Основные характеристики и требования к машинам

Одним из основных качеств машины является её экономичность расхода энергии. Определение критериев экономичности расхода энергии основывается на анализе уравнения энергетического баланса машины в цикле движения. Введение понятия о цикле «разгон – торможение» позволяет оценить экономичность машины при неустановившемся движении и учесть как увеличение расхода энергии при торможении, так возможность снижения его при рекуперации энергии торможения.

Основные характеристики и требования к машинам

Основные характеристики машины отражают как потребительские требования, так и внутренние параметры машины, не связанные непосредственно с требованиями потребителя, но характеризующие технический уровень производства. Они могут быть различны для разных классов машин, но наиболее общие из них определяют область применения машины и ограничения при эксплуатации. Кроме этого, как правило, они характеризуют вид используемой машиной энергии, экономичность расхода энергии, производительность, динамические качества, точность работы, мощность, массу и габаритные размеры, а также экологические показатели. Трудно предопределить какие из этих общих характеристик являются наиболее важными, но они всесторонне должны характеризовать качества проектируемой машины.

Абсолютные показатели, такие как масса и габаритные размеры необходимо знать для размещения машины в производственных условиях, монтаже и транспортировке. Масса и габаритные размеры могут применяться при вычислении удельной производительности на единицу занимаемой площади, объема или массы и характеризовать соотношение между соответствующими показателями машины и выпускаемой продукции. Например, важным показателем транспортных машин является отношение массы перевозимого груза к собственной массе машины. Относительные показатели более полезны при сравнении альтернативных проектов на ранней стадии проектирования, нежели абсолютные. В тоже время, производительность машины характеризуется абсолютными единицами, например, количеством продукции, производимой в единицу времени или временем, потраченным на производство единицы продукции. Оценка экономических показателей связана не только со стоимостью машины, но и расходами при эксплуатации на поддержание технического состояния машины и на обеспечение рабочего процесса, а также с показателями продолжительности нормального функционирования машины. Важной является оценка экономической эффективности машины, выражающаяся не только стоимостными показателями, но и показателями производительностии расхода энергии, является удельный расход энергии, отнесенной к затрачиваемой на производство единицы продукции. Например,удельная экономичность машины, т.е. расход энергии на единицу выпускаемой продукции обычно оценивается как

,

где - производительность – выпуск продукции в единицу времени, - абсолютный расход энергии в единицу времени. Для оценки экономичности ДВС применяют удельный расход топлива

,

где W_е – мощность двигателя на выходном валу. Удельный расход топлива ДВС непосредственно связан с КПД

,

где – удельный расход топлива ДВС , – теплотворная способность топлива [Ккал/кг], 465 – коэффициент.

В транспортных машинах, производительность которых оценивается в тонно – километрах перевозимого груза, удельная экономичность часто оценивается по формуле

,

где G – абсолютный расход топлива [кг/час]; m – масса перевозимого груза, V – скорость машины [км/час], определяющая проходимый машиной путь в единицу времени.

Отсутствие на начальных этапах проектирования точных данных о многочисленных параметрах машин затрудняет оценку экономических показателей. Поэтому часто производят подмену экономических показателей сходными техническими показателями. Например, абсолютный расход энергии частоподменяется оценкой установленной номинальной мощности двигателя W, удельный расход энергии gзаменяется на обратную величину (КПД машины). Характеристиками технологичности являются затраты живого труда и финансовых средств на производство машины.

Потребитель может предъявить множество требований к машине. Успех на рынке, дающий наибольшую прибыль и производителю и продавцу машины, определяется способностью машины удовлетворить наиболее важным из потребительских требований. Большинство предъявляемых к машине требований касаются производительности, надёжности и экономичности машины.Характеристиками надежности, то есть способности выполнять заданные функции, сохраняя значения установленных эксплуатационных параметров, являются долговечность и работоспособность машины. Важными показателями являются средняя продолжительность работы до первого отказа, до капитального ремонта, гарантийный срок работы, ремонтопригодность и т.д. Надежность не следует рассматривать изолированно от других показателей качества машин так как понятие «надежность» является составной частью более широкого понятия «качество». Часто улучшение одного показателя качества вызывает ухудшение другого его показателя. Это означает, что все показатели качества составляют единую систему. Системный подход к проблемам, связанным с качеством заключается во всесторонней оценке машины по многочисленным критериям качества, которые часто называют целевыми функциями проектирования.

Качество - это совокупность свойств изделия, отражающих его способность удовлетворять запросы потребителя. Если меняются запросы потребителя, то меняется и оценка качества. Поэтому нельзя оценивать качество вне его связи со временем. Если машина перестает удовлетворять требованиям потребителя, говорят, что она морально устарело.

