淺析機(jī)械設(shè)計(jì)與設(shè)備維護(hù)成本的關(guān)系

王大煒，李曉劍

（廣東亨通光電科技有限公司，廣東 東莞 523808）

隨著我國(guó)現(xiàn)代化程度不斷提高、人工成本不斷增加，機(jī)器代人成為一種發(fā)展趨勢(shì)。設(shè)備若想穩(wěn)定運(yùn)行離不開(kāi)高質(zhì)量的維護(hù)，維護(hù)意味著人工和物料成本的投入。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能，還得考慮設(shè)計(jì)的設(shè)備，在后期的維護(hù)成本能夠最低。在設(shè)計(jì)中，不斷學(xué)習(xí)立足實(shí)際，積極聽(tīng)取客戶(hù)在使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題，不斷提高改善，降低后期的維護(hù)成本。下面將結(jié)合在工廠設(shè)備維護(hù)及設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié)。

1 合理的結(jié)構(gòu)能夠降低設(shè)備故障率

1.1 載荷較大的軸，盡量做到一體化

鋼絲放線(xiàn)架，其主要功能是配合產(chǎn)線(xiàn)主動(dòng)放出鋼絲。原廠家對(duì)于頂緊頭的設(shè)計(jì)部分，采用分體式結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)軸與固定座之間由軸承連接，輸出端采用螺栓與頂緊頭部分連接。在使用過(guò)程，由于鋼絲盤(pán)具整體較重，且盤(pán)具與頂緊頭內(nèi)孔間存在一定的間隙，因此，在旋轉(zhuǎn)放線(xiàn)過(guò)程中，頂緊頭部分受到反復(fù)的交變應(yīng)力沖擊易造成螺栓斷裂或松動(dòng)，從而產(chǎn)生故障，甚至造成質(zhì)量事故。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，采用分體式結(jié)構(gòu)的頂緊頭，基本上3個(gè)月左右會(huì)出現(xiàn)一次故障。出現(xiàn)故障后，往往伴隨隨著螺紋孔的破壞，需要重新更換配件或是加大孔徑重新攻絲。這樣處理，配件一般需要500元左右。而重新攻絲則會(huì)浪費(fèi)2h左右的時(shí)間，造成產(chǎn)能的浪費(fèi)。針對(duì)反復(fù)出現(xiàn)的故障，通過(guò)分析。由于負(fù)載較大，分體式的結(jié)構(gòu)采用螺栓連接，無(wú)法承受實(shí)際工況的沖擊應(yīng)力。因此，我們針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，直接采用一體式結(jié)構(gòu)解決該問(wèn)題。在優(yōu)化為一體式結(jié)構(gòu)后，連續(xù)跟蹤2年沒(méi)有再次出現(xiàn)過(guò)相同故障。

1.2 對(duì)于軸的階梯部分要盡量避免應(yīng)力集中

因?yàn)閼?yīng)力集中導(dǎo)致斷軸的案例屢見(jiàn)不鮮，比較容易出現(xiàn)于軸的不同直徑銜接處。為了在軸上安裝各種旋轉(zhuǎn)體而制成多數(shù)階梯部分，由于這種階梯部分存在應(yīng)力集中，處理不到位容易造成斷裂。未作處理的軸連接處直接為直角，為了減輕其集中程度，需要將階梯部分的R增大到必要的界限。這樣能夠在很大的程度上減少階梯部分的斷裂故障。例如某一設(shè)備放線(xiàn)架驅(qū)動(dòng)軸，直徑28部分與減速機(jī)相連。前期因?yàn)闆](méi)有對(duì)應(yīng)力集中處進(jìn)行處理，導(dǎo)致在短短的1個(gè)月內(nèi)連續(xù)斷軸2根。每次都是應(yīng)力集中處斷裂，造成了多起質(zhì)量事故。針對(duì)此問(wèn)題，通過(guò)分析后，判定為細(xì)軸與其他直徑銜接處未做處理，導(dǎo)致應(yīng)力集中。優(yōu)化方案在原有軸整體結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，應(yīng)力集中處采用R5的圓弧處理，減小應(yīng)力集中程度。處理后，該軸的使用壽命大大提升，消除了斷軸隱患。

