Перспективные конструкции технологического оборудования. Курс лекций

дающие более полное по сравнению с предыдущей стадией общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также технические данные, определяемые его назначением, основные параметры и размеры.

Эскизный проект разрабатывается с целью установления принципиальных технических решений, дающих общее представление об устройстве и принципе работы проектируемого оборудования, если такая разработка признается целесообразной до разработки технического проекта или рабочей конструкторской документации.

Вэскизный проект включаются конструкторские документы по ГОСТ 2.102–2013, к которым в общем случае, в зависимости от специфики проектируемого оборудования, его новизны и сложности, могут быть отнесены чертеж общего вида, теоретический разработки, габаритный чертеж, монтажный чертеж, схемы, ведомости покупных изделий и согласования их применения, программа и методика испытаний, таблицы, расчеты, патентный формуляр, ведомость эскизного проекта и пояснительная записка к нему.

Впояснительной записке к эскизному проекту приводят результаты конструкторской проработки, в том числе описание конструкции изделия, принципа его действия, технико-экономические показатели, а также предложения по дальнейшим конструкторским и экспериментальным работам.

Эскизные проект после его рассмотрения и согласования служит основанием для разработки технического проекта или рабочей документации.

Четвертая стадия – разработка технического проекта включает ра-

боты по разработке комплекта конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения и дающие полное представление об устройстве и принципе работы изделия, а также исходные данные для разработки рабочей конструкторской документации.

Технический проект разрабатывают с целью подготовки необходимых для последующих работ технических данных как по изделию в целом, так и по его составным частям и основным материалам.

При разработке технического проекта в общем случае выполняются следующие основные работы:

–разработка конструкции изделия и его составных частей, принципиальных схем, схем соединений и других схемных документов;

–выполнение технико-экономических расчетов, подтверждающих соответствие предполагаемых решений техническому заданию и условиям производства изделия;

–оценка эксплуатационных данных изделия (транспортабельности, взаимозаменяемости, удобства обслуживания, ремонтопригодности, контролепригодности и т. п.), а также его эстетичности и экономичности, соответствия принимаемых решений требованиям безопасности и производственной санитарии, промышленной аэрологии и охраны окружающей среды;

61

–проведение экспериментальных работ (с разработкой, при необходимости, макетов и стендовых установок) для контроля показателей исходных материалов и составных (комплектующих) частей изделия;

–окончательное оформление заявок на разработку и изготовление комплектующих изделий и материалов, применяемых в проектируемом изделии;

–разработка рабочей конструкторской документации на составные части (сборочные единицы и детали), если это вызывается необходимостью ускорения выдачи задания на разработку специализированного оборудования для их изготовления;

–определение работ, которые следует провести при разработке рабочей конструкторской документации в дополнение к работам, предусмотренным техническим заданием и выполненной ранее проектной документацией.

Состав конструкторских документов, входящих в технический проект, определяется с учетом сложности и новизны проектируемого оборудования в соответствии с ГОСТ 2.102–2013.

В пояснительной записке к техническому проекту, наряду с подробным описанием конструкции и принципа действия изделия, приводят:

–обоснование применяемых материалов;

–требования к точности изготовления и сборки изделия;

–описание всех систем, входящих в состав изделия;

–окончательные технико-экономические расчеты.

Технический проект после его согласования и утверждения служит основанием для разработки рабочей конструкторской документации.

Пятая стадия – разработка рабочей конструкторской документации

выполняется с целью формирования комплекта конструкторских документов, необходимых для технологической подготовки производства и организации процессов изготовления изделия в заданных объемах.

Основной целью ОКР на стадии разработки конструкторской документации для установившегося серийного или массового производства является поэтапное доведение конструкции изделия по результатам его изготовления, опытной проверки и технологической подготовки производства до соответствия требованиям технического задания и условиям установившегося выпуска изделий со стабильными показателями качества.

