机械系统

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机械系统(Mechanical System)

　　机械系统是指由许多机器、装置、监控仪器等组成的大型工业系统，或由零件、部件等组成的机器。

　　(1)物料流系统

　　物料是机械系统工作的对象，机械系统的任务就是改变物料的形状和状态。因此，在机械系统中，物料流是最重要的部分，机械系统中直接与物料接触且使物料发生形状和状态变化的部分就构成了物料流系统。

　　(2)能量流系统

　　任何机器的工作都需要能量，要使物料的形状和状态发生变化，更需要大量的能量。因此，机械系统中用于提供能量、转换能量和传递能量的部分就构成了能量流系统。

　　(3)信息流系统

　　在物料流和能量流中，各种机构和装置的工作和停止都要满足一定的要求。同时，系统还要随时发现一些故障，并给出相应的处理措施。这些都涉及信息的采集、处理以及指令的发送与接收。因此，机械系统中用于对系统内的信息和指令进行处理的部分就称为信息流系统。

　　(4)机械结构系统

　　结构系统在机械系统中起着支承、连接的作用，用来安装物料流、能量流、信息流系统中的零部件，并保证各零部件和系统之间的相互空间位置关系。结构系统由各部分结构件组成，常见的有机身、导轨、箱体、横梁、工作台等。

　　机械结构系统是机械系统的重要组成部分，其强度、刚度、动态性能和热性能等，都对机械系统的整体性能和功能的可靠性产生重要影响。

　　(5)机械运动系统

　　机械运动系统包含传动系统、执行系统及操纵系统。

　　传动系统是用于传递能量(以运动和动力的形式表现)的中间装置。当然，当动力机能量的输出形式完全符合工作机械的要求时，可以省略传动部件。

　　执行系统通常处于机械系统的末端，直接与作业对象接触，其输出是机械系统的主要输出，其功能是机械系统的主要功能。因此，执行部件有时也被称为机械系统的工作机，其功能及性能直接影响和决定机械系统的整体功能及性能。

　　操纵系统用于将人和机械联系起来，即把操作者施加于机械的信号，经转换传递到执行部件，以实现机械系统的起停、换向、变速、变力等目的。

　　现代机械系统的功能要求非常广泛，不同的机械系统因其工作要求、追求目标和使用环境的不同，其具体功能的要求也有很大差异。

　　对机械产品功能的理解，人们通常是指该产品的用途、使用性能和工作能力。例如，电动机：

　　用途——作为原动机，用以驱动机床、电扇等各类机械。

　　性能——效率、寿命、振动……

　　能力——功率、转速……

　　金属切削机床：

　　用途——切去毛坯余量，将其加工成符合规定尺寸、形状、精度要求的零件。

　　性能——精度、刚度、寿命、噪声……

　　能力——功率、速度……

　　各种机械系统的功能要求大体可归纳为：

　　①运动要求：如速度、加速度、转速、调速范围、行程、运动轨迹以及运动的精确性等。

　　②动力要求：包括传递的功率、转矩、力、压力等。

　　③可靠性和寿命要求：包括机械和零部件执行功能时的可靠性和寿命，零部件的强度、硬度、耐磨性等。

　　④安全性：包括强度、剐度、热力学性能、摩擦学特性、振动稳定性、系统工作的安全性及操作人员的安全性等。

　　⑤体积和重量。

　　⑥精度：如运动精度、定位精度等。

　　⑦经济性：包括机械的设计、制造及使用、维修的经济性。

　　⑧环境保护要求：如噪声、振动、防尘、工业三废的处理与排放。

　　⑨产品造型要求：如外观、色彩、装饰、人—机—环境的协调性等。

　　⑩其他特殊要求：除上述要求之外，不同的机械还可有一些特殊要求，如户外型机械要求良好的防护和密封，食品机械、纺织机械要求不污染被加工产品等。

　　1．机械系统设计的基本思想

　　机械系统设计的思想很早就已产生，早在1824年，卡诺在《论火的动力与发出这种动力的机器》中写道：“任何时候都不要指望把燃料的全部热能加以利用。如果忽略其他目标，而一味追求此点，将有害而无益。燃料的经济性只是热机应满足的条件之一，在很多情况下，燃料的经济性常常处于第二位，热机首先应满足可靠性、强度、寿命、尺寸等要求”。

　　这段话，实际包含了机械系统设计的基本思想，即：在机械系统(热机)设计时不应追求局部最优(燃料的经济性)，而应该追求整体的最优(燃料的经济性加上热机的可靠性、强度、寿命、尺寸等综合性能)。

