PrikladnayaMekhanika

11

5. Коректування документації за наслідками виготовлення і випробування виробу.

Стадії проектування при серійному виробництві ті ж, але тільки коректування документації доводиться повторювати кілька разів: спочатку для дослідного екземпляра, потім для дослідної партії, потім за наслідками виготовлення і випробувань першої промислової партії.

У будь-якому випадку, приступаючи до кожного етапу конструювання, як

івзагалі до будь-якої роботи, необхідно чітко позначити три позиції: Початкові дані – будь-які об'єкти і інформація, що відносяться до справи

("що ми маємо?").

Мета – очікувані результати, величини, документи, об'єкти ("що ми хочемо отримати?").

Засоби досягнення мети – методики проектування, розрахункові формули, інструментальні засоби, джерела енергії і інформації, конструкторські навики, досвід ("що і як робити?").

Діяльність конструктора-проектувальника знаходить сенс тільки за наявності замовника – особи або організації, що потребують виробу і фінансують розробку.

Теоретично замовник повинен скласти і видати розробникові ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ – документ, в якому грамотно і чітко позначені всі технічні, експлуатаційні і економічні параметри майбутнього виробу. Але, на щастя, цього не відбувається, оскільки замовник поглинений своїми відомчими завданнями, а, головне, не має достатніх навиків проектування. Таким чином, інженер не залишається без роботи.

Робота починається з того, що замовник і виконавець спільно складають (і підписують) технічне завдання. При цьому виконавець повинен отримати максимум інформації про потреби, побажання, технічні і фінансові можливості замовника, обов'язкові, переважні і бажані властивості майбутнього виробу, особливості його експлуатації, умови ремонту, можливий ринок збуту [17].

Ретельний аналіз цієї інформації дозволить проектувальникові правильно збудувати логічний ланцюжок "Завдання – Мета – Засоби" і максимально ефективно виконати проект.

Розробка ТЕХНІЧНОЇ ПРОПОЗИЦІЇ починається з вивчення технічного завдання. З'ясовуються призначення, принцип роботи пристрою і способи з'єднання основних складальних одиниць і деталей. Все це супроводжується аналізом науково-технічної інформації про аналогічні конструкції. Виконуються кінематичний розрахунок, проектувальні розрахунки на міцність, жорсткість, зносостійкість і по критеріях працездатності. З каталогів заздалегідь вибираються всі стандартні вироби – підшипники, муфти і тому подібне. Виконуються перші ескізи, які поступово уточнюються. Необхідно прагнути до максимальної компактності розташування і зручності монтажудемонтажу деталей.

На стадії ЕСКІЗНОГО ПРОЕКТУ виконуються уточнені і перевірочні розрахунки деталей, креслення виробу в основних проекціях, опрацьовується конструкція деталей з метою їх максимальної технологічності, вибираються

12

з’єднання деталей, опрацьовується можливість збирання-розбирання і регулювання вузлів, вибирається система змащення і ущільнення. Ескізний проект повинен бути розглянутий і затверджений, після чого він стає основою для технічного проекту. При необхідності виготовляються і випробовуються макети виробу.

ТЕХНІЧНИЙ ПРОЕКТ повинен обов'язково містити креслення загального вигляду, відомість технічного проекту і пояснювальну записку. Креслення загального вигляду (за ГОСТ 2.119-73) повинно дати відомості про конструкцію, взаємодію основних частин, експлуатаційно-технічні характеристики і принципи роботи виробу. Відомість технічного проекту і пояснювальна записка, як і всі текстові документи повинні містити вичерпну інформацію про конструкцію, виготовлення, експлуатацію і ремонт виробу. Вони оформляються в строгій відповідності з нормами і правилами ЄСКД

(ГОСТ 2.104-68; 2.105-79; 2.106-68).

Таким чином, проект набуває остаточний вигляд – креслення і пояснювальна записка з розрахунками, які називають робочою документацією.

1.4.Поняттяпроавтоматизованепроектування

Сучасні досягнення науки і техніки, зростаюча функціональність сучасних виробів вимагають виконання проектних робіт великого об'єму. Вимоги до якості проектів, термінам їх виконання виявляються все більш жорсткими в умовах конкурентної боротьби за споживача. Задовольнити ці вимоги шляхом кількісного збільшення проектувальників неможливо, оскільки розпаралелювання проектних робіт не безмежне.

Вирішення проблеми можливе шляхом впровадження в практику інженерного проектування методів і засобів автоматизованого проектування.

