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机械规划(machine design),依据用户的运用要求对专用机械的作业原理、结构、运动办法、力和能量的传递办法、各个零件的资料和形状尺度、光滑办法等进行构思、剖析和核算并将其转化为详细的描绘以作为制作依据的作业进程。
机械规划是机械工程的重要组成部分,是机械出产的第一步,是决议机械功用的最首要的要素。机械规划的尽力方针是:在各种约束的条件(如资料、加工才能、理论常识和核算手法等)下规划出最好的机械,即做出优化规划。优化规划需求归纳地考虑许多要求,一般有:最好作业功用、最低制作本钱、最小尺度和分量、运用中最牢靠性、最低耗费和最少环境污染。
这些要求常是互相对立的,而且它们之间的相对重要性因机械品种和用处的不同而异。规划者的使命是按详细状况权衡轻重,顾全大局,使规划的机械有最优的归纳技能经济效果。曩昔,规划的优化首要依托规划者的常识、经历和远见。跟着机械工程基础理论和价值工程、体系剖析等新学科的开展,制作和运用的技能经济数据资料的堆集,以及核算机的推行运用,优化逐步放弃片面判别而依托科学核算。
服务于不同工业的不同机械,运用不同的作业原理,要求不同的功用和特性。各工业机械的规划,特别是全体和全体系的机械规划,须依附于各有关的工业技能而难于构成独立的学科。因而呈现了农业机械规划、矿山机械规划、纺织机械规划、轿车规划、船舶规划、泵规划、压缩机规划、汽轮机规划、内燃机规划、机床规划等专业性的机械规划分支学科。可是,这许多专业规划又有许多共性技能,例如组织剖析和归纳、力与能的剖析和核算、工程资料学、资料强度学、传动、光滑、密封,以及规范化、牢靠性、工艺性、优化等。此外,还有研讨规划作业的内涵规则和规划的合理进程和办法的新式的规划办法学。将机械规划的共性技能与理性化的规划办法学聚集成为一门独立的、归纳性的机械规划学科是机械工程实践和教育作业者正在尽力的作业。
一部机器的质量底子上决议于规划质量。制作进程对机器质量所起的效果,本质上就在于完结规划时所规则的质量。因而,机器的规划阶段是决议机器好坏的要害。
所评论的规划进程仅指狭义的技能性的规划进程。它是一个创造性的作业进程,一起也是一个尽或许多地运用已有的成功经历的作业。要很好地把承继与立异结合起来,才干规划出高质量的机器。作为一部完好的机器,它是一个杂乱的体系。要进步规划质量,有必要有一个科学的规划程序。尽管不或许列出一个在任何状况下都有用的专一程序,可是,依据人们规划机器的长时间经历,一部机器的规划程序底子上能够如表2 -1所示。
在计划阶段中,应对所规划的机器的需求状况做充沛的调查研讨和剖析。通过剖析,进一步清晰机器所应具有的功用,并为今后的决议计划提出由环境、经济、加工以及时限等各方面所确认的约束条件。在此基础上,清晰地写出规划使命的全面要求及细节,最终构成规划使命书,作为本阶段的总结。规划使命书大体上应包含:机器的功用,经济性及环保性的估量,制作要求方面的大致估量,底子运用要求,以及完结规划使命的估计期限等。此刻,对这些要求及条件一般也只能给出一个合理的规模,而不是准确的数字。例如能够用有必要到达的要求、最低要求、期望到达的要求等办法予以确认。
机器的功用剖析,便是要对规划使命书提出的机器功用中有必要到达的要求、最低要求及期望到达的要求进行归纳剖析,即这些功用能否完结,多项功用间有无对立,彼此间能否代替等。最终确认出功用参数,作为进一步规划的依据。在这一进程中,要恰当处理需求与或许、抱负与实际、开展方针与当时方针等之间或许产生的对立问题。
评论机器的履行部分时,首先是关于作业原理的挑选问题。例如,规划制作螺钉的机器时,其作业原理既可选用在圆柱形毛坯上用车刀车削螺纹的办法,也可选用在圆柱形毛坯上用滚丝模滚压螺纹的办法。这就提出了两种不同的作业原理。作业原理不同,当然所规划出的机器就会底子不同。特别应当着重的是,有必要不断地研讨和开展新的作业原理。这是规划技能开展的重要途径。
依据不同的作业原理,能够拟定多种不同的履行组织的详细计划。例如仅以切削螺纹来说,既能够选用工件只作旋转运动而刀具作直线运动来切削螺纹(如在普通车床上切削螺纹),也能够使工件不动而刀具作滚动和移动来切削螺纹(如用板牙加工螺纹)。这便是说,即便关于同一种作业原理,也或许有几种不同的结构计划。
