Розділ VII. Теорія і практика проектування та конструювання машин

28. Методи проектування і конструювання машин

28.1. Загальна характеристика методів створення похідних машин на базі уніфікації

Уніфікація є ефективним і економічним засобом утворення на базі вихідної моделі ряду похідних машин однакового призначення, але з різними показниками потужності, продуктивності або машин різного призначення, які виконують якісно інші операції, а також розрахованих на випуск іншої продукції. Існують такі методи утворення похідних машин на базі уніфікації: метод секціонування, метод зміни лінійних розмірів, метод базового агрегату, конвертування, компаундування, модифікування, агрегатування, метод комплексної стандартизації, метод уніфікації.

28.2. Сутність методів утворення похідних машин на базі уніфікації

28.2.1. Секціонування. Суть методу полягає у розділенні вихідної машини на однакові секції з подальшим утворенням похідних машин шляхом їх набирання із окремих уніфікованих секцій.

Секціонування доцільно використовувати для багатьох видів підйомно-транспортного устаткування: наприклад, для стрічкових, скребкових, ланцюгових конвеєрів. У даному випадку секціонування зводиться до побудови каркаса машин із уніфікованих секцій і складання машини різної довжини з новим несучим полотном, довжину якого можна змінювати шляхом виключення або додавання ланок ланцюга: наприклад, пластинчаті конвеєри з полотном на основі втулочних роликових ланцюгів.

Метод секціонування використовують при конструюванні дискових фільтрів, пластинчатих теплообмінників, відцентрових, вихрових і аксіальних гідравлічних насосів. В останньому випадку одержують ряд багатоступінчастих насосів різного напору.

Введення окремих не стандартних секцій, необхідних для пристосування довжини машини до умов експлуатації, не впливають істотно на економічні показники роботи машини.

28.2.2. Метод зміни лінійних розмірів. Для одержання машин і агрегатів різної продуктивності змінюють їх довжину при збереженні форми поперечного перерізу.

Метод використовують в основному при проектуванні роторних машин, продуктивність яких пропорційна довжині ротора: шестеренчасті і відцентрові насоси, компресори, змішувачі, вальцювальні машини й ін. Ступінь уніфікації при цьому невеликий - уніфікуються лише торцеві кришки корпусів, допоміжні деталі.

Окремим випадком використання цього методу є підвищення здатності до навантаження зубчатих передач за рахунок збільшення довжини зуб'їв коліс із збереженням їх модуля.

Основний економічний виграш досягається за рахунок використання технологічного обладнання для обробки роторів і внутрішніх порожнин корпусів машин різної довжини.

28.2.3. Метод базового агрегату. Базовий агрегат перетворюється в машини різного призначення шляхом приєднання до нього спеціального обладнання. Метод використовують для створення дорожніх машин, самохідних кранів, навантажувачів, укладальних, сільськогосподарських машин. У даному випадку базовим агрегатом є тракторне або автомобільне шасі, яке випускається серійно. На шасі монтують додаткове обладнання і завдяки цьому одержують серію машин різного призначення.

Приєднання до базового агрегату спеціального обладнання зв'язано з використанням додаткових механізмів, пристроїв: коробок відбору потужності, підйомних та поворотних механізмів, лебідок, реверсів, гальм, механізмів керування, кабін. Додаткові механізми в свою чергу потребують уніфікації.

28.2.4. Конвертування. При конвертуванні базову машину або її основні елементи використовують для створення агрегатів різного призначення.

Приклад. Переведення поршневих двигунів внутрішнього згоряння з одного виду палива на інший, з одного виду теплового процесу на інший (з циклу іскрового запалювання на цикл запалювання від тиску). Бензинові карбюраторні двигуни досить легко конвертуються у газові. Поршневі повітряні компресори конвертуються на інший газ (аміак, фреон). Двигун внутрішнього згоряння може бути перетворений у поршневий компресор.

При конвертуванні виконують заміну окремих, не головних пристроїв (наприклад, карбюратор замінюють на змішувач), виконують нескладні конструкційні переробки, перевіряють запаси міцності окремих деталей.

28.2.5. Компаундування. Компаундування - це паралельне з'єднання машин і агрегатів. Метод використовують з метою підвищення загальної потужності або продуктивності установки. При цьому машини і агрегати можуть експлуатуватися як окремі незалежні елементи, так і як конструктивно об'єднані в один агрегат.

Приклади. Парна установка судових двигунів, які працюють кожен на свій гвинт, або установка двох чи більшого числа двигунів літаків. Крім збільшення загальної потужності при цьому покращується маневрування судна, полегшується віражирування, підвищується його надійність.

