Тема 9 Автоматизированные расчеты, конструирование и проектирование

Общая характеристика автоматизированного проектирования, Системы автоматизированного проектирования (САПР). Человек в системе АПР. Математические модели технической системы (инженерного объекта), методы оптимизации технических решений. Комплекс средств автоматизированного проектирования.

Структура САПР. Общая задача оптимального проектирования деталей машин. Минимизация целевой функции на ЭВМ (например, масса или стойкость детали) при ограничениях, выражаемых условиями прочности, жесткости и устойчивости.

Примеры расчетов на ЭВМ, составление алгоритмов расчетов приводов оборудования. Расчеты на прочность и жесткость с помощью ЭВМ деталей металлургических машин; валов, станин, винтовых пар и др.

Перспективы развития автоматизированного конструирования и проектирования металлургических машин. [10, С. 340–341; 15, С. 349–355; 17; 18; 23]

Контрольная работа

В соответствии с учебным планом по данному предмету студенты заочной формы обучения выполняют одну контрольную работу. Представляется она на кафедру в отдельной тетради с соблюдением необходимых норм и требований к оформлению самостоятельных письменных работ студента. Исправления и дополнения по замечаниям рецензента вносятся в конце тетради на чистых листах или во вклеенные чистые листы по тексту (месту) исправлений. В случае грубых ошибок в начале расчета, работу, как правило, следует переоформить заново.

В структурном отношении контрольная работа состоит из двух частей: теоретической и практической, имеет вариантный характер. Для каждого номера варианта теоретические вопросы и номер задачи указаны в таблице 1. Номер выполняемого студентом варианта указывается преподавателем на установочной сессии согласно шифру студента.

Таблица 1 – Варианты заданий на контрольную работу

Последняя цифра шифра	Номера теоретических вопросов
1	1, 10, 20, 30, 40, 50
2	2, 11, 21, 33, 49, 55
3	3, 12, 22, 34, 48, 54
4	4, 15, 23, 35, 47, 56,
5	5, 14, 26, 36, 46, 53,
6	6, 16, 27, 37, 45, 57,
7	7, 19, 28, 38, 44, 52,
8	8, 13, 29, 39, 43, 58,
9	9, 17, 24, 31, 42, 51,
0	10, 18, 25, 32, 41, 59,

Таблица 2 – Перечень теоретических вопросов контрольной работы

№ п/п	Текст вопроса
1	Новая техника – показатель технического уровня машиностроения
2	Роль проектных и конструкторских организаций в создании современного металлургического оборудования
3	Иерархия и специализация проектно-конструкторских организаций
4	Проектирование и конструирование: общность и отличие
5	Проектно-конструкторская деятельность на металлургическом предприятии
6	Особенности современного металлургического производства
7	Общие требования к металлургическому оборудованию
8	Уровни конструкторской деятельности
9	Определение трудоемкости конструкторских разработок
10	Причины и «цена» конструкторских ошибок
11	Рабочее место конструктора: организация и перспективы развития
12	Особенности деятельности профессионального конструктора
13	Общность и различие в деятельности конструктора и изобретателя
14	Виды изделий и их структура
15	Циклы жизни машин в сфере воспроизводства и сфере эксплуатации
16	Техническая документация на разработку: структура и содержание составляющих
17	Конструкторская документация (КД) на изделие: структура и содержание
18	Состав графических документов КД
19	Состав текстовых документов КД
20	Стадии разработки КД: содержание и последовательность
21	Единая система конструкторской документации (ЕСКД)
22	Роль стандартизации и унификации при конструировании металлургических машин
23	Показатели стандартизации и унификации

