1.6. Формирование технических требований к созданию машин.

Формированием технических требований к созданию машин является: техническое задание, продиктованное потребностью в ней производства, его технологией, выдаваемое планирующей организацией или заказчиком и определяющее параметры машины, область и условия ее применения; техническое предложение, выдвигаемое в инициативном порядке проектируемой организацией или группой конструкторов; научно-исследовательская работа или созданный на ее основе экспериментальный образец; изобретательское предложение; образец зарубежной машины.К техническому заданию необходимо подходить критически. Конструктор должен хорошо знать отрасль промышленности, для которой проектируют машину. Он обязан проверить задание и в необходимых случаях обоснованно доказать необходимость его корректировки.

Машины с неправильно выбранными, заниженными параметрами, основанными на шаблонных решениях, не обеспечивающих технического прогресса, несовместимых с новыми представлениями о роли качества, надёжности и долговечности, устаревают уже к началу серийного выпуска. Вся работа оказывается напрасной, а промышленность не получает нужной машины. Основа создания машин это конструктивная преемственность - использование при проектировании предшествующего опыта машиностроения данного профиля и смежных отраслей, введение в проектируемый агрегат всего полезного, что есть в существующих конструкциях машин (но не копирование!).

Почти каждая машина (современная) представляет собой итог работы конструкторов нескольких поколений. Начальную модель постепенно совершенствуют, снабжают новыми узлами и агрегатами, обогащают новыми конструктивными решениями. Некоторые конструктивные решения с появлением более рациональных решений, новых технологических приёмов и с повышением эксплуатационных требований отмирают, а некоторые оказываются исключительно живучими и сохраняются длительное время в таком или почти таком виде, какой им придали создатели (велосипед).

С течением времени повышаются технико-экономические показатели машин, возрастает их мощность и производительность, увеличивается степень автоматизации, надежность и долговечность. Одновременно с совершенствованием существующих появляются новые машины того же назначения, но принципиально иных конструктивных схем. В соревновании побеждают наиболее прогрессивные и живучие конструкции.

Изучая историю развития любой отрасли машиностроения можно обнаружить огромное многообразие перепробованных схем и конструктивных решений. Многие из них, исчезнувшие и основательно забытые, возрождаются через десятки лет на новой технической основе и снова получают путевку в жизнь. Изучение истории позволяет избежать ошибок и повторения пройденных этапов и вместе с тем наметить перспективы развития машин.

Особенно важно изучение исходных материалов при разработке новых конструкций. Основная задача заключается в правильном выборе параметров машины. Частные конструктивные ошибки исправимы в процессе изготовления и доводки машины. Ошибки же в параметрах и основном замысле машины не поддаются исправлению и нередко ведут к провалу конструкции. На этом этапе не следует щадить ни времени, ни усилий на изыскания. Здесь более, чем где либо действительно правило: "семь раз отмерь, один раз отрежь".

Выбору параметров должно предшествовать полное исследование всех факторов, определяющих жизнеспособность машины. Необходимо изучить опыт выполненных зарубежных отечественных машин, провести сравнительный анализ их достоинств и недостатков, выбрать правильный прототип, выяснить тенденции развития и потребности данной отрасли машиностроения.

Проектируя машину, конструктор должен добиваться всемерного увеличения ее рентабельности и повышения экономического эффекта за весь период работы. Экономический эффект зависит от обширного комплекса технологических, организационно-производственных и эксплуатационных факторов. Главными факторами, определяющими экономичность машины, являются полезная отдача машины, надежность, расходы на оплату труда операторов, потребление энергии и стоимость ремонтов. Подробный анализ и определение оптимальных параметров влияющих на эти факторы дан в справочно-методическом пособии "Основы конструирования", ее автор Орлов П.И. замечательный конструктор, более пятидесяти лет проработавший в конструкторских бюро и научно-исследовательских институтах авиационной промышленности, подробно рассматривает вопросы конструирования, показывая наиболее простые варианты решения сложных конструкторских задач. В двухтомном справочно-методическом пособии конструктор может найти подсказку для решения многих конкретных вопросов конструирования.

Коротко остановимся на характеристике некоторых вопросов влияющих на главные показатели машины при ее проектировании.

При решении вопроса о назначении машины должны быть четко сформулированы: рабочий процесс, которому служит машина, характеристика рабочего материала и условия работы, влияние на производительность.

Масса машины, в большинстве случаев является отрицательным фактором, поэтому ее стремятся уменьшить. При конструировании транспортных и грузоподъемных машин необходимо проверить соответствие массы грузоподъемности для обеспечения тяги и устойчивости. Масса машины во многом зависит от габаритов ее. Минимальность габаритов определяется возможностью размещения механизмов машин, удобствами обслуживания и ремонта, условиями устойчивости давления на основание, необходимостью обеспечения требуемых рабочих размеров, т.е. габаритов рабочих органов.

Производительность машины – количество продукции, выраженное в соответствующих единицах измерения, выпускаемое машиной в единицу времени. Различают три основных вида производительности – проектную, техническую и эксплуатационную. Проектная производительность – это максимально возможная производительность, получаемая при расчетных скоростях, нагрузках, условиях работы, материала, без учета простоев машины, потерь энергии и материалов. Техническая производительность – это максимально возможная производительность машины в конкретных условиях ее работы, но без учета потерь рабочего времени. Эксплуатационная производительность – это производительность машины с учетом всех потерь рабочего времени связанных с простоем машины на техническое обслуживание и ремонт, на технологические и организационные мероприятия и др.

