摘要：设备若要稳定的运行离不开后期的维护，维护对于设备的使用寿命至关重要。但是相同功能的设备，来自不同批次或不同厂家，设备故障率或者后期维护难度却大相径庭。这就涉及到机械设计的合理性与后期故障率高低及维护难度之间的关系。
关键词：机械设计;设备维护;故障率;维护难度;成本
随着我国现代化程度不断提高、人工成本不断增加，机器代人成为一种发展趋势。设备若想稳定运行离不开高质量的维护，维护意味着人工和物料成本的投入。因此，机械设计人员在设计的过程中，不仅要能够实现所需功能，还得考虑设计的设备，在后期的维护成本能够最低。在设计中，不断学习立足实际，积极听取客户在使用过程中遇到的问题，不断提高改善，降低后期的维护成本。下面将结合在工厂设备维护及设计中遇到的问题进行分析总结。
1 合理的结构能够降低设备故障率
1.1 载荷较大的轴，尽量做到一体化
钢丝放线架，其主要功能是配合产线主动放出钢丝。原厂家对于顶紧头的设计部分，采用分体式结构。该设计为转轴与固定座之间由轴承连接，输出端采用螺栓与顶紧头部分连接。在使用过程，由于钢丝盘具整体较重，且盘具与顶紧头内孔间存在一定的间隙，因此，在旋转放线过程中，顶紧头部分受到反复的交变应力冲击易造成螺栓断裂或松动，从而产生故障，甚至造成质量事故。通过数据分析，采用分体式结构的顶紧头，基本上 3 个月左右会出现一次故障。出现故障后，往往伴随随着螺纹孔的破坏，需要重新更换配件或是加大孔径重新攻丝。这样处理，配件一般需要 500 元左右。而重新攻丝则会浪费 2h 左右的时间，造成产能的浪费。针对反复出现的故障，通过分析。由于负载较大，分体式的结构采用螺栓连接，无法承受实际工况的冲击应力。因此，我们针对此问题进行结构优化，直接采用一体式结构解决该问题。在优化为一体式结构后，连续跟踪 2 年没有再次出现过相同故障。
1.2 对于轴的阶梯部分要尽量避免应力集中
因为应力集中导致断轴的案例屡见不鲜，比较容易出现于轴的不同直径衔接处。为了在轴上安装各种旋转体而制成多数阶梯部分，由于这种阶梯部分存在应力集中，处理不到位容易造成断裂。未作处理的轴连接处直接为直角，为了减轻其集中程度，需要将阶梯部分的 R 增大到必要的界限。这样能够在很大的程度上减少阶梯部分的断裂故障。例如某一设备放线架驱动轴，直径 28 部分与减速机相连。前期因为没有对应力集中处进行处理，导致在短短的 1 个月内连续断轴 2 根。每次都是应力集中处断裂，造成了多起质量事故。针对此问题，通过分析后，判定为细轴与其他直径衔接处未做处理，导致应力集中。优化方案在原有轴整体结构不变的基础上，应力集中处采用 R5 的圆弧处理，减小应力集中程度。处理后，该轴的使用寿命大大提升，消除了断轴隐患。
1.3 轴承座孔内尽量不设置台阶
机械设计中，根据特定的场合经常会用到非标准轴承座。自行设计轴承座往往会用到 2 个或者跟多轴承，一般我们需要考虑轴承的限位问题。其中常用的限位方式有两种：第一，采用轴承安装孔内设置台阶的形式，将轴承装入轴承座后，在轴承座端面设置端盖即可限定轴承的自由度。第二，直接将轴承孔安装座加工为通孔，然后在轴承座内部加入隔圈将轴承隔开，最后在轴承座的端面设置端盖，从而实现轴承的固定。以上两种方式均可以实现轴承座中轴承的位置固定，在加工精度足够高的情况下使用效果基本没多大区别。
但是，在实际设备制造和设备维护过程，其实两种结构的轴承座使用效果有很大区别。孔内设置台阶结构，在加工过程必须要进行调转方向重新装夹后，才能加工另一侧轴承位。掉头装夹过程费时费力，且装夹过程不能保证装夹的同心度。因此，加工完成后，两侧的轴承位同心度会出现一定的误差，从而影响轴承的同心度。轴装入两个轴承的过程会出现，单独安装一个轴承旋转灵活，而两个轴承同时装入轴后，出现卡顿问题。这种情况针对转动慢的机构，影响较小。但是对于转动速度快的机构会因为不同心造成旋转不灵活的问题，这时同一个轴承座的中的两个轴承会受到轴的一个“扭力”从而导致轴承滚珠与轴承体摩擦力增大。长时间运行过程，就会出现轴承过热问题。严重时会造成轴承卡死，从而导致整个机构故障。
自制轴承座，轴承安装为采用通孔形式制作，加工难度大大降低。同时由于不需要调转方向重新装夹，“一刀成型” 能够极大的保证两个轴承位的同心度。对比两种结构，轴承座孔采用通孔结构，为更优方案。
2 适合的材料能够延长配件的使用寿命
2.1 软接触磨损件表面采用陶瓷材料能够延长耐磨周期
