研究创新设计在机械结构设计中的应用

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机械设计中的设计思维与创新

机械设计中的设计思维与创新

机械设计中的设计思维与创新机械设计作为一门综合性的学科,涵盖了从构思、设计、制造到实施的全过程。

在机械设计中,设计思维和创新是至关重要的因素。

本文将从理论和实践两个方面讨论机械设计中的设计思维和创新,并探讨如何在设计过程中发挥创新的力量。

一、设计思维在机械设计中的作用1.1 需求分析与问题解决机械设计中的第一步是对需求进行分析,确定所要解决的问题。

设计思维在这一阶段起到了关键的作用。

设计师需要通过调查研究和数据分析等手段,深入了解用户的需求,并将问题进行细化和界定。

通过有针对性的思考和创造性的解决方法,设计师可以找到更加有效和创新的设计方案。

1.2 创新的设计理念与理想化设计设计思维对机械设计中的创新理念起到了重要促进作用。

机械设计需要不断超越已有的设计范式,追求新颖、高效、环保和可持续的设计理念。

通过专业知识和创造力的结合,设计师可以进行理想化设计,即超越现有技术限制的设计方案。

设计思维的运用可以激发出创新的灵感,推动机械设计领域的发展。

二、创新在机械设计中的应用实例2.1 材料与结构创新创新是机械设计中的核心驱动力之一。

在材料与结构方面的创新可以大大改善机械产品的性能和使用寿命。

例如,将新型复合材料应用于机械零件的制造,可以减轻重量、提高强度和刚度,并降低能耗。

另外,通过结构上的创新,可以实现设计的紧凑和简单化,节约空间和材料的使用。

2.2 功能集成与自动化创新在机械设计中,功能集成和自动化是不可忽视的创新方向。

通过将不同的功能模块进行集成,可以实现机械产品的多功能化和智能化。

例如,将传感器、控制器和执行器等元件集成到一体化模块中,可以实现自动化的控制和操作。

这种创新思维使机械设计更加符合人们对高效、智能和便捷的需求。

三、设计思维与创新的融合设计思维和创新是紧密相关的,二者相互促进、相辅相成。

在机械设计中,设计思维通过创新的手段和方法来解决问题,而创新则依赖于设计思维的引导和启发。

设计师需要具备敏锐的洞察力、丰富的行业知识和创造性的思维方式,在实践中不断挑战传统观念,寻求突破和创新。

探究机械结构设计中的创新设计

探究机械结构设计中的创新设计

探究机械结构设计中的创新设计
机械结构设计是机械工程中的重要环节,它涉及到机械产品功能的实现和性能的优化。

随着科技的不断进步和市场的需求不断变化,创新设计成为了机械结构设计中不可忽视的
一部分。

本文将探究机械结构设计中的创新设计。

机械结构设计的创新可以从不同的角度考虑,包括材料选择、结构形式、动力传递和
驱动方式等。

创新设计在材料选择上可以突破传统的材料界限,采用高性能材料或新型材料,如纳米材料、复合材料等。

这些材料具有优异的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性能,能
够提高机械产品的使用寿命和可靠性。

在结构形式上的创新设计可以改变传统机械产品的外形和结构布局,从而提升产品的
性能和功能。

采用仿生学原理设计机械结构,可以使机械产品更加符合人体工程学要求,
提高用户的使用体验;又如,采用紧凑型、模块化设计,可以降低产品的体积和重量,增
加产品的灵活性和便携性。

在动力传递上的创新设计可以改变传统机械产品的传动方式,提高机械系统的效率和
可靠性。

采用电动传动代替机械传动,可以减少传动件的数量和传动损失,提高机械产品
的效率;又如,采用气动传动代替液压传动,可以降低产品的成本和维护难度,提高产品
的可靠性。

