淺析機械設計與設備維護成本的關(guān)系

王大煒，李曉劍

（廣東亨通光電科技有限公司，廣東 東莞 523808）

隨著我國現(xiàn)代化程度不斷提高、人工成本不斷增加，機器代人成為一種發(fā)展趨勢。設備若想穩(wěn)定運行離不開高質(zhì)量的維護，維護意味著人工和物料成本的投入。因此，機械設計人員在設計的過程中，不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能，還得考慮設計的設備，在后期的維護成本能夠最低。在設計中，不斷學習立足實際，積極聽取客戶在使用過程中遇到的問題，不斷提高改善，降低后期的維護成本。下面將結(jié)合在工廠設備維護及設計中遇到的問題進行分析總結(jié)。

1 合理的結(jié)構(gòu)能夠降低設備故障率

1.1 載荷較大的軸，盡量做到一體化

鋼絲放線架，其主要功能是配合產(chǎn)線主動放出鋼絲。原廠家對于頂緊頭的設計部分，采用分體式結(jié)構(gòu)。該設計為轉(zhuǎn)軸與固定座之間由軸承連接，輸出端采用螺栓與頂緊頭部分連接。在使用過程，由于鋼絲盤具整體較重，且盤具與頂緊頭內(nèi)孔間存在一定的間隙，因此，在旋轉(zhuǎn)放線過程中，頂緊頭部分受到反復的交變應力沖擊易造成螺栓斷裂或松動，從而產(chǎn)生故障，甚至造成質(zhì)量事故。通過數(shù)據(jù)分析，采用分體式結(jié)構(gòu)的頂緊頭，基本上3個月左右會出現(xiàn)一次故障。出現(xiàn)故障后，往往伴隨隨著螺紋孔的破壞，需要重新更換配件或是加大孔徑重新攻絲。這樣處理，配件一般需要500元左右。而重新攻絲則會浪費2h左右的時間，造成產(chǎn)能的浪費。針對反復出現(xiàn)的故障，通過分析。由于負載較大，分體式的結(jié)構(gòu)采用螺栓連接，無法承受實際工況的沖擊應力。因此，我們針對此問題進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，直接采用一體式結(jié)構(gòu)解決該問題。在優(yōu)化為一體式結(jié)構(gòu)后，連續(xù)跟蹤2年沒有再次出現(xiàn)過相同故障。

1.2 對于軸的階梯部分要盡量避免應力集中

因為應力集中導致斷軸的案例屢見不鮮，比較容易出現(xiàn)于軸的不同直徑銜接處。為了在軸上安裝各種旋轉(zhuǎn)體而制成多數(shù)階梯部分，由于這種階梯部分存在應力集中，處理不到位容易造成斷裂。未作處理的軸連接處直接為直角，為了減輕其集中程度，需要將階梯部分的R增大到必要的界限。這樣能夠在很大的程度上減少階梯部分的斷裂故障。例如某一設備放線架驅(qū)動軸，直徑28部分與減速機相連。前期因為沒有對應力集中處進行處理，導致在短短的1個月內(nèi)連續(xù)斷軸2根。每次都是應力集中處斷裂，造成了多起質(zhì)量事故。針對此問題，通過分析后，判定為細軸與其他直徑銜接處未做處理，導致應力集中。優(yōu)化方案在原有軸整體結(jié)構(gòu)不變的基礎上，應力集中處采用R5的圓弧處理，減小應力集中程度。處理后，該軸的使用壽命大大提升，消除了斷軸隱患。

1.3 軸承座孔內(nèi)盡量不設置臺階

機械設計中，根據(jù)特定的場合經(jīng)常會用到非標準軸承座。自行設計軸承座往往會用到2個或者跟多軸承，一般我們需要考慮軸承的限位問題。其中常用的限位方式有兩種：第一，采用軸承安裝孔內(nèi)設置臺階的形式，將軸承裝入軸承座后，在軸承座端面設置端蓋即可限定軸承的自由度。第二，直接將軸承孔安裝座加工為通孔，然后在軸承座內(nèi)部加入隔圈將軸承隔開，最后在軸承座的端面設置端蓋，從而實現(xiàn)軸承的固定。以上兩種方式均可以實現(xiàn)軸承座中軸承的位置固定，在加工精度足夠高的情況下使用效果基本沒多大區(qū)別。

但是，在實際設備制造和設備維護過程，其實兩種結(jié)構(gòu)的軸承座使用效果有很大區(qū)別?？變?nèi)設置臺階結(jié)構(gòu)，在加工過程必須要進行調(diào)轉(zhuǎn)方向重新裝夾后，才能加工另一側(cè)軸承位。掉頭裝夾過程費時費力，且裝夾過程不能保證裝夾的同心度。因此，加工完成后，兩側(cè)的軸承位同心度會出現(xiàn)一定的誤差，從而影響軸承的同心度。軸裝入兩個軸承的過程會出現(xiàn)，單獨安裝一個軸承旋轉(zhuǎn)靈活，而兩個軸承同時裝入軸后，出現(xiàn)卡頓問題。這種情況針對轉(zhuǎn)動慢的機構(gòu)，影響較小。但是對于轉(zhuǎn)動速度快的機構(gòu)會因為不同心造成旋轉(zhuǎn)不靈活的問題，這時同一個軸承座的中的兩個軸承會受到軸的一個“扭力”從而導致軸承滾珠與軸承體摩擦力增大。長時間運行過程，就會出現(xiàn)軸承過熱問題。嚴重時會造成軸承卡死，從而導致整個機構(gòu)故障。