Мета автоматизації проектування – підвищення якості, зниження матеріальних витрат, скорочення термінів проектування і підвищення продуктивності праці проектувальників.

Під автоматизацією проектування розуміється такий спосіб проектування при якому весь цикл проектних робіт здійснюється раціонально розподіленою взаємодією людини і ЕОМ.

В даний час термін "автоматизація проектування" характеризує цілий науково-технічний напрям, що базується на сучасних досягненнях фізики, математики, обчислювальної техніки і теорії проектування.

Предметом автоматизації проектування є формалізація проектних процедур, структуризація і типізація процесів проектування, постановки, моделі, методи і алгоритми, інформаційна підтримка вирішення проектних завдань, а також технічні засоби і способи їх об'єднання в єдину проектуючу систему.

У перші роки застосування ЕОМ в процесі проектування існувала думка про зниження вимог до кваліфікації проектувальників при використанні автоматизованого проектування, проте ця точка зору не отримала підтвердження практикою, оскільки інженер-проектувальник крім володіння

13

наочною областю повинен знати моделі, методи і методики автоматизованого проектування. А це пред'являє підвищені вимоги до рівня професійної підготовки інженера, який крім знання засобів автоматизованого проектування повинен уміти відбирати і експлуатувати ці засоби в конкретному процесі створення певного класу апаратури.

1.5.Системнийпідхідприпроектуванні

Використання системного підходу дозволяє взяти до уваги безліч чинників самого різного характеру, виділити з них ті, які роблять найбільший вплив з погляду наявних загальносистемних цілей і критеріїв, і знайти шляхи і методи ефективної дії на них. Системний підхід заснований на застосуванні ряду основних понять і положень, серед яких можна виділити поняття системи, підлеглості цілей і критеріїв підсистем загальносистемним цілям і критеріям і так далі системний підхід дозволяє розглядати аналіз і синтез різних за своєю природою і складнощі об'єктів з єдиної точки зору, виявляючи при цьому найважливіші характерні риси функціонування системи і враховуючи найбільш істотні для всієї системи чинники. Значення системного підходу особливо велике при проектуванні і експлуатації таких систем, як автоматизовані системи управління (АСУ), які по суті є людино-машинними системами, де чоловік виконує роль суб'єкта управління.

Системний підхід при проектуванні є комплексним, взаємозв'язаним, пропорційним розглядом всіх чинників, шляхів і методів рішення складної багатофакторної і багатоваріантної задачі проектування інтерфейсу взаємодії. На відміну від класичного інженерно-технічного проектування при використанні системного підходу враховуються всі чинники проектованої системи – функціональні, психологічні, соціальні і навіть естетичні.

Автоматизація управління неминуче спричиняє за собою здійснення системного підходу, оскільки вона припускає наявність саморегульованої системи, що володіє входами, виходами і механізмом управлінням. Вже само поняття системи взаємодії указує на необхідність розгляду навколишнього середовища, в якому вона повинна функціонувати. Таким чином, система взаємодії повинна розглядатися як частина ще більшої системи – АСУ реального часу, тоді як остання – системи керованого середовища.

1.6.Вимогидомашинікритеріїїхякості

Оскільки людині властиво хотіти всього і відразу, то вимоги до машин багатообразні і часто суперечливі, проте їх можна умовно розділити на основні взаємозв'язані групи:

технологічні вимоги;

економічні вимоги;

експлуатаційні вимоги;

вимоги щодо відсутності забруднення навколишнього середовища.

14

Якість машини, тобто її максимальна відповідність всім вимогам [19, 37] неможлива без постійної уваги інженера на всіх стадіях "життя" машини.

Якість закладається на стадії проектування, забезпечується на стадії виробництва і підтримується в процесі експлуатації.

Ступінь відповідності вимогам характеризують критерії якості (греч. "крит эрион" – вузьке місце) – якісь конкретні параметри (греч. "пара мэтрос"

– вимірюваний), тобто вимірювані або обчислювані величини.

Проте відомо, що повне задоволення всіх вимог – абсолютно нездійсненне завдання, тому завжди доводиться йти на компроміс, позначаючи головні вимоги і забезпечуючи відповідні ним критерії якості. Відзначимо тому лише основні вимоги до деталей і машин.

ТЕХНОЛОГІЧНІСТЬ – виготовлення виробу при мінімальних витратах праці, часу і засобів при повній відповідності своєму призначенню.

ЕКОНОМІЧНІСТЬ – мінімальна вартість виробництва і експлуатації. ПРАЦЕЗДАТНІСТЬ – стан об'єкту, при якому він здатний виконувати

задані функції.

