宮立忠

摘 ? 要：運動力學研究的是物體的運動規(guī)律。這一理論在諸多領域中都有應用，在機械結構設計中也有著非常重要的應用。就此展開了討論，簡述了機械結構的設計特點及設計要素，分析了運動力學在機械結構設計中的應用準則，詳細闡述了其在機械結構設計中的具體應用。

關鍵詞：運動力學;機械結構設計;應用

機械結構設計是一項復雜的工作。運動力學對機械結構設計具有理論指導作用。在機械結構設計不斷創(chuàng)新的背景下，研究人員也在深入研究運動力學理論，以此希望優(yōu)化機械結構設計，提升機械結構設計質量。

1 ? ?機械結構設計特點及設計要素

1.1 ?機械結構設計特點

機械結構設計具有以下特點：（1）一體化設計。機械結構設計思考、繪圖、計算等工作是統(tǒng)一的、緊密相連的。這就意味著機械結構設計的工作量比較大，出現(xiàn)的問題比較多，設計人員若想保證機械結構設計的質量，就要深入探討整個機械結構設計過程，盡可能地保證每一個設計環(huán)節(jié)都能準確、完善。（2）涉及的問題比較多，且具有復雜、多解的特征。比如，對于同一個設計，可以制定多個設計方案。作為設計人員，應充分發(fā)揮自身的主導作用，從中選擇最佳的設計方案，保證機械結構設計的質量。（3）活躍性最強。在機械設計中，需要對方案不斷地修改、優(yōu)化、完善，以滿足設計要求。這一過程是非常繁瑣、復雜的。

1.2 ?設計要素

在機械結構設計中，必須要考慮各種設計要素，保證機械結構設計符合要求。但是，設計人員也應當充分認識到，在機械結構設計中，涉及的理論、技術要素非常復雜，需綜合考慮各種影響因素，保證機械結構設計方案的合理性。

首先，在機械結構設計中要考慮幾何要素。相對來說，機械結構設計是一項非常精密的工作，各部分之間的咬合、位置、距離都需要經(jīng)過精心設計。在這一過程中，必須要考慮幾何要素、科學設計機械零部件的面，并充分考量各零部件的接觸設計。其次，在機械結構設計中要充分考慮聯(lián)結要素。設計人員不僅要對單個零件的設計進行分析，更要充分考慮不同零件之間的聯(lián)接問題，尤其要科學地設計不同零部件之間的功能面聯(lián)接方法。另外，在機械結構設計中，不同零部件之間的聯(lián)接包括直接聯(lián)接、間接聯(lián)接兩種。在直接聯(lián)接的設計中要充分考慮其功能面之間的縫隙問題，確保功能面之間的摩擦力最小，在間接聯(lián)接中則要充分考慮聯(lián)動軸設計。最后，材料要素。材料選擇對機械結構設計的影響非常大，尤其是在一些易磨損的部位，必須要選擇耐磨損、質量好的零件，保證機械設備的運行效率。

2 ? ?運動力學在機械結構設計中的應用準則

2.1 ?滿足力學設計要求

滿足力學設計要求，具體來說，是在機械結構設計中充分考慮彈性力學、疲勞力學等力學準則，以便提升機械結構設計的科學性。其中，疲勞力學與軸承、齒輪、軸的使用壽命有著密切的聯(lián)系。在具體設計中，設計人員需要充分考慮機械零部件的荷載變化，并靈活處理力學計算結果，優(yōu)化產(chǎn)品結構，延長機械產(chǎn)品的使用壽命。同時，在這一過程中，設計人員還需充分考慮零部件截面尺寸的變化，保證其內(nèi)應力能靈活變化、各截面強度能相等。這樣就可保證材料能得到充分利用。如在階梯軸、懸臂支架的結構設計中，其截面強度都是相等的。階梯軸、懸臂支架的結構設計如圖1所示。

2.2 ?不斷創(chuàng)新設計理念

就目前來看，大部分機械結構設計多應用機械結構設計變元法，即對機械結構設計的相關要素進行優(yōu)化、篩選，保證能將最新的設計理念、方法應用到機械結構設計中。所以，在現(xiàn)代化背景下，要繼續(xù)加大機械結構設計理念的創(chuàng)新，不斷優(yōu)化機械設計方法。

2.3 ?積極引入新材料

隨著我國科學技術的發(fā)展，新材料、新工藝不斷出現(xiàn)。在這一背景下，設計人員更要嘗試引入新材料，并依據(jù)新材料特性優(yōu)化機械結構設計，從而保證能充分發(fā)揮新材料的優(yōu)勢，提升機械結構質量，延長機械結構的使用壽命。尤其是充分考慮新材料的力學性質，深入優(yōu)化機械結構設計的每一個環(huán)節(jié)[1]。

3 ? ?運動力學在機械結構設計中的具體應用

3.1 ?應用步驟

運動力學應用是一個系統(tǒng)性的工程，涉及的要素、環(huán)節(jié)非常多，需要機械結構設計人員充分掌握運動力學基本理論，并在此基礎上進行機械結構設計的論證、實驗，從而選出最優(yōu)的機械結構設計方案。其具體應用步驟包括：

