運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王 博，鄧鵬程，李 淵，鄒 輝，羅金成

（1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100000；2.航天系統(tǒng)部裝備部軍事代表局，北京 100000；3.四川新川航空儀器有限責(zé)任公司，四川德陽 618300）

在機(jī)械制造業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中會涉及到很多原理的應(yīng)用，其中運(yùn)動力學(xué)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。正如運(yùn)動力學(xué)在相關(guān)的物理學(xué)系以及機(jī)械科學(xué)方面都越來越受到人們的重視，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)動力學(xué)同樣也發(fā)揮著一個橋梁和紐帶的作用。通過對運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用，可以對機(jī)械制造業(yè)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改造，對于機(jī)械行業(yè)的設(shè)計(jì)具有重大的意義和價值。同時將運(yùn)動力學(xué)應(yīng)用到機(jī)械制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都具有很大的推動作用。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用準(zhǔn)則

1.1 力學(xué)準(zhǔn)則

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用對于設(shè)計(jì)人員的要求是，必須在結(jié)構(gòu)內(nèi)的各個環(huán)節(jié)都對運(yùn)動力學(xué)進(jìn)行充分的考慮。在對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)中，應(yīng)該對結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行充分的認(rèn)知和考量。例如在選擇材料時，就需要對材料的力學(xué)特性進(jìn)行提前掌握。在選取材料時，要考慮到機(jī)械的實(shí)際運(yùn)行情況，不同材料所產(chǎn)生的機(jī)械性能也是不同的，所以材料的選取就會達(dá)到不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和彈性形變，究其原因就是因?yàn)椴牧暇哂胁煌男巫兂潭?。例如，在我國的機(jī)械制造業(yè)中，較為普遍的連接零件有螺栓、鉚釘以及螺帽等，這些零件的變形都可以歸納在剪切變形的范圍內(nèi)。所以在對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員需要對零件所承受的剪切力進(jìn)行充分的考量。為了得到穩(wěn)定性和安全性更高的機(jī)械結(jié)構(gòu)，需要設(shè)計(jì)人員在對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各個零件的材質(zhì)進(jìn)行充分的認(rèn)知，并結(jié)合其運(yùn)動力學(xué)的特點(diǎn)和所需要生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)的運(yùn)行特點(diǎn)，如醫(yī)療設(shè)備、分析儀器等，里面往往有一些容易損耗的材料，如果相關(guān)的結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)不合理，會導(dǎo)致局部作用力的偏大和失衡，其結(jié)構(gòu)就會導(dǎo)致一些抗磨性較差的部件發(fā)生損壞，從而影響實(shí)際使用效果。

1.2 創(chuàng)新性準(zhǔn)則

創(chuàng)新和發(fā)展是緊密結(jié)合不可分割的。為了使工業(yè)企業(yè)的發(fā)展更加穩(wěn)健，需要對傳統(tǒng)的技術(shù)和理念進(jìn)行不斷的創(chuàng)新和升級。并且要運(yùn)用新的技術(shù)和新的設(shè)備，對原有的產(chǎn)業(yè)模式和理念進(jìn)行轉(zhuǎn)型。這樣的發(fā)展規(guī)律同樣適用于機(jī)械制造行業(yè)。所以這就要求設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，把培養(yǎng)和增強(qiáng)創(chuàng)新性也作為設(shè)計(jì)工作中的一項(xiàng)重點(diǎn)。同時要和所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，把設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新作為創(chuàng)新首要考慮因素，即能夠在正常運(yùn)行的前提下，盡量將機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。對于新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下所誕生的新材料和新工藝進(jìn)行積極的研究和使用，并且在成本投入上盡量降低，盡量使企業(yè)的利潤和效益實(shí)現(xiàn)最大化。另外對于新材料的應(yīng)用也要充分地對環(huán)境的保護(hù)以及可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行考慮，也合乎我國目前經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展方向和要求。這樣的理念是需要貫穿在整個機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程。通過對先進(jìn)技術(shù)的使用，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組設(shè)備進(jìn)行虛擬化運(yùn)行，通過這樣的虛擬運(yùn)行方式，可以在不投入大量成本的前提下，測試機(jī)組的運(yùn)行情況是否穩(wěn)定，并且對運(yùn)行數(shù)據(jù)和工作效率進(jìn)行初步的掌握。值得注意的是，在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料的創(chuàng)新過程中仍需要以運(yùn)動力學(xué)為最根本的應(yīng)用原則，不能在違背應(yīng)用力學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而造成產(chǎn)品使用壽命降低的情況。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工程，不僅需要設(shè)計(jì)人員對各個零部件進(jìn)行運(yùn)動力學(xué)的分析和計(jì)算，還需要對整個的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體上的掌控。在這樣的基礎(chǔ)上，對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論進(jìn)行論證，對實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。下面舉一些在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用案例，來分析運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2.1 從整體策略出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)

