Тема 6. Основы конструирования и расчета элементов

 технических средств

Принципы конструирования: секционирование, метод линейных размеров, конвертирование, компаундирование, модифицирование, агрегатирование, унифицированные ряды. Совершенствование конструктивной схемы. Общие правила конструирования. Основные требования: работоспособность, надежность, технологичность, экономичность, эстетичность. Стадии конструирования технических средств. Расчетные схемы. Расчетные режимы. Уточнение расчетных напряжений. Удельные показатели прочности. Жесткость конструкций. Сопротивление усталости. Контактная прочность. Тепловые взаимодействия. Упрочнение конструкции. Виды нагружения: статическое, динамическое, импульсное, циклическое. Влияние вида нагружения. Выбор допускаемых напряжений и материалов. Растяжение и сжатие. Сдвиг и кручение. Изгиб элементов конструкций. Сложное напряженное состояние.

 

Создание машин должно предусматривать их наибольший экономический эффект и высокие технико-экономические и эксплуатационные показатели. Основное требования, предъявляемые к создаваемой машине: высокая производительность, безотказность, технологичность, ремонтопригодность, долговечность, минимальные габариты и масса, удобство в эксплуатации, экономичность, техническая эстетика. Все эти требования учитывают в процессе проектирования и конструирования.

Проектирование – это разработка общей конструкции изделия. Конструирование – это дальнейшая детальная разработка всех вопросов, решение которых необходимо для воплощения принципиальной схемы в реальную конструкцию.

Проект – это документация, получаемая в результате проектирования и конструирования. Расчеты деталей машин включают:

- определение сил, действующих на звенья узла;

- расчеты конструкций на прочность;

- обоснование выбора материала и наиболее технологичных форм деталей;

- определение процесса сборки и разборки узлов и машины в целом.

При проведении расчетов используют действующие стандарты, справочную литературу.

Наиболее важные параметры, подлежащие расчету, – это величины воздействующих на деталь нагрузок (действующих на сжатие, изгиб, кручение), прочностных характеристик, геометрических размеров детали (диаметра, длины, толщины, количества зубьев в зубчатых передачах), требуемых типов и размеров крепежных элементов.

 

Принципы конструирования

Метод секционирования заключается в раз­делении машины на одинаковые секции и образовании производных машин набором унифицированных секций.

Секционированию хорошо поддаются мно­гие виды подъемно-транспортных устройств (ленточные, скребковые, цепные конвейеры). Секционирование в данном случае сводится к построению каркаса машин из секций и со­ставлению машин различной длины с новым несущим полотном. Особенно просто секцио­нируются машины со звеньевым несущим по­лотном (ковшовые элеваторы, пластинчатые конвейеры с полотном на основе втулочных роликовых цепей), у которых длину полотна можно изменять изъятием или добавлением звеньев.

Экономичность образования машин этим способом мало страдает от введения от­дельных нестандартных секций, которые могут понадобиться для приспособления длины ма­шины к местным условиям.

Секционированию поддаются также диско­вые фильтры, пластинчатые теплообменники, центробежные, вихревые и аксиальные гид­равлические насосы. В последнем случае набо­ром секций можно получить ряд многоступен­чатых насосов различного напора, унифициро­ванных по основным рабочим органам.

Метод изменения линейных размеров. При этом методе с целью получения различ­ной производительности машин и агрегатов изменяют их длину, сохраняя форму попе­речного сечения. Метод применим к ограни­ченному классу машин (главным образом роторных), производительность которлх про­порциональна длине ротора (шестеренные и центробежные насосы, компрессоры, мешалки, вальцовочные машины и т. д.).

Степень унификации при этом методе не­велика. Унифицируются только торцовые крышки корпусов и вспомогательные детали. Главный экономический выигрыш дает сохра­нение основного технологического оборудо­вания для обработки роторов и внутренних полостей корпусов. Частным случаем приме­нения данного метода является повышение на­грузочной способности зубчатых передач за счет увеличения длины зубьев колес с сохране­нием их модуля.

При методе конвертирования базовую ма­шину или основные ее элементы используют для создания агрегатов различного назначе­ния, иногда близких, а иногда различных по рабочему процессу. Примером конвертирова­ния может служить перевод поршневых дви­гателей внутреннего сгорания с одного вида топлива на другой, с одного вида теплового процесса на другой (с цикла искрового зажига­ния на цикл с воспламенением от сжатия).

