Изучение сферы применения машин

Развитие машиностроения неразрывно свя­зано с развитием машинопотребляющих от­раслей народного хозяйства к которым относится строительство. В промышленно­сти происходит процесс непрерывного совер­шенствования: растет объем продукции, сокра­щается производственный цикл, появляются новые технологические процессы, меняются компоновка линий, состав и расстановка обо­рудования, непрерывно повышается уровень механизации и автоматизации производства. Соответственно возрастают требования к по­казателям машин, их производительности, степени автоматизации. Некоторые машины с появлением новых технологий в строительстве становятся ненужными. Возникает необхо­димость создания новых машин или коренно­го изменения старых.

Проектированию машин, предназначенных для строительного комплекса, должно предшествовать тщательное изучение его отраслей, динамики их количественного и качественного развития, потребностей в дан­ной категории машин и вероятности появле­ния новых технологических процессов и мето­дов производства.

При выборе параметров машины необходи­мо учитывать конкретные условия ее примене­ния. Нельзя, например, произвольно увеличи­вать производительность машины, не учиты­вая производительности смежных машин одного комплекта. В некоторых случаях машины с повышен­ной производительностью могут оказаться в эксплуатации недогруженными и будут боль­ше простаивать, чем работать. Это снижает степень их использования и уменьшает эконо­мический эффект.

Выбор конструкции

При выборе параметров машины, основной схемы и типа конструкции в центре внимания должны быть факторы, определяющие эконо­мическую эффективность машины: высокая полезная отдача, малые энергопотребление и расходы на обслуживание, низкая стоимость эксплуатации и длительный срок применения. Схему машины обычно выбирают путем па­раллельного анализа нескольких вариантов, которые подвергают тщательной сравнитель­ной оценке со стороны конструктивной целе­сообразности, совершенства кинематической и силовой схем, стоимости изготовления, энер­гоемкости, расхода на рабочую силу, надеж­ности действия, габаритов, металлоемкости и массы, технологичности, степени агрегатности, удобства обслуживания, сборки-разборки, осмотра, наладки, регулирования.

Следует выяснить, в какой мере схема обес­печивает возможность последующего разви­тия, форсирования и совершенствования ма­шины, образования на базе исходной модели производных машин и модификаций.

Не всегда удается даже при самых тща­тельных поисках найти решение, полностью отвечающее поставленным требованиям. Безу­пречный во всех отношениях вариант в кон­структорской практике – редкая удача. Дело порой не в недостатке изобретательности, а в противоречивости выдвигаемых требований. В таких случаях приходится идти на компро­миссное решение и поступаться некоторыми из них, не имеющими первостепенного значе­ния в данных условиях применения машины. Нередко надо выбирать вариант, не столько имеющий наибольшие достоинства, сколько обладающий наименьшими недостатками.

После выбора схемы и основных показателей агрегата разрабатывают компоновку, на основе которой составляют эскизный, техниче­ский и рабочий проекты.

Разработка вариантов – дело не индивиду­альной привычки или наклонностей конструк­тора, а закономерный метод проектирования, помогающий отыскать наиболее рациональное решение. В качестве примера разработки и сравнительного анализа вариантов приведем часто встречающийся в машиностроении узел редуцирующей конической зубчатой передачи (табл. 1).

Для упрощения не рассмотрены возможные конструктивные варианты подвода и отбора крутящего момента, типа опор, способов фик­сации осевого положения зубчатых колес. Даны только варианты общей компоновки передачи, конструкции корпуса, расстановки опор, систем сборки и проверки зацепления.

Окончательный выбор варианта редуктора зависит от условий его применения и установ­ки. Наибольшими достоинствами для общих условий применения обладают конструкции 1–3. При необходимости сокращения габари­та и массы передачи целесообразно применять компактные конструкции 12–16.

