Глава 16. технологические аспекты проектирования конструкций

16.1. Технологические требования к конструкции

В ряду требований и условий, которые учитывает конст­руктор на стадии проектирования (п. 1.1), присутствуют такие, которые на первый взгляд кажутся второстепенны­ми: условия изготовления, транспортировки и монтажа, возможность обслуживания машины в процессе эксплуата­ции, а также экономические требования. Однако в реаль­ной производственной деятельности они занимают весьма существенное место. Практическая их реализация происхо­дит при совместной работе конструктора с технологом в рамках экономических условий данного производства.

Одним из важнейших свойств конструкции является технологичность. Технологичность — это совокупность свойств изделия, определяющих ее приспособленность к достижению минимальных затрат на изготовление в ус­ловиях определенного производства при обеспечении за­данных показателей качества и объема выпуска. В насто­ящем разделе рассмотрены только некоторые проблемы обеспечения технологичности конструкции на стадиях из­готовления, монтажа и эксплуатации, которые конструк­тор должен учитывать при проектировании машины.

Технологичность конструкции на стадии изготовления. Сварочное производство является основным при создании металлических конструкций. От качества сварки в значи­тельной степени зависит надежность конструкции. Для создания качественных конструкций рекомендуется при­держиваться следующих правил:

• следует стремиться к упрощению конфигурации кон­струкции и уменьшению объема сварочных работ;

• конструкция должна быть спроектирована так, чтобы выполнять сварку было удобно, к сварным соединениям был хороший доступ и желательно с двух сторон, нельзя варить в замкнутом пространстве;

• следует избегать большого количества коротких кри­волинейных швов, которые можно выполнить только руч­ной и полуавтоматической сваркой, не должно быть скоп­ления и желательно пересечения швов;

• следует по возможности избегать вертикальных и по­толочных швов, сварка основных швов должна выполнять­ся в нижнем положении и желательно автоматом;

• максимальная часть сварочных работ должна произ­водиться в цехе, минимум — на монтажной площадке, так как качество монтажной сварки всегда хуже, чем завод­ской; монтажные швы располагают в наименее нагружен­ных сечениях, а качество сварки проверяют методами не­разрушающего контроля;

• конструктор совместно с технологом должен найти способы минимизации сварочных деформаций и преду­смотреть конструктивные решения, которые позволят ком­пенсировать возникшие искажения;

• при проектировании конструкции следует иметь в виду, что стальной прокат и трубы выпускаются с большими допусками на размеры и форму (например, допуск на вы­соту и ширину двутавров мм, допуск на диаметр элек- тросварных труб диаметра, а допуск на оваль­ность 1-2 % диаметра); такие отклонения приводят к воз­никновению смещений в сварных стыках, могут вызвать проблемы при изготовлении и монтаже конструкции, а также повлиять на ее работоспособность и долговечность.

Отливки и поковки можно использовать для изготовле­ния нагруженных узлов сложной конфигурации. Это по­зволяет избежать большого количества коротких и близко расположенных сварных швов. При этом конфигурация отливки должна обеспечивать плавные переходы к листо­вым элементам конструкции, чтобы не возникали зоны резкого изменения жесткости, которые вызовут дополни­тельную концентрацию напряжений (см. рис. 17.16). Пе­речень контролируемых параметров качества отливки дол­жен соответствовать III группе по ГОСТ 977-88. Поковки используются IV и в особо ответственных узлах V группы качества по ГОСТ 8479-70. Отливки и поковки должны пройти термообработку (нормализацию и отпуск). Места сварки с листовыми элементами должны быть механиче­ски обработаны.

Механическая обработка элементов конструкции выпол­няется для создания точных контактных поверхностей, не­обходимых для установки механизмов и осей, сопряжения отдельных частей конструкции, устройства направляющих и пр. Объем механической обработки в значительной степе­ни обуславливает себестоимость конструкции, поэтому сле­дует использовать такие конструктивные решения, которые позволяют минимизировать объем механической обработ­ки. При проектировании конструкции необходимо учиты­вать следующие обстоятельства:

• механическая обработка, как правило, выполняется после сварки, так как в противном случае качество обра­ботанных поверхностей будет испорчено сварочными по­водками;

• поскольку статически неопределимые конструкции чувствительны к погрешностям изготовления (п. 4.1.1), следует использовать схемы конструкций с минимальной степенью статической неопределимости, для этого жест­кие связи элементов конструкции можно заменять шар­нирными, применять сферические шарниры, использовать блочные приводы со статически определимым закрепле­нием на конструкции и пр.

