64
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Седов В.П., Кейн Е.И. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим объединением Российской Федерации по образованию в области лесного дела в качестве учебного пособия для студентов вузов, изучающих дисциплины Прикладная механикаи Основы проектирова- ния машинУХТА 2001

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

  • Upload
    others

  • View
    12

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Седов В.П., Кейн Е.И.

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

МАШИН

Учебное пособие

Рекомендовано учебно-методическим объединением Российской Федерации по образованию в области лесного дела в качестве учебного пособия для студентов вузов, изучающих дисциплины “Прикладная механика” и “Основы проектирова-

ния машин”

УХТА 2001

Page 2: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

ББК 34.4.Я7 С 28

УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин: Учебное пособие.- Ухта: УГТУ, 2001.- 62с., ил.

ISBN 5-88179-173-8 Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 090700

/ПЭМГ/, 090600 /РЭНГ/, 090800 /БС/, изучающих дисциплины «Прикладная механика», «Основы проектирования машин».

Учебное пособие содержит основные положения методологии проектиро-вания машин, включая проблемы нетехнического характера (экономические, социально-экологические и др.), остающиеся, обычно, за рамками традицион-ных курсов прикладной механики и деталей машин.

Рецензенты: кафедра проектирования специальных лесных машин С.- Петербургской лесотехнической академии, д.т.н. заведующий отделом экс-плуатации скважин и промысловых систем «ПечорНИПИнефть» В.И. Литви-ненко. .

© Ухтинский государственный технический университет, 2001

© Седов В.П., Кейн Е.И., 2001

ISBN 5-88179-173-8

Page 3: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

3

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие…………………………………………………………………… 4 1 Общие положения методологии проектирования………………………… 5 1.1 Этапы создания машин…………………………………………………. 8 1.2 Проектные процедуры………………………………………………….. 12 1.3 Принципы проектирования…………………………………………….. 13 1.3.1 Технические принципы.................................................................. 13 1.3.2 Экономические принципы............................................................. 14 1.3.3 Социально – экологические принципы........................................ 15 1.4 Методы проектирования………………………………………………... 15 2 Взаимозаменяемость и стандартизация…………………………………… 17 3 Технологичность конструкций машин…………………………………… 19 4 Экономические аспекты проектирования…………………………………. 24 4.1 Оценка экономической эффективности……………………………….. 24 4.2 Экономическое обоснование выбора варианта конструкции машин.. 26 5 Проблемы дизайна, эргономики и экологии в проектировании………… 31 5.1 Дизайн…………………………………………………………………… 31 5.2 Эргономика……………………………………………………………… 33 5.3 Экологические аспекты проектирования машин……………………… 36 6 Оптимизация проектных решений…………………………………………. 40 6.1 Типы задач оптимизации……………………………………………….. 41 6.2 Методы оптимизации…………………………………………………… 41 6.2.1 Выбор критерия................................................................................ 42 6.2.2 Целевая функция.............................................................................. 42 6.2.3 Методы решения задач оптимального проектирования............... 43 7 Основные понятия теории надежности…..................................................... 44 8 Автоматизация проектирования……………………………………………. 47 8.1 Недостатки традиционного проектирования………………………….. 47 8.2 Цели, задачи автоматизированного проектирования……………….... 48 8.3 Системы автоматизированного проектирования САПР……………... 49 8.3.1 Виды обеспечения САПР................................................................ 49 8.3.2 Возможности САПР......................................................................... 53 8.3.3 Оценка эффективности САПР......................................................... 55 8.4 Перспективы САПР……………………………………………………... 56 Библиографический список........................………………………………….... 61

Page 4: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

4

ПРЕДИСЛОВИЕ Стратегический курс на социально-экономическое развитие России пре-

дусматривает качественное обновление материально-технической базы на ос-нове достижений современной науки и техники.

Ключевая роль в этом процессе отводится машиностроению, и для ус-пешного решения поставленных перед ним задач требуется коренное улучше-ние профессиональной подготовки инженеров различных специальностей, за-нятых в машиностроительном комплексе.

Традиционная дисциплина «Детали машин», как и одноименный раздел дисциплины «Прикладная механика» целиком посвящены изучению сугубо технических проблем расчета и проектирования машин.

За рамками этих дисциплин остается обширный круг проблем проекти-рования экономического и социально-экологического характера.

Целью пособия является развитие у студентов системного диалектиче-ского подхода к инженерным проблемам и путям их творческого решения, а также обеспечение взаимопонимания и эффективного взаимодействия между специалистами различных профессий (экономистами, механиками, техноло-гами и др.), участвующими в коллективном процессе создания современной техники.

Page 5: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

5

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Современный этап инженерной проектной деятельности характеризу-ется системным подходом к решению сложных научно-технических задач с ис-пользованием комплекса гуманитарных, естественнонаучных, математических и научно-технических дисциплин.

Прежде, чем перейти к рассмотрению содержания проектирования ма-шин, договоримся о терминах.

Целью и результатом разработки новых изделий является само изделие. Изделие относится к сфере материальных объектов и служит для удовлетворе-ния требований производства и потребностей человека. Сама разработка нового изделия – это особый этап, относящийся к сфере умственной деятельности.

Разработка новых изделий осуществляется инженерно-техническим пер-соналом путем проектирования и конструирования. Проектирование и конст-руирование являются процессами взаимосвязанными, дополняющими друг дру-га. Конструктивная форма объекта уточняется с применением методов про-ектирования – выполнением расчетов параметров, прочностных расчетов, оп-тимизации и др. В свою очередь, проектирование возможно только при предва-рительно принятых вариантах конструктивного исполнения. Часто эти два про-цесса не различают, так как они выполняются, как правило, специалистами од-ной профессии – инженерами-конструкторами. Однако проектирование и кон-струирование – процессы разные. П р о е к т и р о в а н и е предшествует конст-руированию и представляет собой поиск научно обоснованных, технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений. Резуль-татом проектирования является проект разрабатываемого объекта. Проектиро-вание – это выбор некоторого способа действия, в частном случае – это созда-ние системы как логической основы действия, способной решать при опреде-ленных условиях и ограничениях поставленную задачу. Проект анализируется, обсуждается, корректируется и принимается как основа для дальнейшей разра-ботки.

К о н с т р у и р о в а н и е м создается конкретная, однозначная конст-рукция изделия. Конструкция – это устройство, взаимное расположение частей и элементов какого-либо предмета, машины, прибора, определяющееся его на-значением. Конструкция предусматривает способ соединения, взаимодействие частей, а также материал, из которого отдельные части (элементы) должны быть изготовлены. В процессе конструирования создаются изображение и виды изделия, рассчитывается комплекс размеров с допускаемыми отклонениями, выбирается соответствующий материал, устанавливаются требования к шеро-ховатости поверхностей, технические требования к изделию и его частям, соз-дается техническая документация. Конструирование опирается на результаты проектирования и уточняет все инженерные решения, принятые при проекти-ровании. Создаваемая в процессе конструирования техническая документация должна обеспечить перенос всей конструкторской информации на изготавли-ваемое изделие и его рациональную эксплуатацию.

Page 6: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

6

Проектирование и конструирование служат одной цели: разработке но-вого изделия, которое не существует или существует в другой форме и имеет иные размеры.

Разработка, составными частями которой являются проектирование и конструирование, – термин, широко применяемый в технической литературе. Нередко этот термин используется узко, как синоним проектно-конструктор-ских или конструкторских работ.

В действительности в разработку новых изделий входит ведение научно-исследовательских (НИР) и опытно-конструкторских работ (ОКР). Разработка входит в комплекс мероприятий, направленных на выпуск изделий промыш-ленностью. Наряду с такими работами, как разработка технологии изготовле-ния, материально-техническое обеспечение, организация производства, разра-ботка занимает основное место в технической подготовке производства. Будучи исходным этапом, разработка оказывает существенное влияние на все после-дующие стадии жизненного цикла продукции: изготовление, обращение и реа-лизацию, эксплуатацию или потребление.

Понятие «изделие» имеет широкий диапазон значений. По ГОСТ 2.101-68 изделием называется любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии. Под изделием подразумеваются все объекты материального производства и их составные части: машины, тех-нологическое оборудование, функциональные системы и др. Установлены сле-дующие виды изделий: детали, сборочные единицы, комплексы, комплекты.

Деталью называется изделие, изготовленное из материала одной марки без применения сборочных операций.

Сборочная единица представляет собой изделие, составные части кото-рого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе с помо-щью сборочных операций. К сборочным единицам может быть отнесено боль-шинство разрабатываемых и выпускаемых изделий, а также входящих в них со-ставных частей. Например, сборочной единицей является лебедка, а также вхо-дящие в нее барабан со своими подшипниковыми опорами. Сборочная единица является специфицированным изделием, так как на него составляется специфи-кация, включающая в себя все составные части.

Комплекс – это изделие, состоящее из нескольких специфицированных изделий взаимосвязанного назначения, не соединяемых на предприятии-изго-товителе посредством сборочных операции (например, буровая установка).

Комплект – несколько изделий общего функционального назначения вспомогательного характера, не соединяемых на предприятии-изготовителе с помощью сборочных операций (например, комплект инструмента).

В процессе подготовки производства и изготовления изделий в расчет принимаются и другие принципы классификации изделий: комплектующие из-делия, покупные изделия, стандартные изделия, нестандартные изделия, изде-лия основного производства, изделия вспомогательного производства, изделия серийного производства и др.

Иногда определенные изделия называют конструкциями, например, «металлические конструкции», «железобетонные конструкции» и др.,

Page 7: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

7 подразумевая под этим нечто конкретное. Чтобы внести ясность в эти понятия, целесообразно проследить весь процесс создания нового изделия, начиная с за-рождения идеи и кончая изготовлением действующего образца. Разработка яв-ляется мыслительным процессом, умственной деятельностью, в результате ко-торой создается конструкция. Конструкция – это строение, устройство, взаим-ное расположение частей изделия. Конструкция является одним из основных свойств изделия, позволяющих отличить одно изделие от другого.

Наконец, дадим определение общеизвестному термину «машина» – это устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии (машина-двигатель), материалов (под материалами понимаются обрабатывае-мые изделия, перемещаемые грузы и т.д.) и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека (например, счетные, контролирующие, дозирующие и т.п. устройства).

Таким образом, продукт проектировочной деятельности в отличие от конструкторской выражается лишь в специфической знаковой форме – в виде текстов, чертежей, графиков, расчетов, моделей в памяти ЭВМ и т.д. Результат же конструкторской деятельности должен быть обязательно материализован в виде натурного образца изделия.

Следовательно, различие проектирования и конструирования состоит в особенностях двух типов чертежей: первый – необходимые самому инженеру при разработке проектов машин, т.е. для их расчета, второй – для передачи ра-бочему образа - формы и размеров деталей для изготовления - так называемые «рабочие чертежи» (детальные, сборочные, монтажные).

Обособление проектирования и внедрение его в смежные области, свя-занные с решением экологических, биотехнологических и социотехнических проблем, вызвали кризис традиционного инженерного мышления и породили его гуманизацию и новые формы и методы проектной деятельности (системный и сетевой социально-экономический анализ, программно-целевое планирование и управление, экономико-математические и другие инженерно-экономические методы).

Освоение нового изделия является, как правило, результатом большой предварительной работы, включающей научное прогнозирование, патентный поиск, научные исследования, технико-экономические исследования, оценку технологических возможностей предприятия и отрасли, учет конъюнктуры как национального, так и международного рынка и ряд других экономических и технических факторов.

Для выявления, в какой степени новые изделия удовлетворяют совре-менным общественным потребностям, выполняют анализ новой техники, на основании которого обосновывается целесообразность ее внедрения в произ-водство (рис. 1).

При проектировании учитывают также потребность в капитальных вло-жениях и сроки их окупаемости, возможность выделения этих средств на раз-работку и освоение новых изделий. Каждая проектируемая и внедряемая конст-рукция должна удовлетворять трем основным группам требований: техниче-ских, социально-экологических и экономических. Эти требования часто носят

Page 8: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

8

Рисунок 1- Блок-схема процесса удовлетворения общественных потреб-

ностей

противоречивый характер и проектировщик, таким образом, решает задачу оп-тимизации возможных решений с целью выбора варианта конструкции, наибо-лее полно отвечающего указанному комплексу требований.

То есть, в техническом отношении конструкция должна соответство-вать своему функциональному назначению, иметь соответствующие техниче-ские характеристики (мощность, производительность, грузоподъемность, ма-невренность и т.д.) и обладать необходимыми эксплуатационными качествами (например, работоспособностью в условиях Крайнего Севера ).

Современные социально-экологические требования включают в себя условия труда, безопасность, сохранение внешней среды и т.п.

Важнейшая роль сегодня отводится экономическим требованиям к конструкциям, т.е. её экономической целесообразности и эффективности.

Принято считать, что конструировать с учетом экономических требова-ний – значит снижать стоимость изготовления изделий. Наиболее существенное влияние на экономический эффект оказывает сумма расходов за весь жизнен-ный цикл изделия. Частная экономия, достигнутая в одном направлении (на-пример, стоимость изделия) нередко ведет к снижению суммарного экономиче-ского эффекта от внедрения новой техники.

Из вышесказанного отчетливо проступает ведущая роль, отводимая в процессе создания современной техники всесторонней инженерно-экономиче-ской экспертизе разрабатываемых технических решении на всех этапах разра-ботки, постановки на производство и эксплуатации новых изделий.

1.1 Этапы создания машин Процесс создания машины – это сложный многоступенчатый процесс,

включающий следующие основные этапы: - обоснование необходимости создания объекта, изделия, комплекса;

Проектирование

Конструирование

Изготовление

Эксплуатация

Спрос

Page 9: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

9 - научно-технические исследования; - разработка конструкторского проекта; - изготовление, испытания и доводка опытных образцов.

Обоснование необходимости создания машины и научно-технические исследования называют этапом поискового проектирования, в результате реа-лизации которого формируется техническое задание на проектирование. Важ-ную роль на этом этапе играет расчет экономической целесообразности, вы-полняемый специалистами-экономистами в тесном сотрудничестве с инжене-рами-проектировщиками и конструкторами.

Государственным стандартом (ГОСТ 2.103-68) предусмотрены следую-щие стадии разработки конструкторской документации: техническое задание (ТЗ), техническое предложение (ТП), эскизный проект (ЭП), технический про-ект (ТП-Т) и рабочий проект (РП) (рис. 2а).

…… ……

ГОСТ 2.103-68 …… …… …… а) б) Рисунок 2 - Сетевой график разработки вариантов конструкторской до-

кументации

ТЗ

ЭП

ТП

РП

ТП-Т

П1

ТЗ1

П2

ТЗ2

Пi

ТЗj

ОП

ТП1 ТП2 ТПk

ОТЗ

ЭП1 ЭП2 ЭПm

ОТП

ТП-Т1 ТП-Т2 ТП-Тn

ОЭП

ОТП-Т

РП

Page 10: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

10

Техническое задание является исходным основополагающим докумен-том для начала работ над проектированием объекта. Оно определяет назначе-ние изделия и содержит технические и технико-экономические его характери-стики, необходимые стадии его разработки и состав конструкторской докумен-тации, а также специальные требования к изделию. ТЗ, как правило, разрабаты-вается заказчиком, реже – проектирующей организацией с последующим согла-сованием с возможным потребителем.

Техническое предложение – совокупность конструкторских докумен-тов, содержащих технические и технико-экономические обоснования целесооб-разности разработки документации изделия, сравнительную оценку конструк-тивных и эксплуатационных особенностей существующих и предлагаемых из-делий с учетом не только технико-экономических, но и технологических, эко-логических и др. показателей. ТП подлежит обсуждению, согласованию и ут-верждению, после чего оно служит основанием для разработки эскизного про-екта.