在運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用中，要從整體的策略出發(fā)，來做好大局和整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成一套非常完整的結(jié)構(gòu)策略體系。從全局的角度，建立起運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)部分分支的應(yīng)用模式。設(shè)計(jì)者需要進(jìn)行的工作首先就是從整體的策略出發(fā)，對一些較大的零部件的力學(xué)性能進(jìn)行充分的考慮，并針對這些零部件所選用的材料進(jìn)行力學(xué)性能以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考量，并且對最終是否會達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行效果進(jìn)行充分的預(yù)計(jì)。但是這些考慮和準(zhǔn)備還都只是處在一個比較虛擬的形象設(shè)計(jì)概念范圍內(nèi)，對于一些精密度要求比較高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，需要介入一些科學(xué)和先進(jìn)的算法來輔助。例如數(shù)學(xué)上的模糊算法以及微積分算法等，從而對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所涉及到的零件的尺寸以及相應(yīng)的參數(shù)，進(jìn)行一個大致的數(shù)據(jù)范圍確定。對于機(jī)械結(jié)構(gòu)所需要占用的空間范圍和尺寸以及所需要的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行計(jì)算和選擇，充分考慮到選取材料對應(yīng)的力學(xué)性。

2.2 確定結(jié)構(gòu)方式

在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對于結(jié)構(gòu)中所涉及到的一些重要部件，需要對該部件的結(jié)構(gòu)在圖紙上進(jìn)行理論驗(yàn)證，針對其運(yùn)動力學(xué)進(jìn)行邏輯分析。同時在實(shí)際的組裝過程中，還需要考慮到各部件之間是否能夠進(jìn)行順利的對接。在實(shí)際的機(jī)械加工中，機(jī)床是被普遍和頻繁使用的零件加工設(shè)備，可以進(jìn)行沖壓等操作。這就要求設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行機(jī)床的加工過程中，首先需要對機(jī)械結(jié)構(gòu)的布置做好設(shè)計(jì)方案。在進(jìn)行沖壓時，可以實(shí)現(xiàn)對一些重要的零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的運(yùn)動力學(xué)驗(yàn)證，最后來確定和判斷運(yùn)動力學(xué)應(yīng)用的合理性，也可以對機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行方式上的改變，從而通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本節(jié)以機(jī)床為例探討機(jī)械結(jié)構(gòu)方式設(shè)計(jì)，對于運(yùn)動力學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，需要把圖紙和實(shí)際的加工過程進(jìn)行緊密的連接，使兩者能夠統(tǒng)一，避免在進(jìn)行圖紙驗(yàn)證時方案可行，但是在實(shí)際的生產(chǎn)加工過程中卻出現(xiàn)相應(yīng)結(jié)構(gòu)與方案不符合的現(xiàn)象，造成圖紙和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型不能匹配。同時在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要對相應(yīng)的設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理進(jìn)行充分的考慮。針對機(jī)床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及動力特點(diǎn)和材料進(jìn)行正確的選擇，對加工方式進(jìn)行合理的選取，盡量使機(jī)械結(jié)構(gòu)的內(nèi)部設(shè)計(jì)更加合理和科學(xué)。

2.3 對機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能進(jìn)行合理確定

要想在機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)作過程中顯示出運(yùn)動力學(xué)所發(fā)揮的優(yōu)勢，就需要合理地確定總體的結(jié)構(gòu)和功能。對于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所涉及到零部件的一些功能和特性，需要考慮到一些小的碰撞的影響是否能夠保持零件和部件的完整性，以及各零件和部件的安裝和拆卸過程是否符合空間上的要求，實(shí)現(xiàn)安裝和拆卸的便捷性，特別是對于一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對來說較小的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，在進(jìn)行安裝和部件更換時，如果想實(shí)現(xiàn)更加便利和快捷的安裝和拆卸，就需要改變其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得內(nèi)部的空間在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)局部的優(yōu)化和完善，增加其合理性，這樣更有利于零件的安裝和拆卸。

另外運(yùn)動力學(xué)中所涉及到的一些常用的傳輸工具，如皮帶、齒輪和鏈條等?？紤]到皮帶傳動的損失較大，并且損壞率也較高，所以就需要對機(jī)械結(jié)構(gòu)的內(nèi)部零件進(jìn)行充分的考慮，并在其性能達(dá)標(biāo)的前提下，對帶這種傳動方式的使用盡量減少，而是應(yīng)用一些傳動效率較高且不會損壞的零部件來進(jìn)行替換，例如齒輪等，在相應(yīng)的損壞率以及維修時間上得到更大的效益。所以在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，針對零部件安裝和更換問題，需要結(jié)合運(yùn)動力學(xué)的相關(guān)原理，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運(yùn)行方式以及功能進(jìn)行確定，充分發(fā)揮運(yùn)動力學(xué)的應(yīng)用價值。