机械结构设计中的创新设计对于提高机械产品的性能和竞争力具有重要意义。

创新设
计不仅可以改变传统机械产品的外观和结构,还可以改进机械系统的动力传递和驱动方式,从而实现更高的性能和更广泛的应用。

在机械结构设计中积极探究创新设计,对于进一步
推动机械工程领域的发展具有重要意义。

浅析机械结构设计中的创新设计

浅析机械结构设计中的创新设计
要 点进 行 了分析 , 并且通 过 实验 , 选择 最 佳的创 新 结构方案 。 关键 词 : 械结 构 ; 机 创新 设计 ; 变元 法 在 对 机械 结构 设计 进 行评 价 时 , 一般 采用 的 案设 计的正 确与 可靠 , 在结 构设 计 时应遵 是模糊综合评价方法,通常是在选择出一个最佳 循力学准则、 工艺准则 、 材料准则 、 装配准 方案时, 对机械的重要零部件进行可靠性设计, 则、 以 防腐蚀; 隹则、 公差配合准则 、 支承准 实现结构的最优化。本文以石化机械钻井转盘为 则和安 全与外 观 准则等 8 大项 准 则 。 例, 解析变元法在机械结构设计中的应用。 2精密仪器与精密机械结构创新 的 必 要性 1结构创新设计新方法一 变元法 结构设计是机械设计 中最主要的环节, 是将 随着现代科学技术的飞速进步 , 测 机械的工作原理变成技术图纸的过程。变元法源 控装置与机械结构的设计思想与方法都 图1 于德国。是用于机械产品结构设计的一种富有创 在不断地刨新和提高。怎样使学生能尽 造性 内涵的新方法。笔者对变元法作了补充和改 快地 适应社会 对 创新 思路 与能力 的要 求 , 写 ,使之变得简洁和易于理解。该方法适用范围 就变 成 了一种 现 实而迫 切 的任务 。为 此 , 0 ‘ 广, 很适合石油与石化机械的结构设计。 在应用变 在实践设计实验教学时 , 导人新 的、 适合 元法进行产品结构设计时,必须首先确定该产品 社会 要求 的人 才 培养 理 念 和与 之 相适 应 ; 的一种基本结构方案,然后在此基础上开发出多 的实验方法和设备就变成当务之急。 任何 f l I 种新的结构方案。 变元法的内涵有两个 : 第一是定 个测控装置或测量仪器都有与之相适 l J 因此 义机械结构的变元, 这些变元有数量 、 、 形状 材料、 的满足系统要求的机械系统或结构 , 位置、 联接 、 尺寸和工艺共 7 ; 个 第二是通过改变 在测控装置、 测量仪器明确机械部分设计 b 怎样利用现代机械设计理 这些变元创造性地构造出多个结构方案。下面对 要求的前提下 , 7个变元逐一介绍。 念和各种不同结构组件模块组合优化 , 构 11数量变元 . 建满足系统要求的机械部分或结构 , 就是 机械产品结构中零件的轮廓线 、轮廓面、 工 目前工程设计 的一种主要的方式。因此、 作 面 、 工 面 以至整个 零件 均 可视 为基 本元 素 , 加 可 针对社会 对人 才 的要求 , 从构建 机 械系统 通过改变产品结构中基本元素的数量以实现产品 及结构 过程 的内在 规律 着手 ,通 过实 践 , 结构的改变。 强调对机械设计基本知识、 方法 、 理论 的 学习; 强调对 系统 构建 的实 践 ; 强调 分析 、 1 . 2形状 变 元 改变结构零件的轮廓形状、 表面形状、 整体 解决问题的能力和创新能力的提高。 建设 形状以及改变零件的类型和规格都可以得到不同 个适应精密仪器与精密机械结构设计 C 的结构方案。 实验的设计例程和相应 的实验硬件平台 图3 l 材料 变元 _ 3 就成为一个非常重要的工作。 零件选用不同的工程材料往往导致该零件 3结 构方 案 的评价 与优 化 数( 数量变元) 及齿轮与轴承的尺寸( 尺寸变元)同 , 的尺寸结构随之改变, 因而加工工艺也发生变化 , 为了优选应在对每种结构方案进行综合分析 时也改变齿轮与轴承间的相互位置 ( 位置变元) 而 从而影响整个产品的结构,因此通过改变材料变 的基础上, 采用模糊综合评判法进行综合评价。 