在如此许多的计划中,技能上可行的仅有几个。对这几个可行的计划,要从技能方面和经济及环保等方面进行归纳点评。点评的办法许多,现以经济性点评为例略做阐明。依据经济性进行点评时,既要考虑到规划及制作时的经济性,也要费用考虑到运用时的经济性。假如机器的结构计划比较杂乱,则其规划制作本钱就要相对地增大,可是其功用将更为完全,出产率也较高,故运用经济性也较好。反过来,结构较为简略、功用不行完全的机器,规划及制作费用虽少,但运用费用却会增多。点评结构计划的规划制作经济性时,还能够用单位成效的本钱来表明。例如单位输出功率的本钱、单件产品的本钱等。
5)首要零件的校核。有一些零件,在上述第3)步中因为详细的结构不决,难于进行详细的作业才能核算,所以只能做开端核算及规划。在绘出部件安装草图及总安装草图今后,全部零件的结构及尺度均为已知,彼此邻接的零件之间的联系也为已知。只要在这时,才能够较为准确地定出效果在零件上的载荷,决议影响零件作业才能的各个细节要素。只要在此条件下,才有或许而且有必要对一些重要的或许外形及受力状况杂乱的零件进行准确的校核核算。依据校核的成果,重复地批改零件的结构及尺度,直到满意停止。
在技能规划的各个进程中,近三四十年来开展起来的优化规划技能,越来越显示出它可使结构参数的挑选到达最佳的才能。一些新的数值核算办法,如有限元法等,可使曾经难以定量核算的问题取得极好的近似定量核算的成果。关于少量非常重要、结构杂乱且价格昂贵的零件,在必要时还须用模型实验办法来进行规划,即按开端规划的图纸制作出模型,通过实验,找出结构上的单薄部位或剩余的截面尺度,据此进行加强或减小来批改原规划,最终到达完善的程度。机械牢靠性理论用于技能规划阶段,能够按牢靠性的观念对所规划的零、部件结构及其参数做出是否满意牢靠性要求的点评,提出改进规划的主张,然后进一步进步机器的规划质量。上述这些新的规划办法和概念,应当在规划中加以运用与推行,使之得到相应的开展。
草图规划完结今后,即可依据草图业已确认的零件底子尺度,规划零件的作业图。此刻,仍有很多的零件结构细节要加以琢磨和确认。规划作业图时,要充沛考虑到零件的加工和安装工艺性、零件在加工进程中和加工完结后的查验要求和施行办法等。有些细节组织假如对零件的作业才能有值得考虑的影响时,还须返回去从头校核作业才能。最终制作出除规范件以外的悉数零件的作业图。
跟着核算机技能的开展,核算机在机械规划中得到了日益广泛的运用,并呈现了许多高功率的规划、剖析软件。运用这些软件能够在规划阶段进行多计划的比照,能够对不同的包含大型的和很杂乱的计划的结构强度、刚度和动力学特性进行准确的剖析。一起,还能够在核算机上构建虚拟样机,运用虚拟样机仿真对规划进行验证,然后完结在规划阶段充沛地评价规划的可行性。能够说,核算机技能在机械规划中的推行运用现已并正在改动机械规划的进程,它在进步规划质量和功率方面的优势是难以预估的。
以上简要地介绍了机器的规划程序。广义地讲,在机器的制作进程中,随时都有或许呈现因为工艺原因而批改规划的状况。如需批改时,则应遵从必定的批阅程序。机器出厂后,应该有计划地进行跟踪调查;其他,用户在运用进程中也会给制作或规划部分反应呈现的问题。规划部分依据这些信息,通过剖析,也有或许对原规划进行批改,乃至改型。这些作业,尽管广义上也属规划程序的组成部分,可是归于另一个层次的问题,本书不再评论其详细的内容。可是作为规划作业者,应当有激烈的社会责任感,要把自己作业的视界延伸到制作、运用乃至作废运用的全进程中去,重复不断地改进规划,才干使机器的质量持续不断地进步,更好地满意出产及日子的需求。
进程在规划开端之前,先要拟定规划使命。当规划使命比较杂乱时,一般选用三阶段规划,即开端规划、技能规划和作业图规划;当使命比较简略,如简略机械的新式规划、一般机械的承继规划或变型规划,则一开端就将规划做到技能规划深度,经检查、批改和同意后做作业图规划,而成为两阶段规划。在三阶段规划中的开端规划阶段,规划的首要进程是:确认作业原理和底子结构型式,运动规划,规划首要零、部件、制作开端总图,开端规划检查。在技能规划阶段,首要进程是:依据检查定见批改规划,规划悉数零、部件,制作新的总图,技能规划检查。在作业图规划阶段,依据检查定见批改规划,制作悉数作业图和拟定悉数技能文件。关于批量或很多出产的产品,还要进行定型规划。在规划的每个进程中,都或许发现前面进程中某些决议不合理,这就需求折回到前面那个进程,批改不合理的决议,重做随后的规划作业。
