機械結構設計的創新性探討

陸建榮

（南通廣播電視大學機械工程學院，江蘇南通 226006）

機械結構設計的創新性探討

陸建榮

（南通廣播電視大學機械工程學院，江蘇南通 226006）

衡量一個國家現代化程度，最主要的標準就是機械水平的發展程度。而想要從事機械結構的設計工作，就必須具備良好的創新精神。為了使機械設計的結果令人眼前一亮，創信和改變不可缺少。變元法是所介紹的主要內容，將變元法融入到石油和石油化工行業中，著重解釋如何使用變元法在石化機械結構的防腐設計方面進行一定的創新和改進。

機械結構；設計；創新

0 引言

機械結構的設計工作，需要制定明確的實施方案，此方案應該以機械總體設計方針為指導，先給出具體的結構圖樣，圖樣要很詳細并且包括所有應實現的功能；接下來把工作原理變成具體的實現某個功能的零部件，與此同時要考慮好加工的技藝、加工強度大小、加工材料的軟硬、加工需要的精確程度以及和其他零件的相互作用等方面問題。本文主要介紹了變元法是如何在機械結構設計的創新和改進中發揮作用的，并舉例進行了說明。

1 機械結構設計創新的重要意義

目前，科技進步日新月異，而機械制造行業卻魚龍混雜，產品的生產流通同質化嚴重，市場競爭的進一步加強迫使著機械制造企業的革新，創新才是機械制造企業搶占市場份額的關鍵，創新意味著產品功能和作用的進化，只有具獨特而不可替代的競爭優勢的產品才會給企業帶來巨大的經濟和社會效益。這給機械工作者的啟發是，堅持機械結構設計的創新和改進，必然是一個艱難的過程，要求工作者要有不怕吃苦、持之以恒的決心和毅力，要以現代化的設計理念武裝自己的頭腦，要重視機械結構設計的重要性，改變傳統思路，變換結構模塊的組合方式，努力使機械結構滿足大部分產品的需要，只有這樣才能獲得市場競爭的勝利，這也成為了當下機械工作者的重要任務。

2 機械結構設計上的七種變元創新方法

德國人發明的這一種變元法，是目前世界上最為科學易懂的變元方法，它能夠衍生出許多不同的方法，具有很大的可塑性。這種方法的內涵主要有兩部分：它變化內容多樣，包括材料、數量、位置、尺寸、形狀、連接、工藝七個方面；另一部分是上述七個方面的具體運用，運用的前提條件是機械基本結構，這些元素在其基本結構的基礎上進行一定的變化，這樣就有不同的形式，新的機械結構設計方案就創造出來了，這樣就達到了優化設計機械結構的目的[1]。接下來筆者將會重點介紹七種創新方案在機械結構設計的具體運用，其最終目的還是滿足整個機械產品的生產的要求，這也是目前機械工作者普遍使用的方案。

2.1 材料變元

現實生活中很多種材料都可以用來設計機械結構，不一樣的材料要求的加工方法和手段不一樣、適用的結構類別不一樣、零件需要的大小也不一樣。材料的變元可以變化出不一樣的結構模式。比如說：在進行鋼材料的結構設計過程中，零件的截面面積越大，材料結構強度就越大、越硬；在鐵材料的結構設計中，為了使結構變強變硬，人們通常使用加強筋和隔板的方法；在塑料材料的結構設計中，塑料件的筋板和壁厚應該無差而別且對稱均勻。

2.2 數量變元

在產品的結構當中主要包括以下幾個方面，即零件以及輪廓面、線和加工、工作面共同構成了產品本身，如果想要將機械的結構目的進行改變，那么就可以通過調節上述結構元素而實現。就好比在鑄件的過程中，是希望越簡單便捷越好的。能夠節省一些不必要的零件配置，又能在安裝的時候方便人們的使用，這在無形中就提高了工作效率，比如安裝一個螺絲釘的時候，如果按照螺釘和墊圈以及彈簧墊圈才能結合在一起的模式去安裝，那么就需要最少三個步驟，但是如果把它們設計為一體的話，就可以大量地節省安裝的時間，提高了效率。

2.3 位置變元

在實際操作過程中，產品結構的元素之間的位置是可以進行調換的，這樣可以無形中使結構本身的設計更加完善。比如，零件的焊縫位置應該對應中性軸或者至少需要靠近中性軸，這樣便于將收縮力減少或者能夠避免產品的變形。除此之外，零件的擺放問題也十分重要，如果雜亂無章則會大大阻礙操作速度。

2.4 尺寸變元

零件的尺寸必須符合使用的標準才行，必須在各項標準合格之后才可以進行操作，比如：在冷沖壓彎這一工藝中，就需要零件按照既定的需求進行彎曲，如果零件在加工的過程中，實現了標準的彎度，那么就算是一個成品，不需要再度進行加工。如果不符合產品的需求那么還需要進一步的加工整形來達到產品的要求。

2.5 形狀變元

機械整體的結構目的可以通過調整零件的形狀或者改變其規格的大小而實現。比如在彈簧的生產過程中需要考慮多個問題，首先是彈簧的大小及其相對的螺絲墊圈的規格，能否讓彈簧和使用的螺旋面以及被需要壓緊的零件相吻合，就需要設計出不同規則的產品，無論零件的形狀面如何都需要相匹配的彈簧來配合才行，如果零件之間的距離過大，或者不能夠將壓力有效融合，那么零件在安裝過后就不算是合格，如果這一類零件銷售在市場中，很可能造成一系列事故，那么為了防止拉簧因為這些問題而失去使用效率，就勢必要將彈簧的設計空間放大，并且實現它的自身獨特性，即使它在單獨使用的過程中也可以實現跟其他零件的配合。

