3.3. Методика проектирования машин и поиска проектно-конструкторских решений

Методика проектирования машин – это последовательность, приемы и правила оформления графических и текстовых документов при создании машин. Под термином «методика» понимается совокупность практических приемов проектирования. Методика проектирования позволяет определить, во-первых, какие практические шаги, и в какой последовательности необходимо выполнить для достижения конечного результата, во-вторых, какие научные или инженерные приемы используются для реализации этих шагов.

Проектирование определяется как процесс составления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта.

Конечная цель проектирования – оптимизация разрабатываемой машины, т.е. достижение заданных показателей при рациональных затратах имеющихся ресурсов. Алгоритм процесса проектирования разделен на подпроцессы: проектирование и конструирование. Это деление условно, поскольку некоторые аспекты создания машины общие для всего процесса. Проектирование и конструирование различаются творческими и операционными возможностями. Проектирование машины предполагает определение технологических функций машины в линии, выявление особенностей ее работы, рассмотрение различных вариантов принципиальной схемы и выбор решения, компоновку машины и разработку общих видов и необходимых схем.

Конструирование – органическая часть проектирования; начинается тогда, когда проект машины уже составлен, и необходимо определить ее конструкцию.

Разработку технического задания в каждом конкретном случае предворяет научно-техническое прогнозирование тенденций развития того или иного вида машин. Цель прогнозирования – определить с удовлетворительной точностью главные направления будущих разработок. Анализ результатов прогнозирования и непосредственный конкретный опыт – основа разработки требований технического задания.

Научно-технический прогноз в машиностроении – это вероятностная оценка возможных путей достижения конечной цели, т.е. разработка общей концепции будущей машины, а также оценка требуемых для этого ресурсов и организационных мер.

Научно-технические прогнозы функционально разделяются на исследовательские, программные и организационные. Иерархически нижнюю ступень занимает исследовательский прогноз при решении таких задач, как создание машины. Именно эти прогнозы используются для формирования концепции будущей машины, поскольку они еще и обеспечивают возможность определения параметров машины.

На базе известных тенденций и закономерностей развития определенного класса машин, накопленного производственного опыта исследовательский прогноз формулирует новые возможности систем и перспективы их развития. Программное и организационное прогнозирование используется при создании сложных многокомпонентных структур.

Для проведения прогнозов используется множество методов, объединяемых в три класса:

1. экстраполяции (размеров, параметров, функциональных характеристик и т.п.), базирующиеся на сравнительной неизменности тенденций развития и заключающиеся в нахождении значений какой-либо величины по ряду ее других значений;

2. экспертных оценок, состоящие в анкетировании мнений и последующем отбрасывании наиболее оптимистических и наиболее пессимистических;

3. исторического моделирования, заключающегося в изучении и анализе исторических аналогов.

Прогнозы могут строиться от имеющегося базиса в будущее либо от достигаемой цели к настоящему.

В результате обоснованного научно-технического прогноза назначается генеральная линия создания той или иной машины, имеющей высокие технические свойства и конкурентоспособность на прогнозируемый период. После этого можно приступить к синтезу принципиальной схемы машины и назначению основных рабочих параметров. Обязательно используется принцип конструктивно-параметрической преемственности, сущность которого состоит в том, что при разработке учитывается передовой опыт машиностроения, в частности лучшие аналоги строительного и дорожного машиностроения. Выбор параметров также основывается, на наиболее прогрессивных технологиях. Конструкция машины должна позволять регулировать параметры в определенных рациональных пределах. Этому способствуют такие приемы нахождения решений, как проведение системного анализа, использование морфологического метода, эвристический поиск и др.

Морфологические исследования (анализ и синтез) – это построение многофакторного множества вариантов решений и выбор наиболее приемлемого из них. Возможный диапазон параметров машины сводится в морфологическую таблицу, производится «упорядоченный взгляд на вещи».

После составления и анализа морфологической таблицы оценивают все имеющиеся варианты и выбирают наиболее приемлемый.

Элементы системного анализа, используемые в процессе создания принципиальной схемы машин, позволяют учитывать взаимосвязи элементов машин, а также работу машины в системе технологическая линия – окружающая среда – оператор – снабжение энергией и горючим.

Для генерирования новых конструктивных решений используются эвристические методы поиска (мозговой штурм, отнесенной оценки, трансформации, инверсии и т.п.). Мозговой штурм предполагает по конкретней задаче сбор идей в течение примерно получаса от группы компетентных лиц (не специалистов по данному вопросу). Идеи, высказанные вслух, взаимно обогащаются и усовершенствуются. Они фиксируются, классифицируются по направлениям и рассматриваются специалистами. Метод трансформации и инверсии состоит в обращении функций системы (машины) или ее элементов.

При определении расчетных нагрузок на элементы необходимо знать удельные силы сопротивления, возникающие при реализации рабочего процесса (копания, перемешивания, уплотнения и т.д.). Для этого проводятся специальные теоретические и экспериментальные научно-исследовательские работы, позволяющие оценить действующие сопротивления.

Перечисленный комплекс работ (прогнозирование, системный и морфологический анализ, эвристический поиск и исследование действующих сопротивлений) положен в основу разработки требований технического задания, позволяет выбрать вариант принципиальной схемы машины и перейти к ее компоновке, т.е. приступить непосредственно к поисковому проектированию и разработке технического предложения. При этом прорабатываются различные варианты машины, что позволяет более четко выбрать решение. Результатом поискового проектирования может быть вариант решения. Окончательный выбор принципиальной схемы определяет все основные свойства машины.

Для количественной оценки совершенства разрабатываемых машин можно использовать универсальные механические критерии – удельные действия и их коэффициенты. Для обработки данных о механических системах наиболее удобны безразмерные удельные действия, представляющие собой отношение затрат механической энергии за определенное время к минимально возможным (полезным) затратам. При этом конструкцию можно оценить на разных уровнях поискового конструирования: высшем, где оценивается наиболее эффективный принцип действия; среднем, на котором оценивается рациональность технического решения; низшем, когда решается задача определения оптимальных значений параметров машины.

Лекция 9, 10 (3.4. Экономическое обоснование создания и модернизации машин. (3.5. Конструирование машин, сборочных единиц и деталей)