Понятие «качество» не случайно употребляется в смысле удовлетворения стандартам - установленным в стране или отрасли производства закону, регламентирующему свойства, форму и размеры продукции, способы ее испытаний и проверки. Из этого следует, что стандарты способствуют повышению качества машины и охраняют интересы потребителя, так как отсутствие стандарта оставляет изготовителю возможности для значительных изменений её свойств. Стандарт основывается обоснованных требованиях потребителя, который должен знать, какие свойства машины для него необходимы и позволяет выразить требования качества количественно. Однако, потребитель может не знать технических трудностей производства машин, поэтому стандарт даёт обоснованные технические требования на качества машин. Нарушение стандартизованных свойств машины закладывается в процессе изготовления, в результате нарушения технологического процесса и не должны быть внесены при проектировании.

Имеющие одно и то же назначение машины в условиях современного производства могут быть изготовлены в различных вариантах, которые часто отличаются друг от друга по показателям качества. Возникает законный вопрос: «Какой вариант машины следует выбирать и запустить в производство?» Одни варианты имеют преимущества в одних показателях качества, а в других могут уступать. Перед тем как создавать новую машину или повышать её качество необходимо учесть, какая и когда может быть получена экономия и когда и куда будут произведены затраты. Поэтому не следует удивляться, что так много внимания уделяется экономической стороне оценки качества, так как именно в ней заключается ключ к пониманию проблем качества. Затраты в производство вкладываются в сравнительно короткий срок. Экономия, наоборот, достигается всегда в течение длительного времени в эксплуатации. Получается, что основной объем экономии отдалён от момента затрат более или менее значительным промежутком времени. Поэтому предварительно производят расчет, учитывающий стоимость материалов и инструмента при производстве, а также расход потребляемой энергии в эксплуатации и затраты на ремонт. Цель расчета – определение себестоимости изделия и его ориентировочной цены.

Важнейшим экономическим показателем, характеризующим целесообразность производства машины с требуемыми функциональными свойствами, является себестоимость. Именно цена определяет возможность машины проявить свою потребительскую стоимость, и это происходит лишь тогда, когда она поступает в эксплуатацию. Если расчет, производимый потребителем, показывает, что эксплуатация машины при планируемой цене экономически выгодна, освоение производства этого изделия целесообразно. Цена машины должна быть выше её себестоимости, иначе предприятие не получит прибыли и окажется нерентабельным. Но потребитель заплатит эту цену в зависимости от того, какой экономический эффект обещает эксплуатация машины. Чем больше экономия, которую ожидает получить потребитель, тем большую цену он согласится заплатить за машину.

Нелегко сопоставить затраты и экономию средств на стадии проектирования машины. Чтобы облегчить эту задачу на ранней стадии проектирования производится математическое моделирование улучшаемых технических показателей машины в условиях эксплуатации. В первую очередь возникает необходимость расчёта расхода энергии машины, что делается по критериям или показателям экономичности.

4.2. Общие вопросы проектирования и САПР

Одним из наиболее влияющих критериев на решение потребителя о покупке машины является её качество. Поэтому производитель в условиях рынка должен постоянно совершенствовать свою продукцию и повышать её качество. При этом перед ним возникает трудная задача: не только учесть все требования потенциального покупателя, но и подсчитать насколько улучшится качество. Наибольшую эффективность мер, принимаемых для улучшения качества, имеют те, которые используются при проектировании машины.

Проектированием называется процесс разработки проекта машины – т.е. совокупности расчетов и чертежей, предназначенных для определения параметров геометрии, кинематики, динамики, работоспособности, экономичности и других параметров машины.

При проектировании машины следует:

· использовать системный подход: осуществлять проектирование машины как системы, связанной с общими условиями ее работы и с другими машинами;

· учесть многочисленные критерии качества машины;

· учитывать предшествующий опыт проектирования и широко применять нормализацию узлов и деталей, используя «удачные» узлы и детали других машин;

· предусмотреть перспективы развития и обеспечить возможность дальнейшей модернизации и совершенствования машины.

Проектирование не может обойтись без использования следующих инструментов проектирования:

1. патентных исследований;

2. математического моделирования;

3. экспериментальных методов исследования.

Эвристические методы и патентные исследования основаны на поиске действующих аналогов машин, механизмов, деталей, узлов, агрегатов и т.д. Для каждого прототипа машин необходимо провести анализ положительных качеств и составить список недостатков, который включает:

· Обоснование и выбор критериев качества машины;

· Основные преимущества и недостатки прототипа;

· Основные показатели качества машины, требующие улучшения;

· Противоречия в машине, требующие замены на новый прототип;

· Несовершенство конструкции и технологии изготовления.

На основе анализа недостатков более обоснованно могут быть выдвинуты прямые предложений предложения по совершенствованию машины, возможность которых была выявлена при патентном поиске и сравнении альтернативных вариантов.

