機械行業(yè)管理知識分析系統(tǒng)設計(PPT 103頁).ppt

第一章緒論 機械原理 機械設計 機械系統(tǒng)設計 的關系 機械原理 是研究各種機械的組成原理 機器中常用機構的運動及動力性能分析與設計 機器動力學等問題的一門主干技術基礎課 機械設計 主要是研究通用機械零 部 件設計和選用方面的基本知識 基本理論和基本方法 機械設計的一般知識 機械零件的主要類型 性能 結構特點 應用 材料和標準等 機械設計的基本原則 機械零件的失效形式 工作能力計算準則 受力分析 應力分析和提高零件強度的措施 設計計算 結構設計和制圖技能 實驗技能 編制技術文件技能和CAD應用技能等 通過學習機械設計 達到了可以設計通用聯(lián)接零部件 傳動零部件和設計簡單機械裝置的目的 最終在機械設計課程設計中我們設計了減速器 為機械系統(tǒng)設計打下了基礎 學習完 機械設計 課程以后 同學們肯定會想我們能設計出一臺真正的機器嗎 通過分析 大家就會發(fā)現(xiàn) 搞清楚通用零部件 機械傳動裝置和簡單機械的設計理論和設計方法 并不等于已經(jīng)具備設計機器的能力 因為機器是由許多零部件有機結合而組成的 它可以分成許多組成部分 組成機器的各個部分協(xié)調(diào)工作才能夠完成機器的功能 孤立地看待機器的各個組成部分 片面地追求零部件的優(yōu)秀 看不到零部件之間以及各個組成部分相互之間的作用和關系 就會導致優(yōu)質(zhì)的零部件組裝不出性能良好的機器 例如 減速器的潤滑 軸承需要潤滑 傳動件需要潤滑 若潤滑不好就會干摩擦 若密封不好 潤滑油會外泄 外面雜質(zhì)會進入內(nèi)部等 所以光是把傳動件 軸承等設計得很好是不夠的 把機器作為一個機械系統(tǒng)來加以研究 這也是 機械系統(tǒng)設計 這門課程的研究目的和方法 設計過程中 必須把機器看成是各個部分和所有零部件之間相互關系和相互作用的整體 以系統(tǒng)優(yōu)秀為最終目標 這樣才能設計出性能良好的機器 開設 機械系統(tǒng)設計 課程的重要性和必要性 一 機械系統(tǒng)設計 是機械設計制造及自動化專業(yè)的主干必修課之一 通過本課程的學習 使學生能從整機的角度和系統(tǒng)的觀點了解一般機械產(chǎn)品設計的規(guī)律和特點 擴大機械結構知識 增強機械設計能力 掌握機械產(chǎn)品設計的基本方法和技術 并結合課程設計和實驗等實踐環(huán)節(jié) 培養(yǎng)學生具有開發(fā)設計性能良好的和有競爭力的機械產(chǎn)品的初步技能 二 開設 機械系統(tǒng)設計 是教育改革的成果 在機械設計制造及自動化專業(yè)代替各種機械專業(yè) 成為了機械類的主干專業(yè)后 以講述方案設計和總體設計 載荷特性和動力機選擇 執(zhí)行系統(tǒng)設計 傳動系統(tǒng)設計 操縱系統(tǒng)設計 控制系統(tǒng)設計及基礎設計為主要內(nèi)容的 機械系統(tǒng)設計 出現(xiàn)了 經(jīng)過近十年的發(fā)展 該課程對學生的就業(yè)起到了一定的作用 機械設計 課程以通用機械零部件和機械傳動裝置為研究對象 不涉及到機械系統(tǒng)的設計 也就是說 不能解決整機設計的問題 而 機械系統(tǒng)設計 從系統(tǒng)的觀點出發(fā) 對機械系統(tǒng)的組成和設計進行分析 介紹機械系統(tǒng)的主要組成部分的設計方法和原理 學習該課程后 學生具有較為寬廣的知識和視野 有較強的工作適應能力 有從事機械設計的基礎知識和基本技能 有對機械設計中的具體技術問題進行分析和設計的能力 還具有進行整機設計的初步能力 機械系統(tǒng)設計 是系統(tǒng)工程學在機械設計方面的分支 屬于現(xiàn)代設計方法 傳統(tǒng)的機械設計方法偏重內(nèi)部系統(tǒng)設計 對外部系統(tǒng)和內(nèi)部系統(tǒng)的相互作用和影響重視不足 會出現(xiàn)設計良好的機械產(chǎn)品 在外部環(huán)境下使用 技術性能和經(jīng)濟效益不好的情況 三 機械設計 課程不能代替 機械系統(tǒng)設計 四 機械系統(tǒng)設計 屬現(xiàn)代設計方法 在進行內(nèi)部系統(tǒng)設計時 傳統(tǒng)的設計方法 以改善零部件的特性為重點 對零部件的相互作用和影響重視不足 會出現(xiàn)設計良好的零部件組裝起來的機械產(chǎn)品技術性能和經(jīng)濟效益不好的情況 機械系統(tǒng)設計方法強調(diào)以系統(tǒng)的觀點進行設計 既重視內(nèi)部系統(tǒng)的設計 又重視內(nèi)部系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的相互作用和影響 既重視零部件的設計 又重視零部件之間的相互協(xié)調(diào)和配合 第一章緒論第一節(jié)機械與機械系統(tǒng) 自行車系統(tǒng) 一 系統(tǒng)的概念 系統(tǒng)的概念非常廣泛 可以舉出許多的例子 在學校里 宿舍 班級 年級 學院 學校都是系統(tǒng) 在機械領域里 各種機械 機器 機組也是系統(tǒng) 在更大的范圍里 生物界 自然界 社會的各個階層也可以看成是系統(tǒng) 系統(tǒng) 這一概念來源于社會實踐 它不是人們憑空想象出來的 而是在人類長期的社會實踐中總結出來的 社會中的事物是復雜的 各事物之間是相互聯(lián)系和相互作用的 人類為了科學把握和研究某一事物 除了必須分析和研究該事物的特性和發(fā)展規(guī)律外 還必須研究和分析與該事物相關的事物之間的聯(lián)系和作用 這樣就形成了 系統(tǒng) 的概念 1 系統(tǒng)的定義 圖1 1伏羲古太極圖 伏羲古太極圖蘊涵了古代中國人的系統(tǒng)思想 易經(jīng) 試圖用陰陽五行八卦論來說明統(tǒng)一的世界 或把五行 金木水火土 作為構成萬物的基本要素 或把八卦 從自然界中找出的8種事物 天地雷風水火山澤 看作萬物之源 戰(zhàn)國時的子思 孟子提出了 天人合一 的思想 這些學說都把宇宙看作一個整體 古希臘思想家亞里士多德提出了著名論點 整體大于它的各部分的總和 始建于公元前7世紀楚國 秦始皇 公元前221 前210 時期有30萬人連接了各國長城 明代 1368 1644 萬歷年間又大規(guī)模修筑 全長6700公里 是世界上最長的城墻建筑 具有防御 通訊和保護交通的功能 從工程計算 建筑材料到施工管理均體現(xiàn)了系統(tǒng)思想 圖1 2萬里長城 建于公元前256 前251年 是世界上歷史最長的無壩引水工程 將魚嘴分洪 寶瓶口引水 飛砂堰分洪排沙合三為一 具有灌溉 防洪 引水 排沙 航運 信息反饋等功能 在規(guī)劃 設計 施工 維護等方面都體現(xiàn)了系統(tǒng)思想 圖1 3都江堰 現(xiàn)代科學技術對于系統(tǒng)思想的發(fā)展有著重大的貢獻 系統(tǒng)思想從許多現(xiàn)代科學技術中吸取了營養(yǎng)和精華 從辯證唯物主義那里吸取了豐富的哲學思想 從運籌學 控制論 工程學 社會學那里獲得了科學研究的方法 通過系統(tǒng)工程學充實了豐富的實踐內(nèi)容 系統(tǒng)思想 