Продолжение табл. 2

№ п/п	Текст вопроса
24	Методы тиражирования машин на основе унификации
25	Новейшая техническая информация при конструировании: источники и роль
26	Технические условия и нормализация изделий
27	Фактор эргономики при конструировании машин
28	Роль патентной информации – прогресса будущей техники
29	Применение темплетов, моделей и макетов при конструировании
30	Виды испытаний, доводка и приемка изделия в эксплуатацию
31	Нормоконтроль КД: сущность, последовательность.
32	Хранение и оборачиваемость КД
33	Карта технического уровня и качества продукции
34	Экономические основы конструирования машин
35	Нормативный срок службы машин и срок окупаемости изделий
36	Материалоемкость машин: структура и методы разработки оптимальной массы изделий
37	Трудоемкость машин: структура и показатели
38	Энергоемкость изделий и способы её снижения
39	Себестоимость создаваемой машины
40	Функционально-стоимостный анализ (ФСА) при конструировании (реконструкции) изделий
41	Функциональная структура объекта и этапы ФСА
42	Методы оптимизации технических решений: основные термины и понятия
43	Выбор оптимальных параметров изделий
44	Методологические основы оптимизации
45	Расчет при конструировании. Понятие равнопрочности
46	Изложите методику (последовательность) любого расчета на прочность
47	Основы расчета на ограниченную долговечность деталей металлургического оборудования

Продолжение табл. 2

№ п/п	Текст вопроса
48	Усталостные явления при цикловых режимах нагружения деталей машин
49	Машина и её привод. Конструктивно-силовая схема машины
50	Оптимизация компоновки машины
51	Стяжные соединения: нагруженные и ненагруженные. Методика расчета
52	Опоры скольжения и опоры качения
53	Уплотнение неподвижных и подвижных соединений
54	Понятие о смазочных системах и смазочных устройствах
55	Основы конструирования литых деталей. Использование принципа направленного затвердевания и принципа одновременного затвердевания
56	Конструирование сварных изделий
57	Предотвращение коробления и образования трещин. Методы снятия остаточных напряжений
58	Технологичность деталей, получаемых механической обработкой
59	Общая характеристика автоматизированного проектирования
60	Система автоматизированного проектирования (САПР)
61	Человек в САПР. Структура САПР
62	Математические модели инженерного объекта
63	Комплекс средств автоматизации проектирования
64	Минимизация целевой функции на ЭВМ
65	Перспективы развития автоматизированного проектирования и конструирования металлургических машин

Практическая часть контрольной работы

Задача 1

Определить основные экономические показатели разрабатываемого вальцетокарного станка, например модели 1К825Ф2, применяемого для формирования калибров на бочках прокатных валков сортопрокатных клетей стана 600. Станок планируется установить в здании вальцетокарного отделения сортопрокатного цеха ОАО "АМК". Исходные данные к расчету представлены в таблице 3.

В таблице 3 приняты обозначения:

–стоимость машины с учетом расходов на транспортирование и установку, грн;

–полная полезная отдача, грн;

–мощность электродвигателя станка, кВт;

–режим работы, количество рабочих смен за сутки;

–коэффициент загрузки машины;

–доля накладных расходов от фонда оплаты труда;

–нормативный срок службы машины, лет;

–тарификационный разряд рабочего станочника, обслуживающего станок.

