淺析一次性機(jī)械設(shè)計(jì)的概念與應(yīng)用

摘要：文章主要研究了一次性機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。首先闡述了一次性機(jī)械的特征，并將該內(nèi)容與常規(guī)設(shè)備對(duì)比，全面分析了一次性機(jī)械設(shè)計(jì)特征；其次在該基礎(chǔ)上提出基于靜強(qiáng)度校驗(yàn)的新設(shè)計(jì)理念，以某型箭用電動(dòng)舵機(jī)減速裝置為例，對(duì)一次性機(jī)械的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，證明了新方法的有效性和可靠性。文章對(duì)一次性機(jī)械設(shè)計(jì)的研究和發(fā)展具有一定的貢獻(xiàn)性作用。

關(guān)鍵詞：一次性機(jī)械；靜強(qiáng)度校驗(yàn)；設(shè)計(jì)理念；設(shè)計(jì)方法；柔輪強(qiáng)度 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文章編號(hào)：1009-2374（2015）03-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0206

一次性機(jī)械使用壽命較短，多運(yùn)用于軍事領(lǐng)域、航空領(lǐng)域等，是工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)建設(shè)的重要內(nèi)容。但當(dāng)前我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)建設(shè)過(guò)程中缺乏完善一次性機(jī)械設(shè)計(jì)理念，沒(méi)有依照具體設(shè)計(jì)需求及指標(biāo)對(duì)一次性機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和創(chuàng)新，這在很大程度上影響了一次性機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展。如何構(gòu)建高質(zhì)量、高效益一次性機(jī)械設(shè)計(jì)體系，形成新型設(shè)計(jì)方案在一次性機(jī)械體系構(gòu)建中勢(shì)在必行。

1 一次性機(jī)械的基本設(shè)計(jì)理念

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中為了降低成本投入常選取一些短壽命設(shè)備，僅使用一次就不再對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行運(yùn)用，這種設(shè)備被稱(chēng)為“一次性機(jī)械”。一次性機(jī)械可以有效滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)短時(shí)期傳動(dòng)，但無(wú)法長(zhǎng)期進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

一次性機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中要從一次性機(jī)械特性著手，依照其具體運(yùn)行需求及運(yùn)行環(huán)境實(shí)施設(shè)計(jì)指標(biāo)的構(gòu)建，其設(shè)計(jì)需保證：

1.1 與一次性機(jī)械使用條件相協(xié)調(diào)

與一次性機(jī)械使用相協(xié)調(diào)即與一次性機(jī)械使用狀況、運(yùn)行狀況相協(xié)調(diào)。在該設(shè)計(jì)過(guò)程中，人員需要對(duì)一次性機(jī)械特征進(jìn)行把握，依照其運(yùn)行余量、使用時(shí)間、使用環(huán)境等確定設(shè)計(jì)參數(shù)，如體積參數(shù)、重量參數(shù)等。

1.2 與一次性機(jī)械失效形式相協(xié)調(diào)

長(zhǎng)期使用的設(shè)備非常容易出現(xiàn)由磨損、疲勞造成的設(shè)備失效，導(dǎo)致設(shè)備故障。因此，在設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中相關(guān)人員對(duì)疲勞破壞進(jìn)行了全面分析，形成了以高周疲勞為核心的設(shè)計(jì)體系。而一次性機(jī)械運(yùn)行時(shí)間較短，運(yùn)行周期過(guò)程中出現(xiàn)磨損的可能性較小，在設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中可以省略高周疲勞設(shè)計(jì)及分析內(nèi)容。該設(shè)計(jì)過(guò)程中需從一次性機(jī)械傳遞動(dòng)力出發(fā)，將一次性機(jī)械傳遞動(dòng)力內(nèi)容作為設(shè)計(jì)核心，最大限度提升一次性機(jī)械動(dòng)靜強(qiáng)度及

剛度。

2 一次性機(jī)械的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)及分析

電動(dòng)舵機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)航行器方向控制，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。受到設(shè)備空間的限制，電動(dòng)舵機(jī)體系一般較小。運(yùn)用長(zhǎng)期使用設(shè)備設(shè)計(jì)方法對(duì)電動(dòng)舵機(jī)減速裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)非常容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)尺寸不匹配現(xiàn)象，即減速裝置尺寸遠(yuǎn)大于箭用舵機(jī)尺寸指標(biāo)。因此，電動(dòng)舵機(jī)減速裝置設(shè)計(jì)時(shí)需適當(dāng)運(yùn)用一次性機(jī)械設(shè)計(jì)理念，結(jié)合實(shí)際內(nèi)容形成電動(dòng)舵機(jī)減速裝置設(shè)計(jì)新方法，從而實(shí)現(xiàn)裝置效益的最大化。

本次一次性機(jī)械設(shè)計(jì)研究過(guò)程中筆者主要以某型箭用電動(dòng)舵機(jī)減速裝置為例，從該裝置設(shè)計(jì)方案出發(fā)對(duì)一次性機(jī)械設(shè)計(jì)新方法進(jìn)行研究，現(xiàn)研究結(jié)果如下：

2.1 電動(dòng)舵機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)分析

電動(dòng)舵機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理調(diào)整，要盡量降低電動(dòng)舵機(jī)復(fù)雜程度，減小舵機(jī)質(zhì)量，為其傳動(dòng)效益的提升創(chuàng)建良好的設(shè)備條件。與此同時(shí)，電動(dòng)舵機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要對(duì)傳動(dòng)效率和傳動(dòng)能力進(jìn)行分析，依照該指標(biāo)合理確定電動(dòng)舵機(jī)傳動(dòng)形式，形成系統(tǒng)化傳動(dòng)方案。本次研究過(guò)程中為了實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)效益的最大化，電動(dòng)舵機(jī)裝置主要選取一對(duì)錐齒輪副和諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)方案。

