«УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Седов В.П., Кейн Е.И. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим объединением Российской Федерации по образованию в области лесного ...»

Диакоптический анализ – это разделение, разбиение, декомпозиция проектируемого объекта на составные части – системы, подсистемы, компоненты и др. – для облегчения и ускорения параллельного процесса проектирования объекта по составным частям.

Корреляционно-регрессионный анализ – это комплекс методов описания, упорядочения и оценки исходной информации об объекте, среде, в которой предстоит функционировать объекту, имеющему статистический характер.

Спектральный анализ – комплекс методов оценки частотных свойств, присущих техническим объектам и существенно влияющих на работоспособность проектируемого объекта.

Параметрический анализ может делиться на статический, кинематический и динамический, т.е. это комплекс методов определения фазовых переменных (усилий, скоростей, ускорений и др.) как в стационарных, так и в неустановившихся режимах работы объекта.

Технико-экономический анализ – это комплекс методов для нахождения наиболее экономичных путей достижения требуемых параметров проектируемого объекта.

Структурный синтез – это процесс формирования множества альтернативных структур проектируемого объекта. Под структурой понимается набор взаимосвязанных (посредством определенных видов связей, отношений) подсистем, элементов и др.

Параметрический синтез – это выбор совокупности независимых и управляемых параметров и их значений в процессе проектирования объекта, его систем и отдельных элементов.

Оптимизация – это совокупность процедур поиска, методов и алгоритмов, позволяющих при наличии различных ограничений (технических, технологических, экономических, эргономических, экологических и др.) и целевых установок (т.е. ряда требований, предъявляемых к объекту проектирования в соответствии с условиями эксплуатации, транспортировки, складирования и т.д.) определить оптимальные параметры и структуру проектируемого объекта, системы, изделия. Ввиду колоссального значения оптимизации для достижения поставленной перед проектированием конечной цели, процессу оптимального проектирования, его методам и приемам посвящена глава 6.

Геометрическое моделирование – это процесс отображения и воспроизведения геометрической структуры (модели) проектируемого объекта на основе исходных примитивов (базисных элементов, компонентов и др.).

Диакоптический Структурный Техникоэкономический Рисунок 3 - Блок-схема проектных процедур 1.3 Принципы проектирования Основополагающим принципом проектирования является принцип оптимума, т.е. поиск оптимальной структуры и параметров объекта и всех его элементов на базе выбранных критериев оптимизации с учетом большого количества ограничений, соответствующих многочисленным принципам проектирования, которые упрощенно можно классифицировать по трем группам: технические, экономические и социально-экологические.

1.3.1 Технические принципы Принцип соответствия заданному функциональному назначению.

Принцип предупреждения морального старения, т.е. в конструкции объекта должна быть заложена возможность дальнейшего совершенствования, модернизации объекта.

Принцип максимального использования всех форм стандартизации и унификации / 11 /.

Принцип технологичности конструкции объекта.

Принцип прочности, надежности и долговечности конструкции машины.

Принцип максимальной автоматизации управления машиной (что можно также отнести к группе социальных принципов проектирования, т.к. целью автоматизации является облегчение труда человека в процессе управления машиной).

Принцип минимальной материалоемкости объекта (этот принцип очевидно также относится и к группе экономических принципов).

Принцип минимальных габаритов конструкции.

Принцип выбора рациональных форм всего объекта в целом и каждой его детали в отдельности.

Принцип снижения номенклатуры структурных составляющих объекта.

Принцип равнопрочности конструкции, т.е. все структурные элементы объекта должны обладать равной надежностью и долговечностью, а в идеале и каждая деталь должна быть спроектирована по этому принципу, что обеспечит одновременно и минимальную материалоемкость.

1.3.2 Экономические принципы Кроме уже упоминавшихся в п. 1.3.1. принципов минимальной материалоемкости, стандартизации и технологичности, снижения номенклатуры, которые одновременно являются и техническими и экономическими, к группе экономических следует отнести и ряд других основных принципов проектирования.

Принцип экономного расходования конструкционных и эксплуатационных материалов и особенно металла.

Принцип снижения трудоемкости изготовления изделий.

Принцип ремонтопригодности, т.е. наибольшей приспособленности конструкции к выполнению работ по техуходу в эксплуатации и ремонтам.

Принцип рационального выбора экономически целесообразных материалов.

Принцип минимальной достаточности при выборе классов точности, шероховатости, коэффициентов запаса, долговечности, производительности, грузоподъемности, мощности, скорости и т.д., что приводит к снижению ненужных затрат в производстве и эксплуатации изделия.

То есть, реализация вышеперечисленных принципов позволит достичь максимального суммарного экономического эффекта, как в изготовлении проектируемого объекта, так и в его эксплуатации.

1.3.3 Социально-экологические принципы Принцип обеспечения гармоничной предметно-технической среды жизнедеятельности человека, т.е. при создании новой техники должны удовлетворяться интеллектуальные, комфортные, культурные и эстетические потребности человека.

Перечисленный круг вопросов составляет естественнонаучные основы проектирования, которыми занимаются такие науки, как эргономика, инженерная психология, техническая эстетика, физиология человека.

Принцип безопасности труда человека, занятого управлением или обслуживанием машин.

Принцип «не навреди природе» должен быть главенствующим при создании любых машин и комплексов, обеспечивающих технологические производственные процессы, в той или иной степени взаимодействующие с биосферой.

1.4 Методы проектирования Для реализации перечисленных принципов проектирования применяют различные методы.

1 Методы поиска идей, в т.ч. «мозговая атака», суть которой состоит в том, что с целью стимулирования отобранной группы лиц для генерации идей в рассматриваемой проблеме вводят правило, запрещающее критиковать любую идею, какой бы «дикой» она ни казалась, и доводится до сознания участников, что приветствуются любые идеи, что необходимо получить много идей и что участники должны попытаться комбинировать или усовершенствовать идеи, предложенные другими. Все идеи фиксируются и оцениваются. Этот метод абсолютно универсален. С его помощью можно рассматривать любую проблему (не обязательно техническую, это может быть экономическая, финансовая, социальная и т.д.), если она достаточно просто и ясно сформулирована. Этот метод можно использовать на любой стадии проектирования, как в начале, когда проблема еще окончательно не определена, так и позднее, когда уже выделены сложные подпроблемы. Его можно также использовать для генерирования информации, а не идеи, т.е. для выяснения источников информации или формирования вопросов анкеты.

По утверждению американского исследователя Дж.К. Джонсона / 1 /, метод «мозговой атаки» используется чаще любого другого метода и рассматривается как чрезвычайно быстрый способ генерирования необходимого разнообразия идей, которое может послужить основой для серьезного поиска решения.

Непосредственно ценным выходом «мозговой атаки» является не сами идеи, а категории, на которые они разбиваются в процессе классификации. Шесть человек могут за полчаса выдвинуть до 150 идей. Бригада проектировщиков, работающая обычными методами, никогда не пришла бы к мысли о том, что рассматриваемая ею проблема имеет такое разнообразие аспектов.

2 Методы исследования проектных ситуаций (дивергенции).

