肖敬偉

(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)分院，吉林長(zhǎng)春 130033)

近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)生了翻天覆地變化，正在向著智能化、集成化、便捷化、網(wǎng)絡(luò)化迅速發(fā)展。一般而言，機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)具有實(shí)用價(jià)值，能夠滿(mǎn)足社會(huì)的某種需求;設(shè)計(jì)是一項(xiàng)創(chuàng)造性活動(dòng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要么是自己設(shè)計(jì)出一個(gè)全新的產(chǎn)品，要么是對(duì)原有產(chǎn)品的改造;設(shè)計(jì)的產(chǎn)品最終要用于實(shí)際生產(chǎn)，使產(chǎn)品在現(xiàn)有條件下具有良好的工藝性;能夠生產(chǎn)出來(lái)還并非結(jié)束，產(chǎn)品還應(yīng)具有競(jìng)爭(zhēng)力，能夠占領(lǐng)一定的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。

就鉆機(jī)設(shè)計(jì)而言，隨著時(shí)代的發(fā)展，新方法、新技術(shù)的涌現(xiàn)，鉆機(jī)已有不少設(shè)計(jì)方法。通常有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、可靠性設(shè)計(jì)、有限元方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模糊設(shè)計(jì)、人機(jī)工程設(shè)計(jì)等。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要憑借長(zhǎng)期積累下來(lái)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，例如：通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立的表格、圖形，基于生產(chǎn)實(shí)際建立的經(jīng)驗(yàn)公式等，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行條件性、類(lèi)比性設(shè)計(jì)。因此傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有較大的局限性［1］。類(lèi)比性設(shè)計(jì)時(shí)，在未進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)確定了產(chǎn)品的大致結(jié)構(gòu)，這樣不利于充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力，很難得到新穎的設(shè)計(jì)方案。

對(duì)于零部件，只能通過(guò)對(duì)比運(yùn)用近似的經(jīng)驗(yàn)公式，做些簡(jiǎn)單的靜力學(xué)分析。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮了產(chǎn)品、零件的功能，缺乏對(duì)人機(jī)工程、對(duì)環(huán)境影響的考慮。雖然傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有較大的局限性，但一直在不斷地改進(jìn)，目前仍不失為一種比較常用的設(shè)計(jì)方法。

2 可靠性設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)是在二次大戰(zhàn)中，因?yàn)樘幚黼娮赢a(chǎn)品不可靠問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的。它是一種保證機(jī)械及其零部件滿(mǎn)足給定的可靠度的設(shè)計(jì)方法。它基于的理論是，在設(shè)計(jì)過(guò)程遇到的設(shè)計(jì)變量，如壽命、強(qiáng)度和載荷等都是隨機(jī)變量，遵從一定的概率分布。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)采取簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、余度設(shè)計(jì)和可維修性設(shè)計(jì)等措施，來(lái)可以提高系統(tǒng)的可靠性［2］。

可靠性設(shè)計(jì)需要大量的樣本來(lái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以得到統(tǒng)計(jì)變量的分布類(lèi)型。顯然，這種方法比較接近于生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)會(huì)比較合理，但是要得到好的結(jié)果，必須要有較好的數(shù)據(jù)庫(kù)。就目前情況來(lái)看，可靠性設(shè)計(jì)的工程數(shù)據(jù)庫(kù)還有待于進(jìn)一步完善。相信日后可靠性設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。

3 有限元

有限元法是力學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是力學(xué)學(xué)科在計(jì)算機(jī)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的一個(gè)代表性標(biāo)志。有限元法借助于矩陣分析求解聯(lián)立代數(shù)方程組，是解決工程問(wèn)題的十分有效的數(shù)值分析與計(jì)算方法。它利用單元的力學(xué)特性，把一個(gè)復(fù)雜的連續(xù)體離散成有限個(gè)單元體的組合結(jié)構(gòu)［3］?？梢赃M(jìn)行復(fù)雜零件的靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、振動(dòng)分析等，是現(xiàn)代進(jìn)行設(shè)計(jì)的一個(gè)非常有效的手段。

例如，在分析齒輪工作時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，可將齒輪截面分割，看成是由許多小三角形組成的。三角形之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連來(lái)傳遞求解信息。這樣就可以用有限個(gè)單元組合而成的結(jié)構(gòu)近似代替原來(lái)的齒輪結(jié)構(gòu)［4］。

