Лекция № 3-4 Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств

Подождите немного. Документ загружается.

Лекция № 3,4

Тема 3. Принципы и методика конструирования

1. Машина - это устройство для получения определенного вида энергии и/или выполне-

ния работ (преобразователя энергии) в соответствии с ее функциональным предназна-

чением.

2. Общая функция машины (Аппарата) определяется ее целевым предназначением. Она

включает в себя совокупность операций. Которые позволяют решить конкретно по-

ставленные задачи в предусмотренных условиях.

3. Выполнение общей функции машиной (Аппарата) как правило предполагает участие

человека.

4. Конструирование является одним из этапов создания и жизненного цикла машины

(Аппарата). В общем случае в этом процессе можно выделить:

· научно-исследовательские работы по поиску идей и обоснованию концепций и

технико-экономической целесообразности создания будущего изделия (включая

патентные исследования, имитационное моделирование и экспериментальные

работы);

· собственно конструирование, включающее на предварительной фазе разработку

технических предложений (аванпроекта), а затем непосредственно эскизное

проектирование, макетирование, техническое проектирование. Такая последо-

вательность обеспечивает возможность вначале выбрать желаемый вариант

построения машины (прибора) из числа существующих альтернатив и пока-

зать его реализуемость (аванпроект), затем непосредственно детально про-

работать этот вариант и продемонстрировать технический облик образца

(эскизный проект, макетирование) и, наконец подготовить техническую доку-

ментацию на опытное и серийное производство (техническое проектирова-

ние);

· предсерийное (опытное) производство, отработка и испытания образца (с вне-

сением при необходимости изменений в конструкцию);

· серийное производство, поставки (продажи) и эксплуатация образца. В ходе се-

рийного производства, в зависимости от длительности этого периода, массового

спроса и на основании накопленного опыта эксплуатации возможна модерниза-

ция образца;

· прекращение производства и эксплуатации образца по причинам морального и

физического старения (по мере выработки ресурса) соответственно.

Конструкторская деятельность может вестись в рамках различных организационных

форм:

1. Заказное конструирование. Оно осуществляется специализированной проектной

организацией (конструкторским бюро) по заказу непосредственного потребителя.

В качестве последнего может выступать будущий производитель образца, ком-

мерческая структура, которая предполагает его поставлять на рынок или зани-

маться его эксплуатацией. В этом случае финансирование работы (в том числе

привлекаемых конструкторских бюро других организаций) осуществляется заказ-

чиком согласно заключаемых с заинтересованными сторонами контрактов

2. Инициативное конструирование. При этой форме организации конструирование

ведется силами самостоятельной проектной фирмы и финансируется за счет ее

собственных финансовых ресурсов или кредитов. Разработка ведется с ориента-

цией на потенциальных потребителей образца, а документация технического

проекта выступает в роли товара предлагаемого на инновационный рынок фирм-

производителей. Инициативное конструирование более характерно для образцов

массового спрос, а поскольку результат труда становится товаром для неопре-

деленного покупателя (отсутствует заказчик) оно сопряжено с коммерческим

риском.

3. Внутрифирменное конструирование. Оно выполняется специализированным

подразделением в составе многопрофильной организации (производство, сбыт

продукции). Финансирование осуществляется за счет прибылей фирмы и разра-

ботка может вестись в соответствии с планируемыми долгосрочными целями

фирмы в интересах совершенствования собственной производственной базы или

обновления выпускаемой продукции. В этом случае много зависит от стратегии

фирмы в области инновационной политики.

Конструирование всегда связано с необходимостью принимать решения на основе кри-

териального, волевого и случайного выбора. Наиболее целесообразным является крите-

риальный выбор.

При конструировании деталей, из которых состоят машины и их сборочные единицы,

имеют место два процесса (протекающих параллельно, последовательно и чередуясь):

расчет и изображение конструкции.

Основным направлением конструирования является оптимизация. В области опти-

мизации можно отметить два основных требования: получение желаемого эффекта при

минимальных затратах; получение максимального эффекта при использовании заданных

ограниченных ресурсов. Использование критериев минимальных затрат или максималь-

ного эффекта позволяет производить оптимизацию.

Процесс создания конструкции должен протекать в соответствии с требованиями

технического задания.

1. Задачи конструирования.

Задача конструктора состоит в создании машин, полно отвечающих потребностям на-

родного хозяйства, дающих наибольший экономический эффект и обладающих наиболее

высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями.