2.1 Формулирование задачи с целью охарактеризовать внешние условия, которым должен отвечать проектируемый объект.

2.2 Поиск литературы и других источников информации, полезной для будущих проектных решений, которую можно получить своевременно и без излишних затрат. Роль технической информации в новых разработках огромна.

Источниками научно-технической информации являются следующие ее виды:

научно-техническая литература, включая учебники, тематические издания, монографии, сборники трудов, обзоры, реферативные издания; экспрессинформация, информационные листки, рекламные проспекты, бюллетени; библиографические издания, картотеки, плакаты, отчеты НИР и ОКР, рекомендации и тезисы докладов на конференциях, съездах, симпозиумах; периодические издания и т.д. и т.п. В общей структуре информационных потоков важное место занимает патентная информация (бюллетени, описания изобретении к авторским свидетельствам и патентам). К видам информации следует добавить зрительную (эталоны, натурные образцы, экспонаты выставок, кино, видеофильмы и др.) и устную информацию (доклады на конференциях, семинарах, совещаниях, лекции, сообщения радио, телевидения, личные беседы, консультации и др.). Мощным источником информации сегодня являются возможности, представляемые всемирной сетью “Internet”.

2.3 Выявление визуальных несоответствий с целью определения направления, по которым должен идти поиск путей совершенствования художественно-конструкторского решения. Этот метод подсознательно используется практически всеми конструкторами, в особенности теми из них, кто больше внимания уделяет функции изделия, чем его внешнему виду.

2.4 Интервьюирование и анкетный опрос потребителей с целью сбора информации, известной только потребителям данного или подобного изделия.

2.5 Исследование поведения потребителей путем наблюдения или моделирования особенно важных аспектов поведения как малоискушенных, так и опытных потребителей предлагаемого изделия.

3 Метод конструктивной преемственности (заимствования).

4 Метод макетного проектирования, когда макеты воспроизводят отдельные интересующие конструктора элементы и производится их экспериментальная проверка.

5 Метод инверсии, т.е. обращение функций машин, форм и расположения деталей. Пример обращения функций машин: электродвигатель – электрогенератор, двигатель внутреннего сгорания – поршневой компрессор и т.д.

6 Метод стадийного проектирования в соответствии с ГОСТ 2.103-68.

7 Метод компонования изделия, т.е. целесообразного размещения составных частей изделия на чертеже общего вида.

8 Метод использования типовых решений и типовых проектов.

9 Метод группового проектирования (т.е. создание гаммы, семейства, модификаций конструктивно-подобных изделий многоцелевого назначения, например, семейство автомобилей ГАЗ, ЗИЛ и т.д.).

10 Метод поэлементного анализа, когда детали изделия условно делятся на отдельные конструктивные элементы или показатели: размеры, допуски, материал, шероховатость поверхности, способы упрочнения и защиты от коррозии и т.д. Каждый из этих элементов анализируется отдельно, а затем выбирается оптимальный.

11 Методы стандартизации и унификации.

12 Метод разработки вариантов и выбора оптимального варианта технического решения подразумевает использование большого количества разнообразных методов оптимизации, о которых пойдет речь ниже.

Помимо перечисленных, в рамках САПР существует множество специальных методов, применение которых стало доступным только с появлением современных быстродействующих и обладающих колоссальным объемом памяти ЭВМ. Некоторые из таких методов рассматриваются в работах, посвященных перспективам автоматизированного проектирования. Подробнее обзор этих методов дается в подразделе 6.2.

2 ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ

Взаимозаменяемость – это свойство независимо изготовленных с заданной точностью деталей и составных частей машин обеспечивать возможность беспригонной сборки (или замены при ремонте) сопрягаемых деталей в составные части, а составных частей – в изделия. Взаимозаменяемость обеспечивает высокое качество изделий и снижает их стоимость.

Взаимозаменяемость деталей составных частей возможна только тогда, когда их количественные и качественные характеристики находятся в заданных пределах (допусках), что обеспечивается внедрением систем стандартизации типовых соединений, допусков, посадок (т.е. характера соединения деталей, определяемого величиной зазоров или натягов), различных норм точности, шероховатости и т.д.

Таким образом, стандартизация – установление и применение обязательных правил, норм и требований при проектировании, изготовлении и эксплуатации машин. Унификация – приведение различных видов продукции и средств ее производства к наименьшему числу типоразмеров, марок, форм, свойств и т.п. Нормализация отличается от стандартизации тем, что проводится в более узких пределах, ограничивающих данную отрасль или предприятие. Недостаточное использование нормализации приводит к неоправданному конструктивному разнообразию машин даже одного и того же назначения. Стандартизация и нормализация являются основными методами конструктивной унификации в машиностроении. С помощью стандартов и нормалей устанавливается целесообразный минимум разновидностей машин, узлов, отдельных характеристик изделий, а также исходных материалов, средств производства и т.д.

Использование методов стандартизации и унификации позволяет ускорить процесс проектирования, повысить качество, надежность изделий, уменьшить номенклатуру изделий, снизить трудоемкость их изготовления, достичь взаимозаменяемости деталей, узлов или агрегатов машин, что обеспечивает сборку или замену их без подгонки.

Методы унификации:

а) секционирование (образование производных машин набором унифицированных секций);

б) изменение линейных размеров при сохранении поперечных сечений (например, с целью увеличения производительности, удлинение ротора насоса, компрессора и т.д.);

в) метод базового агрегата (например, образование семейства дорожных машин различного назначения путем установки на базовом агрегате серийного тракторного шасси специального навесного или прицепного технологического оборудования для выполнения тех или иных дорожно-строительных работ);

г) агрегатирование (т.е. создание машин сочетанием в различных комбинациях унифицированных агрегатов);

д) конвертирование (например, преобразование двигателя внутреннего сгорания в поршневой компрессор);

е) модифицирование (т.е. приспособление машин к определенным условиям эксплуатации без изменения основной конструкции);

ж) компаундирование (параллельное соединение машин и агрегатов с целью увеличения мощности или производительности);

з) унифицированные ряды – метод, позволяющий компоновать машины с одинаковым рабочим процессом, но с различными размерами и производительностью или мощностью (например, семейство 2-х, 3-х, 4-х, 6-ти, 8-ми цилиндровых ДВС воздушного охлаждения).

Технико-экономическое качество проектирования в значительной степени определяется уровнем стандартизации и унификации изделий, для оценки которого применяется ряд показателей конструктивной унификации:

- коэффициенты унификации (по типоразмерам и по массе);

- коэффициенты проектной преемственности (по типоразмерам и по массе);

- коэффициент повторяемости;

-коэффициент унификации конструктивных элементов и т.д.

В большинстве случаев стандартные и унифицированные составные части конструкции включают в один показатель, который часто называют коэффициентом применяемости:

где С, У, З, П - число типоразмеров стандартных, унифицированных, заимствованных, покупных деталей и сборочных единиц; Д - общее число наименований деталей и сборочных единиц в изделии.

Различают следующие категории стандартов: МС - международные стандарты, ГОСТ – государственные стандарты, ОСТ - отраслевые стандарты, РСТ – республиканские стандарта, СТП - стандарты предприятий.

