李光輝

摘 要：文章從四個(gè)方面闡述了非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，介紹了其一般設(shè)計(jì)開發(fā)流程;然后對(duì)于設(shè)計(jì)過程中計(jì)算相關(guān)的問題給出了相應(yīng)的計(jì)算原則及方法;最后對(duì)于設(shè)備中關(guān)鍵件的選型原則及方法做了詳細(xì)介紹。

關(guān)鍵詞：非標(biāo);試驗(yàn)設(shè)備;能量守恒;強(qiáng)度理論

前言

試驗(yàn)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，首件制造出來后，需在試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，來驗(yàn)證產(chǎn)品的技術(shù)性能，以及其安全可靠性。

產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展很大程度上取決于試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，其競(jìng)爭(zhēng)實(shí)際上也是試驗(yàn)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。

鑒于市場(chǎng)上產(chǎn)品的多樣性，很大部分并沒有專用的試驗(yàn)設(shè)備，因而需要根據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)的具體需求進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)。而非標(biāo)試驗(yàn)裝備就是專門設(shè)計(jì)和制造的非標(biāo)設(shè)備。

1非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

因?yàn)闆]有較為標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)開發(fā)流程，所以對(duì)于非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)比較復(fù)雜，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

1）單件小批量

非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備需要根據(jù)用戶的具體需求由相關(guān)企業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，這個(gè)特點(diǎn)就決定了非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備大多是單件或者小批量的生產(chǎn)。

2）設(shè)計(jì)難度大

非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備在設(shè)計(jì)制造過程中，不可能像標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備那樣有足夠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和完整的制造工藝工裝，以及必要的試制和試驗(yàn)，因此設(shè)計(jì)開發(fā)過程較為困難，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）缺少可直接采用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法、資料和實(shí)踐數(shù)據(jù)。

（2）缺少加工工藝裝備，制造高精度和高質(zhì)量困難。

（3）設(shè)計(jì)周期比較短，缺少完整的試驗(yàn)及改進(jìn)過程。

（4）受數(shù)量少品種多影響，材料與熱處理的選擇受制約。

3）多采用焊接結(jié)構(gòu)

由于非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備單件小批量的特點(diǎn)，設(shè)備所需的結(jié)構(gòu)件種類較多，但是數(shù)量較少，應(yīng)盡量采用焊接件來代替鑄、鍛件，可以降低制造成本和縮短制造周期。

4）可靠性要求高

設(shè)備需要長(zhǎng)期安全可靠的運(yùn)行，因此對(duì)于設(shè)備的可靠性要求極高。

2非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)流程

非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)并沒有一成不變的設(shè)計(jì)步驟。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)計(jì)流程有共同性和一定的差異。在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以根據(jù)具體情況加以變動(dòng)，其設(shè)計(jì)流程大致如圖1所示。

3相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算

1）設(shè)計(jì)計(jì)算的特殊性

非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算中，很大一部分不能直接套用現(xiàn)成的計(jì)算方法和計(jì)算公式，且設(shè)計(jì)計(jì)算的安全系數(shù)一般稍大一些，同時(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵是如何把用戶對(duì)設(shè)備的要求和所提供的數(shù)據(jù)正確變換成設(shè)計(jì)計(jì)算的參數(shù)和依據(jù)。

2）設(shè)計(jì)計(jì)算的可靠性與高效性

設(shè)計(jì)計(jì)算的可靠性一般都取決于計(jì)算的依據(jù)和方法是否正確，同時(shí)還要重視設(shè)計(jì)計(jì)算的工作效率。

對(duì)任何非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備所需功率或設(shè)備所需要的能量，都可以采用能量守恒原理來計(jì)算。

非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備的強(qiáng)度計(jì)算，通常都要依靠理論分析并結(jié)合實(shí)際要求找出可靠的計(jì)算方法，安全系數(shù)和許用應(yīng)力的選取范圍都很大。由于缺乏經(jīng)驗(yàn)往往容易出現(xiàn)零件強(qiáng)度尺寸過大或過小的問題，因此需要簡(jiǎn)便實(shí)用的計(jì)算方法：最大主應(yīng)力理論、最大線變形理論、最大剪應(yīng)力理論。

4非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備關(guān)鍵件設(shè)計(jì)選型

我公司長(zhǎng)期從事齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品的非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)，其關(guān)鍵件主要包含以下幾個(gè)部分：電機(jī)、聯(lián)軸器、軸與軸承、焊接結(jié)構(gòu)件等。

