设备机械设计与实践创新的思路论述

引言

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b,输送速度,(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r(Nm)和负载F(N)、负载与转轴中心距R(m)。调用公式: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,由装料体积V和装料介质的密度p,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b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T=F/6d算得轴径最小值。式中,T为材料许用切应力;6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b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,可用饭金折弯或型材制作,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"。