2、确认作业原理和底子结构型式 如规划使命未作清晰规则,规划的第一个进程便是确认总体计划,即确认所要运用的作业原理和与之相应的结构型式。例如规划大功率船用柴油机,首先要确认是用二冲程、双效果、十字头、低速柴油机,仍是用四冲程、单效果、中速柴油机。又例如规划用以粗碎岩石的破碎机械,首先要确认是选用以揉捏和弯折为首要破碎效果的颚式或旋回式破碎机,或许选用以冲击为首要效果的单转子或双转子冲击式破碎机。
3、运动规划 规划的总体计划确认之后,接着需求运用组织学的常识,选用适宜的组织以得到所需的运动计划。上面说到的颚式破碎机依托其动颚板的摇摆使进入破碎腔的岩石遭到揉捏、弯折和劈裂效果而破碎,而动颚板的摇摆则能够选用双肘板组织的简略摇摆,或许选用单肘板组织的杂乱摇摆。在新式规划中,或许会需求归纳一个新的组织以得到所要求的运动计划,这常是一个困难的作业。因而,规划者一般尽量运用已有的和成熟的组织所提给的运动计划。
5、开端检查 开端总图制作后,需求请对该类机械有经历的规划、制作和运用人员以及用户或托付规划单位的代表进行开端检查。检查成果如以为规划不适用(如分量、体积太大,造价太高,对结构的牢靠性有置疑等),则须从头进行运动规划,乃至改用其他作业原理和底子结构型式。大都状况是对规划采纳某些改进办法。
6、技能规划 依据开端检查定见,对规划进行批改,并制作全部的零件和部件图。对首要的零件和部件进行准确的应力剖析,按剖析成果批改零件的形状、尺度等细节,并规则原料和热处理。确认零件加工精度以及部件和总装的安装条件。完结光滑规划、电气规划(驱动和操控)。重绘总图,某些重要的和批量出产的机械有时还要制作出模型。将完结的技能规划提交第2次检查。
7、制作作业图 依据第2次检查的定见作最终的批改后,就能够制作正式的零件图、部件安装图和总安装图,编写零件表、易损零件清单、运用指南等技能文件。规划负责人应留意和谐零件间的尺度,核对耦合件间的公役合作,复核某些零件的强度和刚度。零件图完结后开端图纸核对,这是非常重要的作业。通过细心校正的图纸能确保加工后安装顺畅。最牢靠的校正办法是依据已制作好的零件图重绘出一张总安装图,全部对立之处就会表现出来。在制作零件图的一起还需求进行两项作业:一是工艺性审阅,使零件便于加工并下降制作本钱;二是规范审阅,使零件结构要素、尺度、公役合作、热处理技能条件以及规范和通用零件等契合规范的规则。
8、试出产和定型规划 关于单件或小批出产的机械,通过上述进程完结的规划图纸能够投入正式出产。关于成批或很多出产的机械,在正式出产前要先试制样机,进行功用实验和判定,通往后,再按批量出产工艺进行批量试出产。在批量试出产中所呈现的问题还或许需求对规划作相应的批改,方成为可供正式出产运用的定型规划。
技能功用包含产品功用、制作和运行状况在内的全部功用,既指静态功用,也指动态功用。例如,产品所能传递的功率、功率、运用寿命、强度、刚度、抗冲突、磨损功用、振荡安稳性、热特性等。技能功用原则是指相关的技能功用有必要到达规则的要求。例如振荡会产生额定的动载荷和变应力,尤其是当其频率挨近机械体系或零件的固有频率时,将产生共振现象,这时振幅将急剧增大,有或许导至零件乃至整个体系的敏捷损坏。振荡性安稳原则便是约束机械体系或零件的相关振荡参数,如固有频率、振幅、噪声等在规则的答应规模之内。又如机器作业时的发热或许会导致热应力、热应变,乃至会形成热损坏。热特性原则便是约束各种相关的热参数(如热应力、热应变、温升等)在规则规模内。
(1)进一步完结体系性。即从体系观念下手,把机械产品看作一个体系或全体,依靠核算机技能,完结人、机、环境和彼此和谐。详细来说,是把总体系分解为若干个子体系,选用各种现代规划理论和办法,寻求体系优化为方针和谐各子体系的规划和匹配。
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