王 博，鄧鵬程，李 淵，羅金成，鄒 輝

（1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100000；2.航天系統(tǒng)部裝備部軍事代表局，北京 100000；3.四川新川航空儀器有限責(zé)任公司，四川德陽 618300）

目前，機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研發(fā)和創(chuàng)新得到國家以及各個(gè)行業(yè)的普遍關(guān)注和廣泛重視，創(chuàng)新對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)具有非常重要的意義，它是推動(dòng)機(jī)械持續(xù)發(fā)展的原生動(dòng)力，只有通過創(chuàng)新才能讓機(jī)械結(jié)構(gòu)得到不斷改進(jìn)和提升，才能更好的適應(yīng)建設(shè)需求，才能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的工作和生活需要。

1 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1.1 材料的變?cè)?/h3>

在對(duì)機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)中，一般需要根據(jù)各種類型結(jié)構(gòu)選擇各種材料，在對(duì)制造材料進(jìn)行選擇時(shí)，根據(jù)對(duì)制造材料進(jìn)行變?cè)軌颢@得許多意想不到的收獲。通過對(duì)制造材料的特殊性能進(jìn)行改變，或是應(yīng)用機(jī)械材料自身特性研發(fā)出具有更加可靠和更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)設(shè)備。比如說對(duì)容易損壞的玻璃外表器件進(jìn)行固定設(shè)計(jì)時(shí)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以針對(duì)材料在柔性及剛性方面的不同特征，設(shè)計(jì)研發(fā)一款可以增強(qiáng)光學(xué)敏感器件抵抗沖擊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，由此實(shí)現(xiàn)把光學(xué)敏感器件應(yīng)用到具有較高的沖擊性振動(dòng)的環(huán)境中來。

對(duì)容易壞損的器件做固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，放棄較為傳統(tǒng)的剛性材料固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而是選擇橡膠型的約束墊加以徑向式的固定，之后再利用金屬型的固定環(huán)及路線固定板對(duì)其進(jìn)行軸向的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。兩種性質(zhì)不同的材料互為作用，即能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)部空間有效利用，又能夠增強(qiáng)容易損壞器件對(duì)高振動(dòng)及高沖擊環(huán)境的承受力。

1.2 數(shù)量的變?cè)?/h3>

在對(duì)機(jī)械的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)經(jīng)常遇到各種需要加以調(diào)整和完善的設(shè)計(jì)元素，其中結(jié)構(gòu)變?cè)ň褪亲詈唵巫罨镜囊环N創(chuàng)新方法，即通過對(duì)結(jié)構(gòu)中各種元素過行調(diào)整和完善，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能及品質(zhì)的提升，應(yīng)用這種變?cè)▽?duì)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新是最常用也是有效的。比如說，在進(jìn)行鑄件基本結(jié)構(gòu)的研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，為了不讓螺栓產(chǎn)生膠落，會(huì)選擇螺釘或是彈簧式的墊圈做為設(shè)計(jì)元件。以物理學(xué)基本理論為基礎(chǔ)看，使用這種設(shè)計(jì)辦法可以改變?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中相關(guān)元素的選取數(shù)量。以便設(shè)計(jì)研發(fā)多種功能集于一身的機(jī)械零部件，不僅能夠?qū)C(jī)械整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到有效的優(yōu)化作用，還能有效節(jié)省機(jī)械產(chǎn)品的安裝過程。

1.3 尺寸的變?cè)?/h3>

在機(jī)械設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)中有各種不同大小的零部件，它們同整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行有著密切的聯(lián)系，對(duì)于零部件的生產(chǎn)規(guī)格和使用需求有相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)做支撐，也存在給機(jī)械設(shè)計(jì)帶來損壞的不利影響。如果要想避免出現(xiàn)以上各種問題，相關(guān)結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際科學(xué)合理的運(yùn)用尺寸元素變?cè)k法，對(duì)設(shè)備零部件具體規(guī)格進(jìn)行升級(jí)和完善，以便實(shí)現(xiàn)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能的有效提升。

