1. 3. Методы проектирования машин

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ МАШИН. Понятно, что многие технические устройства, например, привод технологической машины или механизма крана, органически включают в себя элементы разных общеин­женерных дисциплин. Важная отличительная черта современной инженерии чёткое осознание комплексного, или системного, подхода к инженерным проблемам. Здесь слово «система» имеет особый смысл, подчёркивающий взаимосвязи и единство целого с отдельными его элементами. Несмотря на это инже­нерные дисциплины, преподаваемые в ВУЗе, по-прежнему искусственно разобщены. Например, ТММ игнорирует подход к машине как к физической системе, а традиционное изложение сопротивления материалов исходит из расчёта идеально упругих балок.

Среди способов отыскания решений в процессе проектирования техни­ческих изделий следует отметить метод вариаций при конструировании, так как большинство конструкторских задач связано с улучшением имеющихся частей машин и приборов. Путём целенаправленных частичных изменений структуры можно выработать новые, улучшенные, глубже проработанные ре­шения. Предметом вариаций могут быть: геометрическая форма, виды под­вижных и неподвижных соединений, компоновка, параметры материала и т.д.

Ещё одним способом является проектирование с помощью экспери­мента. Так, автомобильные или иные фирмы порой умышленно выбрасывают на прилавки не до конца отработанную конструкцию, чтобы на основании жалоб покупателей постепенно выявить дефекты своих изделий и затем устранить их, отозвав машины у потребителей.

Если конструктор не в состоянии произвести соответствующие расчёты, тогда он может либо сделать модель конструкции, либо определить её разме­ры, увеличивая в определённом масштабе размеры существующего удачного образца. Но модели хороши в том случае, когда нужно посмотреть, как будет выглядеть вещь, а для предсказания прочности этот метод слишком ненадёжен. Дело в том, что масса конструкции изменяется пропорционально кубу её раз­меров. Так, если увеличить все размеры вдвое, масса возрастёт в 8 раз. Площа­ди же поперечных сечений тех или иных элементов конструкции, которые должны выдерживать нагрузку, изменяются пропорционально квадрату разме­ров конструкции, и при увеличении всех размеров вдвое площади всех попе­речных сечений увеличатся только вчетверо. Поэтому нельзя предсказать прочность конструкции по поведению моделей или при изменении масштаба уже существующих образцов.

Главным средством конструирования является черчение, так как чер­тёж является универсальным средством моделирования абстрактных идей и конкретных решений. Поэтому качество готовых изделий в большой степени зависит от квалификации конструктора как чертёжника. Культ чертежа инже­нера должен быть очень высок и студенту следует научиться чертить чисто, точно и красиво. Кроме того, например, простановка размеров требует большо­го внимания: мало того, чтобы размер образовывался только один раз, необхо­димо, чтобы главные размеры начинались от конструкторских баз.

Важным моментом при проектировании является обучение будущих инженеров взаимодействию с ЭВМ. В результате всё большая часть нагрузки студентов должна идти на выработку навыков диалогового общения с ЭВМ при параллельном освоении соответствующей дисциплины.

Проектирование машины состоит из конструктивной разработки ра­бочей схемы, а затем из процесса расчётов и вычерчивания машины в це­лом, её узлов и деталей.

Конструирование — это творческий процесс создания машин в докумен­тах (главным образом, в чертежах), производящийся на основе теоретических расчётов, конструкторского, технологического и эксплуатационного опыта и экспериментов.

Любое изделие может быть выполнено во многих вариантах. Оптимиза­ция — это выбор наилучшего проектного решения. Критерии выбора — это свойства, по которым ведут оценку при выборе наилучшего решения. Важны­ми частными критериями оценки конструкций машин являются: минимум мас­сы, отнесённой к единице мощности; минимум объёма (габаритов) и др.