Таблица 3 – Исходные данные к расчету

№ вар.
1	43100	3682000	45	3	0.75	0.2	11	6
2	24000	6176000	60	3	0.85	0.6	10	5
3	39000	4924000	65	2	0.85	0.6	11	6
4	33300	3113000	50	3	0.85	0.2	13	5
5	29000	3536000	65	2	0.80	0.5	12	6
6	31500	3638000	45	2	0.75	0.5	14	6
7	32100	3370000	50	2	0.85	0.5	13	5
8	49200	4924000	55	3	0.85	0.6	15	6
9	26400	5069000	70	2	0.50	0.5	9	5
10	38500	2267000	50	2	0.55	0.4	9	5
11	24400	4471000	60	2	0.85	0.3	9	5
12	38200	6337000	60	3	0.65	0.4	15	5
13	27600	5493000	40	3	0.80	0.6	12	5
14	39100	6332000	65	2	0.70	0.6	9	6
15	41900	3708000	45	3	0.70	0.4	13	6
16	28400	3962000	50	3	0.65	0.4	8	5
17	32400	2593000	60	2	0.80	0.3	8	5
18	35200	3485000	40	3	0.65	0.4	12	5
19	28400	1929000	40	2	0.70	0.5	12	5
20	25200	7496000	75	3	0.70	0.5	14	6
21	48300	5660000	50	3	0.80	0.3	13	5
22	36000	7125000	50	3	0.85	0.3	12	5
23	25000	2925000	65	2	0.85	0.3	15	6
24	41700	6466000	75	3	0.50	0.2	14	6
25	30200	6585000	50	3	0.50	0.5	11	5
26	28200	4745000	50	3	0.75	0.3	10	5
27	20200	2081000	40	2	0.55	0.2	14	5
28	38300	3430000	65	2	0.60	0.2	8	6
29	30400	4694000	75	2	0.65	0.3	13	6
30	36200	6513000	45	3	0.50	0.3	12	6
31	40300	7682000	55	3	0.70	0.3	15	6
32	43000	6535000	45	3	0.70	0.3	14	6
33	48800	5327000	55	3	0.80	0.3	13	6
34	31600	5830000	70	2	0.80	0.6	9	5
35	28800	4939000	65	2	0.55	0.6	11	6
36	31500	3611000	70	2	0.65	0.4	12	5
37	32800	2778000	65	2	0.70	0.2	12	6
38	23800	2941000	50	2	0.50	0.2	10	5
39	27000	3163000	55	2	0.85	0.5	14	6
40	46600	5013000	55	3	0.55	0.6	15	6
41	27200	7096000	50	3	0.50	0.2	9	5
42	29500	4538000	40	3	0.55	0.6	8	5
43	23400	2626000	60	2	0.55	0.3	13	5
44	48900	5572000	65	2	0.75	0.5	9	6
45	24500	6384000	60	3	0.65	0.5	14	5
46	42900	6828000	65	3	0.60	0.2	10	6
47	44100	3248000	55	2	0.65	0.5	8	6
48	36400	4703000	45	2	0.60	0.4	9	6
49	24600	6141000	40	3	0.60	0.5	8	5
50	35800	4338000	70	2	0.65	0.2	14	5

Определению подлежит: рентабельность машины, годовой экономический эффект, суммарный (общий) экономический эффект.

Рентабельность машины :

,

где – полезная отдача (в стоимостных показателях);

–сумма расходов за определенный период.

Величина задана конкретной величиной, а вот размернадо определить по формуле:

, грн

где – стоимость расходуемой электроэнергии;

–стоимость материалов и заготовок;

–стоимость инструмента;

–оплата труда вальцетокарей;

–стоимость технического обслуживания;

–стоимость ремонтов;

–величина накладных цеховых и заводских расходов;

–величина амортизационных отчислений.

Величина рентабельности должна быть больше единицы, иначе машина (объект) будет работать убыточно.

Экономический эффект

Годовой экономический эффект

,

где ,– соответственно величина (стоимость) годовой полезной отдачи машины и годовых расходов на производство продукции машиной.

Суммарный экономический эффект за весь период службы машины (общий доход), грн

,

где – количество лет эксплуатации машины.

Срок окупаемости определяется как период службы, в течение которого экономический эффект равен стоимости новой машины (стоимости реконструкции).

;

откуда

;

где, – стоимость машины (с учетом транспортных расходов), грн.

Кроме указанных в таблице, следует пользоваться такими данными:

Коэффициент использования номинальной мощности 0,5;

Зарплата вальцетокаря по состоянию на 01.03.2002 года (ПАО "Алчевский металлургический комбинат") 6-й разряд – 2650 грн; 5-й разряд – 1860 грн, в последующие годы приводить её в соответствии с уровнем инфляции за предшествующий год. В случае изменения приведенных тарифов по оплате труда вальцетокарей в расчете принять утвержденные в настоящее время тарифы на Вашем предприятии.

Расходы на обслуживание станка включить в зарплату вальцетокаря.

Цену электроэнергии принимать такой, какой она установлена для промышленных предприятий в рассматриваемом году.

Накладные (цеховые и заводские) расходы принимать в пределах , где– оплата труда вальцетокарей.

Для случая повышения отдачи вальцетокарного станка (машины) увеличением числа единиц продукции (валков) расход материалов и инструмента пропорционален отдаче и определяется

,

где – доля стоимости материала и инструмента в стоимости продукции, колеблющаяся в зависимости от профиля изделия в пределах.

Число праздничных, выходных и рабочих дней, а по ним количество рабочих часов станка и общее число часов в календарном году определить по текущему году.

