機械結構設計常見問題及改善措施

張京葉

（山東豪邁機械有限公司，山東濰坊 261500）

0.引言

機械產品是社會經濟發展的主要動力設備，其機械結構設計的改善，對于機械生產效能的提升有著重要意義。目前，機械產品的技術集成度高，應用了大量的新技術、新材料，向著大型化、精密化、精細化方向發展，對于機械結構設計來說無疑是一項巨大的挑戰。但在機械結構設計中存在的常見問題，影響到結構設計的品質，甚至埋下生產與使用中的諸多隱患，需要在結構設計階段進行妥善的處理，以彌補結構設計中的不足。

1.在機械結構設計中比較常見的問題

機械結構設計是機械產品制造的基礎，占用機械整體設計時間甚至超過了80%，即使在嚴格設計質控的情況下，機械結構設計仍然會出現一些常見的問題，需要在實際設計過程中予以高度的關注以及采用針對性的解決方案[1]。

1.1 常見的溫度問題

制造機械設備的原材料在空氣環境下，受到熱脹冷縮的影響，導致機械結構中構件尺寸發生一定的變化，尤其是大體積的構件表現更加明顯，比如構件的長度增加，整體體積變大等，需在機械結構設計階段充分考慮機械產品在冷熱溫度下的體積變化。但是在實際的機械結構設計中，由于溫度對設計效果無任何的影響，使得設計階段針對溫度問題考慮不夠充分，進而埋下了機械產品投入使用后的故障隱患。為了解決這一問題，設計人員在機械結構設計階段，需給構件預留一定的尺寸空間，使其在溫度過低和過熱的情況下，可以有充足的伸縮空間，維持機械設備的正常運行，例如，在機械產品底座設計中，采用移動設計取代固定設計，從而消除和解決機械產品使用過程中的溫度影響，提高結構設計的品質。

1.2 常見的軸承結構問題

軸承結構是機械結構設計中非常重要且使用頻率較高的設計要素，實際設計中應用的軸承結構類型非常多，比如滑動軸承，使用耐磨材料制造，沒有滾動體，適用于低速、輕載，或是難以維護的機械轉動部位。還有滾動軸承，有向心軸承、推力軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承，以及單列軸承、雙列軸承、多列軸承，按照大小分類的微型、小型、中型、大型等軸承。不同類型的軸承之間存在著較大的差異，滑動軸承無內外圈，結構間隙較大，而滾動軸承結構由套圈、滾動體、保持架組成，結構的間隙較小。此外，軸承為機械產品的消耗構件，在使用過程中會逐漸磨損，如果磨損過大，則易引起軸心偏移，不利于機械的正常運行。為了解決這一問題，在設計中應盡量選用密封結構的軸承，以減少軸承磨損導致的機械故障。

1.3 傳動結構設計存在問題

傳動結構是促使機械動作的構件，具有傳遞機械動力的功能。目前，在機械結構設計中應用較多的是帶傳動或是鏈傳動，這2種傳動結構設計的關鍵是結構的受力，比如整個帶傳動結構在運行過程中受力不同，受力大的位置柔性帶的張緊力大、下垂的角度小。受力小的位置張緊力小則角度大，在實際設計中需重點關注這一問題。鏈傳動結構也存在受力不同的情況，受力表現正好與帶傳動相反。以鏈條為例，如果在設計中未充分考慮到受力問題，整個鏈條受力不均衡，在傳動過程中發生跳齒或脫鏈的概率較大，并且增加鏈條磨損程度，提高鏈條拉斷的概率。

1.4 高速旋轉體設計問題

高速旋轉體在機械結構中運行速度較快，也是機械結構設計中比較容易出現問題的方面，通常在設計中遵循著高速旋轉軸的連軸器螺栓頭部，以及螺母在設計時需要超過法蘭面的原則。但是高速旋轉體在高速運行過程中會形成大的氣流，結構設計出現失誤會形成較大的安全風險，對機械產品的運行產生不良的影響。對高速旋轉體結構設計時，可在其端口位置設計防護裝置，阻攔高速旋轉體運行產生的強大氣流，避免氣流對機械結構中其他零部件的不良影響。