На практике процесс конструирования часто протекает следующим обра­зом. Сначала определяют наибольшие нагрузки, действию которых может подвергнуться конструкция, и перемещения, которые можно считать допустимыми. Если нагрузки и перемещения не регламентированы существующими нор­мами и правилами, то конструктор сам должен принять решение.

После того, как основные нагрузки определены, приступают к первым достаточно грубым наброскам будущей конструкции - на этой стадии конструктор делает эскиз чаще всего на миллиметровке. Затем с помощью соответ­ствующих расчётных формул следует прикинуть, какими будут напряжения и перемещения. С первой попытки они могут оказаться слишком малыми или слишком большими, поэтому конструктор вносит соответствующие изменения в проект, и так продолжается до тех пор, пока всё не будет в порядке.

Затем делают комплект чертежей по нормам и правилам ЕСКД. Оформ­ленные в соответствии со стандартами чертежи совершенно необходимы, когда оригинальные детали должны изготовляться обычным заводским способом. Они служат руководством при изготовлении конструкции в металле. Когда де­ло дошло уже до рабочих чертежей, конструктор обязан постоянно думать и беспокоиться о своём детище. Именно самонадеянность приводит к авариям, а тревога за конструкцию предотвращает их, так что следует проверять всё не раз и не два, а многократно.

Информация к размышлению. Из 100% конструкторских разработок только 25...30% соответствуют заданным требованиям и дают при вне­дрении ожидаемый экономический эффект, еще ~ 20% разработок соот­ветствуют поставленным задачам, но не дают должного эффекта при реа­лизации, и 50% - не больше, чем тренировка мозгов. «Сначала конструк­тор делает сложно и плохо, затем сложно и хорошо, и лишь потом - про­сто и хорошо».

Таким образом, конструирование машин производят по этапам, на которых разрабатывают следующую техническую документацию:

• техническое задание на проект машины серийного производства или техническое предложение на специальные машины - эти документы содержат решение принципиальных вопросов схемы машины и устанавливают её ос­новные паспортные параметры;

• эскизный проект, включающий в себя эскизную разработку общих видов основных узлов;

• технический проект, содержащий отработанные общие виды машины и её узлов, готовые к деталированию;

• рабочий проект, представляющий собой комплекс общих видов, рабочих чертежей деталей, спецификаций и других документов, достаточных для изготовления машины.

Хотя, как утверждают, одни конструкции поддерживают силы небесные, а другие не разваливаются благодаря краске или ржавчине, проектировщик, ес­ли он сознаёт свою ответственность, всегда стремится получить объективные данные о надёжности того, что он предлагает соорудить. Возможен лишь ста­тистический, основанный на опытных данных подход к оценке времени на­дёжной работы изделия. Причём по самой природе вещей мы можем дать только более или менее разумные вероятностные оценки надёжности. Ослабив кон­струкцию сверх меры, её можно сделать лёгкой и дешевой, но тогда недопус­тимо возрастает вероятность частых поломок. И наоборот, слишком прочная, «вечная» с человеческой точки зрения, конструкция может оказаться слишком тяжёлой и дорогой. Поскольку всё учесть невозможно, то, разрабатывая реаль­ную конструкцию для реальной жизни, необходимо примириться со всегда существующей - пусть малой, но конечной - вероятностью преждевременного выхода её из строя.

Вопрос даже не в том, разрушится ли конструкция, а в том, когда именно? Отложить это на некий приличный срок - задача инженеров. Весь вопрос заключается в том, каков же этот «приличный срок». Каждая конструкция должна быть надёжной в течение определённого времени службы. Для ракеты это могут быть несколько минут, для автомобиля или самолёта - 10...20 лет, для собора - столетия.

Причины любой катастрофы лежат на двух уровнях. Первый уровень связан с механическими или технологическими факторами, второй — с факто­рами субъективного характера. Несомненно, что проектирование - не очень точный предмет, иногда случаются неожиданности, допускаются ошибки и т.д., однако в большинстве случаев истинные причины катастроф кроются в оплошностях, сделанных теми или иными людьми («человеческий фактор»), и этих оплошностей вполне можно было бы избежать.