Сложность машин определяется количеством основных узлов и деталей, входящих в ее состав. Ориентировочно: машина считается простой если она содержит до 1500 деталей, средней сложности до 3000, сложной – свыше 3000 деталей.

Надежность – свойство технической системы (машины) выполнять заданные функции, сохраняя во времени в заданных пределах значения установленных эксплуатационных показателей при определенных режимах и условиях использования, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Надежность это – комплексное свойство которое включает в большинстве случаев: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость.

Безотказность – свойство технического объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой выработки без вынужденных простоев.

Долговечность – свойство технического объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при условии соблюдения установленной системы технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность характеризуется приспособленностью технического объекта к предупреждению, обнаружению возможных отказов или повреждений и последующему их устранению путем проведения работ по техническому обслуживанию и ремонту.

Сохраняемость – свойство технического объекта непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние во время и после хранения и транспортирования.

Работоспособность – состояние технического объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных технической документацией.

Наработка – это продолжительность или объём работы машины. Наработка машины от начала до предельного состояния называется техническим ресурсом машины. Календарная продолжительность эксплуатации машины от начала её эксплуатации до наступления предельного состояния называется сроком службы машины.

Предельное состояние объекта – это такое состояние, при котором дальнейшая его эксплуатация должна быть прекращена вследствие неустранимого нарушений требований безопасности, изменения заданных параметров за установленные пределы, снижения эффективности работы машины ниже допустимой.

Технологичность конструкции машины – это совокупность свойств изделия, позволяющая уменьшить затраты средств, материалов, времени и трудоёмкость работ при изготовлении и сборке изделия по сравнению с аналогичными показателями однотипных изделий того же назначения, при обеспечении заданных показателей качества и технического уровня машины и при принятых условиях изготовления, эксплуатации и ремонта. Вопросы технологичности конструкции изделий будут подробнее рассмотрены в главе ”Основные принципы и методика конструирования машин”.

Дизайн или техническая эстетика машины – это совершенство форм изделий, соответствие и информация о его назначении, гармоничное цветовое оформление, удобство и простота обслуживания решаются как в процессе проектирования и конструирования машины, так и на стадии завершения её изготовления.

1.7. Основные этапы создания машин

С момента формирования технических требований к созданию новых машин до срока внедрения машины в промышленность проходит определённый период, как правило тем более длительный, чем сложнее машина. Этот период складывается из следующих этапов: прогнозирование, проектирование и конструирование (разработка конструкторской документации), подготовка производства (в соответствии с разработанной конструкторской документацией), освоение производства.

Рассмотрим содержание этих этапов.

1.7.1. Прогнозирование технических разработок

В основе прогнозирования лежит предположение, что процессы, события, тенденции, имеющие место в прошлом, действующие в настоящем, будут действовать и в будущем. Это предположение основано на том, что процессы, действующие в природе, науке и технике в основном непрерывные и им свойственна некоторая инерционность развития. Так называемые инерционные прогнозы основываются на предположении, что тенденция развития объекта прогнозирования будет сохраняться в будущем на период разработки прогноза. Прогнозная тенденция – это качественная характеристика развития объекта прогнозированная в прошлом и состояние его в настоящем. При применении методов прогнозирования выявляются возможные варианты этой тенденции в будущем. Эти варианты, разработанные на определённый период времени, являются прогнозом.

Прогнозная тенденция выявляется путем изучения информации об объекте прогнозирования. Из информации о развитии объекта прогнозирования в прошлом получают данные для опорных точек построения графика тенденции развития. Полученный график развития прогнозной тенденции по времени (тренд) подлежит анализу и математической обработке. Выявляется математическая функция тренда и проводится его математическая экстраполяция, которая даёт возможные значения прогнозной тенденции в будущем. Тенденции конструктивного развития очень выразительно характеризуют графики, показывающие в процентах встречаемость по годам различных конструктивных решений. Анализ таких графиков и их экстраполяция позволяют составить довольно чёткие представления о том, каковы будут параметры машины и их конструктивное оформление через несколько лет.

Существующие методы прогнозирования разделяются на три группы: эвристические, математические и комбинированные.

Эвристические – методы основаны на использовании мнений специалистов в соответствующих областях техники. Они основаны на экспериментальных оценках, составлении сценариев, классификациях, аналогах и др. Некоторые эвристические методы были рассмотрены в разделе 1.5. данного учебника, и как уже говорилось, используются при отсутствии достаточной информации о прошлом данного технического направления.

Математические методы основаны на использовании приемов формального описания изучаемого процесса. В зависимости о вида математического описания эта группа методов разделяется на методы экстраполяции, для которых математическим аппаратом являются методы максимального правдоподобия (методы наименьших квадратов, корреляции и регрессивного анализа) и методы моделирования, основанные на решении математических уравнений.

Метод экстраполяции основывается на переносе динамики событий и состояний имевших место в недалеком прошлом на будущее; метод используется при краткосрочном прогнозировании в областях техники, где не предвидится существенных качественных изменений в её развитии. Методом экстраполяции можно решать задачи двух типов: 1) статические, в которых анализируется связь между главным признаком машины и другими её параметрами без учёта фактора времени; 2) динамические, в которых непременной составляющей уравнений является фактор времени.

При использовании метода моделирования, анализ исходных данных ведут на модели исследуемого объекта, выполненной в соответствии с требованиями подобия. При этом наиболее общим и строгим является метод математического моделирования.

В целом прогнозирование конструкций новых машин можно рассматривать как часть научно-исследовательской работы, направленной на подбор и подготовку исходного материала, необходимого для разработки технического задания на проектирование.