Комплект рабочих конструкторских документов, выполняемых на изделие, формируется по ГОСТ 2.102–2013 в зависимости от его вида и стадии разработки. В него в общем случае входят:

основные конструкторские документы (чертеж детали – для деталей; спецификация – для сборочных единиц, комплектов и комплексов), являющиеся для указанных видов изделий обязательными;

другие конструкторские документы, в том числе сборочный чертеж (для сборочных единиц обязателен), теоретический, габаритный и монтаж-

62

ный чертежи, схемы, таблицы, расчеты, ведомости (спецификаций, ссылочных документов, покупных изделий и согласования их применения, держателей подлинников), программа и методика испытаний, технические условия, патентный формуляр.

Широкое использование ЭВМ на всех стадиях проектирования необходимо, чтобы избавить конструктора от выполнения трудоемких расчетов, многофакторного анализа и большого объема графических работ.

Контрольные вопросы

1.Какие виды работ включает в себя процесс освоения нового оборудования?

2.С какой целью проводится опытно-конструкторская работа?

3.На какие основные фазы разделяется опытно-конструкторская

работа?

4.Каким образом происходит информационное моделирование изде-

лия?

5.Какова важнейшая задача опытно-конструкторской работы?

6.Какие задачи решаются на стадии разработки технического задания на проектирование?

7.Какова цель разработки технического предложения?

8.На основании каких документов и работ разрабатывается технический проект?

9.Какие основные работы производятся при разработке технического проекта?

10.Что входит в состав рабочей конструкторской документации?

63

Лекция 9

ОБРАЗОВАНИЕ ПРОИЗВОДНЫХ МАШИН НА БАЗЕ УНИФИКАЦИИ И СТАНДАРТИЗАЦИИ

План

9.1.Основные понятия и определения

9.2.Методы создания производных машин на базе их унификации и стандартизации

9.3.Параметрические ряды машин

9.1.Основные понятия и определения

Вобеспечении технологической рациональности и преемственности конструкций и основных показателей ТКИ большой эффект дают унификация и стандартизация деталей, узлов и агрегатов нефтепромысловых машин и оборудования.

Унификация изделий – многократное применение в конструкциях одних и тех же элементов, благодаря чему:

1) сокращается номенклатура деталей;

2) уменьшается стоимость изготовления;

3) упрощаются эксплуатация и ремонт;

4) сокращается номенклатура обрабатывающего мерительного и монтажного инструмента и приспособлений.

Кроме деталей, узлов и агрегатов, унифицируются: посадочные сопряжения; резьбовые, шпоночные и шлицевые соединения; зубчатые зацепления; фаски и галтели; марки и сортаменты материалов и электродов; типоразмеры крепежных деталей; подшипники и т. д.

Унификация оригинальных деталей и узлов может быть внутренней –

впределах данного изделия (элементы цепных и зубчатых передач, муфты и т. д.) и внешней – заимствование деталей с иных машин данного или смежного завода (редукторы, цилиндры, элементы гидро- и пневмооборудования и т. д.).

Степень унификации оценивается отношениями в процентах, либо числа унифицированных деталей к общему числу деталей изделия Z, либо

массы унифицированных деталей mун к общей массе изделия. Это отношение называют коэффициентом унификации. Степень внутренней унификации оценивается коэффициентом повторяемости. В хороших конструкциях этот коэффициент составляет 40–60 %.

Применяют дифференциальную оценку степени унификации оригинальных деталей, элементов конструкций (резьб, крепежных деталей и т. д.) по соответствующим коэффициентам повторяемости.

Стандартизация – регламентирование конструкций и типоразмеров. Согласно ГОСТ, стандартизация – это установление и применение правил

64

сцелью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон, в частности для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации (использования и требований безопасности).

Воснове стандартизации лежит нормотворческая деятельность, результатом которой является нормативно-технический документ – стандарт или технические условия (ТУ).

Стандартизация регламентирует: единицы физических величин, термины и обозначения, требования к продукции и производственным процессам, требования, обеспечивающие безопасность людей и сохранение материальных ценностей.