　　2．机械系统设计的特点

　　机械系统设计必须考虑整个系统的运行，而不是只关心各组成都分的工作状态和性能。传统的设计方法注重内部系统的设计，且以改善零部件的特性为重点，至于各零部件之间、外部环境与内部系统之间的相互作用和影响考虑较少。零部件的设计固然应该给予足够的重视，但全部用最好的零部件未必能组成好的系统，其技术和经济性未必能实现良好的统一。应该在保证系统整体工作状态和性能最好的前提下，确定各零部件的基本要求及它们之间的协调和统一。

　　同时，应在调查研究的基础上搞清外部环境对该机械系统的作用和影响，如市场的要求(包括功能、价格、销售量、尺寸、质量、工期、外观等)和约束条件(包括资金、材料、设备、技术、人员培训、信息、使用环境、后勤供应、检修、售后服务、基础和地基、法律和政策等)。这些都对内部系统设计有直接影响，不仅影响机械系统的总体方案、经济性、可靠性和使用寿命等指标，也影响具体零部件的性能参数、结构和技术要求，甚至可能导致设计失败。

　　此外，也不能忽略机械系统对外部环境的作用和影响，包括该产品投入市场后对市场形势、竞争对手的影响，运行中对操作环境、操作人员及周围其他人员的影响等。

　　内部系统设计与外部系统设计相结合是系统设计的特点，它可使设计尽量做到周密、合理，少走弯路，避免不必要的返工和浪费，以尽可能少的投资获取尽可能大的效益，其技术、经济、社会效果往往随系统复杂程度的增加而越趋明显。

　　机械系统设计的任务是为市场提供优质、高效、价廉物美的产品，在市场竞争中取得优势，赢得用户，并取得良好的经济效益。产品质量和经济效益取决于设计、制造、管理的综合水平，而产品设计是关键，没有高质量的设计，就不可能有高质量的产品；没有经济观点的设计人员，绝不可能设计出经济性好的产品。据统计，产品的质量事故中约有一半是设计不当造成的；产品成本中的60％-70％取决于设计。同时，从国民经济支出的角度看，设计通常是产品研制的所有阶段中花费最少的一个阶段。但从后果看，这个阶段可能是最昂贵的。例如，在科学研究中出现了及时更正只需要1元的错误，那么在试验设计时更正它的代价就会是10元，在试制阶段可能增加到100元，最后在生产阶段就会增加到1 000元。机械系统设计时，特别强调和重视要从系统的观点出发，合理地确定系统功能，增强可靠性，提高经济性，保证安全性。

　　1．合理确定系统功能

　　一项产品的推出总是以社会需求为前提，没有需求就没有市场，也就失去了产品存在的价值和依据。而社会需求是变化的，不同时期、不同地点、不同社会环境就会有不同的市场行情和要求。所以，设计师必须确立市场观念，以社会需求和为用户服务作为最基本的出发点。

　　所谓需求，就是对功能的需求。用户购买产品实际就是购买产品的功能。

　　按功能的性质可分为基本功能和辅助功能。基本功能是用户直接要求的功能，体现了产品存在的基本价值。辅助功能是为了实现基本功能而附加在产品上的功能，是实现基本功能的手段。而无论实现哪种功能都需要成本投入。价值工程中常用价值来评价功能与成本的统一程度，即产品的价廉物美程度。价值V(value)可用功能F(function)与成本C(cost)的比来表示：

　　V=F/C(1)

　　从式(1)可以看出，为了提高产品的价值矿，可以采取下述五种措施：①增加功能F，而成本C不变；②功能F不变，降低成本C；③增加一些成本C以换取更多的功能F，即F的增加比C的增加多。④降低一些功能F以使成本C更多地降低，即F的减少小于C的减少；⑤增加功能F，降低成本C。显然，最后一种是最理想的，但也是最困难的，这就要求我们采用一些特别的手段，如高科技手段。

　　因此，确定系统功能时应遵循保证基本功能、满足使用功能、增添新颖功能、剔除多余功能，恰到好处地利用外观功能的原则，降低现实成本，提高功能价值，力求使产品达到更加物美价廉的境界。

　　2．增强可靠性

　　按照GB／T 2900.13—2008的规定，可靠性可定义为：“产品在给定的条件下和在给定的时间区间内能完成要求的功能的能力。”