首先，整體分析運動力學設計策略。在應用運動力學時應當從整體入手，確定設計策略，而后再進行分支應用模型的構建。這樣可以規(guī)范、有效地應用運動力學。在形成整體策略時，設計人員應先充分考慮運用整體策略想要達到的目的，并形成一個比較模糊的設計概念。需要注意的是，對于精密度要求比較高的機械結構設計，還需充分應用微積分計算、模糊計算等運算方法，將運動力學靈活應用到機械結構設計中。這樣，設計人員就可以基本確定機械結構尺寸、占用空間。隨后，就可以科學地選擇應用材料，并分析機械結構在運動中發(fā)生的參數(shù)變化情況。

其次，確定機床結構。對于重要零部件的設計應當在圖紙上給出理論闡述，在實際組裝中保證其能順暢對接。實現(xiàn)這一目標的前提是科學設計機床結構，因為機床是制作各種關鍵零件的主要工具，科學設計其結構可以保證重要零部件的設計、制作質量，還可以在沖壓過程中對重要零部件進行力學分析，并通過適當?shù)馗淖儥C床結構，進行重要零部件結構力學的試驗。在這一過程中，設計人員還應當保證設計圖紙與實物對應，避免實物存在偏差，無法完成預期設計目標的現(xiàn)象。

再者，應當合理設計機械結構各部件及總體結構形式功能。對機械總體結構、形成、機器功能進行設計，充分彰顯出運動力學在機械結構設計中的應用優(yōu)勢，并保證機械結構部件功能、性質等在較小物理碰撞下仍能正常運行。比如機械結構設計空間較小，可通過設計使部件更換變得更加簡單、方便。以齒輪、皮帶等損耗性部件為例，應當在保證其機構合理的前提下，用小齒輪代替皮帶，這樣可延長機械結構的使用壽命。另外，在這一過程中還應充分考慮運動力學理論，合理設計機械運動方式。

最后，應結合運動力學理論，進行機械結構設計結算，對其結械結構進行優(yōu)化。設計人員一定要充分掌握相應的計算方法，如可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、數(shù)控系統(tǒng)、運動控制對應的邏輯算法。以N軸聯(lián)動機械手算法為例，設計人員應當充分計算臂關節(jié)、軸關節(jié)等所遵循的運動方程，并結合彈性力學、流體力學等，考慮各關節(jié)所承擔的任務，并以此為基礎確定其設計形狀，然后結合熱變形、受力情況等因素確定形狀、位置、尺寸。

3.2 ?運動力學在零部件鏈接中的應用

機械結構包含的零部件非常多，且不同零部件之間的鏈接方式并不相同。不同鏈接方式的作用、效果也是不相同的。所以，設計人員應當充分依據(jù)運動力學理論，科學確定不同零部件之間的鏈接方式，以免零部件的鏈接方式不正確，導致機械結構整體功能無法發(fā)揮。

如在機械結構設計中，需要考慮觀測力矩變化，計算不同聯(lián)接點之間的摩擦力、壓力，從而選擇零部件的鏈接方式。一般來說，每個零部件至少有兩個與其相連的零部件。在考慮其鏈接方式時，需認真分析其材料熱處理方式、尺寸、精度、表面質量等。同時，還需計算其聯(lián)結精度、尺寸等。需要注意的是，隨著其關聯(lián)零部件個數(shù)的增多，其結構就越復雜，精度就越高。設計人員應從大局出發(fā)，考慮各種影響因素。

3.3 ?在零部件損耗中的應用

機械結構的零部件非常多，且所有零部件都能順暢對接。在機械結構的運動中，各零部件也會運動。并且，在相互運動中，零部件會發(fā)生摩擦，出現(xiàn)損耗。最重要的是這種損耗是無法杜絕的。所以，設計人員只能結合運動力學理論，盡量減緩零部件之間的損耗，延長機械結構的使用壽命。

具體來說，要結合零部件的運動情況、運動力學理論，精確計算零部件結構的損耗情況，并確定其損耗系數(shù)，然后從零部件材料、保養(yǎng)等方面入手，降低零部件結構的損耗。這種方法在精密度比較高的機械結構中應用最為廣泛。以往復式活塞隔膜泵的曲柄滑塊機構為例，若其零部件出現(xiàn)磨損，可建立含間隙隔膜泵磨損故障時的動力學分析模型，并結合力學特性，對其磨損故障進行非線性分析，然后再通過計算其動力學方程，得到其磨損部件運動的結論。接下來，在此基礎上制定針對性的故障處理、保養(yǎng)措施?？傊\動力學在機械結構零部件的損耗中也有著非常廣泛的應用[2-3]。

4 ? ?結語

運動力學理論知識對機械結構設計有著非常重要的指導作用，設計人員應當充分了解運動力學理論知識，并依據(jù)相應的準則開展機械結構設計。同時，還應按照一定的步驟進行機械設計，最重要的是要在零部件鏈接、零部件損耗中應用運動力學理論知識，指導其設計工作。

[參考文獻]

[1]陳 ?沖.運動力學在機械結構設計中的應用[J].赤峰學院學報：自然科學版，2017，33（19）：62-64.

[2]喬 ?棟.解析運動力學在機械結構設計中的應用[J].綠色環(huán)保建材，2016（8）：59.

[3]胡曉芳.解析運動力學在機械結構設計中的應用[J].山東工業(yè)技術，2015（16）：258.