机械结构设计常见问题及改善措施

张京叶

（山东豪迈机械有限公司，山东潍坊 261500）

0.引言

机械产品是社会经济发展的主要动力设备，其机械结构设计的改善，对于机械生产效能的提升有着重要意义。目前，机械产品的技术集成度高，应用了大量的新技术、新材料，向着大型化、精密化、精细化方向发展，对于机械结构设计来说无疑是一项巨大的挑战。但在机械结构设计中存在的常见问题，影响到结构设计的品质，甚至埋下生产与使用中的诸多隐患，需要在结构设计阶段进行妥善的处理，以弥补结构设计中的不足。

1.在机械结构设计中比较常见的问题

机械结构设计是机械产品制造的基础，占用机械整体设计时间甚至超过了80%，即使在严格设计质控的情况下，机械结构设计仍然会出现一些常见的问题，需要在实际设计过程中予以高度的关注以及采用针对性的解决方案[1]。

1.1 常见的温度问题

制造机械设备的原材料在空气环境下，受到热胀冷缩的影响，导致机械结构中构件尺寸发生一定的变化，尤其是大体积的构件表现更加明显，比如构件的长度增加，整体体积变大等，需在机械结构设计阶段充分考虑机械产品在冷热温度下的体积变化。但是在实际的机械结构设计中，由于温度对设计效果无任何的影响，使得设计阶段针对温度问题考虑不够充分，进而埋下了机械产品投入使用后的故障隐患。为了解决这一问题，设计人员在机械结构设计阶段，需给构件预留一定的尺寸空间，使其在温度过低和过热的情况下，可以有充足的伸缩空间，维持机械设备的正常运行，例如，在机械产品底座设计中，采用移动设计取代固定设计，从而消除和解决机械产品使用过程中的温度影响，提高结构设计的品质。

1.2 常见的轴承结构问题

轴承结构是机械结构设计中非常重要且使用频率较高的设计要素，实际设计中应用的轴承结构类型非常多，比如滑动轴承，使用耐磨材料制造，没有滚动体，适用于低速、轻载，或是难以维护的机械转动部位。还有滚动轴承，有向心轴承、推力轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承，以及单列轴承、双列轴承、多列轴承，按照大小分类的微型、小型、中型、大型等轴承。不同类型的轴承之间存在着较大的差异，滑动轴承无内外圈，结构间隙较大，而滚动轴承结构由套圈、滚动体、保持架组成，结构的间隙较小。此外，轴承为机械产品的消耗构件，在使用过程中会逐渐磨损，如果磨损过大，则易引起轴心偏移，不利于机械的正常运行。为了解决这一问题，在设计中应尽量选用密封结构的轴承，以减少轴承磨损导致的机械故障。

1.3 传动结构设计存在问题

传动结构是促使机械动作的构件，具有传递机械动力的功能。目前，在机械结构设计中应用较多的是带传动或是链传动，这2种传动结构设计的关键是结构的受力，比如整个带传动结构在运行过程中受力不同，受力大的位置柔性带的张紧力大、下垂的角度小。受力小的位置张紧力小则角度大，在实际设计中需重点关注这一问题。链传动结构也存在受力不同的情况，受力表现正好与带传动相反。以链条为例，如果在设计中未充分考虑到受力问题，整个链条受力不均衡，在传动过程中发生跳齿或脱链的概率较大，并且增加链条磨损程度，提高链条拉断的概率。

1.4 高速旋转体设计问题

高速旋转体在机械结构中运行速度较快，也是机械结构设计中比较容易出现问题的方面，通常在设计中遵循着高速旋转轴的连轴器螺栓头部，以及螺母在设计时需要超过法兰面的原则。但是高速旋转体在高速运行过程中会形成大的气流，结构设计出现失误会形成较大的安全风险，对机械产品的运行产生不良的影响。对高速旋转体结构设计时，可在其端口位置设计防护装置，阻拦高速旋转体运行产生的强大气流，避免气流对机械结构中其他零部件的不良影响。

