книги из ГПНТБ / Хилл П. Наука и искусство проектирования. Методы проектирования, научное обоснование решений

Другой пример резервирования приведен на фиг. 3.8. Допустим, что в схеме а переключатель S \ имеет надеж­ ность і? = 0,8 (надежность относится к способности пере­ ключателя замыкать цепь). На схеме б показаны элемен­ ты системы, в которой два одинаковых переключателя ( S i =S 2) соединены последовательно. Надежность этой

<г s, о- ■

Фиг. 3.8. Системы с резервированием.

меньше, чем в системе с одним переключателем, вследствие того, что исправная работа одного из них зависит от ис­ правной работы другого. Поскольку по техническому за­ данию два переключателя должны быть соединены после­ довательно, конструктор может ввести резервирование, подключив третий переключатель Sз параллельно пере­ ключателю S% (схема в). Надежность этой системы состав­ ляет R 2(2—R) = (0,8)2(2—0,8) = (0,64) • (1,2)-0,768, т. е. больше, чем надежность схемы б, и приближается к на­ дежности системы с одним переключателем.

Резервирование элементов связано с увеличением стои­ мости, веса и размеров системы и должно тщательно изучаться заблаговременно. Резервирование полностью зависит от характера изделия. Так, оно не требуется, когда нормальное техническое обслуживание (замена отказав­ ших деталей) не приводит к серьезным нарушениям рабо­ ты системы, но необходимо, когда даже самая непродолжи-

тельная остановка или выключение системы ставпт под угрозу ее функционирование. Более полную информацию о теории надежности читатель может получить из анноти­ рованного перечня литературы в конце книги.

УПРАЖНЕНИЯ

1. Изделие, обеспечивающее наибольшую прибыль, представляет собой оригинальное устройство; изделие, лишь незначительно усовершенствованное по сравнению с уже существующим, часто обречено на неудачу. Назовите изделия последних лет, относящиеся к каждой из этих двух категорий.

2.Составьте ряд заданий на разработку устройства, ко­ торое отпускает лекарства в виде таблеток, назначаемых для приема три раза в день.

3.Представьте три принципиальные схемы торгового автомата, отпускающего таблетки (см. упражнение 2).

4.Допустим, что вы предполагаете купить новый авто­ мобиль и остановили ваше внимание на пяти марках или моделях. Постройте матрицу решений и назначьте цену каждого решения. Выполнив вычисления, определите, ка­ кой автомобиль наилучшим образом удовлетворяет вашим потребностям.

5.С помощью диаграммы покажите, как можно срав­

нить творческий процесс с процессом проектирования. (Указание: покажите, противоположны ли эти процессы или же они дополняют друг друга?)

6. Дайте примеры следующих экспериментальных средств:

а) макет; б) модель (полная, физическая, частичная п математическая); в) прототип.

7. Составьте морфологическую карту применительно к разработке устройства для уборки опавших листьев, рас­ смотренного в качестве примера в начале главы. Каково общее число решений? Сколько оптимальных решений су­ ществует после сужения области исследования? Каким об­ разом можно провести сравнение с результатами для мат­ рицы решений, рассмотренной выше?

8.Назовите изделие, оптимизация которого проводилась по принципу поиска компромиссного решения.

9.Надежность стандартной автомобильной шины при­ нята равной 0,85 исходя из вероятности того, что сравни­

тельно новая шипа изнашивается после пробега 18 тыс. км. Какова надежность системы с четырьмя шинами (автомо­ биль без запасного колеса) ? Какова надежность системы с пятью шинами (автомобиль с запасным колесом)?

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МАТЕРИАЛОВ

В настоящее время существует целый спектр материа­ лов^ полученных либо путем незначительных улучшений известных материалов, либо путем радикальных изменений и открытий. Разработка новых материалов явилась след­ ствием бурного развития науки и техники, которое требо­ вало создания материалов, способных выдерживать небла­ гоприятные воздействия окружающей среды (материалов для сверхзвуковых самолетов, глубоководных аппаратов, космических кораблей и т. д.). Специалисты, учитывая возрастающие потребности техники в материалах, совер­ шенствуют старые и создают новые материалы: от металлов до пластмасс, от керамики до уникальных покрытий.

Опытный инженер-конструктор, разрабатывающий ши­ рокий круг изделий — от граммофонных игл до легковых автомобилей, от медицинских приборов иа радиоактивных изотопах до атомпых электростанций, от подвесных моторов до космических ракет-носителей, от вешалок для одежды до висячих мостов, — производит выбор материалов, осно­ вываясь иа личном опыте и опыте создания аналогичных изделий в прошлом. Эта глава предназначается для ппже- неров-коиструкторов и руководителей, которые еще не имеют такого опыта и которым необходимо знать роль материалов при проектировании. Данные, приведенные в главе, помогут им грамотно выбирать материал (или мате­ риалы) , удовлетворяющий требованиям к разрабатывае­ мым изделиям. Теоретические основы материаловедения здесь ие изучаются.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Дадим основные определения механических свойств металлов в виде памятки. Приводимый ниже перечень свойств поможет конструктору в выборе рабочих мате­ риалов.