　　①产品是泛指的，包括零件、部件、设备、系统。

　　②要求的功能是指产品所应实现的使用任务的预期功能。例如，汽车的规定功能是运输，机床的规定功能是加工零件。产品丧失要求的功能称为失效，对可修复的产品也称为故障。

　　③给定的条件是指使用条件与环境条件，含运输、保管条件。

　　④给定的时间：产品的功能只有同使用时间相联系才有实际意义，不同的产品应有不同的规定时间，如海底电缆要求使用长达三四十年，火箭只要求保证一次工作。给定的时间有的要求的是应力循环次数、转数等相当于时间的量。

　　增强系统可靠性的最有效方法是进行可靠性设计，也称概率设计。

　　3．提高经济性

　　机械系统的经济性表现在设计、制造、使用、维修，乃至回收的全过程中。

　　(1)提高设计和制造的经济性

　　产品的经济性决定于其成本，而成本是由设计和制造两方面的因素决定的。因此，设计师应该了解影响产品成本的设计因素和制造因素，在保证产品功能的前提下努力降低产品的成本。

　　提高设计和制造的经济性，从设计角度来说主要有以下几个方面：

　　1)合理地确定可靠性要求和安全系数

　　可靠性要求和安全系数分别是可靠性设计及传统设计方法中描述系统工作而不失效的程度指标，但它们的含义及应用有所不同。

　　由于设计时使用的载荷、材料强度等数据都属于统计量，因而可靠性要求更符合客观实际。所以，采用可靠性设计可以使系统的设计更合理、更经济。系统越复杂，其优越性也就越明显，经济性和可靠性也就越统一。

　　采用传统设计方法，以安全系数作为判据时，将设计中的统计量当作确定量来处理，显然不符合客观实际，当安全系数大于1时，并不能排除失效的可能性。

　　2)贯彻标准化

　　标准化是组织现代化大生产的重要手段，它大大提高了产品的通用性和互换性，可以使生产技术活动获得必要的统一协调和良好的经济效果。它创造的经济性体现在很多方面，如加快了产品开发速度，缩短了生产技术准备时间，节约了原材料，提高了产品质量、可靠性和劳动生产率，改善了维修性等。

　　标准化通常包括产品标准化、系列化和通用化。机械工业的技术标准有以下三大类：

　　①物品标准

　　它又称为产品标准，是以产品及其生产过程中使用的物质器材为对象制定的标准，如机械设备、仪器仪表、工装、包装容器、原材料等标准。

　　②方法标准

　　它是以生产技术活动中的重要程序、规划、方法为对象制定的标准，如设计计算、工艺、测试、检验等标准。

　　③基础标准

　　它是以机械工业各领域的标准化工作中具有共性的一些基本要求或前提条件为对象制定的标准，如计量单位、优先数系、极限与配合、图形符号、名词术语等标准。

　　我国标准分国家标准、部颁标准(专业标准)、企业标准三级。

　　鉴于目前我国标准化工作的现状和需要，积极采用国际标准和国外先进标准也是一项重要的技术经济政策。国际标准主要是指国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC两个国际性的标准化机构公布的标准。我国是ISO和IEC的成员国。

　　3)采用新技术

　　随着科学技术的发展，各种新技术(包括新工艺、新结构和新材料等)不断问世，在设计中采用新技术可以使产品具有更好的性能和经济性，因而具有更强的市场竞争力。

　　4)改善零部件的结构工艺性

　　零部件的结构工艺性包括铸造工艺性、锻造工艺性、冲压工艺性、焊接工艺性、热处理工艺性、切削加工工艺性和装配工艺性等，深入研究结构工艺性，对新产品的设计，对简化设计、缩短生产周期、提高劳动生产率、降低成本有重大的经济意义。良好的结构工艺性也是实现设计目标、减少差错、减少废品率、提高产品质量的基本保证。

　　影响结构工艺性的因素很多，如生产规模、设备和工艺条件、原材料的供应等。当生产条件改变时，零部件结构工艺性是否良好的评价也会随之变化。因此，结构工艺性既有原则性和规律性，又有一定的灵活性和相对性。设计时应根据不同的情况进行具体分析后确定。

　　改善结构工艺性的具体措施、原则和规范可参阅有关的设计手册和资料。

　　(2)提高使用和维修的经济性

　　使用和维修的经济性就是考虑使用者的经济效益，主要可从以下几个方面加以考虑。

　　1)提高产品的效率

　　用户总是希望购买的产品效率高，能源消耗低，省电、省煤、省油等。机械设备的效率主要取决于传动系统和执行系统的效率。设计人员应在方案设计和结构设计时，充分考虑提高效率的措施。