辯證唯物主義 運籌學 控制論 工程學 社會學 系統(tǒng)工程學 哲學思想 科學研究方法 實踐內(nèi)容 1994年我國 系統(tǒng)科學大辭典 的系統(tǒng) System 定義 系統(tǒng)是由相互聯(lián)系 相互作用的要素組成的具有一定結構和功能的有機整體 1986至1998年汪應洛院士給出的系統(tǒng)定義 系統(tǒng)是具有特定功能的 相互間具有有機聯(lián)系的許多要素構成的一個整體 系統(tǒng) System 定義 系統(tǒng) 由相互之間有機聯(lián)系的要素組成 具有特定功能的整體 系統(tǒng)特點 系統(tǒng)由要素組成 組成系統(tǒng)的要素之間是有機聯(lián)系的 系統(tǒng)應具有特定的功能 系統(tǒng)包含了以下6個基本概念 1 要素 又稱元素 是系統(tǒng)的組成部分 又稱為子系統(tǒng) 2 結構 系統(tǒng)各個要素相對穩(wěn)定的相互聯(lián)系 相互作用的方式 5 功能 系統(tǒng)整體在內(nèi)部與外部的聯(lián)系中表現(xiàn)的作用和能力 3 邊界 系統(tǒng)所包含的要素的界限 結構表明須有確定邊界 4 環(huán)境 存在于系統(tǒng)外與系統(tǒng)發(fā)生作用的各種因素的總體 功能表明系統(tǒng)需要與環(huán)境發(fā)生關系 6 輸入 通過邊界進入到系統(tǒng)的事物 輸出 通過邊界進入到環(huán)境的事物 2 系統(tǒng)的分類 復合系統(tǒng) Compoundsystems 幾種類型的系統(tǒng)互相重合和嵌套所組成的系統(tǒng) 大多數(shù)系統(tǒng)是自然系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的復合系統(tǒng) 3 系統(tǒng)的特性 系統(tǒng)是可以分解和綜合的 由兩個或者兩個以上的要素組成的具有一定結構和功能的整體都可以看成是一個系統(tǒng) 一個大的系統(tǒng)可以看成是若干個小的系統(tǒng) 子系統(tǒng)組成的 當然子系統(tǒng)還可能是由若干個更小的子系統(tǒng)組成的 系統(tǒng)的可分性 把一個大系統(tǒng)可以看成是若干個子系統(tǒng)按照一定的結構綜合而成的 系統(tǒng)的可綜合性 系統(tǒng)具有6個特性 整體性 相關性 結構性和開放性 動態(tài)性 層次性 目的性和環(huán)境適應性 1 整體性 整體性是系統(tǒng)所具有的最重要和最基本的特性 系統(tǒng)的整體性可以表現(xiàn)為以下3各方面 判斷一個系統(tǒng)的優(yōu)劣 最終是看系統(tǒng)的整體功能如何 系統(tǒng)是由要素組成的 離開了要素就談不上系統(tǒng) 系統(tǒng)的性質(zhì)是由要素來決定的 有什么樣的要素就會有什么樣的系統(tǒng) 系統(tǒng)的性質(zhì) 功能和運動規(guī)律只有從整體上才能顯示出來 系統(tǒng)的性質(zhì)除了決定于要素外 還決定于聯(lián)系各要素之間的結構 結構的好壞直接是由要素之間的協(xié)調(diào)作用體現(xiàn)出來的 優(yōu)質(zhì)的要素如果協(xié)調(diào)的不好 形成的結構可能不是最優(yōu)的 系統(tǒng)的整體功能也不會好 系統(tǒng)的非中心要素中 有一些質(zhì)量差的要素 但只要協(xié)調(diào)的好 就可以形成優(yōu)異的結構 從而形成質(zhì)量較好的系統(tǒng) 因此 合理地選擇要素 處理好要素以及要素與系統(tǒng)之間的關系 對于系統(tǒng)的功能和性質(zhì)是至關重要的 在構成系統(tǒng)時 各種要素要形成一定的結構 在系統(tǒng)中 各要素處的地位不同 所起的作用也不相同 有的要素處于中心地位 支配和決定著整個系統(tǒng)的行為 它們是中心要素 還有一些要素處于非中心 被支配的位置 它們則屬于非中心要素 組成系統(tǒng)間的要素相互間必須有機地聯(lián)系要素間有機聯(lián)系才能組成系統(tǒng) 而要素間的隨意組合 不能形成系統(tǒng) 整體與部分相對應 整體是各個部分綜合的產(chǎn)物 系統(tǒng)整體不等于部分和 表現(xiàn)出了系統(tǒng)的非加和性 即要素的相互作用具有非線性 系統(tǒng)不能分割只能分解在系統(tǒng)中不能存在與其他要素不相互聯(lián)系的獨立要素 不能把系統(tǒng)分割成為相互獨立的子系統(tǒng) 但可以根據(jù)需要 為了研究方便 把系統(tǒng)分解成為若干個相互聯(lián)系的子系統(tǒng) 各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系可以采用它們之間的輸入輸出關系來表示 2 相關性 包括結構性與開放性 組成系統(tǒng)的各個要素之間有機聯(lián)系 相互作用和相互影響所形成的特定關系就是相關性 結構性 系統(tǒng)的結構性是指要素與要素 要素與整體的相互聯(lián)系 相互作用的特性 結構性又稱為系統(tǒng)內(nèi)部的相關性 結構是系統(tǒng)保持整體性和目的性的內(nèi)在根據(jù) 結構是功能的基礎 功能是結構的表現(xiàn) 結構決定功能 功能又反作用于結構 開放性 系統(tǒng)的開放性是指系統(tǒng)與環(huán)境發(fā)生交換關系的屬性 開放性又稱為系統(tǒng)外部的相關性 它是由系統(tǒng)內(nèi)在結構所決定的 環(huán)境選擇系統(tǒng) 系統(tǒng)也選擇環(huán)境 系統(tǒng)世界應該是一個和諧發(fā)展的世界 輸入與輸出是表征系統(tǒng)開放性的兩個方面 系統(tǒng)需要開放 是由于系統(tǒng)的存在和發(fā)展離不開環(huán)境 開放性是在與環(huán)境的相互作用中實現(xiàn)的 3 動態(tài)性 任何具體系統(tǒng)都要經(jīng)歷產(chǎn)生 發(fā)展 穩(wěn)定 老化和衰亡的過程 系統(tǒng)狀態(tài)是時間的函數(shù) 這就是系統(tǒng)的動態(tài)性 運動是系統(tǒng)的存在方式 系統(tǒng)內(nèi)部各要素的相互作用是系統(tǒng)運動的內(nèi)因 系統(tǒng)與環(huán)境的相互作用是系統(tǒng)運動的外因 系統(tǒng)的發(fā)展方式 直線式 階段式 飛躍式和振蕩式等 系統(tǒng)具有絕對的動態(tài)性 并不否認系統(tǒng)具有相對的穩(wěn)定性 系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在外界干擾和內(nèi)部故障的作用下 能夠持續(xù)保持結構 功能和性質(zhì)的恒定性和有序性 相對穩(wěn)定性是系統(tǒng)存在和發(fā)展的必要條件 系統(tǒng)抵抗干擾和故障以保存自身的屬性 又稱為整體穩(wěn)定性 動態(tài)性對設計工作的啟示 要以發(fā)展變化的觀點來研究問題 把握設計對象的發(fā)展趨勢和變化規(guī)律 