ЛЕКЦИЯ 3. «Основы конструирования»

Лекции

Учебная дисциплина:

«Основы конструирования»

ЛЕКЦИЯ 1

«Введение. Задачи конструирования»

План лекции

1.1. Введение

1.2. Задачи конструирования

КОНСТРУИРОВАТЬ [лат. construere] – создавать конструкцию чего-л.

КОНСТРУКТЙВНЫЙ - 1) относящийся к конструкции; 2) такой, который можно положить в основу чего-л., плодотворный.

КОНСТРУКТОР - 1) лицо, занимающееся созданием конструкций различных устройств (машин, механизмов, сооружений и т.п.) или их отдельных частей; 2) детская игра, представляющая собой набор деталей, из которых можно собирать разные предметы, машины, сооружения.

КОНСТРУКЦИЯ [лат. constructio] - 1) строение, устройство, взаимное расположение частей какого-л. предмета, машины, прибора, сооружения и т.п., определяющееся его назначением; 2) сооружение или его часть, характеризующиеся каким-л. признаком, напр. железобетонные, деревянные, монолитные, сборные конструкции; 3) грам. сочетание слов, выступающее в качестве одной синтаксической единицы.

ПРОЕКТ [< лат. projectus брошенный вперед] - 1) технические документы - чертежи, расчеты, макеты вновь создаваемых зданий, сооружений, машин, приборов и т. д.; 2) предварительный текст какого-л. документа и т. п.; 3) план, замысел.

ПРОЕКТИРОВАТЬ1 - 1) составлять проект 1; 2) предполагать сделать что-л., намечать план.

ПРОЕКТИРОВАТЬ2 - 1) геом. отображать какую-л. фигуру или предмет на плоскость, чертить проекцию; 2) то же, что проецировать.

1.1. Введение

Решение задачи достижения наивысшего уровня науки, техники, экономики и производства будет способствовать увеличению производительности общественного труда и уменьшению удельного расхода энергии и сырья на единицу произведенной продукции. Основной задачей машиностроения является обеспечение быстрорастущего населения Земли разного рода изделиями, необходимыми для удовлетворения самых разных его потребностей (в жилище, питании, работе, досуге, средствах обороны, здравоохранении, воспитании и образовании и др.).

1.2. Задачи конструирования

Задача конструктора состоит в создании машин, полно отвечающих потребностям народного хозяйства, дающих наибольший экономический эффект и обладающих наиболее высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями, конкурентно-способными на внутреннем и внешнем рынках.

Главными показателями являются: высокая производительность, экономичность, прочность, надежность, малые масса и металлоемкость, габариты, энергоемкость, объем и стоимость ремонтных работ, расходы на оплату труда операторов, высокий технический ресурс и степень автоматизации, простота и безопасность обслуживания, удобство управления, сборки и разборки.

В конструкции машин необходимо соблюдать требования технической эстетики. Машины должны иметь красивый внешний вид, изящную, строгую отделку.

Значимость каждого из перечисленных факторов зависит от функционального назначения машины:

в машинах-генераторах и преобразователях энергии на первом плане стоит величина КПД, определяющего совершенство преобразования затрачиваемой энергии в полезную;

в машинах-орудиях - производительность, четкость и безотказность действия, степень автоматизации;

в металлорежущих станках - производительность, точность обработки, диапазон выполняемых операций;

в приборостроении - чувствительность, точность, стабильность показаний;

в транспортной технике, особенно в авиационной и ракетной, - малая масса конструкции, высокий КПД двигателя, обусловливающий малую массу бортового запаса топлива.

Проектируя машину, конструктор должен добиваться всемерного увеличения ее рентабельности и повышения экономического эффекта за весь период работы. Экономический эффект зависит от обширного комплекса технологических, организационно-производственных и эксплуатационных факторов. В данном курсе рассмотрены только те способы повышения экономичности, которые непосредственно связаны с конструированием и зависят от деятельности конструктора и используемых им средств конструирования.

ЛЕКЦИЯ 2

«Общие сведения о машинах и механизмах».

План лекции

2.1. Общие сведения о машинах и механизмах

Классификация машин. Современное производство немыслимо без всевозможных высокоэффективных машин.

Машина – это механическое устройство, предназначенное для выполнения требуемой полезной работы, связанной с процессом производства или транспортирования или же с процессом преобразования энергии, движения или информации.

Благодаря их использованию повышается производительность труда, облегчается физический и умственный труд человека и т.д.

По характеру рабочего процесса и назначению машины подразделяются на следующие группы (классы):

1.Энергетические машины, в которых какой-либо вид энергии (электрической, тепловой и т. п.) преобразуется в механическую работу и наоборот. К этой группе относятся как машины-двигатели (электродвигатели, тепловые и ядерные двигатели и т. п.), так и машины-преобразователи (компрессоры, электрические генераторы и др.).

2.Технологические или рабочие машины, предназначенные для выполнения производственных процессов по изменению формы, свойств и положения объектов труда (отраслевые машины, например металлорежущие и ткацкие станки, сельскохозяйственные машины, полиграфические, швейные, горнодобывающие и другие машины, роботы и т.п.).

3. Транспортные машины, предназначенные для перемещения объектов труда.

4.Информационные (контрольно-управляющие) машины, в которых происходит преобразование вводимой информации для контроля, регулирования и управления технологическими процессами (вычислительные, кибернетические машины и др.).

В зависимости от способа управления различают машины ручного управления (на встроенном рабочем месте или дистанционно), полуавтоматического и автоматического действия.

Машина, в которой преобразование энергии (материалов и информации) происходит без непосредственного участия человека, называется машиной - автоматом. Совокупность машин-автоматов, соединенных между собой автоматическими транспортными устройствами, управляемых единой системой управления и предназначенных для выполнения определенного технологического процесса, образует автоматическую линию.

Механизмы и их назначение. Механизм - часть машины, в которой рабочий процесс реализуется путем выполнении определенных механических движений.

Являясь носителем этих движений, механизм представляет собой совокупность (систему) взаимосвязанных тел, предназначенных для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел.

Механизм осуществляет: передачу энергии (движения), как правило, с преобразованием сил и характеристик закона движения от источника, например двигателя, к одному или нескольким рабочим органам машины; преобразование и регулирование механического движения; заданную компоновку машины.

Если в преобразовании движения участвуют как твердые, так и жидкие или газообразные тела, то механизм называется соответственно гидравлическим или пневматическим.

Деталь - изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марки материала без применения сборочных операция. К деталям можно отнести: валик из одного куска материала, литой корпус; пластину из биметаллического листа; печатную плату и т.д. Деталь может быть изготовлена с применением местных сварки, пайки, склеивании, сшивания и т.д. (трубка паянная или сваренная из одного куска листового материала, коробка склеенная из одного куска картона) и иметь защитное или декоративное покрытие.

Кинематическое звено – это деталь или несколько деталей связанных в работе между собой неподвижно или взаимно неподвижно. Выполнение звеньев не из одной, а из нескольких соединенных между собой деталей обеспечивает возможность:

изготовления деталей из разных материалов, например, вкладышей подшипников из бронзы или другого антифрикционного материала, а корпуса подшипника из чугуна;

удобной замены быстроизнашивающихся деталей;

сборки (например, установка коленчатого вала в коренные подшипники двигателя выполнима лишь при съемных крышках) и облегчения сборки машины;

облегчение изготовления деталей ввиду упрощения их формы и уменьшения размеров;

большей нормализации, стандартизации и централизованного изготовления деталей.

Кинематическая пара – это соединение двух звеньев обеспечивающее их относительную подвижность (рычаг – стойка, толкатель – направляющая, щуп - направляющая).

По характеру движения кинематические пары делятся на:

- вращательные;

-поступательные.

По характеру соприкосновения звеньев кинематические пары делятся:

- низшие;

-высшие.

Низшими кинематическими парами называют такие кинематические пары, в которых соприкосновение звеньев происходит по поверхности.

Высшими кинематическими парами называют пары, в которых соприкосновение звеньев происходит по линии или точке.

Изделием называется любой предмет производства (или набор предметов), подлежащих изготовлению на предприятии.

Изделия в зависимости от их назначения делят на изделия основного производства и вспомогательного.

К изделиям основного производства относятся изделия, предназначенные для поставки (реализации), к изделиям вспомогательного производства – изделия, предназначенные только для собственных нужд предприятия.

Установлены следующие виды изделий:

детали;

сборочные единицы;

комплексы;

комплекты.

Сборочная единица – изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями (свинчиванием, сочленением, клепкой, сваркой, пайкой, опрессовкой и т.д.), например, автомобиль, станок, редуктор, сварной корпус, маховичок из пластмассы с металлической арматурой и др.

Комплекс – два или более специфицированных изделия, не соединенных на предприятии - изготовителе сборочными операциями, но предназначенные для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций (автоматическая телефонная станция, бурильная установка; изделие, состоящее из метеорологической ракеты, пусковой установки и средств управления; корабль и т.п.).

Комплект – два или более изделия, не соединенных на предприятии- изготовителе сборочными операциями и представляющих собой набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (комплект запасных частей, комплект инструмента и принадлежностей, комплект измерительной аппаратуры, комплект упаковочной тары и т.д.).

«Основные характеристики и требования, предъявляемые к машинам и механизмам»

План лекции

3.1. Основные характеристики и требования, предъявляемые к машинам и механизмам

Основными характеристиками машин являются: назначение и область применения, способ управления, мощность и производительность, коэффициент полезного действия, масса, габаритные размеры, стоимость и др.

Производительность машин измеряют в единицах, которые наиболее пригодны для данного оборудования. Например, производительность ткацких станков характеризуют количеством метров сотканной ткани, транспортера - массой транспортируемого груза в единицу времени и т.п.

Коэффициент полезного действия является характеристикой экономичности машин. Он показывает долю полезно реализуемой энергии и эффективность ее использования.

Массу и габаритные размеры необходимо знать для транспортирования машин и размещения их на производственных площадях.

Основные характеристики машин указывают в их техническом паспорте.

К машинам и механизмам предъявляют следующие основные требования: работоспособности; надежности; технологичности; экономичности; эргономичности.

Работоспособность. Работоспособностью называют состояние машин и механизмов, при котором они способны нормально выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно-технической документацией (техническими условиями, стандартами и т. п.).

Надежность. Надежностью изделия называют свойство выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам в условиях использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Надежность является общей проблемой для всех отраслей машиностроения, приборостроения и других отраслей. Любая современная машина или прибор, какими бы высокими характеристиками они ни обладали, будут обесценены при ненадежной работе.

Надежность изделия зависит от необходимой нара6отки, которая может исчисляться в часах работы станка, налета самолета и т. д., в километрах пробега автомобиля, гектарах обработанной земли для сельскохозяйственной машины и т. д. Надежность зависит от всех этапов создания и эксплуатации изделий. Ошибки проектирования, погрешности в производстве, упаковке, транспортировке и эксплуатации изделия сказываются на его надежности.

Надежность изделий обуславливается их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Безотказность – свойство сохранять работоспособность в течение заданной наработки без вынужденных перерывов. Это свойство особенно важно для машин, отказы которых связаны с опасностью для жизни людей (например, самолеты) или с перерывом в работе большого комплекса машин.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для ремонтов и технического обслуживания.

Ремонтопригодность – приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять требуемые эксплуатационные показатели после установленного срока хранения и транспортирования.

Надежность деталей машин сильно зависит от того, насколько близок режим работы деталей по напряжениям, скоростям и температурам к предельным, т.е. от запасов по основным критериям работоспособности.

Надежность в значительной степени определяется качеством изготовления, которое может изменять ресурс в несколько раз.

Надежность статически определимых механизмов при одинаковых номинальных напряжениях выше, чем статически неопределимых, что связано с меньшим влиянием технологических погрешностей, а также температурных и силовых деформаций. Например, самоустанавливающиеся конструкции, как правило, более надежным, чем несамоустанавливающиеся.

Утрата работоспособности изделий (полная или частичная) называется отказом. Отказы по своей природе могут быть связаны с разрушением деталей или их поверхностей (поломки, выкрашивание, износ, коррозия) или не связаны с разрушением (засорение каналов, ослабление соединений). Отказы бывают полные и частичные; внезапные (например, поломки) и постепенные (изнашивание, коррозия и др.); опасные для жизни человека, тяжелые и легкие; устранимые и неустранимые. По времени возникновения отказы делятся на приработочные (возникающие в первый период эксплуатации и связанные с отсутствием приработки и с попаданием в сборку дефектных элементов); отказы при нормальной эксплуатации (до проявления износовых отказов) и износовые отказы, к которым в теории надежности относят также отказы по усталости и старению.

Основным показателем безотказности является вероятность безотказной работы в течение заданного времени или заданной наработки. Экспериментально этот показатель может быть оценен как отношение числа образцов, сохранивших работоспособность, к общему числу испытанных образцов, если последнее достаточно велико.

В связи с тем, что отказ и безотказная работа взаимно противоположные события,

P(t)+Q(t)=1,

где Q(t)= - вероятность отказа за время t; f(t)- плотность вероятности отказов.

Основные показатели долговечности деталей: а) средний ресурс, т.е. средняя наработка до предельного состояния, и б) ресурс, который обеспечивается у заданного числа () процентов (например, 90%) изделий, так называемый гамма – процентный ресурс.

Вероятность безотказной работы системы равна по теореме умножения вероятностей безотказной работы элементов

P (t)=P (t)P (t)…P (t).

Если

P (t)= P (t)=…= P (t), то P (t)=Р (t).

Поэтому надежность сложных систем получается низкой, например, при числе элементов n = 10 с одинаковой вероятностью безотказной работы 0,9 общая вероятность 0,9 =0,35.

В период нормальной эксплуатации машин износовые отказы еще не проявляются и надежность характеризуется внезапными отказами. Эти отказы называются неблагоприятным стечением многих обстоятельств и имеют постоянную интенсивность, не зависящую от продолжительности предшествующей эксплуатации изделия.

Технологичность. Под технологичностью понимают совокупность признаков, обеспечивающих наиболее экономичное, быстрое производительное изготовление машин применением прогрессивных методов обработки при одновременном повышении качества, точности и взаимозаменяемости частей. В понятие технологичности следует ввести также признаки, обеспечивающие наиболее производительную сборку изделия (технологичность сборки) и наиболее удобный и экономичный ремонт (технологичность ремонта).

Технологичность зависит от масштаба и типа производства. Единичное и мелкосерийное производство предъявляют к технологичности одни требования, крупносерийное и массовое - другие. Признаки технологичности специфичны для деталей различных групп изготовления.

На рисунке 2.1 показаны два примера конструктивного выполнения узлов редуктора, когда конструктор выбирает один из вариантов оценивая, в том числе, и технологичность конструкции.

В массовом производстве штампованные «крышка» и «шкив» будут при всех других равных условиях, более предпочтительны, т.к. себестоимость изготовления единицы продукции будет меньше, чем при получении деталей литьем с последующей механической обработкой. При единичном и серийном производствах оборудование и технологическая оснастка для штамповки не окупится.

Экономичность. При оценке экономичности учитывают затраты на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт.

Экономичность машин достигается за счет снижения материалоемкости, энергоемкости и трудоёмкости производства, за счет максимального коэффициента полезного действия в эксплуатации при высокой надежности; высокой специализацией производства и т. д.

Эргономичность. Совершенство и красота внешних форм машины и удобство обслуживания существенно влияют на отношение к ней со стороны обслуживающего персонала и потребителей.

Красивый внешний вид деталям, узлам и машине придают форма и внешняя отделка конструкции (декоративная полировка, окраска, нанесение гальванических покрытии и оксидных пленок и т. д.). Существенное значение имеет и влияние машин на окружающую среду.

Выполнение указанных требований обеспечивается в результате создания и совершенствования машин в процессе эксплуатации, в котором участвуют не только инженеры-конструкторы, но и инженеры-технологи, инженеры по эксплуатации и ремонту, инженеры-экономисты и другие специалисты, а также техники и рабочие, занятые в технологических процессах.

Вот почему для понимания принципа действия используемых на производстве машин, и в особенности для их совершенствования (например, с целью форсирования режимов работы, переналадки и т. п.), необходимо иметь представление о построении машин, распространенных в технике механизмах, методах их анализа и оценки надежности.

Дата добавления: 2014-11-07