Выбор конструкций станков на основе оценки их компактности

Проектируя машину, конструктор всегда стремится к повышению ее эффективности и производительности, рациональному использованию занимаемого машиной пространства, снижению ее массы и металлоемкости, то есть, стремится к созданию компактной конструкции.

В технике под компактностью можно понимать эффективное использование механизмом занимаемого им пространства. В данном случае эффективность является комплексным показателем, который определяет, в какой мере реализуется главное назначение оборудования. Под занимаемым машиной пространством можно понимать тот объем, который заполнен ее веществом. Конструкция будет более компактной, если: — при одинаковых с прототипом размерах она обеспечивает большие мощность, прочность, жесткость, имеет лучшие рабочие параметры (передаточные отношения, крутящий момент и др.);

— конструкция имеет, меньшие, по сравнению с прототипом, размеры, массу, и гарантирует вылолнеие своего служебного назначения.

В различных областях техники существуют свои взгляды на необходимость создания компактных конструкций и на критерии оценки компактности. Так при разработке авиационной военнной и транспортной техники, компактность является одной из важнейших характеристик, потому что каждый лишний килограмм уменьшает полезную мощность, скорость, грузоподъемность, дальность действия. Именно в этих областях разработано и применяется наибольшее количество различных критериев оценки компактности. Например, в авиации такими показателями являются удельная мощность и тяговооруженность, измеряемые соответственно в Вт/кг и Н/кг. Эти критерии используются не только для оценки компактности летательных аппаратов целиком, но и для анализа качества конструкции их отдельных узлов и агрегатов (например двигателей, гидроприводов, редукторов различного назначения) [50].

Для определения компактности военной техники используется целый ряд показателей. Наиболее интересным примером здесь может служить оценка рациональности конструкции танков. Так как в них должны сочетаться огневая мощь, броневая защита и подвижность. Для оценки компактности конструкции танковой пушки (как и любого другого орудия) можно воспользоваться ее эффективной удельной мощностью, которая может быть выражена как. произведение дульной энергии на скорострельность орудия и на вероятность попадания в цель, отнесенное к массе танка (артиллерийской установки) [49]. Для оценки степени защищенности объекта применяют показатель отношения приведенной толщины брони лобовой проекции танка к забронированному объему и, наконец, при: оценке подвижности используют отношение мощности танкового двигателя к массе танка.

На транспорте часто пользуются показателем удельной грузоподъемности, характеризующим отношение массы (веса) полезной нагрузки к массе (весу) транспортной машины [49]. Этот показатель удобен для оценки компактности железнодорожных вагонов,-однако, для самодвижущихся транспортных средств этот показательневыразителен, так как нужно учесть еще и скорость. Поэтому необходимо использовать другие критерии. Например, для оценки компактности экскаваторов используют отношение производительности (м-учас) к его массе [ 49 3.

В отличие от вышеперечисленных примеров, при проектировании станка не всегда обращают внимание на его компактность. Между тем, компактность часто сказывается на важнейших эксплуатационных характеристиках, таких как точность, надежность и комплексно характеризует уровень разработок. Так, при проектировании новых станков (в том числе на базе мехатронных систем) важно производить их количественную оценку на этапах выбора методов формообразования, схем движений и компоновок.

В отдельных случаях, при больших размерах обрабатываемой детали очень важно уменьшить занимаемую станком площадь, снизить его массу, то есть компакность выступает в качестве целевой функции.

Но даже при неизменных размерах конкретной машины выгодно иметь более компактные отдельные узлы и механизмы (например, коробки скоростей), поскольку их рабочие функции в этом случае могут выполняться наиболее эффективно, тем более, что повышение компактности перемещаемых узлов, может снизить динамические нагрузки в станках.

Ввиду недостаточного внимания, уделяемого компактности в станкостроении, критерии ее оценки в этой области развиты значаительно хуже, чем в других отраслях машиностроения. Иногда качество конструкции металлорежущих станков оценивают отношением номинальной мощности приводного электродвигателя к массе станка [21], [22] (показатель этот невыразительный, так как он не учитывает точность, степень использования номинальной мощности, а также производительность станка). Иногда пользуются показателем металлоемкости, представляющим отношение массы к-производительноети станка, выраженной через количество обрабатываемых деталей в единицу времени. Недостатком этого показателя является то, что он не учитывает размеров, формы и материала заготовки [231. Для оценки качества несущей системы станка (наиболее спецефической его составляющей) пользуются такой характеристикой как статическая (реже динамическая) удельная жесткость, которая характеризует спосбность несущей системы сопротивляться упругим деформациям [82].

