Технические требования к проектируемой машине (ТС)

Технические требования (ТТ) к машинам составлены на основе огромного опыта, накопленного в процессе их созда­ния и эксплуатации [73]. Необходимость в ТТ появилась при переходе от индивидуального кустарного производства ма­шин к промышленному для обеспечения их сбыта в услови­ях рынка. С развитием техники они менялись. В настоящее время в их состав включают следующие требования:

- типизации;

- максимально возможной автоматизации;

- снижения массы;

- технологичности конструкции;

- безотказности и долговечности;

- эстетического оформления;

- безопасности в работе;

- конкурентоспособности.

Типизация машин. Для снижения затрат на производс­тво, ремонт и эксплуатацию рекомендуется для машин мас­сового и серийного производства разрабатывать их типажи с конкретными параметрами и размерами. Типаж - это тех­нически и экономически обоснованная совокупность типов и типоразмеров машин, объединённых общностью назначе­ния и имеющих прогрессивные показатели. По типажу ма­шины делятся на группы, подгруппы, классы, подклассы и т.п. В основу типажа.берётся базовая модель, обладающая наиболее высокими технико-экономическими показателями (надежность, долговечность, металлоёмкость, стандартиза­ция и т.п.). Типаж должен разрабатываться для тех машин, в которых имеется большая потребность.

На основании параметрических рядов и выбранной базо­вой модели в типаже устанавливаются нужные типоразме­ры машин. Параметрические ряды представляют

собой ряд предпочтительных чисел основных параметров (например, ряд мощностей ЭМ, ряд грузоподъёмностей кранов и т.п.). На базе системы типизации машин, например в станкост­роении создан скоростной метод проектирования станков, согласно которому конструктор при проектировании станка просто компонует его из составных узлов, выбирая их из раз­работанных типажей параметрического ряда.

В электровозостроении в начале 70-х годов был разра­ботан размерный ряд и типажи электроподвижного состава для открытых горных разработок [7В], в котором на основе анализа условий работы и конструктивных особенностей карьерного транспорта были приняты основные параметры для перспективных электровозов.

Основным параметром, характеризующим промышлен­ные электровозы для карьеров открытой разработки полез­ных ископаемых, является расчетная сила тяги, которая в свою очередь определяется сцепной массой и коэффициен­том сцепления колеса с рельсом.

Предложенный размерный ряд параметров представлял собой в первую очередь возрастающий ряд сцепных масс, а также в него вошли: число осей электровоза (агрегата), на­грузка на ось, сила тяги, мощность электровоза. Например, для 4 осей, при нагрузке, равной 25 т, и сцепной массе 100 т, сила тяги, часовая, принята равной 25 т, а мощность элект­роподвижного состава 1800 кВт. При разработке типажа пре­дусматривалась максимальная унификация узлов и агрега­тов и минимизация числа возможных типов и модификаций электроподвижного состава, допускающего их объединение в тяговые агрегаты.

Стремление к повышению эффективности электротяги для карьеров с повышенными уклонами железнодорожно­го пути привело к созданию новой системы электротяги - к электровозомотородумпкарной или, другими словами, к тяговым агрегатам. Тяговые электрические двигатели в этом случае устанавливаются не только на электровозе, но и на думпкарах. Управление и питание всех тяговых двигателей производится с электровоза. Применение тяговых агрегатов позволило снизить как капитальные затраты, так и эксплуатационные расходы. Главным параметром при разработке типажа была вы­брана сцепная масса тягового агрегата. По значению этой массы выбиралось число осей, мощность агрегата, давление на ось и др. Типаж включал в себя следующие основные системы под­вижного состава:

система переменного тока напряжением 10 кВ;

система постоянного тока напряжением 1,5 кВ.

Внедрение этого типажа позволило расширить область

экономически целесообразного применения электрифици­рованного железнодорожного транспорта.

В настоящее время разработан типаж электровозов: ма­гистральных, скоростных, пассажирских. В основу его по­ложены последние достижения в мировом электровозос­троении: регулируемый электропривод с асинхронными тяговыми двигателями, микропроцессорная вычислитель­но-управляющая система, диагностическая система состоя­ния и работы схемы и агрегатов электровоза и др.

Для общепромышленного применения проектируют се­рии электрических машин - ряд возрастающих по мощнос­ти электрических машин, имеющих одну конструкцию и технологию производства. Такие серии предназначены для массового производства. Экономический эффект стремятся получить для всей серии в целом, а не только для отдельной машины, за счет унификации узлов машин и рационализа­ции производства внутри завода.

Для серий асинхронных машин стремятся при одном и том же внешнем диаметре статора, но изменении длины сердечника статора получить несколько машин различной мощности и частоты вращения.

Для машин постоянного тока также стремятся для одного диаметра сердечника якоря, изменяя его длину, получить не­сколько машин, отличающихся мощностью и частотой враще­ния. Известны серии машин постоянного тока: П, созданная в 1956 году; 2П, созданная в 1974 году. В серии 2П по сравнению с П при одной и той же высоте оси вращения мощность увели­чена в 3-5 раз, а диапазон регулирования - в 1,6 раза.

