非標試驗設(shè)備設(shè)計開發(fā)流程

李光輝

摘 要：文章從四個方面闡述了非標試驗設(shè)備設(shè)計的特點，介紹了其一般設(shè)計開發(fā)流程;然后對于設(shè)計過程中計算相關(guān)的問題給出了相應(yīng)的計算原則及方法;最后對于設(shè)備中關(guān)鍵件的選型原則及方法做了詳細介紹。

關(guān)鍵詞：非標;試驗設(shè)備;能量守恒;強度理論

前言

試驗是產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，首件制造出來后，需在試驗設(shè)備上進行相關(guān)試驗，來驗證產(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技術(shù)的發(fā)展，其競爭實際上也是試驗技術(shù)的競爭。

鑒于市場上產(chǎn)品的多樣性，很大部分并沒有專用的試驗設(shè)備，因而需要根據(jù)產(chǎn)品試驗的具體需求進行相應(yīng)試驗設(shè)備的設(shè)計開發(fā)。而非標試驗裝備就是專門設(shè)計和制造的非標設(shè)備。

1非標試驗設(shè)備設(shè)計的特點

因為沒有較為標準的設(shè)計開發(fā)流程，所以對于非標試驗設(shè)備的設(shè)計開發(fā)比較復(fù)雜，其設(shè)計特點主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

1）單件小批量

非標試驗設(shè)備需要根據(jù)用戶的具體需求由相關(guān)企業(yè)進行設(shè)計制造，這個特點就決定了非標試驗設(shè)備大多是單件或者小批量的生產(chǎn)。

2）設(shè)計難度大

非標試驗設(shè)備在設(shè)計制造過程中，不可能像標準設(shè)備那樣有足夠的設(shè)計經(jīng)驗數(shù)據(jù)和完整的制造工藝工裝，以及必要的試制和試驗，因此設(shè)計開發(fā)過程較為困難，主要有以下幾個方面：

（1）缺少可直接采用的設(shè)計計算方法、資料和實踐數(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)計周期比較短，缺少完整的試驗及改進過程。

（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)

由于非標試驗設(shè)備單件小批量的特點，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)備需要長期安全可靠的運行，因此對于設(shè)備的可靠性要求極高。

2非標試驗設(shè)備設(shè)計流程

非標試驗設(shè)備設(shè)計并沒有一成不變的設(shè)計步驟。根據(jù)經(jīng)驗，其設(shè)計流程有共同性和一定的差異。在實際設(shè)計中可以根據(jù)具體情況加以變動，其設(shè)計流程大致如圖1所示。

3相關(guān)設(shè)計計算

1）設(shè)計計算的特殊性

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

2）設(shè)計計算的可靠性與高效性

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

對任何非標試驗設(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算。

非標試驗設(shè)備的強度計算，通常都要依靠理論分析并結(jié)合實際要求找出可靠的計算方法，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)驗往往容易出現(xiàn)零件強度尺寸過大或過小的問題，因此需要簡便實用的計算方法：最大主應(yīng)力理論、最大線變形理論、最大剪應(yīng)力理論。

4非標試驗設(shè)備關(guān)鍵件設(shè)計選型

我公司長期從事齒輪傳動系統(tǒng)產(chǎn)品的非標試驗設(shè)備的設(shè)計開發(fā)，其關(guān)鍵件主要包含以下幾個部分：電機、聯(lián)軸器、軸與軸承、焊接結(jié)構(gòu)件等。

1）電機選型

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

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

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

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

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，減少沖擊

聯(lián)軸器主要分為剛性和撓性聯(lián)軸器，實際選型中要根據(jù)具體需求進行選擇，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

軸是機械設(shè)備中重要的零件之一，其上安裝有各種傳動零件，用以傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速;軸又通過軸承安裝在機架上，形成以軸為基準的軸系。軸的設(shè)計應(yīng)滿足合理的結(jié)構(gòu)、足夠的強度、必要的剛度和振動穩(wěn)定性及良好的工藝性等要求。通常設(shè)計步驟如下：

a）根據(jù)機械傳動總體布局，擬定軸上零件的布置和裝配方案;

b）選擇軸的材料;

c）初步按強度和剛度估算軸的直徑;

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

e）對于重要的軸應(yīng)進行強度的精確校核計算;

f）有必要時，校核軸的剛度及臨界轉(zhuǎn)速;

g）根據(jù)上述計算結(jié)果修改設(shè)計;

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，軸承選擇時應(yīng)考慮以下幾個因素：負荷大小、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、安裝拆卸、價格。

除了軸承的選型外，軸系的設(shè)計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：適用于旋轉(zhuǎn)精度高的長軸。

b）兩端固定：適用于旋轉(zhuǎn)精度不太高的短軸。

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

4）焊接結(jié)構(gòu)件

前面講到由于非標試驗設(shè)備單件小批量的特點，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） 強度等級低的低合金鋼可焊性與低碳鋼相似，但強度比低碳鋼高，適當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） 盡量選用廉價材料，以降低成本。

結(jié)語

試驗是產(chǎn)品研發(fā)必不可少的一個環(huán)節(jié)，通過試驗可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計制造后存在的問題并及時進行修改，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，對于非標試驗設(shè)備的試驗?zāi)芰翱煽啃砸笕找鎳栏?。總而言之，進一步的分析非標試驗設(shè)備的設(shè)計特點及設(shè)計需求，同時進行效率提升，從而保證其設(shè)計的精確性及高可靠性。

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