Эскизный проект представляет собой совокупность конструкторских документов, которые содержат принципиальные решения, позволяющие судить об устройстве изделия и определяющие его основные параметры и габаритные размеры. На этой стадии выбирается кинематическая схема машины, делается чертеж, на котором определяется компоновка машин (сборочные единицы, ино-гда и детали, изображаются условно, с учетом их габаритов); оценивается воз-можность унификации (т.е. приведения изделий к минимальному числу типо-размеров, марок, форм и т.п.) сборочных единиц и деталей; определяется мате-риал и вид заготовки для основных деталей; устанавливается перечень ком-плектующих (покупных) изделий. В качестве этапа работы может предусмат-риваться проверка принципиальных решений на макетах. Завершается работа предварительными технико-экономическими расчетами – определяется трудоемкость и себестоимость. ЭП после согласования и утверждения служит основанием для дальнейшей разработки проекта.

Технический проект представляет собой более детализированную со-вокупность графической и текстовой документации, дающую полное и оконча-тельное представление об устройстве, компоновке машины и всех ее узлов, включая все динамические, прочностные и другие виды расчетов. Выполняется окончательная отработка спецификации марок материалов с учетом необходи-мости максимального сокращения сортамента (т.е. разновидностей, форм и размеров, состояния поставки материалов). ТП-Т после согласования и утвер-ждения служит основанием для разработки рабочей документации (рабочего проекта).

Рабочий проект выполняется в три этапа: - на стадии создания опытного образца – разрабатывается комплект кон-

структорских документов, предназначенных для изготовления и испытания опытного образца. По результатам заводских, ведомственных, государственных и других испытаний опытного образца выполняется корректировка конструк-торских документов;

Page 11: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

11

- на стадии разработки установочных серий – корректируется конструк-торская документация и экономические расчеты по результатам изготовления, испытания установочных серий. Выполняется оснащение технологического процесса производства;

- на стадии установившегося серийного или массового производства окончательно корректируется конструкторская документация по результатам изготовления головной серии по зафиксированному и полностью оснащенному технологическому процессу.

Весь процесс проектирования машин носит многовариантный характер, что приводит к необходимости выбора оптимального решения. На рисунке 2б дана схема разработки конструкторской документации, которая отражает мно-говариантный характер процесса, а также путь выбора лучшего решения. Перед разработкой TЗ вводят процесс прогнозирования конструкции, в результате че-го может иметь место несколько вариантов прогнозов (П1, П2, ..., Пi). Этим про-гнозам соответствует некоторое число вариантов технического задания (T31, ТЗ2, ..., ТЗj).

Судить об уровне оптимальности разработанных вариантов прогнозов можно после разработки и оценки их предварительными вариантами техниче-ского задания. В результате сопоставления разработанных прогнозов с этими техническими заданиями (TЗj) находят оптимальное решение по прогнозирова-нию (ОП), на основании которого затем разрабатывают окончательные вари-анты технического задания (ТЗ).

Разработанным вариантам ТЗj соответствует некоторое число вариантов предварительных технических предложений (ТП1, ТП2, ..., ТПк). Сопоставляя эти ТПк с вариантами TЗj устанавливают оптимальное техническое задание (ОTЗ).

По аналогии могут быть установлены оптимальное техническое предло-жение (ОТП), оптимальный эскизный проект (ОЭП), оптимальный технический проект (ОТП-Т).

Оптимальные варианты определяют на основании сопоставления ре-зультатов оценок по двум стадиям разработки. Обратные связи между стадиями проектирования указывают на возможность уточнения принятых ранее реше-ний.

Разработка вариантов конструкторской документации на всех стадиях проектирования и выбор оптимальных решений представляет собой сложную задачу.

В силу трудоемкости выполнения большого объема проектных работ, тенденции максимального сокращения времени, затрачиваемого на весь цикл процесса создания объекта, изделия, а также неуклонного повышения требова-ний к качеству создаваемой новой техники в настоящее время осуществляется постепенный переход к автоматизации проектирования, а точнее – к автомати-зированному проектированию.

Page 12: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

12

1.2 Проектные процедуры Как отмечалось выше, среди методологических направлений в послед-

нее время широкое распространение получил системный подход (анализ, и синтез систем), который является одним из ведущих направлений в совре-менном научном познании вообще и в проектировании машин в частности.

При системном подходе процесс проектирования включает следующие основные процедуры: анализ объекта, структурный и параметрический синтез, оптимизацию и разработку графической и текстовой документации (рис. 3).

Диакоптический анализ – это разделение, разбиение, декомпозиция проектируемого объекта на составные части – системы, подсистемы, компоненты и др. – для облегчения и ускорения параллельного процесса проектирования объекта по составным частям.

Корреляционно-регрессионный анализ – это комплекс методов опи-сания, упорядочения и оценки исходной информации об объекте, среде, в кото-рой предстоит функционировать объекту, имеющему статистический характер.

Спектральный анализ – комплекс методов оценки частотных свойств, присущих техническим объектам и существенно влияющих на работоспособ-ность проектируемого объекта.

Параметрический анализ может делиться на статический, кинемати-ческий и динамический, т.е. это комплекс методов определения фазовых пере-менных (усилий, скоростей, ускорений и др.) как в стационарных, так и в неус-тановившихся режимах работы объекта.

Технико-экономический анализ – это комплекс методов для нахожде-ния наиболее экономичных путей достижения требуемых параметров проекти-руемого объекта.

Структурный синтез – это процесс формирования множества альтерна-тивных структур проектируемого объекта. Под структурой понимается набор взаимосвязанных (посредством определенных видов связей, отношений) под-систем, элементов и др.

Параметрический синтез – это выбор совокупности независимых и управляемых параметров и их значений в процессе проектирования объекта, его систем и отдельных элементов.

Оптимизация – это совокупность процедур поиска, методов и алгорит-мов, позволяющих при наличии различных ограничений (технических, техно-логических, экономических, эргономических, экологических и др.) и целевых установок (т.е. ряда требований, предъявляемых к объекту проектирования в соответствии с условиями эксплуатации, транспортировки, складирования и т.д.) определить оптимальные параметры и структуру проектируемого объекта, системы, изделия. Ввиду колоссального значения оптимизации для достижения поставленной перед проектированием конечной цели, процессу оптимального проектирования, его методам и приемам посвящена глава 6.

Геометрическое моделирование – это процесс отображения и воспро-изведения геометрической структуры (модели) проектируемого объекта на ос-нове исходных примитивов (базисных элементов, компонентов и др.).

Page 13: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

13

Рисунок 3 - Блок-схема проектных процедур 1.3 Принципы проектирования Основополагающим принципом проектирования является принцип оп-

тимума, т.е. поиск оптимальной структуры и параметров объекта и всех его элементов на базе выбранных критериев оптимизации с учетом большого коли-чества ограничений, соответствующих многочисленным принципам проекти-рования, которые упрощенно можно классифицировать по трем группам: тех-нические, экономические и социально-экологические.

1.3.1 Технические принципы Принцип соответствия заданному функциональному назначению. Принцип предупреждения морального старения, т.е. в конструкции объ-

екта должна быть заложена возможность дальнейшего совершенствования, мо-дернизации объекта.

Проектные процедуры

Синтез

Структурный

Параметриче-ский

Анализ

Диакоптический

Корреляционно-регрессионныый

Спектральный

Оптимизация

Структурная

Параметриче-ская

Однокритери-альная

Разработка документации

Геометрическое моделирование

Графическое отображение

(чертежи)

Текстовая документация

(расчеты)

Параметрический

Технико-экономический

Многокрите-риальная

Page 14: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

14

Принцип максимального использования всех форм стандартизации и унификации / 11 /.

Принцип технологичности конструкции объекта. Принцип прочности, надежности и долговечности конструкции ма-

шины. Принцип максимальной автоматизации управления машиной (что

можно также отнести к группе социальных принципов проектирования, т.к. це-лью автоматизации является облегчение труда человека в процессе управления машиной).

Принцип минимальной материалоемкости объекта (этот принцип оче-видно также относится и к группе экономических принципов).

Принцип минимальных габаритов конструкции. Принцип выбора рациональных форм всего объекта в целом и каждой

его детали в отдельности. Принцип снижения номенклатуры структурных составляющих объ-

екта. Принцип равнопрочности конструкции, т.е. все структурные элементы

объекта должны обладать равной надежностью и долговечностью, а в идеале и каждая деталь должна быть спроектирована по этому принципу, что обеспечит одновременно и минимальную материалоемкость.

1.3.2 Экономические принципы Кроме уже упоминавшихся в п. 1.3.1. принципов минимальной материа-

лоемкости, стандартизации и технологичности, снижения номенклатуры, кото-рые одновременно являются и техническими и экономическими, к группе эко-номических следует отнести и ряд других основных принципов проектирова-ния.

Принцип экономного расходования конструкционных и эксплуата-ционных материалов и особенно металла.

Принцип снижения трудоемкости изготовления изделий. Принцип ремонтопригодности, т.е. наибольшей приспособленности

конструкции к выполнению работ по техуходу в эксплуатации и ремонтам. Принцип рационального выбора экономически целесообразных мате-

риалов. Принцип минимальной достаточности при выборе классов точности,

шероховатости, коэффициентов запаса, долговечности, производительности, грузоподъемности, мощности, скорости и т.д., что приводит к снижению не-нужных затрат в производстве и эксплуатации изделия.

То есть, реализация вышеперечисленных принципов позволит достичь максимального суммарного экономического эффекта, как в изготовлении про-ектируемого объекта, так и в его эксплуатации.

Page 15: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

15

1.3.3 Социально-экологические принципы Принцип обеспечения гармоничной предметно-технической среды

жизнедеятельности человека, т.е. при создании новой техники должны удов-летворяться интеллектуальные, комфортные, культурные и эстетические по-требности человека.

Перечисленный круг вопросов составляет естественнонаучные основы проектирования, которыми занимаются такие науки, как эргономика, инженер-ная психология, техническая эстетика, физиология человека.

Принцип безопасности труда человека, занятого управлением или об-служиванием машин.

Принцип «не навреди природе» должен быть главенствующим при соз-дании любых машин и комплексов, обеспечивающих технологические произ-водственные процессы, в той или иной степени взаимодействующие с биосфе-рой.

1.4 Методы проектирования Для реализации перечисленных принципов проектирования применяют

различные методы. 1 Методы поиска идей, в т.ч. «мозговая атака», суть которой состоит в

том, что с целью стимулирования отобранной группы лиц для генерации идей в рассматриваемой проблеме вводят правило, запрещающее критиковать любую идею, какой бы «дикой» она ни казалась, и доводится до сознания участников, что приветствуются любые идеи, что необходимо получить много идей и что участники должны попытаться комбинировать или усовершенствовать идеи, предложенные другими. Все идеи фиксируются и оцениваются. Этот метод аб-солютно универсален. С его помощью можно рассматривать любую проблему (не обязательно техническую, это может быть экономическая, финансовая, со-циальная и т.д.), если она достаточно просто и ясно сформулирована. Этот ме-тод можно использовать на любой стадии проектирования, как в начале, когда проблема еще окончательно не определена, так и позднее, когда уже выделены сложные подпроблемы. Его можно также использовать для генерирования ин-формации, а не идеи, т.е. для выяснения источников информации или формиро-вания вопросов анкеты.

По утверждению американского исследователя Дж.К. Джонсона / 1 /, ме-тод «мозговой атаки» используется чаще любого другого метода и рассматрива-ется как чрезвычайно быстрый способ генерирования необходимого разнообра-зия идей, которое может послужить основой для серьезного поиска решения. Непосредственно ценным выходом «мозговой атаки» является не сами идеи, а категории, на которые они разбиваются в процессе классификации. Шесть че-ловек могут за полчаса выдвинуть до 150 идей. Бригада проектировщиков, ра-ботающая обычными методами, никогда не пришла бы к мысли о том, что рас-сматриваемая ею проблема имеет такое разнообразие аспектов.

Page 16: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

16

2 Методы исследования проектных ситуаций (дивергенции). 2.1 Формулирование задачи с целью охарактеризовать внешние условия,

которым должен отвечать проектируемый объект. 2.2 Поиск литературы и других источников информации, полезной для

будущих проектных решений, которую можно получить своевременно и без излишних затрат. Роль технической информации в новых разработках огромна. Источниками научно-технической информации являются следующие ее виды: научно-техническая литература, включая учебники, тематические издания, мо-нографии, сборники трудов, обзоры, реферативные издания; экспресс-информация, информационные листки, рекламные проспекты, бюллетени; биб-лиографические издания, картотеки, плакаты, отчеты НИР и ОКР, рекоменда-ции и тезисы докладов на конференциях, съездах, симпозиумах; периодические издания и т.д. и т.п. В общей структуре информационных потоков важное место занимает патентная информация (бюллетени, описания изобретении к автор-ским свидетельствам и патентам). К видам информации следует добавить зри-тельную (эталоны, натурные образцы, экспонаты выставок, кино, видеофильмы и др.) и устную информацию (доклады на конференциях, семинарах, совеща-ниях, лекции, сообщения радио, телевидения, личные беседы, консультации и др.). Мощным источником информации сегодня являются возможности, пред-ставляемые всемирной сетью “Internet”.

2.3 Выявление визуальных несоответствий с целью определения на-правления, по которым должен идти поиск путей совершенствования художе-ственно-конструкторского решения. Этот метод подсознательно используется практически всеми конструкторами, в особенности теми из них, кто больше внимания уделяет функции изделия, чем его внешнему виду.

2.4 Интервьюирование и анкетный опрос потребителей с целью сбора информации, известной только потребителям данного или подобного изделия.

2.5 Исследование поведения потребителей путем наблюдения или моде-лирования особенно важных аспектов поведения как малоискушенных, так и опытных потребителей предлагаемого изделия.

3 Метод конструктивной преемственности (заимствования). 4 Метод макетного проектирования, когда макеты воспроизводят от-

дельные интересующие конструктора элементы и производится их экспери-ментальная проверка.

5 Метод инверсии, т.е. обращение функций машин, форм и распо-ложения деталей. Пример обращения функций машин: электродвигатель – электрогенератор, двигатель внутреннего сгорания – поршневой компрессор и т.д.

6 Метод стадийного проектирования в соответствии с ГОСТ 2.103-68. 7 Метод компонования изделия, т.е. целесообразного размещения со-

ставных частей изделия на чертеже общего вида. 8 Метод использования типовых решений и типовых проектов. 9 Метод группового проектирования (т.е. создание гаммы, семейства,

модификаций конструктивно-подобных изделий многоцелевого назначения, например, семейство автомобилей ГАЗ, ЗИЛ и т.д.).

Page 17: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

17

10 Метод поэлементного анализа, когда детали изделия условно делят-ся на отдельные конструктивные элементы или показатели: размеры, допуски, материал, шероховатость поверхности, способы упрочнения и защиты от кор-розии и т.д. Каждый из этих элементов анализируется отдельно, а затем вы-бирается оптимальный.

11 Методы стандартизации и унификации. 12 Метод разработки вариантов и выбора оптимального варианта тех-

нического решения подразумевает использование большого количества раз-нообразных методов оптимизации, о которых пойдет речь ниже.

Помимо перечисленных, в рамках САПР существует множество специ-альных методов, применение которых стало доступным только с появлением современных быстродействующих и обладающих колоссальным объемом па-мяти ЭВМ. Некоторые из таких методов рассматриваются в работах, посвя-щенных перспективам автоматизированного проектирования. Подробнее обзор этих методов дается в подразделе 6.2.

