[A,NA,gx]K-1BA|(A,NA,gx)∈Σ

(16) {(10), (14), (15)}АA|B|～(A,NA,gx)TSD2

(17)A|B|～(A,NA,gx)MP

(18) {(4)∧(17)}АA|B|≈(A,NA,gx)|≈Фㄒ

(19)A|B|≈(A,NA,gx)MP

(20)A|B|≈(A,NA,gx)A|&(B)AIP2

(21)A|&(B)MP

(22) {(3), (8), (11)}АA|[A,NA,gx]K-1BAAMD1

(23)A|[A,NA,gx]K-1BAMP

(24)B{A,NA,gx}BAS

(25)A[A,NA,gx]K-1BA|B|～[A,NA, gx]K-1BBAS

(26)A|B|～[A,NA,gx]K-1BMP

(27) {(23)∧(26)}A|BAAIP6

(28)A|BAMP

通过表2分析可知,该组件所具有的安全属性描述为:ИA|&(B),A|BA,Bgx,A|#(gx),A|(gx),即该组件所具有的安全属性为A认证了B的身份,A、B间进行会话密钥协商并保证密钥的新鲜性、机密性,对用户B来说还具有非否认性,同时提供了身份保护以防止被动攻击。

其他组件采用类似分析方法可得如下结论。

1)g21:[H(A,B,NA)]K-1B,该组件的安全属性与组件g11相同。

2) g31:[B,gx]K-1A,该组件的安全属性为A、B进行密钥协商,对用户A来说具有非否认性,但用户之间的身份认证和密钥的新鲜性却无法得到保证。

3)g41:Epw(B,NA,gx),该组件所具有的安全属性为A认证B身份的同时与B进行密钥协商,并保证了密钥的新鲜性和机密性。

4)g51:H(A,B,NA,NB,gx,gy,gxy),该组件常作为A、B间的会话密钥。

5)g61:[A,NA,gx]K-1B,该组件所具有的安全属性为A认证B身份的同时与B进行密钥协商,并保证了密钥的新鲜性和B的非否认性。

6)g81:[[B,NA]K-1A]KB, 该组件所具有的安全属性为A认证了B的身份并保证了传输数据的机密性,对用户AЮ此祷咕哂蟹欠袢闲,同时提供了身份保护以防止被动攻击。根据组件安全属性分析的结果,可设计与其对应的单步协议,见表3(不难看出,采用与分析组件安全属性的类似方法可证明单步协议的安全目标与组件的安全属性是一致的)。

5 非对称环境下安全协议的设计

5.1 组合规则

5.1.1 单步协议选取原则

利用单步协议设计安全协议时,首先要根据具体的背景和需求选择合适的单步协议,在选取单步协议时需遵循以下原则。

1)选取应用环境相符的单步协议。如安全协议的应用背景为对称环境,则只能选择对称环境下的单步协议,并根据安全协议需要达到的安全目标来选择相应的单步协议。

2)选取安全目标相容的单步协议。选取单步协议Pi和Pj进行组合时必须保证单步协议Pi的安全目标不会影响到单步协议Pj的安全目标。也就是说,基于组件gi的单步协议Pi实现安全目标的同时,基于组件gj的单步协议Pj也能实现其安全目标。

3)规范所选单步协议的符号表示。如Pi中用NA表示A生成的随机数,那么Pj中不能再使用NA表示B生成的随机数,以免混淆。

5.1.2 组合顺序原则

正确选择完单步协议后,需定义单步协议的组合顺序。假定Pg={P1,P2,…,Pn}代表基于组件的一系列单步协议的集合,这些单步协议能达到的安全目标是由其基于的组件的安全属性所保障的。P为单步协议组合后得到的安全协议,即P=P1P2…Pn。各单步协议进行组合时必须遵守某个顺序用O(P)表示。记e为协议中的运行动作,如果协议消息分别为P1:M1,M2;P2:N1,N2。那么每个发送消息的步骤即为一个动作,即动作有e(M1),e(M2),e(N1),e(N2),O(P)=e(M1)

表格(有表名)

表3 基于组件的单步协议

组件单步协议

(1)g11:[A,NA]K-1BM1 AB:A,NA

M2 BA:B,[A,NA]K-1B

(2)g12:[B,NB]K-1AN1 BA:B,NB

N2 AB:A,[B,NB]K-1A

(3)g21:[H(A,B,NA)]K-1BM1 AB:A,NA

M2 BA:B,[H(A,B,NA)]K-1B

(4)g22:[H(A,B,NB)]K-1AN1 BA:B,NB

N2 AB:A,[H(A,B,NB)]K-1A

(5)g41:Epw(B,NA,gx)M1 AB:A,Epw(B,NA,gx)

