Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств. Курс лекций

т.е. обеспечивать высокую производительность при минимальных энергозатратах.

2.Системность: необходимо учитывать большинство факторов, определяющих надежность изделия (безотказность, жесткость, долговечность), а также эксплуатационные расходы в период эксплуатации.

3.Технологичность: выбор материалов, способов нагружения, технологии изготовления деталей и сборочных единиц.

22

Лекция 2

ВЫБОР КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ

1. Формирование творческих идей для решения инженерных задач

При проектировании или модернизации устройства, системы или процесса обеспечивают выполнение ряда условий, связанных с такими факторами, как техническая характеристика и значимость ее показателей, вариантность, техническая осуществимость, затраты времени на разработку, техническая эстетика, экономическая эффективность. В каждом конкретном случае необходим творческий подход к решению поставленной задачи.

Инженерное творчество можно определить как успешное мышление, ведущее за пределы известного. Оно дополняет знания, способствуя созданию устройств, которые ранее не были известны. Творчески сконструированные технические устройства часто бывают построены из известных элементов или основаны на известных принципах, сочетаемых с каким-либо новым, оригинальным процессом, способом и т. п. Инженерное творчество ближе к изобретательству, чем к научному исследованию. Однако создание оригинальной конструкции становится часто невозможным без научного исследования, в результате которого получают исходные данные для проектирования.

Почти любую творческую идею выделяют из большого числа анализируемых идей. Если рассматривают достаточно большое число вариантов, то вероятность отыскания действительно творческого решения возрастает. Процесс, посредством которого это достигается, можно назвать формированием идей. Для отыскания действительно полезных идей и вариантов решения задачи требуется тщательность, творческое воображение и внутренняя дисциплина.

Одним из способов формирования идей является метод ассоциаций. Ассоциация, или связь идей, – это явление, состоящее в том, что человек, наблюдая, слушая, пробуя на вкус или осязая нечто, доступное ему в данный момент, одновременно представляет себе что-то другое, сходное с непосредственно воспринимаемым. Связь идей может дать наибольший эффект в том случае, когда творческое воображение может обращаться к другим идеям и одна идея возникает на основе другой.

Обдумывание вариантов решения задачи может происходить и тогда, когда человек выполняет другую работу, не требующую умственного напряжения. Если в голову приходит идея, которая действительно является оригинальной или представляется ценной, то ее как можно быстрее надо записать или засвидетельствовать, иначе она может быть забыта, как только человек начнет размышлять над чем-нибудь другим.

23

При формировании идей и вариантов решения необходимо, чтобы проблема всесторонне анализировалась.

Предлагается следующий алгоритм решения проблемы выбора инженерных вариантов конструкций.

2.Обзор литературных источников

ипатентное исследование

Поиск литературы по изучаемому вопросу. Достижение целей,

поставленных перед студентом в курсовом проектировании, выполняется на основе глубокого и всестороннего анализа литературы. На начальном этапе работы студент может пользоваться рекомендациями, содержащимися в специальных методических пособиях. Впоследствии возникает необходимость изучать дополнительную литературу.

Студент должен найти нужную книгу самостоятельно. Для этого рекомендуется использовать библиотечные систематические и алфавитные каталоги. В библиотеках имеются также систематические предметные и библиографические указатели по различным отраслям знаний и отдельным темам.

Просмотр специальных журналов и сборников начинается с реферативных журналов по данной отрасли знаний. Журнальную статью достаточно быстро можно отыскать по указателю статей, помещаемому в конце последнего номера журнала за каждый год издания. Полезными могут оказаться и библиографические сноски, ссылки и указатели в учебниках и монографиях, относящихся к разрабатываемой теме.

Патентное исследование. Необходимую и зачастую неоценимую помощь в изучении и поиске методов решения технических задач может оказать патентное исследование.

Ключом к оперативному использованию патентной документации является справочно-поисковый аппарат (СПА). В него входит следующее:

Система предметного поиска (СПП), которая состоит из указателя классов изобретений (УКИ), алфавитно-предметного указателя к указателю классов изобретений (АПУ) и итогового систематического (группового) указателя (ИСУ).

УКИ является основным элементом СПП и отражает структуру и взаимосвязь объектов техники и технических решений.