2.改善與優化機械結構設計的措施

2.1 圍繞使用功能開展設計

（1）改善功能設計。機械結構設計的前提是明確用戶對于使用功能的要求，圍繞功能開展設計，以實現設計與用戶需求的一致性。因此，在實際的結構設計中，應以使用功能為設計的指導，理清功能設計的思路，從機械結構整體上進行設計的考慮，并從設計的細節入手，合理規劃結構設計，準確計算出各個構件的受力，協調各個零部件、構件之間的關系，完全滿足用戶對于使用功能的需要，最終實現結構設計創造更大的經濟價值與生產效益。此外，還需提高機械設計的附加經濟價值，在功能性滿足用戶需求后，應注重機械結構使用安全性與操作簡便性的設計，機械結構是由各種各樣的零部件組裝而成，每個零部件在機械結構中都有著自己的實際用途，通過巧妙的組合排列進行機械功能的優化調整，以獲取到最佳的功能，需在結構設計中進行零部件安裝位置和安裝方式的不斷調試、仿真模擬，使零件與安裝位置高度貼合，提升整個結構各個零部件的協調性，實現機械功能設計的深化[2]。（2）優化功能配置設計。功能是機械結構設計的核心，影響著機械結構設計的效果。在改善使用功能設計的同時，需將功能在機械結構中進行合理的配置，將機械的各項功能進行分解，并分配給結構中的各個零部件，由各個零部件之間的協調配合以實現機械設備對于功能性的要求。也就是說通過功能的逐一分配，使眾多零部件合理組合，相互協調配合聯動，達到功能配置優化設計的目的。在功能配置設計中，應從整體結構入手，將功能配置在最小零件單元的同時，由多個結構負責一個功能，采用創新設計理念，減少單個零部件的運行壓力，平衡整體結構的荷載，減少單個零件或構件的消耗程度，延長機械產品的生命周期。

2.2 優化機械外形設計

機械產品在完善功能性的同時，還需注重其外形設計的優化。機械產品的外形決定著能否聚焦用戶的視覺，建立起機械產品在用戶心中的形象，左右著用戶的購買行為。所以，外形設計的優化是機械結構設計的關鍵，同時機械外形對于使用的舒適性也有著一定的影響。外形設計主要涉及機械結構的形狀、尺寸、美感等3個方面，通過外形設計的優化，進行結構零部件的優化配置，使用最少的零部件及最小的成本設計整個機械結構，達到提高機械結構設計經濟性的目的。具體措施有如下2點[3]：

（1）零部件數量的合理控制與優化配置，對設計機械結構所使用的零部件進行綜合性的測評，包括使用的功能性參數，在機械運行過程中零部件的使用頻率。（2）進行綜合測評數據的整理，明確結構中各個零部件的應用情況，將其中應用表現差的零部件去除，選擇性能更好的零部件替代，提高整個機械結構設計的品質，最終獲取最佳性價比的結構設計。

2.3 選用合適的材料

機械產品在運行過程中，其結構中的零部件處于持續消耗狀態，不同位置的構件消耗情況不同，比如軸承的日常消耗較大，應在結構設計中根據構件的位置與功能注重其制造材料強度與剛度的選用，以保證構件設計的可靠性。機械結構設計中構件材料的選用非常關鍵，如果材料強度與剛度選用不當，機械運行過程中荷載一旦超出了構件承受范圍，容易引起變形、斷裂等問題，由此導致機械設備運行故障，直接挫傷用戶的使用體驗，甚至產生不必要的糾紛。在材料選用時需要做好以下幾點：

（1）在結構設計中，根據機械產品的使用年限，構件在結構中的位置、實際用途，以及機械的功能性等，精確計算每個零部件所要承擔的荷載參數。（2）確定選用的材料后進行實踐驗證，對選用的材料開展實驗室檢測，確定材料的最大承載能力是否在計算荷載最大值的范圍內。（3）在確定選用材料無問題后，根據構件材料的強度、剛度以及其他特性指標進行其相關變量的設計調整，實現構件設計整體的改善與優化。

