1661-抓斗橋式起重機設(shè)計

1661-抓斗橋式起重機設(shè)計,抓斗,橋式起重機,設(shè)計 - 0 -第一章 前言起重機械用來對物料作起重、運輸、裝卸和安裝等作業(yè)的機械設(shè)備，它可以完成靠人力無法完成的物料搬運工作，減輕人們的體力勞動，提高勞動生產(chǎn)率，在工廠、礦山、車站、港口、建筑工地、倉庫、水電站等多個領(lǐng)域部門中得到了廣泛的使用，隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，特別是現(xiàn)代化、專業(yè)化的要求，各種專門用途的起重機相繼產(chǎn)生，在許多重要的部門中，它不僅是生產(chǎn)過程中的輔助機械，而且已成為生產(chǎn)流水作業(yè)線上不可缺少的重要機械設(shè)備，它的發(fā)展對國民經(jīng)濟建設(shè)起著積極的促進作用。起重機械是起升，搬運物料及產(chǎn)品的機械工具。起重機械對于提高工程機械各生產(chǎn)部門的機械化，縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本，起著非常重要的作用在高層建筑、冶金、華工及電站等的建設(shè)施工中，需要吊裝和搬運的工程量日益增多，其中不少組合件的吊裝和搬運重量達幾百噸。因此必須選用一些大型起重機進行吊裝工作。通常采用的大型起重機有龍門起重機、門座式起重機、塔式起重機、履帶起重機、輪式起重機以及在廠房內(nèi)裝置的橋式起重機等。在道路，橋梁和水利電力等建設(shè)施工中，起重機的使用范圍更是極為廣泛。無論是裝卸設(shè)備器材，吊裝廠房構(gòu)件，安裝電站設(shè)備，吊運澆注混凝土、模板，開挖廢渣及其他建筑材料等，均須使用起重機械。尤其是水電工程施工，不但工程規(guī)模浩大，而且地理條件特殊，施工季節(jié)性強、工程本身又很復(fù)雜，需要吊裝搬運的設(shè)備、建筑材料量大品種多，所需要的起重機數(shù)量和種類就更多。在電站廠房及水工建筑物上也安裝各種類型的起重機，供檢修機組、起閉雜們及起吊攔污柵之用。在這些起重機中，橋式起重機是生產(chǎn)批量最大，材料消耗最多的一種。由于這種起重機行駛在高空，作業(yè)范圍能掃過整個廠房的建筑面積，因而受到用戶的歡迎，得到很大的發(fā)展。起重機械用來對物料作起重、運輸、裝卸和安裝等作業(yè)的機械設(shè)備，它可以完成靠人力無法完成的物料搬運工作，減輕人們的體力勞動，提高勞動生產(chǎn)率，在工廠、礦山、車站、港口、建筑工地、倉庫、水電站等多個領(lǐng)域部門中得到了廣泛的使用，隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，特別是現(xiàn)代化、專業(yè)化的要求，各種專門用途的起重機相繼產(chǎn)生，在許多重要的部門中，它不僅是生產(chǎn)過程中的輔助機械，而且已成為生產(chǎn)流水作業(yè)線上不可缺少的重要機械設(shè)備，它的發(fā)展對國民經(jīng)濟建設(shè)起著積極的促進作用。起重機械是起升，搬運物料及產(chǎn)品的機械工具。目前，在工程起重機械領(lǐng)域，歐洲、美國和日本處于領(lǐng)先地位。歐洲作為工程起重機的發(fā)源地，輪式起重機生產(chǎn)技術(shù)水平最高。該地區(qū)的工程起重機械業(yè)主要生產(chǎn)全地面起重機、履帶式起重機和緊湊型輪胎起重機，也生產(chǎn)少量汽車起重機。其中，全路面起重機、履帶起重機以中大噸位為主；緊湊型輪胎起重機則以小噸位為主；汽車起重機一般為通用底盤組裝全地面上車，即以改裝為主。其產(chǎn)品技術(shù)先進、性能高、可靠性高，產(chǎn)品銷往全球。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)步伐的加快，生產(chǎn)和生活各個領(lǐng)域的建設(shè)規(guī)模的逐年擴大，也促進了施工機械化程度的迅速提高。先進的施工機械已成為加快施工速度，保證工程質(zhì)量和降低成本的物質(zhì)保證。起重機行業(yè)也因此得到了很大的發(fā)展。為促進社會主義建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，提高勞動生產(chǎn)率，充分發(fā)揮其中運輸機械的作用是具有重要意義的。箱形雙梁橋式起重機是由一個有兩根箱形主梁和兩根橫向端梁構(gòu)成的雙梁橋架,在橋架上運行起重小車,可起吊和水平搬運各類物體,它適用于機械加工和裝配車間料場等場- 1 -合。橋架的結(jié)構(gòu)主要有箱形結(jié)構(gòu)，空腹桁架式結(jié)構(gòu)，偏軌空腹箱形結(jié)構(gòu)及箱形單主梁結(jié)構(gòu)等，5-80 噸中小起重量系列起重機一般采用箱形結(jié)構(gòu)，且為保證起重機穩(wěn)定，我選擇箱形雙梁結(jié)構(gòu)作為橋架結(jié)構(gòu)。為了操縱和維護的需要，在傳動側(cè)走臺的下面裝有司機室。司機室有敞開式和封閉式兩種，一般工作環(huán)境的室內(nèi)采用敞開式的司機室，在露天或高溫等惡劣環(huán)境中使用封閉式的司機室。由于本人水平有限，實踐經(jīng)驗不足，加上工作原因，時間比較倉促，設(shè)計中肯定有錯誤和欠妥之處，懇請各位老師多多批評指正。- 2 -第二章 抓斗橋式起重機設(shè)計任務(wù)書2.1 設(shè)計參數(shù)主要參數(shù)為：起重量：Q=5t；起升高度：H=12m；起升速度： =10m/min；小車運行速zV度： =40m/min；大車運行速度： 75m/min，跨度：L=20m；起重機估計總重量：xVdcV?G=240N；小車估計自重： 40KN；電源：三相交流電源， 380V，50HzxcG機構(gòu)接電持續(xù)率：JC=25%；工作級別：A5。 2.2 工作條件 抓斗橋式起重機作業(yè)環(huán)境為室內(nèi)作業(yè)，電源為三相異步交流電，電壓為 380V，頻率為50HZ。電壓波動允許上限為+10%，下限(尖峰電流時)為額定電壓的-10%。起重機內(nèi)部電壓損失為 3%。環(huán)境溫度：-10℃+40℃，在 24 小時內(nèi)平均溫度不超過+35℃。2.3 設(shè)計原則 為保證起重機安全正常工作，起重機本身應(yīng)具備三個基本條件：（1）金屬結(jié)構(gòu)和機械零部件應(yīng)具有足夠的強度、剛度和抗彎曲能力；（2）整機具備必要的抗傾覆穩(wěn)定性；（3）原動機具備滿足作業(yè)性能要求的功率，制動裝置提供必要的制動轉(zhuǎn)矩。