　　对属于生产资料的机械设备，提高其生产率，提高原材料的利用率，降低物耗等，也是提高其效率的重要途径。

　　2)合理地确定经济寿命

　　一般都希望产品有长的使用寿命，但在设计中单纯追求长寿命是不恰当的。

　　系统正常运行寿命的延长必须以相应的维修为代价。使用寿命的延长，往往伴随着系统性能的下降，效率降低，使用费用(包括运行、维修、保养、操作、材料及能源消耗等费用)增加，使用经济性降低，因此在适当的时候应考虑设备更新。另外，由于科学技术的进步，不断有一些技术更先进、性能价格比更高的新设备出现，加上企业生产规模的发展、产品品种的扩大或改变等，都是要求更新设备的原因。

　　设备从开始使用至其主要功能丧失而报废所经历的时间称为功能寿命；设备从开始使用至因技术落后而被淘汰所经历的时间称为技术寿命。对设备进行适时的技术改造可延长其技术寿命，在延长其技术寿命的同时，再以良好的维修为保证，可延长其经济寿命。在科技高速发展的时代，设备的技术寿命、经济寿命常大大短于功能寿命。按成本最低原则，设备更新的最佳时间应由其经济寿命确定。

　　3)提高维修保养的经济性

　　维修能延长设备的使用寿命，是保持设备良好的技术状况及正常运行的技术措施，但必须以付出一定的维修费为代价，以尽可能少的维修费用换取尽可能多的使用经济效益，是机械设备进行维修的原则。

　　目前，在机械设备中应用比较多的是定期维修方式。这种维修方式因无法准确估计影响故障的因素及故障发生的时间，因而难免出现设备失修或维修次数过多的现象。有的零件未到维修期就已经失效，而有的零件虽未失效，但因已到维修期，而不得不提前更换。因此，定期维修方式的总维修费较高。但由于能够尽量安排在非正常生产时间进行，从而使因停机停产造成的损失减少，而且便于安排维修前的准备工作，有利于缩短维修时间，保证维修质量。

　　随着故障诊断技术的不断进步，维修技术也得到了飞速发展。按需维修的方式就是采用了故障诊断技术。它不断地对系统中的主要零部件进行特性值的测定，当发现某种故障征兆时就进行维修或更换。这种维修方式既能提高系统有效的运行时间，充分发挥零部件的功能潜力。又能减少维修次数，尤其是盲目维修，因而其总的经济效益较高。但因需配备十分可靠的监控和测试装置，所以只在重要的和价值很高的系统中采用。

　　对于不太重要的或价值不太高的产品，有时可设计成免修产品。它在使用期内不必维修，功能寿命终止时即行报废。

　　4．保证安全性

　　机械系统的安全性包括机械系统执行预期功能的安全性和人—机—环境系统的安全性。

　　(1)机械系统执行预期功能的安全性

　　机械系统执行预期功能的安全性是指机械运行时系统本身的安全性，如满足必要的强度、刚度、稳定性、耐磨性、耐腐蚀性等要求。为此，应根据机械的工作载荷特性及机械本身的要求，按有关规范和标准进行设计和计算。为了避免机械系统由于意外原因造成故障或失效，常需配置过载保护、安全互锁等装置。

　　(2)人—机—环境的安全性

　　在人—机—环境的关系中，包括三个要素，即人、机与环境。这三者之间形成了三种子关系，即人与机关系、机与环境关系以及人与环境的关系。从机械系统设计的角度讨论安全性问题就是要考察以下这两个方面的内容：人—机安全与环境保护。

　　1)人—机安全

　　人—机安全首先指的是人员的劳动安全。改善劳动条件，防止环境污染，保护劳动者在生产活动中的安全和健康，是工业技术发展的重要法规，也是企业管理的基本原则之一。

　　为了保障操作人员的安全，应特别注意机械系统运行时可能对人体造成伤害的危险区，并进行切实有效的保护。

　　人—机安全另一方面的内容是人对机器运行安全性的影响，即由于人的操作错误(或称人为差错)造成系统的功能失灵，甚至危及人的生命安全，这往往不被人们所认识，或不能引起人们的足够重视。实践表明，随着科学技术的发展，人工操纵或控制的各类机器也日趋复杂，对操作人员的要求愈来愈高，如要有准确、熟练地分析、判断、决策和对复杂情况迅速做出反应的能力。然而，人的能力是有限的，不可能随着机器的发展而无限提高。如果先进的机器对人的操作要求过高，超出人的能力范围，就容易发生操作错误，这不仅使系统性能得不到发挥，甚至使整个系统失灵或发生重大事故。如美国的AV一8A垂直起落飞机装备部队后，从1973年到1977年的五年中，发生16起事故，其中有11起是由飞行员的操作错误引起的，占68％。因此，如何从总体设计上尽量减少系统的不安全因素，是确保“安全”性的一个非常重要的方面。