在實踐中防止退化 促成進化 由于系統(tǒng)的動態(tài)變化 就會出現(xiàn)這樣或那樣的時機可以利用 因此 要認識時機 抓住時機 要保持系統(tǒng)的穩(wěn)定有序狀態(tài) 必須在動態(tài)中平衡系統(tǒng) 在條件具備時 平衡是可以打破的 打破之后要在新的基礎上建立新的動態(tài)平衡 以維持新的穩(wěn)定有序狀態(tài) 系統(tǒng)層次性的基本內(nèi)容有3點 任何系統(tǒng)都具有層次結構 任何系統(tǒng)從簡單到復雜的發(fā)展過程是分層次的 不同層次的系統(tǒng)之間是相互影響的 高層次系統(tǒng)與低層次系統(tǒng)形成一種縱向聯(lián)系 在同 層次的各 子 系統(tǒng)之間形成復雜的橫向聯(lián)系 系統(tǒng)的層次性是指系統(tǒng)的一種垂直結構 即系統(tǒng)由一定的要素組成 這些要素是由低一級要素組成的子系統(tǒng) 而系統(tǒng)本身又是更高一級系統(tǒng)的組成要素 4 層次性 5 目的性 系統(tǒng)具有特定的功能是系統(tǒng)存在的目的 系統(tǒng)的價值體現(xiàn)在它的功能上 如果系統(tǒng)不具備有序穩(wěn)定結構 就不具有保持自身的能力 就會在外力和內(nèi)力的影響下分解 崩潰 任何系統(tǒng)都具有內(nèi)部 結構 和外部 功能 的二重性 系統(tǒng)的目的性并不是超自然的神秘力量 而是系統(tǒng)自組織的結果 系統(tǒng)在自組織的過程中 系統(tǒng)吸收相互作用所產(chǎn)生的信息 并通過信息反饋來協(xié)調(diào)內(nèi)部關系以及它與環(huán)境的關系 從而使系統(tǒng)從無序狀態(tài)走向穩(wěn)定有序的結構 這樣就表現(xiàn)出自組織這種目的性 自組織 系統(tǒng)自發(fā)地從無序狀態(tài)組織成一種有序結構的過程 任何一個系統(tǒng)都存在于一定的物質(zhì)環(huán)境中 外界環(huán)境發(fā)生了變化 會使系統(tǒng)的輸入變化 甚至會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾 從而引起系統(tǒng)功能變化 這時要求外界環(huán)境不發(fā)生變化是不可能的 由于變化是絕對的 而穩(wěn)定是相對的 暫時的 所以只能要求系統(tǒng)對外界環(huán)境的變化和干擾有良好的適應能力 例如谷物收割機在一定的環(huán)境中工作 當環(huán)境改變 盡管谷物收割機的一些參數(shù)發(fā)生變化 但其仍能工作 這就是適應性 6 環(huán)境適應性 系統(tǒng)應能夠適應外界的環(huán)境變化 環(huán)境 3 機械系統(tǒng)的概念 從生產(chǎn)的角度來看機械零件是組成機械的最小單元 從物理的角度來看 機械零件是具有一定質(zhì)量 剛度和阻尼的物體 從系統(tǒng)結構的不同層次來看 零件 部件和裝置都是組成機械的要素 它們是機械處于不同層次的子系統(tǒng) 任何機械都可以看成是由若干個裝置 部件和零件按照一定的結構組合而成的有特定功能的整體 我們稱其為機械系統(tǒng) 組成系統(tǒng)的基本要素是機械零件 從更大的范圍看 機械 人和環(huán)境組成了一個更大的系統(tǒng) 它們之間有相互聯(lián)系和相互作用 具有特定的功能 常常把機械稱為這個大系統(tǒng)的內(nèi)部系統(tǒng) 而把人和環(huán)境稱為外部系統(tǒng) 內(nèi)部系統(tǒng) 外部系統(tǒng)與內(nèi)部系統(tǒng)的關系可以用輸入和輸出表示 外部系統(tǒng)對內(nèi)部系統(tǒng)的作用和影響 對內(nèi)部系統(tǒng)是輸入 對外部系統(tǒng)是輸出 內(nèi)部系統(tǒng)對外部系統(tǒng)的作用和影響 對外部系統(tǒng)是輸入 對內(nèi)部系統(tǒng)是輸出 二 機械系統(tǒng)的組成 從實現(xiàn)系統(tǒng)功能的角度出發(fā) 機械系統(tǒng)應有以下必備的子系統(tǒng)組成 動力系統(tǒng) 傳動系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng) 操縱與控制系統(tǒng)等 一 動力系統(tǒng) 動力系統(tǒng)的功能是為機械系統(tǒng)提供動力 動力系統(tǒng)一般包括動力機和配套裝置 而動力機可以分為一次動力機和二次動力機 動力機的種類很多 特性各不相同 為了使機械系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性及較好的經(jīng)濟性 應為機械系統(tǒng)選擇合適的動力機 選擇動力機時 應考慮以下5個方面的因素 1 現(xiàn)場的能源條件 2 執(zhí)行系統(tǒng)的機械特性與工作制度 3 機械系統(tǒng)的使用環(huán)境 工作狀況 操作和維修條件 4 機械系統(tǒng)對起動 過載 調(diào)速及運轉平穩(wěn)性的要求 5 應使機械系統(tǒng)在運行中有良好的經(jīng)濟性和可靠性 二次動力機是把二次能源 電能 液能 氣能 變成機械能的機械 如電動機 液壓馬達 氣壓馬達等 一次動力機是把自然界的能源 一次能源 轉變成為機械能的機械 如內(nèi)燃機 汽輪機 水輪機等 為了能夠得到較高的經(jīng)濟效益 動力機一般輸出的是旋轉運動 而且轉速較高 力矩較小 機械系統(tǒng)的功能不同 執(zhí)行系統(tǒng)就不相同 因此應當根據(jù)機械系統(tǒng)的功能選擇合適的執(zhí)行系統(tǒng) 功能有多解性 為了實現(xiàn)機械系統(tǒng)的特定功能 可以尋求多種執(zhí)行系統(tǒng)的方案 對這些方案應從完成功能的優(yōu)劣以及性能指標的先進性方面進行綜合的技術經(jīng)濟分析 比如可靠性 經(jīng)濟性 動力性等方面進行分析 從中找出最優(yōu)的方案 二 執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng) 直接實現(xiàn)機械系統(tǒng)功能的裝置 由執(zhí)行機構和執(zhí)行構件組成 按照功能的不同對執(zhí)行系統(tǒng)進行分類 這時它可以分為如下3類 利用機械能改變作業(yè)對象 物料的性質(zhì) 形態(tài) 形狀或位置的執(zhí)行系統(tǒng) 如谷物收穗機 洗衣機 鍋爐 車床 汽錘 運輸機 起重機等 對作業(yè)對象進行檢測或度量的執(zhí)行系統(tǒng) 如材料試驗機 X光機 地磅等 可以傳遞或轉換信息的執(zhí)行系統(tǒng) 計算機 電話機 照相機 攝像機等 執(zhí)行系統(tǒng)處于機械系統(tǒng)的末端 直接與作業(yè)對象接觸 執(zhí)行系統(tǒng)的輸出就是機械系統(tǒng)最主要的輸出 因此 執(zhí)行系統(tǒng)的好壞將會直接影響機械系統(tǒng)的功能 4 傳遞動力 把動力系統(tǒng)輸出的動力改變后傳送給執(zhí)行系統(tǒng) 