1452

Тема№4. Методология конструкторско-технологических решений

Практические занятия-4часа

3.Принцип модульного проектирования.

4.Принцип равноценных и равновесных вариантов.

5.Методология создания сложных технологических систем.

6.Принцип комплексного проектирования изделий.

7.Механико-технологические методы совершенствования конструкций лесных манипуляторов.

Методические указания по подготовке к семинару 1. Необходимость совершенствования методов конструкторско-

технологического обеспечения машиностроительного производства требует выявления и оценки взаимосвязей основных его элементов с помощью декомпозиции системы изделия. При постулировании принципа оптимальности в задачах оценки эффективности сложных систем изделий и выбора путей ее повышения необходимо использовать как минимум три декомпозиции — конструкционную, материаловедческую, технологическую. Возросшее влияние параметров, характеризующих свойства материалов, обусловливает необходимость в процессе технологической подготовки производства рассматривать во взаимосвязи и приводить в должное соответствие качественные показатели, возможности и особенности применения конструкторских и технологических решений, с учетом свойств используемых материалов.

Трактовка понятия «конструкторско-технологическое решение» направлена на объединение усилий разных специалистов на создание сложных систем изделия: конструктора и проектировщика, конструктора и технолога. Отсутствие строгих или применение интуитивных определений затрудняет их взаимодействие.

2. При формировании логической схемы принятия конструкторско- технологических решений используется альтернативно-комби- наторный подход. Он базируется на трех основных понятиях: технической декомпозиции с выделением элементов конструкций, функциональной альтернативности их и комбинаторности совокупностей элементов.

Декомпозиция изделия — это результат глубокой формализации

11

иерархической структуры конструкции в виде расчленения его системы на подсистемы, которые в свою очередь делятся на элементы. Число уровней расчленения не фиксировано. Этот процесс можно продолжать, пока не будут получены в некотором смысле «неделимые» элементы.

Вариантов членения объектов неисчислимое множество, поэтому для одной и той же системы могут быть построены существенно отличающиеся варианты декомпозиции, при этом в разных подсистемах может быть разное количество элементов. В основу деления изделия на подсистемы (или на элементы) должен быть положен некоторый признак, позволяющий однозначно объединять и различать элементы одного уровня. Поскольку такие признаки назначаются исходя из конкретных целей изучения изделий, то они могут носить индивидуальный характер. Это приводит к разным способам декомпозиции одного и того же изделия.

В оценке эффективности используют четыре вида декомпозиции:

—целевая (многослойная структура членения назначения, целей и задач, а также процедуры принятия решений);

—техническая (стратифицированное описание системы, обеспечивающее моделирование с помощью конструкторско-технологических решений);

—организационная;

—управленческая (изучение информационных аспектов, выявление контуров управления, определение этапности исполнения и контроля).

Такой подход основан на соотношении эффектов от результата применения к затратам на их получение. Оценку эффектов производят на основе целевой декомпозиции. Затраты определяют с использованием технической декомпозиции. Оценку эффекта и выбор управляющих воздействий с целью повышения эффективности и оптимизации процесса эксплуатации осуществляют с помощью организационной структуры.

Функциональная альтернативность при проектировании элементов на всех уровнях состоит в возможности замещать любой из элементов другими, функционально эквивалентными, например из других материалов, другой структуры и устройства. Ряды таких функционально эквивалентных элементов на каждом уровне называют альтернативными сериями. Из каждой альтернативной серии в процессе конструирования может быть выбрана любая альтернатива.

Способ открытости альтернативных серий вариантов обеспечивает как учет всех известных вариантов, так и присоединение новых достижений из любой области

12

3.Принцип модульного проектирования Тенденция к повышению серийности производства техники как к средству повышения качества и экономичности предъявляет дополнительные требования к конструированию. Одно из таких требований — обязательное применение в конструировании методов стандартизации — унификации и агрегатирования, сконцентрированных в модульных принципах. Возможность компоновки изделий из унифицированных составных частей, комбинации их со сборочными единицами специального назначения, последовательного наращивания функций позволяют строить конструкции различного назначения и структуры.

Использование модульных принципов сокращает сроки подготовки производства (конструкторской и технологической) новых изделий, повышает мобильность и адаптивность технологии в условиях опытного и мелкосерийного производства.

4.В процессе КПП возникает вопрос о рациональном (оптимальном) соотношении между стоимостью и массой изделия. Эта задача решается при формировании облика изделия с учетом эффективности окружающей среды системы. Облик изделия наряду с другими характеристиками содержит и массы всех сборочных единиц, их возможную стоимость, а также техническую надежность. Здесь акцентируют внимание на методологии подхода при использовании критерия «масса — стоимость».

