機械結(jié)構設計常見問題及改善措施

張京葉

（山東豪邁機械有限公司，山東濰坊 261500）

0.引言

機械產(chǎn)品是社會經(jīng)濟發(fā)展的主要動力設備，其機械結(jié)構設計的改善，對于機械生產(chǎn)效能的提升有著重要意義。目前，機械產(chǎn)品的技術集成度高，應用了大量的新技術、新材料，向著大型化、精密化、精細化方向發(fā)展，對于機械結(jié)構設計來說無疑是一項巨大的挑戰(zhàn)。但在機械結(jié)構設計中存在的常見問題，影響到結(jié)構設計的品質(zhì)，甚至埋下生產(chǎn)與使用中的諸多隱患，需要在結(jié)構設計階段進行妥善的處理，以彌補結(jié)構設計中的不足。

1.在機械結(jié)構設計中比較常見的問題

機械結(jié)構設計是機械產(chǎn)品制造的基礎，占用機械整體設計時間甚至超過了80%，即使在嚴格設計質(zhì)控的情況下，機械結(jié)構設計仍然會出現(xiàn)一些常見的問題，需要在實際設計過程中予以高度的關注以及采用針對性的解決方案[1]。

1.1 常見的溫度問題

制造機械設備的原材料在空氣環(huán)境下，受到熱脹冷縮的影響，導致機械結(jié)構中構件尺寸發(fā)生一定的變化，尤其是大體積的構件表現(xiàn)更加明顯，比如構件的長度增加，整體體積變大等，需在機械結(jié)構設計階段充分考慮機械產(chǎn)品在冷熱溫度下的體積變化。但是在實際的機械結(jié)構設計中，由于溫度對設計效果無任何的影響，使得設計階段針對溫度問題考慮不夠充分，進而埋下了機械產(chǎn)品投入使用后的故障隱患。為了解決這一問題，設計人員在機械結(jié)構設計階段，需給構件預留一定的尺寸空間，使其在溫度過低和過熱的情況下，可以有充足的伸縮空間，維持機械設備的正常運行，例如，在機械產(chǎn)品底座設計中，采用移動設計取代固定設計，從而消除和解決機械產(chǎn)品使用過程中的溫度影響，提高結(jié)構設計的品質(zhì)。

1.2 常見的軸承結(jié)構問題

軸承結(jié)構是機械結(jié)構設計中非常重要且使用頻率較高的設計要素，實際設計中應用的軸承結(jié)構類型非常多，比如滑動軸承，使用耐磨材料制造，沒有滾動體，適用于低速、輕載，或是難以維護的機械轉(zhuǎn)動部位。還有滾動軸承，有向心軸承、推力軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承，以及單列軸承、雙列軸承、多列軸承，按照大小分類的微型、小型、中型、大型等軸承。不同類型的軸承之間存在著較大的差異，滑動軸承無內(nèi)外圈，結(jié)構間隙較大，而滾動軸承結(jié)構由套圈、滾動體、保持架組成，結(jié)構的間隙較小。此外，軸承為機械產(chǎn)品的消耗構件，在使用過程中會逐漸磨損，如果磨損過大，則易引起軸心偏移，不利于機械的正常運行。為了解決這一問題，在設計中應盡量選用密封結(jié)構的軸承，以減少軸承磨損導致的機械故障。

1.3 傳動結(jié)構設計存在問題

傳動結(jié)構是促使機械動作的構件，具有傳遞機械動力的功能。目前，在機械結(jié)構設計中應用較多的是帶傳動或是鏈傳動，這2種傳動結(jié)構設計的關鍵是結(jié)構的受力，比如整個帶傳動結(jié)構在運行過程中受力不同，受力大的位置柔性帶的張緊力大、下垂的角度小。受力小的位置張緊力小則角度大，在實際設計中需重點關注這一問題。鏈傳動結(jié)構也存在受力不同的情況，受力表現(xiàn)正好與帶傳動相反。以鏈條為例，如果在設計中未充分考慮到受力問題，整個鏈條受力不均衡，在傳動過程中發(fā)生跳齒或脫鏈的概率較大，并且增加鏈條磨損程度，提高鏈條拉斷的概率。