设备实际使用过程部分零件会直接与原材料产生摩擦(滑动摩擦)，比如分线板，过线孔等工作时一直会与线状原材料(简称线材)之间产生摩擦。虽然，分线板采用金属材料制作，而线材为塑料。线材硬度远远小于分线板的硬度，但是日积月累的情况下，分线板还是会出现磨损。而磨损就意味着需要进行更换，严重的会导致线材与磨损的凹痕卡死造成的质量事故。其实硬度和韧性之间一直都站在一个“对立面”，要求高硬度意味着要牺牲其韧性，反之亦然。有没有一种材料，硬度高、韧性好、价格低?这对于很多设备降低维护成本就成为了重中之重。通过反复试验综合考量成本的基础上，分线板主体部分采用铝合金加工，然后在其过线孔处镶嵌 99 陶瓷孔，成为最优方案。通过该方案处理后，分线板这一配件的耐磨性将极大的提升，瓷孔使用 2 年基本上都看不到磨损痕迹。即使出现磨损，也只需要有针对性的对单个陶瓷孔进行更换。因为陶瓷孔属于标准件，单价约为 1 元左右，所以能够大大的降低设备的维护成本。后通过长时间的验证对比，陶瓷材料相对于金属在耐磨性上有着绝对性的优势。无论是孔、杆、圈等会与物体产生小应力摩擦的场景，都可以采用“金属 + 陶瓷”的组合形式来一劳永逸的解决问题。
2.2 懂得“舍卒保车”能够大大的降低维护难度
合理的选用材料，以及选择合适的材料组合形式，能够大大降低维护难度。而在机械设计上，我们也会对不同零件的使用寿命做出取舍。比如梯形丝杆与螺母，设计过程中，螺母的更换难度和加工难度相对较低。因此，我们会采用黄铜来制作螺母，以牺牲铜螺母的形式来延长丝杆的使用寿命。又如直流电机的换向器与碳刷之间的关系，直流电机的换向器与转子相连，其出现故障后，更换和维修的难度和成本相当的高;而碳刷为标准件，价格便宜，且更换起来较为方便。因此，电机设计师采用了二者组合的形式来降低维护难度和成本。总的来说，机械设计的“舍卒保车”更多的是寿命、性能、制造成本之间的平衡和最优解。
3 合理的设备制造成本能够减少后期维护成本
3.1 选用性价比高的配件能够降低维护成本
设备后期的维护费用高低，其实与设备本身制造成本也有一定的关系。设备制造过程奠定其“基因”，“基因”的好坏能够决定设备“存活”的寿命。从狭义的角度来讲，设备制造过程中选用的配件质量越好，设备后期使用过程出现故障的几率越低。但是，设备制造过程不可能不考虑成本，毕竟设备公司不仅需要订单也需要盈利。因此配件的质量与成本之间我们需要找到一个最优解 -- 性价比最高。进口的配件不一定就是最好的，如果国产质量过关的情况下尽可能多的选用国产品牌有利于降低制造成本。并且，后期如果出现问题，国产配件的价格和购买难度相对于进口品牌有着明显的优势。
3.2 尽可能多的使用标准件来降低制造和维护成本
“标准件是指结构、尺寸、画法、标记等各个方面已经完全标准化 , 并由专业厂生产的常用的零 ( 部 ) 件 , 如螺纹件、键、销、滚动轴承等等。标准件的生产具有批量性的特点，在大批量的制造背景下，往往实现自动化生产。因此，单件的生产成本能够大大的降低。机械设计人员在设计中在条件允许的情况下，尽可能多的使用标准件，从而减少非标件的使用。可以降低设备的制造成本，同时也可以降低设备使用客户的维护成本。
本文来源于：《中国设备工程》1985年创刊是中国工业领域的部级宣传平台，国家一级刊物。以宣传报道国家工业发展工作的战略、政策、法规，关注全球工业、设备管理等解决方案的专业载体。它凭借提供、客观、专业性的信息，服务于中国经济发展。杂志充分依托国家发改委、工信部等平台资源优势，为企业搭建政策与市场机会的平台，为企业提供展示优势和对接服务的平台，搭建企业与政府互动的平台，推动中国工业绿色发展，推动绿色经济，建设生态文明。
4 结语
以上是关于机械设计与设备维护成本关系的几条重要因素的分析内容。科技的不断发展，社会的不断进步，各种机器设备的应用越来越丰富是必然的趋势。因此，降低设备后期维护成本是设备机械研发、维护人员需要重点考虑的内容，机械设计人员同时也要不断探索新的技术从而实现并达到降本目的。随着“工匠精神”的不断发扬，相信未来的设备竞争力不仅仅在于价格的低廉，更在于设备本身的品质以及在设备的全生命周期里具有优越的超高性价比。——论文作者：王大炜，李晓剑
参考文献：
[1] 小栗富士雄 , 小栗达男(陈祝同、刘慧臣译). 机械设计禁忌手册 [M].
[2] 濮良贵 , 季名刚 . 机械设计 [M]，2006