Ее объектами являются продукция и правила обеспечения разработки, производства и применения.

Нормотворческая деятельность в области стандартизации тесно связана

сее продуцирующей деятельностью, которая заключается в следующем:

–упорядочивается (уменьшается или увеличивается) многообразие инженерно-технических решений при разработке и совершенствовании изделий и их составных частей;

–разрабатываются и внедряются инженерно-технические решения, обеспечивающие конструктивную, технологическую и информационную совместимость изделий при их создании и совершенствовании.

Стандартизация является катализатором научно-технического прогресса, ее полезный эффект оценивается 10:1 к затратам на ее проведение.

Организация централизованного производства стандартизованных изделий на специализированных заводах позволяет разгрузить машиностроительные заводы, облегчить снабжение ремонтных предприятий и служб. На базе унификации и стандартизации создаются ряды производных машин одинакового назначения, но с различными показателями мощности, производительности и т. д. или машин различного назначения, выполняющих качественно другие операции и рассчитанных на выпуск другой продукции.

9.2. Методы создания производных машин на базе их унификации и стандартизации

Известны следующие методы создания производных машин на базе унификации и стандартизации:

1) секционирование – разделение машин на одинаковые секции и образование производных машин набором унифицированных секций. Метод выгоден при серийном изготовлении, создает удобства при сборкеразборке, ремонтах и техническом обслуживании.

Секционирование применяется при изготовлении турбобуров, центробежных наземных и погружных насосов, распределителей в гидравли-

65

ческих приводах машин, конвейеров на основе втулочно-роликовых цепей

ит. д.;

2)метод линейных размеров – заключается в изменении длины изделия при сохранении формы и размера поперечного сечения узлов и деталей машин с целью получения различной производительности. Метод применим к ограниченному классу машин, производительность которых пропорциональна длине рабочего органа: центробежные и шестеренные насосы, бетономешалки, компрессоры, вальцовые машины. К методу можно отнести увеличение длины зубьев колес с сохранением модуля, что позволяет повысить нагрузочную способность зубчатой передачи.

Метод линейных размеров позволяет сохранить основное технологическое оборудование для обработки вращающихся рабочих органов, внутренних полостей корпусов, что дает значительный экономический эффект;

3)метод базовых агрегатов – превращение базовых агрегатов в машины различного назначения путем присоединения к ним или монтажа на них специального оборудования. Наиболее часто используют шасси автомобилей и тракторов, на основе которых создают буровые установки легкого типа, машины для ремонта скважин, цементировочные агрегаты, диагностические лаборатории, подъемно-транспортные машины и т. д. Для этого разрабатывают как само специальное оборудование, так и дополнительные механизмы и агрегаты в базовой машине: коробки отбора мощности, подъемные и поворотные механизмы, реверсы, тормоза, кабины и системы управления и т. д.;

4)конвертирование – базовые машины или их основные элементы могут быть использованы для создания агрегатов различного назначения, близких или различных по рабочему процессу. В частности, ДВС переводят с бензина на газ, преобразуют ДВС в поршневой компрессор, что сопровождается некоторой доработкой конструкций: заменой головки, изменением механизма газораспределения и т. д.;

5)компаундирование, или метод параллельного соединения машин или агрегатов, применяется с целью увеличения общей мощности или производительности установки. Спариваемые агрегаты могут быть конструктивно объединены синхронизирующим устройством в один агрегат или установлены независимо. Например, в буровых комплексах применяют многодвигательный привод основных агрегатов от дизелей или электродвигателей, параллельное соединение и работу насосов, блоков приготовления и очистки промывочного раствора в циркуляционной системе;

6)модифицирование – доработка машины с целью приспособления к иным условиям работы, операциям и видам продукции без изменения основной конструкции (иногда совпадает с модернизацией). В модификации нефтепромыслового оборудования в исполнении «Т» (для тропическо-

