Детали машин / Konspekty_lekcii / Конспекты лекций / Лекция 2. Основы проектирования машин

Лекция 2 ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН (МЕХАНИЗМОВ)

План лекции

1.Создание новых конструкций машин.

2.Стадии разработки конструкторской документации

1. Создание новых конструкций машин

Развитие всех отраслей промышленности во многом зависит от технического уровня используемых машин. Каждая внедряемая в эксплуатацию машина должна превосходить по своим качествам и технико-экономическим характеристикам лучшие мировые образцы и ранее используемые в промышленности машины аналогичного класса. Поэтому разработка современных конструкций машин является важной государственной задачей.

Обеспечение машинами всех отраслей промышленности требует выполнения большого объема проектных, научных и технических разработок в области подготовки и освоения производства. Весь этот комплекс работ является процессом создания новых современных конструкций машин.

В процессе создания новой конструкции машины входят следующие этапы:

1)прогнозирование;

2)проектирование (разработка конструкторской документации);

Рассмотрим содержание этих направлений работ.

1. Прогнозирование конструкций машин

Прогнозирование в области создания новых конструкций машин приобретает все большую значимость и охватывает широкий круг научных и технических направлений. Значение прогнозирования повышается тогда, когда имеет место относительно частое изменение требований, предъявляемых к конструкции.

Одним из основных положений научного прогнозирования является то, что утверждение о вероятности свершения события делают на основании анализа событий, которые уже свершились. В условиях огромных потоков информации, имеющей как специальное, так и общетехническое направление оказываются недостаточными личный опыт инженера и традиционные методы предвидения развития конструкций в будущем. В связи с необходимостью научно обоснованного предвидения развития техники, технологии получения новых материалов и т.п. в настоящее время интенсивно развивается инженерное прогнозирование.

1

Под инженерным прогнозированием понимают научно обоснованную информацию, отражающую в виде вероятностной категории потенциальные возможности развития техники. Вопросы экономики входят в содержание прогнозирования как составная часть. В то же время техническое прогнозирование создает базу для экономических прогнозов.

Эффективность инженерного прогнозирования перед началом проектирования машин весьма значительна и расходы на его выполнение вполне окупаются. Сложность разработки методов инженерного прогнозирования объясняется тем, что, во-первых, недостаточен объем исходной информации и зачастую отсутствуют количественные данные, по которым можно оценить возможные варианты конструктивных решений; во-вторых, необходимость учета большого числа параметров и связей между ними даже в относительно простом проекте затрудняет его оценку, так как невозможно или весьма трудно дать обобщенную оценку конструкции по равным критериям Все это указывает на необходимость соответствующей подготовки исходной информации.

Основу инженерного прогнозирования составляют три направления, определяющие значимость новых открытий и изобретений, цель и техническую стратегию, перспективный уровень развития конструкции машин. Первые два направления используют в основном для среднесрочного и долгосрочного прогнозирования (20-30 лет), а последнее направление преимущественно для краткосрочного прогнозирования (5-10 лет). В инженерном прогнозировании используют теоретические и экспериментальные средства анализа и синтеза.

Разнообразие решаемых задач в области прогнозирования привело к разработке большого числа методов. Наиболее широко в технике используют следующие методы прогнозирования.

1. Метод экстраполяции, который основывается на переносе динамики событий и состояний, имевших место в недалеком прошлом, на будущее. Широкое применение этот метод находит при краткосрочном прогнозировании преимущественно в областях техники, где не предвидятся существенные качественные изменения в ее развитии. Областью этого метода прогнозирования являются в основном события, развивающиеся эволюционным путем и достаточно медленно во времени.

Методом экстраполяции можно решать задачи двух типов 1) статические, в которых анализируют связи между главным при-

знаком и другими параметрами без учета фактора времени; динамические, в которых непременной составляющей уравнений является фактор времени. При решении задач второго типа устанавливают изменение главного признака в будущем. Исходной информацией для решения таких задач является динамический ряд, отражающий изменение главного признака в функции времени. Прогнозирование развития техники на базе динамических рядов состоит из следующих основных операций:

2

а) приведения исходной информации к виду, приемлемому для предварительного анализа ряда,

б) нахождения зависимости между главным параметром и фактором времени;

в) проверки точности прогнозирования по главному параметру; г) корректировании результатов расчета в случае существенных рас-

хождений 2) Метод экспертных оценок заключается в том, что группе специа-

листов-экспертов ставят ряд вопросов, касающихся развития данного технического направления или' прогнозируемого объекта. Затем математической обработкой результатов опроса экспертов устанавливают преобладающее мнение. Сложным при использовании этого метода, который носят субъективный характер, является выбор групп экспертов, установление принципов проведения опроса, оценка точности результатов и др. Этот метод целесообразно использовать в случае отсутствия достаточно систематизированной информации о прошлом или в случае, когда научно-техническое развитие в большей степени зависит от принимаемых решений, чем от самих технических возможностей.

