Перспективные конструкции технологического оборудования. Курс лекций

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Н. А. Петрушева

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ

КОНСТРУКЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Курс лекций для студентов магистратуры по направлению подготовки

15.04.02 «Технологические машины и оборудование», профиль подготовки «Проектирование машин

и оборудования лесного комплекса», всех форм обучения

Красноярск 2020

УДК 60-1/9(042.4) ББК 30.605я73

П30

Рецензенты:

начальник пеллетного цеха ООО «Ксилотек Сибирь» В. В. ЖУРАВЛЕВ

(Segezha Group);

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технологий лесозаготовительный и деревоперерабатывающих производств Л. Н. ЖУРАВЛЕВА

(Филиал СибГУ им. М. Ф. Решетнева в г. Лесосибирске)

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета

Петрушева, Н. А.

П30 Перспективные конструкции технологического оборудования : курс лекций / Н. А. Петрушева ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Красноярск, 2020. – 82 с.

Издание представляет собой компактное, систематизированное, логически последовательное изложение курса «Перспективные конструкции технологического оборудования» для организации самостоятельной работы студентов.

Предназначено для студентов магистратуры по направлению подготовки 15.04.02 «Технологические машины и оборудование», профиль подготовки «Проектирование машин и оборудования лесного комплекса», всех форм обучения.

УДК 60-1/9(042.4) ББК 30.605я73

© СибГУ им. М. Ф. Решетнева, 2020 © Петрушева Н. А., 2020

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Подготовка магистрантов по направлению 15.04.02 «Технологические машины и оборудование», профиль подготовки «Проектирование машин и оборудования лесного комплекса» всех форм обучения предусматривает изучение дисциплины «Перспективные конструкции технологического оборудования». В ходе освоения данной дисциплины студенты изучают современные методы разработки конструкций технологического оборудования, процессы подготовки производств новых изделий, организацию процесса проектирования-конструирования и освоения технологического оборудования, перспективные методы конструирования, знакомятся с новым поколение технологического оборудования, методами обеспечение качества машин и их элементов, основными характеристиками и требованиями, предъявляемыми к машинам и механизмам.

Проектирование является одним из главных видов деятельности человека. Оно охватывает все области деятельности человека (науку, технику, искусство) и обеспечивает прогресс всего общества. Большое разнообразие создаваемых конструкций машин и оборудования требует не только теоретических знаний во всех областях науки и техники, но и практических навыков проектирования.

Проектирование, в отличие от многих других видов творчества, не является пассивным ожиданием озарения. Оно требует активного участия в процессе создания конкретного объекта (устройства), поиска и выбора путей решения поставленной задачи.

Процесс проектирования машины состоит из следующих этапов: обоснование необходимости создания новой машины; прогнозирование развития параметров машины; научно-технические исследования; разработка конструкторской документации; разработка технологической документации; изготовление, испытание и доводка опытных образцов.

Необходимость создания современной машины вытекает из экономической, социальной или оборонной потребности с учётом общих условий развития техники применительно к конкретному случаю. В ходе разработки обоснования необходимо учесть не только требования текущего момента, но и возможность изменения технологии в будущем, определяющей потребность в таких машинах, а также факторы, влияющие на развитие техники в данном направлении. Недостаточное внимание к этим вопросам может привести к тому, что к моменту создания новой машины потребность в ней отпадёт.

4

Кибернетический подход. В последние годы обращается внимание на то, что универсальный подход проектирования современной техники, оставаясь комплексным, должен включать в себя системный подход, эволюционный и управленческий подходы. Так был создан кибернетический подход.

Научным фундаментом кибернетического подхода является кибернетика. Основоположник кибернетики Н. Винер в 1948 г. определил кибернетику как науку об управлении и связи в животном и машине. Развитие кибернетики в СССР пошло по другому пути. При определении кибернетики на первое место выдвигались законы получения, хранения и передачи информации (А. Н. Колмогоров, В. М. Глушков) [2].

С позиций инженерно-кибернетического подхода объекты техники рассматриваются как технические системы, которые эволюционно развиваются и преобразуются путем управленческого воздействия на них.

Основой кибернетического подхода является всеобщий метод познания – диалектический метод, который используется при исследовании любых объектов техники, указывая общий путь к истине. Диалектический метод познания включает в себя несколько принципов. Важнейшим из них является историзм, эволюционное развитие исследуемых объектов техники. Следующий принцип диалектики предписывает всестороннее рассмотрение, изучение объекта с разных сторон, изучение всех его связей, отношений с другими объектами. Третий принцип указывает на объективность, конкретность, проверяемость знания практикой [2]. Все эти принципы реализуются в кибернетическом подходе создания современной техники.

