淺析一次性機械設計的概念與應用

摘要：文章主要研究了一次性機械設計的相關內容。首先闡述了一次性機械的特征，并將該內容與常規設備對比，全面分析了一次性機械設計特征；其次在該基礎上提出基于靜強度校驗的新設計理念，以某型箭用電動舵機減速裝置為例，對一次性機械的靜強度設計進行分析，證明了新方法的有效性和可靠性。文章對一次性機械設計的研究和發展具有一定的貢獻性作用。

關鍵詞：一次性機械；靜強度校驗；設計理念；設計方法；柔輪強度 文獻標識碼：A

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

一次性機械使用壽命較短，多運用于軍事領域、航空領域等，是工業生產和社會建設的重要內容。但當前我國工業生產和社會建設過程中缺乏完善一次性機械設計理念，沒有依照具體設計需求及指標對一次性機械設計內容進行調整和創新，這在很大程度上影響了一次性機械設計的發展。如何構建高質量、高效益一次性機械設計體系，形成新型設計方案在一次性機械體系構建中勢在必行。

1 一次性機械的基本設計理念

工業生產過程中為了降低成本投入常選取一些短壽命設備，僅使用一次就不再對上述設備進行運用，這種設備被稱為“一次性機械”。一次性機械可以有效滿足系統負荷需求，實現短時期傳動，但無法長期進行負荷運轉。

一次性機械設計過程中要從一次性機械特性著手，依照其具體運行需求及運行環境實施設計指標的構建，其設計需保證：

1.1 與一次性機械使用條件相協調

與一次性機械使用相協調即與一次性機械使用狀況、運行狀況相協調。在該設計過程中，人員需要對一次性機械特征進行把握，依照其運行余量、使用時間、使用環境等確定設計參數，如體積參數、重量參數等。

1.2 與一次性機械失效形式相協調

長期使用的設備非常容易出現由磨損、疲勞造成的設備失效，導致設備故障。因此，在設備設計過程中相關人員對疲勞破壞進行了全面分析，形成了以高周疲勞為核心的設計體系。而一次性機械運行時間較短，運行周期過程中出現磨損的可能性較小，在設備設計過程中可以省略高周疲勞設計及分析內容。該設計過程中需從一次性機械傳遞動力出發，將一次性機械傳遞動力內容作為設計核心，最大限度提升一次性機械動靜強度及

剛度。

2 一次性機械的靜強度設計及分析

電動舵機主要由電動機驅動實現航行器方向控制，在工業領域應用非常廣泛。受到設備空間的限制，電動舵機體系一般較小。運用長期使用設備設計方法對電動舵機減速裝置進行設計時非常容易出現設計尺寸不匹配現象，即減速裝置尺寸遠大于箭用舵機尺寸指標。因此，電動舵機減速裝置設計時需適當運用一次性機械設計理念，結合實際內容形成電動舵機減速裝置設計新方法，從而實現裝置效益的最大化。

本次一次性機械設計研究過程中筆者主要以某型箭用電動舵機減速裝置為例，從該裝置設計方案出發對一次性機械設計新方法進行研究，現研究結果如下：

2.1 電動舵機傳動設計分析

電動舵機傳動設計過程中需要對系統結構進行合理調整，要盡量降低電動舵機復雜程度，減小舵機質量，為其傳動效益的提升創建良好的設備條件。與此同時，電動舵機傳動設計過程中還需要對傳動效率和傳動能力進行分析，依照該指標合理確定電動舵機傳動形式，形成系統化傳動方案。本次研究過程中為了實現傳動效益的最大化，電動舵機裝置主要選取一對錐齒輪副和諧波齒輪傳動的傳動方案。

2.2 電動舵機錐齒輪設計分析

電動舵機錐齒輪設計的過程中需要對錐齒輪材料、錐齒輪失效形式等進行合理分析，依照電動舵機指標對上述內容進行合理優化，形成最佳設計指標及設計方法。本次電動舵機錐齒輪設計過程中主要選取45鋼小錐齒輪作為主要材料，齒輪數z1為22，調整其傳動轉矩為T=0.2303N·m。與此同時，錐齒輪設計過程中還使用45鋼大錐齒輪，使用前對其進行正火處理。

相關資料顯示：電動舵機錐齒輪的失效形式主要表現為齒面疲勞點蝕和齒根疲勞折斷。在對該失效形式進行控制的過程中相關人員需要對齒面接觸面疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度進行合理控制，依照指標分析結果設計對應校驗方式，從而糾正齒面疲勞點蝕和齒根疲勞折斷問題。如果按齒面接觸疲勞強度計算的齒輪模數結果為m=0.6mm，按齒根彎曲疲勞強度計算的結果為m=0.5mm。

載荷作用于單對齒嚙合區研究過程可以直接將輪齒作為懸臂梁，依照彎曲關系中的正切力、應切力狀況對梁截面中的力學數據進行合理分析，對彎曲應力計算內容進行明確，其具體內容見圖1：

因彎曲過程中切應力遠遠小于彎曲應力，計算時可以僅考慮齒根危險截面彎曲應力，其具體計算內容如下：對單對齒嚙合區上界點載荷進行分析，則齒根抗彎強度為：

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

取SF=2.48mm，[σF]靜強度為960MPa，則：

標準模數m=0.2mm。

由上述計算結果可知：靜強度計算齒面接觸疲勞強度及齒根彎曲疲勞強度時可靠性較高，依照該計算方法形成合理設計內容可以明顯提升錐齒輪設計效益，改善其指標性能及設備性能。

2.3 電動舵機柔輪設計分析

電動舵機柔輪設計過程中可以選取40CrNiMoA作為主要材料。該柔輪設計過程中計算模數m=0.2mm。在基于靜強度計算指標體系構建時與錐齒輪構建原理一致，其抗彎強度為：

由錐齒輪計算中的相關參數及對應柔輪參數，則柔輪模數為：

標準模數m=0.1mm。

由上述計算結果可知：靜強度計算柔輪強度時可靠性較高，依照該計算內容形成對應設計體系對改善電動舵機性能具有非常積極的意義。

3 結語

一次性機械可以有效改善設備、系統的負荷效果，改善體系經濟指標效益，已經成為人們關注到的焦點。在對該設備進行運用的過程中人員需把握好一次性機械的使用條件，要依照靜強度校核設計原理對設計內容進行調整，實現一次性機械使用效益的最大化，從本質上加速一次機械設計發展進程。

參考文獻

[1] 黃克.基于機械設計方法的研究——以一次性機械為例[J].湖南農機，2013，（11）.

[2] 王廣林，潘旭東，李躍峰.一次性機械設計理念及實踐[J].機械工程學報，2014，（1）.

[3] 張自強，王麗，姜永全.芻議一次性機械設計理念

[J].旅游縱覽（下半月），2014，（4）.

[4] 呂明.機械設計技術的現狀與趨勢研究[J].廣東石油化工學院學報，2012，（6）.

作者簡介：劉慧茹，女，河南省焦作市技師學院專職教師，研究方向：機械制造與電器工程及其自動化。

（責任編輯：周 瓊）