一次性機械設(shè)計的理念和應(yīng)用

王剛++賈潔

[摘 要]由于使用壽命較短，類似于當(dāng)下較為流行的“一次性”制品，我們將這樣一類的單次使用機械產(chǎn)品稱之為屬 “一次性機械”。一次性機械往往在軍事武器、航空航天等場所得到應(yīng)用。文章主要介紹了一次性機械設(shè)計的理念以及應(yīng)用實踐的案例。

[關(guān)鍵詞]一次性；機械設(shè)計

通常我們所見的機器、設(shè)備和機械構(gòu)件，如車床、汽車、起重機等都需要長期使用，因此可以稱為“常規(guī)機械”。而還有一些機械產(chǎn)品的壽命就相對較短，通常情況下使用一次就不再使用。由于使用壽命較短，類似于當(dāng)下較為流行的“一次性”制品，我們將這樣一類的單次使用機械產(chǎn)品稱之為屬 “一次性機械”。一次性機械往往在軍事武器、航空航天等場所得到應(yīng)用。這些領(lǐng)域中的機械制品往往對載荷程度有一定的要求，尤其是傳動機構(gòu)還有體積、質(zhì)量等方面有更為嚴格的需求保障。本文主要分析了一次性機械的特點和設(shè)計理念，并在航空航天領(lǐng)域中針對有限體積條件提出了一次性機械設(shè)計概念的應(yīng)用與實踐。

一、一次性機械的特點和設(shè)計理念

1. 使用條件

常見的機械產(chǎn)品的通常是長時間和循環(huán)的，并留有較大的余量范圍，因此顯現(xiàn)出體積大、重量大的特點；而一次性機械產(chǎn)品是單次使用，壽命有限，只要在特點時間段內(nèi)發(fā)揮它的應(yīng)有功效就行，因此不需要留有太大的余量，所以體積和重量相對來講也更小更輕。

2. 失效形式

常規(guī)機械的功效損耗的原因大多為疲勞、磨損，其中，最常見的疲勞效應(yīng)表現(xiàn)為低應(yīng)力高周疲勞。但是在實際應(yīng)用過程中，正常的機械工況載荷就會產(chǎn)生高周疲勞，因此，通常所見的疲勞破壞均是指高周疲勞破壞。一次性機械的失效形式主要表現(xiàn)為傳遞動力導(dǎo)致其受力折斷，因此在設(shè)計過程中主要考慮到的是動靜強度和剛度。

3. 設(shè)計方法

針對常規(guī)機械的設(shè)計方法已經(jīng)較為完善，但是一次性機械產(chǎn)品的設(shè)計的理論構(gòu)建還沒有成熟。一次性機械在其有限的使用時間內(nèi)，發(fā)生失效的原因不可能是長時間的疲勞、磨損、腐蝕等。多次反復(fù)載荷作用下才可能導(dǎo)致疲勞破壞，并不是短期內(nèi)能夠發(fā)生的，但是當(dāng)當(dāng)交變應(yīng)力遠小于靜強度極限，或是小于屈服強度時，也有可能發(fā)生疲勞破壞。因此，在設(shè)計常規(guī)機械的時候，許用應(yīng)力的設(shè)定往往遠小于靜強度極限和屈服強度。一次性機械的使用期限較短，往往還沒有發(fā)生疲勞破壞壽命已經(jīng)結(jié)束，因此只要避免機械產(chǎn)品的受力破壞。靜力破壞指的是載荷度最大情況下的破壞，為避免靜力破壞，就要保證其小于屈服強度或強度極限。由于一次性機械能夠免除疲勞等因素對其的破壞，因而可以按照根據(jù)靜強度要求進行設(shè)計，不必在體積和重量上留有余量，使其變得更小更輕。

二、一次性機械設(shè)計遵循的基本原則

機械零件的基本原則主要考慮到了以下兩方面因素：

是材料強度特性和機械零件幾何強度特性。材料強度特性屬于材料自身的基本屬性，在機械設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)的材料強度涉及到更為廣泛的金屬度材料應(yīng)用，尤其指的是金屬材料的機械特性。體現(xiàn)在機械零件的設(shè)計準(zhǔn)則中就成為了強度設(shè)計準(zhǔn)則，主要內(nèi)容有涉及斷裂和屈服的靜強度，循環(huán)載荷的疲勞強度，還有一些在特殊情況下會發(fā)生的抗沖擊、抗磨損、抗腐蝕等性能的設(shè)計；針對幾何強度就要涉及到零件的幾何以及其所包括的及約束條件等，與之相對應(yīng)的機械設(shè)計準(zhǔn)則是剛度設(shè)計準(zhǔn)則，能夠有效避免由于變形、失穩(wěn)以及彈性變形導(dǎo)致的差過大等失效的結(jié)果。由此可見，一次性機械零件設(shè)計的時候應(yīng)該具備以下幾方面的原則：第一，靜強度設(shè)計。這方面的涉及與常規(guī)機械零件的靜強度設(shè)計準(zhǔn)則相類似。第二，疲勞強度設(shè)計。這方面的設(shè)計應(yīng)遵循一次性機械零件的自我需求準(zhǔn)則，尤其是對于某些具有特殊用途的一次性機械零件，更要有針對性的設(shè)計準(zhǔn)則。

三、一次性機械設(shè)計的應(yīng)用與實踐

火箭主要依靠電動舵機的電動機驅(qū)動機械來控制航行方向，但是火箭的電動舵機會隨著火箭的上升而逐漸自毀。但是由于受到空間上特征性的限制，使高速直流伺服電動機在設(shè)計實踐過程中就要保證一定的體積，依靠大減速比的減速裝置來保證輸出的位移運動具有大轉(zhuǎn)矩低速角。

第一，傳動方案設(shè)計和總體體系。要在一次性設(shè)計的原理的指導(dǎo)下進行電動舵機結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使其結(jié)構(gòu)較為簡易，穩(wěn)定性較高，能夠使其傳動水準(zhǔn)與強度能力有較大的提升，不斷優(yōu)化設(shè)計方案。

第二，錐齒輪的設(shè)計。不同尺寸的齒輪選用的材料有所不同：小錐齒輪需要45鋼進行調(diào)質(zhì)處理；大錐齒輪需要45 鋼進行正火處理。齒面疲勞點蝕和齒根疲勞折斷均會導(dǎo)致齒輪失效。若要避免齒輪失效，就要擯棄傳統(tǒng)的設(shè)計方式。通過靜強度計算一次性機械設(shè)計相較于傳統(tǒng)機械設(shè)計，在相同載荷的情況下的齒面接觸疲勞強度或齒根彎曲疲勞強度設(shè)計方案，從而有效降低模數(shù)。

第三，柔輪的設(shè)計。柔輪的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要40CrNiMoA的材料，使硬度能夠達到32～36HRC。按齒面耐磨計算得到的柔輪模數(shù)大約為0.3毫米。普通設(shè)計下的齒輪傳動的咬合齒輪只有1～2對，而諧波齒輪需要更多的要和齒輪來滿足協(xié)合程度。這樣載荷作用點就能夠通過更多的咬合齒輪來共同承擔(dān)。

一次性機械產(chǎn)品是單次使用，壽命有限，只要在特點時間段內(nèi)發(fā)揮它的應(yīng)有功效就行，因此不需要留有太大的余量，所以體積和重量相對來講也更小更輕。機械零件的基本原則主要考慮到了以下兩方面因素：是材料強度特性和機械零件幾何強度特性。

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