книги из ГПНТБ / Сучков, А. Е. Резервы экономии металла в машиностроении

материалы, полуфабрикаты и комплектующие изделия в общей себестоимости продукции машиностроения состав­ ляет от 40 до 75%. Например, в крупносерийном и мас­ совом производстве тракторов и сельхозмашин она равна 55—60%, в автомобилестроении — 50—55, станкостро­ ении — 45—50, электротехнической промышленности —

60—65%.

Значительный удельный вес стоимости материала в общей структуре себестоимости машин свидетельствует о том, что экономия металла при проектировании машин — один из главных факторов снижения их себестоимости.

чем от экономии 1 % заработной платы.

В связи с возрастающей ролью технического прогрес­ са, широким развитием специализации и кооперирования трудоемкость выпуска машин будет снижаться, а удель­ ный вес стоимости материалов — возрастать. Широкое внедрение в машиностроение наиболее прочных материа­ лов и точных заготовок для деталей, безусловно, увели­ чит стоимость. Однако эти затраты оправдаются в эксплуатации за счет повышения надежности и долго­ вечности машин.

Уменьшение веса машин оказывает большое влияние на рост эксплуатационных показателей. Так, снижение веса движущихся частей машин и механизмов дает воз­ можность уменьшить динамические нагрузки и повысить производительность машин. Уменьшение веса отдельных деталей, имеющих высокие скорости движения, приводит к повышению прочности и долговечности машин.

Весовой расход металла на изделие в машиностро­ ении регламентируется нормой расхода, а показателем эффективности является коэффициент использования. Он выражает отношение веса готовых деталей к сумме веса готовых деталей, отходов и безвозвратных потерь в процессе производства изделия.

При экономическом исследовании путей совершенство­ вания конструкции и снижения металлоемкости машин и оборудования следует учитывать, что коэффициент использования металла позволяет определить лишь его отходы и потери в процессе выпуска изделия. Он не отра­ жает изменения удельного расхода материала при проис­ шедших в конструкции изделия изменениях и, следова­

30

тельно, не может объективно отразить работу по созда­ нию более современных конструкций.

Иногда создание более совершенной конструкции ма­ шин требует больше материальных и трудовых затрат, чем существующие машины. Однако удельная металло­ емкость новой машины ниже, а эксплуатационные пара­ метры выше, чем старой. Например, конструктивный вес нового трактора «Беларусь МТЗ-80» на 7% выше, чем трактора «МТЗ-50», мощность его больше на 35, а ско­ рость — на 30%. Экономические расчеты показывают, что за счет снижения удельного веса трактора «МТЗ-80» по сравнению с «МТЗ-50» экономится материалов более чем на 2 млн. руб. -в год.

Конструктивный ве.с автомобиля «ГАЗ-51А» составля­ ет 2157, а «ГАЗ-53А» — 2972 кг, или на 38% больше. Однако при одинаковых эксплуатационных условиях транспортная работа по «ГАЗ-51А» составляет 43,6 тыс. т/км, а по «ГАЗ-53А» — 79,7 тыс. т/км, или на 83% выше. Следовательно, удельная металлоемкость на единицу транспортной работы по «ГАЗ-51А» равна 49,4, а «ГАЗ-53А» — 37,3 кг/тыс. т/км, или на 32% меньше.

Аналогичные показатели в совокупности с другими оценочными критериями могут объективно отражать со­ вершенство конструкций и экономию металла и по другим отраслям промышленности.

Взаимосвязь между ценой и весом металлических изделий используется довольно широко — с давних времен и до наших дней. Например, в «Основах машино­ строения» И. А. Тиме приводит цены на токарно-винто­ резные станки в зависимости от их веса в пудах. Далее он указывает, что «попудная оценка токарно-механиче­ ских работ может быть допущена только гуртовая, т. е. для целых машин, для большой массы изделий различ­ ной величины»2. В прейскурантах цен, введенных в дейст­ вие в 1966 г., отпускные цены на станочное и некоторое другое оборудование также установлены в зависимости от их веса и трудоемкости изготовления. В связи с этим вес изделий был и пока остается основным мерилом за­ трат на металл и трудоемкость его обработки.