- 3 -第三章 小車起升機構(gòu)和運行機構(gòu)的設(shè)計計算3.1 起升機構(gòu)計算3.1.1 確定機構(gòu)傳動方案起升機構(gòu)可采用的有開式傳動和閉式傳動。（1）閉式傳動在電動機和卷筒之間，大多數(shù)情況采用傳動效率高的圓柱齒輪減速器，而蝸輪減速器由于傳動效率低，除特殊環(huán)境采用外，一般較少應(yīng)用。（2）開式傳動在電動機和減速器之間，除減速器外還有開式齒輪傳動，這種構(gòu)造類型適用于起升速度較低的情況，如我國生產(chǎn)的大型橋式起重機（Q≥80 t）的起升機構(gòu)多采用這種型式，由于開式齒輪傳動適用于圓周速度較低的情況，因此都將其放在靠近卷筒的最后一級傳動中，以保證正常工作。根據(jù)起升重量 Q=5 tc 22()0.4tGDkg??15.tGkg?高速浮動軸兩端為圓柱形 ， 。5d8l靠減速器端聯(lián)軸器，由表選用帶 制動輪的半齒輪聯(lián)軸器，其圖號為 S123，最20?大容許轉(zhuǎn)矩 ，飛輪力矩[]140tm?? 22()0.4zkgm??質(zhì)量 。8zGkg3.1.12 驗算啟動時間- 9 -啟動時間： 22011(){()}[]375()q qqj QGDntCtMi?????式中 2222 21().7804.216dtzGD kgm????靜阻力矩： 0()(59)0.315.6228jQNmi????? ??平均啟動轉(zhuǎn)矩： 1.5.136.04.qeM??所以 292(509).31[1.62]0.878.(5.8)4.75qt s??????通常起升機構(gòu)啟動時間為 ，此處 ，可在電氣設(shè)計時，增加啟動電阻，延長s:qts車輪直徑 ，軌道類型為 ，許用輪壓為 ，故選250cDm?1Pmax.8.tPt，能滿足要求。c強度驗算：按車輪與軌道為線接觸及點接觸兩種情況驗算車輪接觸強度。車輪踏面疲勞計算載荷： maxin2250183.33cPN?????車輪材料：ZG340-640， 。4,650sbMPaa?線接觸局部擠壓強度： 12650.29132ccPkDlC????’式中 ----許用線接觸應(yīng)力常數(shù)（ ） ，查表取 ；Nm16k?-----車輪與軌道有效接觸長度，對于軌道 ， =24.2；l Pl----轉(zhuǎn)速系數(shù)；車輪轉(zhuǎn)速 ;1C 1405.96,0.943.1xccVnrmCD?????????----工作級別系數(shù)；小車工作級別為 級， ;2 5M2.，故通過。cP’>點接觸局部擠壓強度： 22131750.0.96148.483cRkCNm????"式中 ----許用點接觸應(yīng)力常數(shù)（ ） ；查表取 =0.132；2 2m2k----曲率半徑；車輪與軌道曲率半徑的較大值，車輪 ，軌道R 1502rm?曲率半徑 ，故取 ；295r?125R?----由 （r 取 中較小值）比值所確定的系數(shù)， ,查m, 9520.76rR- 13 -表并用插值法算得 m=0.428；，故通過。cP">根據(jù)以上計算結(jié)果，選定直徑 的單緣車輪，標記為：250cD?車輪 250DYL?468GB?3.2.3 運行阻力計算摩擦阻力距： ()()2mxcdMQk????查表，因為 車輪組的軸承型號為 7512，據(jù)此選 車輪組軸承亦50cm250cDm?為 7512。軸承內(nèi)徑與外徑平均值 。由表查得，滾動軸承摩擦系數(shù)601852dm??R=0.0003，軸承摩擦系數(shù) ，附加力阻力系數(shù) ，代入上式得滿載時運行.?2.0?阻力矩： () 0.85504)(.032)7mQMN?????:運行摩擦阻力： ()() 27165/0./QmQcPND??空載時： (0) 0.85()4(.032)922mQxcdMGk Nm???????:(0)(0)736/cPND?3.2.4 選擇電動機電動機靜功率: 165401.2310.9jxjVNKWm????式中 ----滿載時靜阻力；()jQP?=0.9----機構(gòu)傳動效率；m=1----驅(qū)動電機數(shù)目。初選電動機功率 djk=1.523.41NKW??- 14 -式中 ----電動機功率增大系數(shù)，由表查得 ；dk 1.5dk?由表選用 ， 工作制下， 時，126102YZRMI?3S2%JC，電動機質(zhì)量 。2.8,5/min,()./eNKWnrGDkgm??74dGkg3.2.5 驗算電動機發(fā)熱條件等效功率： 25%0.712.418xjkKW??式中 ----工作級別系數(shù)。當 時， 。25%JC?250.7k?----取 ，則?/0.qgt1.?，故所選電動機滿足發(fā)熱條件。xeN3.2.10 驗算起動不打滑條件- 16 -因室內(nèi)使用，故不計分阻及坡度阻力力矩，只驗算空載及滿載起動時兩種工況?？蛰d起動時，主動車輪與軌道接觸處得圓周切向力： 22(0)(0)()6/0.85(.3)20.343912.1/xcxQqQcdPkkGVTgtD?????????:’5.N?車輪與軌道的粘著力：，故不會打滑。(0)2 (0)0.53Q QFPfkgNT? ??>滿載起動時，主動車輪與軌道接觸處得圓周切向力： 11() ()()260/0.85450(.3)240.3405391. /xcxQqQcdPkGVTgtD???????????:’269.7N?車輪與軌道的粘著力：，故滿載起動時也不會打滑，因此所()1 ()450.16750Q QFPfkgNT? ??>選電動機合適。3.2.11 選擇制動器對于小車運行機構(gòu)的制動時間必須 ，取 ，因此，所需制動轉(zhuǎn)矩：34zts??3zts221100()()()2{[()]}38. xcxczz dQGkDnMmCGtii??????’ ’22 0.851(54)(0.32)5(54).5{[1.07.9] .938.216. 16??????.Nm?:查表選用 型制動器，其制動轉(zhuǎn)矩 ，所取制動時間0/5YWZB?25ezMNm?:與起動時間 很接近，故可以滿足制動不打滑條件。3zts3.qts3.2.12 選擇高速軸聯(lián)軸器及制動輪高速軸聯(lián)軸器計算轉(zhuǎn)矩：- 17 -81.382.095.3ceMnNm????:式中 ----電動機額定轉(zhuǎn)矩；(5%)1.8921.09eJCeNn----聯(lián)軸器安全系數(shù)，對運行機構(gòu)取 =1.35；n n----機構(gòu)剛性動載系數(shù)； ，取 =1.8。