Создание новых конструкций машин

Развитие всех отраслей промышленности во многом зависит от технического уровня используемых машин. Каждая внедряемая в эксплуатацию машина должна превосходить по своим качествам и технико-экономическим характеристикам лучшие мировые образцы и ранее используемые в промышленности машины аналогичного клас­са. Поэтому разработка современных конструкций машин является важной государственной задачей.

Обеспечение машинами всех отраслей промышленности требует выполнения большого объема проектных, научных и технических разработок в области подготовки и освоения производства. Весь этот комплекс работ является процессом создания новых современных конструкций машин.

В процессе создания новой конструкции машины входят следующие этапы:

1) прогнозирование;

2) проектирование (разработка конструкторской документации);

3) подготовка производства (по конструкторской документации);

4) освоение производства.

Рассмотрим содержание этих направлений работ.

1. Прогнозирование конструкций машин

Прогнозирование в области создания новых конструкций машин приобретает все большую значимость и охватывает широкий круг научных и технических направлений. Значение прогнозирования повышается тогда, когда имеет место относительно частое измене­ние требований, предъявляемых к конструкции.

Одним из основных положений научного прогнозирования яв­ляется то, что утверждение о вероятности свершения события де­лают на основании анализа событий, которые уже свершились. В условиях огромных потоков информации, имеющей как специаль­ное, так и общетехническое направление оказываются недостаточ­ными личный опыт инженера и традиционные методы предвидения развития конструкций в будущем. В связи с необходимостью научно обоснованного предвидения развития техники, технологии получения новых материалов и т.п. в настоящее время интенсивно развивается инженерное прогнозирование.

Под инженерным прогнозированием понимают научно обоснованную информацию, отражающую в виде вероятностной категории потенциальные возможности развития техники. Вопросы экономики входят в содержание прогнозирования как составная часть. В то же время техническое прогнозирование создает базу для экономических прогнозов.

Эффективность инженерного прогнозирования перед началом
проектирования машин весьма значительна и расходы на его выполнение вполне окупаются. Сложность разработки методов инженерного прогнозирования объясняется тем, что, во-первых, недостаточен объем исходной информации и зачастую отсутствуют количественные данные, по которым можно оценить возможные варианты конструктивных решений; во-вторых, необходимость учета большого числа параметров и связей между ними даже в относительно простом проекте затрудняет его оценку, так как невозможно или весьма трудно дать обобщенную оценку конструкции по равным критериям Все это указывает на необходимость соответствующей подготовки исходной информации.

Основу инженерного прогнозирования составляют три направления, определяющие значимость новых открытий и изобретений, цель и техническую стратегию, перспективный уровень развития конструкции машин. Первые два направления используют в основном для среднесрочного и долгосрочного прогнозирования (20-30 лет), а последнее направление преимущественно для кратко­срочного прогнозирования (5-10 лет). В инженерном прогнозиро­вании используют теоретические и экспериментальные средства анализа и синтеза.

Разнообразие решаемых задач в области прогнозирования при­вело к разработке большого числа методов. Наиболее широко в технике используют следующие методы прогнозирования.

1. Метод экстраполяции, который основывается на переносе динамики событий и состояний, имевших место в недалеком прошлом, на будущее. Широкое применение этот метод находит при краткосрочном прогнозировании преимущественно в областях техники, где не предвидятся существенные качественные изменения в ее развитии. Областью этого метода прогнозирования являются в основном события, развивающиеся эволюционным путем и достаточно медленно во времени.

Методом экстраполяции можно решать задачи двух типов

1) статические, в которых анализируют связи между главным признаком и другими параметрами без учета фактора времени; динамические, в которых непременной составляющей уравнений яв­ляется фактор времени. При решении задач второго типа устанавливают изменение главного признака в будущем. Исходной информацией для решения таких задач являетсядинамический ряд, отражающий изменение главного признака в функции времени. Прогнозирование развития техники на базе динамических рядов состоит из следующих основных операций:

а) приведения исходной информации к виду, приемлемому для предварительного анализа ряда,

б) нахождения зависимости между главным пара­метром и фактором времени;

в) проверки точности прогнозирования по главному параметру;

г) корректировании результатов расчета в случае существенных расхождений

2) Метод экспертных оценок заключается в том, что группе специалистов-экспертов ставят ряд вопросов, касающихся развития данного технического направления или' прогнозируемого объекта. Затем математической обработкой результатов опроса экспертов устанавливают преобладающее мнение. Сложным при использовании этого метода, который носят субъективный характер, является выбор групп экспертов, установление принципов проведения опроса, оценка точности результатов и др. Этот метод целесообразно использовать в случае отсутствия достаточно систематизированной информации о прошлом илив случае, когда научно-техническое развитие в большей степени зависит от принимаемых решений, чемот самих технических возможностей.

3). Метод моделирования характеризуется тем, что анализ ис­ходных данных ведут не на исследуемых объектах, а на их моделях, выполненных в соответствий с требованиями теории подобия, Этот метод базируется на целесообразном абстрагировании процессов развития событий в будущем. Наиболее общим и вместе с тем достаточно строгим направлением является метод математиче­ского моделирования. Прогнозирование конструкций можно рассматривать как часть научно-исследовательской работы, направленной на подбор и под­готовку исходного материала, необходимого для разработки тех­нического задания на проектирование.