自制軸承座，軸承安裝為采用通孔形式制作，加工難度大大降低。同時由于不需要調(diào)轉(zhuǎn)方向重新裝夾，“一刀成型”能夠極大的保證兩個軸承位的同心度。對比兩種結(jié)構(gòu)，軸承座孔采用通孔結(jié)構(gòu)，為更優(yōu)方案。

2 適合的材料能夠延長配件的使用壽命

2.1 軟接觸磨損件表面采用陶瓷材料能夠延長耐磨周期

設備實際使用過程部分零件會直接與原材料產(chǎn)生摩擦（滑動摩擦），比如分線板，過線孔等工作時一直會與線狀原材料（簡稱線材）之間產(chǎn)生摩擦。雖然，分線板采用金屬材料制作，而線材為塑料。線材硬度遠遠小于分線板的硬度，但是日積月累的情況下，分線板還是會出現(xiàn)磨損。而磨損就意味著需要進行更換，嚴重的會導致線材與磨損的凹痕卡死造成的質(zhì)量事故。其實硬度和韌性之間一直都站在一個“對立面”，要求高硬度意味著要犧牲其韌性，反之亦然。有沒有一種材料，硬度高、韌性好、價格低？這對于很多設備降低維護成本就成為了重中之重。通過反復試驗綜合考量成本的基礎上，分線板主體部分采用鋁合金加工，然后在其過線孔處鑲嵌99陶瓷孔，成為最優(yōu)方案。通過該方案處理后，分線板這一配件的耐磨性將極大的提升，瓷孔使用2年基本上都看不到磨損痕跡。即使出現(xiàn)磨損，也只需要有針對性的對單個陶瓷孔進行更換。因為陶瓷孔屬于標準件，單價約為1元左右，所以能夠大大的降低設備的維護成本。后通過長時間的驗證對比，陶瓷材料相對于金屬在耐磨性上有著絕對性的優(yōu)勢。無論是孔、桿、圈等會與物體產(chǎn)生小應力摩擦的場景，都可以采用“金屬+陶瓷”的組合形式來一勞永逸的解決問題。

2.2 懂得“舍卒保車”能夠大大的降低維護難度

合理的選用材料，以及選擇合適的材料組合形式，能夠大大降低維護難度。而在機械設計上，我們也會對不同零件的使用壽命做出取舍。比如梯形絲桿與螺母，設計過程中，螺母的更換難度和加工難度相對較低。因此，我們會采用黃銅來制作螺母，以犧牲銅螺母的形式來延長絲桿的使用壽命。又如直流電機的換向器與碳刷之間的關(guān)系，直流電機的換向器與轉(zhuǎn)子相連，其出現(xiàn)故障后，更換和維修的難度和成本相當?shù)母?；而碳刷為標準件，價格便宜，且更換起來較為方便。因此，電機設計師采用了二者組合的形式來降低維護難度和成本?？偟膩碚f，機械設計的“舍卒保車”更多的是壽命、性能、制造成本之間的平衡和最優(yōu)解。

3 合理的設備制造成本能夠減少后期維護成本

3.1 選用性價比高的配件能夠降低維護成本

設備后期的維護費用高低，其實與設備本身制造成本也有一定的關(guān)系。設備制造過程奠定其“基因”，“基因”的好壞能夠決定設備“存活”的壽命。從狹義的角度來講，設備制造過程中選用的配件質(zhì)量越好，設備后期使用過程出現(xiàn)故障的幾率越低。但是，設備制造過程不可能不考慮成本，畢竟設備公司不僅需要訂單也需要盈利。因此配件的質(zhì)量與成本之間我們需要找到一個最優(yōu)解--性價比最高。進口的配件不一定就是最好的，如果國產(chǎn)質(zhì)量過關(guān)的情況下盡可能多的選用國產(chǎn)品牌有利于降低制造成本。并且，后期如果出現(xiàn)問題，國產(chǎn)配件的價格和購買難度相對于進口品牌有著明顯的優(yōu)勢。

3.2 盡可能多的使用標準件來降低制造和維護成本

“標準件是指結(jié)構(gòu)、尺寸、畫法、標記等各個方面已經(jīng)完全標準化,并由專業(yè)廠生產(chǎn)的常用的零(部)件,如螺紋件、鍵、銷、滾動軸承等等。標準件的生產(chǎn)具有批量性的特點，在大批量的制造背景下，往往實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。因此，單件的生產(chǎn)成本能夠大大的降低。機械設計人員在設計中在條件允許的情況下，盡可能多的使用標準件，從而減少非標件的使用?？梢越档驮O備的制造成本，同時也可以降低設備使用客戶的維護成本。

4 結(jié)語

以上是關(guān)于機械設計與設備維護成本關(guān)系的幾條重要因素的分析內(nèi)容。科技的不斷發(fā)展，社會的不斷進步，各種機器設備的應用越來越豐富是必然的趨勢。因此，降低設備后期維護成本是設備機械研發(fā)、維護人員需要重點考慮的內(nèi)容，機械設計人員同時也要不斷探索新的技術(shù)從而實現(xiàn)并達到降本目的。隨著“工匠精神”的不斷發(fā)揚，相信未來的設備競爭力不僅僅在于價格的低廉，更在于設備本身的品質(zhì)以及在設備的全生命周期里具有優(yōu)越的超高性價比。