2.4 設計與生產工藝對接

機械結構設計最終將由生產制造得以實現價值。為了提高機械結構設計的可行性，在設計階段進行機械產品生產制造工藝的改善，規避生產風險，提高生產的質效。從機械產品生產制造本身來看，不同企業的生產制造工藝、自動化水平有著較大的差異，并且采用不同的質控標準與工藝流程。在機械結構設計中，根據生產實際采用成熟的科學技術并在設計階段進行實驗驗證，以及在應用新技術與新材料進行設計創新中，要結合企業的生產制造條件與水平，進行設計的可行性論證，在對接生產工藝的同時，對生產工藝進行優化調整，以保證機械結構設計順利地轉化為成果。

2.5 踐行綠色節能設計理念

機械產品無論是在生產制造過程中還是在投入使用后，都會涉及能源消耗與污染問題。在設計階段充分運用綠色節能設計理念，提高機械結構設計的環保性能，以實現設計理念的升華。綠色節能是各行各業發展的主要方向，在機械結構設計原材料的選用中，可采用新型環保材料，或者在零部件設計中融入綠色環保理念，采用節能新技術踐行環保設計，在確保功能的基礎上盡量減少零部件的使用數量，或者是在生產制造環節采用綠色節能的生產設計等以提高生產原材料的利用率，減少生產上的資源消耗，提升機械結構設計的節能環保水平，為機械制造的綠色節能生產貢獻最大的設計力量。

3.機械結構設計中需注意的要點

3.1 重點關注用戶需求

機械結構設計的主要目的是實現機械產品的功能性，而用戶的需求則是設計開展的前提。為了保證機械結構設計與用戶需求的一致性，在結構設計之前應深入市場開展實地調查，評估設計機械產品的市場發展趨勢，廣泛征求用戶建議，重點關注用戶需求，并以超前設計、實用性設計為方向提高機械產品的功能性，實現機械結構設計最大化的經濟價值。

3.2 嚴把設計質量關

機械結構設計直接決定著機械產品功能性與使用價值，一般在設計中遵循的是穩定性、協調性，以及剛度、強度等要求，最大限度地提高使用性能。此外，機械產品對于使用的安全性，操作的簡便性，以及生產可操作性等都有著較高的設計要求。在機械結構設計中，要選擇好制造機械的原材料，并出于生產制造、使用性能、生產工藝等多方面的考慮，對機械結構設計進行細節性、精致化的質量把關，動態化質控設計全過程，實現設計各個環節與生產各個環節的對接，持續地優化與深化設計，提前規避和解決機械結構設計生產實施過程中的各項問題，從而全面提高設計的可行性[4]。

3.3 加強設計創新

創新一直以來是機械結構設計領域的主旋律。一方面，功能性創新。設計在滿足用戶需求的基礎上，根據當下機械產品自動化、智能化、智慧化發展的趨勢融入最前沿的設計理論與設計思想，采用新型環保材料，融入柔性設計理念，進行功能設計的調整，提升設計的裝配性與功能性。另一方面，設計創新。機械結構的設計水平將直接體現在最終的機械產品上，一個高水平的設計可構建產品的核心競爭。因此，機械結構設計需始終圍繞設計創新開展，不僅要學習借鑒同行的設計理念和設計思想，還需積極引進國外的先進技術，整合當下機械結構設計的資源，進行創造性、創新性的設計，從而獲取最優的設計成果。

3.4 突顯智能化設計

智能化是機械產品未來發展的方向，現階段，很多行業已經使用了智能機器人，比如，演奏機器人、巡線機器人、手術機器人、焊接機器人等，尤其是生產制造行業，構建了自動化、智能生產線，打造智慧車間，借助機器視覺實現生產的精準操作，極大地提高了生產制造的質量與效率。機械結構應著重突顯智能化設計，采用智能化模擬軟件進行機械結構各個部分的仿真模擬與調試，以增強設計的精度。在設計階段進行機械結構零部件的裝配模擬，促進設計與生產實際的相適應，把控好設計的各項細節，同時聯合運用虛擬設計、有限元分析等，及時解決結構設計不匹配的問題，提高設計的智能化水平。

4.結語

機械結構設計質量決定著機械的生產品質、使用的功能性與安全性，對于其經濟價值的實現有著直接的影響，其在機械生產制造中占據著主要地位。在機械結構設計中，應從機械結構整體設計入手，結合設計中常見的問題，按照用戶的實際需求進行功能與外形的完善設計，優化配置功能，并與生產工藝進行對接，嚴把原材料的選用質量關，以持續改善機械結構設計，全面提高機械結構設計的品質。