Главными показателями являются:

o высокая производительность,

o экономичность,

o прочность,

o надежность,

o малые масса и металлоемкость,

o малые габариты,

o энергоемкость,

o объем и стоимость ремонтных работ,

o расходы на оплату труда операторов,

o высокий технический ресурс и степень автоматизации,

o простота и безопасность обслуживания,

o удобство управления,

o удобство сборки и разборки.

o требования технической эстетики.

Значимость каждого из перечисленных факторов зависит от функционального

назначения машины: общие: производительность, потребляемая энергия, малая масса

конструкции, высокий КПД, четкость и безотказность действия, степень автоматизации и

специяльные например в пищевой промышленности это санитарные требования, в зер-

нопереработке требования связанные с взрывоопасностью.

в машинах-генераторах и преобразователях энергии на первом месте стоит вели-

чина КПД, определяющего совершенство преобразования затрачиваемой энергии в по-

лезную ;в машинах-орудиях – производительность, четкость и безотказность дейст-

вия, степень автоматизации; в металлорежущих станках – производительность, точ-

ность обработки, диапазон выполняемых операций; в приборостроении – чувствитель-

ность, точность, стабильность показаний; в транспортной технике, особенно в авиа-

ционной и ракетной - малая масса конструкции, высокий КПД двигателя, обусловли-

вающий малую массу бортового запаса топлива.

Проектируя машину, конструктор должен добиваться всемерного увеличения ее

рентабельности и повышения экономического эффекта за весь период работы. Экономи-

ческий эффект зависит от обширного комплекса технологических, организационно-

производственных и эксплуатационных факторов.

2. Методика конструирования. Общие методы конструирования оборудования.

В общем случае Конструирование можно разбить на четыре этапа:

I. Анализ ТЗ, прогнозирование. Проанализировать ТЗ: сформулировать Основ-

ной принцип

II. Выявление технических решений. Выявить ТР, целесообразные комбинации

которые дают все возможные решения задачи (Рабочие принципы)

III. Анализ вариантов и выбор значимых решений. Найти содержащиеся в каждом

решении недостатки и принять меры к уменьшению их количества (ошибки

должны быть исключены полностью) или их действия. Выявить ТР с min–min

числом недостатков – путем сравнительной оценки (Оптимальный рабочий

принцип).

IV. Изготовление КД. (КД для практической реализации объекта)

Этап I. Анализ ТЗ, прогнозирование.

Анализ ТЗ проводится на основании требований к объекту конструирования и об-

щих правил конструирования (см. Орлов кн.1, 1977г, стр. 63...67=52).

Разработка технических объектов связанна с конкретной производственной необхо-

димостью и/или потребностями человека.

Подготовка производства, изготовление и эксплуатация объекта, происходят в кон-

кретных производственных и эксплуатационных условиях.

Основные требования к объекту конструирования.

1. функциональное соответствие (назначение), высокая производительность; высо-

кое качество, надежность и ремонтопригодность.

2. удобство применения, (специализация или универсальность)

3. соответствие конструкции объекта технологическим условиям изготовления на

конкретном производстве в конкретном количестве. (Литье, штамповка, сварка и

т.д.; – единичное – серийное – массовое; одно – серия). Для это учитываются:

a. оборудование, инструмент, оснастку для изготовления, сборки и контро-

ля;

b. квалификация персонала и состояние технологической дисциплины.

c. материалы, полуфабрикаты, заготовки, (их наличие и дефицитность).

4. соответствие требованиям СТ (ГОСТ, ОСТ, СТП),ТУ, Правил, Инструкций,

Норм.

5. соответствие КД на объект требованиям ЕСКД.

Для выполнения этих требования проводится выходной конструкторский, техноло-

гический и норма–контроль КД.

Кроме того в процессе изучения и анализа ТЗ конструктор:

–наводит справки;

–знакомится с литературой;

–изучает чертежи, приложенные к ТЗ, и аналогов;

–уточняет ТехТребования к объекту и выясняет ограничения (условия, которые обя-

зательно должны быть соблюдены при решении задачи).

Результат анализа ТЗ – уяснение цели конструирования (основного принципа рабо-

ты объекта);

После анализа ТЗ должно происходить прогнозирование результатов конструирова-

ния.

Методы прогнозирования:

· метод экстраполяции, основанный на использовании накопленного опыта и

преимущественно применяемый при краткосрочном прогнозировании;

· метод экспертных оценок, заключающийся в использовании мнения группы

специалистов – экспертов; этот метод носит субъективный характер, поэтому

его используют при отсутствии достаточно систематизированной информации

или при зависимости научно – технического развития в основном от прини-

маемых решений, а не от технических возможностей;

· метод моделирования, основанный на использовании для анализа моделей,

созданных на базе теории подобия.