Задача 2

Статистический анализ случаев разрушения деталей машин и сооружений металлургического производства показывает, что приблизительно 75-85% этих поломок являются усталостными. Из-за имеющих место значительных перегрузок во время эксплуатации снижается усталостная прочность, т.е. выработка ресурса может произойти при достаточно низких напряжениях и незначительном числе циклов нагружений. Другими словами, многие детали металлургических машин разрушаются при малоцикловых перегрузках.

Чтобы убедиться в этом решим задачу по определению срока (в часах) службы детали при непрерывной её работе и циклических нагрузках. Исходные данные приведены в таблице 4. Расчеты выполнить для каждого базового числа циклов нагружения для трех частот вращения вала т.е. всего 9 ответов.

Таблица 4

№ вар			Базовое число циклов число циклов нагружения			Частота вращения вала,
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	1.10	12	1.30	2.20	10.90	65	175	300
2	1.55	9	1.00	4.80	10.70	200	190	300
3	1.30	15	1.40	1.80	8.30	140	245	420
4	1.65	6	1.50	3.10	11.50	180	290	320
5	1.45	12	0.90	2.80	11.50	50	170	440
6	1.65	3	1.20	2.30	13.00	60	200	270
7	1.15	4	1.20	5.10	13.10	95	150	500
8	1.15	10	1.30	1.90	14.70	195	280	380
9	1.75	3	0.80	4.80	14.30	80	240	420
10	1.20	9	1.40	4.00	8.90	210	175	280
11	1.25	10	0.60	2.50	11.00	50	230	320
12	1.30	6	1.50	4.80	14.70	105	220	475
13	1.35	15	0.80	3.40	7.80	65	150	270
14	1.40	8	1.40	3.80	7.50	110	200	300
15	1.25	12	1.20	4.70	7.90	80	190	400
16	1.25	10	0.70	4.20	13.90	160	290	250
17	1.40	6	1.50	5.10	9.20	110	240	470
18	1.30	14	1.30	3.10	7.40	110	280	350
19	1.35	9	1.50	2.80	6.90	140	250	420
20	1.15	11	1.50	4.50	14.90	200	280	290
21	1.20	7	0.90	4.80	12.10	125	275	300
22	1.45	11	0.90	1.60	7.50	90	265	260
23	1.40	10	0.80	2.40	9.80	50	280	450
24	1.10	8	0.70	3.20	15.50	125	190	440
25	1.05	15	1.40	1.70	14.30	95	265	280
26	1.15	4	1.50	3.50	7.30	80	230	360
27	1.60	7	1.30	5.20	14.40	95	200	260
28	1.45	8	1.20	3.70	15.10	160	245	290
29	1.05	14	1.00	4.50	10.80	195	150	500
30	1.70	8	1.50	2.50	10.10	200	220	270
31	1.25	10	0.90	4.80	10.20	75	150	310
32	1.75	8	1.30	1.30	15.40	120	150	420
33	1.40	7	1.00	4.00	6.90	75	210	250
34	1.10	9	0.90	3.30	10.00	90	210	475
35	1.15	9	1.50	2.00	12.60	210	180	400
36	1.55	3	0.60	4.10	9.80	100	280	290
37	1.50	7	0.60	1.40	8.70	160	220	250
38	1.50	8	1.50	1.60	9.50	160	245	290
39	1.50	5	1.30	3.60	8.80	90	230	310
40	1.10	11	1.30	2.80	13.70	105	180	290
41	1.45	10	0.90	4.70	15.10	50	205	320
42	1.25	6	0.70	4.10	11.40	80	210	470
43	1.40	8	0.60	3.10	10.80	120	250	270
44	1.50	5	0.60	3.20	15.50	150	220	310
45	1.30	13	1.10	1.30	14.70	195	290	475
46	1.25	9	1.40	3.90	6.70	50	175	450
47	1.05	9	1.20	4.30	12.10	210	170	500
48	1.15	11	1.10	1.60	7.00	210	250	500
49	1.45	6	1.10	1.90	8.00	50	230	360
50	1.45	5	1.00	4.80	13.80	75	205	410

Воспользуемся известной зависимостью:

Для первого заданного базового числа нагруженийимеем:

;

Для каждого значения частоты вращения вала найдем ресурс в часах непрерывной работы:

,

аналогично для двух других частот вращения этого же вала.