使執(zhí)行系統(tǒng)具有完成功能所需要的轉矩或力 如果動力機的工作性能與執(zhí)行系統(tǒng)的要求完全相符 也可以將動力系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)直接聯(lián)接起來 不過這樣的機械系統(tǒng)比較少見 三 傳動系統(tǒng) 傳動系統(tǒng)的作用是把動力系統(tǒng)提供的動力和運動傳遞給執(zhí)行系統(tǒng) 傳動系統(tǒng)的功能可以分述以下 1 減速或增速 保持動力系統(tǒng)輸出的連續(xù)轉動形式不變 降低或提高轉速 以滿足執(zhí)行系統(tǒng)的要求 2 變速 保持動力系統(tǒng)輸出的連續(xù)轉動形式不變 根據(jù)執(zhí)行系統(tǒng)的要求 通過傳動系統(tǒng) 實現(xiàn)多種速度 有一些動力機 如直流電動機 可以提供一定范圍的變化轉速 但是對于多數(shù)動力機 這樣做是不經(jīng)濟或者是不能滿足執(zhí)行系統(tǒng)的要求 因此 利用傳動系統(tǒng)變速是必要的 變速可以分為 有級變速和無級變速 3 改變運動規(guī)律或形式 把動力系統(tǒng)輸出的均勻連續(xù)轉動 根據(jù)執(zhí)行系統(tǒng)的要求 轉變成按照某種運動規(guī)律變化的運動形式 執(zhí)行系統(tǒng)運動形式是多種多樣的 如旋轉運動和非旋轉運動 連續(xù)運動和間歇運動 單向運動和多向運動等等 機械系統(tǒng)除了上述的四個必備的系統(tǒng)外 有些機械系統(tǒng)還要具有潤滑系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng) 照明系統(tǒng)等一些輔助系統(tǒng) 四 操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng) 操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的作用是使動力系統(tǒng) 傳動系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)彼此協(xié)調(diào)運行 能夠準確可靠地實現(xiàn)機械系統(tǒng)的功能 操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的差別 操縱系統(tǒng)是通過人工操作來實現(xiàn)上述要求的 比如機械系統(tǒng)中的起動 離合 變速 換向等裝置都可以構成操縱系統(tǒng) 控制系統(tǒng)則可以自動實現(xiàn)上述要求 控制所需要的信號或者指令 可來自各種傳感器 然后由伺服機構 自動控制裝置等來控制相應的系統(tǒng)動作 從而實現(xiàn)上述要求 對于有控制系統(tǒng)的機械系統(tǒng) 人只有確定控制要求和制定控制程序的作用 不直接操縱機械系統(tǒng) 不同機械系統(tǒng) 由于工作要求 追求的目標和使用環(huán)境等因素的不同 對它所提出的功能要求有較大的差異 三 現(xiàn)代機械系統(tǒng)的功能要求 提升機構 提升機構 例如 起重機的工作過程 從起重機的工作過程可以看出 起重機的各個機構在兩次工作之間一般都有短暫的停歇 因此各機構經(jīng)常處于起動 制動及正反向運轉等相互交替的停歇和運動狀態(tài) 對起重機的基本功能要求 起重量 起升高度 運行速度 生產(chǎn)率 作業(yè)范圍 經(jīng)濟性 安全性 可靠性 穩(wěn)定性 操縱性以及對周圍環(huán)境的適應性等 對于要移位的起重機械 還要求具有一定的機動性 對于大跨度的龍門起重機 還要求大車運行時兩側門腿移動的同步性 可移動的起重機要移動工作位置 加熱裝置 模具及閉合機構 注射機構 冷卻裝置 鎖緊保壓裝置 開模及取出裝置 塑料注塑機的工作過程 塑料注塑機的主要功能 能計量原料并使其熔融 將物料以所需要的速度和壓力射出 成型模具的開 合 鎖緊與保壓 工藝參數(shù) 壓力 速度 溫度 時間等 須根據(jù)不同制品和原料進行調(diào)整和控制 保證制品的尺寸精度和穩(wěn)定性 提高塑化能力 冷卻速度與生產(chǎn)率 工作過程的安全性 可靠性及熱穩(wěn)定性等 由以上兩個例子可以看出 對于不同的機械 功能差異很大 但也有一些共同的要求 1 運動方面的要求 如速度 加速度 轉速 調(diào)速范圍 行程 運動軌跡及運動精確性的要求 2 動力方面的要求 如傳遞的功率 轉矩 力等方面的要求 3 體積和重量方面的要求 如外形尺寸 重量 功率重量比等要求 4 可靠性和壽命方面的要求 如功能的可靠性 零部件的耐磨性及使用壽命等要求 5 安全方面的要求 如強度 剛度 振動穩(wěn)定性 熱力學性能 摩擦學性能 系統(tǒng)工作的安全性 操作人員的安全性等方面的要求 6 經(jīng)濟性方面的要求 如設計和制造的經(jīng)濟性 使用和維護的經(jīng)濟性等要求 7 環(huán)境保護方面的要求 如對噪聲 振動 防塵 防毒 三廢 的排放 周圍人員和設備安全性方面的要求 8 產(chǎn)品造型的要求 如外觀 色彩 與環(huán)境協(xié)調(diào)性方面的要求 9 其他要求 如精密機械有較高的精度和震動穩(wěn)定性要求 而食品機械有不污染加工產(chǎn)品的要求等 與傳統(tǒng)設計方法相比 機械系統(tǒng)設計 特別強調(diào)從系統(tǒng)的觀點出發(fā)進行設計 要求合理地確定機械系統(tǒng)的功能 要求增強機械系統(tǒng)的 三性 可靠性 經(jīng)濟性和安全性 這也就是機械系統(tǒng)設計的任務 第二節(jié)機械系統(tǒng)設計的任務 機械系統(tǒng)設計的目的是提供機械產(chǎn)品 該產(chǎn)品應該是優(yōu)質(zhì)高效 物美價廉的 應能夠在市場競爭中取得優(yōu)勢 應能夠贏得用戶 取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益 產(chǎn)品質(zhì)量 經(jīng)濟性取決于設計制造和管理的綜合水平 其中產(chǎn)品設計是先天性的 決定性的 產(chǎn)品的質(zhì)量事故 50 是設計不當造成的 產(chǎn)品成本60 70 取決于設計 沒有高質(zhì)量的設計就不可能有高質(zhì)量的產(chǎn)品 2 設計良好的機械產(chǎn)品 在外部環(huán)境下使用時 技術性能和經(jīng)濟效益未必是良好的 一 從系統(tǒng)的觀點出發(fā)進行設計 傳統(tǒng)機械設計方法有以下兩方面的不足 1 傳統(tǒng)的機械設計方法偏重于內(nèi)部系統(tǒng)的設計 對外部系統(tǒng)與內(nèi)部系統(tǒng)的相互作用和影響重視不足 2 傳統(tǒng)機械設計方法在進行內(nèi)部系統(tǒng)設計時 以改善零部件的特性為重點 而對各個零部件之間的相互作用和影響重視不足 導致會出現(xiàn)以下兩種情況 1 用設計良好的零部件組裝起來的機械系統(tǒng) 經(jīng)濟性能和經(jīng)濟效益未必是良好的 