В государственную систему стандартизации (ГСС) входит стандартизация крупных межотраслевых систем, в том числе Единая система конструкторской документации (ЕСКД), которая устанавливает порядок разработки, оформления, учета, хранения чертежей и другой конструкторской документации; Единая система допусков и посадок (ЕСДП), обеспечивающая взаимозаменяемость; Единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП), обеспечивающая технологичность изделий и т.д.

Эффект от стандартизации неоценим. Стандартизация обеспечивает экономически оптимальное качество продукции, повышение производительности общественного труда и эффективное использование материальных ценностей, безопасность труда, развитие международного технического сотрудничества, увязку требований к продукции с потребностями обороны страны и т.д.

3 ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ МАШИН

Конструкторская документация не регламентирует методы и способы изготовления изделия, а также последовательность их применения. Это – вопросы технологической документации (т. e. технологической подготовки производства). Но данные, содержащиеся в конструкторской документации, в решающей степени влияют на их выбор и применение, поэтому необходимы и обязательны взаимная увязка и согласование конструкторской и технологической документации.

Основы технологичности конструкции машин закладывается уже в самом начале их проектирования при обработке общих схем.

Выбор рациональной кинематической схемы является одним из необходимых условий улучшения технологичности конструкции и повышения экономической эффективности изготовления машин. Рациональная кинематическая схема должна включать кинематические цепи, состоящие из минимального Технологичность конструкции количества звеньев, что ведёт к уменьшению количества и размеров крупных основных деталей в самой машине (картеры, рамы, корпуса и т.д.).

Во многих машинах усложнены без надобности кинематические схемы, увеличено количество передаточных механизмов, в ряде случаев значительный эффект может дать применение гидравлических, пневматических или электрических передач.

В свою очередь, характер кинематической схемы оказывает большое влияние на качество компоновки всей машины.

Рациональность компоновки машин зависит от многих конструктивных, эксплуатационных и производственных факторов.

Практически совершенствование компоновки машины для улучшения технологичности конструкции достигается при:

1) сокращении расстояний между опорами и приближении их к месту приложения нагрузки;

2) устранении отдельных агрегатов и механизмов путём передачи их функций другим машинам (например, использование навесных машин, у которых нет ходовой части, т. к. её заменяют трактор или самоходное шасси);

3) сокращении количества опорных точек ходовой части любых машин (при этом, за счёт сокращения количества колёс, упрощаются размеры рамы);

4) совершенствовании компоновки отдельных узлов и механизмов;

5) расчленении машин на сборочные единицы;

6) улучшении транспортабельности машин;

7) улучшении ремонтоспособности.

Так конструктивная унификация, о которой шла речь выше, имеет тесную связь с технологической унификацией, целью которой является применение типовых технологических процессов, что в сочетании со стандартизацией конструктивных элементов конструкций приводит к резкому сокращению количества типоразмеров (номенклатуры) применяемой технологической оснастки и инструмента, а это, в свою очередь, существенно сокращает сроки и затраты на технологическую подготовку производства.

Конструктивную унификацию проводят на основе конструирования.

Она даёт возможность устранить необоснованное конструирование многообразия и получить большую экономию, т.к. для изготовления унифицированных деталей и узлов создаются более благоприятные условия.

Увеличение в результате унификации количества одинаковых деталей и узлов облегчает переход к более совершенному типу производства, например, от серийного к массовому.

Объектами констуктивной унификации могут быть самые разнообразные элементы конструкции машины. По своим конструктивно-технологическим признакам они могут быть разбиты на следующие группы:

2) Конструктивые элементы (отверстия, резьбы, модули зубчатых колёс, конусы, канавки и т.д.);

3)Точные характеристики (допуски, посадки, квалитеты, степени точности, шероховатости и т.д.);

4) Кинематические соотношения (ряды чисел оборотов, подачи, передаточные отношения, скорости и т.д.);

5) Характеристики материала ( марки, профиль, типоразмеры и т.д.).

Унификация конструктивных элементов деталей и точностных характеристик, наряду с совершенствованием отдельных операций технологического процесса, приводит к сокращению количества видов, типоразмеров инструмента и технологической оснастки; кроме того, в этом случае расширяются возможности для типизации технологических процессов.

Унификация кинематических соотношений ограничивает конструктивное разнообразие передач, деталей кинематических цепей и их элементов.

Унификация характеристик материала упрощает складское хозяйство и организацию снабжения материалами.

Различают два основных направления в области конструктивной унификации. Одно из них характерно тем, что все работы по унификации ведутся в пределах какой-либо одной машины, узла или агрегата, другое связано с проведением конструктивной унификации деталей и узлов в различных машинах.

Одной из важнейших составляющих технологичности является материалоемкость машин, под которой понимают расход материала, необходимого для производства и технической эксплуатации изделия.

При проектировании машин экономию материала можно обеспечивать непосредственно уменьшением их массы, или созданием необходимых конструктивных предпосылок для сокращения отходов материала в производстве.

Сокращение расхода материала и снижение веса машин при проектировании достигается в результате следующих приемов:

А) Выбор наиболее эффективной принципиальной схемы машины и рациональной конструкции ее элементов и узлов. Совершенствование конструкции машин достигается также объединением (блокированием) двух или более деталей в одну. Объединение деталей позволяет уменьшить вес самой блокированной детали, а также ликвидировать крепежные, фиксирующие и другие соединительные элементы, в результате получается не только экономия материала, но и сокращение трудоемкости за счет уменьшения обрабатываемых поверхностей и сборочных работ.

Б) Обеспечение минимально необходимых запасов прочности деталей и узлов машин, т.е. приближение сечений конструкций к условиям равного сопротивления действующим усилиям, а также удаление ненагруженных элементов в деталях и узлах там, где это возможно по конструктивным соображениям.

Чем точнее устанавливают величину рабочих напряжений и чем более критерии работоспособности соответствуют условиям работы материала, тем ниже могут быть коэффициенты запаса прочности и жесткости, т.е. полнее будут использованы прочностные возможности деталей и, следовательно, тем меньше будет их материалоемкость.

В) Применение эффективных видов материала и сортамента проката.

Одним из основных источников снижения веса машин является использование материалов повышенной прочности для нагруженных деталей с соответствующим уменьшением размера сечений. Снижение веса машин и рациональное использование материала возможно при правильном выборе профиля проката.

Металлургическая промышленность выпускает прокат разнообразного сортимента и качества. Весьма эффективными в отношении снижения веса и экономии материала являются закрытые полые профили, т.е. трубы с различной формой сечения (круглые, квадратные, прямоугольные, треугольные, многоугольные и др.), особенно большие преимущества они имеют по сравнению со сплошными профилями такой же формы, так как при одинаковых моментах инерции и сопротивления у них меньше площадь поперечного сечения и вес 1 пог.м.

Широкие возможности дает использование гнутых профилей из листа и полосы, получаемых холодной гибкой профилирования на специальных роликогибочных станках высокой производительности. Таким методом легко изготовляют с большой точностью самые разнообразные формы тонких и толстых сечений от 0,5 до 20 мм. Следует иметь в виду, что при профилировании происходит одновременно поверхностное упрочнение металла и тем больше, чем толще исходный материал (лента или лист). Гибкой, помимо открытых профилей, которые изготовляются непосредственно на роликогибочных станках, можно получить и закрытые профили с замкнутым контуром путем последующей сварки кромок в стыке или торцов двух гнутых элементов.

