探究机械结构设计中的创新设计

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獬辘探究机械结构设计中的创新设计蔡逸夫广州中车轨道交通装备股份有限公司 510285摘要本文主要探讨了机械结构设计中采用变元法的创新设计，其中讲述了七种不同类型变元方法；同时，结合实际结构设计论述或举例说明结构设计中的创新方案。

关键调l创新设计；机械结构设计；变元法机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，确定并绘出具体的结构图，以体现所要求的功能。是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件，具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时，还需考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。本文主要介绍变元法在机械结构创新优化设计中的运用，并结合实际结构设计论述或举例说明结构设计中的创新方案。

1 变元法变元法源于德国，是用于机械产品结构设计的-种富有创造性内涵的新方法[1。采用该方法来开展产品结构设计工作前，需要明确基本结构内容，并在基本结构确定前提下研发新型结构方案。变元法的内涵有两个：(1)定义产品结构中的变元内容，主要包括七个：①材料；②数量t③位置；④尺寸，⑤形状，⑥联接；7-艺；(2)将这些变元进行适当改变调整，然后构造出不同类型结构方案，达到优化设计目的。

1.1材料变元机械设计中可以选择的材料很多，不同的材料对应不用的加工工艺，结构类型，零件尺寸。通过调整材料变元可以创新性制定不同结构方案 例如：在运用钢材料的结构设计中，通常加大零件的截面尺寸以增加结构的强度和刚度·而在铸铁的结构设计中，则是通过加强筋和隔板的方法加强结构的刚度和强度-塑料材料的结构设计中，塑料件的筋板与壁厚相近并均匀对称。

1.2数量变元产品结构中存在的基本元素包括加工面和工作面，轮廓面和轮廓线，零件本身∩以对结构中具有的基本元素数量进行调整、改变以达到改变机械结构的目的。例如：铸件结构形状力求简单，在可能情况下尽量采用直线形的轮廓。在螺纹连接结构中，为防止螺钉松脱，往往需要螺钉与弹簧垫圈同时安装使用，但也可以把螺钉设计成将螺钉、垫圈和弹簧垫圈的功能集成为-体的在螺钉头安装接触面带有防松措施的防松螺钉，既减少零件数量又方便装配。

1.3位置变元对产品结构中各个元素间的对应位置进行适当改变，可以获得结构设计的优化。例如：在安排零件的焊缝位置时，焊缝应相对构件中性轴，或靠近中性轴，以减少收缩力矩或弯曲变形。另外，在有限空间箱体中装配若干零件，零件摆放位置不同也会影响装配操作的操作性。

1.4尺寸变元其中尺寸变元内容有角度、长度以及距离等内容，调整构件、零件尺寸大小能起到改变整体结构的效果。例如：在冷冲压弯曲工艺中，由于材料的弹性变形，弯曲件如果严格要求某角度，则需要在弯曲件成形后，再附加整形工序修复工件，弯曲件如果增加弯曲角度A 0，允许2。-3。变形，弯曲后不需整形。

1.5形状变元通过调整结构零件表面及整体形状、整体轮廓以及零件规格、零件类型，也能实现改变机械整体结构的目的。例如：要实现用弹簧产生的(弹)压紧力压紧某零件，使其保持确定位置。设计时可以选择的弹簧类型有拉簧、压簧、扭簧、板簧，被压紧的零件形状可以有平面、圆柱面、球面、螺旋面，通过对这些因素的组合可以得到多种方案。其中压簧的压缩距离不应过大，否则容易引起弹簧的失稳 ，如确需要使用较大的压缩距离则应设置导向结构，拉簧因无失稳问题，设计中受空间约束较小，即可单独使用，也可以与摇杆及绳索等配合使用。

1.6分析连接变元其包含2层意思：①联接方法，其中包括焊接方式、胶接方式还有铆接、螺纹联接等·⑦每种连接方法均有几种不同联接结构，因此可以将联接结构及方式进行调整或是改变之后获得多种结构类型。例如：对于需要经常拆卸的零部件结构，不但应使连接可靠，还应使拆卸操作尽量方便。这方面的结构在我们生活经成见，如玩具产品中经常使用卡扣与螺钉相结合的安装方法，而手机产品的机盖设计成快速连接拆装结构，方便用户操作。

1.7分析工艺变元工艺的不同也会对结构设计产生重大影响，因为各个设备零件在制造过程中选用工艺不同，制造成本差异以及性能、质量差异都会影响产品整体结构。因此在拟定机械零件的工艺规程时，应该充分研究零件图纸，对其进行分析，审查零件的结构工艺是否良好、合理，并提出相应的修改意见。当前，由于加工工艺、转配工艺 (自动化程度)的不断提高，如机械人、机械手的推广应用，出现了不少适合于新条件的新结构，与传统的机械加工有较大的差别，这些工艺应该给予注意与研究。