Сравнительный анализ удельной металлоемкости машин и их параметров — важный фактор оценки кон-

2 И. А. Т и м е. Основы машиностроения, т. I, вып. 2. С.-Петер­ бург, 1883.

31

структивного уровня машин аналогичного назначения, выпускаемых как в СССР, так и за границей (см. табл. 7 - 8 ) .

Следовательно, удельный вес — основной показатель уровня конструктивного совершенства агрегата или машины. Нормирование веса проектируемых машин, основанное на строгом учете их прочностных характери­ стик, габаритов, мощности и других показателей, даст большое практическое значение. Однако рекомендации по выбору весовых норм при конструировании машин, изло­ женные в специальных справочниках и учебной литера­ туре, составлены на недостаточно высоком научном уров­ не. Они весьма противоречивы и не отражают новейших достижений технического прогресса в области конструи­ рования и расчета машин. Аналогичные недостатки при­ сущи и ведомственным техническим условиям и нормам проектирования некоторых типов машин. Хотя при выда­ че задания на разработку новых машин в отдельных случаях и устанавливается весовая норма, но она не обязательна для исполнителей. В этом случае конструк­ тор по своему желанию стремится к снижению веса машин без снижения ее эксплуатационных качеств.

Для оценки рациональности конструкции машины необходима целесообразная система весовых показате­ лей. К сожалению, общегосударственных технических условий и норм проектирования машин пока нет, хотя давно назрела необходимость создать такой норматив­ ный показатель, который мог бы объективно оценить технический прогресс в данной отрасли при создании новых машин. Конечно, при многообразии выпускаемых машин, оборудования и разнохарактерности их работы единого весового показателя быть не может. Однако для однотипных машин или оборудования, эксплуатируемых в сравнительно одинаковых условиях, единая система весовых показателей, характеризующая рациональность конструкций, может быть разработана.

При конструировании машины эффективность исполь­ зования материалов должна определяться отношением общего ее веса к какому-либо из основных параметров. Наиболее характерным эксплуатационным показателем для измерения эффективной работы машин являет­ ся их производительность. Например, у почвообрабаты­ вающих и посевных машин их производительность будет

32

Т а б л и ц а 7

Технические и эксплуатационные параметры тракторов советского и зарубежного производства

П р и н я т ы е о б о з н а ч е н и я . Тип трактора: Г — гусеничный, К — колесный. Тип двигателя: Д — дизельный, К —-карбюраторный.

измеряться площадью, обрабатываемой за час (га/час), уборочных машин — количеством хлебной или зеленой массы, пропускаемой в секунду или за час, у экскавато­ ров — количеством грунта, перемещенного в отвал за час работы.

Для двигателей внутреннего сгорания подобным из­ мерителем является вес, приходящийся на лошадиную силу его мощности. Диаметры валов, размеры зубьев шестерен трансмиссии зависят от величины передаваемо­ го ими крутящего момента. Поэтому при определении удельного веса трансмиссии последний может быть при­ нят за знаменатель.

В станкостроении показателем рациональности кон­ струкции может считаться отношение веса станка к мощ­ ности установленных двигателей. Для насосов разного

34

Т а б л и ц а 8

Технические и эксплуатационные параметры некоторых моделей автомобилей

П р и н я т ы е о б о з н а че н и я: Р —рядные, В— вертикальные, Г—горизонтальные.

назначения удельная металлоемкость может исчисляться как отношение их веса к производительности, т. е. к ко­ личеству жидкости, пропускаемой за секунду или за час.