Таблица 1

Эскиз	Особенности
	Конструкция наиболее распространенная. Валы колес распо­ложены в одном корпусе, что позволяет при изготовлении обеспечить точное взаимное расположение осей. Доступ к колесам свободный — через люк с отъемной крышкой. Ме­ханизм можно осматривать в сборе. По условиям сборки наружный диаметр малого колеса должен быть меньше диа­метра отверстий под подшипники вала. Зацепление регулируется мерными шайбами m (необходима полная разборка узла установки колес). Редуктор в основ­ном рассчитан на крепление нижней плоскостью с помощью лап
	Подшипники установлены в промежуточных втулках, что позволяет несколько увеличить диаметр малого колеса. Для регулирования зацепления достаточно сменить мерные шайбы, подкладываемые под промежуточные втулки. Удобно, если регулировочные шайбы выполнены в виде полуколец (ва­риант внизу), фиксируемых крепежными болтами. Для смены шайб отвертывают на небольшую величину промежуточную втулку
	Колеса установлены в отъемных корпусах. Преимущества предыдущей конструкции сохраняются, однако жесткость глав­ного корпуса значительно уменьшается. При изготовлении корпусов необходимо выдержать строгую соосность центри­рующих буртиков и отверстий под подшипники. Редуктор более приспособлен для подвесного крепления, хотя воз­можна установка его нижней плоскостью с помощью лап, отлитых заодно с нижней крышкой
	Хвостовик колеса выведен наверх. Проверка зацепления затрудняется. Осматривать механизм в сборе нельзя; при снятии корпуса колеса целостность механизма нарушается. Регулировать зацепление можно только по краске с много­кратными снятиями и повторными установками колеса. Для осмотра внутренней полости редуктора необходимо предвари­тельно отключить вал отбора мощности
	Корпус выполнен с разъемом в плоскости оси шестерни. Конструкция обеспечивает простую и удобную сборку и осмотр механизма. Проверка зацепления будет полноценной только в том случае, если вал шестерни в сборе с под­шипниками прижать к нижним постелям подшипников. Изготовление разъемного корпуса значительно сложнее, чем целого. Необходимо сначала начисто обработать стыки, сое­динить половины корпуса на контрольных штифтах и в сбо­ре обработать отверстия под подшипники. Поверхности стыка притирают. Применение уплотняющих прокладок недопустимо (нарушается цилиндричность гнезд подшипников шестерни)
	Верхняя опора вала колеса перенесена в крышку. Рас­стояние между опорами увеличено, радиальные нагрузки на подшипники уменьшены. Недостаток конструкции — затруд­нительность осмотра и регулирования механизма в сборе. При снятии крышки вал колеса остается на нижней опоре; отсутствие его фиксации не позволяет проверить правильность зацепления. Кроме того, расположение опор в разных де­талях ухудшает центрирование вала. Необходима обработка отверстий под подшипники в сборе корпуса и крышки, что усложняет технологию изготовления
	Вал колеса установлен на двух подшипниках в крышке. Регулирование зацепления возможно только по краске. Ос­мотр механизма в сборе затруднителен. Для снятия крыш­ки с колесом необходимо предварительно вынуть шестерню, вследствие чего механизм оказывается разобщенным
	Вал колеса смонтирован в верхнем приливе корпуса. До­ступ к механизму — через нижнюю крышку. Конструкция приемлема при подвесном креплении редуктора и непри­менима, если его необходимо устанавливать нижней плоско­стью (для осмотра механизмов пришлось бы снимать весь редуктор)
	Вал колеса установлен в нижнем приливе корпуса. Привод выведен вверх. Участок зацепления просматривается с торца зубьев после снятия верхней крышки. Для осмотра механизма необходимо предварительно отключить вал отбора мощности от колеса
	Передний подшипник вала шестерни установлен в перего­родке n, прилитой к боковым стенкам корпуса. Механизм просматривается в сборе после снятия несущей верхней крышки. Недостаток конструкции — участок зацепления за­слонен перегородкой
	Внутренний подшипник вала шестерни перенесен на про­тивоположную стенку корпуса, что обеспечивает хорошую разноску опор и удобный осмотр механизма. Возможен отбор мощности с вала шестерни. Недостаток конструкции: нельзя разобрать зубчатые колеса порознь; для снятия колеса необходимо предварительно демонтировать шестерню
	Подшипники колеса и внутренний подшипник шестерни установлены в приливе корпуса. Осмотр механизма через нижнюю несущую крышку; участок зацепления просматри­вается с торца зубьев. Для осмотра необходимо предвари­тельно отключить вал отбора мощности. Конструкция до­пускает только подвесное крепление
	Тот же вариант, но с выводом вала колеса вверх и с креплением редуктора нижней плоскостью
	Вариант с выводом вала колеса вниз, допускающий ос­мотр механизма без отключения вала отбора мощности. Крепление с помощью боковых лап или приливов на нижней крышке
	Тот же вариант, но с выводом вала колеса вверх
	Вариант со сниженной высотой корпуса и штампованной крышкой большого размера, обеспечивающей удобный обзор механизма

Метод инверсии

Среди приемов, облегчающих сложную ра­боту конструирования, видное место занимает метод инверсии (обращение функций, форм и расположения деталей).