Прогнозирование конструкций машин так же может включать рассмотрение:

функционального назначения машин,

основные технические и экономические параметры,

возможные компоновочные схемы,

новые материалы и виды заготовок,

новую технологию изготовления деталей и узлов и др.

прогнозирование отдельных параметров машины, например, массы. Вопрос об огра-

ничении массы машины часто возникает на начальной стадии проектирования, тогда

производится анализ подобных конструкций и выявляется зависимость массы от глав-

ных параметров машины. Устанавливается возможность снижения массы в результа-

те усовершенствования методов расчета и конструирования, технологии изготовления,

применения более совершенных материалов.

Между исходными данными, служащими основой конструирования детали, сущест-

вуют взаимосвязи, подлежащие анализу. На основе этих связей должно происходить про-

гнозирование (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема взаимосвязей между исходными данными, учитываемых при конст-

руировании детали.

Взаимосвязь 1-2. Повышение компактности при уменьшении затрат труда и средств

при сборке, техническом обслуживании и ремонте достигается выполнением требований

компоновки сборочной единицы.

Одним из направлений удовлетворения требований компоновки сборочной единицы

является разработка конструкции деталей малых габаритных размеров из высокопроч-

ных материалов.

Взаимосвязь 1-3. Уменьшение затрат труда и средств для компоновки сборочной

единицы в отношении технического обслуживания и ремонта связано с выбором поло-

жения детали, соответствующего наиболее благоприятному нагрузочному режиму.

Взаимосвязь 1-4. Удовлетворение требований компоновки сборочной единицы в

части компактности с использованием малогабаритных деталей из высокопрочных мате-

риалов и применением упрочняющей технологии.

Взаимосвязь 1-5. Сокращение числа циклов нагружения для уменьшения усталост-

ных повреждений и увеличения долговечности детали.

Взаимосвязь 2-4. Обеспечение достаточных размеров опасного сечения детали; при

этом особое внимание следует уделять конструкции соединения, а не конструкции самой

детали, входящей в соединение.

Взаимосвязь 2-5. Повышение долговечности, снижение затрат труда и средств при

техническом обслуживании и ремонте.

Взаимосвязь 3-4. Повышение статической прочности вследствие увеличения разме-

ров детали с учетом наибольших полных нагрузок.

Взаимосвязь 3-5. Эта взаимосвязь имеет одностороннее направление, так как долго-

вечность детали определяется внешними нагрузками, зависящими от условий эксплуата-

ции.

Взаимосвязь 4-5. Классификация условий эксплуатации и поиск решений, позво-

ляющих обеспечить необходимую прочность и долговечность в данных условиях экс-

плуатации.

При анализе и прогнозировании при проектировании необходимо учитывать взаи-

мосвязи между основными параметрами конструкции.

Рисунок 2. Схема взаимосвязей между основными параметрами конструкции детали.

Применительно к типовым деталям, изготовляемым методами холодной обработ-

ки, в процессе конструирования определяют следующие основные параметры: форму,

материал, конструкторские базы, размеры, массу, шероховатость поверхностей (рису-

нок 2).

Взаимосвязь 6-8. Обеспечение требований к форме детали, обусловленных компо-

новочным решением сборочной единицы, прочностными расчетами, возможностями об-

работки прогрессивными методами при минимальных затратах труда и средств на изго-

товление.

Взаимосвязь 7-10. Выбор материала, обусловленный служебным назначением дета-

ли при обеспечении ее надежности и минимальных трудовых и денежных затрат на изго-

товление и ремонт. Снижение массы детали требует применения материалов с соответст-

вующими прочностными характеристиками и наименьшей плотностью.

Взаимосвязь 7-12. Выбор материала в зависимости от служебного назначения дета-

ли. Для обеспечения этого устанавливают минимальные параметры шероховатости по-

верхности.

Взаимосвязь 8-11. Обеспечение определенного положения детали в сборочной еди-

нице базированием.

Взаимосвязь 9-10. Проведение расчетов на прочность и определение компоновочных

решений сборочной единицы для определения размеров детали с учетом компактности.

Взаимосвязь 12-11. Определение служебного назначения детали в зависимости от

шероховатости ее поверхностей, которая зависит от класса точности и метода обработки.

Основными требованиями, предъявляемыми при выборе материала детали, являются

обеспечение прочности, долговечности, заданной массы, шероховатости, унификации,

условий термообработки и др.

Этап II.Выявление технических решений.

Выявление ТР, целесообразные комбинации которых дают все возможные решения

задачи основано на анализе существующих конструкций и принципов их работы.

Основные принципы на которых базируются выбор ТР

1. Поиск большого количества вариантов ТР для выбора наилучшего;

2. Стремление выяснить все необходимые детали, способные повлиять на конст-

руируемый объект.