го климата) применяют коррозионно-стойкие сплавы, кондиционеры и т. д., в исполнении «ХЛ» (для холодного климата) – хладостойкие стали,

66

электротехнические и резинотехнические изделия, устройства разогрева

изапуска при низких температурах, обогреватели и др.;

7)агрегатирование – создание машин путем сочетания унифицированных агрегатов, представляющих собой автономные узлы и механизмы, устанавливаемые на общей станине (базе) в различном числе и комбинациях. Частичным агрегатированием является использование стандартизованных узлов и агрегатов из числа серийно выпускаемых: редукторов, насосов, компрессоров, а также заимствованных с серийно изготовленных изделий: коробок скоростей, механизмов перемещения муфт, фрикционов

ит. д. В результате достигается сокращение сроков и стоимости проектирования и изготовления, удешевляются техническое обслуживание и ремонт;

8)метод комплексной нормализации – к проектированию простейших устройств, когда можно стандартизировать все или почти все их элементы конструкции. Нормализуют, например, по типоразмерам теплообменники, дозирующие устройства, смесители, резервуары, обечайки, крышки, люки, лазы, крепление, стойки и т. д. В нормализованных аппаратах широко применяют вспомогательное покупное оборудование: насосы, фильтры, приборы контроля и управления, средства автоматики.

Из стандартных деталей, унифицированных узлов и покупного оборудования компонуют машины:

– с одинаковым рабочим процессом, но с различными размерами и производительностью;

– одинакового назначения, но с различными параметрами рабочего процесса (давление, вакуум, расход, температура);

– различного назначения и с разным рабочим процессом;

9)метод унифицированных рядов – образование рядов функционально близких машин различной мощности и производительности путем изменения числа и параметров главных рабочих органов и их применения в различных сочетаниях. Например: создание рядов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на основе унифицированной цилиндровой группы и частично унифицированной шатунно-поршневой группы. Метод унифицированных рядов применяется при создании семейства машин роторного типа, производительность которых пропорциональна числу операционных блоков с роторами.

Этот метод может сочетаться с методами конвертирования или агрегатирования, расширяя область применения машин. Однако, повышая технологичность машин, он может ухудшить их качество и соответственно не может служить определяющим фактором в развитии техники, так как в ряде случаев может привести к снижению их экономической эффективности;

10)уменьшение номенклатуры объектов производства – разработка рационального типажа машин с целью устранения распыления средств на выпуск машин малыми сериями, улучшения условий эксплуатации, ремонта и обеспечения запчастями.

67

Номенклатура и число объектов производства сокращаются за счет: создания параметрических рядов машин с рациональными интервалами

–между ними; расширения универсальности машин;

–использования закладываемых резервов развития по мере роста потребностей народного хозяйства.

Перечисленные способы могут сочетаться как один с другим, так и

сметодами унификации, приведенными выше.

9.3. Параметрические ряды машин

Параметрическими называют ряды машин одинакового назначения с регламентированными для конструкции показателями и градацией этих показателей.

Различают виды параметрических рядов: размерно-подобные (или размерные), типоразмерные и смешанные ряды.

Воснову первого положен единый тип машины, градации изменения

ееразмеров получают при сохранении геометрического подобия модификаций ряда: электродвигатели (ГОСТ 15150–69), нефтяные насосы (ГОСТ

12124–87) и т. д.

Втипоразмерном ряду для каждой градации установлен свой тип машин со своими размерами. Например, ГОСТ 16293–89 «Комплектные буровые установки для глубокого разведочного и эксплуатационного бурения» определяет типоразмеры установок по 12 классам, различающимся по грузоподъемности и условной глубине бурения, мощности привода основных агрегатов, диаметру отверстия стола ротора, по высоте основания.