В узлах иногда бывает выгодным поменять детали ролями, например, ведущую деталь сделать ведомой, направляющую – направ­ляемой, охватывающую – охватываемой, не­подвижную – подвижной. Целесообразно ино­гда инвертировать формы деталей, например, наружный конус заменить внутренним, выпу­клую сферическую поверхность – вогнутой. В других случаях оказывается выгодным пере­местить конструктивные элементы с одной де­тали на другую, например, шпонку с вала на ступицу или боек с рычага на толкатель.

Каждый раз конструкция при этом приоб­ретает новые свойства. Дело конструктора – взвесить преимущества и недостатки исход­ного и инвертированного вариантов с учетом надежности, технологичности, удобства экс­плуатации и выбрать наилучший из них. У опытного конструктора метод инвертирова­ния является неотъемлемым инструментом мышления и значительно облегчает процесс поисков решений, в результате которых ро­ждается рациональная конструкция.

В табл. 2 приведены примеры инвертирова­ния типовых машиностроительных узлов.

Таблица 2

Схемы	Сравнительная характеристика схем
I	II
Привод тяги	В схеме I рычаг 1 приводит в действие тягу 2 через ось 3, установленную в вилке тяги. В схеме II ось уста­новлена в вилке рычага. Результат инверсии – устранение поперечных сил на тягу. В конструкции по схеме II затрудни­тельна обработка проушины тяги
Привод толкателя	В схеме I боек коромысла 4 плоский, тарелка толкателя 5 – сферическая, в схеме II – наоборот. Инверсия устраняет поперечные нагрузки на толкатель. Боек можно выполнить цилиндрическим, что обеспечивает линейный контакт
Привод коромысла	В схеме I тяга выполнена со сферическим наконечником 6, в схеме II сферическим выполнен боек 7 коромысла. Ин­версия улучшает смазку соединения (масло, находящееся в полости привода, скапливается в чаше тяги)
Ниппельное соединение	В схеме I ниппель 8 затягивается внутренней гайкой 9, в схеме II – наружной 10. Осевые габариты в схеме II мень­ше, а радиальные несколько больше
Ниппельное соединение	В схеме I ниппель 11 выполнен с внутренним конусом, в схеме II – с наружным. Осевые габариты в схеме II меньше
Сферическое соединение трубопроводов	Замена полной сферы (схема I) двумя концентричными полусферами (схема II) значительно сокращает осевые габари­ты. Изготовление узла, однако, усложняется
Направляющая	Схема II выгоднее схемы I по условиям смазывания
Крепление шпильки	Схема II повышает прочность резьбового соединения (по­датливость бобышки у начальных витков способствует более равномерному распределению нагрузки по виткам)
Крепление турбинной лопатки	В схеме I лопатка 12 крепится вильчатой ножкой на Т-образном кольцевом шипе ротора 13. В схеме II – Т-образной ножной в кольцевом пазу ротора. Схема II уменьшает массу, увеличивает жесткость и упрощает изготовление лопатки
Переставной винт	В схеме I винт с коротким резьбовым поясом 14 пере­мещается в корпусе с резьбой, длина которой равна ходу винта. В схеме II резьба нарезана по всей длине винта; корпус имеет короткий резьбовой пояс 15. Облегчается из­готовление (нарезание длинной резьбы в отверстии затрудни­тельно). При одинаковом диаметре d резьбы прочность винта в схеме II выше
Установка шатуна в вилке	В схеме I ось 16 закреплена в шатуне и вращается в подшипниках вилки, в схеме II – наоборот. Схема II улучшает условия работы подшипника вследствие увеличения его жест­кости и более благоприятного отношения длины к диаметру
Направляющая шпонка	В схеме I направляющая шпонка 17 установлена на валу и имеет длину, равную ходу ступицы 18. В схеме II шпонка 19 установлена в ступице и перемешается в продольном пазу вала. Схема облегчает изготовление узла и улучшает на­правление
Переставной механизм	В схеме I приводная головка 20 перемещается по непод­вижной штанге 21. В схеме II головка закреплена на штанге, которая перемещается в направляющих втулках 22 корпуса. Точность направления значительно повышается, поперечные силы на головке и переставная сила уменьшаются
Привод штока роторной машины	В схеме I шток 23 приводится в поступательно-возврат­ное движение двумя роликами 24, обкатывающими дисковый копир 25, а в схеме II – одним роликом 26, перемещаю­щимся между двумя копирами 27. Схема II резко сокра­щает осевые размеры узла
Узел пружинной аморти­зации рычага	В схеме I головка рычага воздействует на две пружины, опертые в корпусе. В схеме II рычаг сделан вильчатым и воз­действует на одну пружину, работающую в обоих направ­лениях. Схема сокращает осевые размеры узла
Пружина растяжения	Замена пружины растяжения (схема I) пружиной сжатия с ре­версом (схема II) повышает надежность и долговечность узла (пружины сжатия прочнее пружин растяжения). Конструкция по схеме II, однако, значительно сложнее, чем по схеме I
Перепускной клапан	В схеме I клапан направляется стержнем 28, запрессован­ным в копусе, а в схеме II – хвостовиком 29, скользящим в отверстии корпуса. Точность направления в схеме II зна­чительно выше (направляющее отверстие и седло обрабаты­ваются с одного установа)
Фиксатор	В схеме I фиксатор расположен в ступенчатом отверстии и направляется хвостовиком и головкой; в схеме II фиксатор выполнен в виде стакана, внутри которого размещена пружина. Схема II технологичнее (сквозное отверстие), конструкция, однако, сложнее
Шлицевая муфта	В схеме I переходник 30 имеет наружные шлицы, а при­водные диски — внутренние. В схеме II переходник 31 выпол­нен с внутренними шлицами, а диски с наружными. Схема II выгоднее по осевым размерам и технологичности (внут­ренние шлицы обрабатывают напроход)
Промежуточное зубчатое колесо	Установка шестерни на оси (схема II) улучшает условия работы подшипника вследствие увеличения его жесткости. В схеме II ось нагружена силой постоянного направления; в схеме I нагрузка на вал циклическая (круговой изгиб)
Промежуточное зубчатое колесо	Установка шестерни на подшипниках качения на оси (схема II) уменьшает долговечность подшипников (вращают­ся наружные кольца подшипников, тогда как на схеме I – внутренние). Нагрузка на наружные кольца в схеме I – постоянного направления. Схема II иногда целесообразна по габаритным условиям (например, консольная установка шестерни)
Гидравлический сервоцилиндр	В схеме I поршень 32 перемещается в неподвижном ци­линдре 33, в схеме II неподвижен поршень 34; по нему пере­мещается цилиндр 35. В схеме II возможен привод от любой точки по высоте цилиндра. Маслораспределительная система и конструкция узла сложнее, чем в схеме I