2 ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ На современных машиностроительных заводах серийного массового

производства детали изготавливают в одних цехах, а сборку машин производят в других. При сборке используют стандартные крепежные детали, подшипни-ки, электротехнические и другие покупные изделия. Несмотря на это, сборка машин производится без пригонки деталей. Такая организация производства машин стала возможной вследствие того, что детали и части изделий изготов-ляют взаимозаменяемыми.

Взаимозаменяемость – это свойство независимо изготовленных с за-данной точностью деталей и составных частей машин обеспечивать возмож-ность беспригонной сборки (или замены при ремонте) сопрягаемых деталей в составные части, а составных частей – в изделия. Взаимозаменяемость обес-печивает высокое качество изделий и снижает их стоимость.

Взаимозаменяемость деталей составных частей возможна только тогда, когда их количественные и качественные характеристики находятся в заданных пределах (допусках), что обеспечивается внедрением систем стандартизации типовых соединений, допусков, посадок (т.е. характера соединения деталей, определяемого величиной зазоров или натягов), различных норм точности, ше-роховатости и т.д.

Таким образом, стандартизация – установление и применение обяза-тельных правил, норм и требований при проектировании, изготовлении и экс-плуатации машин. Унификация – приведение различных видов продукции и средств ее производства к наименьшему числу типоразмеров, марок, форм, свойств и т.п. Нормализация отличается от стандартизации тем, что прово-дится в более узких пределах, ограничивающих данную отрасль или предпри- ятие. Недостаточное использование нормализации приводит к неоправ-

Page 18: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

18 данному конструктивному разнообразию машин даже одного и того же назна-чения. Стандартизация и нормализация являются основными методами конструктивной унификации в машиностроении. С помощью стандартов и нормалей устанавливается целесообразный минимум разновидностей машин, узлов, отдельных характеристик изделий, а также исходных материалов, средств производства и т.д.

Использование методов стандартизации и унификации позволяет уско-рить процесс проектирования, повысить качество, надежность изделий, уменьшить номенклатуру изделий, снизить трудоемкость их изготовления, достичь взаимозаменяемости деталей, узлов или агрегатов машин, что обеспе-чивает сборку или замену их без подгонки.

Методы унификации: а) секционирование (образование производных машин набором унифи-

цированных секций); б) изменение линейных размеров при сохранении поперечных сечений

(например, с целью увеличения производительности, удлинение ротора насоса, компрессора и т.д.);

в) метод базового агрегата (например, образование семейства дорожных машин различного назначения путем установки на базовом агрегате серийного тракторного шасси специального навесного или прицепного технологического оборудования для выполнения тех или иных дорожно-строительных работ);

г) агрегатирование (т.е. создание машин сочетанием в различных ком-бинациях унифицированных агрегатов);

д) конвертирование (например, преобразование двигателя внутреннего сгорания в поршневой компрессор);

е) модифицирование (т.е. приспособление машин к определенным усло-виям эксплуатации без изменения основной конструкции);

ж) компаундирование (параллельное соединение машин и агрегатов с целью увеличения мощности или производительности);

з) унифицированные ряды – метод, позволяющий компоновать машины с одинаковым рабочим процессом, но с различными размерами и производи-тельностью или мощностью (например, семейство 2-х, 3-х, 4-х, 6-ти, 8-ми ци-линдровых ДВС воздушного охлаждения).

Технико-экономическое качество проектирования в значительной сте-пени определяется уровнем стандартизации и унификации изделий, для оценки которого применяется ряд показателей конструктивной унификации:

- коэффициенты унификации (по типоразмерам и по массе); - коэффициенты проектной преемственности (по типоразмерам и по мас-

се); - коэффициент повторяемости; -коэффициент унификации конструктивных элементов и т.д. В большинстве случаев стандартные и унифицированные составные

части конструкции включают в один показатель, который часто называют ко-эффициентом применяемости:

Page 19: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

19

%100⋅Σ

Σ+Σ+Σ+Σ=

Д

ПЗУСпрК ,

где ПЗУС ΣΣΣΣ ,,, - число типоразмеров стандартных, унифицирован-

ных, заимствованных, покупных деталей и сборочных единиц; ДΣ - общее чис-ло наименований деталей и сборочных единиц в изделии.

Различают следующие категории стандартов: МС - международные стандарты, ГОСТ – государственные стандарты, ОСТ - отраслевые стандарты, РСТ – республиканские стандарта, СТП - стандарты предприятий.

В государственную систему стандартизации (ГСС) входит стандартиза-ция крупных межотраслевых систем, в том числе Единая система конструктор-ской документации (ЕСКД), которая устанавливает порядок разработки, оформления, учета, хранения чертежей и другой конструкторской документа-ции; Единая система допусков и посадок (ЕСДП), обеспечивающая взаимоза-меняемость; Единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП), обеспечивающая технологичность изделий и т.д.

Эффект от стандартизации неоценим. Стандартизация обеспечивает экономически оптимальное качество продукции, повышение производительно-сти общественного труда и эффективное использование материальных ценно-стей, безопасность труда, развитие международного технического сотрудниче-ства, увязку требований к продукции с потребностями обороны страны и т.д.

3 ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ МАШИН Технологичность конструкции изделия – это совокупность свойств

конструкции, определяющих ее приспособленность к достижению оптималь-ных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных качества, объема выпуска и условий выполнения работ (рис. 4 ).

Конструкторская документация не регламентирует методы и способы изготовления изделия, а также последовательность их применения. Это – во-просы технологической документации (т. e. технологической подготовки про-изводства). Но данные, содержащиеся в конструкторской документации, в ре-шающей степени влияют на их выбор и применение, поэтому необходимы и обязательны взаимная увязка и согласование конструкторской и технологиче-ской документации.

Основы технологичности конструкции машин закладывается уже в са-мом начале их проектирования при обработке общих схем.

Выбор рациональной кинематической схемы является одним из необхо-димых условий улучшения технологичности конструкции и повышения эконо-мической эффективности изготовления машин. Рациональная кинематическая схема должна включать кинематические цепи, состоящие из минимального

Page 20: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

20

Технологичность конструкции

Технологичность

при

ремо

нте

Эксплуатационная

технологичность

Производственная

технологичность

(в изготовлении)

Ремо

нтопригодность

Технологичность

при

техобслуживании

Технологич

-ность при

обработке

деталей

Технологичность

при вы

полнении

штатных работ

Технологич

-ность

сборочны

х единиц

Технологич

-ность

заготовок

Восстанавливаемость

Выбор способа изготовления заготовок

Минимизация припусков на обработку

Технологичность механической обработки

Технологичность упроч-няемых конструкций

(закалка и т.д.)

Собираемость, взаимозаменяемость

Механизация и автоматизация сборки

При подготовке к применению

При выполнении рабочих операций (управление)

Блочность

Контролепригодность

Взаимозаменяемость

Доступность

Легкосъемность

При выполнении работ после применения

Рисунок

4 - Структура

технологичности

маш

иностроительны

х изделий

Page 21: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

21 количества звеньев, что ведёт к уменьшению количества и размеров крупных основных деталей в самой машине (картеры, рамы, корпуса и т.д.).

Во многих машинах усложнены без надобности кинематические схемы, увеличено количество передаточных механизмов, в ряде случаев значительный эффект может дать применение гидравлических, пневматических или электри-ческих передач.

В свою очередь, характер кинематической схемы оказывает большое влияние на качество компоновки всей машины.

Рациональность компоновки машин зависит от многих конструктивных, эксплуатационных и производственных факторов.

Практически совершенствование компоновки машины для улучшения технологичности конструкции достигается при:

1) сокращении расстояний между опорами и приближении их к месту приложения нагрузки;

2) устранении отдельных агрегатов и механизмов путём передачи их функций другим машинам (например, использование навесных машин, у кото-рых нет ходовой части, т. к. её заменяют трактор или самоходное шасси);

3) сокращении количества опорных точек ходовой части любых машин (при этом, за счёт сокращения количества колёс, упрощаются размеры рамы);

4) совершенствовании компоновки отдельных узлов и механизмов; 5) расчленении машин на сборочные единицы; 6) улучшении транспортабельности машин; 7) улучшении ремонтоспособности.

Так конструктивная унификация, о которой шла речь выше, имеет тес-ную связь с технологической унификацией, целью которой является применение типовых технологических процессов, что в сочетании со стандар-тизацией конструктивных элементов конструкций приводит к резкому сокра-щению количества типоразмеров (номенклатуры) применяемой технологиче-ской оснастки и инструмента, а это, в свою очередь, существенно сокращает сроки и затраты на технологическую подготовку производства.

Конструктивную унификацию проводят на основе конструирования. Она даёт возможность устранить необоснованное конструирование многообра-зия и получить большую экономию, т.к. для изготовления унифицированных деталей и узлов создаются более благоприятные условия.

Увеличение в результате унификации количества одинаковых деталей и узлов облегчает переход к более совершенному типу производства, например, от серийного к массовому.

Объектами констуктивной унификации могут быть самые разнообраз-ные элементы конструкции машины. По своим конструктивно-технологиче-ским признакам они могут быть разбиты на следующие группы: 1) Узлы и детали; 2) Конструктивые элементы (отверстия, резьбы, модули зубчатых колёс, конусы, канавки и т.д.); 3)Точные характеристики (допуски, посадки, квалитеты, степени точно-сти, шероховатости и т.д.);

Page 22: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

22 4) Кинематические соотношения (ряды чисел оборотов, подачи, переда-точные отношения, скорости и т.д.); 5) Характеристики материала ( марки, профиль, типоразмеры и т.д.).

Унификация конструктивных элементов деталей и точностных характе-ристик, наряду с совершенствованием отдельных операций технологического процесса, приводит к сокращению количества видов, типоразмеров инструмен-та и технологической оснастки; кроме того, в этом случае расширяются воз-можности для типизации технологических процессов.

Унификация кинематических соотношений ограничивает конструк-тивное разнообразие передач, деталей кинематических цепей и их элементов.

Унификация характеристик материала упрощает складское хозяйство и организацию снабжения материалами.

Различают два основных направления в области конструктивной унифи-кации. Одно из них характерно тем, что все работы по унификации ведутся в пределах какой-либо одной машины, узла или агрегата, другое связано с про-ведением конструктивной унификации деталей и узлов в различных машинах.

Одной из важнейших составляющих технологичности является мате-риалоемкость машин, под которой понимают расход материала, необходимого для производства и технической эксплуатации изделия.

При проектировании машин экономию материала можно обеспечивать непосредственно уменьшением их массы, или созданием необходимых конст-руктивных предпосылок для сокращения отходов материала в производстве.

Сокращение расхода материала и снижение веса машин при проектиро-вании достигается в результате следующих приемов:

А) Выбор наиболее эффективной принципиальной схемы машины и ра-циональной конструкции ее элементов и узлов. Совершенствование конструк-ции машин достигается также объединением (блокированием) двух или более деталей в одну. Объединение деталей позволяет уменьшить вес самой блокиро-ванной детали, а также ликвидировать крепежные, фиксирующие и другие со-единительные элементы, в результате получается не только экономия материа-ла, но и сокращение трудоемкости за счет уменьшения обрабатываемых по-верхностей и сборочных работ.

Б) Обеспечение минимально необходимых запасов прочности деталей и узлов машин, т.е. приближение сечений конструкций к условиям равного со-противления действующим усилиям, а также удаление ненагруженных элемен-тов в деталях и узлах там, где это возможно по конструктивным соображениям. Чем точнее устанавливают величину рабочих напряжений и чем более крите-рии работоспособности соответствуют условиям работы материала, тем ниже могут быть коэффициенты запаса прочности и жесткости, т.е. полнее будут использованы прочностные возможности деталей и, следовательно, тем меньше будет их материалоемкость.

В) Применение эффективных видов материала и сортамента проката. Одним из основных источников снижения веса машин является использование материалов повышенной прочности для нагруженных деталей с соответствую-щим уменьшением размера сечений. Снижение веса машин и рациональное

Page 23: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

23 использование материала возможно при правильном выборе профиля проката. Металлургическая промышленность выпускает прокат разнообразного сортимента и качества. Весьма эффективными в отношении снижения веса и экономии материала являются закрытые полые профили, т.е. трубы с различ-ной формой сечения (круглые, квадратные, прямоугольные, треугольные, мно-гоугольные и др.), особенно большие преимущества они имеют по сравнению со сплошными профилями такой же формы, так как при одинаковых моментах инерции и сопротивления у них меньше площадь поперечного сечения и вес 1 пог.м.

Широкие возможности дает использование гнутых профилей из листа и полосы, получаемых холодной гибкой профилирования на специальных роли-когибочных станках высокой производительности. Таким методом легко изго-товляют с большой точностью самые разнообразные формы тонких и толстых сечений от 0,5 до 20 мм. Следует иметь в виду, что при профилировании проис-ходит одновременно поверхностное упрочнение металла и тем больше, чем толще исходный материал (лента или лист). Гибкой, помимо открытых профи-лей, которые изготовляются непосредственно на роликогибочных станках, можно получить и закрытые профили с замкнутым контуром путем последую-щей сварки кромок в стыке или торцов двух гнутых элементов.

Гнутые профили можно использовать для изготовления кронштейнов, опор, консолей, облицовочных элементов, имеющих назначение ребер жестко-сти, и многих других деталей машин.

Г) Применение различных, современных прогрессивных технологиче-ских процессов дает возможность повысить прочность материала, увеличить точность изготовления заготовки и детали, приближая их форму друг к другу, а также упростить конфигурацию и уменьшить сечения детали. К этим процес-сам относятся термическая и термохимическая обработка, обработка для по-верхностного упрочнения, сварка, точное литье и штамповка и некоторые дру-гие процессы производства. При этом экономия материалов получается в ре-зультате уменьшения отходов, а также уменьшения размеров и сечения деталей вследствие повышения прочности материала.

Из всего сказанного следует, что стандартизация и технологичность – неразрывно связанные основополагающие принципы проектирования машин.

Стандартизация и унификация конструкции и ее технологические свой-ства оказывают существенное влияние не только на рациональное использова-ние различных видов ресурсов при изготовлении изделия, но и на процесс его эксплуатации. В результате применения методов стандартизации и унифика-ции, обеспечивающих технологичность конструкции, упрощается техническое обслуживание изделий и улучшается их ремонтопригодность, сокращается но-менклатура применяемого в эксплуатации инструмента, сокращается время техобслуживания, снижается стоимость и трудоемкость процесса эксплуатации / 3 /.

Технологичность рассматривается как одна из основных составляю- щих общей экономической оценки конструкций машин, поэтому существует теснейшая связь между техническими и экономическими проблемами

Page 24: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

24 проектирования, что будет подробнее показано в следующей главе, посвящен-ной экономическим аспектам проектирования.

4 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН Одним из центральных принципов проектирования является повышение

экономической эффективности машин. Задачу создания наиболее прогрессив-ной конструкции следует всегда решать таким образом, чтобы реализация про-екта была нe только конструктивно и технически возможна, но и экономически целесообразна. Необходимо всегда рассматривать и учитывать экономическое значение создания, внедрения и использования новой конструкции.

Часто конструкторы считают, что конструировать с учетом экономиче-ских требований – значит уменьшать стоимость изготовления изделий, избегать сложных и дорогих решений, применять наиболее дешевые материалы и наи-более простую технологию обработки. Все это правильно, но это лишь часть за-дачи. Главное значение имеет то, что экономический эффект определяется по-лезной отдачей изделия и суммой эксплуатационных расходов за весь жизнен-ный цикл изделия. Стоимость изделия является не всегда главной, а иногда и очень незначительной составлявшей этой суммы. Экономически направлен-ное проектирование подразумевает учет всего комплекса факторов, опреде-ляющих экономичность изделия, и правильную оценку относительной значи-мости этих факторов. Это правило нередко игнорируют. Стремясь к удешевле-нию изделия, конструктор иногда добивается экономии в одном направлении и не замечает других, гораздо более эффективных путей повышения экономично-сти. Более того, частная экономия, достигаемая без учета совокупности всех факторов, нередко ведет к снижению суммарной экономичности изделия.

