非标试验设备设计开发流程

李光辉

摘 要：文章从四个方面阐述了非标试验设备设计的特点，介绍了其一般设计开发流程;然后对于设计过程中计算相关的问题给出了相应的计算原则及方法;最后对于设备中关键件的选型原则及方法做了详细介绍。

关键词：非标;试验设备;能量守恒;强度理论

前言

试验是产品设计开发的重要环节，首件制造出来后，需在试验设备上进行相关试验，来验证产品的技术性能，以及其安全可靠性。

产品技术的发展很大程度上取决于试验技术的发展，其竞争实际上也是试验技术的竞争。

鉴于市场上产品的多样性，很大部分并没有专用的试验设备，因而需要根据产品试验的具体需求进行相应试验设备的设计开发。而非标试验装备就是专门设计和制造的非标设备。

1非标试验设备设计的特点

因为没有较为标准的设计开发流程，所以对于非标试验设备的设计开发比较复杂，其设计特点主要表现为以下几个方面。

1）单件小批量

非标试验设备需要根据用户的具体需求由相关企业进行设计制造，这个特点就决定了非标试验设备大多是单件或者小批量的生产。

2）设计难度大

非标试验设备在设计制造过程中，不可能像标准设备那样有足够的设计经验数据和完整的制造工艺工装，以及必要的试制和试验，因此设计开发过程较为困难，主要有以下几个方面：

（1）缺少可直接采用的设计计算方法、资料和实践数据。

（2）缺少加工工艺装备，制造高精度和高质量困难。

（3）设计周期比较短，缺少完整的试验及改进过程。

（4）受数量少品种多影响，材料与热处理的选择受制约。

3）多采用焊接结构

由于非标试验设备单件小批量的特点，设备所需的结构件种类较多，但是数量较少，应尽量采用焊接件来代替铸、锻件，可以降低制造成本和缩短制造周期。

4）可靠性要求高

设备需要长期安全可靠的运行，因此对于设备的可靠性要求极高。

2非标试验设备设计流程

非标试验设备设计并没有一成不变的设计步骤。根据经验，其设计流程有共同性和一定的差异。在实际设计中可以根据具体情况加以变动，其设计流程大致如图1所示。

3相关设计计算

1）设计计算的特殊性

非标试验设备设计计算中，很大一部分不能直接套用现成的计算方法和计算公式，且设计计算的安全系数一般稍大一些，同时设计计算的关键是如何把用户对设备的要求和所提供的数据正确变换成设计计算的参数和依据。

2）设计计算的可靠性与高效性

设计计算的可靠性一般都取决于计算的依据和方法是否正确，同时还要重视设计计算的工作效率。

对任何非标试验设备所需功率或设备所需要的能量，都可以采用能量守恒原理来计算。

非标试验设备的强度计算，通常都要依靠理论分析并结合实际要求找出可靠的计算方法，安全系数和许用应力的選取范围都很大。由于缺乏经验往往容易出现零件强度尺寸过大或过小的问题，因此需要简便实用的计算方法：最大主应力理论、最大线变形理论、最大剪应力理论。

4非标试验设备关键件设计选型

我公司长期从事齿轮传动系统产品的非标试验设备的设计开发，其关键件主要包含以下几个部分：电机、联轴器、轴与轴承、焊接结构件等。

1）电机选型

影响电机选型的因素有很多，其中主要有被试产品的功率P、转速n以及扭矩T，实际选型中，需要根据产品试验的实际需求综合考虑上述因素：

a）电机的功率应根据被试产品的额定功率来确定，电机功率应留有余量，一般为10%-20%的余量。

b）电机转速应尽量与产品的工作转速相同，当转速很低或很高时，需要根据所使用的变速机构特性选择电机的转速。

c）电机的扭矩可根据公式T=9550P/n计算得出，若计算得出电机扭矩小于产品试验所需扭矩，应相应提高电机功率。

2）联轴器

联轴器用于相同转速两轴之间的连接，其主要功能有：

a）连接转速相同的两轴，传递转速和扭矩

b）补偿两轴之间的位置及角度误差，以消除或减少其危害

c）吸收震动，减少冲击

联轴器主要分为刚性和挠性联轴器，实际选型中要根据具体需求进行选择，应考虑以下几方面因素：

a）传递扭矩的大小。

b）工作转速。

c）两轴不对中大小要求。

d）可靠性及使用环境。

e）成本。

3）轴与轴承

轴是机械设备中重要的零件之一，其上安装有各种传动零件，用以传递转矩和转速;轴又通过轴承安装在机架上，形成以轴为基准的轴系。轴的设计应满足合理的结构、足够的强度、必要的刚度和振动稳定性及良好的工艺性等要求。通常设计步骤如下：

a）根据机械传动总体布局，拟定轴上零件的布置和装配方案;

b）选择轴的材料;

c）初步按强度和刚度估算轴的直径;

d）进行轴系零部件的结构设计，校核轴键连接强度及轴承的承载能力;

e）对于重要的轴应进行强度的精确校核计算;

f）有必要时，校核轴的刚度及临界转速;

g）根据上述计算结果修改设计;

h）绘制轴的零件图。

轴承作为轴的旋转支撑部件尤为重要，轴承选择时应考虑以下几个因素：负荷大小、转速、允许空间、调心性能、刚性、摩擦力矩与噪声、轴向游动、安装拆卸、价格。

除了轴承的选型外，轴系的设计还包含轴承支撑形式的选择，轴承支撑形式主要有以下几种形式：

a）一端固定一端游动：适用于旋转精度高的长轴。

b）两端固定：适用于旋转精度不太高的短轴。

c）两端游动：应用于轴的轴向位置由其他零部件限定时，如人字齿传动。

4）焊接结构件

前面讲到由于非标试验设备单件小批量的特点，设备所需的结构件种类较多，但是数量较少，因此多采用痕接结构件，其选用原则如下：

a） Wc<0.25%的低碳钢，Wc<0.4%的低碳合金钢焊接性能好尽量选用。

b） 强度等级低的低合金钢可焊性与低碳钢相似，但强度比低碳钢高，适当选用低合金钢代替低碳钢可以节省钢材，减轻结构重量。

c） 尽量减少异种金属的熔焊，减少出现问题的复杂性，避免无法使用熔焊的方法获得满意接头。

d） 尽量选用尺寸较大的原材料或型材，以减少焊缝的数量。

e） 尽量选用廉价材料，以降低成本。

结语

试验是产品研发必不可少的一个环节，通过试验可以发现产品设计制造后存在的问题并及时进行修改，随着产品功能集成化程度以及可靠性方面的需求不断提高，对于非标试验设备的试验能力及可靠性要求日益严格。总而言之，进一步的分析非标试验设备的设计特点及设计需求，同时进行效率提升，从而保证其设计的精确性及高可靠性。

参考文献

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