Компонование

Компонование обычно состоит из двух эта­пов: эскизного и рабочего. В эскизной компоновке разрабатывают основную схему и об­щую конструкцию агрегата (иногда несколько вариантов). На основании анализа эскизной компоновки составляют рабочую компоновку, уточняющую конструкцию агрегата и служа­щую исходным материалом для дальнейшего проектирования.

При компоновании важно уметь выделить главное из второстепенного и установить пра­вильную последовательность разработки кон­струкции. Попытка скомпоновать одновремен­но все элементы конструкции является ошиб­кой, которая свойственна начинающим кон­структорам. Получив задание, определяющее целевое назначение и параметры проектируе­мого агрегата, конструктор нередко начинает сразу вырисовывать конструкцию в целом во всех ее подробностях, с полным изображением конструктивных элементов, придавая компо­новке такой вид, который должен иметь лишь сборочный чертеж конструкции в техническом или рабочем проекте. Конструировать так – значит почти наверняка обрекать конструкцию на нерациональность. Получается механиче­ское нанизывание конструктивных элементов и узлов, расположенных заведомо нецелесоо­бразно.

Компоновку следует начинать с решения главных вопросов – выбора рациональных ки­нематической и силовой схем, правильных раз­меров и формы деталей, определения наиболее целесообразного взаимного их расположения. При компоновании надо идти от общего к частному, а не наоборот. Выяснение под­робностей конструкции на данном этапе не только бесполезно, но и вредно, так как отвле­кает внимание конструктора от основных за­дач компонования и сбивает логический ход разработки конструкции.

Другое основное правило компонования – разработка вариантов, углубленный их анализ и выбор наиболее рационального. Ошибочно, если конструктор сразу задается направлением конструирования, выбирая или первый при­шедший в голову тип конструкции или при­нимая за образец шаблонную конструкцию. Самое опасное на данном этапе проектирова­ния поддаться психологической инерции и ока­заться во власти стереотипов. Вначале необхо­димо продумать все возможные решения и выбрать из них оптимальное для данных ус­ловий. Это требует труда и дается не сразу, а иногда в результате длительных поисков.

Полная разработка вариантов необязатель­на. Обычно достаточно карандашных набросков от руки, чтобы получить представление о перспективности варианта и решить вопрос о целесообразности продолжения работы над ним.