4.1 Оценка экономической эффективности Экономическая эффективность изделия зависит от затрат на создание и

использование нового изделия, слагающихся из расходов на всех этапах разработки изделия / п. 1.1. /, а также расходов: на производство (изготовле-ние), доставку, эксплуатацию (т.е. выполнение штатных работ и техобслужива-ние), ремонт (см. рисунок 4 – структура технологичности машиностроительных изделий).

В ряде случаев эффективность нового изделия невозможно определить экономическими расчетами. Так новые потребности, удовлетворение которых является первоочередной необходимостью для дальнейшего развития общест-венного производства (укрепление обороноспособности страны, улучшение ус-ловий труда, охрана окружающей среды), нельзя оценить в стоимостном выра-жении. Это, однако, не исключает необходимости мероприятий по снижению затрат на их осуществление.

Экономическую эффективность рассчитывают:

Page 25: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

25

- на предпроектной стадии для обоснования выбора научного исследо-вания;

- на стадиях разработки технического задания и технического предложе-ния для выявления целесообразности проектирования и изготовления новой техники;

- на стадиях эскизного и технического проектов для обоснования выбора наиболее эффективных решений;

- при сдаче предприятием-изготовителем опытных образцов для приня-тия решения об их серийном производстве;

- при составлении планов освоения первых промышленных серий, вне-дрения прогрессивной технологии, новых способов организации труда и др.;

- на этапе внедрения и эксплуатации новой техники (фактическая эф-фективность).

Расчеты эффективности на предпроектной стадии являются ориенти-ровочными и должны подтверждать экономическую целесообразность того или иного направления разработки новой техники. Эффективность определяют на единицу и годовую потребность в разрабатываемой технике. После разра-ботки технического проекта экономическую эффективность рассчитывают по исходным данным, зафиксированным в техническом проекте. Эффективность и здесь определяют на единицу и на годовую потребность в новой технике.

На стадии изготовления опытных образцов экономический эффект рассчитывают по результатам изготовления и испытаний образцов. Эффект оп-ределяют на единицу новой техники и на ожидаемый выпуск второго года се-рийного производства по чертежам рабочего проекта.

На этапе составления планов по освоению первых промышленных се-рий исходные данные по новой технике уточняют по результатам эксплуатации опытного образца (опытной партии). Эффект определяют на единицу новой техники и на плановый выпуск второго года серийного производства по уточ-ненным чертежам рабочего проекта.

На этапе внедрения и эксплуатации новой техники фактический эф-фект определяют на основе фактических данных, подтвержденных предпри-ятием, на котором установлена новая техника.

Таким образом, на основе технико-экономического анализа конструкции в сравнении с уже используемыми вариантами можно определить уровень про-грессивности новой конструкции и предотвратить разработку отсталой и мало-эффективной техники.

Теоретические и методические вопросы технико-экономического ана-лиза и расчета экономической эффективности разрабатываемой новой техники (в т.ч. методы так называемого функционально-стоимостного анализа) приве-дены в соответствующей экономической литературе, что является предметом рассмотрения специальных экономических научных дисциплин.

Page 26: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

26

4.2 Экономическое обоснование выбора варианта конструкции машины Как было показано, любое проектирование представляет собой многова-

риантную задачу. Поиск наилучшего варианта производится по ряду критериев оптимизации. Даже в наиболее простом случае однокритериальной оптимиза-ции по неэкономическому критерию невозможно обойтись при анализе проект-ной ситуации без экономических оценок сравниваемых вариантов конструкции машин.

Например, за критерий оптимизации выбрана надежность машины (т.е. исключение поломок). Задача усугубляется сложностью силовых воздействий, их неопределенностью и, нередко, непредсказуемостью (т.е. трудностью про-гнозирования).

Возникает ряд проблем в зависимости от ответа на вопрос: «Стоит ли вообще учитывать наиболее неблагоприятную совокупность

эксплуатационных нагрузок?» Т.е. имеют место варианты. Если ответ – да, то возможно: - увеличить массу изделия (и, следовательно, прочность и надежность), - заменить материал на более прочный и надежный (но, поэтому, и более

дорогостоящий), - ввести в конструкцию машины специальное предохранительное уст-

ройство (что усложнит конструкцию и, очевидно, увеличит стоимость). Если ответ – нет, то можно вообще не учитывать пик нагрузок из-за его

малой вероятности, либо незначительности ущерба в случае поломки. Выбор варианта технического решения может быть сделан только при

анализе плюсов и минусов сравниваемых вариантов по экономическим показа-телям с учетом двух групп факторов – производственных (в изготовлении) и эксплуатационных.

Наиболее важными экономическими факторами производства ЯВляются затраты труда и материалов, определяющие себестоимость нового изделия, ко-торая, в свою очередь, тем ниже, чем технологичнее конструкция. Поэтому при проектировании большое внимание уделяется оценке технологичности машин по ряду технико-экономических показателей, которые могут быть использо-ваны в двух направлениях.

Первое из них – это анализ с помощью показателей технологичности конструкции сравниваемых вариантов машин или узлов. При этом отдельные показатели нельзя рассматривать изолированно друг от друга, т.к. они связаны между собой, и обоснованные выводы относительно технологичности конст-рукций могут быть сделаны только при их совместном рассмотрении.

Об экономии материалов нельзя судить только по чистому весу или только по коэффициенту использования материала. При увеличении или сни-жении веса машин не обязательно увеличивается расход или экономия мате-риала. Иногда при изменении конструкции деталей уменьшение их веса может сопровождаться увеличением отходов, причем количество отходов может воз-расти настолько, что вместо экономии материала его расход будет увеличен.

Page 27: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

27

Коэффициент использования материала также не дает полного пред-ставления об экономии материала, т.к. не учитывает снижение веса деталей.

Только при совместном рассмотрении указанных двух показателей мож-но получить достаточно полную оценку технологичности конструкции в отно-шении экономии материалов. Однако и такой оценки еще недостаточно для вы-бора варианта конструкции, т.к. при уменьшении расхода материала, как пра-вило, имеет место возрастание трудоемкости (за счет дополнительной обра-ботки с целью облегчения элементов конструкции) и наоборот.

Второе направление использования показателей технологичности – создание прогрессивных нормативов, отражающих достигнутый уровень в об-ласти технологичности конструкций машин. Такие нормативы следует созда-вать на основе систематического обобщения лучших показателей по каждому из типов машин. Прогрессивные нормативы должны быть включены в задание на проектирование машины (ТЗ) наряду с эксплуатационными требованиями. Такая конкретизация задания при проектировании помогает сосредоточить внимание конструктора на разрешении наиболее важных задач: снижение веса машины, улучшение использования материала, снижение трудоемкости, уни-фикация элементов деталей, самих деталей, узлов и агрегатов.

Рассмотрим наиболее общие технико-экономические показатели, ис-пользуемые в проектировании при сравнительных оценках разрабатываемых вариантов конструкций машин.

Материалоемкость – основная составляющая себестоимости изделий машиностроения. По мере разработки этапов проектирования непрерывно ве-дется уточнение показателей материалоемкости. Материалоемкость конструк-ции тесно связана с ее массой. Для большинства машин важнейшим требова-нием является снижение массы не в ущерб критериям работоспособности.

Общая масса изделия:

КЭ mmm Σ+Σ= ,

где ЭmΣ – сумма масс оригинальных деталей (т.е. изготавливаемых за-ново);

КmΣ – сумма масс комплектующих (покупных) изделий. Показателем материалоемкости является коэффициент использования

материала:

ЗmmК = ,

где mЗ - масса заготовок на 1 изделие, или

HmК = ,

Page 28: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

28

где Н - норма расхода материала, рассчитанная для изготовления данно-го изделия.

Более совершенной будет, видимо, та конструкция, у которой коэффи-циент использования будет ближе к единице.

Важной характеристикой является так называемая структурная материа-лоемкость mМ, которую определяют как сумму затрат материалов по видам, требующихся для изготовления данной машины:

...++++= ПСПСЛЧЛМ mmmmm ,

где mЧЛ, mСЛ, mСП, mП – расход (в килограммах), соответственно, чу-

гунного, стального литья, сортового проката, поковок и др. Подставленная в таком виде материалоемкость изделия характеризует и

определяет технологические процессы изготовления, дает представление о пу-тях экономии материалов при изготовлении и, следовательно, уменьшения се-бестоимости машины и достижения наибольшей ее экономической эффектив-ности.

Часто для сопоставления различных вариантов и их оценки используют не абсолютные значения масс, а удельные показатели Кm, представляющие со-бой отношение массы изделия к наиболее характерному для него параметру (мощности N, вращающему моменту Т, производительности П, грузоподъемной силе Q и т.п.):

NmКmN = , T

mКmT = и т.п.

В настоящее время накоплены среднестатистические данные значения

удельных показателей материалоемкости для различных типов машин. Вновь проектируемые машины должны иметь меньшие значения этих показателей.

Уменьшение материалоемкости изделий обеспечивается комплексным решением ряда взаимосвязанных вопросов. Мероприятия по сокращению рас-хода материалов могут быть подразделены на две группы:

1. Конструктивные мероприятия, связанные с совершенствованием ме-тодов расчета и использованием новых принципов конструирования (в т.ч. с применением ЭВМ) с обеспечением равнопрочности деталей во всех их сече-ниях, а также с применением новых, недорогих и недефицитных материалов (в т. ч. пластмасс, биметаллов, порошковых материалов и т.д.).

2. Технологические мероприятия, среди которых можно отметить сле-дующие: рациональное применение более совершенных технологических про-цессов и оборудования (совершенные способы литья, обработка давлением и т.д.), применение рациональных видов заготовок для изготовления деталей (например, пустотелых, фасонных, тонкостенных профилей проката).

Page 29: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

29

Трудоемкость. Общая трудоемкость ТО - это нормированная сумма за-трат труда (в единицах времени) на изготовление деталей, сборочных единиц и машины в целом, включая ее сборку, окраску, регулировку и прочие техноло-гические операции.

Трудоемкость в наибольшей степени определяет себестоимость проек-тируемого изделия. На начальных стадиях проектирования, когда отсутствуют рабочие чертежи, а значит и нормы времени для ориентировочной оценки об-щей трудоемкости, часто применяют так называемый «массовый метод», со-гласно, которому:

кTmТ УО ⋅⋅= ,

где m – масса машины; Ту – удельная трудоемкость; к – коэффициент, учитывавший влияние масштаба производства. Удельную трудоемкость, представляющую собой отношение ТО к массе

машины m, т.е. трудоемкость, приходящуюся на единицу массы, выбирают по справочным данным или материалам, накопленным в НИИ, конструкторских бюро и технологических службах заводов, в результате многочисленных соот-ветствующих наблюдении. Такой метод расчета позволяет определить ориен-тировочные значения ТО на этапах предварительного проектирования (или да-же на предпроектной стадии). Коэффициент " к " учитывает зависимость тру-доемкости от масштаба производства, т.к. от него зависит технология изготов-ления, нормы расхода материалов и т.п.

В принципе также условным, но более приемлемым является метод рас-чета ТО при наличии достоверных данных о трудоемкости аналогичной машины Та на том этапе проектирования, когда конструкция машины определена, т.е. известны число деталей и их массы (этап технического проекта) и выявлен масштаб производства:

CПmаО кккTT ⋅⋅⋅= ,

где кm, кП, кC – коэффициенты, учитывающие соответственно разли-чие масс проектируемой и аналогичной машин, масштаб производства, относи-тельную потребность в обновлении станочного парка в связи с заменой объекта производства.

Более совершенный расчет базируется на раздельном учете затрат труда по составляющим:

...+++++= СТМКЛО ТТТТТT ,

Page 30: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

30

где ТЛ, ТК, ТМ, ТТ, ТС и т.д. – трудоемкости, соответственно, литей-ных, кузнечных работ, механической, термической обработки сборочных опе-раций и т.д.

В ряде отраслей промышленности накоплен достоверный статистиче-ский материал, позволяющий рассчитывать эти слагаемые в зависимости от ос-новных параметров проектируемой машины.

Себестоимость. Если на ранних этапах проектирования не удается с достаточной точностью оценить материало- и трудоемкость нового изделия, прибегают к укрупненной оценке себестоимости в целом.

Чаще других на этапе разработки технического задания используют ме-тод расчета себестоимости по удельным показателям, в качестве которых могут быть выбраны статистические данные о себестоимости, например, себестои-мость тонны массы или себестоимость машины, приходящаяся на единицу ус-тановленной мощности снимаемого крутящего момента, грузоподъемной силы и т.п. При этом, следовательно, предполагают, что себестоимость прямо про-порциональна избранному в качестве определяющего параметру. Такая оценка себестоимости может рассматриваться лишь как ориентировочная.

Таким образом, согласно методу расчета по удельным показателям себе-стоимость единицы изделия в зависимости от избранного определяющего па-раметра может быть рассчитана по формулам:

mСС m ⋅= , NCC N ⋅= или TCC T ⋅= и т.п.,

где Cm, CN, CT – удельные себестоимости, соответственно, руб/т,

руб/кВт, руб/ мН ⋅ ; m–расчетная масса, т; N – мощность двигателя, кВт; Т – вращающий

момент проектируемой машины, мН ⋅ . Аналогично себестоимости машины используют понятие себестоимости

детали:

)(i

iiiМ n

CHЗСС ++Σ+= ,

где СМ – стоимость материала на одну деталь (с учетом отходов); Зi – зарплата, приходящаяся на одну деталь во всех i цехах, через

которые она проходит в процессе изготовления (заготовительных, механиче-ских и т.п.);

Нi – накладные расходы цеховые и общезаводские; Сi – стоимость специальной оснастки в указанных цехах; ni – число деталей в партии в соответствующих цехах. Как видно из формулы, себестоимость детали тем меньше, чем меньше

накладные расходы и больше масштаб производства (больше ni). Чем выше

Page 31: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

31 автоматизация и механизация производства, тем меньше накладные расходы; чем больше производство оснащено специальной оснасткой, тем меньше рас-ходы на зарплату. Однако высокая экономичность при этом может быть дос-тигнута только при большом масштабе производства.

Существенное влияние на себестоимость детали оказывает материал и способ изготовления. Так, например, детали простой формы из среднелегированных сталей, изготовленные из проката, дороже деталей из ста-лей обыкновенного качества в 2...5 раз, литые и кованые – в 5...10 раз. Обработ-ка на строгальных и долбежных станках дороже токарной в 2...5 раз, а на ре-вольверных и автоматических станках – дешевле в 2...10 раз.

На себестоимость изделия значительно влияет унификация как на ста-дии разработки проекта, так и в процессе изготовления изделия и его эксплуа-тации. На первом этапе – технической подготовки производства – экономиче-ский эффект унификации проявляется в сокращении количества технической документации, технологической оснастки. При хорошей организации труда унификация позволяет на 30...50% сократить затраты на техническую подго-товку производства, в 2…3 раза – сроки освоения производства новых изделий.