M2 BA:B,Epw(A,NA)

(6)g42:Epw(A,NB,gy)N1 BA:B,Epw(A,NB,gy)

N2 AB:A,Epw(B,NB)

(7)g61:[A,NA,gx]K-1BM1 AB:A,NA,gx

M2 BA:B,[A,NA,gx]K-1B

(8)g62:[B,NB,gy]K-1AN1 BA:B,NB,gy

N2 AB:A,[B,NB,gy]K-1A

(9)g71:[[A,NA,gx]K-1B]KAM1 AB:A,NA,gx

M2 BA:B,[[A,NA,gx]K-1B]KA

(10)g72:[[B,NB,gy]K-1A]KBN1 BA:B,NB,gy

N2 AB:A,[[B,NB,gy]K-1A]KB

(11)g81:[[B,NA]K-1A]KBM1 AB:A,[[B,NA]K-1A]KB

M2 BA:B,[B,NA]KA

(12)g82:[[A,NB]K-1B]KAN1 BA:B,[[A,NB]K-1B]KA

N2 AB:A,[A,NB]KB

5.1.3 去除冗余原则

当指定了单步协议的组合顺序后,按顺序组合所得的安全协议可能存在冗余,为解决此问题,本文定义了如下组件合并原则:1)设t是消息i中的一个组件,如果消息i和消息j拥有相同的消息发送者和接受者,且组件t不具有新鲜性,则可以将组件t从消息i移到消息j中。2)如果消息i中拥有多个加密组件,而且这些加密组件采用相同的密码算法和密钥,则可以将这些加密组件合成一个组件。3)如果在协议一步中同样消息出现两次,那么只保留其中的一条。4)如果用于证明新鲜性的数据项(例如随机数)总是和协议中某个具有新鲜性的数据项同时出现,那么用于证明新鲜性的数据项可以删除。

5.1.4 non-Dos规则

本文定义了non-Dos规则。协议具有抗DoS攻击的能力,即协议的响应者在对协议发起者的合法身份进行确认之前,不进行任何花销昂贵的操作。本文采用增加Cookie的方法[7]使协议具有抗DoS攻击的能力。同时,DoS攻击是盲目的,即进行DoS攻击的攻击者不对协议消息进行任何操作如窃听、消息重放等,这和实际情况是相符的。

Ъ俣ㄐ议I的消息m2可以分成两个部分:mc2及me2,其中,mc2为消息m2中不执行任何花销昂贵操作的部分;me2为消息m2中操作花销昂贵的部分。

non-Dos规则:

AB:m1 AB:m1

BA:m2BA:mc2,HMACHKb(m1,mc2)

AB:m3AB:m3,m1,mc2,HMACHKb(m1,mc2)

BA:me2

这里Cookie=HMACHKb(m1,mc2),其中HMAC是一个单向哈希函数且HKb只对B已知。

由上述原则可知,单步协议选取原则保证了所选取的单步协议能够进行组合而不会影响各自安全目标的实现。组合顺序原则规定了整个协议的执行顺序,但对协议中每个单步协议而言,其执行顺序并未改变,因而单步协议所能实现的安全目标也未受到影响。去除冗余原则在不影响组件安全属性的前提下去除了协议中消息重复的部分,因此不会对单步协议所能实现的安全目标有任何影响。non-Dos规则可保证协议能抵抗DoS攻击,同时组件的安全属性以及单步协议的安全目标均未受到影响。综上可知,所有规则在保证单步协议组合的同时未对单步协议所能达到的安全目标造成影响。因此,通过这些规则组合所得到的协议可实现所有单步协议的安全目标,由此说明了组合规则的安全性与正确性。

5.2 双向认证协议的实例设计

协议设计要求:设计非对称环境下的双向认证协议,需要满足的安全属性有:协议参与者彼此之间的身份认证,签名用户的非否认性。根据上述要求,可选择组件[A,NA]K-1B和组件[B,NB]K-1A,它们所对应的单步协议分别为:

P1: M1: AB:A,NA;

M2: BA:B,[A,NA]K-1B

P2: N1: BA:B,NB;

N2: AB:A,[B,NB]K-1A

定义组合顺序O(P)=e(M1)

1) AB:A,NA;

2) BA:B,[A,NA]K-1B,B,NB;