1.4 高速旋轉(zhuǎn)體設計問題

高速旋轉(zhuǎn)體在機械結(jié)構中運行速度較快，也是機械結(jié)構設計中比較容易出現(xiàn)問題的方面，通常在設計中遵循著高速旋轉(zhuǎn)軸的連軸器螺栓頭部，以及螺母在設計時需要超過法蘭面的原則。但是高速旋轉(zhuǎn)體在高速運行過程中會形成大的氣流，結(jié)構設計出現(xiàn)失誤會形成較大的安全風險，對機械產(chǎn)品的運行產(chǎn)生不良的影響。對高速旋轉(zhuǎn)體結(jié)構設計時，可在其端口位置設計防護裝置，阻攔高速旋轉(zhuǎn)體運行產(chǎn)生的強大氣流，避免氣流對機械結(jié)構中其他零部件的不良影響。

2.改善與優(yōu)化機械結(jié)構設計的措施

2.1 圍繞使用功能開展設計

（1）改善功能設計。機械結(jié)構設計的前提是明確用戶對于使用功能的要求，圍繞功能開展設計，以實現(xiàn)設計與用戶需求的一致性。因此，在實際的結(jié)構設計中，應以使用功能為設計的指導，理清功能設計的思路，從機械結(jié)構整體上進行設計的考慮，并從設計的細節(jié)入手，合理規(guī)劃結(jié)構設計，準確計算出各個構件的受力，協(xié)調(diào)各個零部件、構件之間的關系，完全滿足用戶對于使用功能的需要，最終實現(xiàn)結(jié)構設計創(chuàng)造更大的經(jīng)濟價值與生產(chǎn)效益。此外，還需提高機械設計的附加經(jīng)濟價值，在功能性滿足用戶需求后，應注重機械結(jié)構使用安全性與操作簡便性的設計，機械結(jié)構是由各種各樣的零部件組裝而成，每個零部件在機械結(jié)構中都有著自己的實際用途，通過巧妙的組合排列進行機械功能的優(yōu)化調(diào)整，以獲取到最佳的功能，需在結(jié)構設計中進行零部件安裝位置和安裝方式的不斷調(diào)試、仿真模擬，使零件與安裝位置高度貼合，提升整個結(jié)構各個零部件的協(xié)調(diào)性，實現(xiàn)機械功能設計的深化[2]。（2）優(yōu)化功能配置設計。功能是機械結(jié)構設計的核心，影響著機械結(jié)構設計的效果。在改善使用功能設計的同時，需將功能在機械結(jié)構中進行合理的配置，將機械的各項功能進行分解，并分配給結(jié)構中的各個零部件，由各個零部件之間的協(xié)調(diào)配合以實現(xiàn)機械設備對于功能性的要求。也就是說通過功能的逐一分配，使眾多零部件合理組合，相互協(xié)調(diào)配合聯(lián)動，達到功能配置優(yōu)化設計的目的。在功能配置設計中，應從整體結(jié)構入手，將功能配置在最小零件單元的同時，由多個結(jié)構負責一個功能，采用創(chuàng)新設計理念，減少單個零部件的運行壓力，平衡整體結(jié)構的荷載，減少單個零件或構件的消耗程度，延長機械產(chǎn)品的生命周期。

2.2 優(yōu)化機械外形設計

機械產(chǎn)品在完善功能性的同時，還需注重其外形設計的優(yōu)化。機械產(chǎn)品的外形決定著能否聚焦用戶的視覺，建立起機械產(chǎn)品在用戶心中的形象，左右著用戶的購買行為。所以，外形設計的優(yōu)化是機械結(jié)構設計的關鍵，同時機械外形對于使用的舒適性也有著一定的影響。外形設計主要涉及機械結(jié)構的形狀、尺寸、美感等3個方面，通過外形設計的優(yōu)化，進行結(jié)構零部件的優(yōu)化配置，使用最少的零部件及最小的成本設計整個機械結(jié)構，達到提高機械結(jié)構設計經(jīng)濟性的目的。具體措施有如下2點[3]：