　　2)环境保护

　　环境保护的内容非常广泛，如工业三废(废气、废水、废渣)的治理，除尘，防毒，防暑降温，采光，采暖与通风，放射保护，噪声和振动的控制等。

　　机械系统设计的一般过程包括产品规划、系统技术设计和制造销售三个阶段。

　　1．产品规划

　　①根据产品发展规划和市场需要提出设计任务书，或由上级主管部门下达计划任务书。

　　②调查研究，进行市场调查，收集技术情报和资料，掌握外部环境条件，预测市场趋势。

　　③进行可行性研究，包括技术研究和费用预测，对市场前景、投资环境、生产条件、生产规模、生产组织、成本与效益等进行全面的分析研究，提出可行性研究报告。

　　④系统计划，明确设计任务、目的和要求，搞清外部环境的作用和影响，制订系统开发计划。

　　2．系统技术设计

　　(1)总体设计

　　分析和确定系统目的与要求，选择工作原理，设计总体方案，对可行的各候选方案进行分析比较，确定最佳系统方案，并进行总体布置设计，必要时应针对所选方案进行试验研究(前期试验)。

　　(2)技术设计

　　分系统进行子系统的选型和设计，计算和确定主要尺寸，绘制部件装配图和总图，必要时进行试验研究(中期试验)。

　　(3)工作图设计

　　绘制全部零件工作图，编写各种技术文件和说明书。

　　(4)鉴定和评审

　　对设计进行全面的技术、经济评价，分析内部系统对周围环境的作用和影响。

　　3．制造销售

　　(1)样机试制及样机试验(后期试验)

　　(2)样机鉴定和评审

　　(3)改进设计

　　对不能满足系统要求的技术、经济指标进行分析，根据样机鉴定和评审意见修改和完善。

　　(4)小批试制

　　对单件生产的产品，经修改、试验、调整后，投入运行考核，并在运行中不断改进和完善。

　　对大量生产的产品，通过小批试制进一步考核设计的工艺性，并不断修改和完善设计，同时进行工艺装备的准备工作。

　　(5)定型设计

　　完善全部工作图、技术文件和工艺文件。

　　(6)销售

　　对于前期试验和中期试验，可部分或全部使用机械系统仿真分析的虚拟样机技术，这对缩短开发周期，减小开发成本都大有好处。

　　(7)产品使用

　　产品进入使用领域后还可能会暴露一些问题，一般经修改后，产品的设计就日臻完善。

　　(8)产品报废与回收

　　产品达到使用寿命(或经济寿命)后，不能继续使用或失去迸一步的使用价值，就必须进行报废处理，对于产品中有回收利用价值的部分经处理后可以进行再制造。这就要求在产品方案设计阶段就要考虑回收利用的问题，进行全生命周期设计。

　　机械系统(机械设备或机械产品)种类繁多，形式多样，用途各异，但在设计方法上，大致有下面三种。

　　(1)理论设计

　　它主要是根据一定的科学理论及实验结论进行设计，可分为设计计算与校核计算两种。设计计算是指根据机械系统中零件的运动要求、受力情况、材料性能及失效形式等，用理论公式计算出零件危险剖面的尺寸，然后根据结构与工艺等方面的要求，设计出机械或零件的具体结构。校核计算则是参照已有的实物、图纸和经验数据，即根据零件的形状和尺寸，通过理论公式校核其强度是否满足使用要求。

　　(2)经验设计

　　它是根据现有机械系统在使用中总结出来的经验数据或公式进行设计，或与同类机械系统相类比进行设计。经验设计简便、可靠，避免了烦琐费时的计算过程，是一种实用有效的设计方法，但有时由于缺乏类似的机械系统可供类比，而使此法受到一定限制。

　　(3)模型实验设计

　　对于一些巨大的、结构复杂的重要机械系统，由于往往难以进行可靠的理论设计，可采用模型实验设计。通过模型实验，测定其主要零部件的实际应力分布情况和极限承载能力，并根据实验结果修改初步设计的模型，这样就弥补了理论设计和经验设计的不足。

　　为了适应人类对物质文明和精神文明不断发展的需要，产生和发展了机械系统的现代设计方法和理论。常用的现代设计方法有：构思设计(功能分析)法、创造性设计法、可靠性设计法、计算机辅助设计法、优化设计法、动态分析设计法等。