Общие вопросы проектирования

Одним из наиболее веских критериев, влияющих на решение потребителя о покупке машины, является ее качество. Поэтому производитель в условиях рынка заинтересован в улучшении качества выпускаемого изделия. Наибольшую эффективность принимаемых для улучшения качества мер имеют те из них, которые используются при проектировании машины. Проектированием называется процесс разработки проекта машины, т. е. совокупность расчетов и чертежей, предназначенных для определения геометрических, кинематических, динамических параметров, а также работоспособности, экономичности и других характеристик машины.

При проектировании машины следует:

• • использовать системный подход: осуществлять проектирование машины как системы, связанной с общими условиями ее работы и с другими машинами;
• • учитывать многочисленные критерии качества машины;
• • использовать предшествующий опыт проектирования и широко применять нормализацию узлов и деталей, используя «удачные» узлы и детали других машин;
• • предусматривать перспективы развития и обеспечивать возможность дальнейшей модернизации и совершенствования машины.

Проектирование не может обойтись без использования следующих инструментов проектирования:

• 1) патентных исследований;
• 2) математического моделирования;
• 3) экспериментальных методов исследования.

Эвристические методы и патентные исследования основаны на поиске действующих аналогов машин, механизмов, деталей, узлов, агрегатов и т. д. Для каждого прототипа машины необходимо провести анализ положительных качеств и составить список недостатков, который включает:

• • обоснование и выбор критериев качества машины;
• • основные преимущества и недостатки прототипа;
• • основные показатели качества машины, требующие улучшения;
• • противоречия в машине, требующие замены на новый прототип;
• • несовершенство конструкции и технологии изготовления.

На основе анализа недостатков более обоснованно могут быть выдвинуты прямые предложения по совершенствованию машины, возможность которых была выявлена при патентном поиске и сравнении альтернативных вариантов.

Экспериментальные методы требуют высоких материальных затрат и времени. Достаточно точным и быстрым является проектирование на основе математического моделирования показателей машин. Поэтому чаще всего проектирование осуществляется с помощью моделирования определенных качеств механизма на базе его модели машины. Модель, как правило, выражает интересующие нас свойства в виде системы уравнений. Примером структурной модели может служить формула П. Л. Чебышева, которая отражает связи между отдельными звеньями механизма, как показано на рис. 1.5, 1.6. Кинематическая модель механизма отражает свойства преобразования движения и описывается уравнениями перемещений и скоростей звеньев или передаточных функций. Энергетическая модель показывает экономичность расхода энергии машиной в форме изменения работ и кинетической энергии. Динамическая модель характеризует динамические качества машины.

Математическая модель, как сказано выше, представляет собой систему уравнений, отражающую свойства машины, которая должна отвечать требованиям адекватности и не быть перегруженной несущественными факторами. Для каждой проектируемой машины существуют свои определенные требования адекватности модели. Исходя из этого можно сделать вывод, что не существует универсальной модели, отражающей все возможные процессы в ней с одинаковой точностью.

Математическое моделирование развивается в направлении создания системы автоматизированного проектирования. САПР — это организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации конструкторских работ на основе применения ЭВМ для поиска оптимального решения. Разработка САПР включает:

• • выработку критериев качества, характеризующих оптимальность конструкции;
• • классификацию элементов машины и создание базы данных нормализованных узлов и элементов машин;
• • создание кинематических, динамических, энергетических и экономических моделей машины и ее элементов;
• • разработку пакетов прикладных программ для проведения расчетов и обработки информации.

Проектно-конструкторская разработка, которой предшествуют научно-исследовательские работы, осуществляется на этапе технической подготовки производства. После ее завершения осуществляется технологическая подготовка производства. Цель проектно-конструкторской разработки — создание рабочей документации (эскизов и чертежей общего вида, сборочных и рабочих).

Проектно-конструкторскую разработку выполняют в приведенной ниже последовательности.

• 1. Разработка технического задания, т. е. требований к машине и указаний заданных технико-экономических параметров, согласованных с заказчиком.
• 2. Составление технического предложения, отвечающего техническому заданию.
• 3. Разработка эскизного проекта машины, отражающего техническое предложение.
• 4. Разработка технического проекта на основе эскизного проекта машины.
• 5. Выполнение конструкторской и рабочей технологической документации.
• 6. Испытания машины, выявление недостатков, составление акта.
• 7. Составление технических условий на эксплуатацию машины.

Конструирование — это творческий процесс поиска оптимального варианта конструкции с целью обеспечения работоспособности и технологичности машины. При конструировании следует добиваться:

• • снижения количества деталей и звеньев машины;
• • нормализации (т.е. применения единых сводов законов, ГОСТов, ТУ, СП) и унификации деталей;
• • технологичности конструкции, снижающей затраты на производство;
• • выбора рациональных допусков, чистоты поверхности;
• • выбора рациональной формы заготовок и технологии их изготовления.

Конструктору следует непрерывно совершенствовать машину, добиваясь снижения расхода энергии и повышения надежности. Для этого при проектировании в машину должна закладываться возможность ее совершенствования, т. е. дальнейшего развития. При этом необходимо учитывать существующие стандарты, которые регламентируют конструкцию и типоразмеры основных узлов и деталей.

Унификация элементов состоит в их многократном применении в одной и той же или разных конструкциях, что сокращает номенклатуру деталей и снижает сроки и стоимость изготовления и ремонта машин. Унификация является экономичным способом создания новых машин на основе базовой модели путем изменения мощности, производительности и даже перевода машин на выпуск иной продукции или энергии путем изменения отдельных составных частей. Например, изменение числа цилиндров ДВС, перевод его на другое топливо позволяет создать новый двигатель с наименьшими временными и экономическими затратами. В этом состоит метод секционирования, т. е. разделения машины на одинаковые секции с набором унифицированных деталей. Применение секционирования особенно эффективно в транспортирующих машинах с унифицированным несущим потоком, длину которого можно изменять добавлением звеньев, например, конвейеры с роликовыми цепями.

Таким образом, в основе проектирования, как правило, лежит применение базового агрегата, путем присоединения к которому специализированного оборудования можно создать машину иного назначения. Широкое применение в транспортных машинах имеют универсальные шасси с ДВС и создание на их базе различных машин путем монтажа дополнительного и навесного оборудования.

Часто применяется метод компаундирования, т. е. параллельного соединения машин для временного увеличения производительности и снижения расхода энергии путем их отключения.

Модифицированием называется доработка машины без изменения базовой конструкции. При этом идут на замену отдельных агрегатов из числа унифицированных узлов, имеющих стандартные типоразмеры. Таким образом, при проектировании машин находит широкое применение комплексная стандартизация вспомогательного оборудования, изготавливаемого специализированными предприятиями. Одновременно требуется приспособляемость конструкции машин к требованиям производства и их универсализация для того, чтобы сократить номенклатуру выпускаемых машин. Примером могут служить универсальные шасси сельхозмашин со сменным навесным оборудованием, что позволяет использовать многофункциональную машину в течение всего года.