（1）零部件數(shù)量的合理控制與優(yōu)化配置，對設計機械結(jié)構所使用的零部件進行綜合性的測評，包括使用的功能性參數(shù)，在機械運行過程中零部件的使用頻率。（2）進行綜合測評數(shù)據(jù)的整理，明確結(jié)構中各個零部件的應用情況，將其中應用表現(xiàn)差的零部件去除，選擇性能更好的零部件替代，提高整個機械結(jié)構設計的品質(zhì)，最終獲取最佳性價比的結(jié)構設計。

2.3 選用合適的材料

機械產(chǎn)品在運行過程中，其結(jié)構中的零部件處于持續(xù)消耗狀態(tài)，不同位置的構件消耗情況不同，比如軸承的日常消耗較大，應在結(jié)構設計中根據(jù)構件的位置與功能注重其制造材料強度與剛度的選用，以保證構件設計的可靠性。機械結(jié)構設計中構件材料的選用非常關鍵，如果材料強度與剛度選用不當，機械運行過程中荷載一旦超出了構件承受范圍，容易引起變形、斷裂等問題，由此導致機械設備運行故障，直接挫傷用戶的使用體驗，甚至產(chǎn)生不必要的糾紛。在材料選用時需要做好以下幾點：

（1）在結(jié)構設計中，根據(jù)機械產(chǎn)品的使用年限，構件在結(jié)構中的位置、實際用途，以及機械的功能性等，精確計算每個零部件所要承擔的荷載參數(shù)。（2）確定選用的材料后進行實踐驗證，對選用的材料開展實驗室檢測，確定材料的最大承載能力是否在計算荷載最大值的范圍內(nèi)。（3）在確定選用材料無問題后，根據(jù)構件材料的強度、剛度以及其他特性指標進行其相關變量的設計調(diào)整，實現(xiàn)構件設計整體的改善與優(yōu)化。

2.4 設計與生產(chǎn)工藝對接

機械結(jié)構設計最終將由生產(chǎn)制造得以實現(xiàn)價值。為了提高機械結(jié)構設計的可行性，在設計階段進行機械產(chǎn)品生產(chǎn)制造工藝的改善，規(guī)避生產(chǎn)風險，提高生產(chǎn)的質(zhì)效。從機械產(chǎn)品生產(chǎn)制造本身來看，不同企業(yè)的生產(chǎn)制造工藝、自動化水平有著較大的差異，并且采用不同的質(zhì)控標準與工藝流程。在機械結(jié)構設計中，根據(jù)生產(chǎn)實際采用成熟的科學技術并在設計階段進行實驗驗證，以及在應用新技術與新材料進行設計創(chuàng)新中，要結(jié)合企業(yè)的生產(chǎn)制造條件與水平，進行設計的可行性論證，在對接生產(chǎn)工藝的同時，對生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化調(diào)整，以保證機械結(jié)構設計順利地轉(zhuǎn)化為成果。

2.5 踐行綠色節(jié)能設計理念

機械產(chǎn)品無論是在生產(chǎn)制造過程中還是在投入使用后，都會涉及能源消耗與污染問題。在設計階段充分運用綠色節(jié)能設計理念，提高機械結(jié)構設計的環(huán)保性能，以實現(xiàn)設計理念的升華。綠色節(jié)能是各行各業(yè)發(fā)展的主要方向，在機械結(jié)構設計原材料的選用中，可采用新型環(huán)保材料，或者在零部件設計中融入綠色環(huán)保理念，采用節(jié)能新技術踐行環(huán)保設計，在確保功能的基礎上盡量減少零部件的使用數(shù)量，或者是在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)采用綠色節(jié)能的生產(chǎn)設計等以提高生產(chǎn)原材料的利用率，減少生產(chǎn)上的資源消耗，提升機械結(jié)構設計的節(jié)能環(huán)保水平，為機械制造的綠色節(jié)能生產(chǎn)貢獻最大的設計力量。