3) AB:A, [B,NB]K-1A。

运用去除冗余原则后可得到如下的协议:

1) AB:A,NA;

2) BA:B,NB,[A,NA]K-1B;

3) AB:A,[B,NB]K-1A。

根据non-Dos规则得到最终的协议P:

1) AB:A,NA;

2) BA:B,NB,HMACHKb(A,NA,B,NB);

3) AB:A,[B,NB]K-1A,NA,B,NB,HMACHKb(A,NA,B,NB);

4) BA:B,[A,NA]K-1B。

5.3 密钥协商协议的实例设计

协议设计要求:设计非对称环境下的基于DH密钥交换体制的密钥协商协议,由A、B两方参与。需要满足的安全属性有:会话密钥的新鲜性、机密性,协议参与方彼此之间的身份认证、非否认性和身份保护。根据上述要求,可选择组件[[A,NA,gx]K-1B]KA,[[B,NB,gy]K-1A]KB,它们所对应的单步协议分别为:

P1 M1: AB:A,NA,gx;

M2: BA:B,[[A,NA,gx]K-1B]KA。

P2 N1:BA:B,NB,gy;

N2: AB:A,[[B,NB,gy]K-1A]KB。

定义组合顺序O(P)=e(M1)

1) AB:A,NA,gx;

2) BA:B,[[A,NA,gx]K-1B]KA,B,NB,gy;

3) AB:A,[[B,NB,gy]K-1A]KB。

运用去除冗余原则后可得如下协议:

1) AB:A,NA,gx;

2) BA:B,NB,gy,[[A,NA,gx]K-1B]KA;

3) AB:A,[[B,NB,gy]K-1A]KB。

根据non-Dos规则得到最终的协议P:

1) AB:A,NA,gx;

2) BA:B,NB,gy,HMACHKb(A,NA,gx,B,NB,gy);

3) AB:A,NA,gx,B,NB,gy[[B,NB,gy]K-1A]KB, HMACHKb(A,NA,gx,B,NB,gy);

4) BA:B, [[A,NA,gx]K-1B]KA

5.4 协议安全性说明

采用该组合方法所设计的协议的安全性是建立在底层组件的安全属性基础之上的,通过运用逻辑化方法对组件的安全属性进行分析,保证了基于组件的单步协议能实现对应的安全目标,组合规则在保证单步协议实现安全目标的同时除去了协议中的冗余消息,因此,经单步协议组合后最终得到的安全协议在达到所需安全目标的同时效率也得到了保证。上述两个安全协议根据所需达到的安全目标选择了合适的单步协议进行组合,所得到的安全协议能实现所有预期的安全目标,因此协议是安全的(同时也间接证明了组合规则的正确性与安全性),具体的逻辑化证明可参看协议所对应组件的分析过程。

6 结语

本文提出应用组合方法设计安全协议,该方法将协议的安全目标分散为多个子目标由不同的单步协议实现,同时从底层的组件开始逐层保证协议能够达到预期的安全目标,具有协议设计易于实现、协议安全性易于分析的优点,适用于不同初始假设的多种环境。针对非对称环境下安全协议的若干组件,本文运用SPALL逻辑对组件所具有的安全属性进行了分析,设计了与组件相对应的单步协议,定义了单步协议组合时所需遵循的组合规则,并给出了利用该方法设计安全协议的两个实例。下一步的工作重点有两个方面:一是继续分析其他环境下组件的安全属性,为更多安全协议的设计奠定基础;二是完善组合规则,以适应更复杂安全协议的设计需求。

参考文献:

[1]ABADI M, NEEDHAM R M. Prudent engineering practice for cryptographic protocols [J]. IEEE Transactions on Software Engineering, 1996, 22(1):6-15.

[2]CLARK J A, JACOB J L. Protocols are programs too: The meta-heuristic search for security protocols [J]. Information and Software Technology, 2001, 43(14): 891-904.

[3]GUTTMAN J D. Security protocol design via authenti cation tests [C]// Proceedings of the 2002 IEEE Computer Security Foundation Workshop. Los Alamitos: IEEE Computer Society Press, 2002: 92-103.

[4]CANETTI R. Universally composable signature, certification, and authentication [C]// Proceedings of 17th IEEE Computer Security Foundations Workshop. [S.l.]: IEEE computer Society, 2004: 219-245.

[5]CANETTI R, KUSHILEVITZ E, LINDELL Y. On the limitations of universally composable two-party computation without set-up assumptions [J]. Journal of Cryptology, 2006, 19(2): 135-167.