Затем повторяем расчет для двух других заданных базовых чисел нагружения.

В работе [19] рекомендуется уточненная формула для проектных решений:

,

где – предел прочности (предел усталости) металла детали;

–действующие переменные напряжения в детали при циклах;

–базовое число циклов нагружений;

–фактическое число циклов нагружений;

–показатель, учитывающий материал, поверхностную прочность и концентраторы;

–учитывает влияние на усталость испытаний при циклов.

По полученным результатам расчета сформулируйте вывод о наиболее рациональном режиме нагружения вала с точки зрения его долговечности при переменных (циклических) нагрузках.

Перечень ссылок

1 Орлов П.И, Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн. 1 /Под ред. П.Н.Учаева.– 3-е изд., испр.– М.: Машиностроение, 1988. – 560 с.: ил,

2. Орлов П.П. Основы конструирования; Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн.2/ Под ред. П.Н.Учаева. – 3-е изд., испр. – М.: Машиностроение, 1988, – 544 с.: ил.

3. Таленс Я.Ф. Работа конструктора. – Л.: Машиностроение, Ленингр.отд., 1987. – 225 с.; ил.

4. Волков Б.П., Кренянский В. Я. Унификация деталей машин. – М.: Изд-во стандартов,1989. – 229 с.

5. Потапов В.С. Ульяницкий В.Н. Использование стандартных элементов при конструировании механического оборудования: Учеб.пособие – К.: УМК ВО, 1992, – 224 с.

6. Амиров Ю.Д. Основы конструирования: Творчество, стандартизация, экономика: Справочное пособие. – М.: Изд-во стандартов, 1991. – 392 с.

7. Свириденко К. А., Лисаченко А, И., Ульяницкий В. Н. Разработка технологического процесса отливки и модельно-опочной оснастки. – К.: ИСИО, 1993. – 148 с.

8 Заплетихин В.А. Конструирование деталей механических устройств: Справочник. – Л.: Машиностроение,1990. – 664 c.

9. Баласанян Р.А. Атлас деталей машин. Навч. посiбник для техн. вузiв. – X.: Основа,1996. – 256 с.

10. Заблонський К.I. Деталі машин. Підручник. – Одеса:Астро-Принт, 1999. – 402 с.

11. Единая система конструкторской документации (ЕСКД). – М.: Изд-во стандартов, 1989. –352 с.

12. Балабанов А.Н. Контроль конструкторской документации. – М.: Изд-во стандартов, 1988. –382 с.

13. Терминология ЕСКД. Справочник – М.: Изд-во стандартов, 1990. –96 с.

14. ЕСКД. Основные положения. – М.: Изд-во стандартов, 327 с.

15. Иосилевич Г.Б, Детали машин:Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. – М.: Машиностроение, 1988. –368 с.

16. Коробов И.И. Основы проектирования металлургических предприятий. Курс лекций, ч.1. МИСиС. – М.: Машиностроение, I974. –178 с.

17. Керимов З.Г., Багиров С.А. Автоматизированное проектирование конструкций. – М.: Машиностроение, 1985. –224 с.

18. Петренко A.И Основы автоматизации проектирования. – К.: Технiка, 1982. –295 с.

19. Егоров В. И. Прогнозирование надежности и долговечности лесозаготовительного оборудования. – М.: Леснаяпромышленность, 1976. –112 с.

20. Одинг И.А. Структурные признаки усталости металлов как средство установления причин аварий машин. – М.: Изд-воAН СССР, 1949.

21. Барханова Д.С., Тихомиров A.M. Порядок и правила разработки,оформленияи обращения конструкторской документации. – М.: Изд-во стандартов, 1992. – 368 c.

22. Бабалин Н.А. Построение и чтение машиностроительных чертежей.– М.: Машиностроение, 2000. –407 с.

23. Левицкий П.И. Машиностроительное черчение и автоматизация выполнения чертежей. – М.: Машиностроение, 2000. –422 с.

20