1.3 軸承座孔內(nèi)盡量不設(shè)置臺(tái)階

機(jī)械設(shè)計(jì)中，根據(jù)特定的場(chǎng)合經(jīng)常會(huì)用到非標(biāo)準(zhǔn)軸承座。自行設(shè)計(jì)軸承座往往會(huì)用到2個(gè)或者跟多軸承，一般我們需要考慮軸承的限位問(wèn)題。其中常用的限位方式有兩種：第一，采用軸承安裝孔內(nèi)設(shè)置臺(tái)階的形式，將軸承裝入軸承座后，在軸承座端面設(shè)置端蓋即可限定軸承的自由度。第二，直接將軸承孔安裝座加工為通孔，然后在軸承座內(nèi)部加入隔圈將軸承隔開(kāi)，最后在軸承座的端面設(shè)置端蓋，從而實(shí)現(xiàn)軸承的固定。以上兩種方式均可以實(shí)現(xiàn)軸承座中軸承的位置固定，在加工精度足夠高的情況下使用效果基本沒(méi)多大區(qū)別。

但是，在實(shí)際設(shè)備制造和設(shè)備維護(hù)過(guò)程，其實(shí)兩種結(jié)構(gòu)的軸承座使用效果有很大區(qū)別。孔內(nèi)設(shè)置臺(tái)階結(jié)構(gòu)，在加工過(guò)程必須要進(jìn)行調(diào)轉(zhuǎn)方向重新裝夾后，才能加工另一側(cè)軸承位。掉頭裝夾過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且裝夾過(guò)程不能保證裝夾的同心度。因此，加工完成后，兩側(cè)的軸承位同心度會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，從而影響軸承的同心度。軸裝入兩個(gè)軸承的過(guò)程會(huì)出現(xiàn)，單獨(dú)安裝一個(gè)軸承旋轉(zhuǎn)靈活，而兩個(gè)軸承同時(shí)裝入軸后，出現(xiàn)卡頓問(wèn)題。這種情況針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慢的機(jī)構(gòu)，影響較小。但是對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)速度快的機(jī)構(gòu)會(huì)因?yàn)椴煌脑斐尚D(zhuǎn)不靈活的問(wèn)題，這時(shí)同一個(gè)軸承座的中的兩個(gè)軸承會(huì)受到軸的一個(gè)“扭力”從而導(dǎo)致軸承滾珠與軸承體摩擦力增大。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程，就會(huì)出現(xiàn)軸承過(guò)熱問(wèn)題。嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成軸承卡死，從而導(dǎo)致整個(gè)機(jī)構(gòu)故障。

自制軸承座，軸承安裝為采用通孔形式制作，加工難度大大降低。同時(shí)由于不需要調(diào)轉(zhuǎn)方向重新裝夾，“一刀成型”能夠極大的保證兩個(gè)軸承位的同心度。對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)，軸承座孔采用通孔結(jié)構(gòu)，為更優(yōu)方案。

2 適合的材料能夠延長(zhǎng)配件的使用壽命

2.1 軟接觸磨損件表面采用陶瓷材料能夠延長(zhǎng)耐磨周期

設(shè)備實(shí)際使用過(guò)程部分零件會(huì)直接與原材料產(chǎn)生摩擦（滑動(dòng)摩擦），比如分線(xiàn)板，過(guò)線(xiàn)孔等工作時(shí)一直會(huì)與線(xiàn)狀原材料（簡(jiǎn)稱(chēng)線(xiàn)材）之間產(chǎn)生摩擦。雖然，分線(xiàn)板采用金屬材料制作，而線(xiàn)材為塑料。線(xiàn)材硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分線(xiàn)板的硬度，但是日積月累的情況下，分線(xiàn)板還是會(huì)出現(xiàn)磨損。而磨損就意味著需要進(jìn)行更換，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)材與磨損的凹痕卡死造成的質(zhì)量事故。其實(shí)硬度和韌性之間一直都站在一個(gè)“對(duì)立面”，要求高硬度意味著要犧牲其韌性，反之亦然。有沒(méi)有一種材料，硬度高、韌性好、價(jià)格低？這對(duì)于很多設(shè)備降低維護(hù)成本就成為了重中之重。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)綜合考量成本的基礎(chǔ)上，分線(xiàn)板主體部分采用鋁合金加工，然后在其過(guò)線(xiàn)孔處鑲嵌99陶瓷孔，成為最優(yōu)方案。通過(guò)該方案處理后，分線(xiàn)板這一配件的耐磨性將極大的提升，瓷孔使用2年基本上都看不到磨損痕跡。即使出現(xiàn)磨損，也只需要有針對(duì)性的對(duì)單個(gè)陶瓷孔進(jìn)行更換。因?yàn)樘沾煽讓儆跇?biāo)準(zhǔn)件，單價(jià)約為1元左右，所以能夠大大的降低設(shè)備的維護(hù)成本。后通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證對(duì)比，陶瓷材料相對(duì)于金屬在耐磨性上有著絕對(duì)性的優(yōu)勢(shì)。無(wú)論是孔、桿、圈等會(huì)與物體產(chǎn)生小應(yīng)力摩擦的場(chǎng)景，都可以采用“金屬+陶瓷”的組合形式來(lái)一勞永逸的解決問(wèn)題。

