Элементы функционального анализа и разработки структуры машины

В простейших машинах количество выполняемых функций невелико и они могут быть реализованы с помощью одного механизма. Так, например, функция перемещения груза от исходной точки до пункта назначения выполняется с помощью многообразных машин непрерывного транспорта, структура которых в элементарных случаях состоит из одного механизма, построенного по схеме рис. 4а. Обязательными элементами таких машин являются: двигатель (источник энергии), рабочий орган, исполняющий требуемые функции, и передаточный механизм. Передаточный механизм преобразует движение от двигателя к требующемуся движению рабочего органа. Взаимодействие элементов, рассматриваемого устройства осуществляется с помощью управляющих органов (ОУ) (включение, отключение машины, разобщение её структурных элементов, изменение режима работы и т.п.)

Расширение требующих функций (к примеру, в рассматриваемых МНТ: дозирование груза и подачу его на рабочий орган, очистку несущего элемента от липких материалов, контроль параметров груза и других) усложняет структуру машины. При этом каждую из функций или их комплекс, можно возложить на отдельные механизмы (рис. 4б), которые структурируются полностью по схеме рис. 4а.

Рис. 4. Структурные схемы машин: а – простейшего функционального назначения; б, в – многофункциональные (б – с самостоятельными механизмами для выполнения отдельных функций; в – с приводом нескольких рабочих органов от единой энергетической установки)

Достаточно наглядным примером машин подобной структуры являются грузоподъёмные машины. В них, как правило, задачи подъёма и опускания груза, удержание его на весу выполняют механизмы подъёма груза, стрелы, а для перемещения применяют механизмы передвижения, вращения и т.п. Комплексное использование механизмов вращения и передвижения кранов и их элементов (тележек, кареток) обеспечивают подачу груза в любую точку обслуживаемой площадки.

Для машин мобильных, имеющих, как правило, автономный энергоисточник и расширенный набор функций, характерна структура, в которой от передаточного устройства приводится в движение несколько исполнительных органов (рис. 4в). При этом в передаточных устройствах могут встречаться механические, гидравлические, электрические и т.п. передачи. В качестве примера здесь можно использовать автокраны, в современных конструкциях которых от двигателя внутреннего сгорания часто приводятся в действие гидронасосы, обеспечивающие подачу жидкого энергоносителя к гидродвигателям привода шасси, подъёма груза и стрелы, вращения крана и т.д. Каждая из ветвей исполнительных механизмов может иметь достаточно сложную структуру, раскрывающуюся в дальнейшем при детализации способов реализации требующих функций. В подобных машинах некоторые из рабочих органов могут приводиться посредством одного передаточного механизма (механизмы № 2 и № 3 на рис. 4в) Также не исключается соединение рабочего органа непосредственно с двигателем, минуя передаточный механизм, если частоты вращения их валов совпадают (механизм №1 на рис. 4в).

В курсовых проектах по ДМ и ОК, ДМ, ОП обычно разрабатываются приводные устройства простейших машин, построенных по схеме рис. 4а. Темы курсового проектирования, предлагаемые ниже, выбираются индивидуально или группой студентов, согласуются и утверждаются преподавателем. При этом предпочтение отдается работе над темой 2…4 студентов, каждый из которых представляет свой вариант трактовки поставленной темы. Бригадная форма выполнения курсового проекта позволяет ознакомиться с многовариантным решением конструкторской задачи и сравнительным анализом разрабатываемых вариантов, лучше освоить инструменты проектанта в достижении поставленной цели. Выполнение КП в составе бригады способствует выработке навыков работы в коллективе исполнителей. Кроме этого возможно выполнение курсового проекта по теме, предлагаемой студентом (группой студентов), если её содержание позволяет решать задачи курсового проектирования по изучаемой дисциплине. Такая тема должна быть утверждена руководителем проекта.

С целью усиления конструкторской подготовки обучающимися могут быть сформулированы индивидуальные задания, в которых разрабатываются приводные устройства машин сложной структуры

(рис. 4б и 4в). Такие задания формируются по личной инициативе группы студентов, каждый из которых разрабатывает привод одного из рабочих органов.

Ориентировочный перечень типовых тем КП и исходных данных приведен в Приложении 1. В таблице 2 показан пример формулировки темы и исходных данных КП.