Если расчётными формулами пользоваться осмотрительно, они могут оказаться чрезвычайно полезными и послужить незаменимым инструментом для большинства инженеров. Но их следует применять осмотрительно!

Во-первых, убедитесь, что вы действительно понимаете смысл данной формулы.

Во-вторых, удостоверьтесь, что она действительно применима к вашему конкретному случаю.

В-третьих, помните, помните и ещё раз помните, что эти формулы осно­ваны на определённых допущениях (например, не принимают в расчёт концен­трации напряжений или другие особые локальные условия).

И, наконец, подставьте в формулы соответствующие нагрузки и размеры, предварительно убедившись, что они выражены в одной системе единиц и не напутаны порядки чисел, а потом аккуратно и тщательно проделайте вычисле­ния. Затем посмотрите на полученный результат строгим и недоверчивым взглядом: выглядит ли он правильным и разумным. В любом случае лучше по­вторить вычисления ещё раз - вдруг потерялась где-нибудь двойка.

Многие из инженеров и техников полагают, что чем вывод формулы сложнее, тем большего доверия она заслуживает, упуская часто из виду те грубые положения и допущения, которые воспроизводятся формулой. Ин­женер должен помнить слова натуралиста и философа Гексли: «Матема­тика, подобно жёрнову, перемалывает то, что под него засыпают, и, как засыпав лебеду, вы не получите пшеничной муки, так, исписав целые страницы формулами, вы не получите истины из ложных предпосылок».Академик Алексей Николаевич Крылов (1863... 1945 гг.) выдаю­щийся математик, механик и кораблестроитель, основоположник теории корабля, автор работ по теории магнитных и гироскопических компасов, по баллистике, математике, механике и астрономии говорил: «Для геометра математика сама по себе есть конечная цель, для инженера - это есть средство, это есть инструмент такой же, как штангенциркуль, зубило, на­пильник для слесаря, топор и пила для плотника. ... Вычисление должно производиться с той степенью точности, которая необходима для практи­ки, причём всякая неверная цифра составляет ошибку, а всякая лишняя цифра - половину ошибки».

Резюме. Естественно, что ни математика, ни формулы из справочни­ка не «спроектируют» конструкцию. Проектировать следует на основе соб­ственного опыта, здравого смысла и интуиции, а по окончании проектиро­вания с помощью расчётов необходимо проверить конструкцию, хотя бы приблизительно определив, каких напряжений и перемещений можно в ней ожидать,

ПРИВОД С МЕХАНИЧЕСКИМИ ПЕРЕДАЧАМИ - ТИПОВОЙ УЗЕЛ МАШИН И ОБЪЕКТ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. Для нашего курса наиболее интересным узлом технологических и транспортных машин является привод машины. Электромеханический привод - это устройство для приведения в действие машины, состоящее из электродвигателя как источника энергии, механических передач, муфт для соединения валов и аппаратуры управления, которая вклю­чает электронные и электротехнические устройства. В дальнейшем система управления привода не рассматривается. Системный подход при конструировании машин — это учёт принципов взаимодействия деталей в работающем устройстве, действующих на детали на­грузок и причин отказов, а не свойств отдельных деталей машин. Примером системного подхода при конструировании является выбор электромеханиче­ского привода технологических или транспортных машин в качестве объекта для курсового проектирования. Взаимодействия между частями привода доста­точно сложны. Для определения строения привода недостаточно разложить его на элементы (анализ), надо суметь также построить его из составных частей (синтез).

