探討運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

宮立忠

摘 ? 要：運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究的是物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這一理論在諸多領(lǐng)域中都有應(yīng)用，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也有著非常重要的應(yīng)用。就此展開(kāi)了討論，簡(jiǎn)述了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要素，分析了運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用準(zhǔn)則，詳細(xì)闡述了其在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)力學(xué);機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);應(yīng)用

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。運(yùn)動(dòng)力學(xué)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有理論指導(dǎo)作用。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新的背景下，研究人員也在深入研究運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論，以此希望優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 ? ?機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要素

1.1 ?機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：（1）一體化設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思考、繪圖、計(jì)算等工作是統(tǒng)一的、緊密相連的。這就意味著機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作量比較大，出現(xiàn)的問(wèn)題比較多，設(shè)計(jì)人員若想保證機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，就要深入探討整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，盡可能地保證每一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都能準(zhǔn)確、完善。（2）涉及的問(wèn)題比較多，且具有復(fù)雜、多解的特征。比如，對(duì)于同一個(gè)設(shè)計(jì)，可以制定多個(gè)設(shè)計(jì)方案。作為設(shè)計(jì)人員，應(yīng)充分發(fā)揮自身的主導(dǎo)作用，從中選擇最佳的設(shè)計(jì)方案，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。（3）活躍性最強(qiáng)。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，需要對(duì)方案不斷地修改、優(yōu)化、完善，以滿足設(shè)計(jì)要求。這一過(guò)程是非常繁瑣、復(fù)雜的。

1.2 ?設(shè)計(jì)要素

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須要考慮各種設(shè)計(jì)要素，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求。但是，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識(shí)到，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，涉及的理論、技術(shù)要素非常復(fù)雜，需綜合考慮各種影響因素，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性。

首先，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮幾何要素。相對(duì)來(lái)說(shuō)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常精密的工作，各部分之間的咬合、位置、距離都需要經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)。在這一過(guò)程中，必須要考慮幾何要素、科學(xué)設(shè)計(jì)機(jī)械零部件的面，并充分考量各零部件的接觸設(shè)計(jì)。其次，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要充分考慮聯(lián)結(jié)要素。設(shè)計(jì)人員不僅要對(duì)單個(gè)零件的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，更要充分考慮不同零件之間的聯(lián)接問(wèn)題，尤其要科學(xué)地設(shè)計(jì)不同零部件之間的功能面聯(lián)接方法。另外，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不同零部件之間的聯(lián)接包括直接聯(lián)接、間接聯(lián)接兩種。在直接聯(lián)接的設(shè)計(jì)中要充分考慮其功能面之間的縫隙問(wèn)題，確保功能面之間的摩擦力最小，在間接聯(lián)接中則要充分考慮聯(lián)動(dòng)軸設(shè)計(jì)。最后，材料要素。材料選擇對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響非常大，尤其是在一些易磨損的部位，必須要選擇耐磨損、質(zhì)量好的零件，保證機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率。

2 ? ?運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用準(zhǔn)則

2.1 ?滿足力學(xué)設(shè)計(jì)要求

滿足力學(xué)設(shè)計(jì)要求，具體來(lái)說(shuō)，是在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮彈性力學(xué)、疲勞力學(xué)等力學(xué)準(zhǔn)則，以便提升機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。其中，疲勞力學(xué)與軸承、齒輪、軸的使用壽命有著密切的聯(lián)系。在具體設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要充分考慮機(jī)械零部件的荷載變化，并靈活處理力學(xué)計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命。同時(shí)，在這一過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員還需充分考慮零部件截面尺寸的變化，保證其內(nèi)應(yīng)力能靈活變化、各截面強(qiáng)度能相等。這樣就可保證材料能得到充分利用。如在階梯軸、懸臂支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其截面強(qiáng)度都是相等的。階梯軸、懸臂支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2 ?不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念

