设备机械设计与实践创新思路研究

导语：设备机械设计与实践创新思路研究一文来源于网友上传，不代表本站观点，若需要原创文章可咨询客服老师，欢迎参考。

摘要：在实际工作基础上，根据机械设计的过程，对设备创新设计的思路进行整理。理清设计思考过程需要的条件和因素，以实践经验为依托，说明进行创新设计存在的因果关系。在设计过程中，要以理论知识为内核，以实体设计为载体，依据公式和参数来进行分析和计算。

关键词：设计思路；设计框架；柔性边界；创新落地

随着国家的进步，国内制造业由曾经的以仿制为主，走到现在注重高品质发展，经历了从无到有、由弱变强的过程。制造转变为“质造”和创造，行进在高质量创新发展的路上。

1定位

当下，在行进队伍中，机械设计是制造业应用技术的创新主力之一。它是设备市场需求的接收者，是设备实现功能的转化者，是设备成型的规划者，是设备参数保障的执行者。

2执行与方法

2.1创新的来源。创新要突破惯性思维和既定形式，既要有天马行空的思考，又要可落地解决实际问题。因此，接收设备使用者遇到的问题和麻烦，接收市场对设备性能的需求和呼唤，以实际问题为导向平台，让天马降落可驾驭，是创新的意义。2.2设计框架的搭建。根据设备性能需求，定义设备框架，如体积、形状、重量和质量分布，实现功能的基本原理等。或起于核心部件的应用，由内而外地延展；或起于局部服从整体，由外而内地组成。“设计框架”即设备设计思路的轴，在设计过程中，调用知识、经验和创新举措，皆围绕此设计框架展开。2.3柔性边界条件分析。在机械设计过程中，设备的外在形式是表象和载体，而包括结构设计、传动设计、过流设计等在内的内在参数的理论知识为本体。对理论的应用表现在理论分析和公式运用上，它们以等式或不等式的形式表达，两端参数高低相随，增减相伴。在设计过程中，依据条件需求，适当调整参数，或局部服从整体，或整体迁就局部，相互妥协，以实现设备整装的最佳存在。2.4保证质量的条件曾经，“MadeinChina”被说成“低质”的代名词。这是过程，不是标签，超级跑车也不是一踩油门速度就直接到200迈的。得用发展的眼光看事物，与时俱进。现在，“MadeinChina”已经在众多设备上打造了高品质、高质量的产品。从机械设计角度看，使用工况是首先考虑的问题，因为工况被动引导着设备的使用条件。在此条件下，环境因素影响着用材的选取，像食品医药设备，常选用耐腐蚀性能好的奥氏体不锈钢，如06Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo2等；其负载状况，关系着承载设计，引导着结构件截面的选型，与载荷作用力方向一致的立面与壁厚起着主要承载作用，横面尺寸起着刚性作用，其依据截面系数公式计算，如矩形截面板材Wz=bH2/6。而载荷的大小，通过力系平衡和简化的方式分析，再代入参数取得。由此可见，依据工况和使用条件进行正确选材，保证荷载安全，才能在机械设计层面上为设备质量保驾护航。可以说，质量的保证，对于设计而言，是被动获取的，其受初始目标条件的制约和引导，来确定影响质量的最大或最小参数值，参数值选取合理，则质量就有保障。2.5取得创新设计的成果以解决问题为初衷，以实现结果为目的，引导创新思维的产出。以理论知识和实践经验为基础，实现创新成果。因为创新是为了进步、变好，和突发奇想、乱改的区别是，创新后的设备，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。创新，其简单，简单在想法简单，表面上换个形式、换个方法，便可出现；其难，难在现实意义有价值，使其实现并不简单。有价值的创新，需要以一定的理论知识为基础，以实践可操作性为前提，了解设备处于什么样的行业背景和技术水平，以此为基准，向上突破。创新后的设备，在性能提高、质量保证、成本控制、实现价值上，同过去的设备进行综合评估，确实更佳，才会落地。而以上的这些评估，没有一条是凭感觉、想当然能做到的。需要系统架构逻辑更严谨、原理组成分析更细致、参数选取与计算更准确。诸多公式的参数对比是非线性的，会有平方、三次方、四次方的关系，关键参数的取值和变化，对创新设计有着重要影响。