Таким образом, проблема снижения веса машин при одновременном улучшении ихкачества привлекает внимание всех машиностроителей и в первуюочередь конструкторов, которые всегда стремятся к созданию компактной (красивой) конструкции, обеспечивая снижение массы, эффективнее используя рабочее пространство, совмещая функции отдельных механизмов и т. п. Тем более, что очень часто вопрос повышения компактности решает судьбу конструкции.

Данная работа посвящена оценке компактности различных машин и механизмов (в первую очередь станочного оборудования и основных его элементов) на основе их удельных характеристик, классификации основных принципов повышения компактности, а также оптимизации станков и механизмов станочного оборудования' по критерию компактности при помощи различных физико-технических эффектов. Научная новизна работы состоит:

1. В установлении количественного критерия оценки компактности станков и их характерных узлов (двигателей главного движения, коробок скоростей, несущих систем) в виде удельной производительности, определяемой отношением реализуемой мощности резания к массе станка.

2. В определении количественной взаимосвязи между основными конструктивными особенностями и параметрами узлов станков, таких как кинематическая структура, передаточные отношения коробок скоростей, размеры элементов несущей системы и др. и их компактностью.

3. В математических моделях для оценки компактности станков и их характерныхподсистем, учитывающих влияние основных параметров главного привода и несущей системы, таких как мощность, жесткость, конструктивные особенности и др. на уровень компактности.

Практическая полезность работы заключается:

1. В инженерной методике оценки компактности станочного оборудования и их характерных подсистем.

2. В количественной оценке способов повышения компактности станков и их характерных механизмов. .

3. В ранжировании по критерию компактности станков характерных компоновок (консольных, портальных, «гексаподов», и т. д.), а также наиболее распространенных коробок скоростей.

4. В разработке рекомендаций по выбору характерных приемов повышения компактности станочного оборудования, таких как: использование новой технической идеи или иного физического принципарасширение универсальностиисключение «лишних» звеньев и объединение механизмовприменение многопоточных схемрационализация сшювых и конструктивных схемприменение более рациональных с точки зрения компактности материаловувеличение быстродействия.

Диссертация содержит введение, шесть глав, заключение и приложения. В первой главе определяется значение компактности как одного из важных принципов рационального конструирования. В ней приведены примеры влияния компактности на достижение главной цели проектирования. Дано описание основных методов повышения компактности. Вторая глава содержит общую постановку задачи количественной оценки компактности станочного оборудования. Третья, четвертая и пятая главы посвящены количественной оценке компактности станочных приводов, коробок передач и несущих систем.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В ПУБЛИКАЦИЯХ.

1) Толстов К. М., Количественный метод оценки компактности коробок скоростей станков с ЧПУ.// Межвузовский научный сборник. Исследование станков и инструментов для обработки сложных и точных поверхностей. — Саратов: СГТУ, 1997 г., стр. 71 -81.

2) Толстов К. М. Количественный метод оценки компактности станков.// XXIII Гагаринские чтения. Сборник тезисов докладов научной конференции. Москва, 8−12 апреля 1997 года. (Часть 6) -М: РГТУ МАТИ, 1997 г., стр. 65−66.

3) Толстов К. М. Оценка компактности несущих систем по критерию удельной мощности.// Сборник научных трудов конференции «Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении». Уфа, 1997 год. — Уфа: УГАТУ, 1997 г., стр. 60 -61 .

4) Толстов К. М. Несущие системы «гексапод» .//Сборник научных трудов. Проектирование технологических машин., М: МГТУ «Станкин», 1997 г., вып. 6, стр. 51 — 545) Толстов К. М. Оценка компактности станочного оборудования.// СТИН — статья принята к публикации в 1998 г.

6) Виноградова Т. И., Толстов K.M. Использование метода компьютерной алгебры при конструировании станочного оборудования.// Методические указания. М: МГТУ «Станкин», кафедра «Станки», 1998 г., 38 с.

7) Толстов К. М. Удельная производительность коробок скоростей металлорежущих станков.// «ХХ1У Гагаринские чтения.» .

