Методика проектирования машин и поиска проектно-конструкторских решений

Последовательность и содержание этапов создания и освоения машины

Разработка задания на создание и освоение машины

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ МАШИН

Проектирование машины предполагает определение функционального назначения машины в технологической линии и главного принципа ее работы, создание принципиальной схемы машины, разработку основополагающих решений ее составных частей. Проектирование выполняют с учетом специфики условий эксплуатации машины и прогнозирования тенденций прогрессивного развития данного класса машин.

Методы прогнозирования основываются на профессиональном чутье; правильной оценке возможностей производства и сырьевой базы.

К объектам деятельности инженеров-механиков в области строительного и дорожного машиностроения относятся машины следующих классов: для земляных работ, подъемно-транспортные, монтажные, дробильные, смесительные, уплотняющие и формующие, отделочные и пр.

Деление процесса создания машины на проектирование и конструирование достаточно условно, так как разработка конструкций может повлечь за собой частичное изменение схемы, а при проектировании принципиальной схемы закладываются элементы конструкции.

Таким образом, приступая к созданию той или иной машины, инженер должен знать, на каком этапе развития находится данный класс машины и направление тенденций его дальнейшего развития. Правильно ориентируясь в вопросах конструирования, инженер сумеет добиться того, чтобы время эксплуатации машины при рациональном ее использовании было максимальным.

В процессе разработки и освоения машины функционально выделяются следующие организации; «Заказчик», «Разработчик», «Изготовитель», «Потребитель». Министерства и подведомственные им организации в зависимости от участия в изготовлении и освоении машины могут выполнять перечисленные функции или совмещать некоторые изних.

Заказчик предоставляет разработчику исходные требования (заявку) к машине, обеспечивает полное и рациональное использование, а также согласовывает с ним представленное техническое задание. Например, исходные данные для разработки экскаватора: производительность, тип разрабатываемого грунта, его механические характеристики и геометрия разрабатываемого забоя.

Совместно с разработчиком заказчик принимает опытный образец машины (или опытную партию) и участвует в приемочных испытаниях.

Разработчик на базе полученных от заказчика исходных данных (заявки) и с учетом отечественного и зарубежного опыта разрабатывает техническое, задание, согласовывает и утверждает его с заказчиком и другими заинтересованными организациями. Функции разработчика:

– подготовка технической документации на всех стадиях;

– выявление новых технических решений и оформлениеих в качестве заявок на предполагаемые изобретения;

– подготовка предложений по изготовлению опытного образца;

– осуществление авторского надзора при изготовлении и освоении машины.

Изготовитель обеспечивает своевременное изготовление и освоение машины, осуществляя качественную технологическую подготовку производства, согласовывает техническое задание и участвует в рассмотрении технической документации.

Потребитель, – как правило, министерство либо ведомство, нуждающееся в данном типе машины, отвечает за обоснованность требований к разрабатываемой машине и обеспечивает надлежащие условия ее эксплуатации, а также обязан систематически информировать заказчика, разработчика и изготовителя об изменениях, происходящих с данной машиной в процессе ее эксплуатации.

Таким образом, первый документ, закрепляющий при создании машины согласование функциональных обязанностей организации-соисполнителей, – техническое задание, разрабатываемое организацией-разработчиком наоснове исходных данных, изложенных организацией-заказчиком, и согласованное с изготовителем и потребителем.

Техническое задание – исходный документ для разработки как технической документации на машину, так и самой машины. Исходные данные для создания машины – это характеристики, увязанные с характеристиками машин в технологических линиях.

Весь набор требований и ограничений, предъявляемых к машине, должен быть отражен в техническом задании на ее разработку. В общем случае оно состоит из следующих разделов: наименование и область применения машины; основание для разработки; цель создания и назначение машины; источники разработки; технические требования к машине; экономические показатели; стадии и этапы разработки, порядок контроля и приемки; дополнительные документы (приложение).

Кроме технического задания исходными материалами для создания машины могут быть: техническое предложение, выдвигаемое в инициативном порядке проектной организацией или группой конструкторов; научно-исследовательская работа или созданный на ее основе экспериментальный образец, образец зарубежной машины.

