創(chuàng)新設(shè)計(jì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

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摘要：為最大化地發(fā)揮機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的作用，對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新進(jìn)行研究。分析創(chuàng)新設(shè)計(jì)對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，闡述創(chuàng)新設(shè)計(jì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，介紹基于發(fā)明問題的解決理論(teoriyaresheniyaizobreatatelskikhzadatch，TRIZ)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論變元法的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例。結(jié)果表明：通過使用創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步提高機(jī)械的質(zhì)量與性能，并促使機(jī)械制造業(yè)實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新設(shè)計(jì)；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；重要性；應(yīng)用

0引言

目前，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用創(chuàng)新設(shè)計(jì)已經(jīng)得到相關(guān)人員的高度重視，主要目的是能更好地利用機(jī)械，并最大化地發(fā)揮機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的作用。機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)通常采用變元法。該方法使用起來比較簡便，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中使用邏輯化思維能夠?qū)崿F(xiàn)對可變元素的系統(tǒng)化梳理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步應(yīng)用基于發(fā)明問題的解決理論(TRIZ)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論，可以進(jìn)一步提高機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率。

1創(chuàng)新設(shè)計(jì)對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性

近年來，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度持續(xù)加快，人們的思想觀念也開始朝著多元化的方向發(fā)展，因此，對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高要求。在這種情況下，傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念逐漸顯示出許多不足，例如，設(shè)計(jì)出來的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對單一，能夠使用的范圍也相對較小，導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)際作用難以發(fā)揮。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須要提高自身的創(chuàng)新意識，使用新工藝、新結(jié)構(gòu)、新材料等設(shè)計(jì)方式來彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的不足，以提高機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率，促使機(jī)械制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展[1]。

2創(chuàng)新設(shè)計(jì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1材料變元

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，通常要按照不同的結(jié)構(gòu)類型選擇不同的材料，在選擇材料時(shí)，通過材料變元可以得到很多意料之外的成果。通過改變材料的特性，或者利用材料特性設(shè)計(jì)更穩(wěn)定可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)。例如，在玻璃外表易損器件的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可利用柔性材料和剛性材料不同的特性，設(shè)計(jì)一種能夠提高敏感光學(xué)器件抗沖擊能力的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到將敏感光學(xué)器件運(yùn)用在高沖擊高振動(dòng)環(huán)境中。在易損器件的固定設(shè)計(jì)中，摒棄了傳統(tǒng)剛性固定的設(shè)計(jì)，采用了橡膠約束墊進(jìn)行徑向的固定，然后通過金屬固定環(huán)和固定線路板進(jìn)行軸向固定的設(shè)計(jì)。2種不同特性的材料相互作用，不僅可以最大限度地利用產(chǎn)品內(nèi)部空間，而且提高了易損器件在高沖擊高振動(dòng)環(huán)境中的可靠性。

2.2數(shù)量變元

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常存在很多需要進(jìn)行細(xì)微調(diào)整的元素，而最為簡單的變元方法就是通過改變設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中基礎(chǔ)元素的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)對機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整。這種創(chuàng)新方式非常普遍[2]。例如，在對鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，為了可以有效防止螺栓脫落，就使用彈簧墊圈與螺釘2種類型的元件。從物理學(xué)原理的角度來說，通過這種方式能夠改變設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中存在的元素?cái)?shù)量，設(shè)計(jì)出集多功能于一體的零件，不但可以優(yōu)化整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且可以簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝步驟。

2.3尺寸變元

尺寸變元主要通過改變元器件的形狀來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化，即把元器件長寬高的參數(shù)都進(jìn)行適當(dāng)改變。

2.4工藝變元

機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)械制造工藝決定。設(shè)計(jì)人員需要在每個(gè)零件的性能、精確度和安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出對應(yīng)的結(jié)構(gòu)方案，根據(jù)制造工藝的相關(guān)要求，來保證零件的精準(zhǔn)度與外觀的美觀性，以保證機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.5位置變元

在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，通過改變機(jī)械結(jié)構(gòu)中每個(gè)零件的位置來實(shí)現(xiàn)對機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在對焊縫位置進(jìn)行分配的過程中，可以適當(dāng)?shù)匕蚜慵{(diào)整到中性軸或是臨近中性軸的位置，不但能夠縮短力矩、減少彎曲變形的可能性，而且也可以使機(jī)械操作變得更為穩(wěn)定。

