Современные направления в развитии машиностроения

Эффективное развитие всех отраслей экономики страны в решаю­щей мере зависит от машиностроения. Именно в машиностроении в первую очередь материализируются передовые научно-технические идеи, создаются новые машины, определяющие прогресс в других отраслях экономики.

Для современного машиностроения характерно повышение требований к техническому уровню, качеству и надежности изделий, сокращение сро­ков морального старения средств техники. Это приводит к необходимо­сти постоянного сокращения сроков проектирования при одновремен­ном совершенствовании конструкций новых машин и технологии их изготовления, внедрения новых материалов, более точных методов рас­чета.

Показателем высокого уровня машиностроения является гибкое автоматизированное производство (ГАП) — производство изделий, осно­ванное на комплексной автоматизации собственно технологического процесса и таких операций производственного процесса, как контроль качества, диагностика технологического оборудования, складирование и транспортировка, а также процедур и операций проектирования и технологической подготовки производства. В связи с этим технологи­ческий процесс реализуется в ГАП с помощью роботизированного технологического оборудования — гибких производственных модулей (ро­бот—станок, робот—пресс, робот — сварочный центр). Управление модулями осуществляется с помощью сменяемых программ, при этом широко используются микропроцессоры (устройства для автоматиче­ской обработки информации и управления этим процессом). Проекти­рование объектов в ГАП выполняют с помощью систем автоматизи­рованного проектирования (САПР, см. ниже) и автоматизированных систем технологической подготовки производства.

Характерным является применение материало-, трудо- и энергосбе­регающей технологий, станков с программным управлением, гибких производственных систем, в которых технологическое оборудование и си­стемы его обеспечения функционируют в автоматическом режиме и обладают свойством автоматизированной переналадки в пределах ус­тановленного класса изделий и диапазонов их характеристик.

Применение промышленных роботов позволяет повысить производи­тельность оборудования, улучшить условия и безопасность труда рабо­чих, уменьшить влияние субъективного фактора и повысить качество за счет оптимизации и автоматизации технологических процессов.

Дальнейшее повышение технико-экономического уровня и каче­ства машиностроительной продукции связано с тем, насколько ус­пешно будут решены следующие задачи:

1) расширение областей применения автоматизированного проек­тирования;

2) повышение надежности и ресурса машин;

3) уменьшение материалоемкости конструкций;

4) уменьшение энергозатрат, повышение КПД механизмов.

В основе решения многих из этих задач лежит совершенствова­ние расчетов и оптимизация конструкции, которые, в свою очередь, могут быть решены с применением современной вычислительной техники.

Требования к машинам и деталям

В соответствии с современными тенденциями к большинству про­ектируемых машин предъявляют следующие общие требования:

высокая производительность;

необходимые точность, надежность и долговечность;

экономичность изготовления и эксплуатации;

удобство и безопасность обслуживания;

транспортабельность;

современный дизайн.

При расчетах, конструировании и изготовлении машин должны строго соблюдаться стандарты: государственные (ГОСТы), отраслевые (ОСТы), предприятий (СТП). Стандартизация в области деталей ма­шин охватывает материалы, геометрические параметры (предпочти­тельные ряды размеров, форма и размеры резьб, шлицевых, шпоноч­ных соединений, исходные контуры зацепления и др.), нормы точности, последовательность создания и характер конструкторской документа­ции, правила оформления чертежей и т. д.

Стандарты в максимально возможной степени основываются на стандартах Международной организации по стандартизации (ISO).

Применение в машине стандартных деталей и узлов уменьшает ко­личество типоразмеров, обеспечивает взаимозаменяемость, позволяет быстро и дешево изготовлять новые машины, а в период эксплуатации облегчает ремонт. Изготовляют стандартные детали и узлы машин на специализированных заводах или в специализированных цехах, что повышает их качество и снижает стоимость.

Стандартизация изделий, узлов и деталей предполагает их унифи­кацию. Унификация — приведение изделий одинакового функциональ­ного назначения к единообразию, включающее обеспечение преем­ственности при изготовлении и эксплуатации. Показателем уровня стандартизации и унификации является коэффициент применяемости по типоразмерам деталей, определяемый как отношение разности общего числа типоразмеров деталей и числа типоразмеров впервые разработанных деталей к общему числу типоразмеров деталей в из­делии.

Одним из главных требований, предъявляемых к машинам и их дета­лям, является технологичность конструкции, которая существенно влия­ет на стоимость машины.

Технологичной называют такую конструкцию, которая характерна наименьшими затратами при производстве, эксплуатации и ремонте.