НАДІЙНІСТЬ – властивість об'єкту зберігати в часі здібність до виконання заданих функцій (ГОСТ 27.002-83).

Основними критеріями якості машин вважають: ПОТУЖНІСТЬ – швидкість перетворення енергії;

ПРОДУКТИВНІСТЬ – об'єм роботи (продукції, інформації), що виконується в одиницю часу;

КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ – частка енергії (потужності), що дійшла до споживача;

ГАБАРИТИ – граничні розміри; ЕНЕРГОЄМНІСТЬ – витрата палива або електрики віднесений до об'єму

роботи (пройденій відстані, проведеній продукції); МАТЕРІАЛОМІСТКІСТЬ – кількість конструкційного матеріалу машини,

зазвичай віднесеного до одиниці потужності; ТОЧНІСТЬ – здатність максимально відповідати заданому положенню

(швидкості і тому подібне); ПЛАВНІСТЬ ХОДУ – мінімальні прискорення при роботі машини.

1.7.Умовинормальноїроботидеталейімашин

Успішна робота деталей і машин полягає в забезпеченні працездатності і надійності [30,31,34].

ПРАЦЕЗДАТНІСТЬ деталей і машин визначається як властивість виконувати свої функції із заданими показниками і характеризується наступними критеріями:

Міцність – це здатність конструкції витримувати задане навантаження, не руйнуючись [25].

Жорсткість – здібність конструкції до деформації у відповідність із заданим нормативним регламентом.

15

Зносостійкість – здатність зберігати первинну форму своєї поверхні, чинячи опір зносу;

Теплостійкість – здатність зберігати свої властивості при дії високих температур;

Вібростійкість – здатність працювати, в потрібному діапазоні режимів, без неприпустимих коливань.

НАДІЙНІСТЬ визначається як властивість деталі і машини виконувати свої функції, зберігаючи задані показники, в певних нормативних межах, протягом заданого часу і, по суті, виражає собою перспективи збереження працездатності [35, 40].

В процесі роботи деталі і машини піддаються не тільки розрахунковим навантаженням, які конструктор чекає і враховує, але і потрапляють в позаштатні ситуації [11], які дуже важко передбачити, як, наприклад, удари, вібрація, забруднення, екстремальні природні умови і тому подібне. При цьому виникає відмова – втрата працездатності унаслідок руйнування деталей або порушення їх правильної взаємодії. Відмови бувають повні і часткові; раптові (поломки) і поступові (знос, корозія); небезпечні для життя; важкі і легкі; які можливо та неможливо усунути; притирочні (виникають на початку експлуатації) і пов'язані з наявністю дефектних деталей; відмови унаслідок зносу, втоми і старіння матеріалів.

Надійною можна рахувати машину, що має наступні властивості. Безвідмовність – здатність зберігати свої експлуатаційні показники

протягом заданого напрацювання без вимушених перерв.

Довговічність – здатність зберігати задані показники до граничного стану з необхідними перервами для ремонтів і технічного обслуговування.

Ремонтопридатність – пристосованість виробу до попередження, виявлення і усунення відмов і несправностей за допомогою техобслуговування і ремонту.

Зберігаємість – здатність зберігати необхідні експлуатаційні показники після встановленого терміну зберігання і транспортування.

Надійність важко розрахувати кількісно, вона зазвичай оцінюється як вірогідність безвідмовної роботи на підставі статистики експлуатації групи ідентичних машин.

При всій значущості всіх описаних критеріїв, неважко відмітити, що

міцність є найважливішим критерієм працездатності і надійності.

Невиконання умови міцності автоматично робить безглуздими всі інші вимоги і критерії якості машин [6, 32, 35, 40].

Дійсно, небагато що коштує технологічна, жорстка, зносостійка, теплостійка, вібростійка, дешева в експлуатації, ремонтопридатна конструкція самого передового дизайну, якщо вона зламалася при першому ж навантаженні!

16

1.8.Загальніпринципирозрахунківнаміцність

Всі етапи проектування, кожен крок конструктора супроводжується розрахунками. Це природно, оскільки грамотно виконаний розрахунок набагато простіше і в сотні разів дешевше за експериментальні випробування.

Найчастіше конструктор має справу з розрахунками на міцність, які виконуються методами науки – опір матеріалів (див. розділ 2). [6, 10, 38].

Розрізняють проектувальні і перевірочні розрахунки.

Проектувальний розрахунок виконується, коли по очікуваних навантаженнях, з урахуванням властивостей матеріалу визначаються геометричні параметри деталей.