От технической идеи и соответствующей заявки заказчика разработчику на создание машины до момента получения от нее полной отдачи проходит определенный срок, обусловленный выполнением этапов разработки, установленных в соответствии с ГОСТ 2.103-68: технического предложения; эскизного проекта; технического проекта; рабочей конструкторской документации.

Разработку указанных этапов выполняют разработчик и изготовитель при участии потребителя.

Техническое предложение – этап предварительного проектирования, характеризующийся активизацией творческого мышления, большим количеством идей и возможных вариантових воплощения. Техническое предложение предусматривает предварительную конструкторскую проработку и анализ различных вариантов, подбор материалов для выявления уточненных требований к машине. Различные варианты анализируются по основным показателям качества (надежности, экономическим, эргономическим) и технологичности (удельной трудоемкости изготовления, удельной энергоемкости и др.), а также по уровню стандартизации и унификация.

Согласованное и утвержденное техническое предложение – основание для разработки эскизного или технического проекта.

Эскизный проект – этап опытно-конструкторской разработки, требующий более конкретной научно-технической информации, которая служит для повышения унификации конструкторских и технологических решений. Эскизный проект предусматривает разработку наиболее общих решений машины, позволяющих выработать принцип ее работы. При этом прорабатываются различные варианты компоновки машины в целом, а также ее составных частей. Глубина проработки должна быть достаточной для сравнительного анализа по показателям качества машины.

Технический проект предусматривает разработку комплекса конструкторских документов, которые должны содержать окончательное технические решения по разрабатываемой машине. В техническом проекте оцениваются соответствие проекта требованиям технического задания и степень сложности изготовления, приводятся правила эксплуатация и ремонта машины.

При разработке технического проекта осуществляются работы по разработке конструкций машины и ее основных составных частей, расчеты (в том числе технико-экономические), анализ технологичности конструкции (с учетом конкретных условий завода-изготовителя), мероприятия по обеспечению заданного технического уровня, стандартизация и унификации, проверка патентной чистоты и т.п.

Рабочая конструкторская документация – завершающий этап проектирования и конструирования машины. Непосредственно по рабочей конструкторской документации на заводе-изготовителе создается машина в металле.

В процессе разработки конструкторская документация подвергается технологическому контролю, содержание и цели которого определяются стадией разработки. Так, на стадии технического предложения проверяется правильность выбора варианта конструктивного решения в соответствии с требованиями технологичности. На стадии эскизного проекта проверяется правильность выбора принципиальной схемы машины, компоновка основных сборочных единиц, рациональность конструктивных решений с позиции наиболее простого их изготовления, возможность применения рациональных методов обработки для наиболее сложных деталей. На стадии технического проекта проверяют возможность проведения сборки и контроля изделия и его основных частей, удобство и доступность мест оборки, отсутствие (либо минимум) механической обработки при сборке, возможность обеспечения взаимозаменяемости сборочных единиц и деталей.

На стадии разработки рабочей документации проверяют в основном технологичность изготовления деталей, сборки изделия и его составных частей, контролируют наличие сборочных баз.

После того как проектная и конструкторская техническая документация разработана и проконтролирована, приступают к изготовлению машины.

На первом этапе создается опытный образец (или опытная партия машин), на котором производятся предварительные заводские испытания. В процессе этих испытаний отрабатываются рациональные эксплуатационные режимы, выявляется необходимость внесения каких-либо изменений в конструкцию машины или ее составных частей. По результатам предварительных испытаний, которые проводят совместно разработчик и изготовитель, решается вопрос о возможности осуществления приемочных испытаний, корректируется конструкторская документация, вносятся изменения в конструкцию опытного образца. При положительном решении проводятся приемочные испытания, которые в зависимости от характера связи между соисполнителями могут быть ведомственными, межведомственными и государственными.

Приемо-сдаточные испытания показывают соответствие продукции разработанной технической документации и возможность постановки машины на производство (совместно) разработчиком, изготовителем и заказчиком.

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 функциймашины 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 перспективыих 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 либоотдостигаемой 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 изних. 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)

Дата добавления: 2015-06-04