機械系統(tǒng)設計強調(diào)以系統(tǒng)的觀點進行設計 要充分考慮內(nèi)部系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的相互影響和作用 也就是說既要考慮內(nèi)部系統(tǒng)的設計 又要重視內(nèi)部系統(tǒng)和外部系統(tǒng)的聯(lián)系 還要充分考慮組成系統(tǒng)的零部件之間的相互作用和影響 既要重視零部件的設計 又要重視各個零部件之間的協(xié)調(diào)和配合 2 應在調(diào)查和研究的基礎上 搞清外部環(huán)境對機械產(chǎn)品的作用和影響 1 不能單純考慮各零部件之間的工作狀態(tài)和性能 不能片面追求每一個零部件都是最優(yōu)秀的 而是應當在滿足整機工作狀態(tài)和性能最好的條件下 確定對各零部件的基本要求 并要充分考慮各零部件以及各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一 具體來講 機械系統(tǒng)設計要重視以下三方面的問題 市場對機械產(chǎn)品的要求和約束也應充分考慮 市場對產(chǎn)品的要求表現(xiàn)在 資金 材料 設備 技術 人員培訓 信息 使用環(huán)境 后勤供應 售后服務 法律 政策等方面 外部環(huán)境對機械產(chǎn)品的作用和影響有多種形式 對于農(nóng)業(yè)機械而言 外部環(huán)境對機械產(chǎn)品的影響尤為重要 機械產(chǎn)品運行時 對周圍的工作環(huán)境和自然環(huán)境的影響要充分考慮 同時還應考慮機械產(chǎn)品在投入市場后 對市場形勢和競爭對手的影響 3 不能忽略機械產(chǎn)品對外部環(huán)境的影響 二 合理確定機械系統(tǒng)的功能 企業(yè)為何要生產(chǎn)某種產(chǎn)品 用戶為何要購買這種機械產(chǎn)品 其根源就在于機械產(chǎn)品具有某種功能 能夠滿足社會的需要 生產(chǎn)需求 生活需求 社會的需求是隨時間 地點 環(huán)境的變化而變化的 機械產(chǎn)品也應當不斷地更新和改進 否則 該種產(chǎn)品就會失去市場 輕則影響企業(yè)的經(jīng)濟效益 重則使企業(yè)倒閉 社會對產(chǎn)品的需求表現(xiàn)在對產(chǎn)品功能的需求 用戶購買產(chǎn)品 實際上購買的是產(chǎn)品的功能 為此 在設計產(chǎn)品之前 要對產(chǎn)品進行功能分析 為產(chǎn)品制定出合理的功能 1 功能的分類 1 按照性能不同 功能可以分為基本功能和輔助功能 輔助功能 為了實現(xiàn)基本功能所附加在產(chǎn)品上的功能 輔助功能是實現(xiàn)基本功能的手段 同時 輔助功能具有多解性 基本功能 用戶直接要求的功能 體現(xiàn)產(chǎn)品存在的基本價值 輔助功能多解性 為了實現(xiàn)某一基本功能 可以采用不同的技術方案 手段 例 基本功能 變轉動為往復移動 同時達到增力的效果 實現(xiàn)上述基本功能的技術方案有 曲柄滑塊機構 齒輪齒條機構 螺旋機構 氣壓缸或液壓缸機構 近似直線機構等等 以上述的曲柄滑塊機構為例 要實現(xiàn)所提出的基本功能 要符合以下一些相應的輔助功能 次級功能 上述所列舉的輔助功能和次級功能都是必要的功能 如果在設計的過程中不注意 就會產(chǎn)生多余的功能 比如強度過剩 精度過高 壽命過長以及產(chǎn)生多余約束等等 這都是多余功能 因此 按照性能的不同提出了 基本功能 輔助功能 必要功能 次級功能和多余功能等一系列功能 外觀功能 在使用功能的基礎上 對產(chǎn)品起著美化和裝飾作用的功能 2 按照滿足用戶的要求性質(zhì)的不同 功能分為使用功能和外觀功能 使用功能 滿足用戶要求 體現(xiàn)產(chǎn)品實際使用價值的功能 使用功能屬于必要功能 設計機械系統(tǒng)時一定要滿足使用功能 外觀功能可以增強產(chǎn)品的競爭力和吸引顧客 對有些產(chǎn)品來講外觀功能是非常重要的 但是外觀功能必須服從使用功能 在保證產(chǎn)品性能好和質(zhì)量高的前提下 講究產(chǎn)品的造型 色彩和裝飾等功能 外觀功能即使提高了產(chǎn)品的成本 也是必要的 絕不能看成是產(chǎn)品的多余功能 但在一些對產(chǎn)品的外觀功能沒有具體要求的情況下 比如埋在地下的管道 電纜等 在外觀上花費任何費用都是多余的 思考題 1 舉例說明什么是系統(tǒng) 系統(tǒng)有什么特性 2 舉例說明機械系統(tǒng)是由哪些子系統(tǒng)組成 各子系統(tǒng)在機械系統(tǒng)中的作用如何 3 常規(guī)設計方法有什么不足 機械系統(tǒng)設計為什么強調(diào)從系統(tǒng)的觀點出發(fā)進行設計 4 什么是產(chǎn)品的基本功能 輔助功能 次要功能 必要功能 多余功能 使用功能和外觀功能 如何合理地確定產(chǎn)品的功能 2 功能與成本的關系要實現(xiàn)產(chǎn)品的功能 就必須投入成本 產(chǎn)品的功能越多 越齊全 投入產(chǎn)品的成本就越多 產(chǎn)品的價值就越高 可以用產(chǎn)品的價值來評價功能與成本的統(tǒng)一程度以及表示產(chǎn)品的物美價廉的程度 F 實現(xiàn)功能的最低費用 功能評價值 貨幣量 C 實現(xiàn)功能的實際費用 功能的現(xiàn)實成本 貨幣量 V 功能價值 無量綱 產(chǎn)品的成本C可用貨幣量來表示 為了使功能F與成本C相比較 必須把功能F量化成貨幣量 因此 這樣上述式子就可以改寫成為 從上述式子可以看出 功能價值V 1 V越接近于1 產(chǎn)品的功能價值越高 V 1 這說明C F 實現(xiàn)功能的現(xiàn)實成本C低于實現(xiàn)功能的最低費用F 情況不正常 應首先檢查F與C取值是否正確 若取值無誤 應取F C V 1 應用功能價值V進行分析時 可以得到以下三種情況 V 1 這說明C F 實現(xiàn)功能的現(xiàn)實成本C與實現(xiàn)功能的最低費用F相等 這是最理想的情況 VF 實現(xiàn)功能的現(xiàn)實成本C高于實現(xiàn)功能的最低費用F 情況不理想 應當設法降低實現(xiàn)功能的現(xiàn)實成本C 為了提高產(chǎn)品的功能價值V 可以采取以下5種措施 保持現(xiàn)實成本C不變 增強產(chǎn)品的功能F 花同樣的錢辦更多的事 保持產(chǎn)品的功能F不變 降低產(chǎn)品的實際成本C 花較少的錢辦同樣的事 產(chǎn)品的實際成本C有較小的增加 產(chǎn)品的功能F有較大的增加 花的錢稍有增加 辦的事大大增加 這種產(chǎn)品即使售價有所提高 消費者也愿意購買 產(chǎn)品的功能F稍有減小 產(chǎn)品的實際成本C大大減小 花的錢大大減少 辦的事略有減少 適應購買力較低的用戶 或一些靠價格競爭的場合 產(chǎn)品的實際成本C減小 產(chǎn)品的功能F增加 花較少的錢辦較多的事 這些措施為提高產(chǎn)品價值指出了路 功能評價值F與實現(xiàn)功能的難易程度有關 對于較難實現(xiàn)的功能 