Система кодирования металлических сплавов, принятая обществом инженеров-автомобилестроителей США

Общество инженеров-автомобилестроителей США (SAE) приняло в качестве стандарта следующую систему цифрового кодирования состава металлического сплава:

Первая цифра обозначает основной материал:

1 — простая углеродистая сталь, 2 — никель, 3 —хромо­ никелевый сплав, 4 — молибден, 5 — хром, 6 — хромова­ надиевый сплав; вторая цифра обозначает примерное со­ держание в сплаве легирующих добавок в сотых долях процента, а третья н четвертая цифры — примерное содер­ жание углерода в сотых долях процента, например:

пелегпрованпая сталь 1010; автоматная сталь 1112, 1340; никель 2315, 2340; нихром 3120, 3140, 3312; молиб­ ден 4140.

Испытания на растяжение

Металлический образец определенной формы подверга­ ется действию растягивающей нагрузки F до разрушения. По мере увеличения нагрузки образец удлиняется: вначале пропорцпонально напряжению (область упругих дефор­ маций), а затем его длина увеличивается быстрее, чем растет приложенное напряжение (область пластических деформаций). С помощью испытаний на растяжение мож­

исходит заметное удлинение без увеличения напряжения.

3.Предел прочности — максимальное напряженпе, не­ обходимое для разрушения образца.

4.Модуль упругости — отношение напряжения к дефор­ мации в области упругих деформаций (является мерой жесткости металла).

5. Относительное удлинение — отношение приращения длины образца к первоначальной длине, выраженное в процентах.

6. Сужение площади поперечного сечения — отношение величины, на которую уменьшилась площадь поперечного сечения исследуемого стержня после разрушения, к перво­ начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах.

длины в момент разрыва образца (является мерой пластич­ ности металла).

Пластичность

Пластичностью называют способность металла к пла­ стическим деформациям без разрушения при постепенном приложении напряжений (без ударной нагрузки). Плас­ тичность чаще всего выражается через относительное уд­ линение и сужение площади поперечного сечеипя при испытаниях на растяжение:

Относительное удлинение, % —

Окончательная длина стержня —

первоначальная длина стержня

• 100,

Первоначальная длина стержня

Сужение площади поперечного сечения, % =

Первоначальная площадь — окончательная площадь

Первоначальная площадь

широким применением низких температур в технике. Известно, что некоторые металлы при температурах ниже пуля становятся хрупкими, а другие остаются пластичны­ ми даже при очень низких температурах.

Прочность на срез

Прочность на срез определяется отношением разруша­ ющей иагрузки к площади поперечного среза. Ее необхо­ димо знать при расчете заклепок, болтов, штифтов и других деталей.

Кручение

Кручение — это деформация материала под действием силы, поворачивающей один конец стержня относительно продольной оси (другой конец жестко зажат или вращает­ ся в противоположном иаправлеиии). Кручение вызывает тангенциальные напряжения и наблюдается в валах, пру­ жинах, прицепных крюках автомобилей.

СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС

Пластмассы представляют собой синтетические смолы (органические вещества), которые в окончательном виде находятся в твердом состоянии. На начальной стадии обра­ ботки они достаточно жидкие и могут принимать заданную форму при иагреваппп п под действием давления.

Пластмассы состоят из длинпоцепочечных молекул, на­ зываемых полимерами. Мономеры объединяются в полиме­ ры в присутствии катализаторов и под действием тепла и давления. Реакция полимеризации различных полимеров (аналогичная сплаву металлов) называется сополпмеризацией.

Известны два основных вида пластмасс: термопласты (могут многократно размягчаться без изменения химиче­ ского состава) и реактопласты (при нагревании и под дей­ ствием давления меняют химический состав и не могут подвергаться повторному размягчению).

Эти пластмассы можно «сплавлять» и получать соеди­ нения, содержащие термопластичные и термореактивные смолы и обладающие некоторыми свойствами каждой из них. Ниже дано сравнение свойств пластмасс и металлов, которое может помочь конструктору при выборе материа­ лов для изделия.

Пластмассы по сравнению с металлами обладают сле­ дующими преимуществами:

1)меньший удельный вес;

2)лучшая химическая стойкость и влагостойкость;

3)лучшая стойкость к удару и вибрации;

4)прозрачность плп полупрозрачность;

5)способность поглощать вибрации и звуки;

6)большее сопротивление истиранию и износу;

7)не требуется смазка;

8)легче обрабатываются;

9)поддаются сплошной окраске;

10)изделия из пластмасс более дешевые.

Недостатки пластмасс:

1)меньшая прочность;

2)гораздо большее тепловое расширение;

3)большая ползучесть, большая чувствительность к охлаждению и деформациям при нагрузках;

4)меньшая теплостойкость, ухудшение свойств и фор­ мы при нагревании;

5)большая хрупкость при низких температурах;

7)меньшая пластичность;

8)пзменепие размеров в результате поглощения вла­ ги или растворителей;

9)воспламеняемость;

10)ухудшение свойств при действии ультрафиолетово­

го излучения.

На диаграммах, приведенных на фиг. 4.2, сравниваются восемь важных свойств пластмасс и металлов.

СОСТАВ И УДЕЛЬНЫЙ ВЕС МАТЕРИАЛОВ

В табл. 4.1 перечислены материалы, широко используе­ мые в технике, и указаны их примерный состав и удель­ ный вес.

СВОЙСТВА ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА

При выборе листового металла для штамповки фасон­ ных изделий (корпусов автомобилей или корпусов малых лодок) или крышек для электронной аппаратуры с прямо­ угольными краями необходимо учитывать его механические свойства и обрабатываемость. Свойства для удобства поль­ зования представлены в виде таблиц (табл. 4.2 и 4.3).