引言

隨著國家的進(jìn)步,國內(nèi)制造業(yè)由曾經(jīng)的以仿制為主,走到現(xiàn)在注重高品質(zhì)發(fā)展,經(jīng)歷了從無到有、由弱變強(qiáng)的過程。制造轉(zhuǎn)變?yōu)?質(zhì)造"和創(chuàng)造,行進(jìn)在高質(zhì)量創(chuàng)新發(fā)展的路上。

1定位

當(dāng)下,在行進(jìn)隊伍中,機(jī)械設(shè)計是制造業(yè)應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新主力之一。它是設(shè)備市場需求的接收者,是設(shè)備實現(xiàn)功能的轉(zhuǎn)化者,是設(shè)備成型的規(guī)劃者,是設(shè)備參數(shù)保障的執(zhí)行者。

2執(zhí)行與方法

2.1創(chuàng)新的來源

創(chuàng)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(shè)備使用者遇到的問題和麻煩,接收市場對設(shè)備性能的需求和呼喚,以實際問題為導(dǎo)向平臺,讓天馬降落可駕馭,是創(chuàng)新的意義。

2.2設(shè)計框架的搭建

根據(jù)設(shè)備性能需求,定義設(shè)備框架,如體積、形狀、重量和質(zhì)量分布,實現(xiàn)功能的基本原理等?；蚱鹩诤诵牟考膽?yīng)用,由內(nèi)而外地延展:或起于局部服從整體,由外而內(nèi)地組成。"設(shè)計框架"即設(shè)備設(shè)計思路的軸,在設(shè)計過程中,調(diào)用知識、經(jīng)驗和創(chuàng)新舉措,皆圍繞此設(shè)計框架展開。

2.3柔性邊界條件分析

在機(jī)械設(shè)計過程中,設(shè)備的外在形式是表象和載體,而包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動設(shè)計、過流設(shè)計等在內(nèi)的內(nèi)在參數(shù)的理論知識為本體。對理論的應(yīng)用表現(xiàn)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(dá),兩端參數(shù)高低相隨,增減相伴。在設(shè)計過程中,依據(jù)條件需求,適當(dāng)調(diào)整參數(shù),或局部服從整體,或整體遷就局部,相互妥協(xié),以實現(xiàn)設(shè)備整裝的最佳存在。

2.4保證質(zhì)量的條件

曾經(jīng),"MadeinChina"被說成"低質(zhì)"的代名詞。這是過程,不是標(biāo)簽,超級跑車也不是一踩油門速度就直接到200邁的。得用發(fā)展的眼光看事物,與時俱進(jìn)。現(xiàn)在,"MadeinChina"已經(jīng)在眾多設(shè)備上打造了高品質(zhì)、高質(zhì)量的產(chǎn)品。

從機(jī)械設(shè)計角度看,使用工況是首先考慮的問題,因為工況被動引導(dǎo)著設(shè)備的使用條件。在此條件下,環(huán)境因素影響著用材的選取,像食品醫(yī)藥設(shè)備,常選用耐腐蝕性能好的奧氏體不銹鋼,如06Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo2等:其負(fù)載狀況,關(guān)系著承載設(shè)計,引導(dǎo)著結(jié)構(gòu)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(jù)截面系數(shù)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?yún)?shù)取得。

由此可見,依據(jù)工況和使用條件進(jìn)行正確選材,保證荷載安全,才能在機(jī)械設(shè)計層面上為設(shè)備質(zhì)量保駕護(hù)航。

可以說,質(zhì)量的保證,對于設(shè)計而言,是被動獲取的,其受初始目標(biāo)條件的制約和引導(dǎo),來確定影響質(zhì)量的最大或最小參數(shù)值,參數(shù)值選取合理,則質(zhì)量就有保障。

2.5取得創(chuàng)新設(shè)計的成果

以解決問題為初衷,以實現(xiàn)結(jié)果為目的,引導(dǎo)創(chuàng)新思維的產(chǎn)出。以理論知識和實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ),實現(xiàn)創(chuàng)新成果。因為創(chuàng)新是為了進(jìn)步、變好,和突發(fā)奇想、亂改的區(qū)別是,創(chuàng)新后的設(shè)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(chuàng)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(xiàn);其難,難在現(xiàn)實意義有價值,使其實現(xiàn)并不簡單。有價值的創(chuàng)新,需要以一定的理論知識為基礎(chǔ),以實踐可操作性為前提,了解設(shè)備處于什么樣的行業(yè)背景和技術(shù)水平,以此為基準(zhǔn),向上突破。

創(chuàng)新后的設(shè)備,在性能提高、質(zhì)量保證、成本控制、實現(xiàn)價值上,同過去的設(shè)備進(jìn)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(dāng)然能做到的。需要系統(tǒng)架構(gòu)邏輯更嚴(yán)謹(jǐn)、原理組成分析更細(xì)致、參數(shù)選取與計算更準(zhǔn)確。諸多公式的參數(shù)對比是非線性的,會有平方、三次方、四次方的關(guān)系,關(guān)鍵參數(shù)的取值和變化,對創(chuàng)新設(shè)計有著重要影響。