功能評價值F就較高 生產(chǎn)同一類產(chǎn)品的企業(yè)組成了一個行業(yè) 同行業(yè)中的各個企業(yè)生產(chǎn)條件各不相同 如設備條件 技術水平 經(jīng)營管理狀況等等都有差異 因此實現(xiàn)同一功能所花費的成本也不相同 要在同行業(yè)中的各個企業(yè)之間進行比較 就需要制定統(tǒng)一的功能評價值F 制定功能評價值F的方法有兩種 通過調(diào)查研究 取行業(yè)之間實現(xiàn)該功能的最低費用為功能評價值 按照P6 1 2 式子計算獲得功能評價值F Bp 單位產(chǎn)品的銷售費用 式中 D 現(xiàn)有情況下 通過市場預測得到的用戶認可的價格 Ii 產(chǎn)品預期的利潤和稅金 4 確定機械系統(tǒng)功能應達到的要求 3 確定機械系統(tǒng)功能的原則 保證基本功能 滿足使用功能 剔除多余功能 增加新穎功能 恰到好處地利用外觀功能 降低功能的現(xiàn)實成本C 提高產(chǎn)品的功能價值V 力求使產(chǎn)品達到盡善盡美的境地 故障 產(chǎn)品雖然喪失了規(guī)定的功能 但可以通過修理的方法使其功能恢復的現(xiàn)象 是一種特殊的失效 三 提高機械系統(tǒng)的可靠性 可靠性 在規(guī)定的條件和時間里 產(chǎn)品完成規(guī)定的功能的能力 與可靠性相關的幾個概念 產(chǎn)品 單獨進行可靠性研究或考核的對象 產(chǎn)品可以是零件 部件 裝置 也可以是整個機械系統(tǒng) 規(guī)定條件 產(chǎn)品考核所規(guī)定的使用條件 環(huán)境條件和操作規(guī)程等約束 規(guī)定時間 考核產(chǎn)品的時間 可以采用運行時間 應力循環(huán)次數(shù) 行駛里程等指標 失效 產(chǎn)品喪失了規(guī)定的功能的現(xiàn)象 可靠性技術 研究產(chǎn)品發(fā)生故障或失效原因的技術 如有N0臺機械產(chǎn)品 在規(guī)定的條件下使用了t小時 有N臺沒有發(fā)生失效或故障 還能夠完成預定的功能 則 一 衡量可靠性的指標 1 可靠度R t 產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時間里不失效或不發(fā)生故障的概率 可靠度R t 是隨著時間t的變化而變化的 它是時間t的減函數(shù) 例 滾動軸承在基本額定動載荷下 壽命為一百萬轉 可靠度為90 2 失效概率F t 產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定時間里失效或者發(fā)生故障的概率 有N0臺機械產(chǎn)品 在規(guī)定條件下工作了t小時 有N臺沒有失效或者發(fā)生故障 在此后的 t時刻里 有 N臺發(fā)生了失效或故障 則 3 失效率 t 產(chǎn)品在規(guī)定的條件下工作了t小時 在單位時間里發(fā)生失效或故障的概率 可靠度R t 失效概率F t 和失效率 t 既可以用于不可修復的產(chǎn)品 也可以用于修復產(chǎn)品 失效率的計算定義式中之所以取負號 是由于 N t 0 為了使失效率 t 為正值 所以取負號 4 平均無故障時間MTBF MTBF MeanTimeBetweenFailures 是產(chǎn)品在使用壽命期內(nèi)的某個觀察時間里 累計工作時間與故障次數(shù)的比值 平均無故障時間MTBF與失效率 t 互為倒數(shù) 它是衡量可修復產(chǎn)品可靠性的指標 MTTF MeanTimeToFailures 是指從產(chǎn)品開始直至失效的平均工作時間 失效前平均工作時間MTTF是衡量不可修復產(chǎn)品可靠性的指標 5 失效前平均工作時間MTTF 6 維修度M t 在規(guī)定的條件下使用產(chǎn)品 在規(guī)定的時間里 按照規(guī)定的方法和程序進行維修 保持和恢復到規(guī)定的功能的概率 維修度M t 是衡量可修復產(chǎn)品可維修性能的指標 若以tn表示觀察期間產(chǎn)品能夠工作的時間 以t0表示不能工作的時間 用于維修的時間 則有效度A t 可以表示為 7 有效度A t 可修復產(chǎn)品在規(guī)定的條件下使用 按照規(guī)定的程序維修 在規(guī)定的時間里能夠保持其功能處于正常狀態(tài)的概率 A t 又稱為可用率 它只能用于可維修產(chǎn)品 以上所介紹的以及其他一些可靠性衡量指標 都只是衡量和評價產(chǎn)品可靠性某一方面特征的尺度 在具體的應用過程中 各個衡量指標之間不能相互代替 二 提高機械系統(tǒng)可靠性的措施 提高機械系統(tǒng)可靠性的最有效的措施 采用可靠性設計方法進行機械系統(tǒng)的設計 1 要有采用系統(tǒng)方法得到的各個設計變量的分布特性和數(shù)據(jù) 對一個拉 壓 桿進行強度校核 三個變量影響著拉桿的強度 危險截面的軸力F 是否為常量 拉桿危險截面的面積A 公差 材料的極限應力 lim 試驗得到 是個范圍 要進行可靠性設計 就必須采用統(tǒng)計的方法得出這些變量的分布規(guī)律和數(shù)據(jù) 進行可靠性設計的條件 嚴格說沒有載荷是一成不變的 2 要建立從 研究 設計 制造 試驗直至管理 使用 維修以及評審 的一整套可靠性的計劃 在設計新的機械系統(tǒng)之前 對現(xiàn)有或類似的機械系統(tǒng)進行質(zhì)量調(diào)查或者用戶訪問 查找失效的原因 對于重要的機械系統(tǒng) 還可以建立失效檔案 召開失效分析會 預計所設計的新的機械系統(tǒng)可能會發(fā)生哪些故障或產(chǎn)生哪些失效形式 掌握發(fā)生故障或失效的原因 從而在設計的過程中采取相應的措施 當缺乏必要的數(shù)據(jù) 不具備進行可靠性設計的條件時 可以通過采取一些相應的措施 來提高機械系統(tǒng)的可靠性 分析失效的形式 查找失效的原因 機械系統(tǒng)的可靠性是由組成系統(tǒng)的零部件保證的 零部件有較高的可靠性 機械系統(tǒng)才具有較高的可靠性 提高零部件特別是關鍵零部件的設計可靠性 但并不是要求機械系統(tǒng)中所有的零部件都有較高的可靠性 應保證對系統(tǒng)可靠性起關鍵作用的零部件具有較高的可靠性 對系統(tǒng)影響較弱的零件可靠性可以低些 例如設計減速器 第一類零部件 關鍵零部件 齒輪 軸等都詳細計算 第二類零件 如殼體 軸承蓋等 沒有校核 但是有設計規(guī)范 按照設計規(guī)范 一般不會出問題 這類零件比第一類次要 第三類零件 如隔油板 觀察孔蓋等 從工藝上也無太多具體規(guī)范 這一類就更次要一些 所以可以體會出 零件是分類的 如有可能 對關鍵零部件進行可靠性設計 這樣起到的效果更加明顯 采用減額使用法 使關鍵零部件的工作負荷低于額定值 采用冗余技術 加大關鍵零部件的可靠性貯備 例如可以 采用并聯(lián)系統(tǒng)代替串聯(lián)系統(tǒng)采用載荷分流和均載裝置 但可能使得 零部件的尺寸和重量加大 使系統(tǒng)更加復雜 制造和維護費用增加 只用于可靠性要求高的場合 具體作法 通過在系統(tǒng)中采用過載保護裝置 如摩擦傳動 可打滑 和緩沖減振裝置 如減震彈簧 