Точность расчетов — основа качественного выполнения проекта

При кустарном производстве ТС, когда не использовался чертежный способ проектирования, наилучшие формы из­делия появлялись в процессе многовековых поисков путем проб и ошибок как результат бесчисленных неудач и нахо­док. Хранилась информация об этом, в первую очередь, в форме самого изделия. Кроме того, частично информация хранилась в виде эталонов, шаблонов, а также передавае­мых при обучении навыков. Такое положение было гаранти­ей того, что изготовленная ТС будет работоспособна и надеж­на [75].

При современном производстве и чертежном способе про­ектирования, при котором значительно легче изменить и по­догнать на бумаге детали друг к другу, конструктор уже не может с гарантией утверждать, что изделие будет полностью соответствовать условиям его изготовления и эксплуатации. В значительной мере эта проблема разрешается путем прове­дения комплекса расчетов изделия, а затем его изготовлени­ем и испытанием опытных образцов.

Расчет позволяет определить прочность, жесткость, на­дежность конструкции, а также её эксплуатационные ха­рактеристики. Чем больше элементов конструкции ТС пред­варительно определяются при помощи расчетов и чем точнее эти расчеты, тем меньше переделок, изменений и уточнений потребуется после испытаний опытных образцов и тем мень­ше времени потребуется на внедрение его в производство.

Целесообразно повышение как качества, так и количес­тва выполняемых расчетов на стадии проектирования ТС. Желательно, чтобы все элементы конструкции (размеры, сечения, деформации, материал и др.) определялись расче­том. Однако не всегда для этого разработаны соответствую­щие методики, создание которых требует глубоких знаний и понимания происходящих физических процессов в ТС, а также умения описать эти процессы математически. Многие процессы могут быть объяснены и поняты только после про­ведения соответствующих научно-исследовательских работ. Зачастую разработанная методика расчета ТС является ос­новой кандидатской или даже докторской диссертации.

При проектировании машины и её деталей выполняются два основных вида работ: первый - расчет конструкции, вто­рой — изображение конструкции детали. Эти работы могут выполняться последовательно, параллельно и чередуясь, в зависимости от сложности конструкции и имеющейся рас­четной базы.

В том случае, когда расчетная база мала, то есть недо­статочно разработано методик расчета данной ТС, многие размеры и параметры ТС устанавливаются на основе анало­гии- сходства каких-либо отдельных свойств, признаков, элементов, характеристик объектов, в целом отличающихся друг от друга [17]. Такое сравнение подобных конструкций позволяет конструктору по сходству (аналогии) выбирать значения соответствующих размеров в проекте. Например, при проектировании зубчатых передач приблизительно 70 % размеров устанавливается по аналогии или просто по интуи­ции и только 30% по расчету [72]. Такое положение приво­дит к тому, что в процессе доводки ТС и далее при её серий­ном изготовлении в конструкцию ТС вносится значительное число изменений, которых можно было избежать при более широком и тщательном проведении расчетов на этапе про­ектирования. В тех проектных организациях, где расчетам уделяется первостепенное внимание, где постоянно растет расчетная база, где тщательнейшим образом анализируются результаты экспериментов и эксплуатации машин, а по ре­зультатам анализа уточняются методики расчета, там мож­но ожидать значительного сближения результатов расчета и эксперимента, а иногда их полного совпадения. Это снижает количество требуемых изменений чертежей, а значит, раз­гружает в первую очередь конструкторов от дополнительной работы.

Можно утверждать, что качество разработки конструк­ции прежде всего определяется качеством и объёмом выпол­ненных расчетов этой конструкции. Инженеры-расчетчики принимают участие в разработке ТС на всех стадиях проек­тирования. Они выполняют важнейшую работу по переводу конструкции с уровня предварительных решений на уровень научно-обоснованных. Они выполняют кинематические и энергетические расчеты, расчеты на прочность, обеспечи­вая минимальную массу объекта. Общая расчетная схема ТС должна выполняться в следующей наиболее целесообразной последовательности [73]:

- расчет кинематической схемы;

- расчет энергетики, потребляемой и передаваемой мощ­ности, потерь энергии;

- расчеты на прочность и долговечность ТС.