Методология инженерной кибернетики рассматривается как общая теория создания технических объектов различного народнохозяйственного назначения. Она является продуктом предшествующего развития и представляет собой сложную развивающуюся во времени методологическую систему. В качестве подсистем в нее входит не менее 18 научных дисциплин, таких как «Теория построения технических систем», «Теория технической квалиметрии», «Теория инженерного изобретательства» и т. д.

Диалектическое объединение упомянутых научных дисциплин на основе общих принципов и положений инженерной кибернетики породило единую методологическую систему (рис. 1.1).

Таким образом, инженерно-кибернетическая система проектирования сложных объектов современной техники строится на базе отечественного комплексного подхода и американского системного подхода.

Принципы проектирования. Главные технические принципы проектирования технических объектов при использовании инженернокибернетической методологии вытекают из системного, эволюционного и управленческого подхода. Важнейший принцип заключается в том, что выработка всех проектных решений по проектируемому объекту, его под-

6

системам и элементам ведется на основе анализа и синтеза соответствующих систем, подсистем и элементов.

Рис. 1.1. Схема развития общей методологиипроектирования

Согласно системному подходу инженерно-кибернетической методологии проектирования образцов технических систем все проектируемые объекты, факторы и процессы при их анализе и синтезе рассматриваются как системы. Основные из них следующие:

–программно-целевые системы, к которым относятся программы, их цели, задачи и средства их выполнения, поручаемые тем или иным организациям;

–технические системы, обеспечивающие достижение целей и реализацию программ;

–промышленно-функциональная среда (ПФС), в которой создаются

ииспользуются объекты;

–квалиметрические системы, характеризующие качественные показатели технического объекта;

–операционные системы, характеризующие способы и процессы взаимодействия объекта с его ПФС в ходе создания и применения;

–управляющие системы, характеризующие организации, создающие

иприменяющие проектируемые технические объекты, с помощью которых реализуются программы.

Управляющая система проектирует технический объект, который при создании и применении взаимодействует с характерной для него ПФС по определенной операционной системе, давая конечный результат в форме квалиметрической системы.

Проектирование и конструирование не являются словами синонимами. Они несут различную смысловую нагрузку [3].

Работа над изделием начинается с выявления общественной потребности. Потребность в новом изделии возникает при эксплуатации старого изделия. Процесс удовлетворения потребности схематично показан на рис. 1.2.

Проектирование – первый операционный элемент процесса удовлетворения общественной потребности, при выполнении которого создаётся

7

основа для конструирования. Проектирование выполняется проектировщиком. Результат деятельности проектировщика называется проектом. В проекте создается основа для конструирования. Начинается проектирование с осмысления действий, необходимых и достаточных для удовлетворения потребности. Намечается следующий комплекс действий: патентноинформационные исследования, научно-технические исследования, изобретательская работа при подготовке множества альтернативных вариантов, пригодных для решения поставленной задачи, анализ и выбор одного наилучшего решения из альтернативных вариантов [2]. Формируется облик проектируемой технической системы, для чего составляется технологическая схема, выполняются технологические расчеты, создается техническое задание на проектирование.

Рис. 1.2. Схема создания изделия

Конструирование – второй операционный элемент процесса удовлетворения общественной потребности. При конструировании создается конкретная, однозначная конструкция изделия, на которую разрабатывается конструкторская документация. Конструкция – это устройство, в котором части и элементы взаимно соединены между собой целесообразным образом. При конструировании создается общий вид, сборочные единицы и детали изделия, рассчитываются размеры, выбирается материал, устанавливается шероховатость обработанных поверхностей, назначаются технические требования.

Таким образом, конструирование, как составная часть проектирования, представляет собой творческий процесс создания изделия в документах (главным образом в чертежах) на основе теоретических расчетов, конструкторского, технологического и эксплуатационного опыта и экспериментов.

Проектирование подразумевает использование определенных методов, основанных на тех или иных законах природы. Метод – это приём или способ действия с целью достижения необходимого результата. Его выбор зависит не только от вида решаемой задачи, но и индивидуальных черт разработчика (его характера, организации мышления, склонности

криску, способности принимать решения и нести за них ответственность

ит. п.), условий его труда и оснащенности средствами оргтехники. Сложность процесса проектирования, нестандартность проектных ситуаций вызывает необходимость знания и применения эвристических, экспериментальных и формализованных методов.