УКИ представляет собой список индексов рубрик национальной классификации, каждая из которых сопровождается словесным обозначением, относимым к данной рубрике.

АПУ представляет собой упорядоченный по алфавиту список терминов, каждый из которых сопровождается перечнем индексов классификационных рубрик, соотносимых с данным понятием.

24

СПА – итоговый систематический (групповой) указатель, который является логическим продолжением УКИ.

ИСУ представляет собой списки номеров патентов или авторских свидетельств, отнесенных к конкретной рубрике классификации изобретений и составленных в порядке возрастания их номеров.

Порядок проведения патентного поиска состоит в следующем: с помощью АПУ и УКИ устанавливают рубрики, соответствующие предмету поиска и по итоговым систематическим указателям определяют искомые номера патентов.

Внастоящее время классификация изобретений построена по двум принципам: отраслевому и функциональному.

При отраслевом принципе объекты распределяют в зависимости от их применения в той или иной области человеческих знаний. Например, машины, орудия, способы, вещества, предназначенные для применения в пищевой промышленности, относятся к классу «Пищевая промышленность».

При функциональном принципе объекты располагают в зависимости от основных выполняемых ими функций или производимого ими эффекта. Например, все приспособления для подачи деталей к станкам

иагрегатам объединяют под основным функциональным признаком «Подача изделий» независимо от узкоотраслевого применения.

Типичным примером классификации, построенной по отраслевому принципу, является германская классификация изобретений.

Американская система классификации изобретений построена по функциональному принципу.

Классификация изобретений Японии состоит из 155 действующих классов, обозначаемых арабскими цифрами, подклассов, которые обозначаются заглавными буквами латинского алфавита, и групповых делений.

В1954 г. было принято соглашение о международной классификации изобретений (МКИ). В соответствии с этим соглашением каждая страна может применять единую систему классификации в качестве основной или вспомогательной системы. Цель ее – унификация разных систем классификаций изобретений.

Система МКИ состоит из восьми основных разделов, располагаемых в логической последовательности. Разделы обозначают главными буквами латинского алфавита от А до Н:

А – удовлетворение жизненных потребностей человека;

В– различные технологические процессы;

С – химия и металлургия; D – текстиль, бумага;

Е – строительство;

25

F – прикладная механика, освещение и отопление, двигатели и насосы, оружие и боеприпасы;

G – техническая физика; Н – электричество.

Каждый раздел делится на подразделы, не имеющие специальных обозначений. Например, G – техническая физика (раздел); 01 – измерение, испытание; В– измерениедлины, толщины илиподобныхразмеров.

Каждый раздел объединяет родственные классы, которые обозначаются арабскими цифрами от 01, 02, 03 до 90 и располагаются через интервал от индекса раздела. В восьми разделах 172 класса, сейчас используются только 115, остальные – резерв. Классы разделяются на подклассы, обозначаемые строчными латинскими буквами, только согласными, начиная с буквы «В». Гласные остались за теми классами, которые еще не заняты (всего 57). Например: А23g – удовлетворение жизненных потребностей, какао, сахаристые кондитерские изделия, например, карамель. Таким образом, действует 608 подклассов.

Последующие (групповые и подгрупповые) деления индексируют следующим образом: группы обозначают нечетными цифрами от 1 и отделяют от индекса подклассов запятой; подгруппы обозначают двухзначными четными арабскими цифрами, располагаемыми после индекса группы через косую линию ( А23G3/06 – для раскатывания карамельной массы, для формования жгута или его калибрования).

Результаты патентного исследования оформляют в виде отчета. Для студентов необязательно строгое выполнение отчета по таблицам ГОСТ 15011-82. Однако его можно рекомендовать как наиболее компактную и информационно насыщенную форму отчета на основе таблиц.

Руководитель проекта определяет регламент поиска, т.е. формулирует предмет поиска, страны и глубину, рекомендуя при этом и источники. Студент, ознакомившись с источниками информации, систематизирует ее, выбирает патенты-аналоги, оценивает технический уровень предлагаемых решений, выявляет тенденции в развитии объектов-аналогов, оценивает степень новизны разрабатываемого в проекте объекта и необходимость патентнойзащиты.

