徐 杰

（上海冠卓企業(yè)發(fā)展有限公司，上海201508）

0 引言

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項極具創(chuàng)新力的工作，有利于國家的發(fā)展，好的結(jié)構(gòu)設(shè)計既能提高機械的工作效率，還能帶來更多的經(jīng)濟、社會效益。

1 變元法

機械設(shè)計中的最主要環(huán)節(jié)為結(jié)構(gòu)設(shè)計，即將機械工作原理變成技術(shù)圖紙。變元法最早來自于德國，劉揚松［1］對變元法作了補充和改寫，變元法運用范圍較廣，應(yīng)用其進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先確定一種基本結(jié)構(gòu)方案，然后進行多種結(jié)構(gòu)的開發(fā)。變元法主要包括機械結(jié)構(gòu)的變元和通過對這些變元的創(chuàng)造性改造設(shè)計出不同的結(jié)構(gòu)方案。

1.1 機械結(jié)構(gòu)變元

機械結(jié)構(gòu)的變元主要包括數(shù)量變元、形狀變元、材料變元、位置變元、連接變元、尺寸變元和工藝變元7個方面。各變元要素的主要改變因子如表1所示。

表1 各變元要素的主要改變因子

1.2 不同結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)造及原則

設(shè)計者可根據(jù)所設(shè)計機械產(chǎn)品的性能和特點，結(jié)合自身所學的知識和經(jīng)驗，靈活地利用變元，運用創(chuàng)造性思維，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的八大準則創(chuàng)造設(shè)計出不同的結(jié)構(gòu)方案。八大準則包括遵循力學、工藝、材料、裝配、防腐蝕、公差配合、支承和安全與外觀準則。

2 機械傳動結(jié)構(gòu)抗磨損設(shè)計要點

傳動結(jié)構(gòu)是機械設(shè)備核心組成部分，具有動能有效傳輸?shù)墓δ埽С种Y(jié)構(gòu)的運轉(zhuǎn)。而磨損是傳動中的一個常見問題，因此，對傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計要以抗磨損改造為目的，制定出相應(yīng)的方案。通常情況下包括鏈傳動的抗磨損設(shè)計和齒輪傳動的抗磨損設(shè)計。

2.1 鏈傳動的抗磨損設(shè)計要點

防止高速傳動過程中由于鏈傳動磨損造成的較大噪聲和較強振動導致鏈條突然斷裂，減輕鏈與鏈輪嚙合時的沖擊，避免鏈條鉸鏈的磨損造成跳齒和脫鏈現(xiàn)象。通常從鏈輪齒數(shù)、鏈條節(jié)距、中心距和鏈長的改造入手。

2.1.1 鏈輪齒數(shù)

鏈輪齒數(shù)的確定通常有兩種辦法，分別根據(jù)鏈傳動所承擔的荷載大小并結(jié)合鏈輪型號的規(guī)定進行。大鏈輪，齒數(shù)相對較少，增強了鏈條、齒輪的配合力；小鏈輪，齒數(shù)相對較多，這樣才能保證鏈傳動的平穩(wěn)性，降低鏈傳動的動荷載。一般鏈條節(jié)數(shù)為偶數(shù)，鏈輪齒數(shù)、鏈條節(jié)數(shù)互為質(zhì)數(shù)，并不采用過渡接頭的組裝方式。

2.1.2 鏈條節(jié)距

理論情況下鏈傳動隨著節(jié)距的增大整個傳動結(jié)構(gòu)荷載能力變好，但實際卻是節(jié)距越大，鏈輪荷載力受到的沖擊越大，因此，需要盡量選擇節(jié)距較小的鏈條，并且小節(jié)距多排鏈比大節(jié)距單排鏈效果好。

2.1.3 中心距及鏈長

為了降低鏈條和鏈輪相互間的摩擦力，提高機械傳動的運行效率，在設(shè)計過程中要合理控制中心距和鏈長，通常中心距a＝（30～50）p≤80p。鏈長通常用計算公式計算出所需的鏈節(jié)數(shù)（整數(shù)，且為偶數(shù)）表示。

2.2 齒輪傳動的抗磨損設(shè)計要點

兩個直徑不同的齒輪在嚙合過程中可能出現(xiàn)嚴重的磨損，對設(shè)備的操控性能帶來損害。齒輪傳動的重要參數(shù)主要包括輪齒、齒槽、端面、法面、齒頂圓、齒根圓等，其優(yōu)化設(shè)計包括對閉式齒輪傳動及開式齒輪傳動的結(jié)構(gòu)改造。兩者均主要從降低齒輪表面溫度的角度來減少磨損的發(fā)生，如選用具有較高強度的金屬制作材料，使齒根具有良好強度，不會由于受熱而發(fā)生彎曲。

