Требования к машинам и критерии их качества

В развитии машиностроения очень важны следующие современные направления: увеличение мощности и производительности машины; быстроходность и равномерность хода; повышение коэффициента полезного действия; автоматизация рабочих циклов машин; точность работы машины; стандартизация и взаимозаменяемость деталей и узлов; удобство и безопасность обслуживания; компактность; эстетичность внешнего вида машины. Детали и узлы машин должны быть работоспособными, надежными, технологичными, экономичными и эстетичными.

Примеры реализации этих направлений в машиностроении.

1. Мощность одного электрогенератора Волховской электростанции, построенной в 1927 г., составляет 8000 кВт, Красноярской (1967 г.) — 508 000 кВт, т. е. увеличение мощности в 63 раза.

2. Сравните скорость самолетов сороковых годов со скоростью совре­менного сверхзвукового лайнера.

3. На железнодорожном транспорте паровозы, имевшие низкий КПД, заменены тепловозами и электровозами, КПД которых во много раз выше.

4. Комплексная автоматизация становится основой организации всех отраслей народного хозяйства. Созданы заводы-автоматы по изготовлению подшипников качения; контроль технологических процессов и управление производством механизируются и автоматизируются.

Поскольку человеку свойственно хотеть всего и сразу, то требования к машинам многообразны и часто противоречивы, однако их можно условно разделить на основные взаимосвязанные группы:

- технологические требования;

- экономические требования;

- эксплуатационные требования.

Качество машины, т.е. её максимальное соответствие всем требованиям невозможно без неустанного внимания инженера на всех стадиях "жизни" машины.

Качество закладывается на стадии проектирования, обеспечивается на стадии производства и поддерживается в процессе эксплуатации.

Степень соответствия требованиям характеризуют критерии качества (греч. "крит эрион" – узкое место) – некие конкретные параметры (греч. "пара мэтрос" – измеряемый), т.е. измеряемые или вычисляемые величины.

Однако известно, что полное удовлетворение всех требований – абсолютно невыполнимая задача, поэтому всегда приходится идти на компромисс, обозначая главные требования и обеспечивая соответствующие им критерии качества. Отметим поэтому лишь основные требования к деталям и машинам.

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ – изготовление изделия при минимальных затратах труда, времени и средств при полном соответствии своему назначению. Технологичность деталей обеспечивается: формой их простейших поверхностей (цилиндрической, конической и др.), удобной для обработки механическими и физическими методами; применением материалов, пригодных для безотходной обработки (давлением, литьем, сваркой и т. п.), и ресурсосберегающей технологии; стандартной системой допусков и посадок и другими средствами и методами.

ЭКОНОМИЧНОСТЬ – минимальная стоимость производства и эксплуатации. Экономичность деталей и узлов достигается оптимизацией их формы и размеров из условия минимума материалоемкости, энергоемкости и трудоемкости производства, за счет максимального коэффициента полезного действия в эксплуатации при высокой надежности; высокой специализацией производства и т. д. При оценке экономичности учитывают затраты на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт.

НАДЁЖНОСТЬ – свойство объекта сохранять во времени способность к выполнению заданных функций (ГОСТ 27.002-83).

ЭСТЕТИЧНОСТЬ - совершенство и красота внешних форм деталей, узлов и машин существенно влияют на отношение к ней со стороны обслуживающего персонала. Оформление узлов и деталей, определяющих внешние очертания машины, должно быть красивым и отвечать требованиям художественного конструирования (дизайн). Формы наружных дета­лей для создания привлекательного их вида разрабатывают с участи­ем дизайнеров. Специально подбираются цвета для окраски;

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ - для предохранения от коррозии детали из­готовляют из коррозионно-стойкой стали, цветных металлов и спла­вов на их основе, биметаллов — металлических материалов, состоя­щих из двух слоев (например, из стали и цветного металла), а также применяют различные покрытия (анодирование, никелирование, хромирование, лужение, эмалирование и покрытие красками).

СНИЖЕНИЕ МАССЫ ДЕТАЛЕЙ - в самолетостроении и некоторых других отраслях промышленности выполнение этого требования является одной из главных расчетно-конструкторских задач.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕДЕФИЦИТНЫХ И ДЕШЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ - это условие должно быть предметом особого внимания во всех случаях при про­ектировании деталей машин. Необходимо экономить цветные метал­лы и сплавы на их основе.

УДОБСТВО ЭКСПЛУАТАЦИИ - при проектировании необходимо стремить­ся, чтобы отдельные узлы и детали можно было снять или заменить без нарушения соединения смежных узлов. Все смазочные устройст­ва должны работать безотказно, а уплотнения — не пропускать мас­ла. Движущиеся детали, не заключенные в корпус машины, должны иметь ограждения для безопасности обслуживающего персонала.