Для гибких автоматизированных систем и робототех­ники в 1984 году создана серия 4П, в которой применены: компенсационная обмотка, шихтованный магнитопровод, квадратная станина, изоляция класса нагревостойкости F и форсированное охлаждение. В серии 4П проведена унифика­ция по деталям и сборочным единицам с другими сериями.

Единые серии асинхронных машин первоначально раз­рабатывались на отдельных заводах.

Первые единые всесоюзные серии асинхронных двигате­лей А (с короткозамкнутым ротором) и АК (с фазным рото­ром) появились в 1952-56 годах.

В 70-х годах 20 века появилась серия 4А — разработки стран СЭВ и СССР, включающая двигатели асинхронные до 400 кВт.

В 80-х годах организацией социалистических стран раз­работана серия АИ. Асинхронные двигатели этой серии мощ­ностью 0,25-315 кВт обладали высокими энергетическими показателями, повышенной надежностью и низким уровнем шума.

Автоматизация управления машиной - основана на испо звании систем программирования их работы, авто­матического контроля и регулирования и т.д. Автоматиза­ция приводит к повышению производительности машин, их надежности и безопасности. По степени автоматизации ма­шины делятся:

- на автоматы, работающие без участия человека, чело­век только запускает и останавливает машину;

- полуавтоматы, выполняющие работу без участия чело­века только в течение одного цикла, для повторения ко­торого необходимо вмешательство человека;

- неавтоматизированные, выполняющие работу при пос­тоянном участии человека.

На самолетах, кораблях, электровозах, кроме ручного уп­равления, применяют автоматическое. Например, при следо­вании по определенному курсу. Иногда применяется дистан­ционное управление по проводам или радио, если оператору нельзя находиться в зоне работы машины. Следящие систе­мы посылают сигналы при изменении обстановки (например, эхолот корабля при появлении преграды - скалы, айсберга). В последнее время всё большее применение находят маши­ны с обучающимися электронными устройствами - робота­ми. Наибольшее распространение они получили в Японии и США. Чаще всего они используются для выполнения утоми­тельных, однообразных и опасных для человека работ.

Снижение массы и уменьшение габаритов - имеет ог­ромное технико-экономической значение, так как при этом экономится металл, уменьшаются затраты труда на погруз­ку-разгрузку, расход энергии и т.п. Основным мероприяти­ем, позволяющим уменьшить массу и габариты машины, является увеличение рабочих скоростей, значительно об­легчающих передающие движение части машины. Скорости машины могут выбираться, исходя из требований стабили­зации технологического процесса, но чаще всего скорость ограничивается быстрым нарастанием инерционных сил движущихся частей, повышенным износом и нагревом тру­щихся частей, повышением опасности для человека.

В электромеханике высокооборотные электрические ма­шины имеют значительно меньшую массу, чем низкообо­ротные. Это связано с тем, что ЭДС, создаваемая в провод­никах электрической машины, пропорциональна значению магнитного потока и скорости перемещения проводников и магнитного потока друг относительно друга.

При большой скорости перемещения для создания одной и той же ЭДС требуется меньший поток, а значит, и меньшее сечение магнитопровода для его проведения и соответственно меньшая масса как магнитопровода, так и машины в целом.

За XX столетие масса асинхронных двигателей снизи­лась при одной и той же мощности примерно в 3-3,5 раза [1]. Снижение металлоемкости машины возможно также за счет применения легированных сталей, пластмасс и новых мате­риалов.

Одним из резервов снижения массы и уменьшения габа­ритов является повышение точности расчета деталей машин на прочность. Расчеты на прочность и долговечность позво­ляют конструктору выбирать сечения элементов деталей. При этом конструктор руководствуется расчетными нагруз­ками, исходя из учета возможных перегрузок, динамичнос­ти и внезапности приложения нагрузок. А так как он часто не уверен, что учел все возможные перегрузки, то заклады­вает в расчет дополнительные запасы по прочности, то есть увеличивает отношение расчетных напряжений к пределу текучести материала. В этом случае коэффициент запаса по прочности оправдывает своё название ♦коэффициента не­знания» или можно назвать его «коэффициентом перестра­ховки». Поэтому расчет деталей по наиболее совершенным методам и более обоснованный выбор коэффициента запаса прочности - существенный резерв снижения массы и умень­шения габаритов машины.

Технологичность конструкции - это возможность из­готовления её деталей с наименьшими трудовыми затрата­ми при рациональном расходовании материала. Форма и размеры детали должны как можно ближе соответствовать имеющимся заготовкам. Технологичность повышается при использовании в конструкции стандартизированных, нор­мализованных и унифицированных деталей. Технологич­ность относительна и определяется оснащенностью про­грессивной техникой завода-изготовителя. Машина может быть нетехнологична на одном, но вполне технологична на другом заводе.

Понятию «технологичная» - отвечает конструкция, удовлетворяющая условию минимума производственных и эксплуатационных затрат [55].