3). Метод моделирования характеризуется тем, что анализ исходных данных ведут не на исследуемых объектах, а на их моделях, выполненных в соответствий с требованиями теории подобия, Этот метод базируется на целесообразном абстрагировании процессов развития событий в будущем. Наиболее общим и вместе с тем достаточно строгим направлением является метод математического моделирования. Прогнозирование конструкций можно рассматривать как часть научно-исследовательской работы, направленной на подбор и подготовку исходного материала, необходимого для разработки технического задания на проектирование.

На рис. 1 дана схема процесса прогнозирования, на которой указаны этапы прогнозирования и связи между ними. Исходным положением при прогнозировании является цель прогнозирования. В зависимости от нее принимают и объект прогнозирования (связь 1). Период упреждения и точность прогнозирования устанавливают в зависимости от цели и объекта прогнозирования (связи 2 и 3). Период упреждения (период, в который ведут прогнозирование) зависит от требуемой точности прогнозирования: чем больше период упреждения, тем меньше точность прогнозирования; при необходимости повысить точность прогнозирования уменьшается период упреждения (взаимосвязь 4). В зависимости от периода упреждения устанавливают необходимый объем и содержание исходных данных об объекте прогнозирования: чем больше период упреждения, тем полнее должны быть исходные данные; при малом объеме исходных данных период упреждения уменьшается (взаимосвязь 5).

Выбираемый метод обработки исходных данных зависит от требуемой точности прогнозирования: чем выше точность прогнозирования, тем точнее должен быть метод обработки исходных данных; при снижении точности

3

прогнозирования принимают менее точный метод обработки исходных данных (взаимосвязь 6). Для обеспечения требуемой точности прогнозирования необходимо располагать соответствующим объемом и содержанием исходных данных об объекте прогнозирования. По мере повышения точности прогнозирования объем и содержание исходных данных должны быть более полными (взаимосвязь7).

Выбор метода обработки исходных данных об объекте прогнозирования зависит от принимаемого периода упреждения: чем больше период упреждения, тем точнее должен быть метод обработки исходных данных (взаимосвязь 8).

Наличие объема и содержания исходных данных определяет выбор метода их обработки: чем полнее исходные данные, тем точнее может быть метод их обработки. В то же время определенный метод требует соответствующего объема исходных данных (взаимосвязь 9). Определив объем и содержание исходных данных о прогнозируемом объекте и приняв соответствующий метод обработки исходных данных, можно выполнить необходимые расчеты (связь 10 и связь 11). Произведенные расчеты должны дать возможность получить требуемый результат прогнозирования (связь 12), на основании которого могут быть разработаны допустимые варианты прогноза. Не исключается, что полученный результат прогнозирования не будет полностью отвечать поставленной цели. В этом случае необходимо уточнить отдельные этапы прогнозирования, используя обратные связи.

Рис.1

4

Рассмотренная схема процесса прогнозирования может оказаться для некоторых классов задач проектирования неприемлемой. В этом случае прогнозирование следует вести в такой последовательности:

1)разработка общей схемы прогнозирования;

2)установление комплекса прогнозируемых параметров;

3)определение требуемой точности прогнозирования;

4)установление продолжительности периода упреждения.

Процесс прогнозирования, исходя из требований по точности, может быть разделен на следующие три части:

1)детерминированную, поддающуюся точному расчету;

2)вероятностную, позволяющую установить предполагаемую закономерность протекания процесса;

3)«чисто» случайную, которая не поддается расчету.

Научное прогнозирование детерминированных процессов характеризуется тем, что период упреждения может быть значительным, и при этом точность прогнозирования во времени не снижается.

При вероятностных процессах точность прогнозирования ниже. Использование при прогнозировании детерминированной и вероятностной частей позволяет прогнозированный процесс сравнить с действительным протеканием процесса и установить влияние «чисто» случайной составляющей. Соотношение между детерминированной, вероятностной и «чисто» случайной составляющими зависит от уровня научного познания рассматриваемого процесса и может изменяться со временем. Научно-технический прогресс способствует увеличению влияния детерминированной части в снижению влияния других составляющих. Поэтому повышение значимости детерминированной составляющей и точности вероятностей составляющей приводит к повышению общей точности прогнозирования. Продолжительность периода упреждения следует устанавливать с учетом, во-первых, продолжительности реализации прогнозируемых процессов и, во-вторых, возможности уточнения первичных результатов прогнозирования по мере получения информации о ходе реализации прогнозируемых процессов.

Прогнозирование конструкций машин включает рассмотрение следующих основных положений.

1.Функциональное назначение.

2.Основные технические и экономические параметры.

3.Возможные компоновочные схемы.

4.Новые материалы и виды заготовок.

5.Новые технологические процессы, оборудование и технологическая оснастка.

6.Новые формы и методы организации и управления производством.

7.Потребность и предполагаемый план изготовления машин.

8.Строительство нового или реконструкция действующего предпри-

ятия.

9.Эффективность от создания новой конструкции машины.