就目前來(lái)看，大部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多應(yīng)用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變?cè)?，即?duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)要素進(jìn)行優(yōu)化、篩選，保證能將最新的設(shè)計(jì)理念、方法應(yīng)用到機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。所以，在現(xiàn)代化背景下，要繼續(xù)加大機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新，不斷優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)方法。

2.3 ?積極引入新材料

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料、新工藝不斷出現(xiàn)。在這一背景下，設(shè)計(jì)人員更要嘗試引入新材料，并依據(jù)新材料特性優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而保證能充分發(fā)揮新材料的優(yōu)勢(shì)，提升機(jī)械結(jié)構(gòu)質(zhì)量，延長(zhǎng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用壽命。尤其是充分考慮新材料的力學(xué)性質(zhì)，深入優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)[1]。

3 ? ?運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

3.1 ?應(yīng)用步驟

運(yùn)動(dòng)力學(xué)應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，涉及的要素、環(huán)節(jié)非常多，需要機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員充分掌握運(yùn)動(dòng)力學(xué)基本理論，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的論證、實(shí)驗(yàn)，從而選出最優(yōu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。其具體應(yīng)用步驟包括：

首先，整體分析運(yùn)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)策略。在應(yīng)用運(yùn)動(dòng)力學(xué)時(shí)應(yīng)當(dāng)從整體入手，確定設(shè)計(jì)策略，而后再進(jìn)行分支應(yīng)用模型的構(gòu)建。這樣可以規(guī)范、有效地應(yīng)用運(yùn)動(dòng)力學(xué)。在形成整體策略時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)先充分考慮運(yùn)用整體策略想要達(dá)到的目的，并形成一個(gè)比較模糊的設(shè)計(jì)概念。需要注意的是，對(duì)于精密度要求比較高的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還需充分應(yīng)用微積分計(jì)算、模糊計(jì)算等運(yùn)算方法，將運(yùn)動(dòng)力學(xué)靈活應(yīng)用到機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。這樣，設(shè)計(jì)人員就可以基本確定機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸、占用空間。隨后，就可以科學(xué)地選擇應(yīng)用材料，并分析機(jī)械結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生的參數(shù)變化情況。

其次，確定機(jī)床結(jié)構(gòu)。對(duì)于重要零部件的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)在圖紙上給出理論闡述，在實(shí)際組裝中保證其能順暢對(duì)接。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提是科學(xué)設(shè)計(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)，因?yàn)闄C(jī)床是制作各種關(guān)鍵零件的主要工具，科學(xué)設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)可以保證重要零部件的設(shè)計(jì)、制作質(zhì)量，還可以在沖壓過(guò)程中對(duì)重要零部件進(jìn)行力學(xué)分析，并通過(guò)適當(dāng)?shù)馗淖儥C(jī)床結(jié)構(gòu)，進(jìn)行重要零部件結(jié)構(gòu)力學(xué)的試驗(yàn)。在這一過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)當(dāng)保證設(shè)計(jì)圖紙與實(shí)物對(duì)應(yīng)，避免實(shí)物存在偏差，無(wú)法完成預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)的現(xiàn)象。

再者，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)各部件及總體結(jié)構(gòu)形式功能。對(duì)機(jī)械總體結(jié)構(gòu)、形成、機(jī)器功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分彰顯出運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并保證機(jī)械結(jié)構(gòu)部件功能、性質(zhì)等在較小物理碰撞下仍能正常運(yùn)行。比如機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間較小，可通過(guò)設(shè)計(jì)使部件更換變得更加簡(jiǎn)單、方便。以齒輪、皮帶等損耗性部件為例，應(yīng)當(dāng)在保證其機(jī)構(gòu)合理的前提下，用小齒輪代替皮帶，這樣可延長(zhǎng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用壽命。另外，在這一過(guò)程中還應(yīng)充分考慮運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論，合理設(shè)計(jì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式。