3. Оценить сравнительную важность каждого варианта, чтобы облегчить выбор оп-

тимального или создать компромиссный.

4. Избегать поспешных решений и чрезмерного влияния авторитетных решений.

5. Правильно оценивать результаты расчетов и рационально их использовать.

6. Добиваться простоты конструкции. Например, если предполагается ввести новый

узел или изменить уже существующий, надо уточнить, нельзя ли вообще обой-

тись без них.

7. Избегать сложных, многодетальных конструкций.

8. Не использовать в конструкции объекта элементы (узлы и механизмы), работо-

способность которых сомнительна и требует экспериментальной проверки.

Обязательное условие – Улучшение конструкции по некоторым параметрам за счет

ухудшения качества, надежности и безопасности работы ее недопустимо.

Требования предъявляемые к конструкции обычно противоречивы. Поэтому, улуч-

шая один параметр объекта, конструктор влияет на др., нередко ухудшая их. Важно оце-

нить эти влияния, принимая компромиссное решение, которое в конкретном случае бу-

дет оптимальным.

При оценки требований, предъявляемых к объектам разработки, необходимо учиты-

вать следующее:

· Уменьшение массы объекта вызывает уменьшение прочности и жесткости.

· Компактная, малогабаритная конструкция влечет за собой улучшение условий

сборки, обслуживания, регулировки и ремонта.

· Применение дешевых материалов вызывает ухудшение прочности, износо-

стойкости и долговечности.

· Создание простой конструкции объекта накладывает ограничения на техниче-

ские и технологические возможности его работы.

· Увеличение скорости действия механизма приводит к росту инерционных сил

и нагрузок на детали и узлы.

· Разбивка конструкции на модули (узлы) для облегчения организации их сбор-

ки (или транспортировки) ведет к уменьшению жесткости конструкции, по-

вышает трудоемкость сборки.

· Создание конструкции для разных режимов работы и разных операций (уни-

версальной) наносит экономический ущерб при эксплуатации объекта на од-

ной операции.

Для нахождения лучшего конструктивного решения конструктор должен создать как

можно больше вариантов конструкции, т.к. в каждом варианте возможно решение тех

или иных вопросов в разной степени.

Методы позволяющие создать большее количество вариантов ТР:

Инверсия (сделай наоборот) – метод получения нового ТР путем отказа от традици-

онного взгляда на задачу. При этом взгляд на задачу осуществляется обычно с диамет-

рально противоположной позиции.

Принцип инверсии: –

– С наружи – изнутри;

Вертикально – горизонтально;

Вертикально – вверх дном (вверх ногами);

С лицевой стороны – с обратной стороны;

Поверхность охватывающая – поверхность охватываемая;

Симметрично – асимметрично;

Ведущее – ведомое;

Жидкое – твердое;

Вредное – полезное;

Жесткое – гибкое;

Аналогия (метод прецедента) – использование ТР из др. областей науки и техники.

Аналогичные решения, используемые для решения инженерных задач, могут быть заим-

ствованы из живой природы как конструкции и элементы биомеханики.Метод прецеден-

та использует аналогию с ранее разработанными конструкциями.

Аналогия может не только использовать ранее созданные конструкции, но и моде-

лировать разные качества: форму, цвет, звук и т.п.

Эмпатия – отождествление личности конструктора с объектом разработки, т.е. эле-

ментом или процессом: "вхождение в образ". Этот метод приводит к новому взгляду на

задачу.

Комбинирование – использование в конструкции в разном порядке и в разных со-

четаниях отдельных ТР, процессов, элементов. При этом можно найти новое качество,

дополняющий положительный эффект.

Метод комбинирования может применяться по трем схемам объединения элементов:

новое + новое

старое + старое

Комбинации элементов могут быть разного характера: мех. соединение, соединение

через промежуточные элементы, дублирование, образования многоступенчатых конст-

рукций и др.

Компенсация – уравновешивание нежелательных и вредных факторов средствами

противоположного действия. Например, часто необходимо компенсировать влияние мас-

сы, сил инерции, трения, различные потери ... – это осуществляется с помощью компен-

саторов (постоянных, регулируемых, автоматических, пружинных и др.).

Динамизация – превращение неподвижных и неизменных элементов конструкции в

неподвижных и неизменных элементов конструкции в подвижные и изменяемой формы.

Агрегатирование – создание множества объектов или их комплексов, способных

выполнять различные функции, либо существовать в различных условиях. Достигается

путем изменения состава объекта или структуры его составных частей.