确 得到方案 c 。因此 , 上述转盘的3 种结构方案可通 元 可以构 造 出不 同的结 构方 案。 定评价因素应从结构方案的技术经济指标、社会 过 变元 法很 方便地 得 到 ,进 一步 应用 变元 法还 可 1 . 置变 元 4位 效益、 工艺性 、 可操作性、 维修性和安全性等方面 得到其它的结构方案。 从技术性 、 经济性、 社会性、 通过改变产 品结构中基本元素之 间的布置 加以考虑。经过评价从所有备选方案中优选 出理 制造装配工艺性、 可操作性 、 维修性及安全性等方 位置 可得 到不 同的结 构方 案 。 想 方案 。在此基 础上 可进 而对 结构 中的重要 零 部 面进行综合评价, 方案 b 是理想方案。 结构方案的 1 . 5联接 变元 件或机构作建立数学模型的优化设计。当数学模 综合评价 ,最终应以实际应用效果作为检验的依 联 接 变 元有 两 层 含义 : 一是 联 接 方式 , 螺 型能较真实地反映结构特征时,优化结果可为完 据。如果进而对上述转盘结构 中的齿轮机构进行 有 纹联接、 焊接、 铆接、 胶接及过盈联接等 ; 二是对于 善 与改进结 构设 计提 供依 据 ,最后 达到 产 品结构 优化设计和可靠性设计 ,对齿轮传动与滚动轴承 每一种联接方式都有多种联接结构。通过改变联 的综合 优化 。数学 模 型能 描述 产品 结构 中的 数量 作弹性流体动压润滑计算与分析 ,以及对密封装 接方式 和联 接结 构可 得到不 同 的结构 方案 。 变元 、 尺寸 变 元 , 间接 描 述 材料 变 元 , 其它 变 置的密封性能进行分析,就可为修改完善转盘结 能 对 1 尺寸 变元 . 6 元则很 难或 不能 描述 。如果 优 化设计 过 于依 赖于 构提 供更 多 的参考依 据 ,这些 有待 进一 步深人 研 尺 寸包 括 长 度 、 离 和 角度 等 , 过改 变 零 数学模 型 , 距 通 其结 果就 难 以达 到实 际上 的优化 , 就 究 。 也 部件及 构件 的尺 寸可 改变产 品 的结 构 。 难 以被 直接 采纳 。 外 , 此 还可 对结构 中的重要 零部 参考 文献 1 工艺 变元 . 7 件或机 构作 可靠性 设 计与有 限 元分 析 ,对 结 构 中 … 1陈小 强 . 诚 精 密机 械 结构 设 计创 新 实验 f. 刘京 J ] 结构设 计 与工 艺是 紧密相 关 的。由于零件 的 的传动 件 与轴承作 润 滑计算 和 分析 ,以便 从 多方 实验技 术 与 管理 ,0 80 ) 20 (7 . 制造工艺 不 同 , 和产 品的制 造成 本 、 量 以及 面为产品结构的优化提供参考依据。 零件 质 f1 2孙洪伟. 谈对机械结构创新设计的分析们. 中小 性 能也不 同, 而影 响产 品的结 构 。 从 根据所 设训‘ 机 图1 为早期 的 转盘结 构 ,图 2为 目前 国 内应 企业 管理 与科技 ,0 80 ) 2 0 (7 . 械 产品 的特点 , 灵活地 运用 上述 7 变元 , 个 同时设 用最多的转盘结构 , 3为轻便型转盘结构 , 图 将方 [1 3刘扬松 . 械 结 构的 创 新 设计 及其 优 化 I. 油 机 J石 】 计 者依据 所具 备 的知识 、 验 , 经 运用 创造 性思 维方 案 a通过改变主轴承与锥齿轮问的相互位置 ( 位 机 械 ,00 0 ) 20 (2. 法 , 类比、 理 、 纳 、 如 推 归 模拟 、 象 、 觉 及 灵感 置变元 )并改 变水平 轴 左轴 承形 状 ( 想 直 , 形状 变元 ) 而 等 , 构思 出很 多种结 构方 案。 可 为保证 产 品结 构方 得到方案 b ;将方案 a 通过改变齿轮与主轴承个