Бензиновые карбюраторные двигатели легко конвертируются в газовые. Для этого доста­точна замена карбюратора смесителем и изме­нение степени сжатия (достигаемое проще все­го изменением высоты поршней) и некоторые второстепенные конструктивные переделки. В целом двигатель остается таким же.

Конвертирование бензинового или газового двигателя в дизель представляет более труд­ную задачу, главным образом ввиду присущих дизелю повышенных рабочих нагрузок, обус­ловленных высокой степенью сжатия и боль­шим давлением вспышки. Следовательно, кон­вертируемый двигатель должен обладать зна­чительными запасами прочности. Конвертиро­вание в данном случае заключается в замене карбюратора топливным насосом и форсунка­ми (или насос-форсунками), изменении степени сжатия (смена головок цилиндров, увеличение высоты поршней или изменение конфигурации их днищ).

Другим примером конвертирования явля­ется перевод работы поршневых воздушных компрессоров на другой газ (аммиак, фреон). В этом случае при переделке необходимо учитывать различие физических и химических свойств рабочих реагентов и соответственно выбирать материалы рабочих деталей.

Примером конвертирования агрегатов, силь­но различающихся по рабочему процессу, мо­жет служить преобразование двигателя вну­треннего сгорания в поршневой компрессор. Конвертирование в данном случае включает замену головок двигателя клапанными короб­ками с соответствующим изменением меха­низма распределения и требует значительных переделок.

Метод компаундирования (параллельного соединения машин или агрегатов) применяют с целью увеличения общей мощности или производительности установки. Спариваемые ма­шины могут быть или установлены рядом как независимые агрегаты, или связаны друг с другом синхронизирующими, транспортны­ми и другими подобными устройствами, или, наконец, конструктивно объединены в один агрегат.

Примером совмещения первого типа являет­ся парная установка судовых двигателей, рабо­тающих каждый на свой винт, а также уста­новка двух или большего числа двигателей в крыльях самолета. Помимо повышения об­щей мощности (при затруднительности созда­ния двигателя большой мощности) этот спо­соб иногда позволяет удачно решать другие задачи. Так, параллельная установка судовых двигателей увеличивает маневренность судна, особенно на малом ходу. Установка несколь­ких двигателей на самолете облегчает виражирование и выруливание на земле. Применение нескольких двигателей до известной степени увеличивает также надежность: при выходе из строя одного из двигателей можно продолжать рейс, хотя и с пониженной скоростью.

Примером совмещения второго типа явля­ется параллельная установка машин-орудий группами (по две-три). Ее применяют в авто­матических линиях, когда производительность отдельной машины, входящей в поток, значи­тельно уступает производительности всей ли­нии. Такая установка требует разделения пото­ка на два или больше потоков (соответственно числу параллельно устанавливаемых машин) с последующим соединением их в один.

Примером совмешения третьего типа явля­ется сдваивание или страивание линейных ма­шин-орудий, т. е. объединение нескольких ра­бочих трактов на общей станине. В результате получается многолинейная параллельно-по­точная машина с производительностью, повы­шенной соответственно числу трактов.

Модифицированием называют переделку машины с целью приспособить ее к иным ус­ловиям работы, операциям и видам продукции без изменения основной конструкции1.

Модифицирование машины для работы в различных климатических условиях сводится преимущественно к замене материалов. В ма­шинах, работающих в условиях жаркого и влажного климата (машины тропического ис­полнения), применяют коррозионно-стойкие сплавы; в машинах, эксплуатируемых в обла­стях с суровым климатом (машины арктиче­ского исполнения),—хладостойкие материалы; системы смазки приспосабливают к работе при низких температурах.

Модифицирование стационарных машин для работы на морском транспорте (машины морского исполнения) заключается во всемер­ном облегчении машины путем замены тя­желых сплавов (чугуна) легкими (алюминие­выми) и введением материалов, устойчивых против коррозии во влажном морском воздухе и при соприкосновении с морской водой.

Сложнее модифицирование машин с целью их приспособления к различным операциям или изделиям. В этом случае метод модифици­рования тесно связан с методом агрегатиро­вания.

Иногда в понятие модифицирования вклады­вают смысл модернизации машин и улучшения их показателей.