3 優(yōu)化及評價方法

通常采用模糊綜合評判法對結(jié)構(gòu)方案進行綜合評價，對結(jié)構(gòu)方案的技術(shù)經(jīng)濟指標、社會效益、工藝性、可操作性、維修性和安全性等進行比較，從所有備選方案中選出最優(yōu)方案。因此，可以構(gòu)建重要零件或機構(gòu)的數(shù)學模型，其結(jié)果較為真實，可作為完善與改進結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，最后實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的綜合優(yōu)化。數(shù)學模型一般對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的數(shù)量變元、尺寸變元進行直接描述，其他變元僅間接描述或不描述，因此，也不能過于依賴數(shù)學模型，還可通過可靠性設(shè)計與有限元分析對結(jié)構(gòu)中重要零部件或機構(gòu)進行綜合性分析。

4 某洗煤廠Q:MD"#!／"!!!型壓濾機拉板傳動鏈輪改造設(shè)計

4.1 傳動鏈運行現(xiàn)狀

XMZG120／1000型廂式壓濾機能對大量含細精煤粉煤漿有效脫水，電機功率為5.5kW，鏈速在8～25m／s之間，拉板為液壓馬達鏈傳動。在洗煤廠的實際使用中發(fā)現(xiàn)原傳動鏈條和傳動齒輪均使用了非標準件，拉板鏈條節(jié)距較大，與鏈速不匹配，存在打滑現(xiàn)象，而煤泥水對鏈條腐蝕嚴重，導致磨損嚴重并出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

4.2 改造設(shè)計方法

除嚴格控制拉板變形、壓密不嚴與濾布破損，加強煤泥水清理、濾布沖洗更換及鏈條防護外，還應(yīng)對原鏈條進行標準節(jié)距改造（尺寸變元），根據(jù)鏈條節(jié)距的標準要求設(shè)計傳動鏈輪，確定標準鏈輪尺寸，以滿足洗煤廠的使用要求，減少磨損和打滑等現(xiàn)象。

4.3 相關(guān)設(shè)計計算

（1）根據(jù)《機械設(shè)計手冊》齒輪齒數(shù)選擇表確定出XMZG120／1000型廂式壓濾機主動輪與從動輪的齒數(shù)均為25。

（2）根據(jù)傳動比i＝1＜1.5，和中心距a＝6 000mm＞60p，根據(jù)相關(guān)公式計算得出鏈條節(jié)數(shù)為498。

（3）在選用單排鏈的基礎(chǔ)上，查《機械設(shè)計手冊》多排鏈系數(shù)表，最終確定傳動鏈鏈號為16A，鏈節(jié)距為25.4。

（4）改造后核算評價包括對中心距和鏈速的驗算，最終證明該設(shè)計是合理并符合要求的。

（5）齒頂圓直徑da＝P（0.54＋ctg180°／Z），此傳動鏈所需尺寸大小為214.77mm。節(jié)圓直徑d′＝P／sin180°／Z，計算結(jié)果為202.665mm。齒根圓直徑df＝d′－dr，其中dr為滾子外徑，15.88mm，計算結(jié)果為186.785mm。最大齒根距離Lx＝d′cos90°／Z－dr＝186.385mm。齒側(cè)凸緣最大直徑計算：dh＝P（ctg180°／Z－1）－0.80＝174.93mm。

（6）鏈輪齒形應(yīng)保證鏈節(jié)平穩(wěn)而自由進出嚙合，便于加工，并符合GB1244—85規(guī)定齒形。鏈輪材料應(yīng)有足夠接觸強度和耐磨性（材料變元）。按鏈輪應(yīng)用范圍查《機械設(shè)計手冊》中鏈輪常用材料表，取40!，熱處理后硬度40～50HRC。

4.4 改造效果

在此后的運行中，故障時間平均縮短了5～10min，節(jié)省損失200萬元左右。研究發(fā)現(xiàn)，對傳動鏈的抗磨損創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)了傳動鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化和標準化。

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)予以相應(yīng)改造，能夠明顯提高機械的安全系數(shù)、運轉(zhuǎn)性能以及生產(chǎn)質(zhì)量等。對于機械傳動結(jié)構(gòu)而言，抗磨損設(shè)計屬于常見的、典型的改造手段，因而設(shè)計人員有必要結(jié)合機械傳動結(jié)構(gòu)本身的性能和特點，充分做好抗磨損結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改造工作。在設(shè)計機械結(jié)構(gòu)時，我們必須不斷進行改進和創(chuàng)新，提高機械的安全系數(shù)、運轉(zhuǎn)性能以及生產(chǎn)質(zhì)量等，使機械更加優(yōu)化。

［1］劉揚松.機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計及其優(yōu)化［J］.石油機械，2000（2）