根據(jù)推導(dǎo)方法不同，有限元法可以分為三大類(lèi)型：(1)直接剛度法。通過(guò)單元的物理意義，直接建立單元性質(zhì)方程，方程用有關(guān)場(chǎng)變量表示，例如可以根據(jù)虛功原理，將單元方程集合形成控制方程，該方法推導(dǎo)簡(jiǎn)單，便于理解(例如流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等)。(2)變分法。該方法直接求解泛函極值問(wèn)題，將其規(guī)劃為線(xiàn)性方程組，進(jìn)而求其近似解的一種計(jì)算方法。它引入了離散化的概念，簡(jiǎn)單的形狀集合就可以表示復(fù)雜的求解域，解決實(shí)際過(guò)程中的各類(lèi)復(fù)雜問(wèn)題。(3)加權(quán)余量法。有些問(wèn)題，泛函難以找到或者不存在，此時(shí)必須用加權(quán)余量法。該方法直接利用控制方程得到有限單元方程，是一種近似解法。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是在滿(mǎn)足一定約束條件的前提下，尋找一組設(shè)計(jì)參數(shù)，使機(jī)械產(chǎn)品單項(xiàng)或多項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的過(guò)程。首先要根據(jù)以前學(xué)過(guò)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)確立設(shè)計(jì)過(guò)程限制條件和要達(dá)到的目標(biāo)，找到各個(gè)設(shè)計(jì)變量之間的相互關(guān)系，并且建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。然后對(duì)這個(gè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解(應(yīng)用優(yōu)化理論，設(shè)計(jì)優(yōu)化程序，以計(jì)算機(jī)作為工具得到最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù))。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中開(kāi)展最早的是機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在這方面有很多成功實(shí)例，如：平面連桿機(jī)構(gòu)、空間連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)及組合機(jī)構(gòu)等。

目前，在國(guó)內(nèi)對(duì)零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，例如具有最佳承載能力的非漸開(kāi)線(xiàn)齒輪副的設(shè)計(jì)［5］。在國(guó)外也推出了不少具有優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊的軟件，例如國(guó)際通用大型有限元軟件ANSYS和數(shù)字化功能樣機(jī)軟件ADAMS都可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。值得強(qiáng)調(diào)的是科學(xué)計(jì)算軟件MATLAB，它附帶的優(yōu)化工具箱包含一系列的優(yōu)化算法和模塊。像約束性最小二乘優(yōu)化、約束非線(xiàn)性和無(wú)約束非線(xiàn)性極小值問(wèn)題都可以得到解決。

近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計(jì)已在機(jī)械、航空、電機(jī)、石油、化工、建筑等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益。

5 模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)就是將產(chǎn)品不同要素進(jìn)行組合，劃分成一個(gè)一個(gè)的模塊，然后根據(jù)市場(chǎng)需求，將不同的模塊進(jìn)行組合，生產(chǎn)出滿(mǎn)足要求的產(chǎn)品。模塊化設(shè)計(jì)是一種大批量條件下，進(jìn)行單件生產(chǎn)的非常有效的方法。模塊化設(shè)計(jì)可使生產(chǎn)的產(chǎn)品形成系列化，能夠快速應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求的變化，提高競(jìng)爭(zhēng)力，并可以縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。劃分出來(lái)的模塊應(yīng)具有以下3個(gè)特征：各模塊之間是相互獨(dú)立的，能夠單獨(dú)對(duì)它們進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、修改和存儲(chǔ)，有利于不同的企業(yè)和專(zhuān)業(yè)之間進(jìn)行獨(dú)立的生產(chǎn)。模塊接口、參數(shù)等應(yīng)盡量實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化，使模塊之間易于互換，滿(mǎn)足不同產(chǎn)品的需求。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的橫系列、跨系列通用，模塊還應(yīng)具有通用性。如今，模塊化設(shè)計(jì)已成為裝備生產(chǎn)的一個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)。

6 模糊設(shè)計(jì)

模糊概念包括三點(diǎn)：要處理的對(duì)象概念、屬性是模糊的;各個(gè)對(duì)象之間有一定的聯(lián)系，但關(guān)系很模糊，不確切、具體;對(duì)于對(duì)象進(jìn)行的操作，作用是不具體的、模糊的。由此可見(jiàn)，模糊現(xiàn)象是沒(méi)有確切含義，沒(méi)有確切邊界，事物的差異存在著過(guò)渡過(guò)程，存在著不少隨機(jī)現(xiàn)象。機(jī)械設(shè)計(jì)中存在不少模糊現(xiàn)象，如機(jī)器的磨損，是逐漸的過(guò)程，不是非彼即此的二值邏輯。存在著從正常到失效的過(guò)渡過(guò)程，即存在亦彼亦此的邏輯狀態(tài)。