Гнутые профили можно использовать для изготовления кронштейнов, опор, консолей, облицовочных элементов, имеющих назначение ребер жесткости, и многих других деталей машин.

Г) Применение различных, современных прогрессивных технологических процессов дает возможность повысить прочность материала, увеличить точность изготовления заготовки и детали, приближая их форму друг к другу, а также упростить конфигурацию и уменьшить сечения детали. К этим процессам относятся термическая и термохимическая обработка, обработка для поверхностного упрочнения, сварка, точное литье и штамповка и некоторые другие процессы производства. При этом экономия материалов получается в результате уменьшения отходов, а также уменьшения размеров и сечения деталей вследствие повышения прочности материала.

Из всего сказанного следует, что стандартизация и технологичность – неразрывно связанные основополагающие принципы проектирования машин.

Стандартизация и унификация конструкции и ее технологические свойства оказывают существенное влияние не только на рациональное использование различных видов ресурсов при изготовлении изделия, но и на процесс его эксплуатации. В результате применения методов стандартизации и унификации, обеспечивающих технологичность конструкции, упрощается техническое обслуживание изделий и улучшается их ремонтопригодность, сокращается номенклатура применяемого в эксплуатации инструмента, сокращается время техобслуживания, снижается стоимость и трудоемкость процесса эксплуатации / 3 /.

Технологичность рассматривается как одна из основных составляющих общей экономической оценки конструкций машин, поэтому существует теснейшая связь между техническими и экономическими проблемами проектирования, что будет подробнее показано в следующей главе, посвященной экономическим аспектам проектирования.

4 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН

Часто конструкторы считают, что конструировать с учетом экономических требований – значит уменьшать стоимость изготовления изделий, избегать сложных и дорогих решений, применять наиболее дешевые материалы и наиболее простую технологию обработки. Все это правильно, но это лишь часть задачи. Главное значение имеет то, что экономический эффект определяется полезной отдачей изделия и суммой эксплуатационных расходов за весь жизненный цикл изделия. Стоимость изделия является не всегда главной, а иногда и очень незначительной составлявшей этой суммы. Экономически направленное проектирование подразумевает учет всего комплекса факторов, определяющих экономичность изделия, и правильную оценку относительной значимости этих факторов. Это правило нередко игнорируют. Стремясь к удешевлению изделия, конструктор иногда добивается экономии в одном направлении и не замечает других, гораздо более эффективных путей повышения экономичности. Более того, частная экономия, достигаемая без учета совокупности всех факторов, нередко ведет к снижению суммарной экономичности изделия.

4.1 Оценка экономической эффективности Экономическая эффективность изделия зависит от затрат на создание и использование нового изделия, слагающихся из расходов на всех этапах разработки изделия / п. 1.1. /, а также расходов: на производство (изготовление), доставку, эксплуатацию (т.е. выполнение штатных работ и техобслуживание), ремонт (см. рисунок 4 – структура технологичности машиностроительных изделий).

В ряде случаев эффективность нового изделия невозможно определить экономическими расчетами. Так новые потребности, удовлетворение которых является первоочередной необходимостью для дальнейшего развития общественного производства (укрепление обороноспособности страны, улучшение условий труда, охрана окружающей среды), нельзя оценить в стоимостном выражении. Это, однако, не исключает необходимости мероприятий по снижению затрат на их осуществление.

Экономическую эффективность рассчитывают:

- на предпроектной стадии для обоснования выбора научного исследования;

- на стадиях разработки технического задания и технического предложения для выявления целесообразности проектирования и изготовления новой техники;

- на стадиях эскизного и технического проектов для обоснования выбора наиболее эффективных решений;

- при сдаче предприятием-изготовителем опытных образцов для принятия решения об их серийном производстве;

- при составлении планов освоения первых промышленных серий, внедрения прогрессивной технологии, новых способов организации труда и др.;

- на этапе внедрения и эксплуатации новой техники (фактическая эффективность).

Расчеты эффективности на предпроектной стадии являются ориентировочными и должны подтверждать экономическую целесообразность того или иного направления разработки новой техники. Эффективность определяют на единицу и годовую потребность в разрабатываемой технике. После разработки технического проекта экономическую эффективность рассчитывают по исходным данным, зафиксированным в техническом проекте. Эффективность и здесь определяют на единицу и на годовую потребность в новой технике.

На стадии изготовления опытных образцов экономический эффект рассчитывают по результатам изготовления и испытаний образцов. Эффект определяют на единицу новой техники и на ожидаемый выпуск второго года серийного производства по чертежам рабочего проекта.

На этапе составления планов по освоению первых промышленных серий исходные данные по новой технике уточняют по результатам эксплуатации опытного образца (опытной партии). Эффект определяют на единицу новой техники и на плановый выпуск второго года серийного производства по уточненным чертежам рабочего проекта.

На этапе внедрения и эксплуатации новой техники фактический эффект определяют на основе фактических данных, подтвержденных предприятием, на котором установлена новая техника.

Таким образом, на основе технико-экономического анализа конструкции в сравнении с уже используемыми вариантами можно определить уровень прогрессивности новой конструкции и предотвратить разработку отсталой и малоэффективной техники.

Теоретические и методические вопросы технико-экономического анализа и расчета экономической эффективности разрабатываемой новой техники (в т.ч. методы так называемого функционально-стоимостного анализа) приведены в соответствующей экономической литературе, что является предметом рассмотрения специальных экономических научных дисциплин.

4.2 Экономическое обоснование выбора варианта конструкции Как было показано, любое проектирование представляет собой многовариантную задачу. Поиск наилучшего варианта производится по ряду критериев оптимизации. Даже в наиболее простом случае однокритериальной оптимизации по неэкономическому критерию невозможно обойтись при анализе проектной ситуации без экономических оценок сравниваемых вариантов конструкции машин.

Например, за критерий оптимизации выбрана надежность машины (т.е.

исключение поломок). Задача усугубляется сложностью силовых воздействий, их неопределенностью и, нередко, непредсказуемостью (т.е. трудностью прогнозирования).

Возникает ряд проблем в зависимости от ответа на вопрос:

«Стоит ли вообще учитывать наиболее неблагоприятную совокупность эксплуатационных нагрузок?»

Т.е. имеют место варианты. Если ответ – да, то возможно:

- увеличить массу изделия (и, следовательно, прочность и надежность), - заменить материал на более прочный и надежный (но, поэтому, и более дорогостоящий), - ввести в конструкцию машины специальное предохранительное устройство (что усложнит конструкцию и, очевидно, увеличит стоимость).

Если ответ – нет, то можно вообще не учитывать пик нагрузок из-за его малой вероятности, либо незначительности ущерба в случае поломки.

Выбор варианта технического решения может быть сделан только при анализе плюсов и минусов сравниваемых вариантов по экономическим показателям с учетом двух групп факторов – производственных (в изготовлении) и эксплуатационных.