2.机械结构优化设计以及变元法运用对于每-个结构设计方案的评价，应该综合考虑结构方案中的社会效益、结构系统可行性、工艺性以及技术经济相关指标要求等内容。

然后从各个备厌构方案中挑出最优的结构方案。在机械结构方案已经确定的情况下，也可以对关键构件或零件构进行不同变元的分析，以及变元之间联动配合修改，已达到优化设计目的。另外，也可以建议-些数学模型，因为数学模型可以很好描述结构设计中的尺寸和数量变(图-)早期出现的转盘结构图纸l i l!- i(>.>下转第350页)科技专论出口减压阀可以满足用户对热介质油温度和压力的需求，但是同样存在泵的压力和流量的平衡问题。在EDP的换热器的出口处各有-个温控阀，其功能是通过调节换热器内部热介质油的流量来控制换热器内部原油的温度。而为了平衡热介质油出口压力，出口压力调节阀的作用也是通过截留来降低出口压力。因此，两个对流量进行调节的阀门很有可能因为其中-个的阀位改变而产生连锁反应，影响整个管线的压力及流量稳定。

还有-种方法可以不用在出口处对压力进行调节即可达到减压的目的，即改变热介质油出口管线的连接位置，使其直接与膨胀罐相连。

具体的作用方式为：带压的液体进入膨胀罐，会受到受压力作用，向外膨胀。液体会将压力集中释放于能够产生形变，即膨胀的方向上。液压系统就是利用这样的原理来通过液体传递压力。但是由于液体在理论上是不可压缩的，-旦有体积改变的趋势，则原有的压力会立刻释放掉。

介于这样的原理，由于膨胀罐内的氮封气体可以被压缩，因此带压的液体到了膨胀罐后压力会立刻被释放掉，只保留与氮封压力平衡的相应压力。由此带来的对膨胀罐内氮气的及其细微的压缩量又会由于热介质泵将膨胀罐内液体抽吸出去而恢复。

因此，可以认为膨胀罐具备将整个系统中热介质油残余压力全部释放掉的能力。所以，如果将热介质管线的出口处直接与膨胀罐相连或者在靠近膨胀罐入口处附近连接EDP热油出口管线，就可以完美的解决并联的不同管线压力差带来的对整个流程的影响。

4.结论热介质油作为-种高效的加热方式，不管在安全性上还是在对原油的加热效率及温度控制上都是其他方法所不能比拟的。保证热介质系统的正常运转并且满足各个用户对热介质油的要求对于保障整个油田的产量任务具有重大意义。

该项目采取单独加设热介质油增压管线并且将出口直接与膨胀罐相连的改造方案无论从经济角度，实用性角度及对整个流程改造的幅度上来讲，都是解决热介质系统增压与整个热介质系统平衡问题的最佳方案。

(> 上接第348页)元，还可以对材料变元进行间接描述 (但是很难描述其他变元类型 )。

按照机械产品不同要求和特征，综合运用不同变元，结合设计者掌握的经验及知识能力，通过发挥创造性思维，构造出不同机械结构。例如以下转盘结构。

在这三个结构图中，如果将结构设计方案l(图-)中的调整锥齿轮间和主轴承两者位置，及通过调整位置变元，然后再调整水平轴方向上的左轴承形状，也就是通过改变形状变元之后获得了结构设计方案2(如图二)。如果改变方案1中的主轴承和齿轮的尺寸大型个数，及通过调整两者的数量变元、尺寸变元，于此同时，在调整齿轮构件和轴承构件的位置，及改变位置变元，就可以获得结构方案3(图三)所以，上述3种不同类型的转盘结构方案均可以利用变元法很好的实现，若进-步采用变元法也可以实现多种不同的结构设计方案。通过对比这3种结构方案，综合分析社会效益、成本需要、可行性以及制造工艺过程等方面内容，可以获得方案2是最优结构组合。-个机械结构方案的整体评价，都要经过实际使用效果来作为最总检验的事实依据。若对转盘结构模型中欧的齿轮构件作进-步可行性设计以及优化设计，并对滚动轴承以及齿轮运行进行弹性流体压润滑分析，然后进行精密计算，都可以为优化转盘结构设计提供大量参考数据。

3 结束语深入研究机械创新结构设计具有重要的现实意义。想要逐步实现结构创新设计，不仅要求设计者拥有扎实的专业知识、技术知识，还要不断提高敏锐的问题分析能力、以及创新思维能力。变元法在设计中的运用可以衍生出很多种结构，为机械设计者最终选择优化方案提供了--种创新工具。在明确设备功能或是零件基本作用的基础上，如何将现代机械结构设计方法灵活运用，并实现各个构件零件的最优组合，以便满足机械系统要求，这是当前工程设计工作采用的主要手段。创新设计属于先进技术范畴理论，在机械机构设计过程中利用创新设计理念能帮助构造出多种结构方案，从而寻找出最优结构设计。这不仅为促进了企业自身发展，在另个层面上也推动了社会不断发展。