撓性聯(lián)軸器等 來減少發(fā)生超負荷的概率 對于關鍵零部件 應從整體和系統(tǒng)的觀點 分析它們的輸入和輸出 盡量減少不穩(wěn)定的因素的干擾 必要時可以采取以下3方面的措施 機械系統(tǒng)的維修性 在按照規(guī)定的條件使用和安裝 規(guī)定的方法和程序進行維修的條件下 在規(guī)定的時間里 能夠保持和恢復系統(tǒng)功能的能力 維修是保持或恢復機械系統(tǒng)功能的技術措施 提高機械系統(tǒng)的維修性 表示故障率隨時間變化的曲線 常叫做浴盆曲線 點劃線為規(guī)定的故障率 把曲線分為三個區(qū)間 機械系統(tǒng)使用初期 一些設計不合理和制造過程中有缺陷的零部件發(fā)生故障所引起 在這個區(qū)域里故障率較高 通過改進設計 加強對制造過程的質(zhì)量管理 進行合理的跑合 可以減小初期故障區(qū)的故障率 1 初期故障區(qū) 機械系統(tǒng)處于正常使用階段后 故障率應低于設計規(guī)定的故障率 并且故障率較穩(wěn)定 這時之所以發(fā)生故障是由于操作不當 運行條件突然變化 零部件的偶發(fā)缺陷等偶然因素造成的 偶發(fā)故障區(qū)所對應的運行時間叫做系統(tǒng)的功能壽命 在這個階段 對機械系統(tǒng)按照規(guī)定進行維修 及時更換磨損 疲勞和老化的零部件 可以改變故障率曲線 如圖中虛線所示 使得機械系統(tǒng)的功能壽命增長 2 偶發(fā)故障區(qū) 隨著機械系統(tǒng)運行時間的增長 零部件由于磨損 疲勞和老化等原因?qū)野l(fā)故障 導致故障率顯著上升 整個機械系統(tǒng)進入了磨損故障區(qū) 此時系統(tǒng)的效率降低 生產(chǎn)率下降 使得整個機械系統(tǒng)的正常使用壽命終結 3 損耗故障區(qū) 設計合理的機械系統(tǒng)應便于維修 比如從設計入手 使機械系統(tǒng)容易檢查 故障容易發(fā)現(xiàn) 便于維修 對易損零件應設計成獨立部件 損壞后容易更換 采用標準件作為易損件 降低易損件的成本 并且能更方便地獲得易損件 機械系統(tǒng)的零部件越少 系統(tǒng)的可靠性就越高 總可靠度等于各環(huán)節(jié)可靠度的連乘積 只要能完成要求的功能 零件越少越好 結構越簡單 工藝性越好 制造和裝配質(zhì)量越容易保證 簡化結構 提高標準化程度 盡量采用標準件 標準件設計質(zhì)量高 結構工藝性和可靠性較高 同時標準件可以大批量生產(chǎn) 成本比較低 四 提高機械系統(tǒng)的經(jīng)濟性 一 以壽命周期成本最低為目標 壽命周期成本LCC LifeCycleCost 產(chǎn)品從計劃 設計 制造 使用直至報廢的整個壽命周期里 所花費用的總和 壽命周期成本包括生產(chǎn)成本 使用成本 生產(chǎn)成本由直接成本和間接成本組成 直接成本包括研究與設計 材料及采購 加工和裝配等與生產(chǎn)直接有關的各項成本 間接成本包括管理 銷售和用工 廣告 租賃 公用事業(yè) 保險 福利和獎勵 研究和發(fā)展 專利 支付利息等各項非直接生產(chǎn)環(huán)節(jié)分攤到該產(chǎn)品的成本 生產(chǎn)成本 利潤 稅金 銷售價格 使用成本包括運行成本和維修成本 其中運行成本包括使用該設備的動力消耗費 消耗性材料費 工資以及工資附加費等 提高經(jīng)濟性必須以壽命周期成本最低為目標 既要考慮設計和制造廠方的經(jīng)濟性 又要考慮用戶的經(jīng)濟性 機械產(chǎn)品的壽命周期由設計制造階段和使用維護階段組成 機械產(chǎn)品的經(jīng)濟性表現(xiàn) 設計制造的經(jīng)濟性和使用維護的經(jīng)濟性 從設計角度 為提高產(chǎn)品的設計和制造經(jīng)濟性 可以采取如下6條措施 常規(guī)設計方法是通過選用安全系數(shù)S來提高機械系統(tǒng)的可靠性的 1 合理確定可靠性要求和安全系數(shù) 對一個拉桿 F 拉桿危險截面的軸力 A 拉桿危險截面的面積 lim 材料的極限應力 許用應力 S 安全系數(shù) 二 提高設計和制造經(jīng)濟性 兩種方法相比較 可靠性設計法更接近實際情況 設計出的機械系統(tǒng)更合理 更經(jīng)濟 系統(tǒng)越復雜 優(yōu)越性越明顯 但是在沒有條件進行可靠性設計時 實踐證明常規(guī)設計方法也是行之有效的設計方法 可靠性設計方法就是找出F A 和 lim這些變量的分布規(guī)律 通過進行可靠性計算 設計出零件以至整個機械系統(tǒng) 常規(guī)的設計方法則是取這些量的平均值 通過取大于1的安全系數(shù)S來保證零件的可靠性 在常規(guī)性設計方法中 安全系數(shù)取小了 機械系統(tǒng)的可靠性降低了 而安全系數(shù)取大了 機械系統(tǒng)的經(jīng)濟性變差了 3 對安全系數(shù)S取值更準確一些 為了使常規(guī)設計法更能夠反映實際情況 設計效果更好一些 應采取以下3項措施 1 對于隨機變量 如載荷F 截面積A和極限應力 lim盡量確定的精確一些 以載荷F為例 可以采用估計法 計算法和實測法進行確定 顯然實測法最精確 而估計法最差 2 對機械系統(tǒng)的工作條件控制得更嚴密一些 取安全系數(shù)S時要考慮多方面的因素 如零件或系統(tǒng)的重要性 零件或者系統(tǒng)越重要 安全系數(shù)S應取得越大 設計變量取值的準確性 設計變量取值越不準確 安全系數(shù)S應取值越大 設計計算的精確性等 設計計算不精確 安全系數(shù)S應取大一些 標準化是標準化 系列化和通用化的總稱 在機械工業(yè)中 按照所涉及的對象 技術標準可以分為3大類 物品標準 產(chǎn)品標準 它是以產(chǎn)品生產(chǎn)過程中使用的物品 材料為對象制定的標準 如各種機械設備 儀器儀表 工藝裝備 包裝容器 原材料等標準 方法標準 它是以生產(chǎn)活動中的重要程序 規(guī)劃 方法為對象制定的標準 如設計計算 制定工藝 檢測測試等標準 基礎標準 它是以機械領域的標準化工作中 具有共性的一些基本要求或前提條件為對象制定的標準 如計量單位 優(yōu)化系數(shù) 公差配合 圖形符號 名詞術語等標準 國際上也有標準 國際標準化組織 ISO 和國際電工委員會 IEC 制定有相應的標準 2 貫徹標準化 提高零部件的結構工藝性要從生產(chǎn)的全過程考慮 如提高鑄造工藝性 鍛造工藝性 沖壓工藝性 焊接工藝性 加工工藝性 熱處理工藝性和裝配工藝性等 3 采用新技術 設計人員要善于學習和掌握新技術 新方法 新工藝 并在設計中加以應用 充實和改進產(chǎn)品 才能保證產(chǎn)品具有更好的性能和經(jīng)濟性 4 改善零部件的結構工藝性 機械零部件良好的結構工藝性 可以減少加工過程的勞動量 提高勞動生產(chǎn)率 縮短生產(chǎn)周期 降低材料消耗和生產(chǎn)成本 5 采用經(jīng)濟的技術條件 對零部件和機械產(chǎn)品在設計時要提出技術要求 技術要求主要包括以下一些內(nèi)容 1 對零件的要求 對精度等級 尺寸公差 形位公差 表面粗糙度 材料力學性質(zhì) 熱處理的要求以及對加工的要求 