5 ПРОБЛЕМЫ ДИЗАЙНА, ЭРГОНОМИКИ И ЭКОЛОГИИ В ПРОЕКТИРОВАНИИ 5.1 Дизайн Системный подход к проектированию современных машин предусмат-

ривает наиболее полный учет «человеческого фактора», необходимый для ус-пешного создания и функционирования системы «человек-машина». Сегодня уже никого не надо убеждать в том, что «все конструируется для людей», сле-довательно, любое изделие должно удовлетворять требованиям общественной пользы, удобства эксплуатации и красоты.

Достижение этой цели возможно только при тесном взаимодействии в процессе проектирования инженера и дизайнера. Если инженерия порождает техническую логику машины, то дизайн – ее человеческую гармонию. Инженер проектирует саму машину (обеспечивая ее технические свойства), дизайнер – ее свойства, ценные для человека. Современный дизайн воплощает в машине своими средствами важнейшие антропономические (т.е. всецело и закономерно принадлежащие человеку) параметры – интеллектуальные, социальные, ком-фортные, культурные и эстетические, т.е. речь идет о реализации упоминавшегося ранее / п. 1.3.3. / принципа обеспечения гармоничной пред-метно-технической среды жизнедеятельности человека.

Интеллектуальные параметры свидетельствуют об уровне приложенных знаний, прогрессивности проектно-технических решений. Социальные характе-ристики выражают общественно-производственную полезность, нужность ма-шины обществу и человеку. Комфортные показатели отражают оптимальность функциональных и эмоциональных связей человека с техникой. Культурные

Page 32: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

32 признаки показывают степень достигнутой ценности, значимости, престижно-сти машины, соответствующую данной эпохе, региону, обществу. Эстетические свойства воплощают меру целостности, гармоничности техники по отношению к внешним эстетическим (художественным) идеалам и ценностям общества.

Таким образом дизайн – (от англ. design – замысел, проект, конструкция, композиция) – художественно-конструкторская деятельность, охватывающая творчество дизайнера, методы и результаты его труда. Цель дизайна – соедине-ние новых типов изделий, отвечающих требованиям общественной пользы, удобства эксплуатации и красоты. Теоретической основой дизайна является техническая эстетика / 5 /.

Техническая эстетика – научная дисциплина, изучающая социально-культурные, технические и эстетические проблемы формирования гармоничной предметной среды для жизнедеятельности человека. Составляя теоретическую основу дизайна, техническая эстетика изучает его общественную природу и за-кономерности развития, принципы и методы художественного конструирова-ния. Главная цель технической эстетики – обеспечить наилучшие условия тру-да, быта и отдыха людей в создаваемом ими предметном мире.

Художественное конструирование – творческий процесс и метод про-ектирования промышленных изделий, осуществляемые в соответствии с требо-ваниями технической эстетики. Художественное конструирование – неотъем-лемая часть общего процесса проектирования промышленных изделий; оно ве-дется совместно с инженерным конструированием, решающим конструктивно-технические и экономические задачи. Наиболее распространено художествен-ное конструирование в машиностроении, на транспорте, в производстве това-ров культурно-бытового назначения.

Естественнонаучной базой технической эстетики и художественного конструирования является инженерная психология, которая в свою очередь со-ставляет важнейшую часть эргономики как психофизиологической основы кон-струирования.

Инженерная психология – научное направление, сформировавшееся на стыке физиологии и психологии с кибернетикой, математикой и другими тех-ническими науками. Инженерная психология изучает проблемы, которые воз-никают в сложных системах управления класса «человек-машина», т.е. изучает орудия труда и технологические процессы для выяснения требований, предъявляемых конструкцией машины к психическим свойствам человека, ис-следует факторы, определяющие надежность, точность и стабильность деятель-ности оператора, анализирует процессы восприятия информации человеком. Практические результаты исследования этих проблем представляются в виде рекомендаций инженерам, художникам-конструкторам для выбора характери-стик и конструирования машин, пультов управления, планировки рабочих мест и т.п. / 6 /.

Особое значение для инженерной психологии имеет стандартизация, ко-торая при условии ее разумного использования помогает повысить эффектив-ность деятельности людей. Например, люди привыкают к единообразному применению технических устройств. Если на том же принципе основано

Page 33: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

33 и вновь создаваемое изделие, то можно рассчитывать, что люди научатся управлять им без дополнительных инструкций.

При наличии стандартных процессов имеется меньше шансов для воз-никновения аварий и выхода из строя оборудования, поскольку работники знакомы с возможными опасностями и способны к их своевременному распо-знаванию даже в новых условиях применения.

Другими словами, люди заранее ожидают, что устройства действуют «определенным образом». Такие «ожидания» часто называются устойчивыми стереотипами. Типичным примером может служить водопроводный кран: люди привыкли, что вращение крана влево (т.е. против часовой стрелки) увеличивает поток воды и наоборот.

Традиции и стереотипы часто вступают в противоречие с целесообраз-ностью и эффективностью. Так, например, расположение клавишей в пишущих машинках, как известно, унифицировано. Несмотря на то, что в последние годы были разработаны новые клавишные системы, повышающие скорость печата-ния примерно вдвое, оказалось невозможным перейти на новую клавиатуру из-за колоссального количества имеющихся старых машинок, сложности про-блемы обучения новых машинисток и переучивания тех, которые уже при-выкли к старой системе.

Как отмечалось, инженерная психология является частью эргономики – науки о взаимодействии человека с окружающей средой. Под средой в данном случае понимается совокупность всех факторов, влияющих на человека, в том числе пространство или помещение (в т. ч. кабина), в котором он находится, используемые им инструменты, материалы, приемы и организация работы и т.д.

5.2 Эргономика Цель техники – обеспечить человека разнообразными устройствами,

увеличивавшими его способности к управлению окружающей средой и ее пре-образованию. Взаимозависимость этих устройств и операторов стала одной из отличительных черт нашей цивилизации.

Эргономика – научная дисциплина, изучающая функциональные воз-можности человека в трудовых процессах, выявляющая закономерности создания оптимальных условий для высокопроизводительного труда и обеспе-чения необходимых удобств, содействующих развитию способностей работни-ка. Эргономика использует данные технических наук, инженерной психологии, физиологии, антропометрии (наука о геометрии человеческого тела), гигиены труда, а также социологии.

Эргономический подход включает три этапа: - во-первых, анализ системы «человек-машина» с разделением функций

человека и машины. - во-вторых, анализ рабочего пространства (в т.ч. рабочего места,

включая сиденье): необходимо найти оптимальное взаимодействие между че-ловеком и оборудованием для каждой машины, для каждой части системы,

Page 34: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

34 в которой используется человек. Для достижения этого используют подход, от-личающийся от подхода инженера, который, прежде всего, должен начинать мыслить о машине и концентрировать свои усилия именно на ней. Эргономиче-ский подход на уровне системы «человек-машина» состоит в том, чтобы изучить задачу и последовательность операций, которые должен выполнить че-ловек, и идти обратно от человека, рассматривая, таким образом, прежде всего его взаимодействие с машиной, затем с непосредственным рабочим простран-ством и, наконец, с общей средой, в которой должны работать человек и маши-на.

Рисунок 5 - Логическая схема анализа системы «человек машина»

Если эргономический анализ системы «человек-машина» начинается с

общих вопросов, которые постепенно сужаются до тех пор, пока не достигнут уровня отдельного рабочего места, то анализ рабочего места, наоборот, все бо-лее расширяется, охватывая новые, более крупные секторы (рис. 5), от человека к машине, рабочему пространству и среде, но человек при этом всегда остается в центре внимания как эталонная база.

- В третьих, оценка. Любой проект для проверки правильности приня-тия решений с точки зрения человеческого фактора точно также, как использу-ются модели и испытания для проверки важных инженерных решений, должен оцениваться на местах и при испытаниях.

Если на стадиях проектирования точно следовать перечисленным трем этапам, то это помогает противостоять тенденции проектирования отдельных частей, что часто является причиной некачественных проектов из-за невнима-тельного изучения всей производственной системы, частью которой является каждый человек и каждая машина.

Эргономические требования являются составной частью стандартов, со-держащих требования безопасности к оборудованию и относящихся к системе стандартов безопасности труда (ССБТ). Эргономические стандарты стимули-руют развитие наиболее перспективных средств и способов обеспечения безо-пасных и комфортных условий труда / 7 /.

ЧЕЛОВЕК

Page 35: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

35

ГОСТ 30.001-83 устанавливает основные положения системы стандар-тов эргономики и технической эстетики (CCЭTЭ), комплекс требований и пока-зателей эргономики и эстетики. ССЭТЭ так же, как и ССБТ, содержит требова-ния, выполнение которых обеспечивает защиту от опасных факторов среды и машины.

Под эргономическими требованиями понимают требования, которые определяются свойствами человека-оператора и предъявляются к системе «че-ловек-машина-среда» (ЧМС) с целью оптимизации его деятельности.

Под свойствами человека-оператора понимают антропометрические, психофизиологические, психологические и физиологические характеристики и возможности человека.

Эргономические требования, предъявляемые к ЧМС - организации дея-тельности человека-оператора, обитаемости, технике безопасности - опреде-ляют тем самым эргономические свойства ЧМС: управляемость, освояемость, обслуживаемость, обитаемость и, следовательно, интегральное свойство – эр-гономичность. Первые три свойства обеспечивают процесс освоения, управле-ния и обслуживания машины. Обитаемость характеризует комфортность усло-вий труда, важнейшими из которых являются гигиенические показатели среды.

Взаимосвязь эргономических свойств человека и показателей, характе-ризующих машину и среду, схематично представлена на рисунке 6.

Метод моделирования, применяемый при эргономическом подходе к проектированию рабочего места оператора с использованием статических и функциональных макетов установок, пультов управления и элементов рабочих мест, позволяет добиться рациональной компоновки органов управления и средств отображения информации (рис.7). Функциональные макеты воспроиз-водят работу моделируемых технических средств и позволяют выявить вели-чину психофизиологических сдвигов в организме оператора, вызванных не-удобной рабочей позой и нерациональными рабочими движениями.

При проектировании оборудования и рабочего места, используя данные о размерах человеческого тела (антропометрические параметры), очень важно иметь ввиду не только среднего статистического потребителя, но и целый ряд потребителей (т.е. не только математическое ожидание, но и дисперсию слу-чайных величин антропометрических параметров).

Оборудование должно быть пригодным для 90 % (или более, если это возможно) потенциальных потребителей за счет необходимой регулировки.

Используемая статистика должна быть релевантной (англ. relevant – уместный, относящийся к делу) для каждого конкретного случая, например, в экспортных моделях изделий должны учитываться различия антропометриче-ских параметров рас и наций.

Даже столь поверхностный обзор основных проблем эргономики дает отчетливое представление о многообразии, сложности и исключительной важ-ности эргономического подхода к проектированию систем «человек-машина-среда».

Page 36: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

36

Рисунок 6 - Взаимосвязь эргономических свойств человека и показате-

лей, характеризующих машину и среду. 5.3 Экологические аспекты проектирования машин Экология (греч. olkos – дом, родина) – междисциплинарная наука, изу-

чающая взаимоотношения животных, растений, микроорганизмов между собой и с окружающей средой.

Экология человека (социальная экология) представляет собой область естественнонаучных знаний о взаимодействии человека с окружающей его сре-дой, включая другие живые организмы.

Человек

Эргономические свойства

Антропометри-ческие

Психофизиоло-гические

Физиологиче-ские

Психологиче-ские

Досягаемость зон моторного

поля

Размеры эле-ментов раб. места и орга-нов управлен.

Сопротивле-ние переме-щению орга-нов управлен.

Разборчи-вость ин-

формацион-ных сигналов

Объем и скорость

информации

Эргономические свойства

Машина

Шум, вибрация, излучения

Среда

Газо-, пылевыделения Микроклимат

Page 37: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

37

Рисунок 7 - Моделирование рабочего места оператора. Взаимодействие животных с окружающей средой, в т.ч. фауной и фло-

рой, определяется наследственно закрепленными в генотипах животных навы-ками их поведения. Человек в отличие от животных обладает не закрепленным в его генотипе культурным наследием, скорость накопления которого на много порядков превышает скорость накопления генетического наследия у животных. Поэтому, несмотря на малость сроков существования современного человека, культурное наследие становится соизмеримым с генетическим наследием по эффективности воздействия на окружающую среду. В результате человек ока-зался наиболее конкурентноспособным видом на Земле, освоил практически всю ее поверхность и способен изменять всю мировую фауну и флору по сво-ему усмотрению.

Изменения, которые вносит в среду человек и управляемая им техника, называются, соответственно, антропогенными и техногенными.

На месте природы создается «вторая природа» или техноприрода. Наука должна помочь вписать технологические процессы в естественные природные, не доводя природу до разрушения, деградации.

Сегодня трудно согласиться с еще недавно бесспорным тезисом И.В. Мичурина: «Мы не должны ждать милости от природы, взять их у нее – наша

Моделируемые эргономические показатели

Поза челове-ка-оператора

Зоны досягаемости моторного поля

Органы управления

сидя

стоя

по высоте

по фронтали

по сагитали

(удаление

влево,

вправо)

вид,

форма

, размеры

амплитуда перемещения

(ход

)

траектория

(направле-

ние)

перемещ

ения

сопротивление переме

-щению

частота и длительность

пользования

Информационное поле

Поле зрения по вертикали Поле зрения по горизонтали

Page 38: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

38 задача». Нельзя все время «брать», нужно научиться при этом хотя бы наносить меньший ущерб природе, частью которой мы все являемся. Крупный американ-ский эколог Роберт Риклефс удачно заметил: «Если мы хотим достичь какого-то согласия с Природой, то нам в большинстве случаев придется принимать ее условия..., перед которыми в конечном счете будет вынужден склониться чело-век...» / 8. c. 9 /.

В своей «созидательной и преобразующей» деятельности человек с за-позданием обнаружил губительный результат своих завоеваний природы. Дос-таточно оценить этот результат на примере развития топливно-энергетического комплекса России, расположившегося в Западной Сибири и на Севере европей-ской части страны, ставшими сегодня воистину зоной экологического бедствия. Так, в одной только Тюменской области почти 57 миллионов кубометров не-очищенных вредных отходов ежегодно сбрасывает нефтегазовый комплекс, причем половина этих губительных сбросов сразу же попадает в реки и озера («Наш современник», 1985, № 5, с. 109). Это так называемые «плановые» вы-бросы. А сколько в Западной Сибири происходит аварий на нефтепромыслах и нефтепроводах! Только в l988 году в Тюменской области было зарегистриро-вано 698 крупных прорывов нефтепроводов. По некоторым оценкам, ежегодно в области вследствие аварий выливается 12 млн. т. нефти, что, например, боль-ше ее годовой добычи в Румынии («Красный Север», 10.12.88, с. 14). И это при том, что в условиях Крайнего Севера «самоочищение» экосистем происходит в десятки раз медленнее, чем в средних широтах. 10 г. нефти способны за-грязнить кубометр воды до такого состояния, что вода будет непригодна не только для питья и обитания животных, но и для хозяйственного потребления. Наличие нефти и нефтепродуктов в водах Оби в районе Нижневартовска, на-пример, превышает предельно допустимые нормы концентрации (ПДК) в пят-надцать раз («Наш современник», 1989, № 5, c. 109). Сегодня в эту великую си-бирскую реку выливается примерно половина всех нефтепродуктов, которые попадают во все судоходные реки мира («Известия», 17.12.89).

Свой вклад в разрушение природы вносят строители дорог и проклад-чики трубопроводов. Вместо сооружения мостов они перекрывают реки плотинами. Перегороженная река постепенно превращается в сточную канаву. По данным природоохранительных органов, таким путем погублено уже 1200 речек, и еще стремительно гибнут 250 крупных рек («Наш современник», 1989, № 5, с. 109).

