【论文摘要】在介绍应用变元法进行机械结构的创新设计原理后，指出设计时应遵循的8项准则。针对石油与石化设备易于腐蚀的弱点，着重阐述了结构的防腐蚀设计要点。为了优选理想的结构方案，应采用模糊综合评判法，在优选出理想结构方案的基础上，对结构中的重要零部件或机构辅之以优化设计和可靠性设计，以达到结构方案的综合优化。最后以石油钻机转盘3种结构方案为例，说明了应用变元法可以很方便地得到理想的优选方案。
结构创新设计新方法——变元法
结构设计是机械设计中最主要的环节，是将机械的工作原理变成技术图纸的过程。变元法源于德国，是用于机械产品结构设计的一种富有创造性内涵的新方法［1］ 。笔者对变元法作了补充和改写，使之变得简洁和易于理解。该方法适用范围广，很适合石油与石化机械的结构设计。
在应用变元法进行产品结构设计时，必须首先确定该产品的一种基本结构方案，然后在此基础上开发出多种新的结构方案。
变元法的内涵有两个：第一是定义机械结构的变元，这些变元有数量、形状、材料、位置、联接、尺寸和工艺共7个；第二是通过改变这些变元创造性地构造出多个结构方案。下面对7个变元逐一介绍。
1.数量变元
机械产品结构中零件的轮廓线、轮廓面、工作面、加工面以至整个零件均可视为基本元素，可通过改变产品结构中基本元素的数量以实现产品结构的改变。
2.形状变元
改变结构零件的轮廓形状、表面形状、整体形状以及改变零件的类型和规格都可以得到不同的结构方案。
3.材料变元
零件选用不同的工程材料往往导致该零件的尺寸结构随之改变，因而加工工艺也发生变化，从而影响整个产品的结构，因此通过改变材料变元可以构造出不同的结构方案。
4.位置变元
通过改变产品结构中基本元素之间的布置位置可得到不同的结构方案。
5.联接变元
联接变元有两层含义：一是联接方式，有螺纹联接、焊接、铆接、胶接及过盈联接等；二是对于每一种联接方式都有多种联接结构。通过改变联接方式和联接结构可得到不同的结构方案。
6.尺寸变元
尺寸包括长度、距离和角度等，通过改变零部件及构件的尺寸可改变产品的结构。
7.工艺变元
结构设计与工艺是紧密相关的。由于零件的制造工艺不同，零件和产品的制造成本、质量以及性能也不同，从而影响产品的结构。
根据所设计机械产品的特点，灵活地运用上述7个变元，同时设计者依据所具备的知识、经验，运用创造性思维方法，如类比、推理、归纳、模拟、想象、直觉及灵感等，可构思出很多种结构方案。
为保证产品结构方案设计的正确与可靠，在结构设计时应遵循力学准则、工艺准则、材料准则、装配准则、防腐蚀准则、公差配合准则、支承准则和安全与外观准则等8大项准则，这些大项准则中又都有很多项小准则，其详细内容及其图示结构可参见文献［1］。
结构的防腐蚀设计要点
石油与石化设备的防腐蚀具有特别重要的意义，防腐蚀方案应始于结构设计阶段，始于设计图纸。除了合理选用零件材料及增加保护层以外，结构的防腐蚀设计还应注意以下要点。
(1)结构上应保证设备在停车期间能完全空干，避免介质残留淤积而引起腐蚀。
(2)结构中在视线和手触及不到的结构间隙处可能产生非常严重的局部腐蚀损坏，称之为间隙腐蚀，如在焊接、螺纹联接、铆接结构以及容器的衬板结构中都可能发生间隙腐蚀。防止间隙腐蚀有以下途径：①避免间隙结构出现；②将不可避免的间隙加以密封，使腐蚀介质无法进入；③如果上述两个途径都难以实现，可将狭窄间隙设计成宽大的空间，这样通过不停地对流使电介质平衡以减轻腐蚀。
(3)高温和高质量浓度梯度可能产生沉淀物、冷凝物和局部势差，从而加剧腐蚀进程，在结构设计中应防止此类现象发生。
(4)不同金属直接接触可能发生接触腐蚀， 应设法将不同的金属有效地绝缘开来。
(5)防止高速流体（v＞2m/s）冲击流道壁面，以避免侵蚀腐蚀，如对各种接管进出口、弯头、流道截面收缩处、阀门、泵和叶轮等，应区别情况采取防腐蚀措施。
(6)遵循最小化表面积准则，即在容积相等的前提下使结构受腐蚀的表面积最小，如球体结构最佳，其次是圆柱体。
结构方案的评价与优化
为了优选应在对每种结构方案进行综合分析的基础上，采用模糊综合评判法［2］ 进行综合评价。确定评价因素应从结构方案的技术经济指标、社会效益、工艺性、可操作性、维修性和安全性等方面加以考虑。经过评价从所有备选方案中优选出理想方案。在此基础上可进而对结构中的重要零部件或机构作建立数学模型的优化设计。当数学模型能较真实地反映结构特征时，优化结果可为完善与改进结构设计提供依据，最后达到产品结构的综合优化。
数学模型能描述产品结构中的数量变元、尺寸变元，能间接描述材料变元，对其它变元则很难或不能描述。如果优化设计过于依赖于数学模型，其结果就难以达到实际上的优化，也就难以被直接采纳。
此外，还可对结构中的重要零部件或机构作可靠性设计与有限元分析，对结构中的传动件与轴承作润滑计算和分析，以便从多方面为产品结构的优化提供参考依据。
实 例 分 析
图1 为石油钻机转盘的3 种结构方案。图1a为早期的转盘结构图，图1b为目前国内应用最多的转盘结构图，图1c为轻便型转盘结构图。
图1 石油钻机转盘的3种结构方案
将方案a通过改变主轴承与锥齿轮间的相互位置（位置变元）并改变水平轴左轴承形状（形状变元，由球面滚子轴承改为圆柱滚子轴承）而得到方案b。将方案a通过改变齿轮与轴承个数（数量变元）及齿轮与轴承的尺寸（尺寸变元），同时也改变齿轮与轴承间的相互位置（位置变元）而得到方案c。因此，上述转盘的3种结构方案可通过变元法很方便地得到，进一步应用变元法还可得到其它的结构方案。
从技术性、经济性、社会性、制造装配工艺性、可操作性、维修性及安全性等方面进行综合评价，方案b是理想方案。结构方案的综合评价，最终应以实际应用效果作为检验的依据。
如果进而对上述转盘结构中的齿轮机构进行优化设计和可靠性设计，对齿轮传动与滚动轴承作弹性流体动压润滑计算与分析，以及对密封装置的密封性能进行分析，就可为修改完善转盘结构提供更多的参考依据，这些有待进一步深入研究。
刘扬松，教授，生于1945年，1969年毕业于上海交通大学机制专业，1979～1981年在莫斯科石油大学作访问学者。现从事机械设计的教学与研究工作，本刊特邀作者。地址：（434102）湖北省荆州市。电话（0716）8431672
刘扬松（江汉石油学院）
参 考 文 献
1，杨文彬．机械结构设计准则及实例．北京：机械工业出版社，1997：26～264
2，刘扬松，李文方．机械设计的模糊学方法．北京：机械工业出版社，1996：28～29