[6]DATTA A, DEREK A, MITCHELL J C, et al. A derivation system and compositional logic for security protocols [J]. Journal of Computer Security, 2005, 13(3):423-482.

[7]DATTA A, DEREK A, MITCHELL J C, et al. Protocol composition logic (PCL) [J]. Electronic Notes Theoretical Computer Science, 2007, 172: 311-358.

[8]CORTIER V, DELAUNE S. Safely composing security protocols [J]. Formal Methods in System Design, 2009, 34(1):1-36.

[9]ARAPINIS M, DELAUNE S, KREMER S. From one session to many: Dynamic tags for security protocols [C]// LPAR08: Proceedings of 15th International Conference on Logic for Programming, Artificial Intelligence, and Reasoning, LNAI 5330. Berlin: Springer, 2008: 128-142.

[10]DELAUNE S, KREMER S, RYAN M D. Composition of password-based protocols [C]// CSF08: Proceedings of the 21st IEEE Computer Security Foundations Symposium. Washington, DC: IEEE Computer Society, 2008: 239-251.

篇9

拆迁单位：**县征地拆迁事务所

（以下简称甲方）

被拆迁人：

（以下简称乙方）

因G319线桃花源景区公路改线工程建设项目需要，根据征地房屋拆迁安置补偿法律、法规的相关规定，经甲、乙双方协商同意，就房屋搬迁补偿安置事宜达成如下协议：

一、基本情况。乙方在

镇（办事处）

村

组拆迁范围内有房屋建筑面积

平方米，房屋及其他实物情况详见《房屋调查原始调查表》、《补偿清交单》。实物量严格按照甲、乙双方共同核准的调查数值为准，不得变更；在拟征收土地告知后乙方抢建、抢装的房屋及附属设施等，不予补偿。

二、补偿金额。按照现行征地房屋拆迁补偿标准执行，具体补偿金额为：1.房屋补偿费为

元；2.住宅房屋装饰装修、设施为

元；3、室外设施为

元；4、其他（搬家费、过度费、重建误工费）为　　元；5、超面积安补费为

元。以上补偿费共计

元。

三、付款方式。自协议签订当日一次性付清。

四、安置措施。乙方同意采取以下第

项安置办法进行安置：

（一）重建安置。由当地村、组协助乙方做好异地重建宅基地选址，用地手续报批，重建宅基地通电、通路、场地平整等工作，使其具备基本的重建条件（重建安置费用乙方均不承担）。

（二）货币安置。乙方自愿放弃重建安置，今后不再重建房屋，而选择实行一次性货币安置，给予

元节约用地奖和

元

住房安置补助费。选择货币安置后再申请重建安置的不予受理。

五、奖励办法。为鼓励提前搬家，2013年7月5日至7月25日内交出房屋、腾出土地的给予交房腾地奖。奖励标准为：2013年7月5日至7月日内搬家腾地的给予奖励

元；2013年7月日至7月日内搬家腾地的给予奖励

元；2013年7月日至7月25日内搬家腾地的给予奖励

元。2013年7月25日24:00后搬家腾地的，不予奖励。

六、协议签订后，乙方应在协议签订之日起15日内搬家腾地。乙方被搬迁房屋及附属设施所有权即归国家所有，甲方有权进行处置，乙方如需利用被搬迁房屋及附属设施材料的，甲方可赠予乙方。乙方拒不领取补偿费用、拒不搬迁腾地的，依法责令限期腾地；逾期不腾地的，可申请人民法院强制执行。

七、为确保拆迁过程中人员、财产安全，由甲方聘请有资质的单位实施房屋拆除工作。如因乙方自行拆除导致的安全事故甲方不负任何责任，概由乙方自行负责。

八、本协议自双方签字之日起生效；本协议正本一式二份，甲、乙双方各执一份，具有同等法律效力。

甲方：

乙方：

鉴证方：

（签章）

年

篇10

关键词：进气系统；油浴复合式空气滤清器；发动机；进气流量

引言

自卸车主要以匹配沙漠空气滤清器为主，随着产品市场的扩大，在一些工况极为恶劣的地区（沙漠地区或矿区），油浴复合式空气滤清器（简称油滤）能更好的适应这种地区。油滤的粗滤效率比沙漠空滤要高，在同样的工况下，客户的滤芯保养更换频率会下降，维护成本降低。因此，在工况极为恶劣的地区工作的车型，装配油滤更加合理。