Тез. докл. Всероссийской молодежной научной конференции. Апрельь 1998 г. МГАТУ", М. 1998,4.6, стр. 41−42.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные е диссертационной работе исследования позволили решить актуальную научную проблему количественной оценки компактности машин, которая необходима для совершенствования конструкций станков на основе повышения их компактности.

Решение указанной задачи опирается на следующие научные и практические результаты диссертационной работы.

1. Предложен дополнительный обобщенный показатель оценки эффективности станочного оборудования в виде критерия компактности, который определяется отношением реализуемой мощности резания к массе станка и учитывает такие показатели качества станков по ГОСТ 4–93−86, как размеры заготовки и рабочего пространства станка, количество управляемых осей координат и-число управляемых осей, пределы частот вращения, рабочих подач, силовые характеристики^{станка,} показатели точности (жесткость) и производительности.

При этом станок рассматривается как совокупность следующих рабочих органов:

1) приводы гланого движения (один или несколько, в зависимости от конструкции станка);

2) несущая система станка с приводами подач.

2. Предложен показатель — удельная производительность в качестве критерия оценки компактности электродвигателей и гидромоторов, использующихся в станочных приводах главного движения. Разработана математическая модель для определения компактности электродвигателей, заключающаяся в определении их удельной производительности через удельную подъемную силу ротора, отнесенную к плотности его материала, номинальную угловую скорость ротора двигателя, а также типа и конструкции электродвигателя.

Разработанная математическая модель для определения компактности электродвигателей позволяет оценивать их эффективность на начальных этапах проектирования станка. Сравнительная оценка электродвигателей и гидромоторов (при У м = 150.300 рад/с) показала преимущество большинства конструктивных схем гидромоторов (за исключением радиально-поршневых) над двигателями переменного тока в 1,5.2 раза, а над двигателями постоянного тока — в 3—.4 раза, для приводов главного движения мощностью до 10 кВт. Для приводов большой мощности преимущество гидромоторов невелико.

3. Был обоснован выбор удельной производительности в качестве критерия оценки компактности коробок скоростей станков, как комплексного показателя, оценивающего качество их конструкции. Была предложена математическая модель для расчета удельной производительности и массы коробки скоростей, которой можно пользоваться на этапе разработки ее кинематической схемы. Расхожение показателей, расчитанных по данной математической модели и их реальных значений для коробок скоростей серий 01? и 2К, составили 734%.

На основе анализа коробок скоростей конкретных конструктивных схем было отмечено, что при конструировании коробок скоростей используются те же способы повышения компактности, что и при проектировании других машин и механизмов. Основными из этих способов являются:

1) использование иной технической идеи (например, переход от обычных коробок скоростей к корбкам с использованием" перебора и к планетарным передачам, в последнем случае можно добиться повышения удельной производительности от 5 до 30 раз по сравнению с традиционными коробками скоростей);

2) увеличние числа силовых потоков (особенно в коробках скоростей с перебором и планетарных коробкахнапример, при увеличении числа силовых потоков в коробке с перебором с одного до трех, их удельная производительность увеличивается в 1,5—. 2 раза);

3) уменьшение числа звеньев в коробке (использование центрального колеса в качестве муфты в коробке скоростей с перебором приведет к сокращению ее осевогоразмера и увеличению удельной производительности пропорционально сокращению ее осевого размера);

4) рационализация существующей кинематической и конструктивной схемы (например, оптимальное разбиение передаточных.

— зооотношений, которое бы обеспечивало равнопрочность передач всех ступеней коробки, позволяет увеличить удельную производительность до 3 раз, по сравнению с наиболее неблагоприятными случаями: более рациональная конструкция механизма переключения скоростей в коробке, сокращающая ее осевые размеры: оптимальное число зубьев ведущих колес г = 12.20);

5) увеличение угловых скоростей (как номинальной — на входном валу, так и скоростей вращения колес внутри коробки);

6) применение материалов, обладающих улучшенными механическими характеристками (повышенной удельной прочностью), для изготовления зубчатых передач коробок скоростей.

7) увеличение диапазона регулирования коробок передач сначала (при = 1.4) приводит к росту удельной производительности коробок скоростей, однако, при больших значениях (й^ > 4) наблюдается значительное падение удельной производительности.