Привод технологической или транспортной машины объединяет боль­шую часть изучаемых деталей машин в одно целостное устройство, что упоря­дочивает и лучше организует усвоение учебного материала при построении курса. При исследовании привода машины необходимо усвоить принцип взаи­модействия деталей в работающем устройстве. Это позволяет выявить место действия, характер и величину нагрузки на элементы привода, что и определяет метод расчёта деталей. Также на основе анализа устройств по принципу энер­гетического взаимодействия могут быть рассмотрены элементы и узлы крано­вых механизмов грузоподъёмных кранов.

Такой подход позволяет отработать задачи по курсовому проектирова­нию и освоить способ действия на конкретном материале. При этом у студен­тов формируется умение анализировать конструкции данного класса машин на основе системного подхода, и они имеют возможность отобрать и использовать необходимые сведения для выполнения курсового проекта, что влияет на заин­тересованность в изучении курса и на качество его усвоения, особенно при взаимодействии с ЭВМ.

Требования, предъявляемые к приводу, могут быть выполнены с использованием различных вариантов кинематических схем. Задача конструктора со­стоит в разработке или выборе оптимальной схемы и вида передач на основании оценки их по критериям сравнения. Разработка кинематической схемы привода обычно осуществляется на основе расчётной схемы, выполненной в виде блок-схемы, на которой прямоугольниками показаны элементы, выпол­няющие требуемые функции, и кинематические связи.

Например, необходимо спроектировать привод, в котором рабочий орган машины, совершающий вращательное движение, должен изменять направле­ние вращения и иметь две скорости. Составление блок-схемы привода машины (рис. 17) начинают с двигателя. Далее идут реверс - механизм для изменения направления вращения на обратное, коробка перемены передач и рабочий ор­ган машины. Для снижения частоты вращения и повышения вращающего мо­мента может быть использована дополнительная механическая передача.

Рис. 17. Блок-схема привода машины

Проектирование привода машины включает:

• технологический расчёт машины, для которой проектируется привод;

• определение ориентировочного значения передаточного отношения привода и составление его кинематической схемы;

• подбор по каталогу двигателя с учётом его потребной мощности;

• расчёт общего передаточного отношения привода и разбивку общего передаточного отношения между отдельными передачами;

• определение мощности, частоты вращения и вращающего момента на каждом валу привода;

• расчёт механических передач, входящих в привод;

• проектирование и расчёт валов и их опор;

• подбор соединительных муфт и расчёт соединений деталей привода;

• компоновку узлов привода на раме.

Виды повреждений приводов. Особенно часто происходят отказы и по­вреждения гибких органов в передачах (ремней, цепей и канатов), поскольку они характеризуются сравнительно малой долговечностью: срок службы рем­ней составляет порядка 2...3 тыс. часов, цепей и канатов - до 7...10 тыс. часов при планируемом сроке службы привода 30...36 тыс. часов.

До 40% случаев отказов привода - это повреждения зубьев зубчатых и червячных колёс в зацеплении. Причём в 50% случаев процесс разрушения в зацеплении зубьев является продолжительным (усталостное выкрашивание на рабочей поверхности зубьев), а не внезапным (поломка зубьев). Повреждения в подшипниках составляют до 20% случаев отказов привода, очень редко случа­ются разрушения валов, уплотнений и корпусов.

Как беречь время при курсовом проектировании и не только.

Парадоксальная особенность решения инженерной задачи заключа­ется в сочетании подчёркнуто конкретного задания с большой творческой свободой, а следовательно, значительной неопределённостью в выборе решения и отсутствии однозначного ответа при ограниченном времени на её выполнение.

Начинайте работу сразу, не откладывая! Шарль Бодлер: «Самая тя­жёлая работа - та, которую мы не решаемся начать: она становится кош­маром». Один из законов Паркинсона гласит: «Всякую работу можно рас­тянуть так, чтобы заполнить ею всё имеющееся время».

Работа изнуряет нас, главным образом, в результате разочарований и неудач. Каждый может жить долго и счастливо, работая интенсивно и не на самых высоких постах до тех пор, пока ему нравится его работа, и он достаточно преуспевает в ней.