Иногда конструктор даже не может объяснить, почему он избирает одно направление конструирова­ния и отвергает другое, ограничиваясь лаконичным «не нравится». У одного конструктора за этой, на первый взгляд вкусовой мотивировкой, на самом де­ле скрывается безошибочное предвидение конструк­тивных, технологических, эксплуатационных и дру­гих осложнений, которые несет с собой отвергаемое направление.

В процессе компонования необходимо про­изводить расчеты, хотя бы ориентировочные и приближенные. Основные детали конструк­ции должны быть рассчитаны на прочность и жесткость. Доверяться интуиции при выборе размеров и форм деталей нельзя. Правда, есть опытные конструкторы, которые почти безо­шибочно устанавливают размеры и сечения, обеспечивающие принятый в данной отрасли машиностроения уровень напряжений. Но это достоинство сомнительное. Копируя шаблон­ные формы и придерживаясь традиционного уровня напряжений, нельзя создать прогрес­сивные конструкции.

Неправильно всецело полагаться и на расчет. Во-первых, существующие методы расчета на прочность не учитывают ряда факторов, определяющих работоспособность конструк­ции. Во-вторых, есть детали, не поддающиеся расчету (например, сложные корпусные дета­ли). В-третьих, необходимые размеры дета­лей зависят не только от прочности, но и от других факторов. Конструкция литых деталей определяется в первую очередь требованиями литейной технологии. Для механически обра­батываемых деталей следует учитывать сопротивляемость силам резания и придавать им необходимую жесткость. Термически обра­батываемые детали должны быть достаточно массивными во избежание коробления. Раз­меры деталей управления нужно выбирать с учетом удобства манипулирования.

Необходимое условие правильного конст­руирования – постоянно иметь в виду во­просы изготовления и с самого начала прида­вать деталям технологически целесообразные формы. Опытный конструктор, компонуя де­таль, сразу делает ее технологичной; начинаю­щий должен постоянно обращаться к консуль­тации технологов.

Компоновку необходимо вести на основе нормальных размеров (диаметры посадочных поверхностей, размеры шпоночных и шлицевых соединений, диаметры резьб и т. д.). Особенно это важно при компоновании узлов с несколькими концентричными посадочными поверхностями, а также ступенчатых деталей, форма которых в значительной степени зави­сит от градации диаметров.

Одновременно следует добиваться макси­мальной унификации нормальных элементов. Элементы, неизбежные по конструкции глав­ных деталей и узлов, рекомендуется использо­вать в остальных частях конструкции.

При компоновании должны быть учтены все условия, определяющие работоспособность агрегата, разработаны системы смазки, охла­ждения, сборки-разборки, крепления агрегата и присоединения к нему смежных деталей (приводных валов, коммуникаций, электропро­водки); предусмотрены условия удобного об­служивания, осмотра и регулирования меха­низмов; выбраны материалы для основных деталей; продуманы способы повышения долговечности, увеличения износостойкости трущихся соединений, способы защиты от кор­розии; исследованы возможности форсирова­ния агрегата и определены его границы.

Не всегда компонование идет гладко. В про­цессе проектирования часто обнаруживают не­замеченные в первоначальных прикидках недо­статки, для устранения которых приходится возвращаться к ранее забракованным схемам или разрабатывать новые.

Техника компонования. Компонование лучше всего вести в масштабе 1:1, если это допу­скают габаритные размеры проектируемого объекта. При этом легче выбрать нужные размеры и сечения деталей, составить пред­ставление о соразмерности частей кон­струкции, прочности и жесткости деталей и конструкции в целом. Вместе с тем такой масштаб избавляет от необходимости нанесения большого числа размеров и облег­чает последующие процессы проектирования в частности, деталировку. Размеры деталей в этом случае можно брать непосредственно с чертежа.

Вычерчивание в уменьшенном масштабе, особенно при сокращениях, превышающих 1:2, сильно затрудняет процесс компонования, искажая пропорции и лишая чертеж наглядно­сти. Если размеры объекта не позволяют при­менить масштаб 1:1, то отдельные сборочные единицы и агрегаты объекта следует во вся­ком случае компоновать в натуральную вели­чину.

Компоновку простейших объектов можно разрабатывать в одной проекции, в которой конструкция выясняется наиболее полно. Формы конструкции в поперечном направле­нии восполняются пространственным вообра­жением.

При компоновке более сложных объектов указанный способ может вызвать существен­ные ошибки; в таких случаях обязательна раз­работка во всех необходимых видах, разрезах и сечениях.