Наиболее важными экономическими факторами производства ЯВляются затраты труда и материалов, определяющие себестоимость нового изделия, которая, в свою очередь, тем ниже, чем технологичнее конструкция. Поэтому при проектировании большое внимание уделяется оценке технологичности машин по ряду технико-экономических показателей, которые могут быть использованы в двух направлениях.

Первое из них – это анализ с помощью показателей технологичности конструкции сравниваемых вариантов машин или узлов. При этом отдельные показатели нельзя рассматривать изолированно друг от друга, т.к. они связаны между собой, и обоснованные выводы относительно технологичности конструкций могут быть сделаны только при их совместном рассмотрении.

Об экономии материалов нельзя судить только по чистому весу или только по коэффициенту использования материала. При увеличении или снижении веса машин не обязательно увеличивается расход или экономия материала. Иногда при изменении конструкции деталей уменьшение их веса может сопровождаться увеличением отходов, причем количество отходов может возрасти настолько, что вместо экономии материала его расход будет увеличен.

Коэффициент использования материала также не дает полного представления об экономии материала, т.к. не учитывает снижение веса деталей.

Только при совместном рассмотрении указанных двух показателей можно получить достаточно полную оценку технологичности конструкции в отношении экономии материалов. Однако и такой оценки еще недостаточно для выбора варианта конструкции, т.к. при уменьшении расхода материала, как правило, имеет место возрастание трудоемкости (за счет дополнительной обработки с целью облегчения элементов конструкции) и наоборот.

Второе направление использования показателей технологичности – создание прогрессивных нормативов, отражающих достигнутый уровень в области технологичности конструкций машин. Такие нормативы следует создавать на основе систематического обобщения лучших показателей по каждому из типов машин. Прогрессивные нормативы должны быть включены в задание на проектирование машины (ТЗ) наряду с эксплуатационными требованиями.

Такая конкретизация задания при проектировании помогает сосредоточить внимание конструктора на разрешении наиболее важных задач: снижение веса машины, улучшение использования материала, снижение трудоемкости, унификация элементов деталей, самих деталей, узлов и агрегатов.

Рассмотрим наиболее общие технико-экономические показатели, используемые в проектировании при сравнительных оценках разрабатываемых вариантов конструкций машин.

Материалоемкость – основная составляющая себестоимости изделий машиностроения. По мере разработки этапов проектирования непрерывно ведется уточнение показателей материалоемкости. Материалоемкость конструкции тесно связана с ее массой. Для большинства машин важнейшим требованием является снижение массы не в ущерб критериям работоспособности.

Общая масса изделия:

где – сумма масс оригинальных деталей (т.е. изготавливаемых заново);

– сумма масс комплектующих (покупных) изделий.

Показателем материалоемкости является коэффициент использования материала:

где mЗ - масса заготовок на 1 изделие, или где Н - норма расхода материала, рассчитанная для изготовления данного изделия.

Более совершенной будет, видимо, та конструкция, у которой коэффициент использования будет ближе к единице.

Важной характеристикой является так называемая структурная материалоемкость mМ, которую определяют как сумму затрат материалов по видам, требующихся для изготовления данной машины:

где mЧЛ, mСЛ, mСП, mП – расход (в килограммах), соответственно, чугунного, стального литья, сортового проката, поковок и др.

Подставленная в таком виде материалоемкость изделия характеризует и определяет технологические процессы изготовления, дает представление о путях экономии материалов при изготовлении и, следовательно, уменьшения себестоимости машины и достижения наибольшей ее экономической эффективности.

Часто для сопоставления различных вариантов и их оценки используют не абсолютные значения масс, а удельные показатели Кm, представляющие собой отношение массы изделия к наиболее характерному для него параметру (мощности N, вращающему моменту Т, производительности П, грузоподъемной силе Q и т.п.):

В настоящее время накоплены среднестатистические данные значения удельных показателей материалоемкости для различных типов машин. Вновь проектируемые машины должны иметь меньшие значения этих показателей.

Уменьшение материалоемкости изделий обеспечивается комплексным решением ряда взаимосвязанных вопросов. Мероприятия по сокращению расхода материалов могут быть подразделены на две группы:

1. Конструктивные мероприятия, связанные с совершенствованием методов расчета и использованием новых принципов конструирования (в т.ч. с применением ЭВМ) с обеспечением равнопрочности деталей во всех их сечениях, а также с применением новых, недорогих и недефицитных материалов (в т. ч. пластмасс, биметаллов, порошковых материалов и т.д.).

2. Технологические мероприятия, среди которых можно отметить следующие: рациональное применение более совершенных технологических процессов и оборудования (совершенные способы литья, обработка давлением и т.д.), применение рациональных видов заготовок для изготовления деталей (например, пустотелых, фасонных, тонкостенных профилей проката).

Трудоемкость. Общая трудоемкость ТО - это нормированная сумма затрат труда (в единицах времени) на изготовление деталей, сборочных единиц и машины в целом, включая ее сборку, окраску, регулировку и прочие технологические операции.

Трудоемкость в наибольшей степени определяет себестоимость проектируемого изделия. На начальных стадиях проектирования, когда отсутствуют рабочие чертежи, а значит и нормы времени для ориентировочной оценки общей трудоемкости, часто применяют так называемый «массовый метод», согласно, которому:

где m – масса машины;

Ту – удельная трудоемкость;

к – коэффициент, учитывавший влияние масштаба производства.

Удельную трудоемкость, представляющую собой отношение ТО к массе машины m, т.е. трудоемкость, приходящуюся на единицу массы, выбирают по справочным данным или материалам, накопленным в НИИ, конструкторских бюро и технологических службах заводов, в результате многочисленных соответствующих наблюдении. Такой метод расчета позволяет определить ориентировочные значения ТО на этапах предварительного проектирования (или даже на предпроектной стадии). Коэффициент " к " учитывает зависимость трудоемкости от масштаба производства, т.к. от него зависит технология изготовления, нормы расхода материалов и т.п.

В принципе также условным, но более приемлемым является метод расчета ТО при наличии достоверных данных о трудоемкости аналогичной машины Та на том этапе проектирования, когда конструкция машины определена, т.е.

известны число деталей и их массы (этап технического проекта) и выявлен масштаб производства:

где кm, кП, кC – коэффициенты, учитывающие соответственно различие масс проектируемой и аналогичной машин, масштаб производства, относительную потребность в обновлении станочного парка в связи с заменой объекта производства.

Более совершенный расчет базируется на раздельном учете затрат труда по составляющим:

где ТЛ, ТК, ТМ, ТТ, ТС и т.д. – трудоемкости, соответственно, литейных, кузнечных работ, механической, термической обработки сборочных операций и т.д.

В ряде отраслей промышленности накоплен достоверный статистический материал, позволяющий рассчитывать эти слагаемые в зависимости от основных параметров проектируемой машины.

Себестоимость. Если на ранних этапах проектирования не удается с достаточной точностью оценить материало- и трудоемкость нового изделия, прибегают к укрупненной оценке себестоимости в целом.