浅谈创新思维在机械零部件设计中的应用

浅谈创新思维在机械零部件设计中的应用
( 河高 级 技 工学 校 漯 河南 漯河 420 6 0 0)
摘 要 : 章 针 对 传 统机 械 零 部 件 的 设 计 局 限 性 , 出 了现 代 设 计 思 想 和 方 法 。 文 提 关键 词 : 械 制 造 机 零 部件 设 计 现 代 恩 想 科 学 发展
中圈分类号 : 1 . G7 81
第 5卷 第 1 0期 Vo . No 1 15 .0


写 杂

20 0 8年 1 0月
0c o e 2 08 tb r 0
Re d a d W rt e i d c l a n i P ro ia e
浅谈创 新思维 在机械 零部 件设计 中的应 用
张 向 阳
不 断 的完 善 和提 高 , 目前 在 大 多 数情 况 下仍 然 是 有 效 的设 计 方
法 , 是 它 有 很 多 局 限 : 方 案设 计 时 凭借 设 计 者 有 限 的直 接 经 但 在 验 或 间接 经 验 , 过计 算 、 比分 析 等 , 通 类 以收 敛 思 维方 式 , 早 地 过 确 定方 案 。这 种 方 案 设 计 既 不 充 分 又 不 系统 , 强 调 创 新 , 此 不 因 很 难得 到最 优 方 案 : 机 械零 部 件 设 计 中 , 对 重 要 的零 部 件 根 在 仅 据 简 化 的 力 学 模 型或 经 验 公 式 进 行 静 态 的 或 近 似 的 设 计 计 算 , 其 他零 部件 只作 类 比设 计 , 实 际 工 况 有 时 相 差 较 远 , 免造 成 与 难 失 误 ; 统 设 计 偏 重 于考 虑 产 品 自身 的 功 能 的 实 现 , 略 人 一 机 传 忽
就 是 创 新 思 维 。 械 机 械 零 部 件设 计 的过 程 是 创 新 的 过 程 。 计 机 设 者 应 打 破 常 规思 维 的惯 例 , 求新 的功 能 原 理 、 方 案 、 结 构 、 追 新 新 新 造 型 、 材 料 、 工 艺 等 , 求异 和突 破 中体 现 创 新 。 新 新 在 2 科 学的 进 行 机 械 零 部 件设 计 2】 握 机 械 零 部 件 设 计 的 主 要 内 容 .把 机 械零 部件 设 计 是 机 械 设 计 的 重要 组成 部分 ,机 械 运 动方

机械结构设计中的创新设计

机械结构设计中的创新设计

机械结构设计中的创新设计
随着科技的发展和社会经济的不断发展,机械结构的设计也在不断的更新和升级。


别是在近年来,随着计算机技术的迅猛发展,机械结构的创新和设计变得更加容易和快捷,设计师可以更加专注于创新的思考,从而为用户提供更加稳定、节能、安全、耐用的机械
产品。