2.6外形變元

機(jī)械結(jié)構(gòu)外型的改變也可以實(shí)現(xiàn)對整體產(chǎn)品性能的改變。在確保機(jī)械產(chǎn)品外形美觀的前提下，設(shè)計(jì)人員需要對機(jī)械結(jié)構(gòu)的外形展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此來進(jìn)一步提高產(chǎn)品的精確度，從而實(shí)現(xiàn)對整體產(chǎn)品性能的優(yōu)化。

2.7TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在解決問題初期，先將各種客觀限制條件進(jìn)行隔離，通過理想化來定義問題的最終理想解(idealfinalresult，IFR)，以確定理想解所在的方向和位置，保證在問題解決過程中始終向著確定的方向和位置前進(jìn)并獲得最終理想解，從而避免了傳統(tǒng)創(chuàng)新中缺乏目標(biāo)的弊端，進(jìn)而加快創(chuàng)新設(shè)計(jì)的進(jìn)程、提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)的質(zhì)量。TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以將復(fù)雜問題簡單化，從而擺脫傳統(tǒng)固化思維和單一的專業(yè)知識，打破知識領(lǐng)域界限，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計(jì)突破。

3機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例

以基于TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論的變元法設(shè)計(jì)為例進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。TRIZ理論認(rèn)為，創(chuàng)造性問題是指包含至少一個(gè)矛盾的問題，問題的種類則可歸納為物理矛盾、技術(shù)矛盾和管理矛盾3類。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，矛盾主要為物理矛盾和技術(shù)矛盾：物理矛盾是指系統(tǒng)中的問題由一個(gè)參數(shù)正負(fù)方向要求導(dǎo)致的；技術(shù)矛盾則是指系統(tǒng)中的問題由2個(gè)參數(shù)導(dǎo)致。在經(jīng)過TRIZ分析明確設(shè)計(jì)的矛盾點(diǎn)后，針對矛盾點(diǎn)通過不同的變元法進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，從而達(dá)到預(yù)期的效果。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法可提高單一變元法的設(shè)計(jì)效率和成功率。以一種需要在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下保持高壓力的結(jié)構(gòu)為例，這種結(jié)構(gòu)需要在一定的密封結(jié)構(gòu)以保持高壓力的狀態(tài)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)阻力又需要足夠小以滿足小電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。在創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，首先通過TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論確定物理矛盾為該結(jié)構(gòu)的密封設(shè)計(jì)，既需要密封結(jié)構(gòu)達(dá)到一定的密封效果，又對由密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)阻力提出了足夠小的要求。確定了矛盾方向和目標(biāo)后，通過運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新發(fā)明原理中第40項(xiàng)“復(fù)合材料”—用復(fù)合材料替代均質(zhì)材料，并結(jié)合材料變元的方法對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。在需要旋轉(zhuǎn)的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用○型圈來作為密封結(jié)構(gòu)，通過○型圈受壓力變形后的自密封作用，可產(chǎn)生較好的密封效果。但是○型圈受壓力變形后，因?yàn)楸旧硐鹉z材質(zhì)的特性和接觸面變大，會(huì)產(chǎn)生較大的滑動(dòng)摩擦力。通過改變材料特性的辦法，將○型圈直徑圓周的一半涂覆摩擦系數(shù)很小的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，簡寫為PTFE)材料，改變○型圈本身材質(zhì)的特性。當(dāng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)工作時(shí)，○型圈的自密封作用可達(dá)到高壓力空間的密封效果要求，而PTFE材質(zhì)本身具有的摩擦系數(shù)低的特點(diǎn)也可以達(dá)到旋轉(zhuǎn)阻力小的要求。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，采用普通橡膠材質(zhì)○型圈設(shè)計(jì)，在保持高壓力空間30MPa壓力的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)扭力為2.7N。采用涂覆了PTFE材質(zhì)○型圈設(shè)計(jì)，在保持高壓力空間30MPa壓力的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)扭力僅為0.38N，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)。

4結(jié)束語

從機(jī)械設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀來看，在之后的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中還存在很多需要改進(jìn)的地方。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該加大對創(chuàng)新設(shè)計(jì)的應(yīng)用力度，以提高機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率，從而促使機(jī)械制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳小四,營夢,張芹,等.四足平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017(3):80-82.

[2]李寧,李林,李千山.深井鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)傳送裝置載重臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2018,47(1):213-217

作者：蔣良葒 劉濛 王逸鳴 單位：上海電控研究所滅火抑爆研發(fā)中心