8

Эвристические методы основаны на подсознательном мышлении и характеризуются неосознанным (интуитивным) способом действий для достижения поставленных целей. Часто эвристические методы ещё называют методами инженерного творчества. Эвристические методы присущи только человеку и отличают его от искусственных интеллектуальных (мыслящих) систем. К сфере человеческой деятельности при проектировании относят: постановку задачи; выбор методов её решений и построение (разработка) моделей и алгоритмов; выдвижение гипотез и предложений; анализ результатов и принятие решений. Важной особенностью именно человеческой деятельности является наличие в ней элемента случайности, необъяснимые и сумасбродные решения часто лежат в основе оригинальных и неожиданных идей.

Экспериментальные методы основаны на использовании реальных объектов и физических моделей. Несмотря на сложность, только они позволяют получить наиболее достоверные и надежные исходные данные и результаты решений, служат основой для разработки других методов и моделей. Однако следует отметить, что степень объективности результатов исследований зависит от грамотности постановки и проведения эксперимента и обработки его результатов.

Формализованные методы могут быть использованы при знании законов, лежащих в основе работы исследуемых объектов и процессов. Эти методы строятся на базе четких указаний посредством языка схем, математических формул, формально-логических отношений и алгоритмов. Главной их чертой является независимость получаемых результатов от индивидуальных черт человека. Задачи с полностью формализованным решением перестают интересовать человека, их относят к разряду рутинных. Поскольку экспериментальные и формализованные методы используются человеком, то в них в той или иной степени присутствует элемент эвристики. Он может, как усиливать эффективность решения благодаря творческому началу, так и вносить ошибки и искажать результаты (осознано или неосознанно) в силу субъективности.

Эвристические методы оперируют понятиями и категориями (абстрактными, отвлечёнными, конкретными). Формализованные – конкретными параметрами или их группами. Экспериментальные – физическими объектами и их характеристиками. Применение какого-либо метода позволяет найти то или иное решение. Те из них, которые будут обладать высокими характеристиками и эффективностью, часто называют сильными решениями.

1.2. Эвристические методы

Долгое время в основе творчества лежали методы проб и ошибок, перебора возможных вариантов, ожидания озарения. Однако со временем такие методы начали приходить в противоречие с темпами создания и

9

масштабами техники. Стали вырабатываться рекомендации, позволяющие более осознано подходить к проектированию, как к творческой деятельности. Наиболее интенсивно поиском новых методов занялись со второй половины ХХ века, посредством изучения приёмов и последовательности действий инженеров и других творческих работников.

Основными эвристическими методами проектирования являются:

–метод итераций или последовательных приближений;

–метод декомпозиции;

–метод контрольных вопросов;

–метод мозговой атаки;

–метод морфологического анализа;

–теория решения изобретательских задач (ТРИЗ).

Метод итераций (последовательного приближения). Процесс проектирования ведётся в условиях информационного дефицита, который проявляется в следующем:

–невозможность заранее точно указать условия работы проектируемого объекта, не зная его конкретного вида и устройства (исходные данные зависят от вида конечного решения);

–выявление в процессе проектирования противоречивых исходных данных, т. е. невозможность достижения технического решения при предложенных данных, оказавшихся взаимоисключающими;

–появление в процессе проектирования необходимости учёта дополнительных условий и ограничений, которые ранее считались несущественными;

–перераспределение по степени важности показателей качества, так как может выясниться, что показатель, ранее считавшийся второстепенным, очень важен (и наоборот).

Такая неопределенность разрешается посредством выполнения итерационных процедур, т. е. комбинацией прямых действий (при предположительном виде исходных данных или ограниченном числе учитываемых факторов) и обратного движения с возвращением к предшествующим этапам (с уточненными значениями исходных данных и перечнем факторов). Число циклов итераций зависит от степени неопределенности начальной постановки задачи, её сложности, опыта и квалификации проектировщика.

Метод декомпозиции. Любую техническую систему можно рассматривать как сложную, состоящую из отдельных взаимосвязанных подсистем, которые, в свою очередь, также могут быть расчленены на части. Такой процесс расчленения системы называется декомпозицией. В качестве систем могут выступать не только материальные объекты, но и процессы, явления и понятия. Декомпозиция позволяет разложить сложную задачу на ряд простых, пусть и взаимосвязанных задач. При декомпозиции руководствуются определенными правилами.

10