7. Разработка проекта

1. Последовательность проектирования изделия машиностроения (подготовлено на основе материалов учебника [2] и учебного пособия для бакалавров [11]).

Проектирование — один из самых сложных, ответственных и творческих этапов создания любого машиностроительного изделия. Его методология для некоторых специальностей машиностроительного профиля преподается на старших курсах. В рамках данной дисциплины для получения первоначального представления о содержании проектирования кратко обрисуем последовательность проектных и конструкторских работ.

Независимо от назначения машиностроительного изделия проектные работы ведут в следующей последовательности.

После тщательного изучения ТЗ специалисты-проектанты проводят глубокий и всесторонний сбор, систематизацию и анализ научно-технической и патентной информации по заданной проблеме. Выявляют прототипы и наиболее близкие по назначению аналоги, критически изучают их плюсы и минусы. Далее на основе сопоставления альтернативных вариантов по тем или иным критериям (для каждой области техники они свои) выбирают физический принцип действия, функциональную структуру проектируемого изделия. Для выбора могут использоваться методы случайного поиска, мозгового штурма, морфологического анализа, эвристических приемов и др. Затем осуществляют пространственную компоновку основных узлов, находят габаритные размеры, обосновывают применение тех или иных конструкционных материалов. Каждое проектное действие сопровождается необходимыми расчетами: прочностными, тепловыми, гидро-, газодинамическими, кинематическими, надежности, ресурса, экономическими и т.д. Если в результате проектных процедур не выполняются основные требования ТЗ, то процесс проектирования возвращается к началу и процедуры повторяют либо с уточнением (или изменением) физического принципа действия, либо с изменением функциональной структуры (если физический принцип действия задан). После окончания этапа проектирования (который, как правило, ведут параллельно с экспериментальным подтверждением новых технических решений или (и) моделированием функционирования будущего изделия) начинается конструкторский этап. Он включает разработку конструкций и технологий на каждую деталь. Конструкции деталей должны учитывать специфику того предприятия, на котором они будут изготовляться (оборудование, технологии, оснастка, инструменты, кадры). При выпуске рабочей документации конструктор должен обосновать технические требования и нормы точности. Конструктор вместе с технологом в соответствии с данными о количественном выпуске изделия выбирают методы достижения требуемой точности, которые должны обеспечить минимальные издержки при изготовлении всего изделия.

Для изделий, имеющих в своем составе кинематические звенья, и особенно для технологических машин (например, обрабатывающих центров), дополнительно выбирают исполнительные поверхности или заменяющие их сочетания поверхностей надлежащей формы. Затем выбирают закон их относительного движения, обеспечивающий выполнение технологической машиной ее целевого назначения, разрабатывают кинематические схемы изделия и всех составляющих механизмов (с учетом использования современных средств управления, т.е. с минимизацией длин кинематических цепочек). Далее уточняют место приложения, характер действия и значение сил на исполнительных поверхностях узлов изделия. Используя эти данные, рассчитывают значение и характер сил, действующих на каждом из звеньев кинематических цепей и их механизмов с учетом действия сил сопротивления (трения, инерции, массы и т.д.). Зная назначение каждого звена, закон движения, характер, значение действующих на него сил и ряд других факторов (среда и условия, в которых должны работать звенья и т.д.), выбирают материал. Путем расчета определяют основные конструктивные формы, т.е. превращают их в детали машиностроительного изделия.

Для того чтобы детали, несущие исполнительные поверхности изделия и его механизмов и выполняющие функции звеньев кинематических цепей, двигались в соответствии с требуемым законом их относительного движения и занимали относительно друг друга требуемые положения, их соединяют с помощью различного рода других деталей в виде корпусов, станин, коробок, кронштейнов и т.д., которые называют базирующими деталями. Конструктивные формы каждой детали изделия и его механизмов создают исходя из их функционального назначения путем ограничения необходимого количества выбранного материала различными поверхностями и их сочетаниями.

На первом этапе проектирования каждая проектная группа должна проработать следующие основные вопросы:

1) Изучить назначение и устройство узла (агрегата), в который входит сборочная единица и деталь. Представить реферативное описание его служебного назначения и принципа работы.

2) Определить рабочие функции, которые выполняет сборочная единица и входящие в неё рабочие детали;

3) Установить основные технические требования, предъявляемые к сборочной единице и к поверхностям детали.

3) Установить из какого материала изготовлены рабочие детали и какие альтернативные материалы можно предложить для изготовления с учётом действующих нагрузок при их работе в узле (агрегате);

4) Определить какие и с какой целью нанесены защитные покрытия на поверхности деталей и какими способами это можно сделать (если покрытий нет, то необходимо дать обоснованные предложения по их нанесению или наоборот, недопустимости их применения).

5) Выполнить эскизы и чертежи деталей.