Немалую роль в обострении экологической ситуации в Западной Сибири играют разбросанные там и сям так называемые «амбары» – огромные ямы с остатками необходимых для бурения растворов, содержащих весьма токсичные компоненты. На сегодняшний день только у нефтяников таких неликвидиро-ванных «амбаров» насчитывается пять тысяч («Наш современник», 1989, № 5, с. 110).

Под стремительным натиском «первопроходцев» с лица земли исчезает все живое: рыба, дичь, звери. Так, ежегодно в водоемах Западной Сибири гиб-нет одна тысяча сиговых и осетровых рыб. Если в 1976 году в Ямало-Ненецком

Page 39: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

39 автономном округе было выявлено 135 тонн осетровых, то в 1987 году всего 32 тонны.

Идет беспощадное наступление на леса. Площадь лесов, изъятых из Гослесфонда для нужд нефтяной и газовой промышленности с 1964 по 1985гг., составила 580 тыс. гектаров, причем 160 тыс. захвачено «первопроходцами» самовольно. С каждым годом площадь изъятия увеличивается: в 1988 году она составила уже 108 тыс. га. Из 37 млн. кубометров древесины, срубленных на этой площади, более 40% просто брошены в лесу. Леса затапливаются и поги-бают из-за отсутствия водопропускных сооружений при прокладке дорог, бра-коньерски вырубаются вокруг городов и поселков, сгорают в результате много-численных пожаров.

Неумолимо продолжается нарушение почвенного покрова тундры и ле-сотундры. Мощная техника буквально «вспарывает» колесами и гусеницами верхний слой почвы. Даже единичный проезд вездехода или трактора по тундре приводит к нарушению растительности на 30-40 %, а многократный – к пол-ному ее уничтожению («Энергия», 1989, № 12, с. 32). На сегодня уже погублено 20 млн. га оленьих пастбищ, на которых могли бы кормиться 100 тысяч живот-ных («Неделя», 1989, № 11, с. 14).

Уже сегодня хищническая, бесконтрольная эксплуатация нефтегазовых богатств Сибири грозит такими экологическими последствиями, которые могут выйти не только за пределы региона, но и национальные границы страны. Еже-годно реками Тюменской области (прежде всего Обью) в Северный Ледовитый океан выносится более 130 тыс. т. нефти и других вредных веществ. Уже сейчас содержание загрязняющих веществ в прибрежных водах Северного Ледовитого океана в 5-6 раз превышает предельные нормы («Красный Север», 10.12.88, с. 3). Со временем Северный Ледовитый океан может превратиться в Северный Ядовитый…

Или взять проблему попутных газов. Ежегодно в Западной Сибири в фа-келах их сгорает 12 млрд. кубометров. Каждый факел делает вокруг себя без-жизненным пространство на площади в среднем 24 га. Во время сезонных ми-граций в пламени гибнут миллионы и миллионы птиц, летящих на огонь («Красный Север», 10.12.88, с. 14). При сжигании попутных газов, а также при различных производственных процессах выделяется такое количество тепла, которое намного превышает его поступление в виде солнечной радиации. Это может внести свой весомый «вклад» в глобальное потепление. Над регионом навис не проходящий смог, состоящий из углекислого газа, окислов азота, углеводородов. Эта смесь способствует возникновению «парникового эффекта» на планете, который в конце концов может привести к всемирному потопу. Уже сейчас Голландия, значительная территория которой находится ниже уровня моря, готова платить нашей стране за каждый потушенный факел.

Расчеты, проведенные отечественными и американскими специали-стами, показывают, что серьезный вклад в возникновение «парникового эф-фекта» вносит антропогенное нарушение жизнедеятельности микробных сооб-ществ в почвах Сибири и части Северной Америки. Дальнейшее «освоение»

Page 40: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

40 Сибири может привести к полному уничтожению этих сообществ со всеми вы-текающими отсюда катастрофическими последствиями для человечества.

В настоящее время экологический ущерб в расчете на одну тонну нефти в несколько раз превышает ее официальную оптовую цену. А как оценить в рублях деградацию геологической среды? Массированное выкачивание газа и нефти из недр без полной компенсации «пустот» неизбежно выводит эти не-дра из древнего покоя. Уже сегодня происходит интенсивная деформация пла-стов и смещение грунтовых вод, что в некоторых местах ведет к образованию трещин и разрывов, проседанию почвы, возникновению землетрясений.

В значительной степени многие беды объясняются не только субъектив-ными «антропогенными» факторами, но и техногенными. Производственная же база нефтегазодобывающей промышленности страны сегодня находится на грани полного развала. Трудно найти у нас отрасль, которую так же слабо, как нефтегазовую, затронул бы научно-технический прогресс. Так, той же Тюмен-ской области на фундаментальные научные исследования ежегодно отпуска-ются средства, на которые можно пробурить три скважины. «Скупой платит дважды».

Выход из создавшейся катастрофической ситуации может быть только один – развитие фундаментальных широкомасштабных научных исследований, направленных на разработку новых природосберегающих технологических производственных процессов, совершенствование и внедрение новой техники, использование которой не наносит ущерба окружающей среде. Применительно к проблемам Севера такими мерами организационно-технического характера, например, могли бы быть: преимущественная разработка грунтов землерой-ными машинами в естественном состоянии; выполнение земляных работ и пе-ремещение грузов преимущественно в зимнее время года особенно гусенич-ными машинами в целях снижения повреждения почвенного слоя; выполнение работ по удалению леса и кустарника посредством рубок, а не корчевания; ка-тегорическое запрещение использования небезопасных в пожарном отношении материалов и оборудования, т.к. восстановление поверхности Арктики и Суб-арктики, уничтоженной в результате пожара, в десятки раз продолжительнее, чем в средней полосе; использование сборных, облегченных конструкций для уменьшения давления на грунт; применение специальных тяговых транспорт-ных средств, движители которых не повреждают растительный покров (на-пример, воздушная подушка).

Очевидно, для реализации всех этих мер от машиностроения потребу-ется создание системы машин в северном исполнении с техническими характе-ристиками, соответствующими перечисленным требованиям.

6 ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ Задача проектировщика по созданию нового образца машины заключа-

ется в подборе и разработке вариантов и принятии одного, окончательного.

Page 41: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

41 В процессе реализации научно-технической идеи (особенно при разработке тех-нического задания и на последующих стадиях проектирования) принятие кон-кретного варианта имеет наиважнейшее значение.

Как требования к машине, так и сравнительные варианты технических решений нередко являются противоречивыми (например, минимальная мате-риалоемкость и минимальная себестоимость изделия).

На помощь проектировщику в выборе наилучшего варианта приходят методы оптимизации.

Оптимизация (т.е. совокупность процедур поиска, методов и алгорит-мов, позволяющих при наличии различных ограничений – технических, техно-логических, экономических, экологических и др., – и целевых установок опре-делить оптимальные параметры и структуру объекта) была названа / п. 1.2. / важнейшим интегрирующим принципом проектирования машин.

6.1 Типы задач оптимизации При системном проектировании различают два типа оптимизации про-

ектных параметров: - внешнюю, при которой проектные параметры проектируемых изделий

оптимизируются одновременно с проектными параметрами технической сис-темы машин, куда оптимизируемые машины входят на правах подсистем (структурных составлявших системы машин, технологического комплекса и т.п.). Такую оптимизацию можно назвать надсистемной;

- внутреннюю, охватывающую оптимизацию проектных параметров проектируемых образцов изделий, проводимую как бы изолированным образом (ее можно назвать подсистемной оптимизацией).

В практических расчетах в большинстве случаев можно использовать внутреннюю оптимизацию элементов, узлов и всей машины, которая, как пра-вило, оказывается полезной и для внешней оптимизации. К числу целей внут-ренней оптимизации откосятся: максимум экономичности (коэффициента по-лезного действия, расхода топлива, электроэнергии и т.п.), минимум габаритов, материалоемкости, трудоемкости и др.

6.2 Методы оптимизации Процесс проектирования представляет собой процесс решения много-

численных задач оптимизации: частных и общих, локальных и глобальных, технических и экономических и др. Каждая из задач оптимизации имеет свои особенности, свою специфику, которые требуют использования определенного метода оптимизации. В настоящее время насчитывается несколько сот различных методов оптимизации и их модификаций. Современный проекти-ровщик должен ориентироваться в основных из них и широко использовать их на практике.

При проектировании целесообразно вести работу в два этапа. На первом этапе определяют параметры, обеспечивающие заданные характеристики

Page 42: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

42 изделия. На втором этапе улучшают конструкцию по отдельным характеристи-кам, принятым за критерий оптимизации.

6.2.1 Выбор критерия Назначение критерия состоит в том, чтобы установить предпочтитель-

ный вариант конструкции при решении многовариантных задач в процессе проектирования.

При решении несложных задач обычно стремятся использовать один критерий (так называемые «однокритериальные» задачи оптимизации). В каче-стве критерия оптимизации в зависимости от характера и назначения проекти-руемого объекта могут быть приняты его стоимость, точностные и конструк-тивные показатели, масса, долговечность и др.

Однако многие реальные задачи проектирования являются многокрите-риальными. Для упрощения многокритериальной задачи ее можно привести к однокритериальной путем выделения главного определяющего критерия. При этом возникают две сложности: во-первых, непросто выделить главный крите-рий, по которому предстоит определить оптимальные значения параметров из-делия; во-вторых, возникает трудность с переводом остальных критериев в класс ограничений, поэтому выбор главного критерия нео6ходимо выполнить с минимальным ущербом для точности решения поставленной задачи.

Известны и другие методы решения многокритериальных задач, кото-рые базируются на построении обобщенного критерия оптимизации в виде суммы частных критериев оптимизации с учетом их веса (значимости):

∑=

⋅=N

iii CУУ

1,

где: Уi – значение i-го критерия оптимизации;

Сi – весовой коэффициент. Так, этим методом, например, можно оценивать качество приводов ма-

шин по обобщенному критерию качества, учитывающему такие частные крите-рии оптимизации, как габариты, стоимость, масса.

6.2.2 Целевая функция Каждой цели оптимального проектирования соответствует определен-

ный критерий оптимизации. Например, если целью оптимизации детали (сбо-рочной единицы) является обеспечение минимальной массы, то критерием оп-тимизации будет его масса.

Для решения задачи оптимизации, т.е. для выбора оптимального вари-анта конструкции, критерий оптимизации следует выразить через переменные проектирования (параметры оптимизации):

Page 43: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

43

),...,,()( 21 nxxxxW ≡=ϕ .

Такие зависимости называет целевыми функциями. Например, если тре-

буется определить значения передаточных чисел u1 и u2 для быстроходной и тихоходной ступеней двухступенчатого зубчатого редуктора минимальной массы, то целевая функция должна выражать собой зависимость массы редук-тора от передаточных чисел ступеней, т.е.:

),( 21 uuW mm ϕ= .

Если целевая функция зависит от одной переменной проектирования х1,

то в плоской декартовой системе координат («плоскости проектирования») она может быть представлена некоторой кривой L(x1). В случае двух параметров проектирования x1 и x2 зависимость целевой функции от этих параметров мож-но изобразить в форме поверхности F(х1, х2) в пространственной прямо-угольной системе координат («пространстве проектирования»).

На практике весьма сложно образовать целевую функцию для несколь-ких критериев оптимизации, т.к. для этого надо знать значимость каждого из них. Поэтому характеризуют целевую функции по одному главному параметру оптимизации, полагая другие параметры лежащими в допустимой области:

)( kXW ϕ= bxa i ≤≤ );,1( kiri ≠= . Например, если Xk выражает зависимость массы одноступенчатого ре-

дуктора от величины его передаточного числа, т.е. Xk=uредукт.; X2 – коэффициент полезного действия (КПД), то ищут оптимальный вариант, обеспечивающий минимум массы при заданном ограничении КПД: X2≥a.

После того, как образована целевая функция, задача оптимизации сво-дится к определению её экстремума.

6.2.3 Методы решения задач оптимального проектирования В простейшем случае (при одном варьируемом параметре) путем пере-

бора нескольких просчитанных вручную вариантов изделия (например, ре-дуктора с различной разбивкой передаточного отношения между ступенями) и оценкой по какому-либо критерию оптимизации (массе, габариту, стоимости и т.п.) проектировщик может выбрать наиболее приемлемый вариант. Однако уже при двух варьируемых параметрах трудно уловить влияние каждого из них на главные характеристики. Возникает многомерная проблема. Полный обсчет всех возможных вариантов проектных параметров часто произвести не удается. В этом случае эффективным оказывается использование математических

Page 44: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

44 методов оптимизации, выбирающих кратчайшие пути оптимизации и сокра-щающих время расчета. Оптимизация на базе ЭВМ позволяет получить более высокое качество решений за счет использования более сложных моделей изде-лий.

Таким образом, задача оптимального проектирования состоит в опреде-лении значений **

2*1 ,...,, nXXX , переменных проектирования, при которых

удовлетворяется ряд ограничений (функциональных, параметрических и др.), накладываемых на параметры проектируемого изделия для выполнения задан-ных функций, и функционал W (целевая функция) принимает экстремальное (минимальное или максимальное) значение:

extremumXW →= )(ϕ .

Найденные в результате решения задачи значения параметров

**2

*1 ,...,, nXXX называют оптимальным решением.

Если на переменные не накладывается никаких ограничений, то реша-ется задача по определению безусловного экстремума целевой функции.

Разработаны многочисленные методы решения задачи оптимизации при различных видах целевой функции, уравнений связи и ограничений, которые условно можно подразделить на две группы: классические (метод дифференци-ального исчисления, метод множителей Лагранжа, вариационное исчисление) и методы математического программирования (методы линейного и нелинейного программирования, метод динамического программирования, принцип макси-мума Понтрягина и др.). Указанные методы освещены в специальной литера-туре.

Решающим фактором того, что оптимизация конструкции стала возмож-ной, является наличие быстродействующих ЭВМ, способных быстро выпол-нять математические и логические операции с большим числом данных.

7 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ Одним из важных критериев качества проектирования, изготовления и

эксплуатации изделий является их надежность. Основы надежности заклады-ваются в процессе проектирования, поэтому конструктор должен знать, что ха-рактеризует надежность изделия и каковы основные пути повышения надежно-сти и долговечности.

Недостаточная надежность оборудования приводит к огромным затра-там на ремонт, простой оборудования, прекращению снабжения населения электроэнергией, водой, газом, транспортными средствами, иногда к авариям, связанным с большими экономическими потерями, разрушением крупных объ-ектов и с человеческими жертвами.

Page 45: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

45

Так, в России ежегодно на ремонтно-восстановительные работы расхо-дуется пятая часть производимых черных металлов, в ремонтных цехах заняты четвертая часть станочного парка страны и более пяти млн. работников. При недостаточной долговечности, машин изготовляют в большем, чем нужно, ко-личестве, что ведет к перерасходу металла, излишкам производственных мощ-ностей, завышению расходов на ремонт и эксплуатацию. Физический срок службы машин в среднем существенно меньше срока морального износа.

ГОСТ 27.002-83 устанавливает терминологию, относящуюся к вопросам надежности.

Надежность – свойство объекта (изделия) выполнять заданные функ-ции, сохраняя во времени значения эксплуатационных показателей в требуемых пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения, транспортирования. Надеж-ность является комплексным свойством, включающим безотказность, долго-вечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспо-собность в течение некоторого времени наработки.

Долговечность – свойство объекта (детали или всей машины) сохранять работоспособность (с возможными перерывами для технического обслужива-ния и ремонта) до разрушения или другого предельного состояния (по эконо-мичности, моральному старению и др.).

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособ-ленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отка-зов, повреждении и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания.