8?81.20???8?由表查得 電動機兩端伸出軸為圓柱形， 。 減126YZRM? 35,80dml?40ZSC速器高速軸端為圓柱形 。故查表選用 鼓形齒式聯(lián)軸器，主動130,5dml 1GICL端 A 型鍵槽 ；從動端 A 型鍵槽 。標記為：15,8L?230,5d聯(lián)軸器 ，其公稱轉(zhuǎn)矩 ，飛1GICL9033ZBJ??62.39ncTNmMN??::>輪矩 ，質(zhì)量 。22()0.tDkgm:5.1tGkg?高速軸端制動輪：根據(jù)制動器已選為 ，已知其制動輪直徑20/5YWZB，圓柱形軸孔 ，標記為：z?3,8dLm制動輪 ，其飛輪矩 ，質(zhì)量 。2035Y?/496JBZQ?22().zGDkgm?:10zGkg?以上聯(lián)軸器與制動輪飛輪矩紙=之和：，與原估計值 基本相符，故以上計算不需要修改。222()().tzGDkg??:20.kg:3.2.13 選擇低速軸聯(lián)軸器低速軸聯(lián)軸器計算轉(zhuǎn)矩，可由前節(jié)的 求出：cM0.5.523916.4038.64ccMi Nm????:’’由表查得 減速器低速軸端為圓柱形 。取浮動軸裝聯(lián)軸器4ZSC?5,8dL?軸徑 。由表選兩個 鼓型齒式聯(lián)軸器，其主動端： Y 型軸孔，6,85dmL3GICZA 型鍵槽， 。從動端：Y 型軸孔，A 型鍵槽，1,m?。標記為：260,85d- 18 -聯(lián)軸器 3GICLZ6580?19048ZBJ?前節(jié)已選定的車輪直徑 ，由表取車輪安裝軸直徑 ，同2cDm?45,80dmL?樣選兩個 鼓型齒式聯(lián)軸器。其主動軸端：Y 型軸孔，A 型鍵槽，3I。從動端：Y 型軸孔，A 型鍵槽， 。標記為：260,85dmL? 245,70d聯(lián)軸器 。3GICZ470?1948ZBJ?3.2.14 驗算低速浮動軸強度（1）疲勞強度驗算：運行機構(gòu)疲勞計算基本載荷： max802.16.40928.162eMi Nm??????:’由前節(jié)已選定浮動軸端直徑 d=60mm，其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：ax3..6)n PaW?? ??浮動軸的載荷變化為對稱循環(huán)，材料仍然選用 45 鋼，由其起升機構(gòu)高速浮動軸計算，得 ， ，許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為：140MP???180s?1[]46.72.5k MPan??:式中 ----與起升機構(gòu)浮動軸計算相同。,?，故疲勞強度驗算通過。1[]nk?? , 所以合適。dN4.9 驗算起動不打滑條件由于起重機是在室內(nèi)使用，故坡度阻力及風阻力均不予考慮。以下按三種工況進行驗算（1）二臺電動機空載時同時起動： zcQqdc nDkPdktvgGfn ???????2)(602)(1??式中： N——主動輪輪壓和；1minax51069120P? ?- 27 -N——從動輪輪壓和；210P?f = 0.2——室內(nèi)工作的粘著系數(shù)；= 1.05~1.2——防止打滑的安全系數(shù)；zn120.14(.6).520.868.922403???????=2.98s，故兩臺電動機空載起動不會打滑zn?（2）事故狀態(tài)：當只有一個驅(qū)動裝置工作，而無載小車位于工作著的驅(qū)動裝置這一邊時，則zcQqdc nDkPdktvgGfn???????2)(6012)(1??式中： N ——工作的主動輪輪壓1max90P?= 171000N ——非主動輪輪壓之和；2in256????—— 一臺電動機工作時的空載起動時間：)0(??Qqt=14.02s2(0)9040.51.572838.2(67).9qt ???? ???????6.10(.0).5690..9240612n? ????=2.43s, 故不打滑zn?（3）事故狀態(tài)：當只有一個驅(qū)動裝置工作，而無載小車遠離工作著的驅(qū)動裝置這一邊時，則 1min50PN??；2axin269051890N??????’- 28 -=14.02s，與第 2 種工況相同)0(??Qqt=1.8s510.2.1489(.6).50.66.24012n??????,故也不會打滑z?4.10 選擇制動器由表，取制動時間 5s?zt按空載計算制動力矩：22110()38. czjzGDnMmCti????????????????????式中： 0in2)(Pcpj????(4819).509??6.7Nm??N0248pPkG? ?—— 坡度阻力，查表取 =0.002；pkpk2)(mincDdP???0.1440(.62)5/??192N?m = 2 制動器臺數(shù)，兩套驅(qū)動裝置工作 ?????????????????? ?20121)(.38iGDmctnMzjz21904.5096.7.5782.2 ?? ??????????=27.58N·m選用兩臺 YWZ3B-200/25 制動器；查附其額定制動力矩為 112～225 ，為避免打滑，mN?- 29 -使用時需將其制動力矩調(diào)至 以下。28Nm?考慮到所取的制動時間 ，在驗算起動不打滑條件時已知是足夠安全的。)0(??Qqzt4.11 選擇聯(lián)軸器根據(jù)機構(gòu)傳動方案，每套機構(gòu)的高速軸采用浮動軸大車運行機構(gòu)高速軸上的計算扭矩：751.40NmjsIMn?????式中： ——聯(lián)軸器的等效力矩：I——安全系數(shù)；n?124.8.9NIel??????——等效系數(shù)，由表取 ＝2；1?1950nNMeel??4.095?.m??查電動機樣本，電動機 YZR132M2-6，軸端為圓柱形，d1=38mm; ；查得 ZQ350-80ml?20.49-1/2Z 減速器高速軸端為圓錐形 d=40mm,l=60mm, 故在靠電動機端選兩個帶的制動輪半齒輪聯(lián)軸器圖號 S196（靠電動機端為圓柱形，浮動軸端直徑 d=40mm） ；20?其 ； ㎏·㎡；重量 G=15㎏。故在靠減速器端高速軸上的[]71lMNm??2()0.36lGD?半齒輪聯(lián)軸器圖號為 S193（靠減速器端為圓錐形，浮動軸端直徑 d=40mm） ；其公稱轉(zhuǎn)矩 ； ㎏·㎡；重量 G=8.36㎏ 。