ТРАНСПОРТАБЕЛЬНОСТЬ МАШИН, УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ - возможность и удобство, их переноски и перевозки. Например, электродвигатели и редукторы должны иметь на корпусе рым-болт, за который их под­нимают при перемещении. Крупные детали, корпуса гидротурбин, статоры крупных генераторов электрического тока на месте изготов­ления выполняют из отдельных частей, а на месте установки собира­ют в одно целое.

СТАНДАРТИЗАЦИЯ - установление обязательных норм на отдельные параметры, нормативно-технические характеристики и так далее. Она имеет большое экономическое значение, так как обеспечивает:

1) возможность массового производства стандартных деталей, что снижает их себестоимость;

2) возможность использования стандартного режущего и измерительного инструмента;

3) легкость замены вышедших из строя деталей при ремонте;

4) экономию труда при конструировании

5) повышение качества конструкции.

Стандартизация деталей и узлов предполагает их унификацию.

УНИФИКАЦИЯ – приведение изделий одинакового функционального назначения к единообразию, включающее обеспечение преемственности при изготовлении и эксплуатации. Например, механизмы подъема передвижения кранов, блоки поворота, выдвижения руки, качения и т. д. Показателем уровня стандартизации и унификации является коэффициент применяемости типоразмерам деталей, определяемый как отношение разности общего числа типоразмеров деталей и числа типоразмеров впервые разработанных деталей к общему числу типоразмеров деталей и изделии.

Основными критериями качества машин считают:

МОЩНОСТЬ – скорость преобразования энергии;

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ – объём работы (продукции, информации), выполняемой в единицу времени;

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ – доля дошедшей до потребителя энергии (мощности);

ГАБАРИТЫ – предельные размеры;

ЭНЕРГОЁМКОСТЬ - расход топлива или электричества отнесённый к объёму работы (пройденному расстоянию, произведённой продукции);

МАТЕРИАЛОЁМКОСТЬ – количество конструкционного материала машины, обычно отнесённого к единице мощности;

ТОЧНОСТЬ – способность максимально соответствовать заданному положению (скорости и т.п.);

ПЛАВНОСТЬ ХОДА – минимальные ускорения при работе машины.

Таковы примерные требования по конструированию машин в отечественной литературе. Теперь рассмотрим рекомендации по учету некоторых факторов при конструировании деталей и узлов машин, приводимых в американской литературе:

1) Все детали машины или конструкции должны передавать нагрузку и совершать необходимые движения эффективно и экономично.

2) Ни одна деталь не должна разрушаться раньше некоторого заданного срока эксплуатации.

3) Каждая деталь должна выполнять предназначенную ей функцию, не мешая функционированию других частей машины.

4) Деталь должна быть такой, чтобы ее можно было изготовить и смонтировать в машине.

5) Стоимость готовой детали должна соответствовать ее назначению.

6) Все детали и занимаемый или объем должны соответствовать назначению.

7) Должна быть обеспечена возможность обслуживания и ремонта машин в процессе всего срока эксплуатации.

8) Машина или конструкция должна не только удовлетворительно функционировать в течение заданного времени, но и быть конкурентоспособной и прибыльной для изготовления.

Разработку обобщенного принципа конструирования деталей машин мы оставляем за читателем, ибо проектирование машин представляет собой итерационный процесс. Создает ли конструктор новое устройство или модернизирует уже существующее он должен стремиться создать оптимальную конструкцию с учетом ограниченности выделенных ему времени и средств.

Появление новых конструкционных материалов, необходимость повышения эксплуатационных показателей, снижения веса и уменьшение объема, стоимости, а также увеличения сроков службы и достижения экологической совместимости вызывает необходимость совершенствования методов расчета. При этом возникает необходимость изучения особенности напряженно-деформированного состояния при динамическом нагружении и влияния полей остаточных напряжений, возникающих в процессе изготовления. Осознание того, что во всех реальных деталях с самого начала существуют трещиноподобные дефекты заставило разработать новые методы исследования распространения трещин при циклических нагружениях. Например, по приведенным последним исследованиям в МГТУ им. Н.Э. Баумана установлено, что микронеровности более 1 мкм и волосины длиной более 20 мкм являются источниками трещинообразования.

Таким образом, необходимость контроля качества изготовления, технического уровня и ремонта стали такими же важными критериями деталей машин, как надежность и работоспособность.

Противоречащие требования, как увеличение мощности и уменьшение размеров машин можно удовлетворить либо разрабатывая новые прочные и жесткие материалы, либо эффективнее используя прочность и жесткость имеющихся материалов. Вторая возможность является основной задачей конструкторов.

Идеальной конструкцией была такая машина, которая полностью разрушалась бы по истечении заранее заданного срока.

