机械结构设计的创新性探讨

陆建荣

（南通广播电视大学机械工程学院，江苏南通 226006）

机械结构设计的创新性探讨

陆建荣

（南通广播电视大学机械工程学院，江苏南通 226006）

衡量一个国家现代化程度，最主要的标准就是机械水平的发展程度。而想要从事机械结构的设计工作，就必须具备良好的创新精神。为了使机械设计的结果令人眼前一亮，创信和改变不可缺少。变元法是所介绍的主要内容，将变元法融入到石油和石油化工行业中，着重解释如何使用变元法在石化机械结构的防腐设计方面进行一定的创新和改进。

机械结构；设计；创新

0 引言

机械结构的设计工作，需要制定明确的实施方案，此方案应该以机械总体设计方针为指导，先给出具体的结构图样，图样要很详细并且包括所有应实现的功能；接下来把工作原理变成具体的实现某个功能的零部件，与此同时要考虑好加工的技艺、加工强度大小、加工材料的软硬、加工需要的精确程度以及和其他零件的相互作用等方面问题。本文主要介绍了变元法是如何在机械结构设计的创新和改进中发挥作用的，并举例进行了说明。

1 机械结构设计创新的重要意义

目前，科技进步日新月异，而机械制造行业却鱼龙混杂，产品的生产流通同质化严重，市场竞争的进一步加强迫使着机械制造企业的革新，创新才是机械制造企业抢占市场份额的关键，创新意味着产品功能和作用的进化，只有具独特而不可替代的竞争优势的产品才会给企业带来巨大的经济和社会效益。这给机械工作者的启发是，坚持机械结构设计的创新和改进，必然是一个艰难的过程，要求工作者要有不怕吃苦、持之以恒的决心和毅力，要以现代化的设计理念武装自己的头脑，要重视机械结构设计的重要性，改变传统思路，变换结构模块的组合方式，努力使机械结构满足大部分产品的需要，只有这样才能获得市场竞争的胜利，这也成为了当下机械工作者的重要任务。

2 机械结构设计上的七种变元创新方法

德国人发明的这一种变元法，是目前世界上最为科学易懂的变元方法，它能够衍生出许多不同的方法，具有很大的可塑性。这种方法的内涵主要有两部分：它变化内容多样，包括材料、数量、位置、尺寸、形状、连接、工艺七个方面；另一部分是上述七个方面的具体运用，运用的前提条件是机械基本结构，这些元素在其基本结构的基础上进行一定的变化，这样就有不同的形式，新的机械结构设计方案就创造出来了，这样就达到了优化设计机械结构的目的[1]。接下来笔者将会重点介绍七种创新方案在机械结构设计的具体运用，其最终目的还是满足整个机械产品的生产的要求，这也是目前机械工作者普遍使用的方案。

2.1 材料变元

现实生活中很多种材料都可以用来设计机械结构，不一样的材料要求的加工方法和手段不一样、适用的结构类别不一样、零件需要的大小也不一样。材料的变元可以变化出不一样的结构模式。比如说：在进行钢材料的结构设计过程中，零件的截面面积越大，材料结构强度就越大、越硬；在铁材料的结构设计中，为了使结构变强变硬，人们通常使用加强筋和隔板的方法；在塑料材料的结构设计中，塑料件的筋板和壁厚应该无差而别且对称均匀。

2.2 数量变元

在产品的结构当中主要包括以下几个方面，即零件以及轮廓面、线和加工、工作面共同构成了产品本身，如果想要将机械的结构目的进行改变，那么就可以通过调节上述结构元素而实现。就好比在铸件的过程中，是希望越简单便捷越好的。能够节省一些不必要的零件配置，又能在安装的时候方便人们的使用，这在无形中就提高了工作效率，比如安装一个螺丝钉的时候，如果按照螺钉和垫圈以及弹簧垫圈才能结合在一起的模式去安装，那么就需要最少三个步骤，但是如果把它们设计为一体的话，就可以大量地节省安装的时间，提高了效率。

2.3 位置变元

在实际操作过程中，产品结构的元素之间的位置是可以进行调换的，这样可以无形中使结构本身的设计更加完善。比如，零件的焊缝位置应该对应中性轴或者至少需要靠近中性轴，这样便于将收缩力减少或者能够避免产品的变形。除此之外，零件的摆放问题也十分重要，如果杂乱无章则会大大阻碍操作速度。

2.4 尺寸变元

零件的尺寸必须符合使用的标准才行，必须在各项标准合格之后才可以进行操作，比如：在冷冲压弯这一工艺中，就需要零件按照既定的需求进行弯曲，如果零件在加工的过程中，实现了标准的弯度，那么就算是一个成品，不需要再度进行加工。如果不符合产品的需求那么还需要进一步的加工整形来达到产品的要求。

2.5 形状变元

机械整体的结构目的可以通过调整零件的形状或者改变其规格的大小而实现。比如在弹簧的生产过程中需要考虑多个问题，首先是弹簧的大小及其相对的螺丝垫圈的规格，能否让弹簧和使用的螺旋面以及被需要压紧的零件相吻合，就需要设计出不同规则的产品，无论零件的形状面如何都需要相匹配的弹簧来配合才行，如果零件之间的距离过大，或者不能够将压力有效融合，那么零件在安装过后就不算是合格，如果这一类零件销售在市场中，很可能造成一系列事故，那么为了防止拉簧因为这些问题而失去使用效率，就势必要将弹簧的设计空间放大，并且实现它的自身独特性，即使它在单独使用的过程中也可以实现跟其他零件的配合。