[]0l?2().17l高速軸上的轉(zhuǎn)動零件的飛輪矩之和為：+ =0.36+0.107=0.467㎏·㎡，與原估計基本相符，故有關(guān)計算則不需zlGD)(2l)(2要重復(fù)。由表查得 ZQ350 減速器低速軸端為圓柱形，d=55mm，l=85mm；查表得，主動車輪的伸出軸為圓柱形，d=75mm，l=105mm。低速軸轉(zhuǎn)矩：01.2jsMki m??????????????????式中： ——傳動系數(shù)；——減速器傳動比；0i?故低速軸上的聯(lián)軸器型號為 CL4，齒式聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩 ，[]560lMNm??軸孔直徑 75mm，軸孔長度 107mm。- 30 -圖 4-4 低速軸4.12 低速浮動軸多點驗算（1）疲勞強度的驗算 01.420.49516.8IeMi Nm??????:’式中 ----等效系數(shù)，查表得 =1.4；1 ?由上節(jié)已取浮動軸端直徑 d=60mm，故其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為：356.82.70n MPaW????????由于浮動載荷變化問對稱循環(huán)。因為浮動軸在運行過程中正反轉(zhuǎn)扭矩相同，所以許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為： 12[]39..4k an?????:式中 材料用 45 鋼。取 ，所以60,30bsMPa??10.2.12????.6.38zs a??----考慮零件幾何形狀和零件表面狀況的應(yīng)力集中系數(shù)；zmk?----與零件幾何形狀有關(guān)，對于零件表面有急劇過渡和開有鍵槽及緊配合區(qū)段，z，此處取 ；1.52zk?:2zk?----與零件表面加工粗糙度有關(guān)，對于粗糙度為 3.2 的， ；對于 12.5m 1.52mk?:- 31 -的， ，此處取 。1.253mk?:1.2mk?故 .4?----安全系數(shù)，?? .??，故疲勞強度通過。1[]nk??<（2）靜強度驗算計算靜強度扭矩： max02.540.95206.9ceMi Nm???????:’式中 ----動力系數(shù)；查表取 =2.5；c c??扭轉(zhuǎn)應(yīng)力： 32065.947.81MPaW?????許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力： 18[]..4sn?，故靜強度驗算通過。?<高速軸所受扭矩比低速軸小，強度肯定可以滿足。致謝- 32 -首先十分感謝指導(dǎo)老師周里群老師，在周老師的悉心指導(dǎo)和幫助下，學生順利完成了本次設(shè)計，并從中學到了很多有益的東西，不僅是新穎的設(shè)計思路和現(xiàn)場的加工經(jīng)驗，還學到了做人做事的態(tài)度、為人處事的方法和走上工作崗位后需注意的問題，這將會令學生受益終生。最后，我要對在本次設(shè)計完成過程中，給予我熱心幫助的毛照明，易維，楊鵬程等同學表示衷心的感謝！參考文獻- 33 -[1] 陳道南.起重運輸機械[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003[2] 陳道南,盛漢中.起重機課程設(shè)計[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003[3] 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-中文翻譯機械設(shè)計及最優(yōu)設(shè)計機械設(shè)計是一門通過設(shè)計新產(chǎn)品或者改進老產(chǎn)品，滿足人類需求的應(yīng)用技術(shù)科學。它涉及工程技術(shù)各個領(lǐng)域，主要研究產(chǎn)品的尺寸、形狀和詳細結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)思，還要研究產(chǎn)品在制造、銷售和使用等方面的問題。進行各種機械設(shè)計工作的人員通常被稱為設(shè)計人員或者設(shè)計工程師。機械設(shè)計是一門創(chuàng)造性的工作。設(shè)計工程師不僅在工作上面有創(chuàng)新性，還必須在機械制圖、運動學、運力學、工程材料、材料力學和機械制造工藝等方面有深厚的基礎(chǔ)知識。如前面所述，機械設(shè)計的目的是生產(chǎn)滿足人類的需求的產(chǎn)品。發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和科學知識本身并不一定能給人類帶來好處，只有當它們被用在產(chǎn)品上才能產(chǎn)生效益。因而，應(yīng)該認識到在一個特定產(chǎn)品進行設(shè)計之前，必須先確定人們是否需要這種產(chǎn)品。應(yīng)當把機械設(shè)計看成是設(shè)計人員運用創(chuàng)造性的才能進行產(chǎn)品設(shè)計、系統(tǒng)分析和制訂產(chǎn)品的制造工藝的一個良機。掌握工程基礎(chǔ)知識要比熟記一些數(shù)據(jù)和公式更為重要。僅僅使用數(shù)據(jù)和公式是不足在一個好的設(shè)計中做出所需的全部決定的。另一方面，應(yīng)該認真精確地進行所有的運算。例如，即使將一個小數(shù)點的位置放錯，也會是正確的設(shè)計變成錯誤的。一個好的設(shè)計人員應(yīng)該勇于提出新的想法，而且愿意承擔一定的風險；但新的方法不使用時，就恢復(fù)采用原來的方法。因此，設(shè)計人員必須要有耐心，因為所花費的時間和努力并不能保證帶來成功。一個全新的設(shè)計，要摒棄許多許多陳舊的的，為人們所熟知的方法。由于許多人易于墨守陳規(guī)，這樣做并不是件容易的事情。一位設(shè)計過程師應(yīng)該不斷地探索改進現(xiàn)有產(chǎn)品的方法，在此過程中應(yīng)該認真選擇原有的、經(jīng)過驗證的設(shè)計原理，將其與未經(jīng)過驗證的新觀念結(jié)合起來。新設(shè)計本身會有許多缺陷和未能預(yù)料的問題發(fā)生，只有當這些缺陷和問題被解決之后，才能體現(xiàn)出新產(chǎn)品的優(yōu)越性。因此，一個性能優(yōu)越的產(chǎn)品誕生的同時，也伴隨著較高的風險。