Чаще других на этапе разработки технического задания используют метод расчета себестоимости по удельным показателям, в качестве которых могут быть выбраны статистические данные о себестоимости, например, себестоимость тонны массы или себестоимость машины, приходящаяся на единицу установленной мощности снимаемого крутящего момента, грузоподъемной силы и т.п. При этом, следовательно, предполагают, что себестоимость прямо пропорциональна избранному в качестве определяющего параметру. Такая оценка себестоимости может рассматриваться лишь как ориентировочная.

Таким образом, согласно методу расчета по удельным показателям себестоимость единицы изделия в зависимости от избранного определяющего параметра может быть рассчитана по формулам:

где Cm, CN, CT – удельные себестоимости, соответственно, руб/т, руб/кВт, руб/ Н м ;

m–расчетная масса, т; N – мощность двигателя, кВт; Т – вращающий момент проектируемой машины, Н м.

Аналогично себестоимости машины используют понятие себестоимости детали:

где СМ – стоимость материала на одну деталь (с учетом отходов);

Зi – зарплата, приходящаяся на одну деталь во всех i цехах, через которые она проходит в процессе изготовления (заготовительных, механических и т.п.);

Нi – накладные расходы цеховые и общезаводские;

Сi – стоимость специальной оснастки в указанных цехах;

ni – число деталей в партии в соответствующих цехах.

Как видно из формулы, себестоимость детали тем меньше, чем меньше накладные расходы и больше масштаб производства (больше ni). Чем выше автоматизация и механизация производства, тем меньше накладные расходы;

чем больше производство оснащено специальной оснасткой, тем меньше расходы на зарплату. Однако высокая экономичность при этом может быть достигнута только при большом масштабе производства.

Существенное влияние на себестоимость детали оказывает материал и способ изготовления. Так, например, детали простой формы из среднелегированных сталей, изготовленные из проката, дороже деталей из сталей обыкновенного качества в 2...5 раз, литые и кованые – в 5...10 раз. Обработка на строгальных и долбежных станках дороже токарной в 2...5 раз, а на револьверных и автоматических станках – дешевле в 2...10 раз.

На себестоимость изделия значительно влияет унификация как на стадии разработки проекта, так и в процессе изготовления изделия и его эксплуатации. На первом этапе – технической подготовки производства – экономический эффект унификации проявляется в сокращении количества технической документации, технологической оснастки. При хорошей организации труда унификация позволяет на 30...50% сократить затраты на техническую подготовку производства, в 2…3 раза – сроки освоения производства новых изделий.

5 ПРОБЛЕМЫ ДИЗАЙНА, ЭРГОНОМИКИ И ЭКОЛОГИИ

В ПРОЕКТИРОВАНИИ

Достижение этой цели возможно только при тесном взаимодействии в процессе проектирования инженера и дизайнера. Если инженерия порождает техническую логику машины, то дизайн – ее человеческую гармонию. Инженер проектирует саму машину (обеспечивая ее технические свойства), дизайнер – ее свойства, ценные для человека. Современный дизайн воплощает в машине своими средствами важнейшие антропономические (т.е. всецело и закономерно принадлежащие человеку) параметры – интеллектуальные, социальные, комфортные, культурные и эстетические, т.е. речь идет о реализации упоминавшегося ранее / п. 1.3.3. / принципа обеспечения гармоничной предметно-технической среды жизнедеятельности человека.

Интеллектуальные параметры свидетельствуют об уровне приложенных знаний, прогрессивности проектно-технических решений. Социальные характеристики выражают общественно-производственную полезность, нужность машины обществу и человеку. Комфортные показатели отражают оптимальность функциональных и эмоциональных связей человека с техникой. Культурные признаки показывают степень достигнутой ценности, значимости, престижности машины, соответствующую данной эпохе, региону, обществу. Эстетические свойства воплощают меру целостности, гармоничности техники по отношению к внешним эстетическим (художественным) идеалам и ценностям общества.

Таким образом дизайн – (от англ. design – замысел, проект, конструкция, композиция) – художественно-конструкторская деятельность, охватывающая творчество дизайнера, методы и результаты его труда. Цель дизайна – соединение новых типов изделий, отвечающих требованиям общественной пользы, удобства эксплуатации и красоты. Теоретической основой дизайна является техническая эстетика / 5 /.

Техническая эстетика – научная дисциплина, изучающая социальнокультурные, технические и эстетические проблемы формирования гармоничной предметной среды для жизнедеятельности человека. Составляя теоретическую основу дизайна, техническая эстетика изучает его общественную природу и закономерности развития, принципы и методы художественного конструирования. Главная цель технической эстетики – обеспечить наилучшие условия труда, быта и отдыха людей в создаваемом ими предметном мире.

Художественное конструирование – творческий процесс и метод проектирования промышленных изделий, осуществляемые в соответствии с требованиями технической эстетики. Художественное конструирование – неотъемлемая часть общего процесса проектирования промышленных изделий; оно ведется совместно с инженерным конструированием, решающим конструктивнотехнические и экономические задачи. Наиболее распространено художественное конструирование в машиностроении, на транспорте, в производстве товаров культурно-бытового назначения.

Естественнонаучной базой технической эстетики и художественного конструирования является инженерная психология, которая в свою очередь составляет важнейшую часть эргономики как психофизиологической основы конструирования.

Инженерная психология – научное направление, сформировавшееся на стыке физиологии и психологии с кибернетикой, математикой и другими техническими науками. Инженерная психология изучает проблемы, которые возникают в сложных системах управления класса «человек-машина», т.е. изучает орудия труда и технологические процессы для выяснения требований, предъявляемых конструкцией машины к психическим свойствам человека, исследует факторы, определяющие надежность, точность и стабильность деятельности оператора, анализирует процессы восприятия информации человеком.

Практические результаты исследования этих проблем представляются в виде рекомендаций инженерам, художникам-конструкторам для выбора характеристик и конструирования машин, пультов управления, планировки рабочих мест и т.п. / 6 /.

Особое значение для инженерной психологии имеет стандартизация, которая при условии ее разумного использования помогает повысить эффективность деятельности людей. Например, люди привыкают к единообразному применению технических устройств. Если на том же принципе основано и вновь создаваемое изделие, то можно рассчитывать, что люди научатся управлять им без дополнительных инструкций.

При наличии стандартных процессов имеется меньше шансов для возникновения аварий и выхода из строя оборудования, поскольку работники знакомы с возможными опасностями и способны к их своевременному распознаванию даже в новых условиях применения.

Другими словами, люди заранее ожидают, что устройства действуют «определенным образом». Такие «ожидания» часто называются устойчивыми стереотипами. Типичным примером может служить водопроводный кран: люди привыкли, что вращение крана влево (т.е. против часовой стрелки) увеличивает поток воды и наоборот.

Традиции и стереотипы часто вступают в противоречие с целесообразностью и эффективностью. Так, например, расположение клавишей в пишущих машинках, как известно, унифицировано. Несмотря на то, что в последние годы были разработаны новые клавишные системы, повышающие скорость печатания примерно вдвое, оказалось невозможным перейти на новую клавиатуру изза колоссального количества имеющихся старых машинок, сложности проблемы обучения новых машинисток и переучивания тех, которые уже привыкли к старой системе.