模糊設(shè)計(jì)是將模糊數(shù)學(xué)理論運(yùn)用于工業(yè)設(shè)計(jì)的一種設(shè)計(jì)方法?？梢越鉀Q設(shè)計(jì)中的許多模糊問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模糊設(shè)計(jì)將會(huì)越來(lái)越重要。

7 人機(jī)工程設(shè)計(jì)

人機(jī)工程設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了人、機(jī)器、環(huán)境之間的關(guān)系，不單純著眼于個(gè)別要素，而是將三者作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)、研究，從而找出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳參數(shù)。這樣可以使產(chǎn)品滿(mǎn)足人的舒適性的要求，讓人感覺(jué)良好，不易疲勞，效率得到提高。設(shè)計(jì)原則如下：設(shè)計(jì)工作空間應(yīng)考慮人體的尺寸;充分考慮身體姿勢(shì)、體力和運(yùn)動(dòng)之間的相互制約關(guān)系;設(shè)計(jì)操作、調(diào)節(jié)部件，要充分考慮到人的部位運(yùn)動(dòng)，并且要充分考慮到環(huán)境和安全。人機(jī)工程充分考慮人的舒適性和安全性。在倡導(dǎo)和諧社會(huì)的今天，相信人機(jī)工程會(huì)越來(lái)越受到重視。

8 其他設(shè)計(jì)方法

a．綠色設(shè)計(jì)。

綠色設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮對(duì)環(huán)境的副作用和資源的消耗，它是使在整個(gè)原產(chǎn)品的生命周期(設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用、報(bào)廢)中，對(duì)環(huán)境副作用產(chǎn)生最小的一種設(shè)計(jì)，并且它在資源上的利用率最高。綠色設(shè)計(jì)是可持續(xù)發(fā)展在現(xiàn)代化制造業(yè)中的體現(xiàn)。

當(dāng)前環(huán)境問(wèn)題已成為世界各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)，綠色設(shè)計(jì)充分考慮了對(duì)環(huán)境的副作用。運(yùn)用綠色設(shè)計(jì)生產(chǎn)出保護(hù)環(huán)境、資源利用率高的產(chǎn)品，例如：綠色汽車(chē)、綠色冰箱等，它將會(huì)得到政府的支持與推廣，會(huì)有很大的市場(chǎng)前景和競(jìng)爭(zhēng)力。

b．反求工程。

反求工程是測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、圖像處理技術(shù)和加工技術(shù)相結(jié)合的一門(mén)綜合性技術(shù)。它是以設(shè)計(jì)方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)工程師積累的大量經(jīng)驗(yàn)，對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造，是對(duì)已有產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)。應(yīng)該特別注意，再創(chuàng)造是反求工程的靈魂所在。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，反求工程正日趨成熟。它的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛，例如：汽車(chē)、摩托車(chē)的外形覆蓋件和內(nèi)裝飾件的設(shè)計(jì)，家電產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)，以及在藝術(shù)品復(fù)制中對(duì)反求工程技術(shù)的應(yīng)用需求尤為迫切。

9 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，瓦斯抽采技術(shù)是近年發(fā)展應(yīng)用迅速的一項(xiàng)有效防止瓦斯災(zāi)害的技術(shù)，它的成功運(yùn)用使瓦斯災(zāi)害大幅度下降，然而該項(xiàng)技術(shù)還未得到全面推廣和利用。尤其在中小型煤礦企業(yè)中的應(yīng)用效果不理想，并未發(fā)揮該技術(shù)的全部?jī)?yōu)勢(shì)。本文提出的瓦斯抽采技術(shù)的看法和建議，無(wú)論在指導(dǎo)思想、設(shè)計(jì)對(duì)象、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段上都有顯著的特點(diǎn)和先進(jìn)性，有利于合理高效地利用瓦斯抽采技術(shù)。

［1］ 黃祖璦，耿長(zhǎng)青．有限元?jiǎng)恿Ψ治?、非線(xiàn)性分析應(yīng)注意的問(wèn)題［J］．機(jī)械強(qiáng)度，2000(2)：70-90．

［2］ 徐學(xué)明．CMM2與CD360型高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)［J］．礦山機(jī)械，1990(4)：75-76．

［3］ 甘海仁，楊永順，李永星．我國(guó)鑿巖機(jī)械現(xiàn)狀［J］．礦山機(jī)械，2006(6)：23-44．

［4］ 李劍鋒，王均效，王壽佑，等．圓柱齒輪齒面接觸線(xiàn)法向剛陣與齒向載荷分布的研究［J］．山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995(2)：43-44．

［5］ 成思源．有限元法的方法論［J］．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2001(4)：35-49．XIAO Jingwei