3实例说明

以定滑轮为支点，使用电机牵引料斗向上自动送料的运动机构。（1）初定了料斗的装料体积V，需送高度h，输送速度v（m/s），整个系统的框架即可定义。（2）运用理论知识建立边界条件，再进行柔性分析。功率P（kW）、转速n（r/min）、输出扭矩T（Nm）和负载F（N）、负载与转轴中心距R（m）。调用公式：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，由装料体积V和装料介质的密度籽，可以得出负载上升需要的输出扭矩；由输出扭矩再选取合适的上升速度，就可以得出电机选型的功率。由上升高度h及装料体积V=宽×长×高，可以规划设备的外形尺寸。定滑轮输送，一般采用钢丝绳，通过负载F的参数值，选取钢丝绳的截面规格，通过上升高度，选取钢丝绳长度。钢丝绳的截面尺寸决定了定滑轮轮槽尺寸；通过负载F和常用轴材料，可以计算定滑轮的轴径：此系统轴承受的是剪力，可利用公式子=F/啄d算得轴径最小值。式中，子为材料许用切应力；啄为轴套或轴承长度，即与轴的轴向接触长度；d为轴径。通过轴径选取对应尺寸和负载的轴套或轴承，则定滑轮的最小截面尺寸可以定义。钢丝绳配电机，一般选取电动卷扬机。根据需要的钢丝绳长度和需求功率，选取相应型号的电动卷扬机规格尺寸（含绕钢丝绳的圆筒半径R和圆筒轴向宽度L）。因电动卷扬机和料斗在定滑轮两边，所以，料斗的宽度可以与卷扬机长度对应定值，以优化设备宽度方向上的空间布局。基本功能宽度确定后，根据需升料高度h判断机架稳定性，如料斗到顶端后，装料重心不在中间，或地面不平有倾角，是否会导致机架倾倒。由此设定使用工况，适当增加宽度，满足使用工况的要求。又卷扬机在机架下部，其宽度尺寸也要配合机架挑选。钢丝绳牵引料斗上升，如户外有风，难免会使料斗摆动，使作业存在风险。因此，设计时要根据工况考虑让料斗上升沿着既定导轨行走，控制平衡。料斗上升和下降到位，可以在相应位置设置触控传感器，来控制电机安全启停。（3）保证质量可靠。机架部分的结构设计，在参数满足上述功能需求的前提下，可用钣金折弯或型材制作，通过理论力学的平衡力系和工程力学的强度校核知识，选取板厚和截面形状，采用焊接或安装结构形式。计算结构件在最大受力状态下截面系数与力矩的对应关系，再校核材料应力保证满足使用要求。紧固螺栓组，要合理均布，并根据其安装位置分析受力状态，计算抗剪或抗拉强度。对于附属部件的设计，如设备上的电机，需要考虑防水、防撞等问题。如是小型设备，可考虑美观易操作问题。对于大型设备，更注重考虑极端状态下的安全问题，如钢丝绳维护不善或意外撞击，在料斗升到高处时绳断，怎么不让料斗自由下落等。（4）取得创新成果。在上述方法下，将原需装载200kg料斗、升高4m、负载速度约0.5m/s的料场升料机构车总重减小了30%，加工制造成本降低了50%。原设备为仿造其他设备改制而来，虽然能用，但上面的零部件有诸多参数不靠近设备的实际使用工况；其升降采用定动滑轮和二级导轨的组合方式，相对于此工况略显繁琐。

4结语

对于复杂系统，考虑将其分解成多个单元问题进行设计校核，再将简单问题融入整体去应用调整、修正参数。因此，设计一个设备，按照上文思路，可以不仿造其他设备，制造出体积、重量比佳，功能质量有保证的产品。同时，出于实际效率考虑，需要利用已有的成熟产品上的优秀部分为当前设备所用，即系统设计是自己的，在细节上，集成好的、解决不好的；在设备性能、质量保证上，不向过去妥协。对于设备设计，进行创新的同时不自闭，在继承原设备优点的基础上，要有发展进步，依据自己的系统设计有所取舍。在机械设计上，积累实践经验，融合理论知识，二者相辅相成。对于一般性问题，可以经验带着理论跑，使用已知方法，带入需求参数，较快解决；对于难点或未接触过的问题，用理论带着经验跑，逢山开路，遇水架桥。设计者既要观查设备外在形式的“热闹”，也要琢磨其理论知识的运用“门道”，门道认清了，应用技术，百变创新有其“中”。

作者:于开洋 单位:南京国信能源有限公司