机械结构的创新设计主要是指设计师针对用户需求和使用环境,进行创新性的设计,
从而提升机械产品的功能和效率。

以下是一些机械结构的创新设计范例:
1. 自适应结构设计
自适应结构设计可以使机械产品在不同的工况下保持稳定的性能和效率。

例如,一些
自适应的制动器可以根据车速和路况自动调整制动力度,从而使驾驶过程更加安全和稳定。

另外,自适应结构还可以应用于振动控制和自动调节等领域。

2. 新材料应用
新材料的应用可以大大提高机械产品的强度、韧性、耐久性和抗腐蚀性能,从而延长
机械产品的使用寿命。

例如,现代航空发动机中,采用的高温合金材料可以适应高温高压
的工作环境,保证发动机的高效稳定运行。

3. 智能化控制系统
智能化控制系统可以使机械产品更加智能和高效。

例如,在工厂生产线上,可以采用
智能化控制系统对生产过程进行自动控制和监控,从而大大提高生产效率和质量。

另外,
在一些自动化设备中也可以采用智能化控制系统进行自动化控制和处理。

4. 模块化设计
模块化设计可以使机械产品更加易于维护和升级。

例如,某些机械设备采用了模块化
设计,可以方便地更换或升级关键部件,提升产品的可靠性和性能。

此外,模块化设计还
可以使机械产品更加灵活,方便用户根据需要进行组合和拆卸。

机械产品设计中的技术创新与应用

机械产品设计中的技术创新与应用

机械产品设计中的技术创新与应用在当今竞争激烈的市场环境中,机械产品的设计正经历着前所未有的变革。

技术创新作为推动机械产品设计不断发展的核心力量,其应用范围和影响力日益扩大。

从提高生产效率到优化产品性能,从满足用户需求到实现可持续发展,技术创新在机械产品设计的各个环节都发挥着关键作用。

技术创新在机械产品设计中的重要性不言而喻。

首先,它能够显著提高机械产品的性能和质量。

通过引入新的材料、工艺和设计方法,机械产品可以具备更高的精度、更强的耐用性和更好的可靠性。

例如,先进的制造工艺如 3D 打印技术,使得复杂形状的零部件制造变得更加容易,从而提高了产品的整体性能。

其次,技术创新有助于降低生产成本。

新的设计理念和生产技术可以减少材料浪费,提高生产效率,缩短生产周期,从而降低企业的运营成本,增强产品在市场上的价格竞争力。

此外,技术创新还能够满足不断变化的市场需求和用户个性化要求。

随着消费者对产品功能、外观和使用体验的期望不断提高,机械产品设计必须依靠技术创新来实现差异化,以吸引更多的客户。

在机械产品设计中,有许多技术创新的成功案例。

以汽车工业为例,电动汽车的出现就是一项重大的技术创新。

传统燃油汽车依赖内燃机驱动,而电动汽车则采用电池和电动驱动系统,不仅减少了对化石燃料的依赖,降低了尾气排放,还在动力性能和智能化方面取得了显著进步。

再比如,工业机器人的广泛应用也是机械产品设计创新的成果。

工业机器人能够在生产线上高效、精准地完成各种复杂任务,大大提高了生产效率和产品质量,同时降低了人工成本和劳动强度。

在技术创新的过程中,数字化设计技术发挥着至关重要的作用。

计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)和计算机辅助制造(CAM)等技术的应用,使得机械产品的设计、分析和制造过程更加高效和精确。

CAD 软件能够帮助设计师快速创建和修改三维模型,直观地展示产品的外观和结构;CAE 软件可以对产品进行力学分析、热分析和流体分析等,提前预测产品在实际使用中的性能,从而优化设计方案;CAM 软件则将设计好的模型转化为数控加工代码,实现自动化生产。