1）電機(jī)選型

影響電機(jī)選型的因素有很多，其中主要有被試產(chǎn)品的功率P、轉(zhuǎn)速n以及扭矩T，實(shí)際選型中，需要根據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)的實(shí)際需求綜合考慮上述因素：

a）電機(jī)的功率應(yīng)根據(jù)被試產(chǎn)品的額定功率來確定，電機(jī)功率應(yīng)留有余量，一般為10%-20%的余量。

b）電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量與產(chǎn)品的工作轉(zhuǎn)速相同，當(dāng)轉(zhuǎn)速很低或很高時(shí)，需要根據(jù)所使用的變速機(jī)構(gòu)特性選擇電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

c）電機(jī)的扭矩可根據(jù)公式T=9550P/n計(jì)算得出，若計(jì)算得出電機(jī)扭矩小于產(chǎn)品試驗(yàn)所需扭矩，應(yīng)相應(yīng)提高電機(jī)功率。

2）聯(lián)軸器

聯(lián)軸器用于相同轉(zhuǎn)速兩軸之間的連接，其主要功能有：

a）連接轉(zhuǎn)速相同的兩軸，傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩

b）補(bǔ)償兩軸之間的位置及角度誤差，以消除或減少其危害

c）吸收震動(dòng)，減少?zèng)_擊

聯(lián)軸器主要分為剛性和撓性聯(lián)軸器，實(shí)際選型中要根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇，應(yīng)考慮以下幾方面因素：

a）傳遞扭矩的大小。

b）工作轉(zhuǎn)速。

c）兩軸不對(duì)中大小要求。

d）可靠性及使用環(huán)境。

e）成本。

3）軸與軸承

軸是機(jī)械設(shè)備中重要的零件之一，其上安裝有各種傳動(dòng)零件，用以傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速;軸又通過軸承安裝在機(jī)架上，形成以軸為基準(zhǔn)的軸系。軸的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足合理的結(jié)構(gòu)、足夠的強(qiáng)度、必要的剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性及良好的工藝性等要求。通常設(shè)計(jì)步驟如下：

a）根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)總體布局，擬定軸上零件的布置和裝配方案;

b）選擇軸的材料;

c）初步按強(qiáng)度和剛度估算軸的直徑;

d）進(jìn)行軸系零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，校核軸鍵連接強(qiáng)度及軸承的承載能力;

e）對(duì)于重要的軸應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度的精確校核計(jì)算;

f）有必要時(shí)，校核軸的剛度及臨界轉(zhuǎn)速;

g）根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果修改設(shè)計(jì);

h）繪制軸的零件圖。

軸承作為軸的旋轉(zhuǎn)支撐部件尤為重要，軸承選擇時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：負(fù)荷大小、轉(zhuǎn)速、允許空間、調(diào)心性能、剛性、摩擦力矩與噪聲、軸向游動(dòng)、安裝拆卸、價(jià)格。

除了軸承的選型外，軸系的設(shè)計(jì)還包含軸承支撐形式的選擇，軸承支撐形式主要有以下幾種形式：

a）一端固定一端游動(dòng)：適用于旋轉(zhuǎn)精度高的長(zhǎng)軸。

b）兩端固定：適用于旋轉(zhuǎn)精度不太高的短軸。

c）兩端游動(dòng)：應(yīng)用于軸的軸向位置由其他零部件限定時(shí)，如人字齒傳動(dòng)。

4）焊接結(jié)構(gòu)件

前面講到由于非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備單件小批量的特點(diǎn)，設(shè)備所需的結(jié)構(gòu)件種類較多，但是數(shù)量較少，因此多采用痕接結(jié)構(gòu)件，其選用原則如下：

a） Wc<0.25%的低碳鋼，Wc<0.4%的低碳合金鋼焊接性能好盡量選用。

b） 強(qiáng)度等級(jí)低的低合金鋼可焊性與低碳鋼相似，但強(qiáng)度比低碳鋼高，適當(dāng)選用低合金鋼代替低碳鋼可以節(jié)省鋼材，減輕結(jié)構(gòu)重量。

c） 盡量減少異種金屬的熔焊，減少出現(xiàn)問題的復(fù)雜性，避免無法使用熔焊的方法獲得滿意接頭。

d） 盡量選用尺寸較大的原材料或型材，以減少焊縫的數(shù)量。

e） 盡量選用廉價(jià)材料，以降低成本。

結(jié)語

試驗(yàn)是產(chǎn)品研發(fā)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造后存在的問題并及時(shí)進(jìn)行修改，隨著產(chǎn)品功能集成化程度以及可靠性方面的需求不斷提高，對(duì)于非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)?zāi)芰翱煽啃砸笕找鎳?yán)格?？偠灾?，進(jìn)一步的分析非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)需求，同時(shí)進(jìn)行效率提升，從而保證其設(shè)計(jì)的精確性及高可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)及加工分析[J].初文博，劉明哲.山東工業(yè)技術(shù).2019（10）： 35

[2]淺談非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)方案的擬定及零件的合理設(shè)計(jì)[J].季平.科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2015（18）：12536D6A94A-4452-47CD-897D-50B2B247FD84