3.機械結(jié)構設計中需注意的要點

3.1 重點關注用戶需求

機械結(jié)構設計的主要目的是實現(xiàn)機械產(chǎn)品的功能性，而用戶的需求則是設計開展的前提。為了保證機械結(jié)構設計與用戶需求的一致性，在結(jié)構設計之前應深入市場開展實地調(diào)查，評估設計機械產(chǎn)品的市場發(fā)展趨勢，廣泛征求用戶建議，重點關注用戶需求，并以超前設計、實用性設計為方向提高機械產(chǎn)品的功能性，實現(xiàn)機械結(jié)構設計最大化的經(jīng)濟價值。

3.2 嚴把設計質(zhì)量關

機械結(jié)構設計直接決定著機械產(chǎn)品功能性與使用價值，一般在設計中遵循的是穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性，以及剛度、強度等要求，最大限度地提高使用性能。此外，機械產(chǎn)品對于使用的安全性，操作的簡便性，以及生產(chǎn)可操作性等都有著較高的設計要求。在機械結(jié)構設計中，要選擇好制造機械的原材料，并出于生產(chǎn)制造、使用性能、生產(chǎn)工藝等多方面的考慮，對機械結(jié)構設計進行細節(jié)性、精致化的質(zhì)量把關，動態(tài)化質(zhì)控設計全過程，實現(xiàn)設計各個環(huán)節(jié)與生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的對接，持續(xù)地優(yōu)化與深化設計，提前規(guī)避和解決機械結(jié)構設計生產(chǎn)實施過程中的各項問題，從而全面提高設計的可行性[4]。

3.3 加強設計創(chuàng)新

創(chuàng)新一直以來是機械結(jié)構設計領域的主旋律。一方面，功能性創(chuàng)新。設計在滿足用戶需求的基礎上，根據(jù)當下機械產(chǎn)品自動化、智能化、智慧化發(fā)展的趨勢融入最前沿的設計理論與設計思想，采用新型環(huán)保材料，融入柔性設計理念，進行功能設計的調(diào)整，提升設計的裝配性與功能性。另一方面，設計創(chuàng)新。機械結(jié)構的設計水平將直接體現(xiàn)在最終的機械產(chǎn)品上，一個高水平的設計可構建產(chǎn)品的核心競爭。因此，機械結(jié)構設計需始終圍繞設計創(chuàng)新開展，不僅要學習借鑒同行的設計理念和設計思想，還需積極引進國外的先進技術，整合當下機械結(jié)構設計的資源，進行創(chuàng)造性、創(chuàng)新性的設計，從而獲取最優(yōu)的設計成果。

3.4 突顯智能化設計

智能化是機械產(chǎn)品未來發(fā)展的方向，現(xiàn)階段，很多行業(yè)已經(jīng)使用了智能機器人，比如，演奏機器人、巡線機器人、手術機器人、焊接機器人等，尤其是生產(chǎn)制造行業(yè)，構建了自動化、智能生產(chǎn)線，打造智慧車間，借助機器視覺實現(xiàn)生產(chǎn)的精準操作，極大地提高了生產(chǎn)制造的質(zhì)量與效率。機械結(jié)構應著重突顯智能化設計，采用智能化模擬軟件進行機械結(jié)構各個部分的仿真模擬與調(diào)試，以增強設計的精度。在設計階段進行機械結(jié)構零部件的裝配模擬，促進設計與生產(chǎn)實際的相適應，把控好設計的各項細節(jié)，同時聯(lián)合運用虛擬設計、有限元分析等，及時解決結(jié)構設計不匹配的問題，提高設計的智能化水平。

4.結(jié)語

機械結(jié)構設計質(zhì)量決定著機械的生產(chǎn)品質(zhì)、使用的功能性與安全性，對于其經(jīng)濟價值的實現(xiàn)有著直接的影響，其在機械生產(chǎn)制造中占據(jù)著主要地位。在機械結(jié)構設計中，應從機械結(jié)構整體設計入手，結(jié)合設計中常見的問題，按照用戶的實際需求進行功能與外形的完善設計，優(yōu)化配置功能，并與生產(chǎn)工藝進行對接，嚴把原材料的選用質(zhì)量關，以持續(xù)改善機械結(jié)構設計，全面提高機械結(jié)構設計的品質(zhì)。