На рис. 1 дана схема процесса прогнозирования, на которой указаны этапы прогнозирования и связи между ними. Исходным положением при прогнозировании является цель прогнозирования. В зависимости от нее принимают и объект прогнозирования (связь 1). Период упреждения и точность прогнозирования устана­вливают в зависимости от цели и объекта прогнозирования (связи 2 и 3). Период упреждения (период, в который ведут прогнозирование) зависит от требуемой точности прогнозирования: чем больше период упреждения, тем меньше точность прогнозирования; при необходимости повысить точность прогнозирования уменьшается период упреждения (взаимосвязь 4). В зависимости от периода упреждения устанавливают необхо­димый объем и содержание исходных данных об объекте прогнозирования: чем больше период упреждения, тем полнее должны быть исходные данные; при малом объеме исходных данных пери­од упреждения уменьшается (взаимосвязь 5).

Выбираемый метод обработки исходных данных зависит от требуемой точности прогнозирования: чем выше точность прогнозирования, тем точнее должен быть метод обработки исходных данных; при снижении точности прогнозирования принимают менее точный метод обработки исходных данных (взаимосвязь 6). Для обеспечения требуемой точности прогнозирования необходимо располагать соответствующим объемом и содержанием исходных данных об объекте прогнозирования. По мере повышения точности прогнозирования объем и содержание исходных данных должны быть более полными (взаимосвязь7).

Выбор метода обработки исходных данных об объекте прог­нозирования зависит от принимаемого периода упреждения: чем больше период упреждения, тем точнее должен быть метод обра­ботки исходных данных (взаимосвязь 8).

Наличие объема и содержания исходных данных определяет выбор метода их обработки: чем полнее исходные данные, тем точ­нее может быть метод их обработки. В то же время определенный метод требует соответствующего объема исходных данных (взаи­мосвязь 9). Определив объем и содержание исходных данных о прогнози­руемом объекте и приняв соответствующий метод обработки исход­ных данных, можно выполнить необходимые расчеты (связь 10 и связь 11). Произведенные расчеты должны дать возможность по­лучить требуемый результат прогнозирования (связь 12), на осно­вании которого могут быть разработаны допустимые варианты прогноза. Не исключается,что полученный результат прогнозирования не будет полностью отвечать поставленной цели. В этом случае необходимо уточнить отдельные этапы прогнозирования, используя обратные связи.

Рис.1

Рассмотренная схема процесса прогнозирования может ока­заться для некоторых классов задач проектирования неприемлемой. В этом случае прогнозирование следует вести в такой последовательности:

1) разработка общей схемы прогнозирования;

2) установление комплекса прогнозируемыхпараметров;

3) определе­ние требуемой точности прогнозирования;

4) установление продол­жительности периода упреждения.

Процесс прогнозирования, исходя из требований по точности, может быть разделен на следующие три части:

1) детерминирован­ную, поддающуюся точному расчету;

2) вероятностную, позволяю­щую установить предполагаемую закономерность протекания про­цесса;

3) «чисто» случайную, которая не поддается расчету.

Научное прогнозирование детерминированных процессов харак­теризуется тем, что период упреждения может быть значительным, и при этом точность прогнозирования во времени не снижается.

При вероятностных процессах точность прогнозирования ниже. Использование при прогнозировании детерминированной и вероятностной частей позволяет прогнозированный процесс сравнить с действи­тельным протеканием процесса и установить влияние «чисто» слу­чайной составляющей. Соотношение между детерминированной, ве­роятностной и «чисто» случайной составляющими зависит от уров­ня научного познания рассматриваемого процесса и может изме­няться со временем. Научно-технический прогресс способствует увеличению влияния детерминированной части в снижению влия­ния других составляющих. Поэтому повышение значимости детер­минированной составляющей и точности вероятностей составля­ющей приводит к повышению общей точности прогнозирования. Продолжительность периода упреждения следует устанавливать с учетом, во-первых, продолжительности реализации прогнозируемых процессов и, во-вторых, возможности уточнения первичных результатов прогнозирования по мере получения информации о хо­де реализации прогнозируемых процессов.

Прогнозирование конструкций машин включает рассмотрение следующих основных положений.

1. Функциональное назначение.

2. Основные технические и экономические параметры.

3. Возможные компоновочные схемы.

4. Новые материалы и виды заготовок.

5. Новые технологические процессы, оборудование и технологическая оснастка.

6. Новые формы и методы организации и управления производством.

7. Потребность и предполагаемый план изготовления машин.

8. Строительство нового или реконструкция действующего предприятия.

9. Эффективность от создания новой конструкции машины.

Прогнозировать можно и отдельные параметры машины, например, массы. В ряде конструкций особое значение приобретает необходимость ограничения массы машины на ранних стадиях проектирования. Для этого анализируют аналогичные конструкции и устанавливают математическую зависимость массы от основных параметров машины. При этом следует учесть влияние на массу параметров конструктивной сложности отдельных сборочных единиц, а также коэффициента прогрессивного снижения массы конструкции совершенствованием методов расчета и конструирования, применением прогрессивных материалов, заготовок и т. д.