2.改善与优化机械结构设计的措施

2.1 围绕使用功能开展设计

（1）改善功能设计。机械结构设计的前提是明确用户对于使用功能的要求，围绕功能开展设计，以实现设计与用户需求的一致性。因此，在实际的结构设计中，应以使用功能为设计的指导，理清功能设计的思路，从机械结构整体上进行设计的考虑，并从设计的细节入手，合理规划结构设计，准确计算出各个构件的受力，协调各个零部件、构件之间的关系，完全满足用户对于使用功能的需要，最终实现结构设计创造更大的经济价值与生产效益。此外，还需提高机械设计的附加经济价值，在功能性满足用户需求后，应注重机械结构使用安全性与操作简便性的设计，机械结构是由各种各样的零部件组装而成，每个零部件在机械结构中都有着自己的实际用途，通过巧妙的组合排列进行机械功能的优化调整，以获取到最佳的功能，需在结构设计中进行零部件安装位置和安装方式的不断调试、仿真模拟，使零件与安装位置高度贴合，提升整个结构各个零部件的协调性，实现机械功能设计的深化[2]。（2）优化功能配置设计。功能是机械结构设计的核心，影响着机械结构设计的效果。在改善使用功能设计的同时，需将功能在机械结构中进行合理的配置，将机械的各项功能进行分解，并分配给结构中的各个零部件，由各个零部件之间的协调配合以实现机械设备对于功能性的要求。也就是说通过功能的逐一分配，使众多零部件合理组合，相互协调配合联动，达到功能配置优化设计的目的。在功能配置设计中，应从整体结构入手，将功能配置在最小零件单元的同时，由多个结构负责一个功能，采用创新设计理念，减少单个零部件的运行压力，平衡整体结构的荷载，减少单个零件或构件的消耗程度，延长机械产品的生命周期。

2.2 优化机械外形设计

机械产品在完善功能性的同时，还需注重其外形设计的优化。机械产品的外形决定着能否聚焦用户的视觉，建立起机械产品在用户心中的形象，左右着用户的购买行为。所以，外形设计的优化是机械结构设计的关键，同时机械外形对于使用的舒适性也有着一定的影响。外形设计主要涉及机械结构的形状、尺寸、美感等3个方面，通过外形设计的优化，进行结构零部件的优化配置，使用最少的零部件及最小的成本设计整个机械结构，达到提高机械结构设计经济性的目的。具体措施有如下2点[3]：

（1）零部件数量的合理控制与优化配置，对设计机械结构所使用的零部件进行综合性的测评，包括使用的功能性参数，在机械运行过程中零部件的使用频率。（2）进行综合测评数据的整理，明确结构中各个零部件的应用情况，将其中应用表现差的零部件去除，选择性能更好的零部件替代，提高整个机械结构设计的品质，最终获取最佳性价比的结构设计。

2.3 选用合适的材料

机械产品在运行过程中，其结构中的零部件处于持续消耗状态，不同位置的构件消耗情况不同，比如轴承的日常消耗较大，应在结构设计中根据构件的位置与功能注重其制造材料强度与刚度的选用，以保证构件设计的可靠性。机械结构设计中构件材料的选用非常关键，如果材料强度与刚度选用不当，机械运行过程中荷载一旦超出了构件承受范围，容易引起变形、断裂等问题，由此导致机械设备运行故障，直接挫伤用户的使用体验，甚至产生不必要的纠纷。在材料选用时需要做好以下几点：

（1）在结构设计中，根据机械产品的使用年限，构件在结构中的位置、实际用途，以及机械的功能性等，精确计算每个零部件所要承担的荷载参数。（2）确定选用的材料后进行实践验证，对选用的材料开展实验室检测，确定材料的最大承载能力是否在计算荷载最大值的范围内。（3）在确定选用材料无问题后，根据构件材料的强度、刚度以及其他特性指标进行其相关变量的设计调整，实现构件设计整体的改善与优化。

2.4 设计与生产工艺对接

机械结构设计最终将由生产制造得以实现价值。为了提高机械结构设计的可行性，在设计阶段进行机械产品生产制造工艺的改善，规避生产风险，提高生产的质效。从机械产品生产制造本身来看，不同企业的生产制造工艺、自动化水平有着较大的差异，并且采用不同的质控标准与工艺流程。在机械结构设计中，根据生产实际采用成熟的科学技术并在设计阶段进行实验验证，以及在应用新技术与新材料进行设计创新中，要结合企业的生产制造条件与水平，进行设计的可行性论证，在对接生产工艺的同时，对生产工艺进行优化调整，以保证机械结构设计顺利地转化为成果。

