ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ

Задача конструктора состоит в том, чтобы создать машину или оборудование, наиболее полно отвечающее поставленным требованиям, дающие наибольший экономический эффект и обладающие наиболее высокими технико – экономическими и эксплуатационными показателями.

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.

Экономические основы конструирования машин.

Экономический фактор играет первостепенную роль в конструировании. Частности конструирования не должны заслонять основной цели - увеличения экономического эффекта машин.

Экономически конструировать - не только уменьшать стоимость изготовления, избегать сложных и дорогих решений, применять наиболее дешевые материалы и простые способы обработки. Главное значение имеет то, что экономический эффект определяется полезной отдачей машины и суммой эксплуатационных расходов за весь период работы машины.

Экономически направленное конструирование должно учитывать весь комплекс факторов, определяющих экономичность машины. Частная экономия часто ведет к снижению суммарной экономичности.

Главными факторами, определяющими экономичность машины, являются полезная отдача, надежность, расходы на оплату труда операторов, потребление энергии и стоимость ремонтов.

Коэффициент использования представляет отношение h времени фактической работы машины за определенный период к длительности этого периода H:

Если машина работает до полного исчерпания своего ресурса, то h представляет собой долговечность машины D (общую возможную ее наработку за период эксплуатации). Тогда:

Рентабельность машины g выражается отношением полезной отдачи От за определенный период к сумме расходов Р за тот же период:

Сумма расходов в общем случае складывается из стоимости:

Э_н - расходуемой энергии;

М_т - материалов и заготовок;

И_н - инструмента;

Т_р - оплаты труда операторов;

О_б - технического обслуживания;

Р_м - ремонта;

Н_к - накладных цеховых и заводских расходов;

А_м - амортизационных расходов:

Р=Э_н+М_т+И_н+Т_р+О_б+Р_м+Н_к+А_м.

Величина рентабельности gдолжна быть больше 1 , иначе машина будет работать убыточно, и смысл ее существования утрачивается.

Экономический эффект (годовой доход):

Суммарный экономический эффект ΣQ за весь период службы (общий доход) равен разности суммарной отдачи ΣОт и суммы расходов ΣР:

ΣQ= ΣОт – ΣР

Заменяя

ΣОт=D(От) Σам=Ст (стоимость машины)

Получим

ΣQ=D[От-(Эн+Мт+Ин+Тр+Об+Нк)] – ΣРм - С

Выражение позволяет производить анализ конструкторских решений на суммарный экономический эффект от разработки, изготовления, эксплуатации, ремонта и обслуживания машины или оборудования.

Полезная отдача.

Полезная отдача выражается стоимостью продукции илиполезной работы, выполняемой машиной в единицу времени.Полезная отдача зависит от производительностимашин, т. е. от числа операций(или единиц работы), ею выполняемых в единицу времени, иот стоимости операций(единиц работы).

Производительность оборудования повышают интенсификацией технологических операций, применением приспособлений и специальной оснастки.

Главными способамиповышения производительности являются:

1. Увеличение числа одновременно осуществляемых над изделием операций;

2. Увеличение числа одновременно обрабатываемых изделий;

3. Сокращение длительности технологического цикла;

4. Автоматизация технологического процесса.

Машине или оборудованию должна быть придана наибольшая возможная

производительность, согласованная с реальными требованиями производства и перспективами его развития. Рабочие органы рассчитывать на максимальный объем операций с соответствующим выбором ее кинематики, мощности и надежности.

Долговечность.

Долговечность есть общее время,которое машина может отработать на номинальном режиме в условиях нормальной эксплуатации без существенного снижения основных расчетных параметров, при экономически приемлемой суммарной стоимости ремонтов.

Иногда применяют понятие «ресурс машины» - время работы машины в часах до первого капитального ремонта.

Для машин и оборудования периодического действия долговечностьпредставляет собой общее число операцийили единиц работы, которые может произвести до предельного износа.

Ресурс долговечности, закладываемой в машину, должен быть составлен со степенью ее использования.

Основные факторы, ограничивающие надежность машины, следующие:

• поломки деталей;

• износ трущихся поверхностей;

• повреждения поверхностей в результате действия контактных напряжений, наклепа и коррозии;

• пластические деформации деталей, вызываемые местным или общим переходом напряжений за предел текучести или (при повышенных температурах) ползучести.