В качестве исходных данных для курсового проектирования приняты: требуемая мощность на приводном валу рабочего органа Р_тр.р.о., частота его вращения n_р.о., основные геометрические параметры приводного элемента рабочего органа (приводного барабана, приводных звездочек и т.п.), режим эксплуатации приводной станции (машины в целом) во времени и по нагрузке. Как отмечено в лабораторной работе № 1, такие данные получают в предшествующем проектированию ТО технологическом расчете. Известно, что для оценки мощности Р_тр.р.о_.необходимы сведения о силе сопротивления F_c_. или моменте сопротивления T_c_. движению рабочего органа и его скорости (линейной или угловой).

Скорость движения рабочего органа и частота его вращения n_р.о. прежде всего, определяются таким функциональным требованием, как производительность проектируемой машины и зависят от параметров технологического процесса, для реализации которого создается технический объект и его типовой разновидности [9-11].

Таблица 2. Пример технического задания на курсовой проект по дисциплинам «ДМ и ОК», «ДМ» и «Основы проектирования».

Применительно транспортирующих машин скорость перемещения грузов зависит от их физических свойств и конструктивных особенностей машины. Обеспечение производительности косвенно определяет назначение размеров приводного элемента рабочего органа. К примеру, диаметра D_б и ширины B_б приводного барабана ленточного конвейера, шага тяговой цепи p_ц, числа зубьев приводных звездочек Z_зв, ширины несущего элемента B_н разнообразных цепных конвейеров, диаметра транспортирующего винта (шнека) D_в и его шага p_в в винтовых конвейерах и т.п. Для класса машин, обсуждаемых в курсовых проектах, эти вопросы рассматриваются в дисциплинах «Транспортирующие машины», «Машины непрерывного транспорта»[9-11] и т.д.

Методы определения силы F_c_. и момента T_c_. сопротивления движению рабочего органа при выполнении требующихся функций также изучаются в специальных дисциплинах. Однако с позиций понимания сути формирования исходных данных для проектирования и процесса в целом важно уяснить физическую природу этих параметров. Нагрузки рабочих органов машин с физических позиций представляют собой сопротивления, оказываемые их движению. Наглядным примером оценки сопротивления движению может служить процесс подъема груза с помощью устройства, показанного на рис. 5а.

В начальный момент трогания груза с места необходимо преодолеть силу тяжести груза (сопротивление статическое) F_с.с_. и силу инерции (сопротивление динамическое) F_с.д_.. В этот период суммарная нагрузка на грузозахватное приспособление, гибкий орган и барабан будет возрастать от нуля до максимального значения F_c_.₌ F_пик.

где m – масса груза и грузозахватного приспособления;

g – ускорение силы тяжести;

а – ускорение разгона груза;

V _г – скорость подъема груза.

Если принять процесс разгона равноускоренным, то на диаграмме изменения нагрузки за время разгона t_р будет иметь место линейный участок (рис. 5б). При достижении скорости подъема груза заданного значения V _г ускорение и, следовательно, F_с._g_. становятся равными нулю. Величина нагрузки при дальнейшем подъеме груза становится величиной постоянной. Установившееся движение имеет место в течение периода подъема груза на требуемую высоту t_уст.. Заканчивается цикл работы устройства его остановом при доставке груза в заданную точку и снятием груза с грузозахватного приспособления, которое приводит к освобождению от нагрузки всех элементов устройства.

Несложно представить, что грузовой барабан, на который наматывается гибкий орган с натяжением , в период установившегося движения нагружается крутящим моментом . В силу пропорциональности Т_c_.и F_с.с. закон изменения нагрузки в единичном производственном цикле можно распространить как на барабан, так и механизм, приводящий его в движение. Поэтому на диаграмме рис. 5б на оси ординат можно поставить параметры F_с. и Т _c_..

Если рассмотренное устройство предназначено для выполнения одной и той же операции с подъемом груза постоянной массы, то, суммируя продолжительность указанных периодов работы, за весь планируемый ресурс получим нагрузочный график или циклограмму элементов устройства. Нагрузочный график строится в координатах «нагрузка – время», а циклограмма - «нагрузка – суммарное число циклов нагружений (напряжений)» (рис. 5в).

Рис. 5. Формирование нагрузки на рабочем органе грузоподъемного устройства: а – силовая схема механизма; б – диаграмма изменения нагрузки на рабочем органе устройства; в – нагрузочный график (циклограмма)

Сопротивления на рабочих органах машин в большинстве случаев является переменным. Так в рассматриваемом выше примере грузоподъемное устройство чаще используется для подъема нескольких типов грузов, с массой, не превышающей ту, на которую оно создавалось. В подобной ситуации нагрузочный график (циклограмма) станут ступенчатыми, число ступеней которых будет равно количеству типов поднимаемого груза (рис. 6а). Такой график также называют гистограммой.