應(yīng)該強調(diào)的是，如果設(shè)計本身不要求采用全新的方法，就沒必要僅僅為了變革的目的而采用新的方法。在設(shè)計的在設(shè)計的初始階段，應(yīng)該允許設(shè)計人員充分發(fā)揮創(chuàng)造性，不受各種約束。即使產(chǎn)生了許多不切實際的想法，也會在設(shè)計的早期，即繪制圖紙之前被改正掉。只有這樣，才不致于堵塞創(chuàng)新的思路。通常，要提出幾套設(shè)計方案，然后加以比較。很有可能在最后選定的方案中，采用了某些未被接受的方案中的一些想法。心理學家經(jīng)常談?wù)撊绾问谷藗冞m應(yīng)他們所操作的機器。設(shè)計人員的基本職責是努力使機器來適應(yīng)人們。這并不是一項容易的工作，因為實際上并不存在著一個對所有人來說都是最優(yōu)的操作范圍和操作過程。- 35 -另一個重要問題，設(shè)計工程師必須能夠同其他有關(guān)人員進行交流和磋商。在開始階段，設(shè)計人員必須就初步設(shè)計同管理人員進行交流和磋商，并得到批準。這一般是通過口頭討論，草圖和文字材料進行的。為了進行有效的交流 ，需要解決下列問題：（1） 所設(shè)計的這個產(chǎn)品是否真正為人們所需要？（2） 此產(chǎn)品與其他公司的現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比有無競爭能力？（3） 生產(chǎn)這種產(chǎn)品是否經(jīng)濟？（4） 產(chǎn)品的維修是否方便？（5） 產(chǎn)品有無銷路？是否可以盈利？ 只有時間能對上述問題給出正確答案。但是， 產(chǎn)品的設(shè)計、制造和銷售只能在對上述問題的初步肯定答案的基礎(chǔ)上進行。設(shè)計工程師還應(yīng)該通過零件圖和裝配圖，與制造部門一起對最終設(shè)計方案進行磋商。通常 ，在制造過程中會出現(xiàn)某個問題?？赡軙髮δ硞€零件尺寸或公差作一些更改，使零件的生產(chǎn)變得容易。但是，工程上的更改必須要經(jīng)過設(shè)計人員批準，以保證不會損傷產(chǎn)品的功能。有時，在產(chǎn)品的裝配時或者裝箱外運前的試驗中才發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的某種缺陷。這些事例恰好說明了設(shè)計是一個動態(tài)過程?？偸谴嬖谥玫姆椒▉硗瓿稍O(shè)計工作，設(shè)計人員應(yīng)該不斷努力，尋找這些更好的方法。近些年來，工程材料的選擇已經(jīng)顯得重要。此外，選擇過程應(yīng)該是一個對材料的連續(xù)不斷的重新評價過程。新材料不斷出現(xiàn)，而一些原有的材料的能夠獲得的數(shù)量可能會減少。環(huán)境污染、材料的回收利用、工人的健康及安全等方面經(jīng)常會對材料選擇附加新的限制條件。為了減輕重量或者節(jié)約能源，可能會要求使用不同的材料。來自國內(nèi)和國際競爭、對產(chǎn)品維修保養(yǎng)方便性要求的提高和顧客的反饋等方面的壓力，都會促使人們對材料進行重新評價。由于材料選用不當造成的產(chǎn)品責任訴訟，已經(jīng)產(chǎn)生了深刻的影響。此外，材料與材料加工之間的相互依賴關(guān)系已經(jīng)被人們認識得更清楚。因此，為了能在合理的成本和確保質(zhì)量的前提下獲得滿意的結(jié)果，設(shè)計工程師的制造工程師都必須認真仔細地選擇、確定和使用材料。制造任何產(chǎn)品的第一步工作都是設(shè)計。設(shè)計通常可以分為幾個明確的階段：（a）初步設(shè)計；（b）功能設(shè)計；（c）生產(chǎn)設(shè)計。在初步設(shè)計階段，設(shè)計者著重考慮產(chǎn)品應(yīng)該具有的功能。通常要設(shè)想和考慮幾個方案，然后決定這種思想是否可行；如果可行，則應(yīng)該對其中一個或幾個方案作進一步的改進。在此階段，關(guān)于材料選擇唯一要考慮的問題是：是否有性能符合要求的材料可供選擇；如果沒有的話，是否有較大的把握在成本和時間都允許的限度內(nèi)研制出一種新材料。在功能設(shè)計和工程設(shè)計階段，要做出一個切實可行的設(shè)計。在這個階段要繪制出相- 36 -當完整的圖紙，選擇并確定各種零件的材料。通常要制造出樣機或者實物模型，并對其進行試驗，評價產(chǎn)品的功能、可靠性、外觀和維修保養(yǎng)性等。雖然這種試驗可能會表明，在產(chǎn)品進入到生產(chǎn)階段之前，應(yīng)該更換某些材料，但是，絕對不能將這一點作為不認真選擇材料的借口。應(yīng)該結(jié)合產(chǎn)品的功能，認真仔細地考慮產(chǎn)品的外觀、成本和可靠性。一個很有成就的公司在制造所有的樣機時，所選用的材料應(yīng)該和其生產(chǎn)中使用的材料相同，并盡可能使用同樣的制造技術(shù)。這樣對公司是很有好處的。功能完備的樣機如果不能根據(jù)預(yù)期的銷售量經(jīng)濟地制造出來，或者是樣機與正式生產(chǎn)的裝置在質(zhì)量和可靠性方面有很大不同，則這種樣機就沒有多大的價值。設(shè)計工程師最好能在這一階段完全完成材料的分析、選擇和確定工作，而不是將其留到生產(chǎn)設(shè)計階段去做。因為，在生產(chǎn)設(shè)計階段材料的更換是由其他人進行的，這些人對產(chǎn)品的所有功能的了解不如設(shè)計工程師。在生產(chǎn)設(shè)計階段中，與材料有關(guān)的主要問題是應(yīng)該把材料完全確定下來，使它們與現(xiàn)有的設(shè)備相適應(yīng)，能夠利用現(xiàn)有設(shè)備經(jīng)濟地進行加工，而且材料的數(shù)量能夠比較容易保證供應(yīng)。在制造過程中，不可避免地會出現(xiàn)對使用中的材料做一些更改的情況。經(jīng)驗表明，可采用某些便宜材料作為替代品。然而，在大多數(shù)情況下，在進行生產(chǎn)以后改換材料要比在開始生產(chǎn)前改換材料所花費的代價要高。在設(shè)計階段做好材料選擇工作，可以避免多數(shù)這樣的情況。在生產(chǎn)制造開始后出現(xiàn)了可供使用的新材料是更換材料的最常見的原因。當然，這些新材料可能降低成本、改進產(chǎn)品的性能。但是，必須對新材料進行認真的評價，以確保其所有性能都滿足要求。應(yīng)當記住，新材料的性能和可靠性很少像現(xiàn)有材料那樣為人們所了解。