Прочностьв большинстве случаев не является непреодолимым лимитом. Факторы случайности можно свести к минимуму:

• производственные (колебания механических характеристик и технологические дефекты) - контролем изделий на всех этапах изготовления;

• эксплуатационные (перегрузки, неправильное обращение) - чисто конструктивными мерами (введением систем защиты, предохранителей, блокировок).

Изнашиваемостьв наибольшей степени определяет долговечность. Виды износов:

1. Механический:

• абразивный износ;

• износ при трении скольжения;

• износ при трении качения;

• контактный износ.

2. Химический (коррозионный);

3. Тепловой;

4. Кавитационно-эрозионный.

Главные способы повышения износостойкости при механическом износе:

1. увеличение твердости трущихся поверхностей;

2. подбор материалов трущихся пар;

3. уменьшение давления на поверхности трения;

4. повышение качества поверхностей;

5. правильный выбор и организация смазки;

6. компенсация износа (подтяжка подшипников и т. д.)

Ничтожные в общем балансе дополнительные расходы на повышение долговечности дают в конечном счете огромный выигрыш в результате увеличения суммарной полезной отдачи машины, уменьшением простоев и стоимости ремонтов.

Стремясь к удешевлению машины, не надо жалеть затрат на изготовление деталей, определяющих надежность машин (например поршневые кольца, подшипники и т. п.).

Долговечность машины можно искусственно продлить восстановительными ремонтами. Однако этот путь экономически нецелесообразен, так как иногда расходы на восстановительные работы во много раз превышают первоначальную стоимость машины.

Конструирование машин следует вести с учетом динамики развития, т. е. должны закладываться резервы производительности, мощности, полезной отдачи, диапазона выполняемых операций, что позволяет последовательно модернизировать машину, предотвращая моральное и техническое устаревание.

Эксплуатационная надежность.

Надежность машины и оборудования складывается из следующих признаков:

• высокая долговечность;

• безотказность действия;

• безаварийность;

• стабильность действия (способность длительно работать без снижения исходных параметров и выдерживать перегрузки);

• малый объем операций обслуживания и ухода;

• простота обслуживания;

• живучесть (способность при частичных повреждениях продолжать некоторое время работу, хотя бы на сниженных режимах);

• устранимость повреждений и неполадок (сохранение ремонтопригодности);

• большие межремонтные сроки;

• малый объем ремонтных работ.

Пути повышения надежности

1. Повышение прочности:

• применение выгодных профилей и форм;

• равномерная нагрузка на все элементы;

• максимальное использование прочности материала.

2. Повышение жесткости:

• правильный выбор схемы нагружения;

• рациональная расстановка опор;

• придание конструкции жестких форм.

3. Предотвращение износа:

• выбор пар трения;

• организация системы смазки.

4. Правильная эксплуатация:

· уход;

· профилактика;

· предотвращение перегрузок.

Условия правильной эксплуатации машины и оборудования должны быть заложены в их конструкцию – «Защита от дурака»

Наиболее целесообразна полная автоматизация управления, т.е. превращение машины в самообслуживающийся на оптимальный режим работы агрегат (например – автоматическая коробка передач).

Следует шире применять метод моделирования эксплуатационных условий, заключающийся в стендовых или эксплуатационных испытаниях машины на форсированном режиме в условиях, заведено более тяжелых, чем нормальная работа машины.

Унификация и стандартизация.

Унификация состоит в многократном применении в конструкции одних и тех же элементов, что способствует сокращению номенклатуры деталей и уменьшению стоимости изготовления, упрощение эксплуатации и ремонта,

Степень унификации оценивают коэффициентом унификации:

Числа:

;

Массы:

;

Стоимости:

.

Стандартизацияесть регламентирование конструкции и типоразмеров широко применяемых машиностроительных деталей и агрегатов.

Стандартизация дает наибольший эффект при сокращении числа применяемых типоразмеров стандартов, т. е. при их унификации.

Степень стандартизации оценивают коэффициентом:

;

где N_c – число стандартных деталей;

N – общее число деталей в изделии.

Образование производных машин на базе унификации.

В настоящее время существует несколько направлений создания на базе исходной модели ряда производных машин одинакового назначения, но с различными показателями или машин различного назначения.

Секционирование

Заключается в разделении машины на одинаковые секции и образование производных машин набором унифицированных секций.

Секционированию хорошо поддаются транспортеры (ленточные, скребковые, ковшовые), дисковые фильтры, пластинчатые теплообменники, центробежные, вихревые и аксиальные гидронасосы.