Смешанный ряд отличается тем, что в нем некоторые модификации выполняют однотипными и геометрически подобными, другие же на основе других типов. Примером является ГОСТ 20692–2003 «Трехшарошечные долота. Типы и параметры». По этому стандарту долота выполняются кор-

пусными и секционными. Изготавливают их предприятия 10 сериями, 3 классами, 2 типами и 128 модификациями (для пород мягких, средней твердости, твердых и крепких, с гидромониторными насадками, с центральной промывкой, с продувкой сжатым воздухом, армированные твердосплавными вставками и т. д.).

Для построения параметрических рядов любого вида стремятся использовать принципы:

–геометрического подобия; подобия рабочих процессов, обеспечивающий в значительной степени;

–одинаковость энергетической и силовой напряженности машины

вцелом и ее деталей.

Основой стандартизации рядов машин и оборудования, их составных частей и элементов служат ряды предпочтительных чисел, строящиеся

68

по арифметической или геометрической прогрессии. Основные параметрические ряды стандартизуемой техники чаще строятся по геометрической прогрессии со знаменателем n 10. По ГОСТ 8032–84 степени этого корня приняты равными 5, 10, 20, 40 и 80. Эти числа вместе с буквой R составляют обозначение ряда (табл. 9.1).

Таблица 9.1

Значения знаменателей геометрической прогрессии для рядов предпочтительных чисел

В смешанных рядах машин отдельные группы строятся с разными знаменателями геометрической прогрессии, а в некоторых группах внутри всего ряда может быть использована и арифметическая прогрессия, наряду с геометрической.

Контрольные вопросы

1.Что дают унификация и стандартизация конструкторам, технологам, производителям и потребителям техники?

2.Приведите примеры внутривидовой и межвидовой унификации.

3.Какие конструктивные элементы детали и сборочные единицы могут быть унифицированы?

4.Какими показателями оценивают уровни унификации, стандартизации и типизации?

5.Роль стандартизации в управлении качеством продукции.

6.В чем заключается построение унифицированных рядов машин методами секционирования и линейных размеров? Приведите примеры.

7.Какой эффект достигается при применении методов базовых агрегатов, конвертирования, компаундирования? Приведите примеры.

8.С какой целью применяют метод модификации машин? Приведите примеры.

9.Что такое комплексная нормализация конструктивных элементов

машин?

10.Что такое параметрические ряды машин и оборудования и как они строятся?

69

Лекция 10

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

План

10.1.Общие сведения.

10.2.Алгоритм создания новой техники.

10.3.Теория аксиоматического проектирования.

10.4.Проектирование станков с ЧПУ.

10.5.Алгоритмические и эвристические методы проектирования.

10.1. Общие сведения

Современные технологические машины представляют собой сложные системы, осуществляющие передачу и преобразование информации, энергии и вещества для получения изделий, обладающих заданными эксплуатационными свойствами.

Накопленная человечеством совокупность знаний в технологических процессах включает методы описания поведения, состояния, структуры и свойств, как процесса, так и технологического оборудования, необходимого для его реализации. Требования к технологическому оборудованию определяют параметры, характеристики и свойства всей машины и ее структурных частей. Область возможных решений, реализующих конструкцию технологического оборудования, содержит и определяет фактически достигнутые или возможно достижимые характеристики и свойства рассматриваемого объекта и его структурных частей на момент его создания.

При инновационном подходе в проектировании требуется определить наилучшие, из возможно достижимых, характеристики проектируемого объекта, структура и взаимодействие элементов которого формируют систему с заданными функциями и поведением. Следовательно, возможность реализации такого объекта (станка) будет определяться суперпозицией знаний, требований и возможных решений, в которой одновременно выполняются все условия его существования.

10.2. Алгоритм создания новой техники

Алгоритм создания новой техники можно представить следующей последовательностью: потребность – функция – концепция – проектирование – производство – эксплуатация, испытания – проблемы, задачи – исследования – научно-технический задел – технический и технологический скачок – потребность.

На схеме (рис. 10.1) стрелками показаны исходные данные для проектирования и производства станков и оборудования, пунктирами обозна-

70