大部分的產(chǎn)品失效和產(chǎn)品責任事故案件是由于在選用新材料作為替代材料之前，沒有真正了解它們的長期使用性能而引起的。產(chǎn)品的責任訴訟迫使設(shè)計人員和公司在選擇材料時，采用最好的程序。在材料過程中，五個最常見的問題為：（a）不了解或者不會使用關(guān)于材料應(yīng)用方面的最新最好的信息資料；(b)未能預(yù)見和考慮擦黑年品可能的合理用途（如有可能，設(shè)計人員還應(yīng)進一步預(yù)測和考慮由于產(chǎn)品使用方法不當造成的后果。在近年來的許多產(chǎn)品責任訴訟案件中，由于錯誤地使用產(chǎn)品而受到傷害的原告控告生產(chǎn)廠家，并且贏得判決）；(c)所使用的材料的數(shù)據(jù)不全或是有些數(shù)據(jù)不確定，尤其是當其長期性能數(shù)據(jù)是如此的時候；(d)質(zhì)量控制方法不適當和未經(jīng)驗證；(e)由一些完全不稱職的人員選擇材料。通過對上述五個問題的分析，可以得出這些問題是沒有充分理由存在的結(jié)論。對這些問題的研究分析可以為避免這些問題的出現(xiàn)指明方向。盡管采用最好的材料選擇方法也不能避免發(fā)生產(chǎn)品責任訴訟，設(shè)計人員和工業(yè)界按照適當?shù)某绦蜻M行材料選擇，可以大大減少訴訟的數(shù)量。- 37 -從以上的討論可以看出，選擇材料的人們應(yīng)該對材料的性質(zhì)，特點和加工方法有一個全面而基本的了解。當加工鋁時，我們主要關(guān)心的是：鋁粘住加工切削邊緣的傾向；保證有好的碎片排屑形成切削邊緣；和保證工具有足夠的中心強度來承受切削力而不被破壞。技術(shù)發(fā)展，比如：Makino MAG系列，已經(jīng)使工具商重新考慮任何工藝水平的機器技術(shù)。用正確的加工和編程思路是很重要的。材料，涂料和幾何形狀是與減小我們所關(guān)注問題相關(guān)系的工具設(shè)計的三個因素。如果這些因素不能一起很好的配合，成功的調(diào)整磨削是不可能的。為了成功進行高速鋁加工，理解這三個因素是很必要的。使組合邊緣最小化當加工鋁時，一個失敗的切削工具模式是，被加工的材料粘住工具切削邊緣。這種情況會很快削弱工具的切削能力。由粘著的鋁形成的組合邊緣會導(dǎo)致工具變鈍，以至不能切削材料。工具材料選擇和工具涂料選擇是被工具設(shè)計者用來減小組合邊緣出現(xiàn)的主要工藝。亞微米微粒碳化物材料要求很高的鈷濃度來獲得良好的微粒結(jié)構(gòu)和材料強度屬性。隨著溫度的升高，鈷與鋁發(fā)生反應(yīng)，鈷使鋁與暴露的工具材料碳化物相粘合。一旦鋁開始粘住工具，鋁會在快速的在工具上形成組合邊緣，使工具不可用。在切削的進程中，減小鋁粘合著的工具的暴露碳化物的秘訣就是找到正確的碳化物的平衡來提供足夠的材料強度。在加工鋁時，為了減小粘附，使用能提供足夠硬度的紋理粗糙的碳化物來獲得平衡，來使變鈍變慢。工具涂料當嘗試減小組合邊緣時，第二個應(yīng)該考慮的工具設(shè)計因素是工具涂料。工具涂料的選擇包括：TiN, TiAIN, AITiN，鉻氮化物，鋯氮化物，鉆石和鉆石般的涂料（DLC）。擁有這么多的選擇，航空航天磨削商店需要知道在鋁的高速加工應(yīng)用中哪一種工作最有效。TiN, TiCN, TiAIN, 和 AITiN工具的PVD涂裝應(yīng)用進程使這些選項不合適鋁的應(yīng)用。PVD涂裝進程建立了兩個使鋁粘住工具的模式---表面的粗糙程度和鋁與工具涂料之間的化學反應(yīng)。PVD進程形成了一個表面，這表面是比底層材料更粗糙的。由這個進程形成的表面“凹凸”使工具中的鋁在凹處快速集結(jié)。由于涂料有金屬晶體和鐵晶體特征，PVD涂料是可以和鋁發(fā)生化學反應(yīng)的。一種TiAIN涂料通常是包含鋁的，這鋁很容易和相同材料的切削表面粘合。表面粗糙度和化學反應(yīng)特性將會導(dǎo)致工具和工作片體粘在一起，以致形成組合表面。OSG Tap and Die主導(dǎo)的試驗中，人們發(fā)現(xiàn)在高速加工鋁時，一個沒有涂染過紋理粗糙的碳化物的工具的表面優(yōu)于用TiN, Ticn, TiAIN, 或者ALTiN涂染過的工具。這個- 38 -試驗不意味著所有工具涂料將減小工具的表現(xiàn)。鉆石和DLC涂料可生成一個非常光滑的化學惰性的表面。在切削鋁材料時，這些涂料很認為是能非常有效的提高工具的壽命。鉆石涂料被認為是表現(xiàn)最佳的涂料，但這種涂料要一個很可觀的成本。對于表現(xiàn)價值，DLC涂料提供最佳成本，增加大約20%-25%的總工具成本，而壽命相對于未涂染過紋理粗糙的碳化物的工具來是，是增長得很明顯的。幾何形狀高速鋁加工工具設(shè)計的拇指定律就是使微粒排屑空間最大化。這是因為鋁是一種非常柔軟的材料。Federate通常是可以增長的，它生成更多更大的微粒。Makino MAG-Series航空航天磨削機器，比如MAG4,要求額外關(guān)注工具幾何休和工具強度。擁有強大的80-hp的心軸的 MAG-Series機器將折斷工具如果他們不是用足夠的中心強度設(shè)計的。總的來說，鋒利的切削邊緣一直都可以用來避免鋁的延伸。一個鋒利的切削邊緣將形成高剪切和高表面清潔，形成一個更好的表面和使表面振動最小化。結(jié)果是用優(yōu)良的紋理碳化物材料比紋理粗糙的碳化物材料更有可能獲得一個鋒利的切削邊緣。但由于鋁能粘住紋理好的材料，長久保持這各邊緣是不太可能的。粗略的折衷方案紋理粗糙的材料是最好的折衷。那是一種很強大的材料，它能擁有一個可觀的切削邊緣。試驗結(jié)果表明；在獲得長的工具壽命的同時擁有好的表面的可以的。通過工具來進行油霧冷卻是可以改進切削邊緣的保持的。霧化逐漸使工具冷卻，消除溫度急增的問題。螺旋角度是一個額外的工具幾何考慮因素。傳統(tǒng)上來說，當加工鋁時，帶有高螺旋角度的工具已經(jīng)被運用。高螺旋角度可以使微粒更快地從部分脫離，但卻增加力和熱，這是由切削運動導(dǎo)致的。一個高螺旋角被用在工具上，并且很大數(shù)量的凹槽可以使微粒排泄。當以非常高的速度加工鋁時，由增加的力形成的熱量可能會引起微粒與工具焊接在一起。此外，一個有很高螺旋角的切削表面將比低角度的更快產(chǎn)生微粒。僅僅利用兩個凹槽工具設(shè)計使低螺旋角和足夠微粒排泄區(qū)域成為可能。由 OSG 主導(dǎo)的延伸性試驗中，當發(fā)展新工具流水線時，這被證明是最成功的方法。