Необходимо отметить, что методы предотвращения разрушения конструкции постоянно совершенствуются и изменяются. Это требует от конструктора постоянной работы над новейшей технической литературой.

При выборе машино - приборостроительных материалов и различных конструкций узлов выявляется бесконечное множество факторов.

Так, например, в предлагаемом методе по выбору материалов нами опущены чисто человеческие факторы, по классификации американского ученого Джона Диксона, состоящие из следующих пунктов:

1) Этика.

2) Мнение различных лиц о выбранной вами альтернативе.

3) Сопротивление переменам, боязнь нового и привычка к старому у начальника, клиентов и т.д.

4) Эстетические факторы.

5) Престиж и общественное положение.

6) Личные привязанности, вкусы и предубеждения.

7) Ваши отношения в семье, с начальником и т.д.

8) Сострадание, любовь, ненависть, страх и т.п.

9) Другие факторы.

Если критерии по выбору материалов нами разбиты на 5 групп, то Джон Диксон ограничивается тремя группами, такими, как факторы, связанные с ресурсами, технические факторы и чисто человеческие факторы, приведенные выше.

Под ресурсами понимают время, денежные средства и производственные возможности. Под производственными возможностями подразумеваются как наличие материалов, деталей, технические и научное мастерство, организационные возможности и т.д. Ресурсы, учитываемые при принятии инженерных решений:

1. Финансы.

Каковы будут затраты и прибыль? Какую сумму нужно получить в виде краткосрочного займа и какую – в виде долгосрочного? Имеются ли эти средства? Для каких других проектов необходимы средства? Каковы перспективы данной отрасли промышленности фирмы и отдела? Каковы конкурентные возможности?

2. Оборудование и помещения для проведения научно-исследовательских и проектных работ и средства производства.

Какое оборудование, помещения и средства необходимы? Что имеется? Сколько времени потребуется, чтобы достать его, и во что это обойдется?

3. Специалисты для научно-исследовательской работы, проектирования и производства.

Какие специалисты нужны? Какие имеются? Сколько времени потребуется, чтобы их найти и во что это обойдется?

4. Исходные материалы.

Имеются ли в наличии необходимые материалы? Какова их стоимость?

5. Организация научно-исследовательских работ, проектирования производства и сбыта.

Какие вспомогательные отделы необходимы? Какие отделы имеются? Если их нет, сколько времени потребуется для их создания и во что это обойдется?

6. Ресурсы, связанные с принятием решений.

Во что обойдется принятие решения? Сколько времени оно займет? Имеются ли специалисты, оборудование и т.д.

Для инженерных решений необходимо не только изучение рассматриваемой проблемы, но исследование информации и дополнение факторами для полноты.

К техническим факторам относятся параметры, связанные с инженерным анализом или выработкой требований к конструкции. Технические факторы, учитываемые для принятия инженерных решений следующие:

1) Геометрические факторы-габариты и форма.

2) Вес – общий и отдельных элементов.

3) Прочность – какое звено является слабым?

4) Динамика-колебания, частота собственных колебаний.

5) Первый закон термодинамики.

6) Второй закон термодинамики

7) Электрические эффекты.

8) Магнитные эффекты.

9) Коррозия.

10) Усталость - тепловая или вызываемая напряжением.

11) Ползучесть.

12) Теплопередача – теплопроводностью, конвекцией, излучением.

13) Температурные эффекты.

14) Эффекты, связанные с потоком жидкости, - гидродинамическое сопротивление, трение, расход.

15) Количество движения.

16) Износ – смазка.

17) Энергия - источник, мощность.

18) Инерция.

19) Другие факторы.

Эти технические факторы часто определяют из трех видов ограничений.

Функциональные, областные и экстремальные, которые используются в теории оптимизации, принятия решений и полезности. Теория полезности является молодой наукой и базируется на теориях оптимизации, вероятностей и математической статистике.

Оптимизация предполагает определение значений регулируемых параметров при некоторых ограничениях. Функция, выражающая оптимизируемый параметр, называется целевой функцией. Математические методы оптимизации описывают пути нахождения параметров, которые максимизируют или минимизируют целевую функцию. К методам относятся дифференциальное исчисление, метод двойственных переменных или способ Зенера, метод множителей Лагранжа, вариационное исчисление, численные методы путем поочередного одномерного поиска и линейное программирование.

Существенной чертой процесса принятия метода оптимизации является возможность выбора альтернативных линий поведения, с тем чтобы придать элементам процесса принятия решений большую точность и конкретность.

Таким образом, конкретная линия поведения имеет вероятность успеха несколько меньше единицы. В данном случае затратами могут быть деньги и многие другие факторы, например время, престиж, потеря невосполнимых ресурсов и т.д. Все эти факторы измеряют показатели полезности.