最后，應(yīng)結(jié)合運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)算，對(duì)其結(jié)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)人員一定要充分掌握相應(yīng)的計(jì)算方法，如可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、數(shù)控系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制對(duì)應(yīng)的邏輯算法。以N軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械手算法為例，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)充分計(jì)算臂關(guān)節(jié)、軸關(guān)節(jié)等所遵循的運(yùn)動(dòng)方程，并結(jié)合彈性力學(xué)、流體力學(xué)等，考慮各關(guān)節(jié)所承擔(dān)的任務(wù)，并以此為基礎(chǔ)確定其設(shè)計(jì)形狀，然后結(jié)合熱變形、受力情況等因素確定形狀、位置、尺寸。

3.2 ?運(yùn)動(dòng)力學(xué)在零部件鏈接中的應(yīng)用

機(jī)械結(jié)構(gòu)包含的零部件非常多，且不同零部件之間的鏈接方式并不相同。不同鏈接方式的作用、效果也是不相同的。所以，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)充分依據(jù)運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論，科學(xué)確定不同零部件之間的鏈接方式，以免零部件的鏈接方式不正確，導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)整體功能無(wú)法發(fā)揮。

如在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮觀測(cè)力矩變化，計(jì)算不同聯(lián)接點(diǎn)之間的摩擦力、壓力，從而選擇零部件的鏈接方式。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)零部件至少有兩個(gè)與其相連的零部件。在考慮其鏈接方式時(shí)，需認(rèn)真分析其材料熱處理方式、尺寸、精度、表面質(zhì)量等。同時(shí)，還需計(jì)算其聯(lián)結(jié)精度、尺寸等。需要注意的是，隨著其關(guān)聯(lián)零部件個(gè)數(shù)的增多，其結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，精度就越高。設(shè)計(jì)人員應(yīng)從大局出發(fā)，考慮各種影響因素。

3.3 ?在零部件損耗中的應(yīng)用

機(jī)械結(jié)構(gòu)的零部件非常多，且所有零部件都能順暢對(duì)接。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)中，各零部件也會(huì)運(yùn)動(dòng)。并且，在相互運(yùn)動(dòng)中，零部件會(huì)發(fā)生摩擦，出現(xiàn)損耗。最重要的是這種損耗是無(wú)法杜絕的。所以，設(shè)計(jì)人員只能結(jié)合運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論，盡量減緩零部件之間的損耗，延長(zhǎng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用壽命。

具體來(lái)說(shuō)，要結(jié)合零部件的運(yùn)動(dòng)情況、運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論，精確計(jì)算零部件結(jié)構(gòu)的損耗情況，并確定其損耗系數(shù)，然后從零部件材料、保養(yǎng)等方面入手，降低零部件結(jié)構(gòu)的損耗。這種方法在精密度比較高的機(jī)械結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛。以往復(fù)式活塞隔膜泵的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例，若其零部件出現(xiàn)磨損，可建立含間隙隔膜泵磨損故障時(shí)的動(dòng)力學(xué)分析模型，并結(jié)合力學(xué)特性，對(duì)其磨損故障進(jìn)行非線性分析，然后再通過(guò)計(jì)算其動(dòng)力學(xué)方程，得到其磨損部件運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。接下來(lái)，在此基礎(chǔ)上制定針對(duì)性的故障處理、保養(yǎng)措施?？傊?，運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件的損耗中也有著非常廣泛的應(yīng)用[2-3]。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著非常重要的指導(dǎo)作用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)充分了解運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)，并依據(jù)相應(yīng)的準(zhǔn)則開(kāi)展機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，還應(yīng)按照一定的步驟進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，最重要的是要在零部件鏈接、零部件損耗中應(yīng)用運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)，指導(dǎo)其設(shè)計(jì)工作。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陳 ?沖.運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，33（19）：62-64.

[2]喬 ?棟.解析運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].綠色環(huán)保建材，2016（8）：59.

[3]胡曉芳.解析運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（16）：258.