- 39 -英文技術(shù)資料Mechanical Design and Optimum DesignMechanical design is the application of science and technology to devise new or improved products for the purpose of satisfying human needs. It is a vast field of engineering technology which not only concerns itself with the original conception of the product in terms of its size, shape and construction details, but also consideration the various factors involved in the manufacture and use of the product.People who perform the various function of mechanical design are typically called designers, or design engineers. Mechanical design is basically a creative activity. However, in addition to being innovative, a design engineer must also have a solid background in the areas of mechanical drawing, kinematics, dynamics, material engineering, strength of materials and manufacturing processes.As stated previously, the purpose of mechanical design is to product which will serve a need for man. Invention, discoveries and scientific knowledge by themselves do not necessarily benefit people; only if they are incorporated into a designed product will a benefit be derived. It should be recognized, therefore, that a human need must be identified before a particular product is designed.Mechanical design should be considered to be an opportunity to use innovation talents to envision a design of a product, to analyze the system and then make sound judgments on how the product is to be manufacture. It is important to understand the fundamentals of engineering rather than memorize mere facts and equations. There are no facts or equations which alone can be used to provide all the correct decisions required to produce a good design. On the other hand, any calculations made must be done with the utmost care and precision. For example, if a decimal point is misplaced, an otherwise acceptable design may not function.Good designs require trying new ideas and being willing to take a certain amount of risk, knowing that if the new idea does not work the existing method can be reinstated. Thus a designer must have patience, since there is no assurance of success for the time and effort expended. Creating a completely new design generally requires that many old and well-established methods be thrust aside. This is not easy since many people cling to familiar ideas, techniques and attitudes. A design engineer should constantly search for ways to improve an existing product and must decide what old, proven concepts should be used and what new, untried ideas should be incorporated.New designs generally have “bugs” or unforeseen problem which must be worked out before the superior characteristics of the new designs can be enjoyed. Thus there is a chance for a superior product, but only at higher risk. It should be emphasized that, if a design dose not warrant radical new methods, such methods should not be applied merely for the sake of change. During