В КПП выявляются действительные связи между массой сборочной единицы и его стоимостью. Причем действительная масса сборочной единицы (при той же стоимости) может оказаться как меньше обликовой, так

ибольше. В последнем случае ищут пути снижения массы, чтобы выполнить требования облика изделия. Поиск ведется в так называемой группе равноценных вариантов (ГРЦВ), в которую включены варианты со стоимостью, близкой к заданной, и, следовательно, незначительно различающиеся по стоимости между собой. Главное условие принадлежности вариантов к определенной ГРЦВ — одинаковые типы сборочной единицы и технологических процессов. В пределах одной группы вариантов критерий эффективности сравниваемых изделий — минимум массы, которую можно снижать более точным расчетом напряжений, более удачным выбором силовой схемы, порядком сборки, конкретной маркой материала. Выполняется требование облика изделия по массе данной сборочной единицы, и достигается минимально возможная масса.

5.Методология создания сложных технологических систем

В современных условиях конкурентной борьбы качество продукции является конечной целью производителя и определяет его ценность в глазах потребителя при последующей эксплуатации. Для обеспечения относительно низкой стоимости высокоценной продукции, существенного сокращения затрат на реализацию наукоемких технически сложных проектов, организацию кибернетических работ в жизненных циклах производства создаются и внедряются в промышленность принципиально новые сложные

13

технологические системы (ТС).

Технологическая система — это разработанная параллельно с конструкцией изделия сквозная, комплексно спроектированная технология, основанная на конструкторско-технологических решениях (КТР), методология которой включает пять новых принципов.

КТР—это комплексное решение, реализованное в конкретном изделии,

вкотором определяются значения конструктивных параметров изделия и оптимальный технологический процесс получения этих параметров. Основа ТС — совместимость во времени и пространстве проектно-конструкторских работ по созданию изделий и технологических работ по подготовке их производства; совмещение конструкторской и технологической обработки изделий, управления ТС при обеспечении качества продукции в производстве. Сформулированы совмещенные принципы композиционного проектирования и управления ТС при обеспечении качества продукции.

6.Принцип комплексного проектирования изделий ТС заключается во взаимосвязанной параллельной разработке конструкции и технологии изделия на основе использования информационной базы данных о типовых прогрессивных КТР, обеспечивающей совмещение проектноконструкторских работ по изделию (конструкторского проектирования), выполняемых разработчиками, и технологических работ по подготовке производства (технологического проектирования), выполняемых изготовителями.

Вотличие от традиционного раздельно-последовательного метода проектирования ТС в условиях комплексного проектирования реализован механизм создания таких систем, который обеспечивает однозначную ориентацию принимаемых конструкторских решений на отработанную типовую прогрессивную технологию на всех этапах создания изделий.

7.Причиной отказов шарнирных соединений манипуляторов является износ, который зависит от множества факторов: нагрузки, скорости относительных перемещений, материала трущейся пары, состояния поверхности, температуры, т.е. износ является случайным процессом. С другой стороны, износ пропорционален времени. Увеличение зазоров в шарнирах из-за износа элементов трущейся пары приводит к большим динамическим нагрузкам и ударам, особенно при изменении направления действия нагрузки.

Традиционно в шарнирных сочленениях звеньев манипуляторов, как и

вшарнирных узлах грузоподъемных кранов, устанавливаются стальные втулки и оси, имеющие различную твердость. При небольших скоростях (в грузоподъемных кранах) такое решение оправдано даже при малой твердости сопрягаемых деталей. В связи с относительно большими скоростями движения звеньев манипуляторов, даже при различных вариантах твердости сопрягаемых деталей, образуются задиры значительной глубины, оси

14

интенсивно изнашиваются, что может привести к их поломке.

Замена стальных втулок бронзовыми позволяет исключить задиры и интенсивный износ осей. Среднее давление В шарнирах превышает на 30% допустимое для бронзы, однако произведение среднего значения давления на скорость значительно меньше допустимого, а ресурсные испытания подтвердили высокую надежность узлов с бронзовыми втулками. Существенными недостатками этих узлов являются: высокая себестоимость бронзовых втулок, необходимость устройства в осях и втулках каналов для смазки и трудоемкость их обслуживания в эксплуатации.

Сочленение задних крышек и проушин гидроцилиндров со звеньями манипулятора обычно выполняется с использованием сферических подшипников типа ШС. Хотя сферические подшипники позволяют компенсировать непараллельность осей звеньев манипулятора и обеспечивают нормальную собираемость изделия, многочисленные испытания на стендах и в условиях эксплуатации показали их низкую надежность (заклинивание, износ осей). Технологические процессы, обеспечивающие соосность осей отверстий в звеньях манипулятора в пределах, требуемых конструкцией, позволяют взамен подшипников ШС применять бронзовые втулки. Устранить недостатки шарнирных соединений с бронзовыми втулками позволяет применение пластмассовых втулок.

Из пластмасс наиболее полно отвечают требованиям сегодняшнего дня по технологическим свойствам и механическим характеристикам угленаполненные полиамиды ПА-66-1-Л-У40 по ТУ 6-06-25-06 и УПА 6-40

по ТУ 6-13-31-654-89.

Полиамид ПA-66-1Л-У40 рекомендуется применять для шарнирных соединений манипуляторов при удельном давлении до 36 МПа и произведении среднего значения давления на скорость (P V) до 0,5 МПа м/с.

Для проверки работоспособности полиамида в условиях отрицательных температур было изготовлено специальное устройство к стенду СИ-16. Испытания подтвердили работоспособность полиамида ПА- 66-1Л-У40 при температурах до минус 40°С.

Отработка технологического процесса изготовления и конструкции втулок из полиамида является важнейшим этапом их внедрения. Установлено, что при толщине стенок втулок до 4 мм материал после прессования имеет равномерную структуру, его механические характеристики соответствуют, указанным в технических условиях.

Одной из важнейших технологических проблем является получение втулок с требуемой точностью без механической обработки. Решение этой проблемы позволяет, во-первых, снизить трудоемкость, во-вторых, исключить удаление наиболее прочного поверхностного слоя пластмассы. Для определения оптимальных режимов стабилизационной термической обработки проведены дополнительные исследования по определению влагопоглащения и влияния температуры среды на стабилизацию размеров втулок из полиамида ПА-66-1-Л-У40.

15

Испытания биметаллических втулок со вставкой бронзового листа БрАЖ-9-4 показали высокую износостойкость в течение 6000 часов машинного времени износ составил 0,32 мм, что в 3 раза меньше допустимого значения [4].

Оценка надежности металлических конструкций гидроманипуляторов производится по критерию прочности. Степень рассеивания эксплутационных напряжений зависит, как показывает опыт эксплуатации лесозаготовительных машин, от таких факторов: условий эксплуатации, разброса характеристик поднимаемых грузов (деревьев), деятельности оператора.

На основе анализа работ и с учетом опыта проектирования, изготовления, эксплуатации гидроманипуляторов определены направления повышения надежности металлоконструкции.

А) Совершенствование методов расчета путем повышения достоверности расчетных схем и нагрузок с использованием результатов тензометрирования натурных образцов манипуляторов, ресурсных стендовых испытаний, сбора и обработки информации по эксплуатационной надежности металлоконструкции, применения методов расчета по предельному состоянию с учетом числа циклов за срок службы.

Б) Применение низколегированных сталей с пределом текучести

σт=430÷450 МПа.

В настоящее время для изготовления сварных стальных конструкций манипуляторов широко применяются низколегированные стали марок 09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД, 12-ой категории (с проверкой ударной вязкости при температуре -40°С и после механического старения). Эти стали отличаются более высоким пределом текучести по сравнению с углеродистыми сталями, более низкой температурой перехода в хрупкое состояние и повышенной коррозионной стойкостью. К недостаткам низколегированных сталей относятся большие стоимость и чувствительность к концентрациям напряжений. В обоснованных случаях, когда определяющим является критерий прочности, а не жесткости, необходимо применять низколегированные стали с пределом текучести σт = 590÷780 МПа (например сталь 12ГМ2МФАЮ). При выборе материалов для сварных стальных конструкций необходимо учитывать не только механические характеристики, но также технологические свойства и в первую очередь-свариваемость.

С) Обеспечение высокого качества сварных соединений. Для этого необходимо руководствоваться следующими рекомендациями:

-требовать снятия усиления шва в зоне с высоким уровнем переменных напряжений, так как усиление шва значительно снижает предел выносливости;

-избегать крепления каких-либо деталей к элементам конструкций, работающих при высоких переменных напряжениях;

-размещать сварные швы в местах с низким уровнем напряжении и

16

малой переменной составляющей напряжений;

-нагрузки от кронштейнов передавать не на пояса, а стенки или одновременно на пояса и стенки конструкции;

-элементы конструкций, воспринимающие давление выдвижных секций, усиливать накладками, длина которых превышает ход удлинителя.

Основная литература

1.Никифоров, А. Д. Современные проблемы науки в области технологии машиностроения [Текст] : учеб. пособие / Анатолий Дмитриевич

;А. Д. Никифоров. - М. : Высш. шк., 2006. - 392 с.

2.Анисимов Г. М. Основы научных исследований лесных машин [Текст] : рек. УМО по образованию в обл. лесн. дела в качестве учеб. для студентов высш. учеб. заведений / Г.

3.Попиков, П. И. История и методология науки в области технологии машиностроения» [Текст]: Тексты лекций для студентов по направлению подготовки магистров 151000 – «Технологические машины и оборудование» / П . И. Попиков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2014. – с.

Дополнительная литература

1. Технология машиностроения, производство и ремонт подъемнотранспортных, строительных и дорожных машин [Текст]: учеб. для студентов высш. Учеб заведений\ Б.П. Долгополов, Г.Н. Доценко, В.А. Зорин, С.К. Лосавио, Н.Н. Митрохин, А.П. Павлов и др.[ и др.]; под редак. В.А. Зорина. – М.: Академия 2010 – 576 с.

2. Гидроманипуляторы и лесное технологическое оборудование: монография / И. М. Бартенев, З. К. Емтыль, А. П. Татаренко, М. В. Драпалюк, П. И. Попиков, Л. Д. Бухтояров. М.: ФЛИНТА: Наука,2011.- 408 с.

Тема№5. Методы оптимизации параметров промышленной продукции

Практические занятия-4часа Учебные вопросы:

1.Требования к методам оптимизации.

2.Теоретическая оптимизация. Математическая модель функционирования объекта лесопромышленной продукции.

3.Экспериментальная оптимизация. Полнофакторный эксперимент.

Методические указания по подготовке к практическим занятиям 1. Оптимизация проводится с целью улучшения эффективности

17

использования промышленной продукции (ПП) на основе повышения ее научно-технического уровня и технических условий за счет приближения значений текущих параметров к оптимальным.

Параметры характеризуют физические, химические, технические, эргономические, эстетические и другие свойства объекта ПП. В методических и нормативно-технических документах, в чертежах и технических описаниях при помощи параметров выражают количественные требования (нормы), формируют показатели качества продукции. Оптимизация ПОС заключается в установлении таких значений этих параметров и такого их изменения во времени, при которых достигается максимально возможная в определенных условиях эффективность.

Максимальная эффективность в зависимости от конкретных условий означает максимальный эффект (результат) при заданных затратах, или заданный эффект при минимальных затратах, или максимальное значение отношения эффекта к затратам, т. е. максимум эффекта, приходящегося на единицу затрат. Под эффектом (результатом) понимается достижение определенных экономических, технических и социальных целей. К затратам относятся расход материальных, трудовых и природных ресурсов, а также потери, обусловленные появлением побочных и отрицательных эффектов.

2. Рассматриваются методы, при которых оптимизация производится в два этапа. Вначале по модели более высокой ступени иерархии оптимизируются значения нормативов, а затем по модели более низкой ступени иерархии по уже установленным нормативам определяются искомые оптимальные значения параметров объектов.

К теоретическим методам оптимизации с формализацией цели и ограничений относят методы, в которых при оптимизации детально учитываются все существующие факторы и описываются необходимые зависимости с полной реализацией общей схемы оптимизации (см. рис. 7.4).

Этап включает выбор вычислительного алгоритма, составление программы для ЭВМ с реализацией выбранного алгоритма, проведение вычислений на ЭВМ по составленным программам; проведение анализа результатов, сопоставление их с теоретическими прогнозами и данными натурного эксперимента. Из сопоставления выясняется, удачно ли выбраны математическая модель и вычислительный алгоритм. При необходимости они уточняются и вычисления повторяются на более совершенной основе.

Математическая модель оптимизации параметров ПП является формализованной научной абстракцией, описывающей процесс функционирования объекта в общем случае на всех этапах его существования таким образом, что при помощи ее можно рассчитывать оптимальные значения параметров данного объекта.

Возросшее влияние параметров, характеризующих свойства материалов, обусловливает необходимость в процессе технологической подготовки производства рассматривать во взаимосвязи и приводить в должное соответствие качественные показатели, возможности и особенности

18

применения конструкторских и технологических решений, с учетом свойств используемых материалов. Трактовка понятия «конструкторскотехнологическое решение» направлена на объединение усилий разных специалистов на создание сложных систем изделия: конструктора и проектировщика, конструктора и технолога. Отсутствие строгих или применение интуитивных определений затрудняет их взаимодействие.

В качестве примера приводится обоснование гидрокинематической схемы механизма поворота колонны манипулятора с пневмогидравлическим демпфером и его влияние на динамику гидропривода в рабочих процессах. Для воспроизведения в модели рабочего цикла манипулятора расчеты были организованы в виде компьютерного эксперимента. Он заключается последовательной комбинации следующих режимов: "поворот колонны влево" из начального положения на угол 30О; "остановка" и выдержка в течение нескольких секунд; "поворот колонны вправо" до исходного углового положения; "остановка". Остановка поворота колонны сопровождается резким запиранием питающей и сливной гидромагистралей. При этом на графиках PЛ(t) и PП(t) появляются всплески давления, а на графиках раскачивания груза lτ и lr появляются пики, которые сменяются затухающими колебаниями. Изменяя конструктивные параметры демпфера необходимо добиться сглаживания всплесков давления и уменьшения амплитуды колебания груза.

В ходе оптимизации необходимо минимизировать каждый из перечисленных величин. Для удобства анализа результатов оптимизации факторы были сгруппированы попарно. Соответственно были решены две

При оптимизации параметров демпфера каждый из четырех факторов варьировали на восьми уровнях:

-K от 0,70 до 3,00 с шагом 0,29;

-dП от 10,00 до 60,00 мм с шагом 6,25 мм;

-сП от 0,00 до 2,00 МН/м с шагом 0,25 МН/м;

-lП от 0,00 до 10,00 мм с шагом 1,25 мм;

Анализируя каждую из поверхностей отклика, представленную с помощью линий уровня, можно условно разделить факторное пространство на две области: благоприятную (затемнена), в которой критерий оптимизации принимает искомые минимальные значения, и неблагоприятную. Выбор границы между благоприятной и неблагоприятной областью производился экспертным путем. При этом руководствовались следующими правилами:

19

благоприятная область должна содержать искомые минимальные значения функции, занимать значительную долю факторного пространства, и по возможности не включать области резкого изменения функции.

6. Особенность экспериментальной оптимизации состоит в том, что конкретный вид зависимостей, формирующих множество допустимых значений параметров и условий функции, неизвестен, тогда как применение теоретических методов требует предварительных определений этих зависимостей. Экспериментальная оптимизация проводится на реальном изделии, макете или физической модели, в отличие от теоретической оптимизации, основу которой составляет исследование соответствующей математической модели. Для экспериментальной оптимизации параметров гидропривода механизма поворота колонны используется серийный манипулятор ЛВ-210, с контрольно-измерительными приборами.

При проведении оптимизации экспериментальные работы осуществляют на основе математической теории планирования эксперимента. Планирование эксперимента представляет собой процедуру выбора условий проведения опытов и установления их количества, а также выбора методов статистической обработки результатов эксперимента и принятия решений.

Организация эксперимента на основе математической теории планирования эксперимента дает возможность оптимизировать процесс экспериментального исследования.

Литература Основная литература

1.Никифоров, А. Д. Современные проблемы науки в области технологии машиностроения [Текст] : учеб. пособие / Анатолий Дмитриевич

;А. Д. Никифоров. - М. : Высш. шк., 2006. - 392 с.

2.Анисимов Г. М. Основы научных исследований лесных машин [Текст] : рек. УМО по образованию в обл. лесн. дела в качестве учеб. для студентов высш. учеб. заведений / Г. М. Анисимов, А. М. Кочнев. - Изд. 2-е, испр. - СПб.; М.; Краснодар : Лань, 2010. - 528 с.

3.Попиков, П. И. История и методология науки в области технологии машиностроения» [Текст]: Тексты лекций для студентов по направлению подготовки магистров 151000 – «Технологические машины и оборудование»

/П . И. Попиков; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2014. – с.

Дополнительная литература

1. Технология машиностроения, производство и ремонт подъемнотранспортных, строительных и дорожных машин [Текст]: учеб. для студентов высш. Учеб заведений\ Б.П. Долгополов, Г.Н. Доценко, В.А. Зорин, С.К. Лосавио, Н.Н. Митрохин, А.П. Павлов и др.[ и др.]; под редак. В.А. Зорина. – М.: Академия 2010 – 576 с.

20