Надежность машины - это её свойство выполнять свои функции, сохраняя значения параметров в заданных пре­делах при заданных режимах эксплуатации и наличии со­ответствующего технического обслуживания, ремонта, хра­нения и транспортирования. Надежность обеспечивается совокупностью трёх свойств: безотказностью, долговечнос­тью и ремонтопригодностью. Безотказность - свойство со­хранять полную работоспособность в течение определенного периода работы. Долговечность - свойство машины длитель­но сохранять (с учетом ремонта) работоспособность до разру­шения или до состояния невозможности нормальной эксплу­атации. Машина должна рассчитываться на срок службы в течение которого её эксплуатация технически и экономичес­ки целесообразна.

В конечном итоге надежность машины определяется её устройством, конструктивным исполнением всех её элемен­тов и качеством изготовления. Раньше чаще всего надеж­ность обеспечивалась за счет использования больших запа­сов прочности, что приводило к увеличению массы машины. В настоящее время надежность повышается за счет оптими­зации кинематической схемы, использования стандартизи­рованных узлов и деталей, внедрением систем контроля не­исправностей.

Долговечность тяговых электродвигателей железнодо­рожного транспорта достигает 25 лет (ГОСТ 2582-81).

Художественно-эстетическому оформлению машин в последние годы в связи с развитием конкуренции уделяет­ся всё большее внимание. Разработчики стремятся придать машине красивый, изящный вид без ухудшения её эксплу­атационных качеств, что приводит не только к лучшему сбыту, но и к улучшению обращения с машиной в работе. Правильное распределение массы и красивое оформление её элементов вызывает у машиниста приятные успокаиваю­щие ощущения. Красота машины не может быть обеспечена только её техническим совершенством, она обеспечивается при использовании в ходе проектирования эстетических эле­ментов - например, симметрии, ритма, контрастности, пра­вильному размещению органов управления, пультов, при­боров, панелей. Машины имеют выразительные элементы, с помощью которых в основном и решаются задачи техничес­кой эстетики: это материал деталей, качество поверхностей, размеры машины, число фасонных деталей, цветовая окрас­ка и др. Для примера рассмотрим действие цвета на челове­ка. Желтый и оранжевый цвета действуют тепло, возбужда­юще, синий цвет - цвет отдыха, светлые синие тона создают веселое легкое настроение, темные цвета производят холод­ное впечатление пустоты, зеленый цвет - психологически приятно охлаждает и успокаивает, стимулирует вниматель­ность и ослабляет нервное напряжение, белый цвет создает ощущение свежести и производит отрезвляющее холодное впечатление, серый цвет является цветом сдержанности и скромности, коричневый - мягкости и уюта.

Безопасность работы с машинами и устройствами актуальна на протяжении всей истории развития техни­ки. В начале XX столетия в основу требования безопаснос­ти была заложена идея, что конструкция машины должна исключать несчастные случаи, даже если на ней работает абсолютно неквалифицированный и не умеющий логичес­ки мыслить человек. Однако такое требование оказалось трудноисполнимым и непрактичным, так как приводило к усложнению и удорожанию машины, но не исключало не­счастных случаев.

F ~ле требования предусматривали обязательное обуче­ние рабочего правилам техники безопасности при работе на машине. Для безопасности работы на машине необходимо учитывать не только размеры человеческого тела, но и фи­зиологические возможности его органов, нервную систему и психику. Конструктор машины должен при проектирова­нии учитывать строение человеческого тела, характер тру­да, природу утомления и возможности его ограничения, фи­зические возможности оператора (зрение, слух, обоняние, осязание).

Зрение дает 90% информации оператору. Конструктор должен по зрению учитывать два фактора: величину поля зрения и наименьший размер видимых деталей. Величина поля зрения ограничена конусом с углом при вершине 60°. Наименьший размер видимых деталей соответствует угла зрения. Звук помогает оператору реагировать на работу машины. Обоняние позволяет определить присутствие лету­чих веществ, оно может сигнализировать о нарушении гер­метичности в системе машины. Осязание используется для быстрого распознавания рукояток на ощупь, для чего на них наносят рифление, накатку и др. Материал и форма сидения для оператора должны вызывать приятные ощущения.

Рабочее место должно оформляться, исходя из соблюде­ния условий безопасности, удобной рабочей позы, облегче­ния операций управления. Все подвижные части машины, представляющие опасность, должны иметь ограждения. Смазка машины должна быть по возможности централизо­ванной или автоматизированной. Двигатели и механизмы должны быть защищены от проникновения влаги. Во время работы оператор не должен подвергаться воздействию рез­ких сотрясений, толчков и раскачиванию.

Шум (дБ) на рабочем месте оператора не должен превы­шать следующих норм:

- высокочастотный шум 75-85;

- среднечастотный 85-90;

- низкочастотный 90-100.

Освещенность в машинном отделении должна быть не

менее 50 лк, свет должен быть рассеянным и не должен ока­зывать слепящего действия.

Для конкретного типа машин состав ТТ регламентирует­ся ТЗ, ТУ, нормативами, правилами, ГОСТ и др.

Для электротехнических изделий важнейшим показа­телем безопасности является степень защиты обслуживаю­щего персонала от соприкосновения с их токоведущими и вращающимися частями, задаваемая в соответствии с ГОСТ 14254-89.