Перевірочний розрахунок виконують, коли відома вся "геометрія" деталі і максимальні навантаження, а з урахуванням властивостей матеріалу визначається максимальне напруження, яке повинно бути менше допустимого.

Не дивлячись на такі "провокаційні" назви, слід пам'ятати, що обидва цих виду розрахунків завжди супроводять один одному і виконуються на стадії проектування деталей і машин.

Математичне формулювання умови міцності будь-якої деталі дуже просте:

, .

(1.1)

Або, кажучи технічною мовою: напруження у матеріалі деталі повинні

бути менше допустимих напружень.

Завжди, і скрізь, за будь-яких обставин конструктор зобов'язаний враховувати і забезпечувати такі умови роботи, щоб напруження в матеріалі деталей не перевищували допустимих.

Як допустимі не можна призначати граничні напруження, при яких наступає руйнування матеріалу.

Різниця між допустимими напруженням і межовим, схожа на різницю між краєм платформи метро і «білою лінією», проведеною приблизно в півметра перед краєм. Перехід через «білу лінію» загрожує зауваженням від чергового, а стояння на краю – загибеллю.

Допустимі напруження слід приймати менше межового значення, "із запасом":

	меж	,	(1.2)

n

де n – коефіцієнт запасу (зазвичай 1,2 n 2,5).

У різних обставинах коефіцієнт запасу може бути або заданий замовником, або вибраний з довідкових нормативів, або обчислений з урахуванням точності визначення навантажень, однорідності матеріалу і специфічних вимог до надійності машин.

Виконання всіх видів розрахунків на міцність для кожної деталі займе дуже багато часу. Тому інженер повинен спочатку вивчити досвід експлуатації подібних виробів. Це особливо зручно для типових деталей і машин. Слід звернути увагу на те, який вид поломок зустрічається найчастіше. Саме по

17

цьому виду поломок, точніше по напруженням їх виникнення, слід виконувати заздалегідь проектувальний розрахунок. По його результатах будується форма деталі, а перевірочний розрахунок виконується по напруженням, що викликає менш небезпечні дефекти.

Урозрахунках не слід гнатися за "абсолютною" точністю і використовувати складні "багатоповерхові" формули. Великий досвід інженерів-проектувальників показує, що ускладнення методик розрахунку не дає нових результатів.

Найбільший радянський фахівець з розрахунків на міцність деталей машин І.А. Біргер відмітив, що в технічних розрахунках "все потрібне є простим, а все складне – непотрібним". Втім, схожа думка висловлювалася вже

вбіблейських текстах, хоча і не з приводу машин.

Урозрахунках необхідно прагнути до коректних спрощень.

1.9.Класифікаціядеталеймашин

Не існує абсолютної, повної і завершеної класифікації всіх існуючих деталей машин, оскільки конструкції їх багатообразні і, до того ж, постійно розробляються нові.

Для орієнтування в нескінченному різноманітті деталі машин класифікують на типові групи по характеру їх використання [1,8,9].

ПЕРЕДАЧІ – передають рух від джерела до споживача.

ВАЛИ і ОСІ несуть на собі деталі передач, що обертаються.

ОПОРИ служать для установки валів і осей.

МУФТИ сполучають між собою вали і передають крутний момент.

З'ЄДНАННЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН сполучають деталі між собою.

ПРУЖНІ ЕЛЕМЕНТИ пом'якшують вібрацію і удари, накопичують енергію, забезпечують постійне стиснення деталей.

КОРПУСНІ ДЕТАЛІ організовують усередині себе простір для розміщення решти всіх деталей, забезпечують їх захист.

Рамки учбового курсу не дозволяють вивчити всі різновиди деталей машин і всі нюанси проектування. Проте знання, принаймні, типових деталей і загальних принципів конструювання машин дає інженерові надійний фундамент і могутній інструмент для виконання проектних робіт практично будь-якої складності.

У наступних розділах ми розглянемо прийоми розрахунку і проектування типових деталей машин.

1.10.Контрольніпитання

1.Які місце і роль машин в сучасному суспільстві ?

2.Які учбові дисципліни безпосередньо служать базою для курсу "Прикладна механіка" ?

3.У чому полягає різниця між проектуванням і конструюванням?

18

4.Які правила і норми регламентуються Єдиною Системою Конструкторської Документації?

5.Ким формулюється і складається технічне завдання ?

6.Які документи є результатом конструювання ?

7.Які групи вимог пред'являються до машин ?