Другий тип компаундування - паралельна установка машин-знарядь групами по дві-три. Використовується в автоматичних верстатних лініях, коли продуктивність верстатів, які входять у технологічний потік, менша, ніж продуктивність лінії в цілому.

Третій тип компаундування: обладнання декількох робочих трактів на загальній станині, коли здвоюються або строюються лінійні машини-знаряддя.

28.2.6. Модифікування. Модифікування - це переробка машини з метою її пристосування до інших умов роботи, для виконання інших операцій та видів продукції без зміни основної конструкції.

Приклади. Модифікування машини для роботи в різних кліматичних умовах зводиться в основному до зміни конструкційних матеріалів: у машинах тропічного виконання використовують корозійностійкі сплави, в машинах арктичного виконання - холодостійкі матеріали.

Модифікування стаціонарних машин для роботи на морському транспорті полягає у полегшенні машини і використанні конструкційних матеріалів, стійких проти корозії у вологому морському повітрі і морській воді.

Складніше модифікувати машини для виробництва різних виробів і виконання різних робочих операцій. У цьому випадку модифікування пов'язане з методом агрегатування.

28.2.7. Агрегатування. Агрегатування - це створення машини шляхом сполучення уніфікованих агрегатів, які являють собою автономні вузли та встановлюються на загальній станині в різних комбінаціях. Агрегатування широко використовують при конструюванні металообробних верстатів.

Метод агрегатування забезпечує скорочення строків і вартості проектування і виготовлення машин, спрощує їх обслуговування і ремонт, забезпечує можливість переналаджування машин.

Частковим агрегатуванням є використання у машині стандартизованих вузлів і агрегатів, які серійно виготовляються промисловістю: редукторів, насосів, компресорів й ін.

28.2.8. Комплексна стандартизація. Метод близький до агрегатування і використовується для агрегатів нескладної конструкції - відстійники, змішувачі й ін. Стандартизація за типорозмірами використовується для основних елементів конструкції: обичайки резервуарів, днища, кришки, люки, лапи для кріплення стояків, а також вузли: теплообмінники, дозуючі пристрої.

Метод комплексної стандартизації дозволяє комплектувати машини з однаковим робочим процесом і різною продуктивністю; однакового призначення, але різними параметрами робочого процесу; різного призначення і з різним робочим процесом.

28.2.9. Метод уніфікації. Метод уніфікації раціонально використовувати для створення cepії (гами) машин.

Серією (гамою) машин називають ряд довільних машин різної потужності або продуктивності, які створено шляхом зміни кількох головних робочих органів і їх використання в різних сполученнях. Уніфікацію доцільно використовувати при створенні машин, потужність або продуктивність яких залежить від кількості робочих органів.

Переваги методу: спрощення, прискорення і здешевлення проектування та виготовлення машин, скорочення строків доводки та освоєння дослідних зразків, полегшення експлуатації, можливість використання високопродуктивних методів обробки уніфікованих деталей.

Класичним прикладом використання методу уніфікації є створення ряду чотирьохтактних двигунів внутрішнього згоряння на основі уніфікованої циліндричної групи і частково уніфікованої шатунно-поршневої групи: однорядні, двох-, чотирьох-, шести-, восьмициліндрові двигуни: дворядні V-, трирядні W-, чотирирядні Х - подібні двигуни (табл. 28.1).

Другий приклад. Створення роторних машин-знарядь. Продуктивність цих машин пропорційна кількості операційних блоків, які встановлено на машинах. Тому із уніфікованих блоків можна створити ряд машин різної продуктивності. При цьому кількість блоків, які можна встановити на машині, практично не лімітується і залежить від необхідної продуктивності.

28.4. Область використання методів уніфікації

Методи уніфікації широко використовуються при конструюванні певної категорії машин, вони не є універсальними. Багато машин (наприклад, парові і газові турбіни) не можна спроектувати як похідні на базі створення похідних машин. Також неможливо або недоцільно створювати похідні ряди спеціалізованих машин, машин великої потужності, які залишаються в категорії одиничного проектування.

Уніфікація іноді супроводжується погіршенням якості машин, особливо для крайніх членів ряду; габарити, металомісткість, експлуатаційні показники яких поступаються показникам спеціалізованих машин. Таке зниження показників допускається лише в тому випадку, якщо уніфікація забезпечує великий економічний ефект.

Методи уніфікації широко використовуються для машин загального призначення, обмежено використовуються для машин, до габаритів і маси яких ставляться високі вимоги. В останньому випадку необхідно відмовлятися від методів уніфікації і йти по шляху одиничного проектування.