Как отмечалось, инженерная психология является частью эргономики – науки о взаимодействии человека с окружающей средой. Под средой в данном случае понимается совокупность всех факторов, влияющих на человека, в том числе пространство или помещение (в т. ч. кабина), в котором он находится, используемые им инструменты, материалы, приемы и организация работы и т.д.

5.2 Эргономика Цель техники – обеспечить человека разнообразными устройствами, увеличивавшими его способности к управлению окружающей средой и ее преобразованию. Взаимозависимость этих устройств и операторов стала одной из отличительных черт нашей цивилизации.

Эргономика – научная дисциплина, изучающая функциональные возможности человека в трудовых процессах, выявляющая закономерности создания оптимальных условий для высокопроизводительного труда и обеспечения необходимых удобств, содействующих развитию способностей работника. Эргономика использует данные технических наук, инженерной психологии, физиологии, антропометрии (наука о геометрии человеческого тела), гигиены труда, а также социологии.

Эргономический подход включает три этапа:

- во-первых, анализ системы «человек-машина» с разделением функций человека и машины.

- во-вторых, анализ рабочего пространства (в т.ч. рабочего места, включая сиденье): необходимо найти оптимальное взаимодействие между человеком и оборудованием для каждой машины, для каждой части системы, в которой используется человек. Для достижения этого используют подход, отличающийся от подхода инженера, который, прежде всего, должен начинать мыслить о машине и концентрировать свои усилия именно на ней. Эргономический подход на уровне системы «человек-машина» состоит в том, чтобы изучить задачу и последовательность операций, которые должен выполнить человек, и идти обратно от человека, рассматривая, таким образом, прежде всего его взаимодействие с машиной, затем с непосредственным рабочим пространством и, наконец, с общей средой, в которой должны работать человек и машина.

ЧЕЛОВЕК

- В третьих, оценка. Любой проект для проверки правильности принятия решений с точки зрения человеческого фактора точно также, как используются модели и испытания для проверки важных инженерных решений, должен оцениваться на местах и при испытаниях.

Если на стадиях проектирования точно следовать перечисленным трем этапам, то это помогает противостоять тенденции проектирования отдельных частей, что часто является причиной некачественных проектов из-за невнимательного изучения всей производственной системы, частью которой является каждый человек и каждая машина.

Эргономические требования являются составной частью стандартов, содержащих требования безопасности к оборудованию и относящихся к системе стандартов безопасности труда (ССБТ). Эргономические стандарты стимулируют развитие наиболее перспективных средств и способов обеспечения безопасных и комфортных условий труда / 7 /.

ГОСТ 30.001-83 устанавливает основные положения системы стандартов эргономики и технической эстетики (CCЭTЭ), комплекс требований и показателей эргономики и эстетики. ССЭТЭ так же, как и ССБТ, содержит требования, выполнение которых обеспечивает защиту от опасных факторов среды и машины.

Под эргономическими требованиями понимают требования, которые определяются свойствами человека-оператора и предъявляются к системе «человек-машина-среда» (ЧМС) с целью оптимизации его деятельности.

Под свойствами человека-оператора понимают антропометрические, психофизиологические, психологические и физиологические характеристики и возможности человека.

Эргономические требования, предъявляемые к ЧМС - организации деятельности человека-оператора, обитаемости, технике безопасности - определяют тем самым эргономические свойства ЧМС: управляемость, освояемость, обслуживаемость, обитаемость и, следовательно, интегральное свойство – эргономичность. Первые три свойства обеспечивают процесс освоения, управления и обслуживания машины. Обитаемость характеризует комфортность условий труда, важнейшими из которых являются гигиенические показатели среды.

Взаимосвязь эргономических свойств человека и показателей, характеризующих машину и среду, схематично представлена на рисунке 6.

Метод моделирования, применяемый при эргономическом подходе к проектированию рабочего места оператора с использованием статических и функциональных макетов установок, пультов управления и элементов рабочих мест, позволяет добиться рациональной компоновки органов управления и средств отображения информации (рис.7). Функциональные макеты воспроизводят работу моделируемых технических средств и позволяют выявить величину психофизиологических сдвигов в организме оператора, вызванных неудобной рабочей позой и нерациональными рабочими движениями.

При проектировании оборудования и рабочего места, используя данные о размерах человеческого тела (антропометрические параметры), очень важно иметь ввиду не только среднего статистического потребителя, но и целый ряд потребителей (т.е. не только математическое ожидание, но и дисперсию случайных величин антропометрических параметров).

Оборудование должно быть пригодным для 90 % (или более, если это возможно) потенциальных потребителей за счет необходимой регулировки.

Используемая статистика должна быть релевантной (англ. relevant – уместный, относящийся к делу) для каждого конкретного случая, например, в экспортных моделях изделий должны учитываться различия антропометрических параметров рас и наций.

Даже столь поверхностный обзор основных проблем эргономики дает отчетливое представление о многообразии, сложности и исключительной важности эргономического подхода к проектированию систем «человек-машинасреда».

Рисунок 6 - Взаимосвязь эргономических свойств человека и показателей, характеризующих машину и среду.

5.3 Экологические аспекты проектирования машин Экология (греч. olkos – дом, родина) – междисциплинарная наука, изучающая взаимоотношения животных, растений, микроорганизмов между собой и с окружающей средой.

Экология человека (социальная экология) представляет собой область естественнонаучных знаний о взаимодействии человека с окружающей его средой, включая другие живые организмы.

сидя Рисунок 7 - Моделирование рабочего места оператора.

Взаимодействие животных с окружающей средой, в т.ч. фауной и флорой, определяется наследственно закрепленными в генотипах животных навыками их поведения. Человек в отличие от животных обладает не закрепленным в его генотипе культурным наследием, скорость накопления которого на много порядков превышает скорость накопления генетического наследия у животных.

Поэтому, несмотря на малость сроков существования современного человека, культурное наследие становится соизмеримым с генетическим наследием по эффективности воздействия на окружающую среду. В результате человек оказался наиболее конкурентноспособным видом на Земле, освоил практически всю ее поверхность и способен изменять всю мировую фауну и флору по своему усмотрению.

Изменения, которые вносит в среду человек и управляемая им техника, называются, соответственно, антропогенными и техногенными.

На месте природы создается «вторая природа» или техноприрода. Наука должна помочь вписать технологические процессы в естественные природные, не доводя природу до разрушения, деградации.

Сегодня трудно согласиться с еще недавно бесспорным тезисом И.В.

Мичурина: «Мы не должны ждать милости от природы, взять их у нее – наша задача». Нельзя все время «брать», нужно научиться при этом хотя бы наносить меньший ущерб природе, частью которой мы все являемся. Крупный американский эколог Роберт Риклефс удачно заметил: «Если мы хотим достичь какогото согласия с Природой, то нам в большинстве случаев придется принимать ее условия..., перед которыми в конечном счете будет вынужден склониться человек...» / 8. c. 9 /.

В своей «созидательной и преобразующей» деятельности человек с запозданием обнаружил губительный результат своих завоеваний природы. Достаточно оценить этот результат на примере развития топливно-энергетического комплекса России, расположившегося в Западной Сибири и на Севере европейской части страны, ставшими сегодня воистину зоной экологического бедствия.