對圖1進(jìn)行相關(guān)理論計(jì)算。

圖1 齒輪傳動結(jié)構(gòu)圖

傳動精度系數(shù)C：

C=-0.5048ln(Z)-1.44ln(m)+2.825ln(fpt)+3.32

取Z=Z1=85，fpt=8.5μm。

C≈7.4，圓整取C=7，可知動載系數(shù)KV=1。

螺旋線載荷分布系數(shù)：

其中b4為齒輪4的的齒寬，d4為齒輪4的分度圓直徑。則齒間載荷分配系數(shù)：

齒間載荷分配系數(shù)取KHα=1.3。

節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH=2.5。

彈性系數(shù)ZE=189.5。

端面重合度εα=1.644

重合度系數(shù)Zε=0.9。

螺旋角系數(shù)Zβ=1。

取嚙合系數(shù)ZB=1，ZD=1。

接觸應(yīng)力為：

=16.8 MPa ＜855 MPa

安全系數(shù)校核：

壽命系數(shù)ZNT1=ZNT2=1。

潤滑油膜影響系數(shù)ZLZVZR=0.85。

齒面工作硬化系數(shù)ZW=1。

尺寸系數(shù)ZX=1。

安全系數(shù)

2.4 對運(yùn)動力學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行核算

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)動力學(xué)應(yīng)用所涉及到的相關(guān)計(jì)算和校對是非常繁重的一個任務(wù)，整個的過程也比較復(fù)雜。所以就要求設(shè)計(jì)人員對一些相關(guān)的計(jì)算方法進(jìn)行熟練的掌握。例如在進(jìn)行PLC 編程或數(shù)控系統(tǒng)的程序編制等類似的工作時，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師就需要對程序或軟件的邏輯算法進(jìn)行熟練掌握。對于多軸聯(lián)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，在其算法的應(yīng)用上應(yīng)該考慮的因素也較多。例如一個多軸的機(jī)械手，就需要對其各個關(guān)節(jié)之間的平面移動和轉(zhuǎn)動進(jìn)行充分的考慮。例如肘關(guān)節(jié)即臂關(guān)結(jié)的靈活轉(zhuǎn)動，臂關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)在平面上的移動以及腕關(guān)節(jié)的靈活轉(zhuǎn)動，指關(guān)節(jié)的靈活動作都在考慮的范疇?？紤]這些相關(guān)因素的同時，需要對所涉及到的計(jì)算方法進(jìn)行確定，運(yùn)用運(yùn)動力學(xué)、流體力學(xué)、靜力學(xué)或者彈性力學(xué)等，對相關(guān)的零件或部件進(jìn)行精確的計(jì)算，并結(jié)合這一部件或結(jié)構(gòu)在整體的運(yùn)動過程中要承受的力和達(dá)到的效果，把這些綜合因素進(jìn)行充分的考慮，最后計(jì)算出各零件或部件之間的運(yùn)動關(guān)系以及尺寸空間。同時對于各零件之間的受力情況以及材質(zhì)所能承受的抗壓和抗熱時形變范圍都進(jìn)行充分的考量，保證所設(shè)計(jì)的零部件的使用壽命能夠達(dá)到預(yù)期。最后對零部件的各部位的形狀和尺寸進(jìn)行確定，確保在組裝和拆卸的過程中，各零件的工藝技術(shù)和參數(shù)都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。對于某款設(shè)備或機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造，需要對鐵板的材料數(shù)量進(jìn)行測算，并且對不同的加工方式以及不同的加工材質(zhì)所能承受的不同的受力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合零部件的運(yùn)行狀態(tài)以及所要實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品效果，在工藝參數(shù)和指標(biāo)均達(dá)到要求，并且最大限度地確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

伴隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國的機(jī)械制造行業(yè)的逐漸加快了發(fā)展的腳步，并且在國際上有“世界工廠”之稱。隨著科學(xué)技術(shù)以及機(jī)械行業(yè)的不斷深化改革，使得技術(shù)和科學(xué)之間形成了非常良好的融合。把運(yùn)動力學(xué)應(yīng)用在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，使得運(yùn)動力學(xué)的相關(guān)計(jì)算方法和原理為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪制、設(shè)計(jì)等提供了良好的技術(shù)支持，也對我國的機(jī)械行業(yè)的不斷轉(zhuǎn)型升級發(fā)揮著非常重要和深遠(yuǎn)的意義。