淺析一次性機械設(shè)計的概念與應(yīng)用

摘要：文章主要研究了一次性機械設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容。首先闡述了一次性機械的特征，并將該內(nèi)容與常規(guī)設(shè)備對比，全面分析了一次性機械設(shè)計特征；其次在該基礎(chǔ)上提出基于靜強度校驗的新設(shè)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(shè)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(shè)計的研究和發(fā)展具有一定的貢獻性作用。

關(guān)鍵詞：一次性機械；靜強度校驗；設(shè)計理念；設(shè)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(lǐng)域、航空領(lǐng)域等，是工業(yè)生產(chǎn)和社會建設(shè)的重要內(nèi)容。但當前我國工業(yè)生產(chǎn)和社會建設(shè)過程中缺乏完善一次性機械設(shè)計理念，沒有依照具體設(shè)計需求及指標對一次性機械設(shè)計內(nèi)容進行調(diào)整和創(chuàng)新，這在很大程度上影響了一次性機械設(shè)計的發(fā)展。如何構(gòu)建高質(zhì)量、高效益一次性機械設(shè)計體系，形成新型設(shè)計方案在一次性機械體系構(gòu)建中勢在必行。

1 一次性機械的基本設(shè)計理念

工業(yè)生產(chǎn)過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上述設(shè)備進行運用，這種設(shè)備被稱為“一次性機械”。一次性機械可以有效滿足系統(tǒng)負荷需求，實現(xiàn)短時期傳動，但無法長期進行負荷運轉(zhuǎn)。

一次性機械設(shè)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(huán)境實施設(shè)計指標的構(gòu)建，其設(shè)計需保證：

1.1 與一次性機械使用條件相協(xié)調(diào)

與一次性機械使用相協(xié)調(diào)即與一次性機械使用狀況、運行狀況相協(xié)調(diào)。在該設(shè)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(huán)境等確定設(shè)計參數(shù)，如體積參數(shù)、重量參數(shù)等。

1.2 與一次性機械失效形式相協(xié)調(diào)

長期使用的設(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)計過程中相關(guān)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(shè)計體系。而一次性機械運行時間較短，運行周期過程中出現(xiàn)磨損的可能性較小，在設(shè)備設(shè)計過程中可以省略高周疲勞設(shè)計及分析內(nèi)容。該設(shè)計過程中需從一次性機械傳遞動力出發(fā)，將一次性機械傳遞動力內(nèi)容作為設(shè)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(shè)計及分析

電動舵機主要由電動機驅(qū)動實現(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，電動舵機體系一般較小。運用長期使用設(shè)備設(shè)計方法對電動舵機減速裝置進行設(shè)計時非常容易出現(xiàn)設(shè)計尺寸不匹配現(xiàn)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(shè)計時需適當運用一次性機械設(shè)計理念，結(jié)合實際內(nèi)容形成電動舵機減速裝置設(shè)計新方法，從而實現(xiàn)裝置效益的最大化。

本次一次性機械設(shè)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(shè)計方案出發(fā)對一次性機械設(shè)計新方法進行研究，現(xiàn)研究結(jié)果如下：

2.1 電動舵機傳動設(shè)計分析

電動舵機傳動設(shè)計過程中需要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行合理調(diào)整，要盡量降低電動舵機復(fù)雜程度，減小舵機質(zhì)量，為其傳動效益的提升創(chuàng)建良好的設(shè)備條件。與此同時，電動舵機傳動設(shè)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(tǒng)化傳動方案。本次研究過程中為了實現(xiàn)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(shè)計分析

電動舵機錐齒輪設(shè)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(nèi)容進行合理優(yōu)化，形成最佳設(shè)計指標及設(shè)計方法。本次電動舵機錐齒輪設(shè)計過程中主要選取45鋼小錐齒輪作為主要材料，齒輪數(shù)z1為22，調(diào)整其傳動轉(zhuǎn)矩為T=0.2303N·m。與此同時，錐齒輪設(shè)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(guān)資料顯示：電動舵機錐齒輪的失效形式主要表現(xiàn)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(guān)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(jié)果設(shè)計對應(yīng)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(shù)結(jié)果為m=0.6mm，按齒根彎曲疲勞強度計算的結(jié)果為m=0.5mm。

載荷作用于單對齒嚙合區(qū)研究過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)切力狀況對梁截面中的力學(xué)數(shù)據(jù)進行合理分析，對彎曲應(yīng)力計算內(nèi)容進行明確，其具體內(nèi)容見圖1：

因彎曲過程中切應(yīng)力遠遠小于彎曲應(yīng)力，計算時可以僅考慮齒根危險截面彎曲應(yīng)力，其具體計算內(nèi)容如下：對單對齒嚙合區(qū)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(yīng)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(shù)m=0.2mm。

由上述計算結(jié)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(shè)計內(nèi)容可以明顯提升錐齒輪設(shè)計效益，改善其指標性能及設(shè)備性能。

2.3 電動舵機柔輪設(shè)計分析

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

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

標準模數(shù)m=0.1mm。

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

3 結(jié)語

一次性機械可以有效改善設(shè)備、系統(tǒng)的負荷效果，改善體系經(jīng)濟指標效益，已經(jīng)成為人們關(guān)注到的焦點。在對該設(shè)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(shè)計原理對設(shè)計內(nèi)容進行調(diào)整，實現(xiàn)一次性機械使用效益的最大化，從本質(zhì)上加速一次機械設(shè)計發(fā)展進程。

參考文獻

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

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

[3] 張自強，王麗，姜永全.芻議一次性機械設(shè)計理念

[J].旅游縱覽（下半月），2014，（4）.

[4] 呂明.機械設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢研究[J].廣東石油化工學(xué)院學(xué)報，2012，（6）.

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

（責(zé)任編輯：周 瓊）