1.4 工藝的變?cè)?/h3>

機(jī)械產(chǎn)品的制造質(zhì)量取決于結(jié)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。其設(shè)計(jì)研發(fā)人員根據(jù)變?cè)ǖ幕纠碚?，以每個(gè)機(jī)械的零部件所具備的基本性能和準(zhǔn)確度以及安全保障作為基礎(chǔ)，進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新研發(fā)。按照機(jī)械工藝設(shè)計(jì)的制造標(biāo)準(zhǔn)，確保實(shí)現(xiàn)零部件的規(guī)格尺寸精準(zhǔn)無誤，確保零部件的外觀達(dá)到美觀性要求，從而對(duì)產(chǎn)品的性能和質(zhì)量加以保障。

1.5 TRIZ的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)創(chuàng)新中遇到各種問題及困難時(shí)，首先要把所有限制的條件加以隔離，采用理想化思維對(duì)問題進(jìn)行最終定義（idealfinal result，IFR），并以此對(duì)理想的解決方向及位置加以確定，從而確保在解決各種困難和問題時(shí)一直朝著即定方向及位置努力并最終取得理想的解決效果。由此可以有效防止傳統(tǒng)模式下的創(chuàng)新沒有目標(biāo)的問題，從而有效的提高了設(shè)計(jì)創(chuàng)新的質(zhì)量，推動(dòng)了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的進(jìn)程。TRIZ 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能夠把比較復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為簡單的問題，由此避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中固化性思維以及單一性專業(yè)的知識(shí)影響，從而突破知識(shí)的邊界限制，實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域和跨學(xué)科創(chuàng)新發(fā)展。

2 最佳優(yōu)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

以機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方案而言，會(huì)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品在實(shí)際中的應(yīng)用效果造成影響，因此在對(duì)方案進(jìn)行選擇時(shí)要給予充分的重視，也可以預(yù)先設(shè)計(jì)好多種結(jié)構(gòu)方案，然后對(duì)這些方案進(jìn)行對(duì)比和分析，最終選擇好最優(yōu)方案，在科學(xué)合理的對(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)方案進(jìn)行分析后，做好方案的平價(jià)工作，在進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)要選擇合理、科學(xué)的方法，大都數(shù)情況下都采用綜合模糊評(píng)判的方法進(jìn)行，并且在評(píng)定的過程中要對(duì)其社會(huì)效應(yīng)、安全性能、維修保養(yǎng)、經(jīng)濟(jì)效益及操作性等影響因素加以考慮。若是再將社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面因素考慮進(jìn)去，就要考慮機(jī)械產(chǎn)品是否容易出現(xiàn)障礙等；若是將經(jīng)濟(jì)效益等指標(biāo)因素考慮進(jìn)去，就要考慮人員及成本兩個(gè)方面的因素；若是將可操作性因素考慮進(jìn)去，就要考慮施工技術(shù)等方面因素，其中工藝技術(shù)是不是成熟是需要考慮的主要因素。綜合以上因素，在對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對(duì)產(chǎn)品的特征結(jié)果加以優(yōu)化改善，這樣不但可以對(duì)機(jī)械產(chǎn)品加以調(diào)整，還能對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)加以改進(jìn)。另外針對(duì)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部分及其零倍件需要進(jìn)行數(shù)學(xué)分析模型的搭建，以便能夠更有效的完成優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用模型將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的各種特征加以全面反映，給產(chǎn)品的進(jìn)一步改善和升級(jí)提供參考，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的綜合性改造。

3 機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新案例

本文在變?cè)ɑA(chǔ)上，以TRIZ 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變?cè)槔龑?duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新的研發(fā)設(shè)計(jì)。在TRIZ 理論中認(rèn)為，相關(guān)創(chuàng)造性的問題中至少要包含一個(gè)方面的問題，主要類型分為技術(shù)型矛盾和物理型矛盾以及管理型矛盾。在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，主要包含的矛盾有技術(shù)型矛盾和物理型矛盾，其中物理型矛盾指的是存在于系統(tǒng)內(nèi)問題，是由個(gè)別參數(shù)的負(fù)向要求造成的；而技術(shù)型矛盾指的是存在于系統(tǒng)內(nèi)問題，是由兩個(gè)參數(shù)造成。