the beginning stage of design, creativity should be allowed to flourish to without a great number of constraints. Even thought many impractical ideas may arise, it is usually easy to eliminate them in the early stages of design before firm details are required by - 40 -manufacturing. In this way, innovative ideas are not inhibited. Quite often, more than one design is developed, up to point where they can be compared against each other. It is entirely possible that the design which is ultimately accepted will use ideas existing in one of the rejected design that did not show as much overall promise.Psychologists frequently talk about trying to fit people to the machines they operate. It is essentially the responsibility of the design engineer to fit machines to people. This is not an easy task, since there is really no person for which certain operating dimension and procedures are optimum.Another important point which should be recognized is that a design engineer must be able to communicate ideas to other people if they are to be incorporated. Communicating the design to others is the final, vital step in the design process. Undoubtedly many great designs, inventions, and creative works have been lost to mankind simply because the originator were unable or unwilling to explain their accomplishments to others. Presentation is a selling job. The engineer, when presenting a new solution to administrative, management, or supervisory persons, is attempting to sell or to prove to them that this solution is a better one. Unless this can be done successfully, the time and effort spent on obtaining the solution have been largely wasted.Basically, there are only three means of communicate available to us. There are the written, the oral, and the graphical form. Therefore the successful engineer will be technically competent and versatile in all three forms of communication. A technically competent person who lacks ability in any one of these forms is severely handicapped. If ability in all three forms is lacking, no one will ever know how competent that person is!The competent engineer should not be afraid of the possible of not succeeding in a presentation. In fact, occasional failure should be expected because failure or criticism seems to a company every really creative idea. There is a great deal to be learned from a failure, and the greatest gains are obtained by those willing to risk defeat. In the final analysis, the real failure would lie in deciding not to make the presentation at all. To communicate effectively, the fowling questions must be answered:Dose the design really sever a human need?Will it be competitive with existing products of rival companies?Is it economical to produce?Can it be readily maintained?Will it sell and make a profit?Only time will provide the true answers to the preceding question,