机械设计中的创新思维与创意设计

机械设计中的创新思维与创意设计

机械设计中的创新思维与创意设计引言:机械工程是一门综合性的学科,涵盖了机械设计、制造、控制、材料等多个领域。

在现代工业中,机械工程师扮演着至关重要的角色,他们通过创新思维和创意设计,推动着制造业的发展。

本文将探讨机械设计中的创新思维与创意设计的重要性以及如何应用于实践中。

创新思维的重要性:在机械设计中,创新思维是推动技术进步和产品革新的关键。

机械工程师需要具备开放、敏锐的思维,能够从不同的角度思考问题,并提出新颖的解决方案。

创新思维不仅能够提高产品的性能和质量,还能够降低成本、提高效率,从而增强企业的竞争力。

创意设计的实践应用:创意设计是机械设计中的重要环节,它要求工程师具备创造性思维和艺术感知能力。

在机械设计中,创意设计可以体现在产品的外观设计、功能设计、材料选择等方面。

例如,在汽车设计中,创意设计可以体现在车身线条的流畅性、内饰的人性化设计以及车辆的智能化功能等方面。

通过创意设计,机械产品不仅能够满足功能需求,还能够提升用户体验,增加产品的附加值。

创新思维与创意设计的案例:1. 3D打印技术的应用:机械工程师通过创新思维,将3D打印技术应用于制造业。

这一技术的出现,使得产品的设计和制造更加灵活和高效。

通过3D打印技术,可以实现复杂形状的零部件制造,减少了传统加工方式所需的时间和成本。

2. 智能制造系统的设计:随着物联网和人工智能技术的发展,智能制造系统成为了机械设计的重要方向。

机械工程师通过创新思维和创意设计,设计出了能够实现自动化生产、监测和优化的智能制造系统。

这些系统能够提高生产效率、降低能源消耗,实现工业生产的智能化和可持续发展。

结论:机械设计中的创新思维与创意设计是推动制造业发展的重要驱动力。

机械工程师通过开放、敏锐的思维,提出新颖的解决方案,通过创意设计,提升产品的性能和用户体验。

创新思维和创意设计的应用案例不断涌现,推动着机械工程的进步和制造业的发展。

在未来,机械工程师需要不断培养创新思维和创意设计能力,以应对日益复杂和多样化的市场需求。

探究机械结构设计中的创新设计

探究机械结构设计中的创新设计

探究机械结构设计中的创新设计机械结构设计是指利用机械原理和运动学方法,设计出能够完成特定功能的机械系统的过程。

而创新设计则是在传统的机械结构设计的基础上,运用新的思路和技术,提出独特的设计方案,以达到更高效、更可靠的效果。

在机械结构设计中,创新设计的核心思想是通过提高设计方案的科学性、先进性和实用性,满足现代社会对高性能机械系统的需求。

创新设计应具备以下特点:创新设计应能够提高机械系统的执行性能。

通过运用先进的材料、执行元件和控制技术等手段,提高机械系统的运动速度、精度和稳定性,使其能够更好地适应复杂的工况要求。

在航空航天领域,创新设计可以通过减小系统的重量和体积,并提高系统的可靠性和适应性,满足对高性能和高精度的要求。

创新设计应能够降低机械系统的成本和能耗。

通过改进结构设计和优化工艺流程,提高机械系统的制造效率,降低生产成本。

通过提高能源利用率和降低能源消耗,减少对环境的影响,提高机械系统的可持续发展能力。

创新设计应能够提高机械系统的安全性和可靠性。

通过运用新的安全措施和先进的故障检测技术,提高机械系统的抗干扰能力和自动检测能力,减少故障发生的概率和影响范围。

如在汽车工业,创新设计可以通过引入智能控制系统和主动安全装置,提高车辆的安全性能,减少交通事故的发生。

创新设计应能够提高机械系统的智能化和自动化水平。

通过引入传感器、计算机视觉、人工智能等先进技术,实现机械系统的智能感知、智能决策和智能执行,提高系统的自动化水平和智能化程度。

在制造业中,创新设计可以通过引入工业机器人和自动化生产线,提高生产效率和产品质量,降低人力资源成本。

机械结构设计中的创新设计是一项追求技术突破和改革的工作。

通过运用新的思路和技术,创造出更加先进、高效、可靠的机械系统,满足现代社会对高性能机械的需求。

只有不断探索和实践创新设计,才能推动机械结构设计的发展,为社会的进步和发展做出贡献。

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研究创新设计在机械结构设计中的应用发表时间:2020-03-24T05:57:58.957Z 来源:《防护工程》2019年21期作者:张榜军[导读] 其最大下潜深度为200m,该潜水设备具有结构简单、造价低廉和可靠性高等优点,具有明显的民用推广价值。

61232819860304xxxx摘要:针对现有潜水设备结构复杂等问题,设计了一种新型气控气囊式潜水设备,该设备由浮体框架、气囊、配重、高低压储气筒等构成,其最大下潜深度为200m,该潜水设备具有结构简单、造价低廉和可靠性高等优点,具有明显的民用推广价值。

关键词:潜水设备;气控;气囊引言21世纪被称为海洋世纪,随着人们对海洋资源开发的深入,人们将会更多地从事水下作业因此也就期待着在技术上提供更加便捷、廉价和可靠的受控潜水设备。

目前,实现潜水作业的潜水设备大都采用增加压舱物下潜,抛弃压舱物上浮和采用电涡轮驱动实现浮动和行走控制,军事上的潜水艇采用的是数个金属仓压水或充气排水的方式来实现其下潜或上浮,和采用电涡轮机驱动方式实现行走的控制。

上述无论有人或无人,有缆或无缆的受控潜水物,从民用上来考虑,其设备普遍存在着结构复杂、造价高的缺点,难于获得普遍性的民用推广。

目前,水下潜水设备大都采用水下电力驱动,还有个别液压驱动。

随着水下气动技术、新型耐海水腐蚀材料的发展,采用水下气压传动技术的新型潜水设备将进一步拓展水下潜水设备驱动和控制的研究和应用领域。

一、潜水设备设计要求新型气控潜水设备要达到以下设计要求:1)最大工作深度:水下200m;2)最大潜浮调节速度:3L/min;3)最大浮力调节能力:30kgf;4)外形尺寸:700mm×500mm×550mm; 5)总质量:25kg;6)系统总体结构在满足深水压力的条件下,重量与排水体积的比值尽可能小; 7)系统要密封良好,维护方便,可拆性好,便于改装和加减设备。

二、潜水设备关键部件设计本文所设计的气控气囊式潜水设备是以压缩空气作为动力源,来实现设备的下潜、上浮以及姿态调整的,它是由储气筒、弹性气囊及配重等构成的一种简单的潜水设备。