通過TRIZ 分析后，如圖1所示，對(duì)矛盾點(diǎn)加以了確認(rèn)，對(duì)于矛盾點(diǎn)利用各種因素的變?cè)▽?duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新，并以此達(dá)到產(chǎn)品升級(jí)改造的目的。使用此法能夠有效提升單一元素變?cè)ǖ难邪l(fā)效率及成功率。本文以在旋轉(zhuǎn)的情況下需要始終處于高壓力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品為例，此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求處在密封環(huán)境中仍具有高壓力，而且在旋轉(zhuǎn)時(shí)所受阻力要小，以便符合小電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新時(shí)，要首先應(yīng)用TRIZ 產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理確認(rèn)物理型矛盾是該產(chǎn)品密封的設(shè)計(jì)問題，也就是說要將密封的效果要達(dá)到一定的要求，同時(shí)也對(duì)旋轉(zhuǎn)所能承受的阻力給出最低標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)矛盾的具體目標(biāo)及方向得到確定后，采取TRIZ 產(chǎn)品創(chuàng)新理論當(dāng)中的“復(fù)合結(jié)構(gòu)材料”，并用其替換掉均質(zhì)性的結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)與變?cè)ㄏ嘟Y(jié)合對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)計(jì)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，表1是密封圈硬度、壓縮量、壓力關(guān)系。

圖1 TRIZ設(shè)計(jì)創(chuàng)新的理論

表1 密封圈硬度、壓縮量、壓力關(guān)系表

在旋轉(zhuǎn)的密封的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)用到O型圈對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封，當(dāng)這種密封圈受到壓力導(dǎo)致變形后產(chǎn)生自封密效果，從而起到非常不錯(cuò)的密封作用?？墒钱?dāng)O 型圈在受到壓力產(chǎn)生變形以后，由于橡膠自身的材質(zhì)特征與接觸面的增加，容易導(dǎo)致出現(xiàn)比較大的摩擦力。采取改變產(chǎn)品材料的特殊性來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，

相關(guān)O 型圈參數(shù)計(jì)算公式：

密封圈壓縮率的計(jì)算：

公式中：h0表示的是槽底到密封平面之間距離，單位：mm。ε 表示的是壓縮率。d0表示的是密封圈截面直徑，單位：mm。

密封圈拉伸量計(jì)算：

公式中：d 表示的是軸徑，單位：mm。d1表示的是O 型圈內(nèi)徑，單位：mm。d0表示的是O 型圈截面的直徑，單位：mm。

O 型圈設(shè)計(jì)選擇必須滿足一下三個(gè)條件：①密封圈必須具有足夠接觸的面積。②摩擦盡可能小。③材料應(yīng)達(dá)到使用持久不變形。

具體情況見下圖2展示：

圖2 O型圈設(shè)計(jì)

在O 型圈整個(gè)直徑的一半都涂覆具有摩擦小的一種聚氟乙烯（保護(hù)材料，從而達(dá)到對(duì)O 型圈材質(zhì)進(jìn)行改變的目的。如下圖3所展示的，在結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，O 型圈在自密封的作用下能夠達(dá)到高壓環(huán)境中的密封要求，選用的PTFE 材質(zhì)由于具有較低的摩擦力，因此也會(huì)起到降低旋轉(zhuǎn)所受阻力的作用。

圖3 旋轉(zhuǎn)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過以上實(shí)驗(yàn)以及相應(yīng)計(jì)算，選擇普通材質(zhì)的O型橡膠圈設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在高壓始終處于30 MPa 的環(huán)境中，旋轉(zhuǎn)所受扭力是2.7 N。當(dāng)選擇PTFE 涂覆材質(zhì)進(jìn)行O 型圈改造設(shè)計(jì)后，在高壓始終處于30 MPa 的環(huán)境中，旋轉(zhuǎn)所受扭力只有0.38 N，可見已經(jīng)很好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)創(chuàng)新目標(biāo)。

4 結(jié)束語

我國目前在機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)和制造方面，還存在許多問題和需要改進(jìn)的地方，所以，要求從事機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的過程當(dāng)中，要從實(shí)際出發(fā)充分結(jié)合產(chǎn)品特征創(chuàng)新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，要在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中突破傳統(tǒng)思維的束服，不斷拓展創(chuàng)新理念，科學(xué)合理的應(yīng)用參數(shù)變?cè)椒ǎO(shè)計(jì)創(chuàng)新出即實(shí)用又經(jīng)濟(jì)的機(jī)械產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，推動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品制造的進(jìn)步和發(fā)展。