Экспериментальные методы требуют высоких материальных затрат и времени. Достаточно точным и быстрым является проектирование на основе математического моделирования показателей машин. Поэтому чаще всего проектирование осуществляется с помощью моделирования определенных качеств машины с помощью моделей составляющих её механизмов. Модель, как правило, является математической, выражающей интересующие нас свойства в виде системы уравнений. Примером структурной модели может служить формула П. Л. Чебышева, которая отражает связи между отдельными звеньями механизма. Кинематическая модель механизма отражает свойства преобразования движения и описывается уравнениями перемещений и скоростей звеньев или передаточных функций. Энергетическая модель отражает экономичность расхода энергии машиной в форме изменения работ и кинетической энергии. Динамическая модель – отражает динамические качества машины. Любая математическая модель представляет собой систему уравнений, отражающую свойства машины, которая должна отвечать требованиям адекватности и не быть перегруженнойнесущественными факторами. Для каждой проектируемой машины существуют свои определенные требования адекватности модели. Исходя из этого, можно сделать вывод, что не существует универсальных моделей, отражающей все возможные процессы в ней с одинаковой точностью.

Математическое моделирование развивается в направлении создания системы автоматизированного проектирования. САПР – это организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации конструкторских работ на основе применения ЭВМ для поиска оптимального решения. Разработка САПР включает:

· классификацию элементов машины и создание базы данных нормализованных узлов и элементов машин;

· выработку критериев качества, характеризующих оптимальность конструкции;

· создание кинематических, динамических, энергетических и экономических моделей машины и её элементов;

· разработку пакетов прикладных программ для проведения расчетов и обработки информации.

Проектно-конструкторская разработка осуществляется на этапе технической подготовки производства. Ей предшествуют научно-исследовательские работы, после неё осуществляется технологическая подготовка производства. Целью проектно-конструкторской разработки является разработка рабочей документации (эскизов и чертежей общего вида, сборочных и рабочих). Выполняют проектно-конструкторскую разработку в следующей последовательности:

1. разработка технического задания, т.е. требований к машине и указаний заданных технико-экономических параметров, согласованных с заказчиком;

2. составление технического предложения, отвечающего техническому заданию;

3. разработка эскизного проекта машины, отражающего техническое предложение;

4. разработка технического проекта на основе эскизного проекта машины;

5. выполнение конструкторской и рабочей технологической документации;

6. испытания машины, выявление недостатков, составлением акта;

7. составлением технических условий на эксплуатацию машины.

Конструирование – это творческий процесс поиска оптимального варианта конструкции с целью обеспечения работоспособности и технологичности машины. При конструировании следует добиваться:

· снижения количества деталей и звеньев машины;

· нормализации (т.е. применения ГОСТов и ТУ) и унификации деталей;

· технологичности конструкции, снижающей затраты на производство;

· выбора рациональных допусков, чистоты поверхности;

· выбора рациональной формы заготовок и технологии их изготовления.

Конструктору следует непрерывно совершенствовать машину, добиваясь снижения расхода энергии и повышения надежности. Для этого при проектировании в машину должна закладываться возможность её совершенствования, т.е. её дальнейшего развития. При этом необходимо учитывать существующие стандарты, которые регламентируют конструкцию и типоразмеры основных узлов и деталей.

Унификация элементов состоит в их многократном применении в одной и той же или разных конструкциях, что сокращает номенклатуру деталей и снижает сроки и стоимость изготовления и ремонта машин. Унификация является экономичным способом создания новых машин на основе базовой модели путем изменения мощности, производительности и даже перевода машин на выпуск иной продукции или энергии путём изменения отдельных составных частей. Например, изменение числа цилиндров ДВС, перевод его на другое топливо позволяет создать новый двигатель с наименьшими временными и экономическими затратами. В этом состоит метод секционирования, т.е. разделения машины на одинаковые секции с набором унифицированных деталей. Особенно эффективно применение секционирования в транспортирующих машинах с унифицированным несущим потоком, длину которого можно изменять добавлением звеньев, например, конвейеры с роликовыми цепями.

Таким образом, в основе проектирования, как правило, лежитприменение базового агрегата, на основе которого путем присоединения специализированного оборудования, можно создать машину иного назначения. Широкое применение в транспортных машинах имеют универсальные шасси с ДВС и создание на их базе различных машин, монтируя на нем дополнительное и навесное оборудование.

Часто применяется метод компаундирования, т.е. параллельного соединения машин для временного увеличения производительности и снижения расхода энергии путем их отключения.

Модифицированием называется доработка машины без изменения базовой конструкции. При этом идут на замену отдельных агрегатов из числа унифицированных узлов, имеющих стандартные типоразмеры. Таким образом, при проектировании машин находит широкое применение комплексная стандартизация вспомогательного оборудования, изготавливаемого специализированными предприятиями. Одновременно требуется приспособляемость конструкции машин к требованиям производства и универсализация машин, чтобы сократить номенклатуру выпускаемых машин. Примером могут служить универсальные шасси сельхозмашин со сменным навесным оборудованием, что позволяет использовать многофункциональную машину в течение всего года.