2.1耐压储气筒的设计水下潜水设备的耐压储气筒是用来存储动力能源——压缩气体的,也是潜水设备主要浮力的主要提供者,它的结构形式、强度、密封性对于整个系统是非常重要的。

由于所设计的潜水设备最大潜深为200m,作业深度小于800m。

根据已有经验,结构采用半球型封头的圆柱形耐压壳体[5]。

材料选用高强度低合金钢。

储气筒最大压力选择为最大水深对应压力的2倍,即400米深度下的压力4Mpa。

储气筒直径选择为0.3米,则满足强度要求的储气筒厚度为:式中,P为压缩气体压力(MPa),4MPa;Di为计算球体直径(mm),300mm;为许用应力(MPa),普通碳钢为133MPa;φ为焊接系数,取0.8。

计算得:δ=4.03mm,鉴于安全等方面的考虑,选取钢板厚度为6mm;储气筒球面积S=4πR2=0.2826(m2);计算储气筒球重量:M=6.0/1000×0.2826×7.8×1000=13.2(kg);筒球浮力F浮=4/3πR3×ρ水,取海水重度ρ水取为1.1g/cm3;储气筒球体积:V=4/3πR3=0.01413(m3);则储气筒球浮力:F浮=0.01413×1.1×1000=15.5(kg)。

2.2浮体设计浮体是重要的浮力来源,应该满足质量体积比越小越好,本文设计选择的浮体材料为弹性橡胶气囊,具有耐磨性、耐腐蚀性耐老化性等优点。

弹性气囊是机器人的浮力调整机构,设计上该体积不可过大,过大会使得充气时间过长,并且过大在机器人布置上也存在不合理问题,但该体积也不能过小,过小会使得机器人设计上自身重量要求小,机器人带超载能力低。

气囊的总内体积方案可为选取V的1/2左右。

考虑到机器人需要姿态调整选取弹性气囊数量为4个,并分别安放在储气筒的四个角上,如图1所示。

式中:P为最大水深h产生的绝对单位静水压强,MPa;R为克拉伯龙常数,8314帕·升/摩尔·K;T为环境水绝对温度,K。

因此,计算得:m空=4×106×(0.01413)/(287.4×283.15)=0.69(kg);气囊自身材料体积为气囊总体积1/5,气囊密度为1.36g/cm3,则气囊的总质量:m囊=(1/3×0.01413)/(2×1.36×1000)=1.9(kg);取管路、气囊压缩弹簧系统、仪表控制仓的重量M其他为4.0kg,则液面附近提供的总重为: G=132+19+40+6.9=198(N)液面附近浮力F与设备重力G之差:F-G=232.5-198=34.5(N);F-G差即为液面附近潜水设备达到重力和浮力平衡时需加的配重量,此时设备的重量为: 19.8+3.45=23.3(kg)因此可选择超载重量m超为潜水设备设计要求重量减去上述重量:25-23.3=1.7(kg)此超载重量对应的气囊需半体积后再膨胀体积为:1.7/(1.1×1000)(m3)上述体积占气囊的全体积的比率:1.7/(1.1×1000)/0.01413/2=5.5%经上述计算分析校核得知:1)自由液面附近的储气筒加1/2气囊提供的总浮力>潜水设备总重量;潜水设备提供的总浮力232.5N>总重力96N;2)机器人超载重量可选为1.7kg,满足不小于1.5kg的设计要求;3)设计的机器人总重量满足不大于25kg的要求;4)在200米液下,气囊恢复到1/2+5.5%体积时,机器人即可上浮,气囊膨胀体积在合理范围;5)设计方案在满足设计要求的指标下,其重量、强度、下潜上浮等方面均可行合理。

所设计的潜水设备载体采用的框架式,载体的总体布局比较合理,增减和拆装设备仪器都比较方便,而且框架还起到了围护、支撑和保护设备在水下运动时免遭到碰撞的作用。

为了减小在水下的阻力,减少动力消耗,该水下机器人的主体部件采用了流线体型,整个系统的结构设计基本上是一个左右、前后对称的外形,四角处各有一个气囊,为了防止在水中运行时碰到障碍物,以致损坏气囊,所以气囊外围都加固了一层不锈钢的保护栏[6]。