Такая схема позволяет конструкторам быстро ориенти­роваться в исходных данных при разработке порученных им частей ТС. В ходе разработки должны быть выполнены расчеты сечений валов, долговечность подшипников, разме­ры шестерен, длины шпонок и шлицов, жесткость пружин, размеры тормозных колодок, усиления на рычагах и др. Эти расчеты могут выполняться как централизованно инжене­рами-расчетчиками, так и конструкторами при разработке ими соответствующих деталей.

Важность тщательного выполнения расчетов при проек­тировании может быть подтверждена примерами из различ­ных областей техники. В электромеханике точность расчета электрических машин и аппаратов в первую очередь опреде­ляется точностью расчета магнитной системы и невидимого магнитного потока.

Первые электромеханические устройства рассчитыва­лись по аналогии с ранее выполненными - наиболее удачны­ми. Такой расчет приводил к многочисленным промашкам и большим погрешностям в определении размеров магнитной цепи.

Английский электротехник Джон Гопкинсон (1849- 1898) в 1879 году дал графическое представление о зависи­мостях в электрических машинах, называемых в настоящее время характеристиками электрической машины (характе­ристика холостого хода, внешняя характеристика и др.). В 1885 году Джон Гопкинсон сформулировал закон магнитной цепи. А в 1886 году Джон и Эдвард Гопкинсоны создали тео­рию электрических машин постоянного тока.

Эти и другие работы позволили перейти от неточной аналогии и грубой эмпирики к достаточно строгому рас-

 

чету электротехнических устройств. В настоящее время точность расчета магнитных полей ещё более повышена благодаря применению численных методов, основанных на использовании уравнений Д.К. Максвелла, являю­щихся фундаментом электродинамики. Реализованы эти методы на быстродействующих вычислительных ма­шинах.

Другой пример из области воздушного транспорта, свя­занный с созданием одновинтовых вертолетов [20]. Извес­тно, что в одновинтовом вертолете (в настоящее время око­ло 90% вертолетов - одновинтовые) наибольшие трудности возникают в управлении ими. Одним из важнейших изоб­ретений в этой области, приведшим к широкому внедрению одновинтовых вертолетов, является автомат-перекос, пред­ложенный замечательным русским ученым и изобретателем, академиком Б.Н. Юрьевым ещё в 1944 году, когда он был 22-летним студентом знаменитого МВТУ. Без автомата-пе­рекоса для управления одновинтовым вертолетом необходи­ма установка трёх рулевых винтов, что значительно услож­няет конструкцию вертолета и делает её менее надежной в эксплуатации из-за взаимного аэродинамического влияния винтов. Внедрение автомата-перекоса позволило устранить два рулевых винта, сохранив лишь винт компенсации реак­тивного момента.

Принцип действия автомата-перекоса следующий. Каж­дая лопасть описывает круг при вращении. Если выполнить лопасти, имеющими возможность менять угол наклона к плоскости вращения, то можно легко управлять вертолетом. Так, если часть круга будет пройдена с большим углом уста­новки лопасти, а часть с меньшим, то тяга винта будет асим­метричной, с одной стороны - большей, с другой - меньшей, что приведет к повороту винта (и машины) в соответствую­щую сторону.

Конструктивно автомат-перекос выглядит следующим образом (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Схема автомата-перекоса: 1 - угол наклона ав­томата-перекоса; 2 - неподвижное кольцо; 3 - подвижное кольцо; 4 — поводки, управляющие кольцом; 5 - управление

с общим шагом

На валу несущего винта устанавливаются концентри­ческие кольца из подвижного кольца и двух неподвижных, охватывающих подвижное. Кольцо может иметь различный угол наклона относительно оси. От подвижного кольца идут тяги к лопастям винта, а от не вращающихся колец идут ру­левые тяги. Поворотом тяг кольца меняется угол установки лопастей.