6) Ознакомиться с методами обработки поверхностей деталей, которые можно применить при производстве заданной детали.

Помимо вышеуказанных вопросов, куратором группы могут быть обозначены и другие дополнительные вопросы (задания), связанные со спецификой выполнения проекта.

2. Пример выполнения проекта (проект разработан студентом ТИУ группы МКС10-1 Макарчуком Александром Евгеньевичем).

Цель проекта: «Разработка конструкции шиберной задвижки для трубопровода в соответствии с техническим заданием завода-изготовителя». Задвижки шиберные предназначенные для работы в качестве запорного устройства на трубопроводах, проводящих газообразные и жидкие среды - воду техническую, нефть с объемным содержанием СО₂ и H₂S до 6 % с температурой рабочей среды не более 120°С, а также для перекрытия каналов устьевой арматуры фонтанных, насосных и нагнетательных скважин. Данные задвижки выпускаются с проходным диаметром Ду65 мм и в зависимости от рабочего давления (в МПа) имеет четыре исполнения: ЗД 65х14, ЗД 65х21, ЗД 65х25, ЗД 65х35. Установочное положение задвижки на трубопроводе - любое. Температура окружающего воздуха при эксплуатации от -60 до +45 °С. Заказчик в техническом задании установил следующие основные параметры задвижки:

Годовая программа выпуска - 400 шт;

Рабочее давление (МПа) – 25МПа;

Рабочая среда - вода техническая, нефть, газ;

Температура рабочей среды - до +120°С;

Герметичность затвора - класс "А" по ГОСТ 9544-93;

Направление подачи рабочей среды – любое;

Полное закрытие/открытие задвижки – не более половины оборота рукоятки привода;

Присоединение к трубопроводу – фланцевое;

Максимальное усилие на рукоятке привода – 450 Н;

Полный срок службы - 9 лет;

Полный средний ресурс - 1800 циклов;

Наработка на отказ - 600 циклов;

Средний срок службы до капитального ремонта - 5 лет.

В результате анализа научно-технической литературы, посвященной запорной арматуре, установлено, что задвижки шиберного типа имеют ряд преимуществ перед задвижками других типов:

• отсутствие сварных элементов;

• отсутствие свободных объемов во внутренней полости задвижки, не дает возможности скапливаться воде, грязи;

• изделие сохраняет работоспособность во всем диапазоне температур и не требует отогрева;

• малые габариты;

• небольшая строительная высота, по сравнению с задвижками классического типа;

• малое время открытия и закрытия (для перевода в положения «открыто», «закрыто» - 2,5 оборота шпинделя.)

• применение фторопластового подшипника скольжения, установленного между шибером и наружным корпусным элементом повышают надежность и долговечность работы задвижки;

• применение резиновых упругих элементов для прижатия седел, гарантирует их исправную работу в течение всего срока службы, в сравнении со стальными пружинами;

• отсутствие жесткого соединения шибера с зубчатым сектором рычажного механизма исключает передачу деформационных нагрузок на приводной механизм, обеспечивая их надежную и долговечную работу;

• корпусные элементы задвижки изготавливаются из составных элементов, что позволяет повысить технологичность, снизить процент брака, себестоимость и цену изделия.

В результате проведенного патентного поиска за прототип принята конструкция задвижки с зубчатым механизмом привода [3]. В ходе анализа конструкции зубчатого механизма поворота шибера были выявлены следующие недостатки:

• сложность изготовления, в частности производство большого количества деталей, таких как венец зацепления и приводной вал с высокой точностью;

• “закрытие/открытие” происходит в несколько оборотов “ключа”, что оказывает существенное влияние на мобильность перекрытия;

• повышенный износ приводного механизма.

При использовании механизма типа «венец-вал» как показано на рисунке 7.1, происходит разбивание пары зацепления, что приводит к появлению люфта, а это сказывается на скорости перекрытия и надежности привода.

Необходимо было разработать механизм привода, который мог бы заменить имеющийся у аналога, при минимальном изменении конструкции всего устройства. Поставленная задача решена за счет использования принципа кинематики движение шарнирно - рычажного четырехзвенного механизма, который удалость разместить в имеющихся полукорпусах.

Рис. 7.1. Задвижка дисковая (привод зубчатого типа)

На рис. 7.2 представлена конструкция дисковой задвижки ЗД-1-65Х21 в разрезе с новой конструкцией приводного механизма.

Рис. 7.2. Задвижка дисковая ЗД-1-65Х21

Р ис. 7.3. Схема привода задвижки

Схема рычажного механизма привода задвижки представлена на рис. 7.3, 7.4., где:

1 звено - расстояние от центра приводного вала до центра оси тяги А (ОА);

2 звено - расстояние от центра оси тяги А на до центра оси тяги В на шибере (АВ);

3 звено– расстояние от центра вращения шибер С до центра оси тяги В (ВС);

4 звено – корпус задвижки, являющийся осями вращения приводного вала О и шибера С.