2.6 分析連接變元

一是聯接方法，主要的模式有焊接、膠結以及螺紋聯接等方式。

二是聯接的方式，根據結構類型的不同而不同，因此為了豐富聯接方式以及尋找到最為契合的聯接方式，各個聯接的結構以及聯接的方式都可以進行相對應的合理調整。比如：針對一些需要拆卸的零件，如果在聯接的方式上不能選擇好，那么就會在聯接和拆卸方面造成一定的困難，此類的零件需要便捷的拆卸模式，比如日常生活中所購買的一些產品，像是隨聲聽的后蓋，就可以任意拆卸下來安裝電池來維持繼續使用，這樣的結構也方便用戶使用，從未為其提供便捷的操作模式。

2.7 分析工藝變元

零件在產生之前，往往會有其自己的設計圖紙，而設計圖紙上面的結構內容直接決定了產品屬于何種工藝級別的零件，因為每一個設備的零件都不是完全相同的，所以零件的設計以及成本也千差萬別，如果設計工藝在產品出產之前沒有得到完善，那么勢必會影響到零件自身的質量，一旦零件沒有合乎要求，那么產品的整體結構就會受到一定的影響。因此在零件鑄造之前對于零件圖紙的研究必須給予深度的重視，現在的加工技藝正呈現著不斷創新和完善的趨勢，但是問題也就隨之而來，這些加工工藝雖然具有創新性，但是還不夠成熟，并非達到了理想中的需求，因此還需要進一步的對此加大研究的力度。

3 機械結構創新的嘗試及優化測評

3.1 機械結構設計的創新嘗試

防腐劑在石油以及一些石化設備中具有十分重要的作用，下文以其為例，闡述變元法在其中重要的作用。石油和石化設備必須進行防腐蝕性的設計，這樣一來，在設計的最初就應該考慮到防腐蝕性的大小和影響因素，從而采取必要的保護和防治措施，主要有以下幾個方面。

首先，在總體的設計上面，對停車間給予了嚴格的要求，不能堆放雜亂，不能潮濕，不能含有其他不利于防腐的物質存在。

其次，設備的使用年限與設備本身一些極為細小的間隙區有著十分重大的聯系，這些縫隙極有可能在人眼看不到的地方發生腐蝕問題，或者這些縫隙人是無法憑借手工去進行操作控制的，就像是一些產品的焊接點，這些產品貌似看起來已經不存在腐蝕的可能，但是難免會有看不到的縫隙存在，應該進行必要的封存和填補，或者干脆將縫隙擴大，這樣便于對其進行維修補救和防護。

再次，溫度較高以及質量較高的濃度階梯，局部勢差問題往往在這種情況和產品中產生，一旦發生了腐蝕則不可控制。此外，每一種金屬都有著自己獨特的屬性，產品在構建的過程中不一定是一種金屬構建而成，多半是幾種金屬共同組合而成，但是不同的金屬勢必會產生接觸面的腐蝕，應該對此進行絕緣處理[2]。

最后，面積越小腐蝕的點也就越小，因此要針對產品的不同設計縮小表面積從而減少腐蝕。

3.2 對機械結構變元創新設計的優化評測

機械結構在完成變元創新實踐之后。要根據目前的性能以及使用效果進行一個綜合的測評，首先要進行模糊測評，運用理論研究和一些理想化的模型設計一種測評模式，但是這種測評模式并不是實際操作中的模型，而是通過一定的數學模型，根據先進的設計理念和規劃，對其進行變化創新設計的檢測。在測試的過程中測試者憑借自己多年的使用經驗和研究理念進行對其綜合評價的過程，并根據現有的先進思維對其進行構建，在測試的過程中還需要考慮到社會實際問題，產品在經過變元之后，使用方面是否安全，便捷，可維修性是否達到了指標，并且要將邏輯推理的思維運用到其中，選擇出使用其整體變元的方案，最后針對已經選擇好了的方案，進行進一步地修改和完善，從而作用于產品的機械結構構建當中，服務于產品的整體功能[3]。

4 結束語

機械創新結構設計在目前產業的發展和建設當中占據著十分重要的比例，因此研究其具有不菲的價值，但是研究機械創新結構設計并非一件簡單的事情，對于設計者和研究者都提出了非常高的要求，不僅在專業知識方面要熟練甚至精通，還要有敏捷的分析能力和發現問題解決問題的能力，創新的思想和技術知識更是不用說，這也是前提之一。

［1］徐慧勇.淺析機械結構設計中的創新設計［J］.黑龍江科技信息，2010（30）：37-38.

［2］韓鍵美，楊曉敏.機械產品創新設計研究［J］.科技風，2010（10）：21-22.

［3］崔福霞.創新設計（TRIZ理論）在機械設計中的應用［J］.大眾科技，2010（02）：51-52.

The Innovative Design of Mechanical Structure

LU Jian-rong
（Nantong Radio and Television University，Institute of Mechanical Engineering，Nantong226006，China）

To measure a country modernization degree,the main standard is the development of mechanical level.Work in the mechanical structure design,must have good spirit of innovation.In order to make the results of the mechanical design a bright,the innovation and change are essential.The main content of variable element method is introduced in this paper,it applies change element method into the oil and petrochemical industry,focus on explaining how to use the method of argument in petrochemical mechanical structure anticorrosion design aspect of the certain innovation and improvement.

mechanical；design；innovation

TH12

：A

：1009－9492(2014)12－0243－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.063

陸建榮，男，1979年生，江蘇南通人，碩士，講師。研究領域：機械結構設計、運行控制。已發表論文4篇。

(編輯：王智圣)

2014－09－09