2.5 践行绿色节能设计理念

机械产品无论是在生产制造过程中还是在投入使用后，都会涉及能源消耗与污染问题。在设计阶段充分运用绿色节能设计理念，提高机械结构设计的环保性能，以实现设计理念的升华。绿色节能是各行各业发展的主要方向，在机械结构设计原材料的选用中，可采用新型环保材料，或者在零部件设计中融入绿色环保理念，采用节能新技术践行环保设计，在确保功能的基础上尽量减少零部件的使用数量，或者是在生产制造环节采用绿色节能的生产设计等以提高生产原材料的利用率，减少生产上的资源消耗，提升机械结构设计的节能环保水平，为机械制造的绿色节能生产贡献最大的设计力量。

3.机械结构设计中需注意的要点

3.1 重点关注用户需求

机械结构设计的主要目的是实现机械产品的功能性，而用户的需求则是设计开展的前提。为了保证机械结构设计与用户需求的一致性，在结构设计之前应深入市场开展实地调查，评估设计机械产品的市场发展趋势，广泛征求用户建议，重点关注用户需求，并以超前设计、实用性设计为方向提高机械产品的功能性，实现机械结构设计最大化的经济价值。

3.2 严把设计质量关

机械结构设计直接决定着机械产品功能性与使用价值，一般在设计中遵循的是稳定性、协调性，以及刚度、强度等要求，最大限度地提高使用性能。此外，机械产品对于使用的安全性，操作的简便性，以及生产可操作性等都有着较高的设计要求。在机械结构设计中，要选择好制造机械的原材料，并出于生产制造、使用性能、生产工艺等多方面的考虑，对机械结构设计进行细节性、精致化的质量把关，动态化质控设计全过程，实现设计各个环节与生产各个环节的对接，持续地优化与深化设计，提前规避和解决机械结构设计生产实施过程中的各项问题，从而全面提高设计的可行性[4]。

3.3 加强设计创新

创新一直以来是机械结构设计领域的主旋律。一方面，功能性创新。设计在满足用户需求的基础上，根据当下机械产品自动化、智能化、智慧化发展的趋势融入最前沿的设计理论与设计思想，采用新型环保材料，融入柔性设计理念，进行功能设计的调整，提升设计的装配性与功能性。另一方面，设计创新。机械结构的设计水平将直接体现在最终的机械产品上，一个高水平的设计可构建产品的核心竞争。因此，机械结构设计需始终围绕设计创新开展，不仅要学习借鉴同行的设计理念和设计思想，还需积极引进国外的先进技术，整合当下机械结构设计的资源，进行创造性、创新性的设计，从而获取最优的设计成果。

3.4 突显智能化设计

智能化是机械产品未来发展的方向，现阶段，很多行业已经使用了智能机器人，比如，演奏机器人、巡线机器人、手术机器人、焊接机器人等，尤其是生产制造行业，构建了自动化、智能生产线，打造智慧车间，借助机器视觉实现生产的精准操作，极大地提高了生产制造的质量与效率。机械结构应着重突显智能化设计，采用智能化模拟软件进行机械结构各个部分的仿真模拟与调试，以增强设计的精度。在设计阶段进行机械结构零部件的装配模拟，促进设计与生产实际的相适应，把控好设计的各项细节，同时联合运用虚拟设计、有限元分析等，及时解决结构设计不匹配的问题，提高设计的智能化水平。

4.结语

机械结构设计质量决定着机械的生产品质、使用的功能性与安全性，对于其经济价值的实现有着直接的影响，其在机械生产制造中占据着主要地位。在机械结构设计中，应从机械结构整体设计入手，结合设计中常见的问题，按照用户的实际需求进行功能与外形的完善设计，优化配置功能，并与生产工艺进行对接，严把原材料的选用质量关，以持续改善机械结构设计，全面提高机械结构设计的品质。