1 进气系统的概述

进气系统的作用是向发动机提供清洁、干燥、温度适宜的空气，最大限度的降低发动机磨损，使发动机保持最佳的工作性能[1]。统计表明，发动机的早期磨损、烟大、油耗高、无力等故障，绝大多数情况与进气系统设计布置不合理有关，所占比例在85%以上[2]。

2 油浴复合式空滤器

油滤的工作原理：发动机工作时，空气沿着进气道向下运动，首先进入油浴过滤装置，空气中一部分灰尘在气流与下壳体内的油撞击后被油黏附，另一部分灰尘随气流对油面进行撞击产生油雾，将黏附在金属网上的灰尘洗刷下来，形成油浴现象，增强了滤清效果。经过油浴过滤的空气，随即通过吸气管进入纸质过滤装置。过滤后的纯净空气进入发动机。

3 油滤校核选型

油滤的选型主要根据车型设计要求，选择匹配发动机最大马力对油滤的进气流量、进气速度进行匹配计算校核，最终选择合适油滤。

3.1 空滤器选择准则

空滤器选取时应满足以下要求：

（1）根据《空气滤清器试验性能方法》进行试验时，空气滤清器必须有效除去进气中99.6%以上的悬浮灰尘颗粒。

（2）空气滤清器的额定空气流量必须大于发动机在额定功率下的空气流量，并且进气阻力应该小于4kPa。

（3）在各种运行环境下，滤芯具有足够长的使用寿命[3]。

3.2 进气流量校核

以某自卸车选配匹配潍柴336马力涡轮增压柴油发动机为例，对油滤的进气流量进行校核：

Qve=P・ge・α・A0/（1000・γa）[4]，式中：

Qve-额定空气体积流量，m3/h；

P-发动机额定功率，kW；

ge-发动机额定功率时的燃油消耗率，g/kW・h，（约230g/kW・h）；α-额定功率时的过量空气系数（增压发动机取2，增压中冷发动机取2.1）；A0-燃烧1kg燃油所需的理论空气量，kg/kg（柴油为14.3kg/kg）；γa-空气密度，kg/m3，标准状态下的空气密度为1.2005kg/m3

因此由上式可得：发动机在额定转速下所需的进气流量为：

Qve=336/1.35×230×2.1×14.3/（1000×1.2005）=1432m3/h

空气滤清器除了向发动机气缸提供空气外，还向空气压缩机所需的空气，此发动机所选空气压缩机为单缸机，额定转速下所提供的空气流量为：Qk=320L/min=19.2m3/h

因此整车进气系统所需提供的空气流量为：

Q=Qve+Qk=1432+19.2=1451.2m3/h

在理论流量基础上乘安全系数105%，最终空气流量为：

Q=1451.2×105%=1523.76m3/h≈1524m3/h

3.3 进气口直径校核

根据匹配要求，进气管路中空气流速V应小于25m/s，如果流速太大，会降低滤清效率，根据以下公式可得空气管路最小直径D（mm）：

1.27Q=D2V 满足要求的最小空气管路直径为：D>146mm

3.4 油滤参数确定

通过市场调研选择某供应商现有油滤，油滤的主要参数如下：

（1）主要外形及接口参数

a.进气口尺寸（外径，长圆孔）：120×260；

b.出气口尺寸（外径，长圆孔）：φ150。

（2）主要性能参数

a.额定流量1800m3/h；b.原始进气阻力（kPa）3.18；c.原始滤清效率（%）≥99.8；d.粗滤效率（%）≥96；e.失油率（%）≤0.5；f.流量阻力曲线如图1。

图1 流量阻力曲线

4 结论

选配的油滤最小出气管直径150mm，大于要求的146mm。通过流量阻力曲线校核，在流量为1524m3/h时，进气阻力小于3kPa，满足该系列自卸车匹配336马力发动机匹配要求。

5 结束语

文章对自卸车在恶劣环境下匹配油浴复合式空滤器进行校核研究，对其主要性能参数进气流量和最小气管直径计算匹配，其他性能参数通过配套资源进行试验确定。主要提出了自卸车在恶劣工况时，空滤匹配时的要求和油滤参数的确定方法。

参考文献

[1]汪善玲.汽车发动机进气系统方案分析[J].轻型汽车技术，2013，09：33-36.

[2]李春荣.浅谈汽车进气系统的设计布置[J].客车技术与研究，2012，04：20-25.

[3]徐庆华，任家权，黄东明.谈发动机配套中进气系统的设计[J].叉车技术，2002，04：11-12.

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