3實例說明

以定滑輪為支點,使用電機(jī)牽引料斗向上自動送料的運動機(jī)構(gòu)。

(1)初定了料斗的裝料體積V,需送高度b,輸送速度,(m/s),整個系統(tǒng)的框架即可定義。

(2)運用理論知識建立邊界條件,再進(jìn)行柔性分析。

功率P(kw)、轉(zhuǎn)速n(r/min)、輸出扭矩r(Nm)和負(fù)載F(N)、負(fù)載與轉(zhuǎn)軸中心距R(m)。調(diào)用公式:r=9549P/n或P=rn/9549;r=FR=mgR=pVgR;n=60,/(2mR)。

由公式r=FR=mgR=pVgR可以看出,由裝料體積V和裝料介質(zhì)的密度p,可以得出負(fù)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(jī)選型的功率。

由上升高度b及裝料體積V=寬×長×高,可以規(guī)劃設(shè)備的外形尺寸。

定滑輪輸送,一般采用鋼絲繩,通過負(fù)載F的參數(shù)值,選取鋼絲繩的截面規(guī)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(fù)載F和常用軸材料,可以計算定滑輪的軸徑:此系統(tǒng)軸承受的是剪力,可利用公式T=F/6d算得軸徑最小值。式中,T為材料許用切應(yīng)力;6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(yīng)尺寸和負(fù)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(jī),一般選取電動卷揚機(jī)。根據(jù)需要的鋼絲繩長度和需求功率,選取相應(yīng)型號的電動卷揚機(jī)規(guī)格尺寸(含繞鋼絲繩的圓筒半徑R和圓筒軸向?qū)挾萀)。

因電動卷揚機(jī)和料斗在定滑輪兩邊,所以,料斗的寬度可以與卷揚機(jī)長度對應(yīng)定值,以優(yōu)化設(shè)備寬度方向上的空間布局。

基本功能寬度確定后,根據(jù)需升料高度b判斷機(jī)架穩(wěn)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(dǎo)致機(jī)架傾倒。由此設(shè)定使用工況,適當(dāng)增加寬度,滿足使用工況的要求。又卷揚機(jī)在機(jī)架下部,其寬度尺寸也要配合機(jī)架挑選。

鋼絲繩牽引料斗上升,如戶外有風(fēng),難免會使料斗擺動,使作業(yè)存在風(fēng)險。因此,設(shè)計時要根據(jù)工況考慮讓料斗上升沿著既定導(dǎo)軌行走,控制平衡。

料斗上升和下降到位,可以在相應(yīng)位置設(shè)置觸控傳感器,來控制電機(jī)安全啟停。

(3)保證質(zhì)量可靠。

機(jī)架部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計,在參數(shù)滿足上述功能需求的前提下,可用飯金折彎或型材制作,通過理論力學(xué)的平衡力系和工程力學(xué)的強(qiáng)度校核知識,選取板厚和截面形狀,采用焊接或安裝結(jié)構(gòu)形式。計算結(jié)構(gòu)件在最大受力狀態(tài)下截面系數(shù)與力矩的對應(yīng)關(guān)系,再校核材料應(yīng)力保證滿足使用要求。緊固螺栓組,要合理均布,并根據(jù)其安裝位置分析受力狀態(tài),計算抗剪或抗拉強(qiáng)度。對于附屬部件的設(shè)計,如設(shè)備上的電機(jī),需要考慮防水、防撞等問題。如是小型設(shè)備,可考慮美觀易操作問題。對于大型設(shè)備,更注重考慮極端狀態(tài)下的安全問題,如鋼絲繩維護(hù)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(chuàng)新成果。

在上述方法下,將原需裝載200kg料斗、升高4m、負(fù)載速度約0.5m/s的料場升料機(jī)構(gòu)車總重減小了30%,加工制造成本降低了50%。原設(shè)備為仿造其他設(shè)備改制而來,雖然能用,但上面的零部件有諸多參數(shù)不靠近設(shè)備的實際使用工況;其升降采用定動滑輪和二級導(dǎo)軌的組合方式,相對于此工況略顯繁瑣。

4結(jié)語

對于復(fù)雜系統(tǒng),考慮將其分解成多個單元問題進(jìn)行設(shè)計校核,再將簡單問題融入整體去應(yīng)用調(diào)整、修正參數(shù)。

因此,設(shè)計一個設(shè)備,按照上文思路,可以不仿造其他設(shè)備,制造出體積、重量比佳,功能質(zhì)量有保證的產(chǎn)品。同時,出于實際效率考慮,需要利用已有的成熟產(chǎn)品上的優(yōu)秀部分為當(dāng)前設(shè)備所用,即系統(tǒng)設(shè)計是自己的,在細(xì)節(jié)上,集成好的、解決不好的;在設(shè)備性能、質(zhì)量保證上,不向過去妥協(xié)。對于設(shè)備設(shè)計,進(jìn)行創(chuàng)新的同時不自閉,在繼承原設(shè)備優(yōu)點的基礎(chǔ)上,要有發(fā)展進(jìn)步,依據(jù)自己的系統(tǒng)設(shè)計有所取舍。

在機(jī)械設(shè)計上,積累實踐經(jīng)驗,融合理論知識,二者相輔相成。對于一般性問題,可以經(jīng)驗帶著理論跑,使用已知方法,帶入需求參數(shù),較快解決;對于難點或未接觸過的問題,用理論帶著經(jīng)驗跑,逢山開路,遇水架橋。設(shè)計者既要觀查設(shè)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(rèn)清了,應(yīng)用技術(shù),百變創(chuàng)新有其"中"。