2.6 分析连接变元

一是联接方法，主要的模式有焊接、胶结以及螺纹联接等方式。

二是联接的方式，根据结构类型的不同而不同，因此为了丰富联接方式以及寻找到最为契合的联接方式，各个联接的结构以及联接的方式都可以进行相对应的合理调整。比如：针对一些需要拆卸的零件，如果在联接的方式上不能选择好，那么就会在联接和拆卸方面造成一定的困难，此类的零件需要便捷的拆卸模式，比如日常生活中所购买的一些产品，像是随声听的后盖，就可以任意拆卸下来安装电池来维持继续使用，这样的结构也方便用户使用，从未为其提供便捷的操作模式。

2.7 分析工艺变元

零件在产生之前，往往会有其自己的设计图纸，而设计图纸上面的结构内容直接决定了产品属于何种工艺级别的零件，因为每一个设备的零件都不是完全相同的，所以零件的设计以及成本也千差万别，如果设计工艺在产品出产之前没有得到完善，那么势必会影响到零件自身的质量，一旦零件没有合乎要求，那么产品的整体结构就会受到一定的影响。因此在零件铸造之前对于零件图纸的研究必须给予深度的重视，现在的加工技艺正呈现着不断创新和完善的趋势，但是问题也就随之而来，这些加工工艺虽然具有创新性，但是还不够成熟，并非达到了理想中的需求，因此还需要进一步的对此加大研究的力度。

3 机械结构创新的尝试及优化测评

3.1 机械结构设计的创新尝试

防腐剂在石油以及一些石化设备中具有十分重要的作用，下文以其为例，阐述变元法在其中重要的作用。石油和石化设备必须进行防腐蚀性的设计，这样一来，在设计的最初就应该考虑到防腐蚀性的大小和影响因素，从而采取必要的保护和防治措施，主要有以下几个方面。

首先，在总体的设计上面，对停车间给予了严格的要求，不能堆放杂乱，不能潮湿，不能含有其他不利于防腐的物质存在。

其次，设备的使用年限与设备本身一些极为细小的间隙区有着十分重大的联系，这些缝隙极有可能在人眼看不到的地方发生腐蚀问题，或者这些缝隙人是无法凭借手工去进行操作控制的，就像是一些产品的焊接点，这些产品貌似看起来已经不存在腐蚀的可能，但是难免会有看不到的缝隙存在，应该进行必要的封存和填补，或者干脆将缝隙扩大，这样便于对其进行维修补救和防护。

再次，温度较高以及质量较高的浓度阶梯，局部势差问题往往在这种情况和产品中产生，一旦发生了腐蚀则不可控制。此外，每一种金属都有着自己独特的属性，产品在构建的过程中不一定是一种金属构建而成，多半是几种金属共同组合而成，但是不同的金属势必会产生接触面的腐蚀，应该对此进行绝缘处理[2]。

最后，面积越小腐蚀的点也就越小，因此要针对产品的不同设计缩小表面积从而减少腐蚀。

3.2 对机械结构变元创新设计的优化评测

机械结构在完成变元创新实践之后。要根据目前的性能以及使用效果进行一个综合的测评，首先要进行模糊测评，运用理论研究和一些理想化的模型设计一种测评模式，但是这种测评模式并不是实际操作中的模型，而是通过一定的数学模型，根据先进的设计理念和规划，对其进行变化创新设计的检测。在测试的过程中测试者凭借自己多年的使用经验和研究理念进行对其综合评价的过程，并根据现有的先进思维对其进行构建，在测试的过程中还需要考虑到社会实际问题，产品在经过变元之后，使用方面是否安全，便捷，可维修性是否达到了指标，并且要将逻辑推理的思维运用到其中，选择出使用其整体变元的方案，最后针对已经选择好了的方案，进行进一步地修改和完善，从而作用于产品的机械结构构建当中，服务于产品的整体功能[3]。

4 结束语

机械创新结构设计在目前产业的发展和建设当中占据着十分重要的比例，因此研究其具有不菲的价值，但是研究机械创新结构设计并非一件简单的事情，对于设计者和研究者都提出了非常高的要求，不仅在专业知识方面要熟练甚至精通，还要有敏捷的分析能力和发现问题解决问题的能力，创新的思想和技术知识更是不用说，这也是前提之一。

［1］徐慧勇.浅析机械结构设计中的创新设计［J］.黑龙江科技信息，2010（30）：37-38.

［2］韩键美，杨晓敏.机械产品创新设计研究［J］.科技风，2010（10）：21-22.

［3］崔福霞.创新设计（TRIZ理论）在机械设计中的应用［J］.大众科技，2010（02）：51-52.

The Innovative Design of Mechanical Structure

LU Jian-rong
（Nantong Radio and Television University，Institute of Mechanical Engineering，Nantong226006，China）

To measure a country modernization degree,the main standard is the development of mechanical level.Work in the mechanical structure design,must have good spirit of innovation.In order to make the results of the mechanical design a bright,the innovation and change are essential.The main content of variable element method is introduced in this paper,it applies change element method into the oil and petrochemical industry,focus on explaining how to use the method of argument in petrochemical mechanical structure anticorrosion design aspect of the certain innovation and improvement.

mechanical；design；innovation

TH12

：A

：1009－9492(2014)12－0243－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.063

陆建荣，男，1979年生，江苏南通人，硕士，讲师。研究领域：机械结构设计、运行控制。已发表论文4篇。

(编辑：王智圣)

2014－09－09