2.2 懂得“舍卒保車(chē)”能夠大大的降低維護(hù)難度

合理的選用材料，以及選擇合適的材料組合形式，能夠大大降低維護(hù)難度。而在機(jī)械設(shè)計(jì)上，我們也會(huì)對(duì)不同零件的使用壽命做出取舍。比如梯形絲桿與螺母，設(shè)計(jì)過(guò)程中，螺母的更換難度和加工難度相對(duì)較低。因此，我們會(huì)采用黃銅來(lái)制作螺母，以犧牲銅螺母的形式來(lái)延長(zhǎng)絲桿的使用壽命。又如直流電機(jī)的換向器與碳刷之間的關(guān)系，直流電機(jī)的換向器與轉(zhuǎn)子相連，其出現(xiàn)故障后，更換和維修的難度和成本相當(dāng)?shù)母撸欢妓闃?biāo)準(zhǔn)件，價(jià)格便宜，且更換起來(lái)較為方便。因此，電機(jī)設(shè)計(jì)師采用了二者組合的形式來(lái)降低維護(hù)難度和成本。總的來(lái)說(shuō)，機(jī)械設(shè)計(jì)的“舍卒保車(chē)”更多的是壽命、性能、制造成本之間的平衡和最優(yōu)解。

3 合理的設(shè)備制造成本能夠減少后期維護(hù)成本

3.1 選用性?xún)r(jià)比高的配件能夠降低維護(hù)成本

設(shè)備后期的維護(hù)費(fèi)用高低，其實(shí)與設(shè)備本身制造成本也有一定的關(guān)系。設(shè)備制造過(guò)程奠定其“基因”，“基因”的好壞能夠決定設(shè)備“存活”的壽命。從狹義的角度來(lái)講，設(shè)備制造過(guò)程中選用的配件質(zhì)量越好，設(shè)備后期使用過(guò)程出現(xiàn)故障的幾率越低。但是，設(shè)備制造過(guò)程不可能不考慮成本，畢竟設(shè)備公司不僅需要訂單也需要盈利。因此配件的質(zhì)量與成本之間我們需要找到一個(gè)最優(yōu)解--性?xún)r(jià)比最高。進(jìn)口的配件不一定就是最好的，如果國(guó)產(chǎn)質(zhì)量過(guò)關(guān)的情況下盡可能多的選用國(guó)產(chǎn)品牌有利于降低制造成本。并且，后期如果出現(xiàn)問(wèn)題，國(guó)產(chǎn)配件的價(jià)格和購(gòu)買(mǎi)難度相對(duì)于進(jìn)口品牌有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.2 盡可能多的使用標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)降低制造和維護(hù)成本

“標(biāo)準(zhǔn)件是指結(jié)構(gòu)、尺寸、畫(huà)法、標(biāo)記等各個(gè)方面已經(jīng)完全標(biāo)準(zhǔn)化,并由專(zhuān)業(yè)廠生產(chǎn)的常用的零(部)件,如螺紋件、鍵、銷(xiāo)、滾動(dòng)軸承等等。標(biāo)準(zhǔn)件的生產(chǎn)具有批量性的特點(diǎn)，在大批量的制造背景下，往往實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。因此，單件的生產(chǎn)成本能夠大大的降低。機(jī)械設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中在條件允許的情況下，盡可能多的使用標(biāo)準(zhǔn)件，從而減少非標(biāo)件的使用。可以降低設(shè)備的制造成本，同時(shí)也可以降低設(shè)備使用客戶(hù)的維護(hù)成本。

4 結(jié)語(yǔ)

以上是關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)與設(shè)備維護(hù)成本關(guān)系的幾條重要因素的分析內(nèi)容。科技的不斷發(fā)展，社會(huì)的不斷進(jìn)步，各種機(jī)器設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越豐富是必然的趨勢(shì)。因此，降低設(shè)備后期維護(hù)成本是設(shè)備機(jī)械研發(fā)、維護(hù)人員需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，機(jī)械設(shè)計(jì)人員同時(shí)也要不斷探索新的技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)并達(dá)到降本目的。隨著“工匠精神”的不斷發(fā)揚(yáng)，相信未來(lái)的設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)力不僅僅在于價(jià)格的低廉，更在于設(shè)備本身的品質(zhì)以及在設(shè)備的全生命周期里具有優(yōu)越的超高性?xún)r(jià)比。