非標試驗設備設計開發流程

李光輝

摘 要：文章從四個方面闡述了非標試驗設備設計的特點，介紹了其一般設計開發流程;然后對于設計過程中計算相關的問題給出了相應的計算原則及方法;最后對于設備中關鍵件的選型原則及方法做了詳細介紹。

關鍵詞：非標;試驗設備;能量守恒;強度理論

前言

試驗是產品設計開發的重要環節，首件制造出來后，需在試驗設備上進行相關試驗，來驗證產品的技術性能，以及其安全可靠性。

產品技術的發展很大程度上取決于試驗技術的發展，其競爭實際上也是試驗技術的競爭。

鑒于市場上產品的多樣性，很大部分并沒有專用的試驗設備，因而需要根據產品試驗的具體需求進行相應試驗設備的設計開發。而非標試驗裝備就是專門設計和制造的非標設備。

1非標試驗設備設計的特點

因為沒有較為標準的設計開發流程，所以對于非標試驗設備的設計開發比較復雜，其設計特點主要表現為以下幾個方面。

1）單件小批量

非標試驗設備需要根據用戶的具體需求由相關企業進行設計制造，這個特點就決定了非標試驗設備大多是單件或者小批量的生產。

2）設計難度大

非標試驗設備在設計制造過程中，不可能像標準設備那樣有足夠的設計經驗數據和完整的制造工藝工裝，以及必要的試制和試驗，因此設計開發過程較為困難，主要有以下幾個方面：

（1）缺少可直接采用的設計計算方法、資料和實踐數據。

（2）缺少加工工藝裝備，制造高精度和高質量困難。

（3）設計周期比較短，缺少完整的試驗及改進過程。

（4）受數量少品種多影響，材料與熱處理的選擇受制約。

3）多采用焊接結構

由于非標試驗設備單件小批量的特點，設備所需的結構件種類較多，但是數量較少，應盡量采用焊接件來代替鑄、鍛件，可以降低制造成本和縮短制造周期。

4）可靠性要求高

設備需要長期安全可靠的運行，因此對于設備的可靠性要求極高。

2非標試驗設備設計流程

非標試驗設備設計并沒有一成不變的設計步驟。根據經驗，其設計流程有共同性和一定的差異。在實際設計中可以根據具體情況加以變動，其設計流程大致如圖1所示。

3相關設計計算

1）設計計算的特殊性

非標試驗設備設計計算中，很大一部分不能直接套用現成的計算方法和計算公式，且設計計算的安全系數一般稍大一些，同時設計計算的關鍵是如何把用戶對設備的要求和所提供的數據正確變換成設計計算的參數和依據。

2）設計計算的可靠性與高效性

設計計算的可靠性一般都取決于計算的依據和方法是否正確，同時還要重視設計計算的工作效率。

對任何非標試驗設備所需功率或設備所需要的能量，都可以采用能量守恒原理來計算。

非標試驗設備的強度計算，通常都要依靠理論分析并結合實際要求找出可靠的計算方法，安全系數和許用應力的選取范圍都很大。由于缺乏經驗往往容易出現零件強度尺寸過大或過小的問題，因此需要簡便實用的計算方法：最大主應力理論、最大線變形理論、最大剪應力理論。

4非標試驗設備關鍵件設計選型

我公司長期從事齒輪傳動系統產品的非標試驗設備的設計開發，其關鍵件主要包含以下幾個部分：電機、聯軸器、軸與軸承、焊接結構件等。

1）電機選型

影響電機選型的因素有很多，其中主要有被試產品的功率P、轉速n以及扭矩T，實際選型中，需要根據產品試驗的實際需求綜合考慮上述因素：

a）電機的功率應根據被試產品的額定功率來確定，電機功率應留有余量，一般為10%-20%的余量。

b）電機轉速應盡量與產品的工作轉速相同，當轉速很低或很高時，需要根據所使用的變速機構特性選擇電機的轉速。

c）電機的扭矩可根據公式T=9550P/n計算得出，若計算得出電機扭矩小于產品試驗所需扭矩，應相應提高電機功率。

2）聯軸器

聯軸器用于相同轉速兩軸之間的連接，其主要功能有：

a）連接轉速相同的兩軸，傳遞轉速和扭矩

b）補償兩軸之間的位置及角度誤差，以消除或減少其危害

c）吸收震動，減少沖擊

聯軸器主要分為剛性和撓性聯軸器，實際選型中要根據具體需求進行選擇，應考慮以下幾方面因素：

a）傳遞扭矩的大小。

b）工作轉速。

c）兩軸不對中大小要求。

d）可靠性及使用環境。

e）成本。

3）軸與軸承

軸是機械設備中重要的零件之一，其上安裝有各種傳動零件，用以傳遞轉矩和轉速;軸又通過軸承安裝在機架上，形成以軸為基準的軸系。軸的設計應滿足合理的結構、足夠的強度、必要的剛度和振動穩定性及良好的工藝性等要求。通常設計步驟如下：

a）根據機械傳動總體布局，擬定軸上零件的布置和裝配方案;

b）選擇軸的材料;

c）初步按強度和剛度估算軸的直徑;

d）進行軸系零部件的結構設計，校核軸鍵連接強度及軸承的承載能力;

e）對于重要的軸應進行強度的精確校核計算;

f）有必要時，校核軸的剛度及臨界轉速;

g）根據上述計算結果修改設計;

h）繪制軸的零件圖。

軸承作為軸的旋轉支撐部件尤為重要，軸承選擇時應考慮以下幾個因素：負荷大小、轉速、允許空間、調心性能、剛性、摩擦力矩與噪聲、軸向游動、安裝拆卸、價格。

除了軸承的選型外，軸系的設計還包含軸承支撐形式的選擇，軸承支撐形式主要有以下幾種形式：

a）一端固定一端游動：適用于旋轉精度高的長軸。

b）兩端固定：適用于旋轉精度不太高的短軸。

c）兩端游動：應用于軸的軸向位置由其他零部件限定時，如人字齒傳動。

4）焊接結構件

前面講到由于非標試驗設備單件小批量的特點，設備所需的結構件種類較多，但是數量較少，因此多采用痕接結構件，其選用原則如下：

a） Wc<0.25%的低碳鋼，Wc<0.4%的低碳合金鋼焊接性能好盡量選用。

b） 強度等級低的低合金鋼可焊性與低碳鋼相似，但強度比低碳鋼高，適當選用低合金鋼代替低碳鋼可以節省鋼材，減輕結構重量。

c） 盡量減少異種金屬的熔焊，減少出現問題的復雜性，避免無法使用熔焊的方法獲得滿意接頭。

d） 盡量選用尺寸較大的原材料或型材，以減少焊縫的數量。

e） 盡量選用廉價材料，以降低成本。

結語

試驗是產品研發必不可少的一個環節，通過試驗可以發現產品設計制造后存在的問題并及時進行修改，隨著產品功能集成化程度以及可靠性方面的需求不斷提高，對于非標試驗設備的試驗能力及可靠性要求日益嚴格。總而言之，進一步的分析非標試驗設備的設計特點及設計需求，同時進行效率提升，從而保證其設計的精確性及高可靠性。

參考文獻

[1]非標設備設計及加工分析[J].初文博，劉明哲.山東工業技術.2019（10）： 35

[2]淺談非標準設備設計方案的擬定及零件的合理設計[J].季平.科技創新與應用.2015（18）：12536D6A94A-4452-47CD-897D-50B2B247FD84