Технологичность конструкции характеризуется:

1) применением в машине деталей с минимальной механической обработкой. С этой целью широко используют штамповку, точное литье, фасонный прокат, сварку;

2) унификацией деталей, т. е. применением одинаковых деталей в различных узлах машины;

3) максимальным применением стандартных конструктивных эле­ментов деталей (резьб, канавок, пазов, фасок и др.), а также стан­дартных допусков и посадок;

4) применением деталей и узлов ранее освоенных в производстве;

5) учетом количества выпускаемых изделий (серийности), условий изготовления и технологической целесообразности;

6) снижением трудоемкости сборочных операций, удобной компо­новкой с легко доступными местами крепления, возможностью при­менения сборочных автоматов, роботов;

7) возможностью «сращивания» систем автоматизированного про­ектирования и производства.

Показателями технологичности конструкции являются: трудоемкость, материалоемкость, энергоемкость в изготовлении, обслуживании, эк­сплуатации и ремонте.

Показатели стандартизации и технологичности характеризуют ка­чество изделия.

Надежность машин

Надежность — свойство изделия сохранять во времени способность к выполнению требуемых функций в заданных режимах применения, техни­ческого обслуживания, хранения и транспортирования.

Надежность характеризуется работоспособностью и отказом.

Работоспособность — состояние изделия, при котором оно способ­но нормально выполнять заданные функции.

Отказ — событие, заключающееся в полной или частичной утрате работоспособности.

Показателями качества изделия по надежности являются безотказ­ность, долговечность и ремонтопригодность.

Безотказность — свойство изделия непрерывно сохранять работо­способность в течение заданного времени.

Долговечность — свойство изделия длительно сохранять работоспо­собность при соблюдении норм эксплуатации до наступления предель­ного состояния. Под предельным понимают такое состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецеле­сообразна.

Ремонтопригодность — свойство изделия, заключающееся в приспо­собленности к поддержанию и восстановлению работоспособности путем технического обслуживания и ремонта.

Ресурс — суммарная наработка изделия от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние. Ресурс выражают в единицах време­ни работы (в часах) или длины пути (в километрах).

Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации изде­лия от начала до перехода в предельное состояние. Выражается обычно в годах. Срок службы включает наработку изделия и время простоев.

Основными показателями надежности являются:

по безотказности — вероятность безотказной работы и интенсив­ность отказов;

по долговечности — средний и гамма-процентный ресурс;

по ремонтопригодности — вероятность восстановления.

Под вероятностью безотказной работы P(t) понимают вероятность того, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки не возникает отказ изделия.

Если за время t наработки из числа N одинаковых изделий были изъяты из-за отказов п изделий, то вероятность безотказной работы изделия

P(t) = (N- n)/N= 1 - n/N.

Пример 1.1. Если по результатам испытания в одинаковых условиях партии изделий, состоящих из N= 1000 шт., после наработки 5000 ч вышли из строя w=100 изделий, то вероятность безотказной работы этих изделий

P(5000) = 1 - n/N= 1 - 100/1000 = 0,9.

Вероятность безотказной работы сложного изделия равна произве­дению вероятностей безотказной работы отдельных его элементов:

p(t) = p_](t)P₂(t)... P_n(t)

Если P_l(t) = P₂(t) =... = P_n(t), то P(t) = P_n(t). Отсюда следует, что чем больше элементов имеет изделие, тем ниже его надежность.

Интенсивность отказов λ (t). В разные периоды эксплуатации или испытаний изделий число отказов в единицу времени различно. Ин­тенсивность отказов — отношение числа п отказавших в единицу вре­мени t изделий к числу изделий (N-n), исправно работающих в дан­ный отрезок времени при условии, что отказавшие изделия не восста­навливают и не заменяют новыми:

λ (t)=n/[(N-n)t].

Средние значения интенсивностей отказов составляют: для под­шипников качения — X(t) = 1,5 • 10^-6 1/ч; для ременных передач —

X(t) = 15 • 10^-6 1/ч.

Вероятность безотказной работы можно оценить по интенсивности отказов

p(f)~l- λ(t)-t.

Для деталей машин в качестве показателя долговечности использу­ют или средний ресурс (математическое ожидание ресурса, выражен­ное в часах работы, километрах пробега, миллионах оборотов), или гамма-процентный ресурс (суммарная наработка, в течение которой изделие не достигает предельного состояния с вероятностью у, выра­женной в процентах). Для изделий серийного и массового производ­ства наиболее часто используют гамма-процентный ресурс: для под­шипников качения, например, 90%-ный ресурс.

Под вероятностью восстановления понимают вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния изделия не превы­сит заданное значение.

Основы надежности закладывает конструктор при проектировании изделия (в частности, точностью составления расчетной схемы). Опре­деление показателей надежности выполняют методами теории вероят­ностей, их используют при выборе оптимальных вариантов конструк­ции. Надежность зависит также от качества изготовления (неточно­сти влияют на распределение нагрузок в зоне силового взаимодей­ствия) и от соблюдения норм эксплуатации.

В технике имеются высоконадежные устройства, например, в же­лезнодорожном транспорте, авиации, космонавтике и др.