2.2 電動(dòng)舵機(jī)錐齒輪設(shè)計(jì)分析

電動(dòng)舵機(jī)錐齒輪設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要對(duì)錐齒輪材料、錐齒輪失效形式等進(jìn)行合理分析，依照電動(dòng)舵機(jī)指標(biāo)對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行合理優(yōu)化，形成最佳設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)方法。本次電動(dòng)舵機(jī)錐齒輪設(shè)計(jì)過(guò)程中主要選取45鋼小錐齒輪作為主要材料，齒輪數(shù)z1為22，調(diào)整其傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩為T(mén)=0.2303N·m。與此同時(shí)，錐齒輪設(shè)計(jì)過(guò)程中還使用45鋼大錐齒輪，使用前對(duì)其進(jìn)行正火處理。

相關(guān)資料顯示：電動(dòng)舵機(jī)錐齒輪的失效形式主要表現(xiàn)為齒面疲勞點(diǎn)蝕和齒根疲勞折斷。在對(duì)該失效形式進(jìn)行控制的過(guò)程中相關(guān)人員需要對(duì)齒面接觸面疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行合理控制，依照指標(biāo)分析結(jié)果設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)校驗(yàn)方式，從而糾正齒面疲勞點(diǎn)蝕和齒根疲勞折斷問(wèn)題。如果按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的齒輪模數(shù)結(jié)果為m=0.6mm，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的結(jié)果為m=0.5mm。

載荷作用于單對(duì)齒嚙合區(qū)研究過(guò)程可以直接將輪齒作為懸臂梁，依照彎曲關(guān)系中的正切力、應(yīng)切力狀況對(duì)梁截面中的力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析，對(duì)彎曲應(yīng)力計(jì)算內(nèi)容進(jìn)行明確，其具體內(nèi)容見(jiàn)圖1：

因彎曲過(guò)程中切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彎曲應(yīng)力，計(jì)算時(shí)可以?xún)H考慮齒根危險(xiǎn)截面彎曲應(yīng)力，其具體計(jì)算內(nèi)容如下：對(duì)單對(duì)齒嚙合區(qū)上界點(diǎn)載荷進(jìn)行分析，則齒根抗彎強(qiáng)度為：

式中：b為齒輪的齒寬；Fn為齒面所受正壓力；αF為單齒嚙合最高點(diǎn)的載荷角；SF為齒根寬度；[σF]為許用應(yīng)力；hf為單齒嚙合最高點(diǎn)處的彎曲力臂。

取SF=2.48mm，[σF]靜強(qiáng)度為960MPa，則：

標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=0.2mm。

由上述計(jì)算結(jié)果可知：靜強(qiáng)度計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度及齒根彎曲疲勞強(qiáng)度時(shí)可靠性較高，依照該計(jì)算方法形成合理設(shè)計(jì)內(nèi)容可以明顯提升錐齒輪設(shè)計(jì)效益，改善其指標(biāo)性能及設(shè)備性能。

2.3 電動(dòng)舵機(jī)柔輪設(shè)計(jì)分析

電動(dòng)舵機(jī)柔輪設(shè)計(jì)過(guò)程中可以選取40CrNiMoA作為主要材料。該柔輪設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算模數(shù)m=0.2mm。在基于靜強(qiáng)度計(jì)算指標(biāo)體系構(gòu)建時(shí)與錐齒輪構(gòu)建原理一致，其抗彎強(qiáng)度為：

由錐齒輪計(jì)算中的相關(guān)參數(shù)及對(duì)應(yīng)柔輪參數(shù)，則柔輪模數(shù)為：

標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=0.1mm。

由上述計(jì)算結(jié)果可知：靜強(qiáng)度計(jì)算柔輪強(qiáng)度時(shí)可靠性較高，依照該計(jì)算內(nèi)容形成對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)體系對(duì)改善電動(dòng)舵機(jī)性能具有非常積極的意義。

3 結(jié)語(yǔ)

一次性機(jī)械可以有效改善設(shè)備、系統(tǒng)的負(fù)荷效果，改善體系經(jīng)濟(jì)指標(biāo)效益，已經(jīng)成為人們關(guān)注到的焦點(diǎn)。在對(duì)該設(shè)備進(jìn)行運(yùn)用的過(guò)程中人員需把握好一次性機(jī)械的使用條件，要依照靜強(qiáng)度校核設(shè)計(jì)原理對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)一次性機(jī)械使用效益的最大化，從本質(zhì)上加速一次機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃克.基于機(jī)械設(shè)計(jì)方法的研究——以一次性機(jī)械為例[J].湖南農(nóng)機(jī)，2013，（11）.

[2] 王廣林，潘旭東，李躍峰.一次性機(jī)械設(shè)計(jì)理念及實(shí)踐[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，（1）.

[3] 張自強(qiáng)，王麗，姜永全.芻議一次性機(jī)械設(shè)計(jì)理念

[J].旅游縱覽（下半月），2014，（4）.

[4] 呂明.機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢(shì)研究[J].廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，（6）.

作者簡(jiǎn)介：劉慧茹，女，河南省焦作市技師學(xué)院專(zhuān)職教師，研究方向：機(jī)械制造與電器工程及其自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：周 瓊）