Данные результаты, соответствующие существующей практике и здравому смыслу, подтверждают работоспособность математической модели оценки компактности коробок скоростей. '4. Предложен критерий количественной оценки компактности несущих систем, заключающийся в определении их удельной производительности. Удельная производительность несущей системы при заданной точности обработки зависит от:

1).-числа обрабатываемых на станке и одновременно управляемых координат;

2) средней величины рабочей подачи (зависящей при заданных скорости и глубине резания от стойкости режущего инструмента):

3) удельной податливости несущей системы;

4) размеров обрабатываемой детали.

Предложена математическая модель оценки средней удельной податливости несущих систем по всему рабочему пространству станка, заключающаяся в суммировании отношениий удельных податливостей последовательно соединенных элементов несущих систем к их коэффициентам, компоновки, которые являются отношением массы элемента несущей системы к массе всей несущей системы.

Были сформулированны следующие приемы повышения компактности несущих систем. Как и при конструировании других механизмов, для повышения компактности несущих систем станков характерны следующие методы:

1) использование новой конструктивной схемы (например, переход от консольной несущей системы к портальной сокращает удельную податливость примиерно в 2 раза, а к несущей системе параллельной структуры типа «гексапод» в 4.5 раз):

2) увеличение числа силовых потоков, которое может быть достигнуто увеличением числа одновременно обрабатываемых на станке координат;

3) исключение звеньев конструкции (например, переход от крестовой стойки многоцелевого станка к стойке с продольным и столу с поперечным перемещением исключает из конструкции такой узел, как салазки);

4) рационализация конструкции, которая может заключаться в оптимизации размеров элементов несущей системы, с целью снижения удельной податливости;

5) увеличение быстроходности, при конструировании несущих систем будет заключаться в увеличении скоростей подач (в основном, за счет применения более качественного и стойкого режущего инструмента);

6) применение более выгодных по критерию удельной податливости материалов.

5.' Сформулирована инженерная методика оценки компактности станка, при помощи которой проведена оценка компактности вертикальных и горизонтальных многоцелевых станков, токарных станков с ЧПУ и тяжелых зубофрезерных станков. В результате сделаны следующие выводы:

1) наиболее эффективным способом повышения компактности, станков является использование новой технической идеи, связанной с изменением методов формообразования, схемы движений и компоновки станка, позволяющее повысить их удельную производительность в 5.10 раз:

2) увеличение универсальности горизонтальных многоцелевых станков путем увеличения сторон, обрабатываемых за одну установку с четырех до пяти, увеличивало удельную производительность их несущих систем примерно в 1,5 раза.

3) увеличение компактности узла станка при уменьшении числа звеньев особенно ярко выражено при сравнении привода главного движения станка, имеющего двигатель постоянного тока и трехскоростную коробку передач, и мотор-шпинделя: удельная производительность последнего выше в 15 раз.

4) увеличение числа силовых потоков за счет увеличения числа приводов подач с четырех до пяти позволило увеличить его удельную производительность примерно на 20.25%.

5) совершенствование конструктивной и силовой схехмы станка путем уменьшения удельной податливости несущей системы примерно на треть, а также, увеличение быстродействия за счет повышения скоростей подач примерно в 2 раза, позволило увеличить удельную производительность токарного станка в 1,5 раза.

6) оценка результатов расчета удельной производительности станков показала, что в тех случаях, когда конструкторы стремились к увеличению компактности станков, улучшались и их рабочие показатели (такие как, жесткость, скорости подач и др.) — с другой стороны, когда конструкторы увеличивали жесткость, производительность и универсальность станочного оборудования, наблюдался и рост его компактности.

6. Методику оценки компактности, наиболее целесообразно применять на ранних этапах проектирования, а именно при разработке концепции станка, выборе методов формообразовыания,.

— схем движения и компоновок станковпри разработке тяжелых станков, когда важно уменьшить, занимаемую ими площадьпри разработке кинематических схем, как на этапах выбора их структуры, так и при оптимизации ее параметров, при оценке многофункциональных узлов.

7. Основными способами повышения компактности машин и механизмов являются:

1) применение новой технической идеи для повышния компактности;

2). расширение, универсальности узлов машин и механизмов;

3) исключение лишних конструктивных звеньев и реализация одинаковых и подобных функций одним элементом;

4) применение многопоточных силовых схем;

5) рационализация конструктивной и силовой схемы;

6) применение более выгоднго, с точки зрения компактности, материала, обладающего повышенными удельным характеристиками;

7) повышение быстродействия и быстроходности машин и механизмов там, где это возможно.