Р ис. 7.4. Схема рычажного механизма привода задвижки

Задвижка (рис. 7.5) содержит выполненный из двух частей корпус (7), между которыми с помощью шпилек (2) с гайками (6) жестко закреплено распорное кольцо (14). Каждая из частей корпуса (7) имеет сквозные каналы (3) и конструктивные элементы, например, фланцы (12), для монтажа задвижки в трубопроводе. Во внутренней полости распорного кольца (14) с возможностью поворота в своей плоскости вокруг оси (4) в пределах зоны регулирования свободно с зазором размещен дисковый шибер (1) с проходным каналом (13). В дисковом шибере (1) выполнен прилив (9) со сквозным отверстием, в него вставляется ось (10) прикрепляющую тягу (8) к шиберу (1), вторым концом тяга (8) соединена с приводным (коленчатым) валом (5). В каждой из частей корпуса (7) установлены взаимодействующие с дисковым шибером (1) подвижные седла (11) с волнообразными пружинами, защищенными от попадания рабочей среды резиновыми уплотнительными кольцами (на рисунке не показаны).

Задвижка работает следующим образом (рис. 7.5). При повороте приводного (коленчатого) вала (5) с помощью рычага (15) происходит поворот дискового шибера (1) в распорном кольце (14) из положения "открыто" в положение "закрыто" или наоборот (рисунок 3). Угол поворота приводного (коленчатого) вала (5) составляет 180 градусов. При повороте приводного (коленчатого) вала (5) на 180 градусов дисковый шибер (1) поворачивается на оси (4) , полностью открывая или закрывая проходное сечение задвижки. Уплотнение дискового шибера (1) обеспечивается двумя подвижными седлами (11). Прижим седла осуществляется дисковыми волнообразными пружинами (на рисунке не показано).

Рис. 7.5. Продольное сечение задвижки дисковой (привод рычажного механизма):

1 - шибер, 2 – шпилька, 3- сквозной канал, 4 – ось, 5 - приводной вал, 6- гайка, 7- полукорпуса, 8- тяга, 9 – прилив, 10- ось, 11 – подвижные седла, 12 –фланец, 13 – проходной канал шибера, 14 – распорное кольцо.

Предложенная конструкция привода (смотри рис. 7.6) позволяет осуществлять «открытие/закрытие» условного проходного канала трубопровода за поворот ключа на 180 градусов (одним движением).

Надежность механизма достигается путем установления жестких связей элементов привода. Благодаря упрощенной конструкции уменьшаются затраты на ее обслуживание и ремонт, так же упрощается использование данного устройства. Так при повороте «ключа» в одном из двух положений, оператор знает, в каком положении находится шибер задвижки «открыто/закрыто».

Р ис. 7.6 Задвижка дисковая (привод рычажного механизма)

1 - шибер, 4 – ось, 5 - приводной вал, 14 – распорное кольцо, 15 – рычаг.

Также к достоинствам привода и задвижки в целом можно отнести:

• простоту конструкции и технологичность изготовления;

• надёжность механизма перекрытия;

• снижение себестоимости задвижки.

Для проверки одного из основных параметров задвижки, указанных в техническом задании «Максимальное усилие на рукоятке привода – 450 Н», был проведен силовой расчет.

На шибер задвижки через условный проходной канал трубопровода, равный диаметру 65 мм действует давление нефтесодержащей жидкости, равное 21 МПа (рабочее давление), что при открывании задвижки создает усилие прижатия шибера к седлу. В результате между седлом и шибером возникает сила трения, которую и необходимо преодолеть, для того чтобы шибер начал движение вокруг своей оси. Для расчета силы трения между шибером и седлом был принят на основании лабораторных испытаний коэффициент трения f = 0,05 стального шибера по фторопластовому кольцу седла в присутствии нефтесодержащей жидкости.

Для упрощения расчета действие сил трения в шарнирах привода были учтены общим КПД механизма при окончательном расчете усилия на рукоятке привода.

Расчет был выполнен для наиболее нагруженного состояние механизма, когда отверстие шибера прошло фторопластовое кольцо седла, но еще не достигло отверстия трубопровода.

В результате расчета усилие на рукоятке привода составило 290 Н, что не превышает величину, указанную в техническом задании – 450 Н.

Вопросы и задания для самопроверки

1. Кратко опишите последовательность проектирования изделия машиностроения.

2. Какие основные вопросы должна проработать каждая проектная группа на первом этапе проектирования?

3. Опишите основные особенности конструкции шиберной задвижки и ее преимущества перед задвижками других типов.

4. Какие недостатки имеет задвижка с зубчатым механизмом привода шибера, выбранная в качестве прототипа?

5. Опишите конструкцию задвижки и ее работу с новым механизмом привода шибера (рычажного типа).