Сохраняемость – свойство объекта непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение хранения и (или) транспортирования и после.

Технический ресурс – (ресурс) – наработка объекта от начала эксплуа-тации или ее возобновление после ремонта до наступления предельного со-стояния.

Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации объекта от ее начала, или возобновления после ремонта, до наступления предельного состояния.

Показатели надежности – количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта.

Требования к надежности и долговечности деталей, сборочных единиц и машин в целом обусловлены множеством факторов и условий: назначением, степенью ответственности, стоимостью, количеством, условиями эксплуатации и многими другими.

Большое рассеяние долговечности деталей машин требует перехода в проектировании от расчетов с помощью коэффициентов запаса или безопасно-сти (коэффициентов незнания) к расчетам по заданной вероятности безотказной работы, т.е. на новый научно-технический уровень.

Page 46: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

46

Для оценки надежности используется ряд показателей, основными из которых являются следующие:

- вероятность безотказной работы P(t), т.е. вероятность того, что в пре-делах заданной наработки отказ объекта не возникает;

- средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки объекта до первого отказа; интенсивность отказов λ(t) - условная плотность вероятности отказа не-восстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник:

)()()(

tPtft =λ ,

где: f(t) – плотность распределения наработки до отказа;

Р(t) – вероятность безотказной работы за время t. Средняя наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого

объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой нара-ботки.

К важнейшим показателям долговечности относят следующие: - гамма-процентный ресурс – наработка, в течение которой объект не

достигает предельного состояния с заданной вероятностью γ процентов: )(100 tP⋅=γ ; для многих изделий массового производства γ=90 %, т.е. использу-

ется девяносто процентный ресурс, характерный, например, для подшипников качения;

- средний ресурс – математическое ожидание ресурса. Если изделие состоит из последовательно соединенных элементов (отказ

одного из них влечет за собой отказ всей системы), то вероятность его безот-казной работы:

∏=

=n

ii tPtP

1

)()( ,

где Pi(t) – вероятность безотказной работы i-го элемента. Вероятность отказа (отказ и исправное состояние являются противопо-

ложными событиями):

)(1)( tPtQ −= . Процессы, определяющие надежность изделия, носят случайный харак-

тер. Количественные показатели этих процессов являются случайными величи-нами. Соотношения, устанавливающие связь между возможными значениями

Page 47: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

47 случайной величины и соответствующими им вероятностями, называются за-конами распределения, которые изучаются в теории вероятностей.

Нормальное распределение является наиболее универсальным, удобным и широко применяемым для практических расчетов параметров надежности (распределение всегда подчиняется нормальному закону, если на изменение случайной величины оказывают влияние многие примерно равнозначные фак-торы.

Важнейшими числовыми характеристиками случайной величины явля-ются ее среднее значение (математическое ожидание) mX и параметры, характе-ризующие степень разброса относительного среднего значения дисперсии DX, среднее квадратичное отклонение SX=DX и коэффициент вариации

X

XX m

S=ν .

В настоящее время при оценке надежности машин сформировались два направления. Первое из них связано с так называемой эксплуатационной на-дежностью, главным недостатком методов исследования которой являются длительность сбора информации. Второе направление – определение вероятно-стно-статистическими методами при проектировании машин показателей на-дежности с целью оптимизации с их учетом конструкций проектируемых узлов и агрегатов.

8 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Ранее отмечалось, что проектирование (как процесс составления форма-

лизованного описания, необходимого для создания еще не существующего объ-екта) может быть неавтоматизированным (традиционный) и автоматизирован-ным.

Неавтоматизированное проектирование – это проектирование, при кото-ром все преобразования описаний объекта или (и) алгоритма его функциониро-вания осуществляется человеком вручную.

Автоматизированное проектирование (АП) – это проектирование, при котором отдельные преобразования описаний объекта или (и) алгоритма его функционирования осуществляются при взаимодействии человека и ЭВМ / 9 /.

8.1 Недостатки традиционного проектирования Характерной осо6енностью традиционных методов проектирования ма-

шин является, во-первых, недостаточный анализ и учет взаимосвязей между от-дельными частями машин, во-вторых, проводимые инженерные расчеты вклю-чают неформальные отдельные действия проектировщика по его субъектив-ному мнению, и, в-третьих, при ручном расчете не представляется возможным оценить различные варианты и сопоставить их.

Все это служит препятствием для разработки оптимальных конструкций в сжатые сроки.

Page 48: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

48

За последние три десятилетия, по оценке специалистов, сложность про-дукции машиностроения возросла в среднем в 7...8 раз. В то же время произво-дительность труда конструкторов при традиционном «чертежном» проектиро-вании существенно не изменилась. Таким образом, возникают противоречия между тенденцией усложнения машин и устаревшими малопроизводительными методами и средствами проектирования машин. Решение этой проблемы возможно только с использованием комплекса средств и методов автоматизиро-ванного проектирования.

8.2 Цели, задачи автоматизированного проектирования В конце 50-х годов в Массачусетском технологическом институте

(США) впервые зародилось понятие САD (Computer Aided Design), введенное в обращение в своих лекциях основоположником этого научного направления профессором А. Сазерлендом. Смысл этого понятия можно представить как проектирование и конструирование с помощью ЭВМ. В нашей стране это поня-тие отождествляется с понятием «автоматизированное проектирование» (АП).

АП является качественно новым процессом проектирования машин, требующим системного подхода и новых широкомасштабных научных разработок. Применение ЭВМ при проектировании – это не перевод традици-онных формул на машинный язык, а качественно новый процесс.

Ручное и автоматизированное проектирование – процессы далеко не адекватные.

При ручном проектировании деление конструкции на части и установ-ление связей между ними выражается в неявной форме. При АП эти связи, вы-деляемые мысленным расчленением, необходимо формализовывать и матема-тически описывать, т.е. составлять математические модели. Таким образом, АП, с одной стороны, требует наличия строгих аналитических зависимостей, адекватных реальным взаимосвязям, а с другой стороны, позволяет использо-вать математический аппарат наилучшим образом для оптимизации конструк-ций.

Важным этапом АП является расчет конструкций. Однако и на этом эта-пе возникают затруднения, которые объясняются тем, что традиционные зако-номерности, выраженные в ряде случаев эмпирическими зависимостями, не мо-гут быть использованы при формализации задач оптимизации, т.е. требуются новые направленные научные и инженерные разработки.

Использование ЭВМ вскрыло прежде всего методологическую неподго-товленность к постановке и решению задач проектирования (и в т.ч. оптимиза-ции конструкций машин), т.е. выполнению комплекса проектных процедур, ха-рактерных для системного проектирования / п. 1.2. /.

АП, основу которого составляет алгоритм, требует точной последова-тельности операций, четких логических положений в части постановки задачи и строгую формализацию задачи.

Page 49: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

49

8.3 Системы автоматизированного проектирования (САПР) Возможности АП реализуются в рамках организационно-технической

системы средств автоматизированного проектирования – САПР. Таким образом, САПР – это комплекс средств автоматизации проекти-

рования КСАП, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователям системы), выпол-няющим автоматизированное проектирование (ГОСТ 23501.101-87).

Данному определению соответствует структура САПР, представленная на рис.8.

САПР – организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование с помощью ком-плекса средств автоматизированного проектирования (КСАП), т.е. САПР – это не замена проектировщика, а его эффективный инструмент.

8.3.1 Виды обеспечения САПР КСАП – это совокупность различных видов обеспечения автоматизиро-

ванного проектирования, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.

8.3.1.1 Возможности, функции САПР зависят прежде всего от состава и структуры комплекса технических средств (КТС) – технического обеспечения данной системы. Первоначально основу технического обеспечения САПР со-ставляли ЭВМ общего назначения, в настоящее время используются специали-зированные ЭВМ, ориентированные на применение в САПР. В последние годы все шире используются автоматизированные рабочие места (АРМ) на основе микропроцессорной техники, которые могут функционировать автономно или в составе распределительной сети, включающей более мощную ЭВМ, обслужи-вающую большое количество специализированных АРМ.

Функциональные возможности АРМ постоянно расширяются – осущест-вляется переход от простых устройств, выполняющих ввод и обработку графи-ческой информации, к более сложным, способным решать задачи моделирова-ния и контроля ошибок. Повышение интеллектуального уровня АРМ достига-ется в результате совершенствования программного обеспечения, а такие за счет развития технических средств.

В последнее время в качестве основы технической реализации АРМ ши-роко используются высокопроизводительные персональные и профессиональ-ные ЭВМ.

АРМ обычно оснащаются дисплеями с высокой разрешающей способ-ностью, алфавитно-цифровой клавиатурой с разнообразными функциональ-ными клавишами, световым пером и координатными ручками для позициони-рования курсора. Дополнительно подключается большое количество цифровых преобразователей для конструирования графических проектов, а также устрой-ства управления курсором, в том числе типа «мышь», иногда – устройства ре-чевого ввода информации. Все эти устройства образуют широкую номенкла-туру средств машинной графики.

Page 50: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

50

САПР

Результат Задание на проектирование Рисунок 8 - Структура САПР 8.3.1.2 Лингвистическое обеспечение представлено совокупностью

языков программирования, применяемых для описания процедур проектирова-ния / п. 1.2. / и проектных решений.

8.3.1.3 Методическое о6еспечение составляют документы, характери-зующие состав, правила отбора и эксплуатации КСАП, а также принципы и ме-тоды проектирования.

8.3.1.4 К компонентам математического обеспечения относят методы математического моделирования объектов и процессов проектирования, алго-ритмы решения задач в процессе проектирования.

При проектировании широко используются различные типы проектных моделей (эвристические, лингвистические, графические, физические, матема-тические, комбинированные).

Математическая модель образуется на основе формализованных опи-саний, аналогичных моделируемому оригиналу (объекту, процессу) по форма-лизованной математической трактовке его сущности, выступающей в виде раз-личных математических отношений (формул, систем уравнений, функций, мат-риц и операторов, алгоритмов), доступных для исследования математическими, аналитическими, численными или машинными методами.

По своему содержанию математические модели могут быть функцио-нальными, физическими, технико-экономическими и др.

Изменяя параметры математической модели, можно без значительных материальных затрат исследовать множество самых различных вариантов про-ектируемых объектов, процессов, систем и выбрать наилучший из них по тому или иному критерию или по совокупности критериев оптимизации. Вот почему

Группа проектировщиков

К С А П

Группа проектировщиков

Группы обеспечения функционирования САПР

Page 51: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

51 математическое моделирование обладает наибольшей «притягательной» силой, хотя при проектировании новых образцов сложных технических систем пере-оценка достоверности этого типа моделей сопряжена с большим риском.

Исключительно важным этапом реализации математической модели яв-ляется оценка ее адекватности. Модель считается адекватной, если она с тре-буемой точностью отражает заданные свойства объекта. На рисунке 9 представ-лены основные этапы моделирования на ЭВМ.

Несмотря на то, что еще иногда и сегодня расчеты с использованием ма-тематических моделей и ЭВМ ассоциируются с очень точными результатами, действуют гипнотически и вызывают мистическое уважение, общеизвестно: ре-зультат никогда не может быть по своей значимости лучше самой модели, пол-ностью определяется ее совершенством, корректностью вводимых исходных данных и не зависит от применяемых вычислительных средств. Бесспорен тот факт, что ЭВМ позволяет с большой скоростью обрабатывать громоздкие ма-тематические модели, влияя тем самым на точность результатов, однако, это не значит, что они не могут быть получены (пусть медленней) и другими спосо-бами.

Пользуясь математическими моделями, никогда нельзя упускать из вида принципиально важный вопрос о допустимых условиях (ограничениях) и пра-вомочности их применения. Неправомочное использование «изящных» матема-тических моделей (особенно тогда, когда в проектируемый образец закладыва-ются недостаточно изученные и апробированные решения) чревато серьезными просчетами, если их своевременно не подкрепить другими известными типами моделей.

Вот почему создание корректных математических моделей – весьма длительный процесс, который при разработке образцов сложных изделий и технических систем не всегда удается окончательно завершить даже на этапе этапе эскизного проектирования.

8.3.1.5 Информационное обеспечение составляют документы, содер-жащие описание типовых элементов, комплектующих изделий, материалов, ти-повых проектных решений, стандартных размеров конструкций и их элементов, проектных процедур, хранящиеся, как правило, в базе данных АРМ или цен-трального процессора.

8.3.1.6 Хотя возможности САПР и определяются техническим обеспе-чением, реализуются они благодаря программному обеспечению, разрабаты-ваемому на основе методического, математического и лингвистического обес-печений и согласующемуся с информационным обеспечением САПР. На прак-тике в ряде случаев они объединяется в программно-информационное обеспе-чение, на разработку которого приходится более 80 % трудоемкости АП. Про-граммное обеспечение состоит из двух частей: общая – операционные систе-мы, предназначенные для управления проектированием, и специальная – при-кладные программы, программные модули, пакеты прикладных программ (ППП).

В формировании и функционировании прикладной части программного

Page 52: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

52

6 Нет

Да

Да

Нет

Рисунок 9 - Основные этапы моделирования на ЭВМ

Постановка задачи и выбор критерия оптимальности 1

Выявление основных особенностей взаимосвязей и количественных закономерностей 2

Построение математической модели 3

Выбор алгоритма решения 4

Программирование алгоритма решения 5

Оценка адекват-ности модели

Планирование и выполнение машинных экспериментов 7

Анализ полученных результатов 8

Продолжать моделирование

Вывод результатов моделирования 9

Понятие решения 10

Page 53: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

53 обеспечения принимает участие общесистемная, операционная часть, бази-рующаяся на операционной системе конкретной ЭВМ. Компоненты всех видов обеспечения объединяются в подсистемы САПР программными средствами, используемыми специалистами в диалоговом режиме работы с КСАП.

В машиностроении к проектирующим подсистемам относят выпол-няющие, например, следующие проектные процедуры: проектирование дета-лей, сборочных единиц, схем управления, компоновка машины, технологиче-ское проектирование. Обслуживающими называют подсистемы, предназна-ченные для поддержания работоспособности проектирующих, например, под-системы информационного поиска, графического отображения объектов проек-тирования, документирования и др.

Объектными считают подсистемы, выполняющие проектные проце-дуры, содержание которых зависит от конкретного объекта проектирования, а инвариантными – осуществляющие унифицированные проектные процеду-ры, не зависящие от объекта проектирования.

8.3.1.7 Организационно-экономическое обеспечение САПР (а не «ор-ганизационное» – как его принято называть!) включает документы (положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования), регламентирующие организационною структуру подразделения, работающего в САПР, и его взаимодействие с КСАП, а также методики расчета себестоимости, цены и экономической эффективности как объекта проектирования, так и самой САПР, реализуемые в подсистеме технико-экономических расчетов.

8.3.2 Возможности САПР Сегодня АП охватывает практически все сферы инженерной деятельно-

сти в машиностроении. Созданы и развиваются САПР конструирования дета-лей и узлов сложных машин и механизмов, электротехнических устройств, радиоэлектронной аппаратуры, технологических процессов, подготовки про-грамм для станков с ЧПУ (числовым программным управлением) и др.

САПР, по сравнению с традиционным проектированием, обладает рядом существенных преимуществ: повышается качество проектирования, сокраща-ются сроки разработки изделий, уменьшается стоимость разработки проекта, что дает значительный экономический и социальный эффект.

8.3.2.1 Качество проектирования повышается благодаря: - рассмотрению все более сложных совокупностей взаимосвязей явле-

ний, факторов; - увеличению количества рассматриваемых вариантов технических ре-

шений; - возможности решать принципиально новые проектные задачи с все-

сторонним моделированием на ЭВМ сложных процессов и систем; - вооружению проектировщиков новыми методами, способами и инст-

рументом, расширяющими и углубляющими диапазон действий в творческом процессе синтеза и оптимизации новых изделий.