在设备总重量不变的情况下,通过气囊的充排气来实现系统的上下沉浮。

其外形结构简如图2所示。

潜水设备在下潜之前,各充气支路和排气支路上的电磁阀均处于断电常闭状态,气囊是处于未充高压气的状态。

在下潜阶段,随着深度的增加,4压力传感器感受到海水的压力作用反馈到计算机,当设备下沉到预定的深度时,位于6气囊充气支路上的四个5二位二通电磁阀通过PLC控制被同时通电打开,储存在2高压储气筒内的压缩空气经过3减压阀的调压,输出符合要求的压缩空气,电磁开关阀的阀门开启,压缩空气逐渐充入气囊,由于所用的二位二通电磁阀的开关频率是受PLC的控制,所以气体是间歇性的充入气囊,压力传感器也能测量出充入气囊内的气体压力,从而反馈到计算机。

气囊充气后逐渐膨胀,体积增加,整个设备的浮力也随之增加,当设备浮力等于设备自身的重力时,整个系统悬浮于水中,此时通过PLC控制关闭充气支路上的四个5电磁开关阀,打开姿态调整支路上的控制涡轮a、b的电磁开关阀a、b,压缩空气通过电磁开关阀输入到10气动马达,气动马达将压缩空气的压力能转化为机械能,带动涡轮旋转,从而推动整个系统前进。

当关闭电磁开关阀a、b,控制涡轮c和d 的电磁开关阀c、d通电打开后,气动马达带动涡轮c和d旋转,推动整个系统向着与之前运动的反方向运动,即后退。

当电磁开关阀a通电打开,b关闭,电磁开关阀d打开,d关闭,整个系统就会做旋转运动。

整个系统的前进、后退及旋转的速度均由9节流阀控制。

为了探索,观察海底的状况,整个系统还配有照明灯和水下摄像头,照明灯和水下摄像头均是由8气缸控制的,当PLC控制的电磁开关阀通电打开后,压缩空气通过阀门进入到气缸的下腔,推动气缸的活塞杆向上运动,从而推动照明摄像设备向上运动,由于系统本身能够做姿态调整,照明摄像设备也可随着系统本身转动,以便观测其周围的状况,当关闭电磁开关阀后,活塞杆退回,照明摄像设备向下返回依附于机电室旁边,以免碰撞,以致损坏设备。

潜水设备在上浮阶段,PLC控制的气囊充气支路上的5电磁开关阀通电打开,压缩空气继续往气囊里充气,气囊体积继续膨胀,设备浮力增加,当设备浮力大于设备自身的重力时,整个系统开始上浮,当压力传感器检测出气囊内气体压力的上限时,关闭充气支路上的电磁开关阀,停止对气囊充气,此时,整个系统还是处于上浮阶段,当上浮到预先设定的高度后,PLC控制的四个气囊的7排气电磁阀通电打开,储存在气囊中的压缩空气通过气囊排气电磁阀向低压排气筒内排气,气囊体积缩小,浮力随之减小,当浮力小于设备自身重力后,设备开始下沉,整个系统处于下潜阶段,到达下潜深度下限时,气囊排气电磁阀关闭,气囊停止排气。

因此,该设备就会被控制在设定的下潜上限与下潜上限之间浮沉,即实现了设备的液下沉浮控制,又实现了设备液下定位控制和姿态控制。

当下潜确定的沉浮时间到达时,用PLC控制的气囊充气电磁阀通电打开,气囊排气电磁阀关闭,高压储气筒中的压缩空气通过气囊充气管路对四个气囊进行充气,设备开始上浮,直至浮出水面。

结束语设计研究了一种新型潜水设备,该设备具有以下优点:1)采用自带的廉价的高压储气筒、低压排气筒以及充、排气弹性气囊构成的调节浮力系统,可实现下潜、上浮和悬浮定位的基本功能,载体系统结构简单,造价低廉,可靠性高特点,具有很高的实用价值。

2)非常适用于海底搜索、水样调查、海生物识别等,即经济实惠、可操作性强又安全可靠。

3)结构简单、质量轻、尺寸小、造价低、活动范围大、潜水深度可调、不需要庞大的水面支持系统,运行和维护费用都比较低,有利于推广使用,有着很大的使用价值和经济价值。

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