引言

隨著國家的進步,國內制造業(yè)由曾經的以仿制為主,走到現在注重高品質發(fā)展,經歷了從無到有、由弱變強的過程。制造轉變?yōu)?質造"和創(chuàng)造,行進在高質量創(chuàng)新發(fā)展的路上。

1定位

當下,在行進隊伍中,機械設計是制造業(yè)應用技術的創(chuàng)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(guī)劃者,是設備參數保障的執(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(chuàng)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?由內而外地延展:或起于局部服從整體,由外而內地組成。"設計框架"即設備設計思路的軸,在設計過程中,調用知識、經驗和創(chuàng)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(fā)展的眼光看事物,與時俱進。現在,"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(huán)境因素影響著用材的選取,像食品醫(yī)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。

可以說,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(chuàng)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(chuàng)新思維的產出。以理論知識和實踐經驗為基礎,實現創(chuàng)新成果。因為創(chuàng)新是為了進步、變好,和突發(fā)奇想、亂改的區(qū)別是,創(chuàng)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(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;其難,難在現實意義有價值,使其實現并不簡單。有價值的創(chuàng)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(yè)背景和技術水平,以此為基準,向上突破。

創(chuàng)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(chuàng)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b,輸送速度,(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r(Nm)和負載F(N)、負載與轉軸中心距R(m)。調用公式: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和裝料介質的密度p,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b及裝料體積V=寬×長×高,可以規(guī)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(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T=F/6d算得軸徑最小值。式中,T為材料許用切應力;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(guī)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(yōu)化設備寬度方向上的空間布局。

基本功能寬度確定后,根據需升料高度b判斷機架穩(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(yè)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,可用飯金折彎或型材制作,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(tài)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(tài),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(tài)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(chuàng)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(yōu)秀部分為當前設備所用,即系統設計是自己的,在細節(jié)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(chuàng)新的同時不自閉,在繼承原設備優(yōu)點的基礎上,要有發(fā)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(chuàng)新有其"中"。