Нагрузочный график грузоподъемных устройств, применяемых в универсальных целях, может иметь весьма значительный набор грузов и ступеней циклограмм, которые удобнее представить в виде плавно изменяющейся кривой (рис. 6б). Следует также заметить, что в некоторых рабочих органах имеет место плавно изменяющееся сопротивление, обусловленное физическими основами производимого технологического процесса. К примеру, плавно изменяющееся сопротивление будет характерно для резца снимающего постепенно увеличивающуюся, или уменьшающуюся толщину стружки (обточки конусной поверхности из цилиндра); плавно изменяться может сопротивление перемещению отвала бульдозера и т.д.

Применительно к универсальным механизмам большого количества машин на основе обработки многочисленных статистических данных получен ряд типовых нагрузочных графиков (циклограмм), которые могут быть использованы в расчетах, если они в достаточной мере соответствуют реальным законам изменения нагрузки за планируемый ресурс проектируемого механизма, машины.

Рис. 6. Нагрузочные графики (циклограммы): а – ступенчатые;

б – плавно-изменяющиеся;

в – соответствующие типовым режимам нагружения

(0 – постоянный; 1 – тяжелый;

2 – средний равновероятный;

3 – средний нормальный;

4 – легкий; 5 – особо легкий)

При знакомстве с устройством и принципом действия машин в КП, целесообразно сформулировать физическую природу сопротивлений на рабочих органах проектируемых приводных станций, наиболее вероятные законы их изменений и типы нагрузочных графиков. В учебных проектах по дисциплинам «ДМ и ОК» и «ДМ» чаще задаются постоянные графики нагрузки (рис 5в), что в большей мере соответствует режимам нагружения машин непрерывного транспорта. Однако в индивидуальных заданиях в целях расширения конструкторской подготовки могут предусматриваться и ступенчатые циклограммы (рис.6а), которые задаются индивидуально преподавателем с указанием соотношений моментов и продолжительности их действия на различных ступенях.

При выполнении курсового проекта осваивают разработку следующих конструкторских документов: пояснительной записки, расчетов, таблиц, спецификаций, чертежей общего вида и сборочных (2-3 узлов), рабочих чертежей деталей. Все текстовые документы учебных проектов обычно соединяют в едином документе «Расчетно-пояснительная записка» (РПЗ). Именно с формирования этого документа начинается работа над курсовым проектом.

Пояснительная записка в соответствии с ГОСТ 2.106.96 представляет собой документ, содержащий описание устройства и принципа действия разрабатываемого изделия, а также обоснование принятых при его разработке технических и технико-экономических решений. На начальном этапе разработки РПЗ необходимо раскрыть назначение (провести функциональный анализ), дать описание устройства и принципа действия заданной приводной станции. Поскольку, как отмечалось выше, исходные данные для нее, прежде всего, формируются приводимой в действие машиной (конструктивные особенности приводного вала, расположение его в пространстве, параметры окружающей среды), то в РПЗ первоначально целесообразно дать краткое описание приводимой в действие машины. При этом следует отразить особенности ее назначения (транспортируемые грузы, диапазоны дальности транспортирования и производительности, характеристики вариантов трасс и т.д.), устройство и принцип действия машины в целом. Описание устройства и принципа действия машины производится по схематическому рисунку. Материалы по данным вопросам устанавливаются в порядке самостоятельной проработки учебной литературы, рекомендованной для заданной темы.

При составлении РПЗ следует уделить внимание оформлению титульного листа. В соответствии с ГОСТ 2.105-95 ЕСКД титульный лист является первым листом документа. Титульный лист выполняют на листах формата А4 по форме приведенной на рис. 7.1 (знаком * обозначены поля не подлежащие заполнению студентом при составлении титульного листа РПЗ):

поле 1 – наименование ведомства, в систему которого входит организация, разработавшая данный документ;

поле 2* – в левой части - код по классификатору продукции, в правой части – специальные отметки;

поле 3* – в левой части – гриф согласования, в правой части – гриф утверждения;

поле 4 – наименование изделия (заглавными буквами) и документа, на который составляется титульный лист;

поле 5 – обозначение документа (заглавными буквами);

поле 6 – подписи разработчиков документа;

поле 7* – графы 19-23 основной надписи по ГОСТ 2.104-2006 (взамен этого поля в нижней части титульного листа студент проставляет год создания документа).

Пример оформления титульного листа приведен на рис. 7.