8.Які основні вимоги до деталей і машин ?

9.Які основні критерії якості деталей і машин ?

10.Що таке працездатність і які її критерії ?

11.Що таке надійність і які її критерії ?

12.Що є найголовнішим критерієм працездатності і надійності ?

13.У чому полягає загальна умова міцності деталей машин ?

14.У чому різниця між проектувальним і перевірочним розрахунками ?

15.Які основні групи деталей машин загального призначення ?

19

1.11.Лабораторнаробота№1.Технічнівиміри

1.11.1. Мета роботи

Набути навички у вимірюванні розмірів деталей абсолютним методом за допомогою штангенциркуля, мікрометра

1.11.2. Устаткування та матеріали

Штангенциркуль, мікрометр, ступінчастий вал або втулка.

1.11.3. Теоретична частина

Технічними вимірами називаються виміри різних фізичних величин за допомогою спеціальних технічних методів і засобів [26,47].

Наука про виміри, методи та засоби забезпечення їх єдності та способи досягнення необхідної точності називається метрологією.

Виміри можуть бути прямими і непрямими, абсолютними та відносними. Прямий вимір – вимірювання, при якому шукане значення величини знаходять безпосередньо з дослідних даних (наприклад, вимір довжини за допомогою лінійних мір або температури фізичного об'єкта термометром).

Прямі виміри становлять основу більш складних непрямих вимірів.

Непрямий вимір – вимірювання, при якому шукане значення величини знаходять на підставі відомої залежності між цією величиною і величинами, що піддають прямим вимірам (наприклад, тригонометричні методи виміру кутів, при яких гострий кут прямокутного трикутника визначають за обмірюваними довжинами катетів і гіпотенузи). У низці випадків непрямі виміри дозволяють одержати більше точні результати, ніж прямі.

Абсолютний вимір – вимірювання, заснований на прямих вимірах однієї або декількох основних величин та (або) використанні значень фізичних констант. При лінійних і кутових абсолютних вимірах, як правило, знаходять одну фізичну величину (наприклад, діаметр вала за допомогою штангенциркуля).

Відносний вимір – вимір відносини величини до однойменної величини, що має значення одиниці, або вимір величини стосовно однойменної величини, прийнятої за вихідну. Відносні виміри засновані на порівнянні вимірюваної величини з відомим значенням міри. Шукану величину при цьому знаходять алгебраїчним підсумовуванням розміру міри та показань приладу.

Як ми вже відзначали, при абсолютних вимірах значення вимірюваної величини оцінюють безпосередньо за показниками вимірювального інструмента.

До цієї групи інструментів відносяться штангенінструменти, з ноніусною шкалою, і мікрометричні інструменти, у яких для збільшення передатного відношення використана гвинтова пара. Ці інструменти широко використовують для контролю зовнішніх і внутрішніх розмірів, глибин і висот пазів. При оснащенні цих інструментів спеціальними губками та вставками, їх

20

можна використати для контролю розмірів різьблення, листів, труб, зубчастих коліс та ін.

1.11.4. Опис і устрій вимірювальних інструментів

Штангенциркуль. Складається зі: штанги 1, жорстко з'єднаної з вимірювальною губкою 2 (рис. 1.3). По штанзі, як по напрямній, може переміщатися рамка 4 з іншою вимірювальною губкою 3, на якій нанесена допоміжна шкала 6. Фіксація рамки здійснюється затискачем 5. Деякі конструкції штангенциркулів постачені лінійкою глибиноміра 7. Для здійснення мікроподачі на штанзі встановлена рамка зі стопором і гвинтом 8.

Рис. 1.3. Штангенциркуль

Виміри штангенциркулем базуються на застосуванні ноніуса 6 (допоміжної шкали) для більш точного відліку дробових ділень основної шкали, розташованої на штанзі 1. Ноніус виконується з різною ціною поділу: 0,1; 0,05; 0,02 мм. Вона, як правило, зазначена на пересувній рамці 4. Для відліку за допомогою ноніуса спочатку визначають за основною шкалою ціле число міліметрів перед нульовим поділом ноніуса. Потім додають до нього число часток по ноніусі відповідно до того, який штрих шкали збігається зі штрихом основної шкали (рис. 1.4). Відлік розміру виконують за формулою:

A n1 i1 n2 i2

(1.3)

де i1 та n1 – ціна ділення й число цілих ділень основної шкали, пройдених нульовою рискою ноніуса;

i2 та n2 – ціна ділення й порядковий номер риски ноніуса, що збігається з рискою основної шкали.