• небольшие фрагменты конструкции, содержащие ме­ханически обработанные поверхности, можно приваривать к конструкции с использованием кондукторов, фальшва- лов и других приспособлений, обеспечивающих точное от­носительное расположение этих поверхностей, но при этом сварные швы должны быть удалены от механически обра­ботанных поверхностей.

Защита от коррозии обеспечивается рациональным кон­струированием (п. 13.1) и применением защитных покры­тий. Внутренние поверхности замкнутых объемов также корродируют от воздействия влажности воздуха и конден­сата и поэтому должны быть защищены. Щели в нахле­станных, заклепочных и болтовых соединениях могут быть защищены от коррозии герметиками. Если используются металлические покрытия, то при конструировании учи­тывают особенности технологии их нанесения.

Технологичность конструкции на стадии монтажа. Мон­тажная сборка производится в тех случаях, когда из-за больших размеров конструкцию приходится поставлять с завода-изготовителя по частям. Обычно монтаж выпол­няется в полевых условиях и не изготовителем, а специа­лизированной организацией, персонал которой хуже знает машину, чем разработчик. Поэтому чем сложнее монтаж, тем больше вероятность появления ошибок и дефектов. Для того чтобы обеспечить качественный монтаж необхо­димо учитывать следующие условия:

• стремиться к максимальному укрупнению сборочных единиц и поставке их на монтажную площадку с высокой степенью заводской готовности, при этом размеры и масса транспортируемых узлов должны отвечать требованиям пе­ревозки по железным или автомобильным дорогам, а также соответствовать грузоподъемности оборудования, которое будет использовано на перегрузке и монтаже;

• если в конструкции предусмотрена монтажная свар­ка, то должна быть обеспечена точность относительного расположения свариваемых элементов в условиях монта­жа (можно применять штифты, упоры, технологические болты и пр.);

• для крепления площадок, лестниц, ограждений, токо- подвода, трубопроводов и пр. следует использовать болто­вые соединения, а не сварные;

• для корректировки погрешностей и сварочных дефор­маций при сборке целесообразно использовать узлы с ре­гулировкой (например, эксцентричные втулки).

• болтовые соединения должны быть расположены так, чтобы был обеспечен доступ к болтам как со стороны го­ловки, так и гайки, а также достаточно места для разме­щения и поворота гаечного ключа;

• необходимо предусмотреть места или приспособления (крюки, скобы) для строповки сборочных узлов, позволя­ющие совершать монтажные манипуляции, не повреждая элементы машины, при этом места крепления этих при­способлений должны быть рассчитаны на прочность с уче­том веса сборочного узла, динамических нагрузок, нерав­номерности распределения нагрузки между ветвями стро­пов и их наклона.

Технологичность конструкции на стадии эксплуатации. Ремонтопригодность машины, заключающаяся в приспо­собленности ее к предупреждению и обнаружению отказов и устранению их последствий, также зависит от устрой­ства несущей конструкции. Сама металлическая конструк­ция должна быть спроектирована так, чтобы в течение нормативного срока службы ее ремонт не потребовался. Однако для ремонта отдельных узлов и механизмов маши­ны необходимо предусмотреть следующие условия:

• на конструкции должны быть проходы, галереи и ле­стницы, позволяющие персоналу обслуживать все меха­низмы, обследовать болтовые и шарнирные соединения, выполнять ремонтные работы и пр. (если не предусмотре­ны иные способы обеспечения доступности);

• ремонт быстроизнашивающихся частей машины (рель­сов, зубьев ковшей, колес) следует проводить без сварки или таким образом, чтобы срезание изношенной части и приварка новой не приводили к порче несущей конст­рукции;

• должны быть предусмотрены места установки домкра­тов и способы закрепления машины при ремонте, для того чтобы не допустить неуправляемого движения ее частей;

• при необходимости следует предусмотреть возможность быстрого перевода конструкции в транспортное положе­ние для перевозки на новое место эксплуатации.