5

Прогнозировать можно и отдельные параметры машины, например, массы. В ряде конструкций особое значение приобретает необходимость ограничения массы машины на ранних стадиях проектирования. Для этого анализируют аналогичные конструкции и устанавливают математическую зависимость массы от основных параметров машины. При этом следует учесть влияние на массу параметров конструктивной сложности отдельных сборочных единиц, а также коэффициента прогрессивного снижения массы конструкции совершенствованием методов расчета и конструирования, применением прогрессивных материалов, заготовок и т. д.

2. Стадии разработки конструкторской документации

Стадии разработки конструкторской документации установлены ГОСТ 2.103-68, который входит в единую систему конструкторской, документации (ЕСКД). Государственный стандарт устанавливает пять стадий разработки конструкторской документации на изделия всех отраслей промышленности: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, технический проект и разработка рабочей документации

Процесс разработки конструкторской документации представляет собой постепенное уточнение проекта и приближение к разработке рабочей документации, по которой изготовляют изделий в единичном, серийном или массовом производстве. Многостадийность процесса проектирования указывает на сложность задачи и высокие требования по качеству принимаемых решений, так как ошибки приводят к необходимости устранения их в ходе производства, что вызывает неоправданные дополнительные затраты времени и средств

Техническое задание содержит назначение, технические характеристики и показатели качества, а также технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемой конструкции машины, число стадий разработки конструкторской документации и специальные требования. Желательно, чтобы в техническом задании была указана производственная база, объем потребной и планируемой продукции, продолжительность ее изготовления, возможные пути модернизации и т. п. Техническое задание после согласования и утверждения является основанием для выполнения проектных разработок.

Техническое предложение содержит техническое и экономическое обоснование целесообразности проектирования машины в соответствии с техническим заданием, возможные варианты его реализации, а также сравнение разрабатываемой конструкции с аналогичными, проверку патентоспособности и т. п Техническое предложение после согласования и утверждения является основанием для выполнения последующих стадий разработки конструкторской документации:

Эскизный проект содержит принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы маши-

6

ны, а также данные, определяющие ее назначение, основные параметры и общий вид. Эскизный проект после согласования и утверждения служит основанием для дальнейшей разработки проекта

Технический проект содержит окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемой машины и необходимые исходные данные для подготовки рабочей документации. Технический проект после согласования и утверждения служит основанием для разработки рабочей документации.

Рабочую документации используют для подготовки единичного. серийного или массового производства машин. В процессе разработки рабочей документации наиболее полно учитывают технологические и организационные фактору производства. Эта стадия разработки наиболее продолжительна и требует наибольших затрат времени и средств. Рабочую документацию разрабатывают последовательно для изготовления и испытания опытного образца (партии), установочных серий и установившегося серийного или массового производства. Инженерные расчеты в процессе конструирования, как и весь процесс проектирования машин, носят многовариантный характер, что создает благоприятные предпосылки к выбору оптимального решения. С этих позиций рассматривают стадии разработки технической документации, приведенные на рис, 2.

ГОСТ 2. 103–68 (рис. 2, а) предусматривает последовательное выполнение работ по техническому заданию (ТЗ), техническому предложению (ТП), эскизному проекту (ЭП), техническому проекту (ТП–Т) и рабочей документации (РД). На рис. 2, б дана схема разработки конструкторской документации, которая отражает многовариантный характер процесса; а также путь выбора оптимального решения.

Перед разработкой технического задания на проектирование вводят процесс прогнозирования конструкции, в результате чего может иметь место несколько вариантой прогнозов (П1,П2,...,Пi). ЭТИМ прогнозам соответствует некоторое число вариантов технического задания (ТЗ1, ТЗ2, ...,

Т3i).

Судить об уровне оптимальности разработанных вариантов прогнозов можно после разработки и оценки их предварительными вариантами технического задания. В результате сопоставления разработанных прогнозов с этими техническими заданиями находят оптимальное решение по прогнозированию (ОП), на основании которого затем разрабатывают окончательные варианты технического задания.

Разработанным вариантам технического задания соответствуем некоторое число вариантов предварительных технических предложений (ТП1, ТП2,...., ТПk). Сопоставляя эти технические предложения с вариантами технического задания, устанавливают оптимальное техническое задание (ОТЗ).

По аналогии могут быть установлены оптимальное техническое предложение (ОТП), оптимальный эскизный проект (ОЭП), оптимальный технический проект (ОТП-Т). Оптимальные варианты определяют на основании со-

7

поставления результатов оценок по двум стадиям разработки; -обратные связи между стадиями проектирования указывают на возможность уточнения принятых ранее решений. Разработка вариантов конструкторской документации на всех стадиях проектирования представляет собой сложную задачу с большим объемом работ. Однако затраты времени и средств на выполнение этой работы вполне окупаются.

Рис. 2

8

Контрольные вопросы

1.Какие этапы входят в процессе создания новой конструкции машины?

2.В чем заключается этап прогнозирования при создании новой конструкции машины?

3.Какие стадии разработки конструкторской документации установлены ГОСТ 2.103-68?

4.Что регламентирует стадия «техническое задание»?

5.Что регламентирует «техническое предложение»?

6.Что регламентирует «эскизный проект»?

7.Что регламентирует «технический проект»?

8.Что регламентирует «разработка рабочей документации»?

9