淺析機械設計與設備維護成本的關系

王大煒，李曉劍

（廣東亨通光電科技有限公司，廣東 東莞 523808）

隨著我國現代化程度不斷提高、人工成本不斷增加，機器代人成為一種發展趨勢。設備若想穩定運行離不開高質量的維護，維護意味著人工和物料成本的投入。因此，機械設計人員在設計的過程中，不僅要能夠實現所需功能，還得考慮設計的設備，在后期的維護成本能夠最低。在設計中，不斷學習立足實際，積極聽取客戶在使用過程中遇到的問題，不斷提高改善，降低后期的維護成本。下面將結合在工廠設備維護及設計中遇到的問題進行分析總結。

1 合理的結構能夠降低設備故障率

1.1 載荷較大的軸，盡量做到一體化

鋼絲放線架，其主要功能是配合產線主動放出鋼絲。原廠家對于頂緊頭的設計部分，采用分體式結構。該設計為轉軸與固定座之間由軸承連接，輸出端采用螺栓與頂緊頭部分連接。在使用過程，由于鋼絲盤具整體較重，且盤具與頂緊頭內孔間存在一定的間隙，因此，在旋轉放線過程中，頂緊頭部分受到反復的交變應力沖擊易造成螺栓斷裂或松動，從而產生故障，甚至造成質量事故。通過數據分析，采用分體式結構的頂緊頭，基本上3個月左右會出現一次故障。出現故障后，往往伴隨隨著螺紋孔的破壞，需要重新更換配件或是加大孔徑重新攻絲。這樣處理，配件一般需要500元左右。而重新攻絲則會浪費2h左右的時間，造成產能的浪費。針對反復出現的故障，通過分析。由于負載較大，分體式的結構采用螺栓連接，無法承受實際工況的沖擊應力。因此，我們針對此問題進行結構優化，直接采用一體式結構解決該問題。在優化為一體式結構后，連續跟蹤2年沒有再次出現過相同故障。

1.2 對于軸的階梯部分要盡量避免應力集中

因為應力集中導致斷軸的案例屢見不鮮，比較容易出現于軸的不同直徑銜接處。為了在軸上安裝各種旋轉體而制成多數階梯部分，由于這種階梯部分存在應力集中，處理不到位容易造成斷裂。未作處理的軸連接處直接為直角，為了減輕其集中程度，需要將階梯部分的R增大到必要的界限。這樣能夠在很大的程度上減少階梯部分的斷裂故障。例如某一設備放線架驅動軸，直徑28部分與減速機相連。前期因為沒有對應力集中處進行處理，導致在短短的1個月內連續斷軸2根。每次都是應力集中處斷裂，造成了多起質量事故。針對此問題，通過分析后，判定為細軸與其他直徑銜接處未做處理，導致應力集中。優化方案在原有軸整體結構不變的基礎上，應力集中處采用R5的圓弧處理，減小應力集中程度。處理后，該軸的使用壽命大大提升，消除了斷軸隱患。

1.3 軸承座孔內盡量不設置臺階

機械設計中，根據特定的場合經常會用到非標準軸承座。自行設計軸承座往往會用到2個或者跟多軸承，一般我們需要考慮軸承的限位問題。其中常用的限位方式有兩種：第一，采用軸承安裝孔內設置臺階的形式，將軸承裝入軸承座后，在軸承座端面設置端蓋即可限定軸承的自由度。第二，直接將軸承孔安裝座加工為通孔，然后在軸承座內部加入隔圈將軸承隔開，最后在軸承座的端面設置端蓋，從而實現軸承的固定。以上兩種方式均可以實現軸承座中軸承的位置固定，在加工精度足夠高的情況下使用效果基本沒多大區別。

但是，在實際設備制造和設備維護過程，其實兩種結構的軸承座使用效果有很大區別。孔內設置臺階結構，在加工過程必須要進行調轉方向重新裝夾后，才能加工另一側軸承位。掉頭裝夾過程費時費力，且裝夾過程不能保證裝夾的同心度。因此，加工完成后，兩側的軸承位同心度會出現一定的誤差，從而影響軸承的同心度。軸裝入兩個軸承的過程會出現，單獨安裝一個軸承旋轉靈活，而兩個軸承同時裝入軸后，出現卡頓問題。這種情況針對轉動慢的機構，影響較小。但是對于轉動速度快的機構會因為不同心造成旋轉不靈活的問題，這時同一個軸承座的中的兩個軸承會受到軸的一個“扭力”從而導致軸承滾珠與軸承體摩擦力增大。長時間運行過程，就會出現軸承過熱問題。嚴重時會造成軸承卡死，從而導致整個機構故障。