選擇材料時 要分析零件的載荷和應力狀況 工作條件和性能要求 在滿足強度 剛度 壽命 耐磨性 防腐性等要求的前提下 選用經(jīng)濟適用的材料以及相應的熱處理方法 慎用貴重材料 以降低生產(chǎn)成本 2 對機械產(chǎn)品的要求 安裝調(diào)整 試驗 包裝運輸和外觀的要求等 在提出上述技術要求的時候 應當遵循在保證產(chǎn)品質(zhì)量和性能的前提下 應盡量取較低要求的原則 不可以隨意提高技術要求 6 選擇合適的材料 設計人員在進行產(chǎn)品設計時 應充分考慮提高效率及降低能耗的措施 并將這些措施反映到設計方案中 落實到結構設計中 三 提高使用和維修的經(jīng)濟性 設計制造經(jīng)濟性是產(chǎn)品應具有的經(jīng)濟性 而使用和維修經(jīng)濟性也非常重要 可以從以下3個方面提高產(chǎn)品的使用和維修經(jīng)濟性 1 提高產(chǎn)品的效率并降低消耗 機械產(chǎn)品的效率取決于傳動系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)的效率 傳動系統(tǒng)的效率與傳動的結構型式 運動副工作表面的特性 摩擦和潤滑狀況 潤滑劑種類和潤滑方式等因素有關 執(zhí)行系統(tǒng)的效率取決于執(zhí)行機構的效率 它與執(zhí)行機構的工作原理 執(zhí)行機構的類型和參數(shù)以及執(zhí)行機構的狀況有關 機械產(chǎn)品的設計壽命 對機械產(chǎn)品進行壽命計算時所依據(jù)的壽命 2 合理確定產(chǎn)品的設計壽命 2 機械產(chǎn)品的壽命不應定得過短壽命過短 用戶要頻繁更換產(chǎn)品 既浪費資金 又耽誤生產(chǎn)或影響生活 1 機械產(chǎn)品的壽命不應定得過長 壽命過長 制造成本加大 在進行設計計算 靜強度計算時 壽命越長 安全系數(shù)取值就大 疲勞強度計算時 在決定疲勞極限時 壽命系數(shù)KN減小 這些都使得要選擇好的材料或者尺寸加大 制造成本提高 壽命過長 維修和運行成本加大 機械產(chǎn)品使用時間過長 技術狀況就會變壞 維修費用和運行費用就會加大 壽命過長 為技術政策所不允許 隨著科學技術的發(fā)展 新技術 新產(chǎn)品不斷出現(xiàn) 老產(chǎn)品就必須淘汰 功能壽命 機械產(chǎn)品從開始使用到主要功能喪失所經(jīng)歷的時間 對于可維修的產(chǎn)品 功能壽命應包括通過維修使主要功能恢復而繼續(xù)使用的時間 設計者和制造者常以功能壽命作為機械產(chǎn)品的壽命 經(jīng)濟壽命 由機械產(chǎn)品使用費用最低 經(jīng)濟效益最高所確定的壽命 用戶常以經(jīng)濟壽命作為機械產(chǎn)品的壽命 經(jīng)濟壽命的計算方法很多 而設備低劣化法是一種簡單的近似計算方法 假設K0表示機械產(chǎn)品的原始價值 而第一年的低劣化數(shù)值為 其表示機械產(chǎn)品的使用成本 隨著機械產(chǎn)品的使用和磨損 其維修費 燃料動力費以及停工損失費逐年增加 也就是使用成本逐漸增加 可以近似地認為低劣化數(shù)值 隨使用時間線性增加 機械產(chǎn)品使用到第T年 低劣化數(shù)值為T 對機械產(chǎn)品來講 壽命可以分為 功能壽命 經(jīng)濟壽命和技術壽命 在這T年內(nèi) 平均低劣化數(shù)值可以按照下式計算 假設T年后機械設備的殘值為零 則平均花在機械產(chǎn)品上的平均費用y可按照下式計算 機械產(chǎn)品的平均費用y是使用年數(shù)的函數(shù) 可以求出年平均費用y最小的使用年數(shù)Tr Tr就是機械產(chǎn)品的經(jīng)濟壽命 其計算公式為 根據(jù)在這T年內(nèi) 平均低劣化數(shù)值 K0為設備原始價值 技術壽命 機械產(chǎn)品從開始使用到因技術落后而被淘汰所經(jīng)歷的時間 國家主管部門經(jīng)常以技術壽命作為機械產(chǎn)品的壽命 在確定機械產(chǎn)品的設計壽命時 應全面分析現(xiàn)有產(chǎn)品的功能壽命 經(jīng)濟壽命和技術壽命 從而合理確定設計壽命 一般來講 機械產(chǎn)品的功能壽命長于經(jīng)濟壽命和技術壽命 對于技術飛速發(fā)展領域里的產(chǎn)品 技術壽命較短 有一些一次性產(chǎn)品 經(jīng)濟壽命高于功能壽命 一次性注射器 使用一次就不具備防止交叉感染的功能了 功能壽命就結束了 但是還有經(jīng)濟壽命 定期維修的優(yōu)點 可以把維修時間安排在非生產(chǎn)時間 減小因維修造成的損失 在維修之前可做充分的準備 以便縮短維修時間 提高維修效率和質(zhì)量 3 提高機械產(chǎn)品的維修保養(yǎng)經(jīng)濟性 以盡可能少的維修費用換取盡可能多的經(jīng)濟效益 是對設備進行維修的原則 對于可以維修的產(chǎn)品 按照維修程序 每隔一定時間進行產(chǎn)品的小修 中修或者大修 也就是要對其進行周期性的維修 維修周期 定期維修的缺點 維修周期難以精確確定 對重要的機械產(chǎn)品可采用按需維修的方法 在機械產(chǎn)品使用過程中 對主要零部件進行性能測試 對發(fā)現(xiàn)有失效先兆的零部件及時進行更換或修理 維修的周期可以根據(jù)使用經(jīng)驗或者統(tǒng)計資料決定 也可以用可靠性技術 定量地確定維修周期 使維修周期更接近于實際情況 應滿足對強度 剛度 穩(wěn)定性 耐磨性等方面的要求 應根據(jù)機械的工作載荷等要求 按有關標準和規(guī)范進行設計計算 為防止因意外發(fā)生故障或失效 對機械產(chǎn)品的關鍵部位設置過載保護或者安全互鎖裝置 一 機械系統(tǒng)執(zhí)行預期功能的安全性 五 保證機械系統(tǒng)的安全性 在機械系統(tǒng)設計的各項任務中 保證機械系統(tǒng)的安全 是設計過程中的首要任務 機械系統(tǒng)的安全性包括兩個方面的內(nèi)容 1 機械系統(tǒng)執(zhí)行預期功能的安全性 2 人 機環(huán)境系統(tǒng)的安全性 機械系統(tǒng)要執(zhí)行預期功能 首先要保證機械系統(tǒng)本身的安全 例如為保證傳動系統(tǒng)在出現(xiàn)過載時不損壞 在傳動鏈中可設置安全離合器或安全銷 為保證機械系統(tǒng)的安全 離合器與制動器間應有連鎖裝置 連鎖裝置可以保證離合器與制動器不能同時接合 只有在離合器分離時 制動器才能接合 只有在制動器脫開時 離合器才能接合 在保證機械產(chǎn)品本身安全的同時 還應保證機械周圍的人和環(huán)境的安全 二 人 機 環(huán)境系統(tǒng)的安全性 人 機 環(huán)境系統(tǒng)的安全有以下兩方面的內(nèi)容 1 勞動安全 保障機械產(chǎn)品操作人員的安全 是勞動安全最起碼的要求 為此應設計出各種保護裝置 如防護罩 防護蓋 安全擋板 隔離板等 把人和危險區(qū)分開 當人或其它物體誤入危險區(qū) 光束受阻 發(fā)出電訊號 由控制線路使機器停止轉動并發(fā)出報警信號 用安全蓋2通過中間繼電器1控制電動機 帶有偏心輪的安全蓋2完全關閉時 偏心輪才能夠使中間繼電器1接