3. Проработка конструкций сборочных единиц и деталей

Компоновка машины в целом, конструктивных элементов сборочных единиц (узлов) неотделима от выбора конструктивного решения. Ее проводят на всех стадиях разработки.

Компоновка, как известно, предопределяет расчлененность машины на сборочные единицы (узлы), взаимное их расположение, сораз-

26

мерность объемов и эргономические требования, от которых зависят эстетические достоинства изделия.

Компоновку начинают с решения главных вопросов – выбора рациональной кинематической схемы, определяющих размеров и формы машины, необходимых для взаимодействия ее с другими устройствами и удобства обслуживания (включая и сборку-разборку при ремонте). При компоновке нужно идти от общего к частному. Не следует заниматься прочерчиванием мелких деталей.

Однако надо с самого начала придавать деталям технологически целесообразные формы.

Компоновку ведут на основе нормальных размеров (диаметров посадочных поверхностей 0,20, а не 0,19 или 0,21, размеров шпоночных и шлицевых соединений, параметров резьбовых соединений и т. д.), разработанных на базе основных рядов ГОСТ 8032–56.

В максимальной степени следует использовать унифицированные стандартные или нормализованные детали в целях большего применения однотипных исполнительных сборочных устройств.

Не всегда разработка конструктивных вариантов, компоновка узлов каждого из них идет гладко. В процессе проектирования часто обнаруживают незамеченные ранее недостатки, для устранения которых приходится разрабатывать новые варианты или возвращаться к ранее отклоненным. Ошибочно, если конструктор сразу задается одним направлением, выбирая или первый пришедший в голову вариант конструкций, или принимая за образец шаблонную конструкцию. Отдельные узлы не всегда получаются с первых попыток. Это не должно смущать конструктора. Иногда переходят к проработке следующего узла детали, выполняют необходимый расчет. После некоторого перерыва чертеж не получающегося узла смотрится по-иному, недостатки, допущенные в период первой проработки, станут очевидными.

Не следует жалеть времени и усилий на проработку конструкции, рассмотрение вариантов и их оценку. Более глубокая проработка в конечном счете дает выигрыш в стоимости, сроках изготовления и доводки, качестве и величине технико-экономического эффекта машины.

Прочерчивание ведут в масштабе 1:1, если допускают габаритные размеры проектируемого объекта. При этом легче выбрать нужные размеры и сечения деталей, составить представление о соразмерности частей конструкции, прочности и жесткости деталей и конструкции в целом. Кроме того, такой масштаб облегчает дальнейшую разработку конструкции, включая деталировку. Если размеры проектируемого объекта не позволяют применить масштаб 1:1, то отдельные агрегаты и узлы прочерчиваютвнатуральнуювеличину.

27

Чертят со слабым нажимом карандаша, так как в процессе разработки конструктивного решения часто возникает большое количество переделок и поправок.

Узлы машины в целом должны иметь простое конструктивное решение, не вызывающее затруднений при ее сборке.

При компоновке и вычерчивании отдельных сборочных единиц (узлов) машины или аппарата в целом инженер должен мысленно представлять себе и доступность, и последовательность монтажа, сборки и разборки при ремонте, заранее выбрать инструменты и приспособления, при помощи которых эти операции будут осуществляться. Такой постоянный самоконтроль позволит избежать принятия неконструктивных и нетехнологичных решений, неувязок, а порой и ошибочных решений.

Сборка – наиболее сложный и ответственный процесс в общем комплексе производства машиностроительных изделий. Технологичность сборки достигается выполнением ряда требований, которые учитывают при проектировании.

1.Сборочные узлы должны иметь наименьшее количество деталей. Это достигается выбором наиболее простой и рациональной схемы узла, а также объединением нескольких деталей в одну, отвечающую требованиям технологичности.

2.Предусматривается возможность расчленения машины на рациональные технологические узлы, которые возможно одновременно и независимо друг от друга изготавливать и монтировать на базовой детали, например на раме, в корпусе редуктора и т. п.

При компоновке машин, аппаратов или других устройств надо думать о том, как и какими средствами их будут транспортировать и доставлять в цех предприятия. Часто даже учет внутренних размеров кабины грузового лифта вызывает необходимость расчленения станины или основной рамы на секции определенных размеров.