Page 54: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

54

Ярким примером новых возможностей АП является использование ме-тода конечных элементов (МКЭ) в расчете инженерных конструкций сложной конфигурации, подвергаемых различным нагрузкам. Традиционные методы, предполагающие строгое теоретическое обоснование, с успехом можно приме-нять лишь для ограниченного класса задач и известных условий нагружения. Однако в большинстве случаев ситуация бывает далеко не очевидной, это за-ставляет конструкторов увеличивать коэффициенты запаса, т.е. расходовать больше материалов, что, в свою очередь, приводит к увеличению стоимости из-делий.

МКЭ позволяет конструкторам успешно решать задачи расчета сложных деталей путем разбивки их на более мелкие части – конечные элементы, после чего дальнейшие расчеты проводятся уже для отдельных конечных элементов.

Основные принципы МКЭ были известны еще в ХIХ веке, однако из-за сложности математических вычислений широкое распространение метод по-лучил только в последние годы.

МКЭ предусматривает многократное выполнение трудоемких матрич-ных операций, что стало практически возможно только с появлением быстро-действующих микропроцессоров. МКЭ является классическим примером, когда плодотворной идее, родившейся раньше времени, пришлось ждать появления соответствующих технических средств для своей реализации. В настоящее время МКЭ получил особенно широкое распространение в авиа- и автопро-мышленности, где требуется постоянное повышение экономичности при одно-временном снижении материалоемкости изделий. Наряду с основным назначе-нием МКЭ – анализом прочности и деформаций – он используется в таких об-ластях, как гидро- и термодинамика. МКЭ требует ввода большого количества данных (несколько миллионов байт), при этом на выходе получают потоки ин-формации объемом уже в несколько миллиардов байт. До недавнего времени возможностью обработки таких массивов обладали исключительно универ-сальные ЭВМ и мини-компьютеры, однако, благодаря достижениям в области микропроцессорной техники, несколько хороших пакетов программ, основан-ных на МКЭ, были успешно реализованы для 16–разрядных микрокомпьюте-ров.

8.3.2.2 Сроки разработки изделий сокращаются вследствие: - совершенствования и ускорения обработки, анализа и наглядного

представления исходной информации; - широкого использования методов многовариантного проектирования и

оптимизации для поиска наиболее эффективных решений; - ускорения трудоемких инженерных расчетов (статических, кинемати-

ческих, динамических, прочностных и др.); - автоматизации моделирования проектируемых объектов; - повышения доли творческого труда проектировщиков за счет их осво-

бождения от рутинных работ. 8.3.2.3 Стоимость разработки проекта уменьшается благодаря: - повышению качества проектной документации, сокращению затрат на

различного рода переделку, доводку;

Page 55: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

55

- сокращению числа специалистов, занятых вспомогательными работами (чертежников, нормировщиков, сметчиков и др.);

- замене дорогостоящих физических экспериментов моделированием на ЭВМ.

Гигантские возможности повышения качества проектирования, сокра-щения сроков и стоимости проектирования заложены в современных средствах машинной графики («наезды», многократное использование стандартных и унифицированных элементов конструкций, средства 2-х и 3-х мерного черче-ния, каркасное, поверхностное и твердотельное моделирование и т.д.).

Будущие разработки по визуализации могут быть связаны с примене-нием голографии – особого способа получения «реального» 3-х мерного изо-бражения без использования экрана.

8.3.2.4 Повышается удовлетворенность трудом конструкторов и тех-нологов, возрастает научный уровень исследований и проектирования, инже-нерный труд становится более социально значимым и престижным.

8.3.2.5 Все вышеизложенное приводит к значительному экономиче-скому эффекту от применения САПР. Включение в состав САПР подсистем технико-экономических расчетов (ТЭР) дает возможность использовать на всех этапах проектирования метод функционально-стоимостного анализа (ФСА) для нахождения наиболее экономичных путей реализации функций нового изделия, вариантов конструкции и технологии, что позволяет сформировать единую це-ленаправленную систему технико-экономического проектирования оптималь-ного нового изделия.

ФСА позволяет выделить при анализе «лишние» и «дорогие» функции, оценить стоимость выполнения каждой функции.

Применение ФСА обеспечивает органическое соединение инженерного и экономического подхода. Только в условиях САПР можно преодолеть взаим-ное непонимание разработчиков и экономистов, провести одновременно инже-нерное и экономическое проектирование. При этом технико-экономическое проектирование выполняется как единый итеграционный процесс, сходящийся к оптимальному варианту нового изделия.

8.3.3 Оценка эффективности САПР Следует различать эффективность создания САПР и эффективность ее

функционирования. Создание САПР требует значительных капвложений. Так, одной из проблем при достижении эффективности САПР является

тщательный выбор средств автоматизации. Например, дорогостоящими изли-шествами могут являться быстродействие, абсолютная точность, средства ис-кусственного интеллекта, многоцветная графика, универсальность системы и др. Однако нельзя считать излишними средства, обеспечивающие простой и надежный ввод большого объема данных (препроцессоры ввода), средства из-мерения, диагностики, резервирования и др., повышающие качество комплекса средств автоматизации проектирования (КСАП).

Page 56: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

56

Значительной статьей расходов при создании и функционировании САПР являются затраты на математическое обеспечение, которые составляют нередко полторы стоимости ЭВМ, и, судя по всему, следует ожидать дальней-шего относительного удорожания математического обеспечения.

В связи с этим можно утверждать, что предметом приобретения для предприятий является именно математическое обеспечение, а ЭВМ – это тара, упаковка.

С учетом вышеизложенного, при решении вопроса создания САПР для использования его в конкретном проектировании требуется тщательный расчет ожидаемой экономической эффективности, методика которого изложена в спе-циальной литературе / 10 /.

8.4 Перспективы САПР Кроме ранее перечисленных достоинств САПР, обеспечивающих высо-

кое качество проектирования, интенсификацию труда проектировщиков и со-кращение сроков разработки проектов /9/, следует отметить возможности САПР более тесного взаимодействия со смежными инженерными подразделе-ниями по сравнению с традиционной организацией проектирования. То есть современные высококачественные средства коммуникации позволяют обеспе-чить интеграцию проектирования с другими видами инженерной деятельности на основе их автоматизации.

Хорошая связь – это ключ к эффективной организации. Реализация всех преимуществ САПР возможна в том случае, если в ее состав включить такую организационную структуру, в которой любая информация легко доступна или обеспечена ее автоматическая передача между отдельными составными час-тями структуры (подразделениями фирмы).

При традиционной организации проектирования и производства фирма Состоит из изолированных друг от друга подразделений, отвечающих за решение отдельных проблем (рис. 10).

Рисунок 10 - Традиционная организация производства На рисунке 11 представлены те же подразделения, но оснащенные ЭВМ,

однако, без прямых коммуникаций между собой.

Проектирование и конструирование Производство

Планирование и финансирование

Управление производством

Page 57: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

57

Здесь проектирование осуществляется в рамках САПР. Под АСТПП (Автоматизированная Система Технологической Подготовки Производства) понимают любой автоматизированный производственный процесс, которым

Рисунок 11 - Компьютеризованная организация производства

управляет компьютер. Первые АСТПП появились в начале 50-х годов, когда начали развиваться средства механической обработки с числовым управлением, которые в 60-х годах получили название ЧПУ (Числовое Программное Управ-ление).

Параллельные разработки в области программно-управляемых роботов и автоматизированных производств обусловили развитие цельных производст-венных единиц, контролируемых центральными компьютерными системами и организованных по принципу ГПС (Гибких Производственных Систем).

Таким образом, термин АСТПП применяется как общее название для всех аналогичных разработок в области программно-управляемой промышлен-ной технологии.

Высокая производительность при автоматизации отдельных, не связан-ных между собой компьютеризованных подразделений может быть достигнута лишь в отдельных подразделениях и никак не повлияет на общую эффектив-ность производства конечного продукта. Подобная схема являет пример того, как новое содержание пытаются втиснуть в старые организационные рамки: каждое подразделение выбирает системы автоматизации для решения собст-венных задач, не заботясь о получении выигрыша для всей фирмы. При неко-ординированных спецификациях приобретенного оборудования трудно (а по-рой и невозможно) обеспечить его совместимость при создании интегрирован-ных систем.

Очевидно, что связь проектирования и производства с системами ЧПУ, имеющими непосредственный интерфейс с графическими станциями, может быть достигнута в системах САПР/АСТПП (или в интегрированных машино-строительных системах).

При такой интеграции, например, на экране УВО (Устройство Визуаль-ного Отображения), может быть изображено изделие, графические данные ко-торого затем передаются в виде кодированных электрических сигналов по

С А П Р А С Т П П

База данных административной

информации

База данных управления

производством

Page 58: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

58 линиям коммуникации и связи в производственную систему, где это изделие может быть изготовлено на станке с ЧПУ.

Однако в дальнейшем могут возникнуть новые препятствия из-за отде-ления систем САПР/АСТПП от систем планирования и финансирования и АСУП (Автоматизированных Систем Управления Производством) (рис.12).

Очевидным развитием интегрированного процесса САПР/АСТПП явля-ется связывание САПР и АСТПП с другими компьютерными системами в ин-тегрированные машиностроительные системы (ИМС).

Рисунок 12 - Определение интегрированных систем САПР/АСТПП

от АСУП планирования и финансирования На рисунке 13 представлены принципы организации идеальной ИМС.

Видно, что системы САПР/АСТПП и система АСУП, планирования, финанси-рования, снабжения и сбыта, управляемые совместимыми между собой процес-сорами, непосредственно соединены между собой.

Основная цель ИМС – достижение эффективности использования по-тока, состоящего из продукции и информации.

ИМС может позволить: а) инженеру-проектировщику оперативно получать информацию о

стандартных узлах, стоимости сырья и инструментов; б) управляющему производством в реальном времени контролировать

ход выполнения работ по сложным проектам; в) менеджеру по заключению сделок быстро получать ответы о текущем

состоянии рынка; г) финансистам и экономистам иметь последние данные о стоимости

отдельных работ; д) фирме в целом быстрее реагировать на требования потребителей. Несмотря на блестящие перспективы автоматизированного проектиро-

вания и производства, сегодня и в обозримом будущем требуется взвешенный подход к использованию и выбору средств автоматизации.

Так, при всех достоинствах САПР внедрение ее в производство может иметь катастрофические последствия для той или иной фирмы. При вложении крупных средств и вовлечении значительных людских ресурсов некорректная

С А П Р А С Т П П

Системы планирования и финансирования

А С У П

Page 59: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

59

И М С

спецификация или неправильный выбор системы могут привести к краху фир-мы. Кроме того, при внедрении САПР необходимы не только значительные затраты на оснащение конструкторских бюро специальной техникой и переква-лификация специалистов, но и, самое главное, поднятие на качественно новую

Рисунок 13 - Принципы ИМС

ступень развития теории проектирования (как ее содержательной, так и фор-мальной части). Без обоснованных, объективных общих и частных алгоритмов и строгих формализаций автоматизация проектных работ не имеет практиче-ского смысла.

Сегодня имеются определенные успехи в области машинного конструи-рования образцов ТС малой сложности, которое строится на диалоговых (инте-рактивных) режимах работы конструктора с ЭВМ и средствами машинной графики. Но уже сейчас очевидно, что внедрение САПР сопряжено с весьма высокой трудоемкостью подготовительных работ, и в этом она уступает тради-ционным конструкторский методам.

При повышении сложности ТС и использовании нетрадиционных кон-структорских решений задачи машинного синтеза при современном уровне развития ЭВМ и их программного обеспечения наталкиваются на значительные методологические трудности, и едва ли возможно полностью поручить ЭВМ решения такого рода проектных задач в ближайшем будущем.

Не стала более оптимистичной и точка зрения на проблему полной ав-томатизации проектирования образцов сложных ТС американских специали-стов, которые были большими оптимистами в быстрой ее разрешимости.

В зарубежной литературе по поводу полной автоматизации проектиро-вания образцов сложных ТС стали встречаться высказывания, что машинное решение в сложных системах – это скорее исключение, чем правило.

С А П Р А С Т П П

А С У П Материальное снабжение и кооперация

Сбыт и маркетинг

Оценка затрат и финансиро-вание работ

Page 60: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

60

Искусственное форсирование внедрения формализованного проектиро-вания образцов сложных ТС современной техники, которое, хотя и является весьма прогрессивной целью, может привести к стереотипным, шаблонным проектным решениям. Последние, если их не ограничивать разумными рам-ками, вступят в противоречие с оригинальными, перспективными проектными решениями, без внедрения которых немыслимо совершенствование современ-ной техники.

Реальный процесс проектирования образцов сложных ТС с использова-нием современной инженерно-кибернетической методологии еще долгие годы будет строиться на рациональном сочетании интеллектуального потенциала проектантов и возрастающих возможностей ЭВМ (т.е. не по автоматической, а по автоматизированной схеме) с сохранением главенствующей роли в этом процессе за проектантом, который будет вносить в него творческое начало, и с постоянной тенденцией максимальной передачи ЭВМ той части проектной ра-бота, которая будет поддаваться достаточно корректной формализации, а, зна-чит, и автоматизации.

Page 61: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

61

Библиографический список

1. Джонс Дж. К. Инженерное и художественное конструирование: Пер. с англ. – М.: Мир, 1976. - 374 с.

2. Гузенков П.Г. Детали машин: Учеб. для вузов. – 4-е изд., испр. – М. Высш. шк., 1986. - 359 с.

3. Кононенко В.Г. и др. Оценка технологичности и унификации машин. – М.: Машиностроение, 1986. - 160 с.

4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3т.-Т.2. – 5-е изд. – М.: Машиностроение, 1978. - 559 с.

5. Лазарев Е.Н. Дизайн машин. – Л.: Машиностроение, 1988. - 256 с. 6. Вудсон У., Коновер Д. Справочник по инженерной психологии для

инженеров и художников-конструкторов. – М.: Мир, 1968. - 518 с. 7. Нугаев Р.Я., Федоров В.А. Эргономика при бурении и ремонте сква-

жин. – М.: Недра, 1988. - 124 с. 8. Риклефс Р. Основы обшей экологии: Пер. с англ. – М.: Мир, 1979. -

424 с. 9. Гельмерих Р., Швиндт П. Введение в автоматизированное проектиро-

вание: Пер. с нем. – М.: Машиностроение, 1990. - 176 с. 10. Беклешов В.К., Морозова Г.А. Методы оценки эффективности систем

автоматизированного проектирования. – Л.: Машиностроение, 1987. - 224 с. 11. Орлов П.И. Основы конструирования. Кн. 1 – М.: Машиностроение,

1988. – 560 с.

Page 62: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

62

Page 63: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин:

63

Учебное издание

Седов Владимир Петрович Кейн Евгений Иосифович

Основы проектирования машин

Учебное пособие Редактор К.В. Пименова Лицензия ЛР № 020827 от 29.09.98 План 2001г., позиция 7 . Подписано в печать 24.12.01 г. Компьютерный набор. Гарнитура Times New Roman. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,7. Уч.-изд. л. 3,0. Тираж 120 экз. Заказ № 130.

Ухтинский государственный технический университет, 2001 169400, г. Ухта, ул. Первомайская, 13. Отдел оперативной полиграфии УГТУ. 169400, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13.

Page 64: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН · ББК 34.4.Я7 С 28 УДК 621.81 (075) Седов В.П., Кейн Е.И. Основы проектирования машин: