2.3. Конструирование

Это важнейший этап создания машин. Именно конструктору принадлежит основная роль разработке машины, наилучшим образом отвечающей требованиям эксплуатации.

Конструирование машин требует от специалиста только соответствующих знаний и навыков. Конструктору необходимы такие качества, как изобретательное и упорство, наблюдательность и смелость, а также трудолюбие и преданность своему делу. Конечно, в каждой отрасли машиностроения имеются свои маяки — крупные конструкторы, имена которых известны народу, наряду с ними в машиностроении работают сотни тысяч конструкторов, известных лишь на своем заводе или конструкторском бюро. Но всех конструкторов — и новых и выдающихся — объединяет творческий характер труда, потому что конструирование машин не что иное, как техническое творчество, независимо от того, что проектируется — станок с числовым программным управлением или маленькая шестерня. Чтобы начертит на бумаге и передать в производство для изготовления простую шестерню диаметром 20—30 мм, конструктор должен произвести необходимые расчеты, выбрать материал, наиболее подходящий для условий работы шестерни, предусмотреть возможность ее изготовления оборудовании своего завода, учесть требования к снижению шума передачи зацеплением, унифицировать конструктивные элементы (проточки, шлицевые или шпоночные пазы и др.) в соответствии с требования заводских стандартов. В результате у двух разных конструкторов могут получиться шестерни с существенными различиями.

Детали, сборочные единицы, машины часто имеют определенные особенности, характеризующие творческий почерк их создателей. В ряде случаев эти особенности настолько ярки, что позволяют специалистам (да и не только им) легко определить автора конструкций. Например, любой школьник отличит самолет ТУ от самолетов АН или ИЛ. У истоков создания этих машин стояли известные авиаконструкторы Туполев, Антонов, Ильюшин. Металлообрабатывающие станки не столь эффектно характеризуют своих конструкторов, как самолеты, но и они дают представление о таланте и возможностях проектировщиков.

Итак, школьники, мечтающие стать со временем конструкторами – создателями новых машин, уже в школе должны начать подготовку к избранной профессии. Само собой разумеется, что изучение таких предметов, как математика, физика, химия должно проходить не формально – на уровне выполнения домашних заданий, а творчески – углубленно. Участие в школьных олимпиадах, чтение популярной научно-технической литературы, создание моделей различных машин и механизмов дома и в школьных кружках даст возможность прочувствовать на личном опыте моменты творчества, счастье познания, созидания. Для будущих конструкторов очень важно создавать собственными руками, пусть крайне несложные, различные изделия и модели. Необходимо научиться работать инструментом.

Многие ребята самостоятельно ремонтируют свои велосипеды, мопеды, отлично владеют гаечным ключом и отверткой, могут при необходимости вырезать резиновую прокладку, заклеить камеру. У таких школьников лучше развивается необходимое конструктору пространственное воображение. Они имеют представление о сопротивляемости или податливости материалов, их массе, упругости и других свойствах. В их сознании постепенно формируется реальное представление о мире машин.

Конструирование машин проводят по строго определенным стадиям разработки конструкторской документации. Эти стадии определены Единой системой конструкторской документации – ЕСКД, действующей с 1970 г. До введения ЕСКД действовало около 18 систем конструкторской документации. Каждая отрасль машиностроения разрабатывала чертежи и проектировала машины по-своему. Это существенно затрудняло взаимопонимание машиностроителей, работающий) разных отраслях, затрудняло передачу конструктор документации из одной отрасли в другую, даже с одного предприятия на другое. С введением ЕСКД эти трудности были устранены.

Разработка и производство машин в нашей стране осуществляются одинаково во всех отраслях промышленности. Прежде всего, заказчик (это чаще всего определенное министерство или производственное объединение) разрабатывает техническое задание на проектирование машин. Очень часто в практике разработки машин по поручению заказчика техническое задание (ТЗ) вит разработчик — конструкторская организация, проектирующая машину. После установленных стандарта согласований и утверждения ТЗ, оно является основанием для начала конструирования.

Вот принятая последовательность разработки конструкторской документации (КД):

разработка технического предложения — совокупности конструкторских документов (чертежей и т. п.), которые содержат технико-экономическое обоснование целесообразности разработки документации машин на основании анализа ТЗ и различу вариантов возможных решений машины, сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемых и существующих аналогичных машин, а также патентных материалов; техническое предложение после согласования и утверждения является основанием для разработки эскизного проекта;

разработка эскизного проекта — совокупности конструкторских документов, которые содержат принципиальные конструктивные решения об устройстве и принципе работы машины, а также данные, определяющие назначение, основные параметры и габаритные размеры разрабатываемой машины; эскизный проект служит основанием для разработки технического проекта;

разработка технического проекта — совокупности конструкторских документов, которые содержат окончательные технические решения об устройстве разрабатываемой машины, и исходные данные для разработки рабочей конструкторской документации; технический проект согласования и утверждения служит основанием для разработки рабочей конструкторской документации;

разработка рабочей документации:

а) опытного образца машины – конструкторских документов, предназначенных для изготовления и испытания опытного образца машины на основе конструктивных решений, принятых в техническом проекте. Рабочая документация опытного образца машины включает чертежи и текстовые конструкторские документы (технические условия, программу и методику испытаний и др.) и обеспечивает возможность технологической подготовки производства и изготовления машины на предприятии.

После заводских и государственных приемочных испытаний опытного образца машины конструкторы производят соответствующие корректировки – исправляют ошибки, дорабатывают конструкцию по предложениям комиссий, проводивших испытания, совершенствуют конструкцию;

б) установочной серии – определенной партии машин, изготовляемой в условиях серийного производства.

После испытаний, при которых определяется готовность к изготовлению машин по данной конструкторской документации (при этом снова производится корректировка КД применительно к апробированным условиям серийного или массового производства) оформляется комплект рабочей конструкторской документации серийного производства.

Конечно, не во всех случаях конструкторы придерживаются такого порядка. Стадии разработки, их сроки устанавливаются для каждого вида проектируемой продукции в ТЗ с учетом сложности создаваемой машины, степени известности конструкции, преемственности конструктивных решений. Например, для разработки настольного сверлильного станка – относительно простой и широко известной конструкции – нет нужды в техническом предложении и эскизном проекте. На основе ТЗ разрабатывают технический проект станка и рабочую конструкторскую документацию. Если же предстоит создать сложный станок с программным управлением, работающий с использованием малоизученных конструктивных либо технологических принципов, то в таком случае конструкторам необходима тщательная проработка решений на всех стадиях проектирования.

При конструировании машины конструктор должен учесть и реализовать большое число сложных, а подчас и противоречивых требований, найти лучшее конструктивно-компоновочное, а также технологическое решение. В связи с этим при проектировании придерживаются следующих принципов:

наибольшей производительности — обеспечение максимального полезного эффекта от эксплуатации проектируемой машины, конструируя рабочие органы на основе современных конструктивных и технологических решений, принятых для машин данного назначения;

наименьшей материалоемкости и энергоемкости изготовление машин с наименьшим возможным расходом материальных и топливно-энергетических ресурсов;

оптимальной унификации — обеспечение наибольшем преемственности с конструкциями машин серийного производства, используя их детали и сборочные единицы, унифицируя материалы и комплектующие изделия (например, крепежные, подшипники, электрооборудование и т. п.);

высокой надежности — обеспечение высокой надежности машины и ее частей.

Надежность машины определяется совокупностью показателей — долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости. Все эти показатели характеризуют способность машины к сохранению и восстановлению работоспособного состояния в пределах, установленных нормативно-технической и конструкторской документацией.

«Работоспособное состояние» это состояние машины, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют нормативно-технической и (или) конструкторской документации. Работоспособное состояние машины связано не только со «способностью работать», т. е. выполнять необходимые функции, но и с тем, чтобы при этом выходные параметры машины находились в допустимых пределах. Нарушение работоспособного состояния машины называется отказом. Примеров отказов машин можно привести множество. Оказалось пылесос – заклинило валик электропривода, оказалось велосипед – лопнула камера, отказал самолет – прекратилась подача топлива к двигателям и т.д.

Понятия «отказ» и «неисправность» различны. Дело в том, что не каждая неисправность вызывает потерю работоспособного состояния машины. Например, при столкновении автомобилей смяло задний бампер. Это типичная неисправность. Автомобиль из-за повреждения бампера не утратил работоспособного состояния. Значит, отказ в этом случае нет. Отсюда вывод: всякий отказ является неисправностью, но не всякая неисправность – отказом.

Об обеспечении высокой надежности машин на этапе конструирования авиаконструктор академик А.Н. Туполев сказал так: «Чем дальше от доски конструктора обнаруживается ненадежность, тем дороже она обходится». И действительно, ненадежность, связанная с появлением отказов в эксплуатации для летательных аппаратов, подъемно-транстпортных машин, медицинского оборудования химической промышленности может иметь катастрофические последствия. Ненадежность технологического оборудования, сельскохозяйственной техники, бытовых машин, проявившаяся на стадии эксплуатации, хотя и не угрожает жизни обслуживающего персонала, рабочих и операторов, оборачивается тем не менее значительным экономическим ущербом – простоями, работой на пониженных режимах, ухудшением параметров и качества продукции и др.

С усложнением машин, насыщением их электроникой растет и вероятность выхода из строя (отказа) отдельных механизмов, устройств, элементов. А ведь для современного машиностроения характерны такие направления, как увеличение степени автоматизации, повышение рабочих нагрузок, скоростей, объединение машин в системы с централизованным управлением. Отсюда и особая забота об обеспечении надежности машин на этапе конструирования.

Создание машин высокого качества является сложной и многоплановой задачей. Решение этой задачи связано не только с улучшением технико-экономических показателей, но и с повышением эргономических и эстетических свойств разрабатываемых и выпускаемых машин.

Эргономика изучает функциональные возможное им человека в трудовом процессе для обеспечения не только высокой производительности и безопасности труда, по и необходимых условий для сохранения здоровья и удобства в работе. Эргономика опирается на ряд технических, математических и антропологических наук. Предметом изучения эргономики является комплекс «человек — машина — среда» как единое функциональное целое. Методы и средства эргономики позволяют произвести «подгонку» техники к возможностям человека-оператора.

Установлены следующие эргономические показатели: гигиенические — соответствие машины и рабочей среды требованиям санитарии и гигиены. Это уровень освещенности, температура, давление, влажность, степень запыленности, токсичность, уровни шума, вибрации и т. п.;

антропометрические, характеризующие соответствие машины и ее элементов форме и размерам человеческого тела и его частей. Они призваны учитывать рациональную и удобную рабочую позу, правильную осанку, соответствие расположения и размеров органов управления машиной (рукояток, кнопок, рычагов, переключателей и др.) размерам рук человека-оператора;

физиологические, которые характеризуют соответствие машины силовым, двигательным и другим физиологическим возможностям человека-оператора. Это — усилия на рычагах и педалях, масса переносных элементов машины;

психофизиологические, характеризующие соответствие машины особенностям органов чувств человека-оператора. Это цвет и яркость световых сигналов, сила и тембр звуковых сигналов и т. п.;

психологические — характеризуют соответствие машины психологическим особенностям и возможностям человека-оператора. Это частота и число операций или рабочих движений, выполняемых при работе на машине, соответствие этих движений естественным и ранее закрепленным навыкам оператора, число и расположение контрольных и сигнальных приборов, за которыми должен следить оператор во время работы.

Большинство эргономических свойств оценивается показателями, выраженными в баллах (за исключением гигиенических).

Учет «человеческого фактора» при конструировании машин выражается не только в их приспособлении к возможностям человека, но и в повышении эстетического уровня проектируемой техники. Большое значение в повышении эстетического уровня машин имеет художественное конструирование. Оно включает комплексную разработку эстетически совершенных машин с учетом многообразных связей машины со средой и человеком. Поэтому оптимальные параметры, компоновка функциональных узлов и внешний облик машины рождаются только при совместном творчестве конструктора и художника, которое невозможно, если конструктору неизвестны хотя бы основные принципы и методы художественного конструирования, а художнику – основы проектирования машин.

Эстетические качества формируются с первых стадий проектирования, и красота машины не может быть создана за счет каких-то дополнительных элементов, вводимых специально для красоты. Она определяется целесообразностью машины, рациональностью и соответствием формы машины функциональному назначению и эстетическим требованиям.

Таким образом, машина считается красивой, если ее содержание и форма выступают в органическом единстве. Красивыми выглядят аэродинамические формы современных воздушных лайнеров. Внешний вид роторов турбин наглядно свидетельствует о возможности передачи больших сил, и эта способность подчеркнуть изяществом их формы. В этих примерах красота форм основана на строгом инженерном расчете, выполнении требований эргономики и технической эстетики.

Существенное влияние на эстетическое представление о той или иной машине имеет цветовое оформление. Использование в художественном конструировании машин различных оттенков одного цвета, а, подчас, и контрастных цветов, подчеркивает как назначение машины в целом, так и ее наиболее важных узлов и деталей. Работы в области инженерной психологии показывают, что правило выбранное сочетание красок для наружной и внутренней окраски машин не только повышает их эстетическое воспитание, но и способствует повышению работоспособности операторов, снижает их утомляемость а следовательно, положительно влияет на производительность труда.

Конструкторы стоят у истоков создания всей новой техники. Для конструирования современных машин они успешно используют весь арсенал научно-технических достижений, широко применяют знания и опыт самых разных областей науки, техники, организации производства и культуры.