Способы агрегатирования:

1. соединение агрегатов с самостоятельным объектом представляющим комплекс

(транспортер с подвесными орудиями);

2. агрегатирование присоединением, когда к базовой составной части могут присое-

диняться различные зависимые составные части;

3. агрегаты, узлы, детали (например, агрегатные станки; поворотно–делительные

столы + силовые узлы: механизм главного движения и механизм подач);

4. агрегатирование изменением, когда в объекте могут применяться всевозможные

варианты составных частей при различной компоновке (например, различные ва-

рианты кузова автомобиля на одном шасси ...).

Компаундирование – состоит с том , что для увеличения производительности па-

раллельно соединяются два технических объекта. Соединение производится различными

приемами:

Блочно–модульное конструирование – предусматривает создание изделий на ос-

нове модулей и блоков. Модуль – составная часть изделия, состоящая преимущественно

из унифицированных или стандартных элементов различного функционального назначе-

ния.

Резервирование (дублирование) – увеличение числа технических объектов для по-

вышения надежности изделия в целом.

Мультипликация – повышение эффективности за счет использования нескольких

рабочих органов, выполняющих одни и те же функции (по местам; многодетальная обра-

ботка; многоэтажные конструкции; многослойные конструкции и т.п.).

Метод расчленения – заключается в мысленном разделении традиционных техни-

ческих объектов с целью упрощения выполняемых или функций и операций. Секциони-

рование предполагает дробление ТО на конструктивно подобные составные части – сек-

ции, ячейки, блоки, звенья.

Ассоциация – использование свойства психики при появлении одних объектов в

определенных условиях вызывать активность других, связанных с первыми. Совпадение

определенных признаков разных объектов позволяет найти нехарактерные решения.

(Например, мех. манипулятор, имитирующий работу руки ...).

Идеализация – падение реальных объектов нереальными, неосуществимыми свой-

ствами и изучение их как идеальных (точка, линия, абсолютно твердое (черное) тело и

др.). Этот метод позволяет значительно упростить сложные системы, обнаружить суще-

ственные связи и применить математические методы исследования.

Совокупность комбинаций найденных ТР – основа для создания конструкции объек-

та.

Этап III. Анализ вариантов и выбор значимых решений.

Это труднейший и самый ответственный этап конструирования. От результатов его

выполнения зависит качество объекта на всех стадиях жизненного цикла.

Анализ вариантов конструкции целесообразно проводить в соответсвии с принци-

пами системного подхода.

Основными задачами системного подхода являются исследования специфических

связей, установление закономерностей, присущих отдельным типам систем, и разработка

на этой основе определенных методов их описания и изучения. Итогом системных раз-

работок является непосредственное изложение того или иного метода решения специ-

альных задач.

При конструировании машина или аппарат рассматриваются как системы. При ис-

пользовании системного подхода обращается внимание на структуру объекта (системы)

и свойства его частей, проявляющиеся в их взаимосвязи. Одним из главных вопросов

системного анализа является выбор соответствующего критерия, позволяющего устано-

вить предпочтительный вариант конструкции при решении многовариантных задач.

Этап IV.Изготовление КД.

следующая лекция Стадии проектирования при разработке конструкторской документации.

3. Экономические основы конструирования.

Экономический фактор играет первостепенную роль в конструировании. Частности

конструкции не должны заслонять основной цели конструирования – увеличения эконо-

мического эффекта машин.

Факторы от которых зависит экономичность конструкции

1. стоимость конструирования и изготовления машины (определенные тех решения,

материалы, способы обработки)

2. полезной отдача машины

3. надежность,

4. эксплуатационных расходов (расходы на оплату труда операторов, потребление

энергии, стоимость ремонтов и утилизации)

Численные характеристики, определяющие экономичность машины: Коэффициент

использования машины, Рентабельность, Экономический эффект, Срок окупаемости.

Коэффициент использования машины представляет собой отношение времени

фактической работы машины за определенный период к длительности этого периода.

исп

. (1)

где Н – период эксплуатации машины, h – фактическое время работы машины за

этот период

Величина

исп

для машин зависит главным образом от:

1) числа рабочих смен и

2) холостого времени (простои из-за неисправности машины, недогрузка из-за на-

рушений производственного ритма).

При работе в одну, две и три смены средние значения коэффициента использования

соответственно

исп

=0,2; 0,4; 0,6, при круглогодичной непрерывной работе

исп

=0,95..1.

У машин периодического действия, например, машины сезонного применения, коэффи-

циент использования снижается до 0,05 – 0,10.

Рентабельность машины q выражается отношением полезной отдачи машины От

за определенный период к сумме расходов Р за тот же период

От

q = . (3)