Общей тенденцией в тракторостроении является уве­ личение мощности на единицу конструктивного веса машин. Однако этот показатель не может быть объектив­ ной оценкой. Как известно, номинальное тяговое усилие, определяющее тяговый класс трактора, характеризует возможность агрегатирования трактора с соответству­ ющими ему по тяговому сопротивлению сельскохозяйст­ венными или строительно-дорожными машинами и ору­ диями. Вот почему металлоемкость трактора, отнесенная к эффективной мощности двигателя, не всегда объектив­ но оценивает его удельный вес. Например, колесный

трактор по сравнению с гусеничным имеет большую по­ терю мощности на буксование и прессование почвы при работе. В связи с этим его тяговая мощность значительно отличается от расчетной. Следовательно, для наиболее объективной оценки металлоемкости трактора при ана­ лизе его конструктивный вес следует относить не только к мощности двигателя, но и к тяговому усилию, что позволит с достаточной точностью сравнить его с гусе­ ничным.

Проведенные исследования и многочисленные при­ меры дают основание рассматривать рациональность веса машин и некоторых агрегатов как функцию их про­ изводительности. Для сравнительной оценки металлоем­ кости особенно подвижных машин целесообразно пользо­ ваться относительным удельным весом, выражающимся как отношение конструктивного веса машин к ее произ­ водительности.

Теоретически производительность в общем виде мож­ но определить путем умножения размера рабочего орга­ на (вместимости) на скорость его движения. Пользуясь этой зависимостью, можно рассчитать удельную металло­ емкость: грузового автомобиля — как отношение веса к полной грузоподъемности и скорости перемещения груза, т. е. к тонно-километрам; экскаватора — как отношение его веса к количеству перемещенного грунта в отвал за час или другой промежуток времени; насоса —• как отно­ шение его веса к количеству перекаченной жидкости.

Разработка научно обоснованных показателей опреде­ ления удельной металлоемкости машин, оборудования, узлов и некоторых деталей, введение этих показателей в государственные стандарты позволят значительно под­ нять и укрепить роль нормирования веса в машиностро­ ении, особенно при конструировании машин. Снижение материалоемкости, экономия сырья и материалов при проектировании и производстве машин явятся большим подспорьем в борьбе за повышение эффективности обще­ ственного производства.

4. Использование запаса прочности материалов

Теория и практика создания облегченной конструк­ ции начались со времен Сен-Венана. Он предложил мно­ гообразие форм поперечного сечения и разработал форму­

36

лы, определяющие рациональность профиля с точки зре­ ния наименьшего веса.

Наряду с этим большое значение имеет рациональный выбор материала, так как он неодинаково сопротивляет­ ся различным видам нагрузки.

Продолжительное время выбор допускаемых напряже­ ний производился по таблицам Баха и Бока. Этот способ очень прост и удобен для практического пользования, об­ ладает однозначностью и определенностью в решении. Его недостаток — то, что он не учитывает специфичности условий работы деталей машин и способов их изготов­ ления.

Сокращение массы материалов, затрачиваемых на производство машины, зависит в основном от рациональ­ ной разработки конструкции, методов расчета, свойств материалов, способов изготовления деталей и условий эксплуатации машин. Пренебрежение этими факторами приводит к значительным величинам запасов прочности и, как следствие, к излишнему расходу материалов.

Машины могут иметь весьма сложную, часто про­ странственную конструкцию, для силового расчета кото­ рой необходим выбор ясной расчетной схемы. Расчетная схема по возможности должна быть простой и одновре­ менно отражать основные черты действительности маши­ ны, чтобы гарантировать ее надежную службу под на­ грузкой при минимальных затратах металла. Ошибки, связанные с непрерывным выбором расчетной схемы, могут быть настолько значительными, что их невозможно устранить при последующих этапах расчета.

Следовательно, одним из важных источников эконо­ мии металла в машиностроении является рациональное использование резерва прочности материалов при кон­ струировании деталей. Конструктору принадлежит веду­ щая роль в создании экономичных машин не только в сфере их производства, но и в эксплуатации.

Замысел конструктора по снижению металлоемкости машин должен проявляться при составлении техническо­ го задания и на всех стадиях проектирования. В техниче­ ском задании должны быть учтены прогрессивные весо­ вые показатели будущей машины в сравнении с лучшими отечественными и мировыми образцами, рационально выбраны основные технические и эксплуатационные па­ раметры.