3.При компоновке узлов следует принимать во внимание порядок их сборки, учитывая конкретные условия, при которых будут производить изготовление и сборку в хорошо оснащенном механическом цехе или механических мастерских пищевого предприятия.

4.Конструкция узлов должна быть такой, чтобы при установке изделия на базовую деталь и регулировке не требовалось даже частичной разборки. Например, конструкция сборочной единицы, представленной на рис. 1а, неудачна из-за того, что диаметр зубчатого колеса 6 больше диаметра D отверстия в корпусе. Поэтому соединение вала 5 с зубчатым колесом 6 необходимо производить при сборке всей конструкции, т. е. вначале следует надеть на вал внутри корпуса 3 зубчатое колесо, затем привернуть к корпусу левую крышку 2, установить и закрепить шкив 1. Процесс сборки и разборки можно упростить, если сконструировать эту

28

сборочную единицу так, чтобы диаметр D отверстия под подшипник 4 был больше диаметра вершины зубьев d зубчатого колеса 6. Это позволит объединить вал 5 с зубчатым колесом 6, крышкой 2, шкивом 1 и подшипниками 4 в одну сборочную единицу, показанную на рис. 1б. Теперь эту сборочную единицу можно собирать отдельно и готовой (после контроля) вставлять в отверстие корпуса 3. Для закрепления левой крышки в шкиве предусмотрены отверстия диаметром d0. Такая конструкция сборочной единицы облегчает разборку и сборку, удобна при ремонте.

Рис. 1. Образец конструкции сборочной единицы:

а – нерациональный; б – рациональный; 1 – шкив; 2 – крышка; 3 – корпус; 4 – подшипник; 5 – вал; 6 – зубчатое колесо

5. Конструкция изделия должна предусматривать возможность его сборки без сложных приспособлений путем осуществления простых движений по установке сопрягаемых деталей, подводу и отводу сборочного инструмента, например съемников и других несложных приспособлений. Целесообразно предусматривать резьбовые отверстия для отжимных винтов, заменяющих съемник, рым-болты для подъема тяжелых деталей. Для точной установки сопрягаемых деталей на свое место после разборки следует предусматривать соответствующие установочные метки, контрольные штифты и т. п. Для облегчения сборки деталей по двум поверхностям надо избегать параллельного соединения, а выполнять последовательно-параллельное.

При сборке резьбовых соединений следует облегчать свинчивание (наживление) заходными фасками или направляющими элементами. Гайки, расположенные на внутренних поверхностях деталей, надо шплинтовать; гайки, расположенные на наружных поверхностях, – ста-

29

вить с пружинными шайбами, что облегчает сборку и предотвращает самоотвертывание.

Шпонки не должны затруднять сборку деталей. В конструкции, показанной на рис. 2а, соотношение размеров d1и d2 таково, что шарикоподшипник не может быть поставлен на свое место после установки шпонки, что неудобно при сборке. Перепад диаметров d1 и d2 должен быть таким, чтобы шпонка не препятствовала установке подшипника или других деталей (см. рис. 2б).

Рис. 2. Образец сборки вала с подшипником и шпонкой:

а– нерационально; б – рационально

6.Обеспечение сохранности качества продукта или полуфабриката. Это требование при разработке машин и аппаратов пищевой промышленности является одним из необходимых. Оно может быть выполнено путем применения специальных материалов (нержавеющих сталей, пластмасс и т. п.); уменьшениием длительности обработки продукта; соблюдением требований санитарии и гигиены (возможностью легкой и надежной очистки, промывки рабочих органов, емкостей и трубопроводов). Рабочие органы пищевых машин чистят (промывают) обычно в конце рабочей смены или, в зависимости от конкретных условий, чаще, например при переходе в течение смены на выработку продукта другого сорта.

Общие требования санитарии и техники безопасности описаны в специальной литературе.

При разработке машин и аппаратов пищевых производств необходимо дополнительно предусмотреть:

– конструкцию рабочих органов, предусматривающую возможность самоочистки (выбирать соответствующий наклон стенок, устанавливать взаимосоприкасающиеся элементы рабочих органов, счищающие ножи и т. п.);

– доступность рабочих органов для выполнения ручных операций по зачистке (учет требований эргономики, наличие люков и т. д.);

30