Автомат-перекос требует тщательного расчета и качес­твенного изготовления, поэтому он долгое время не находил широкого применения. Основная роль в том, что одновин­товые вертолёты с применением автомата-перекоса заняли ведущее положение в вертолётостроении, принадлежит аме­риканскому авиаконструктору И. Сикорскому (русскому по происхождению, в 1919 г. эмигрировавшему в Америку). Когда он строил свой первый вертолёт, в котором был приме­нен автомат-перекос, в 1939 г., он отказался от определения всех параметром путем расчетов, предполагая определить оптимальную конструкцию экспериментальным путем. Это привело к тому, что многочисленные недостатки вертолета

сразу же дали о себе знать на первых же испытаниях. Так как автомат-перекос был неверно рассчитан, вертолёт плохо слушался руля и в конце концов опрокинулся и сломался.

Отказавшись от автомата-перекоса, Сикорский ввел в конструкцию три рулевых винта. Но такая конструкция оказалась неудачной из-за значительного аэродинамическо­го взаимовлияния винтов. Неудачи с этой машиной убедили Сикорского в необходимости использования автомата-пере­коса.

В новом вертолёте, построенном в 1943 г., автомат-пере- кос был рассчитан с большой тщательностью, что привело к очень успешным испытаниям этого вертолёта, изумившим присутствовавших на них военных специалистов своей вы­сокой маневренностью и точностью приземления.

В области архитектуры [25] интересна история строитель­ства отеля «Бурж-аль-Араб * (в переводе «Арабская башня») в Объединенных Арабских Эмиратах, в районе Дубая. Это один из шикарнейших отелей мира, поражающий туристов своей красотой. Он задумывался его владельцем, министром обороны Эмиратов шейхом Мохаммадом аль-Макстумом, как здание, которое должно поразить мир.

Приглашенный для создания этого чуда архитектуры, ар­хитектор, имя которого держится в тайне, предложил шейху грандиозный план: на берегу Персидского залива, в 20 км от Дубая, возвести вначале первый корпус отеля высотой в сто метров в виде голубой волны, а затем посреди морских волн возвести второй корпус высотой 321 м в виде паруса. Стои­мость проекта оценивалась в несколько миллиардов долларов.

Так как форма здания была в виде раздутого паруса, ос­нование которого меньше, чем средняя часть - необходимо было проведение тщательнейших сложнейших расчетов. Для этой цели были приглашены японские специалисты. Однако на заключительном этапе строительства оказалось, что отель стал сползать с насыпи - за год на 2 мм.

Срочно была полностью заменена команда архитекторов и строителей. Кроме японцев в команду были включены не­мецкие специалисты. Было принято решение - для того чтобы здание немно­го наклонилось в противоположную от сползания сторону, в определенных местах укрепить утяжеляющие детали. Такое решение оказалось достаточным.

Строительство башни было успешно закончено в 1999 году. Только на отделку этого необычного отеля было израсходова­но около 100 тонн золота. Отель попал в книгу рекордов Гин- неса.

Опыт проектирования и создания большого числа раз­личных ТС убеждает в чрезвычайной важности тщательней­шего выполнения расчетов как можно большего числа эле­ментов ТС.

Иногда, пренебрегая расчетами для ускорения проекти­рования, многие элементы конструкции выбираются по ана­логии с ранее выбранными. При этом зачастую происходит перерасход материалов, утяжеление конструкции, длитель­ная и мучительная наладка или невыполнение требований технического задания на ТС.

Поэтому, перефразируя афоризм А.В. Суворова можно утверждать: «Тяжело считать - легко внедрять».