37

В повышении прочности деталей машин важную роль играет конструктивная форма, конфигурация деталей. В этом случае деталь должна обеспечить, во-первых, на­ правление силового потока для того, чтобы в восприятии нагрузки принимала участие большая часть объема, вовторых, при сопряжении ее с другими деталями узла — передачу нагрузки по всей запроектированной поверхно­ сти контакта.

Таким образом, при создании конструктивных форм деталей машин должны соблюдаться следующие прин­ ципы:

а) не следует допускать резких изменений форм дета­ лей. При несоблюдении этого принципа в зоне сопряжения сечений наблюдается значительная концентрация напря­ жений, снижающая прочность детали при действии в ее сечениях переменных напряжений;

б) при выборе конфигурации деталей конструктор должен стремиться к обеспечению равнопрочности всех ее сечений. Это положение обусловлено в первую очередь экономическими соображениями;

в) для равномерного распределения силового потока по объему деталей следует отводить его от зон возмож­ ной концентрации нагрузки. Среди существующих раз­ личных конструктивных приемов по улучшению распре­ деления силового потока по объему детали главное место занимают разгружающие надрезы, которые позволяют повысить выносливость деталей на 20—30%;

г) снятие мест вероятной концентрации нагрузки способствует ее равномерному распределению по всей запроектированной поверхности контакта;

д) в целях достижения равномерного распределения нагрузки деталям придают такие формы, при которых места вероятной концентрации нагрузки будут сняты.

Распределение нагрузки в детали — весьма важный фактор в деле повышения ее прочности и снижения веса. Английское Общество авиационных конструкторов в целях снижения конструктивной металлоемкости само­ летов дает следующие рекомендации по распределениям нагрузок и элементам основного проектирования 3:

3 Р. Б. Хэ йв уд . Проектирование с учетом усталости. Пер. с

англ. М., «Машгиз», 1969, стр. 432.

38

1)наименьшая деталь является самой легкой;

2)простые конструкции можно проектировать с наи­ меньшим количеством деталей;

3)вместо того чтобы для каждой концентрирован­ ной нагрузки вводить отдельный элемент, эти элементы надо расположить таким образом, чтобы каждый из них нес несколько видов нагрузок;

4)нагрузки могут более эффективно восприниматься элементами, работающими на растяжение или сжатие, чем элементами, работающими на изгиб и кручение;

5)соединение отдельных элементов между собой увеличивает вес и должно применяться только при необ­ ходимости;

6)самый короткий путь является самым легким как для элемента, несущего нагрузку, так и для трубы или электрического кабеля.

Металлоемкость машины зависит в основном от раз­ меров ее нагруженных деталей, которые определяются расчетами на прочность, жесткость и долговечность. Существующие методы инженерных расчетов нагружен­ ных деталей не всегда отвечают современным требова­ ниям. В большинстве случаев при расчетах применяются табличные данные, иногда — устаревшие нормативы и

коэффициенты, определяемые чаще всего на исследуемых образцах, что не всегда соответствует действительным условиям эксплуатации детали.

Иногда конструктор не знает точно, какие нагрузки действуют на деталь и каков характер их приложения. Бывают случаи, когда он не может точно учесть влияния на прочность детали ее формы, размеров, концентрации напряжений и других подобных факторов.

До настоящего времени еще не разработана единая методика определения запаса прочности. Это приводит к тому, что при инженерных расчетах деталей часто завы­ шаются коэффициенты запаса прочности, что ведет к не­ обоснованному повышению веса машин, увеличению рас­ хода металла.

Анализ существующих конструкций машин, проведен­ ный в ЭНИИМС, ВИСХОМ и других научно-исследова­ тельских институтах, показывает, что величина запаса прочности колеблется в очень больших пределах: от 1,3 до 6, а иногда до 10—15. Случается, когда однотипные машины, равнозначные по мощности и условиям эксплуа-

39