自制軸承座，軸承安裝為采用通孔形式制作，加工難度大大降低。同時由于不需要調轉方向重新裝夾，“一刀成型”能夠極大的保證兩個軸承位的同心度。對比兩種結構，軸承座孔采用通孔結構，為更優方案。

2 適合的材料能夠延長配件的使用壽命

2.1 軟接觸磨損件表面采用陶瓷材料能夠延長耐磨周期

設備實際使用過程部分零件會直接與原材料產生摩擦（滑動摩擦），比如分線板，過線孔等工作時一直會與線狀原材料（簡稱線材）之間產生摩擦。雖然，分線板采用金屬材料制作，而線材為塑料。線材硬度遠遠小于分線板的硬度，但是日積月累的情況下，分線板還是會出現磨損。而磨損就意味著需要進行更換，嚴重的會導致線材與磨損的凹痕卡死造成的質量事故。其實硬度和韌性之間一直都站在一個“對立面”，要求高硬度意味著要犧牲其韌性，反之亦然。有沒有一種材料，硬度高、韌性好、價格低？這對于很多設備降低維護成本就成為了重中之重。通過反復試驗綜合考量成本的基礎上，分線板主體部分采用鋁合金加工，然后在其過線孔處鑲嵌99陶瓷孔，成為最優方案。通過該方案處理后，分線板這一配件的耐磨性將極大的提升，瓷孔使用2年基本上都看不到磨損痕跡。即使出現磨損，也只需要有針對性的對單個陶瓷孔進行更換。因為陶瓷孔屬于標準件，單價約為1元左右，所以能夠大大的降低設備的維護成本。后通過長時間的驗證對比，陶瓷材料相對于金屬在耐磨性上有著絕對性的優勢。無論是孔、桿、圈等會與物體產生小應力摩擦的場景，都可以采用“金屬+陶瓷”的組合形式來一勞永逸的解決問題。

2.2 懂得“舍卒保車”能夠大大的降低維護難度

合理的選用材料，以及選擇合適的材料組合形式，能夠大大降低維護難度。而在機械設計上，我們也會對不同零件的使用壽命做出取舍。比如梯形絲桿與螺母，設計過程中，螺母的更換難度和加工難度相對較低。因此，我們會采用黃銅來制作螺母，以犧牲銅螺母的形式來延長絲桿的使用壽命。又如直流電機的換向器與碳刷之間的關系，直流電機的換向器與轉子相連，其出現故障后，更換和維修的難度和成本相當的高；而碳刷為標準件，價格便宜，且更換起來較為方便。因此，電機設計師采用了二者組合的形式來降低維護難度和成本。總的來說，機械設計的“舍卒保車”更多的是壽命、性能、制造成本之間的平衡和最優解。

3 合理的設備制造成本能夠減少后期維護成本

3.1 選用性價比高的配件能夠降低維護成本

設備后期的維護費用高低，其實與設備本身制造成本也有一定的關系。設備制造過程奠定其“基因”，“基因”的好壞能夠決定設備“存活”的壽命。從狹義的角度來講，設備制造過程中選用的配件質量越好，設備后期使用過程出現故障的幾率越低。但是，設備制造過程不可能不考慮成本，畢竟設備公司不僅需要訂單也需要盈利。因此配件的質量與成本之間我們需要找到一個最優解--性價比最高。進口的配件不一定就是最好的，如果國產質量過關的情況下盡可能多的選用國產品牌有利于降低制造成本。并且，后期如果出現問題，國產配件的價格和購買難度相對于進口品牌有著明顯的優勢。

3.2 盡可能多的使用標準件來降低制造和維護成本

“標準件是指結構、尺寸、畫法、標記等各個方面已經完全標準化,并由專業廠生產的常用的零(部)件,如螺紋件、鍵、銷、滾動軸承等等。標準件的生產具有批量性的特點，在大批量的制造背景下，往往實現自動化生產。因此，單件的生產成本能夠大大的降低。機械設計人員在設計中在條件允許的情況下，盡可能多的使用標準件，從而減少非標件的使用。可以降低設備的制造成本，同時也可以降低設備使用客戶的維護成本。

4 結語

以上是關于機械設計與設備維護成本關系的幾條重要因素的分析內容。科技的不斷發展，社會的不斷進步，各種機器設備的應用越來越豐富是必然的趨勢。因此，降低設備后期維護成本是設備機械研發、維護人員需要重點考慮的內容，機械設計人員同時也要不斷探索新的技術從而實現并達到降本目的。隨著“工匠精神”的不斷發揚，相信未來的設備競爭力不僅僅在于價格的低廉，更在于設備本身的品質以及在設備的全生命周期里具有優越的超高性價比。