Агрегатирование заключаетсяв создании машин путем сочетания унифицированных агрегатов, представляющих собой автономные узлы, устанавливаемые в различном числе и комбинациях на общей станине.

Наиболее полное отражение этот принцип полу­чил в конструкции агрегатных металлообрабаты­вающих станков. Такие станки создают на основе унифицированных блоков (основные блоки, меха­низмы синхронизации, поворотные столы, корпуса общего назначения, станины, тумбы, вспомогатель­ные узлы, системы подачи смазочно-охлаждающих жидкостей).

Большая часть изделия в процессе обработки остается неподвижной. К нему с разных сторон под­водят соответствующим образом настроенные бло­ки; операции обработки происходят одновременно, что ускоряет технологический процесс.

Основные преимущества агрегатирования: сокращение сроков и стоимости проектирова­ния и изготовления машин, упрощение обслу­живания и ремонта, возможность переналадки для обработки разнообразных деталей. Метод агрегатирования весьма перспективен. Поми­мо металлорежущих станков он применим для других машин-орудий.

Частичным агрегатированием является ис­пользование стандартизованных узлов и агре­гатов из числа серийно выпускаемых промыш­ленностью (редукторы, насосы, компрессоры), а также заимствование с серийно изгото­вляемых изделий узлов и агрегатов (коробок скоростей, механизмов переключения муфт, фрикционов и т. д.).

Унификация состоит в много­кратном применении в конструкции одних и тех же элементов, что способствует сокраще­нию номенклатуры деталей и уменьшению стоимости изготовления, упрощению эксплуа­тации и ремонта машин.

Унификация конструктивных эле­ментов позволяет сократить номенклатуру обрабатывающего, мерительного и монтаж­ного инструмента. Унификации подвергают посадочные сопряжения (по посадочным диа­метрам, посадкам и точности размеров), резь­бовые соединен ия (по диаметрам, типам резьб, посадкам и точности размеров, размерам под ключ), шпоночные и шлицевые соединения (по диаметрам, формам шпонок и шлицев, посад­кам и точности размеров), зубчатые зацепления (по модулям, типам зубьев и точности разме­ров), фаски и галтели (по размерам и типам) и т. д.

Унификация оригинальных деталей и узлов может быть внутренней (в пределах данного изделия) и внешней (заим­ствование деталей с иных машин данного или смежного завода).

Наибольший экономический эффект дает заим­ствование деталей серийно изготовляемых машин, когда детали можно получить в готовом виде. Заим­ствование деталей машин единичного производства, машин, снятых или подлежащих снятию с производ­ства, а также находящихся в производстве на пред­приятиях других ведомств, когда получение деталей невозможно или затруднительно, имеет только одну положительную сторону: проверенность деталей опытом эксплуатации. Во многих случаях и это оправдывает унификацию.

Унификация марок и сортамента ма­териалов, электродов, типоразмеров кре­пежных деталей, подшипников качения и дру­гих стандартных деталей облегчает снабжение завода-изготовителя и ремонтных предприя­тий материалами, стандартными покупными изделиями.

Унифицированные ряды. В некоторых случаях возможно образование ряда произвольных машин различной мощности или производительности путем изменения числа главных рабочих органов и их применения в различных сочетаниях. Такие ряды называют семейством, гаммой или серией машин. Этот способ применим к машинам, мощность или производительность которых зависит от числа рабочих органов.

Метод обеспечивает следующие технологические и эксплуатационные преимущества:

упрощение, ускорение и удешевление процессов проектирования и изготовления машин;

возможность применения высокопроизводительных методов обработки унифицированных деталей;

уменьшение сроков доводки и освоения опытных образцов (благодаря отработанности главных рабочих органов);

облегчение эксплуатации;

сокращение сроков подготовки обслуживающего технического персонала и сроков ремонта машин, а также упрощение снабжения запасными деталями.

Классическим примером образования унифицированных машин является создание рядов четырехтактных двигателей внутреннего сгорания на основе унифицированной цилиндровой группы и частично унифицированной шатунно-поршневой группы. Сочетание цилиндров ограничивается условием уравновешенности сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс и условием равномерного чередования вспышек. Так как мощность двигателя пропорциональна числу цилиндров, то представленный ряд двигателей позволяет теоретически получить семейство двигателей с очень широким диапазоном мощностей.