Экономичность образования машин этим способом мало зависит от введения отдельных нестандартных секций.

Метод изменения линейных размеров

При этом методе с целью получения различной производительности машин и агрегатов изменяют их длину, сохраняя форму поперечного сечения. Метод применим к ограниченному классу машин, производительность которых пропорциональна длине ротора (шестеренчатые и центробежные насосы, компрессоры, вальцовочные машины, дробилки и т. д.).

Степень унификации при этом методе невелика. Унифицируются только торцовые крышки корпусов и вспомогательные детали.

Повышение нагрузочной способности зубчатых передач за счет увеличения длины зубьев колес с сохранением их модуля.

Метод базового агрегата

В основе метода лежит применение базового агрегата, превращаемого в машины различного назначения, присоединением к нему специального периферийного оборудования.

Базовый агрегат применяют, как правило, серийно выпускаемый.

Присоединение специального оборудования требует разработки дополнительных механизмов и агрегатов, которые можно в значительной степени унифицировать.

Конвертирование

При методе конвертирования базовую модель или се основные элементы используют для создания агрегатов различного назначения, иногда близких, а иногда различных по рабочему процессу.

Примером может служить перевод на другой вид энергии или вещества, на инверсию работы (двигатель-генератор, двигатель-компрессор и т. п.).

Компаундирование

Метод компаундирования (параллельного соединения машин или агрегатов) применяют с целью увеличения общей мощности или производительности установки. Спариваемые машины могут быть установлены рядом как независимые агрегаты или связаны друг с другом синхронизирующими, транспортными и другими подобными устройствами, или, наконец, конструктивно объединены в один агрегат.

Пример: Установка двух или большего числа двигателей на самолете. Помимо повышения общей мощности (при затруднительности создания двигателя большей мощности) этот способ дает дополнительные возможности и повышает надежность.

Примером совмещения второго типа является установка машин - оборудования группами в автоматической линии для обеспечения требуемой производительности.

При объединении не общей станине получается многолинейная параллельно-поточная машина с кратной производительностью.

Модифицирование и модернизация

Модифицированием называют переделку машины с целью приспособить ее к иным условиям работы, операциям и видам продукции без изменения основной конструкции. Модернизация заключается в переделке машин с целью улучшения показателей. Модифицирование может сводиться к замене материалов.

Агрегатирование

Агрегатирование заключается в создании машин путем сочетания унифицированных агрегатов, представляющих собой автономные узлы, устанавливаемые в различном числе и комбинациях на общей станине.

Наиболее полно отражается в агрегатных металлообрабатывающих станках и унифицированном механическом сварочном оборудовании.

Частичным агрегатированием является использование стандартизованных узлов и агрегатов, серийно выпускаемых промышленностью (редукторы, насосы, компрессоры, мотор-редукторы), а также заимствованные с серийно выпускаемых изделий, узлов и агрегатов (коробок скоростей, механизмов перемещения и муфт и т. д.).

Унифицированные ряды

Метод заключается в образовании ряда произвольных машин различной мощности или производительности путем изменения числа главных рабочих органов и их применения в различных сочетаниях. Такие ряды называют семейством, гаммой или сериеймашин. Метод применим к машинам и оборудованию, мощность или производительность которых зависит от числа рабочих органов.

Метод обеспечивает следующие технологические и эксплуатационные преимущества:

• упрощение, ускорение и удешевление процессов проектирование и изготовления машин;

• возможность применения высокопроизводительных методов обработки унифицированных деталей;

• уменьшение сроков доводки и освоения опытных образцов (благодаря отработанности главных рабочих органов);

• облегчение эксплуатации;

• сокращение сроков подготовки персонала.

• Классический пример - ДВС на основе унифицированной цилиндровой группы и частично унифицированной шатунно-поршневой группы.

Другая область применения унифицированных рядов - роторные линии, в которых производительность пропорциональна числу операционных блоков. Наряду с изменением числа операционных блоков на роторных машинах можно менять блоки, приспосабливая машину к выполнению различных операций. Это пример сочетания метода унифицированных рядов с методами конвертирования или агрегатирования.

Унификация нередко сопровождается ухудшением качества, особенно в случае производных рядов большого диапазона. Крайние члены ряда но габаритам, металлоемкости и эксплуатационным показателям, как правило, уступают специализированным машинам.