Так, в одной только Тюменской области почти 57 миллионов кубометров неочищенных вредных отходов ежегодно сбрасывает нефтегазовый комплекс, причем половина этих губительных сбросов сразу же попадает в реки и озера («Наш современник», 1985, № 5, с. 109). Это так называемые «плановые» выбросы. А сколько в Западной Сибири происходит аварий на нефтепромыслах и нефтепроводах! Только в l988 году в Тюменской области было зарегистрировано 698 крупных прорывов нефтепроводов. По некоторым оценкам, ежегодно в области вследствие аварий выливается 12 млн. т. нефти, что, например, больше ее годовой добычи в Румынии («Красный Север», 10.12.88, с. 14). И это при том, что в условиях Крайнего Севера «самоочищение» экосистем происходит в десятки раз медленнее, чем в средних широтах. 10 г. нефти способны загрязнить кубометр воды до такого состояния, что вода будет непригодна не только для питья и обитания животных, но и для хозяйственного потребления.

Наличие нефти и нефтепродуктов в водах Оби в районе Нижневартовска, например, превышает предельно допустимые нормы концентрации (ПДК) в пятнадцать раз («Наш современник», 1989, № 5, c. 109). Сегодня в эту великую сибирскую реку выливается примерно половина всех нефтепродуктов, которые попадают во все судоходные реки мира («Известия», 17.12.89).

Свой вклад в разрушение природы вносят строители дорог и прокладчики трубопроводов. Вместо сооружения мостов они перекрывают реки плотинами. Перегороженная река постепенно превращается в сточную канаву.

По данным природоохранительных органов, таким путем погублено уже речек, и еще стремительно гибнут 250 крупных рек («Наш современник», 1989, № 5, с. 109).

Немалую роль в обострении экологической ситуации в Западной Сибири играют разбросанные там и сям так называемые «амбары» – огромные ямы с остатками необходимых для бурения растворов, содержащих весьма токсичные компоненты. На сегодняшний день только у нефтяников таких неликвидированных «амбаров» насчитывается пять тысяч («Наш современник», 1989, № 5, с. 110).

Под стремительным натиском «первопроходцев» с лица земли исчезает все живое: рыба, дичь, звери. Так, ежегодно в водоемах Западной Сибири гибнет одна тысяча сиговых и осетровых рыб. Если в 1976 году в Ямало-Ненецком автономном округе было выявлено 135 тонн осетровых, то в 1987 году всего тонны.

Идет беспощадное наступление на леса. Площадь лесов, изъятых из Гослесфонда для нужд нефтяной и газовой промышленности с 1964 по 1985гг., составила 580 тыс. гектаров, причем 160 тыс. захвачено «первопроходцами»

самовольно. С каждым годом площадь изъятия увеличивается: в 1988 году она составила уже 108 тыс. га. Из 37 млн. кубометров древесины, срубленных на этой площади, более 40% просто брошены в лесу. Леса затапливаются и погибают из-за отсутствия водопропускных сооружений при прокладке дорог, браконьерски вырубаются вокруг городов и поселков, сгорают в результате многочисленных пожаров.

Неумолимо продолжается нарушение почвенного покрова тундры и лесотундры. Мощная техника буквально «вспарывает» колесами и гусеницами верхний слой почвы. Даже единичный проезд вездехода или трактора по тундре приводит к нарушению растительности на 30-40 %, а многократный – к полному ее уничтожению («Энергия», 1989, № 12, с. 32). На сегодня уже погублено 20 млн. га оленьих пастбищ, на которых могли бы кормиться 100 тысяч животных («Неделя», 1989, № 11, с. 14).

Уже сегодня хищническая, бесконтрольная эксплуатация нефтегазовых богатств Сибири грозит такими экологическими последствиями, которые могут выйти не только за пределы региона, но и национальные границы страны. Ежегодно реками Тюменской области (прежде всего Обью) в Северный Ледовитый океан выносится более 130 тыс. т. нефти и других вредных веществ. Уже сейчас содержание загрязняющих веществ в прибрежных водах Северного Ледовитого океана в 5-6 раз превышает предельные нормы («Красный Север», 10.12.88, с.

3). Со временем Северный Ледовитый океан может превратиться в Северный Ядовитый… Или взять проблему попутных газов. Ежегодно в Западной Сибири в факелах их сгорает 12 млрд. кубометров. Каждый факел делает вокруг себя безжизненным пространство на площади в среднем 24 га. Во время сезонных миграций в пламени гибнут миллионы и миллионы птиц, летящих на огонь («Красный Север», 10.12.88, с. 14). При сжигании попутных газов, а также при различных производственных процессах выделяется такое количество тепла, которое намного превышает его поступление в виде солнечной радиации. Это может внести свой весомый «вклад» в глобальное потепление. Над регионом навис не проходящий смог, состоящий из углекислого газа, окислов азота, углеводородов. Эта смесь способствует возникновению «парникового эффекта»

на планете, который в конце концов может привести к всемирному потопу. Уже сейчас Голландия, значительная территория которой находится ниже уровня моря, готова платить нашей стране за каждый потушенный факел.

Расчеты, проведенные отечественными и американскими специалистами, показывают, что серьезный вклад в возникновение «парникового эффекта» вносит антропогенное нарушение жизнедеятельности микробных сообществ в почвах Сибири и части Северной Америки. Дальнейшее «освоение»

Сибири может привести к полному уничтожению этих сообществ со всеми вытекающими отсюда катастрофическими последствиями для человечества.

В настоящее время экологический ущерб в расчете на одну тонну нефти в несколько раз превышает ее официальную оптовую цену. А как оценить в рублях деградацию геологической среды? Массированное выкачивание газа и нефти из недр без полной компенсации «пустот» неизбежно выводит эти недра из древнего покоя. Уже сегодня происходит интенсивная деформация пластов и смещение грунтовых вод, что в некоторых местах ведет к образованию трещин и разрывов, проседанию почвы, возникновению землетрясений.

В значительной степени многие беды объясняются не только субъективными «антропогенными» факторами, но и техногенными. Производственная же база нефтегазодобывающей промышленности страны сегодня находится на грани полного развала. Трудно найти у нас отрасль, которую так же слабо, как нефтегазовую, затронул бы научно-технический прогресс. Так, той же Тюменской области на фундаментальные научные исследования ежегодно отпускаются средства, на которые можно пробурить три скважины. «Скупой платит дважды».

Выход из создавшейся катастрофической ситуации может быть только один – развитие фундаментальных широкомасштабных научных исследований, направленных на разработку новых природосберегающих технологических производственных процессов, совершенствование и внедрение новой техники, использование которой не наносит ущерба окружающей среде. Применительно к проблемам Севера такими мерами организационно-технического характера, например, могли бы быть: преимущественная разработка грунтов землеройными машинами в естественном состоянии; выполнение земляных работ и перемещение грузов преимущественно в зимнее время года особенно гусеничными машинами в целях снижения повреждения почвенного слоя; выполнение работ по удалению леса и кустарника посредством рубок, а не корчевания; категорическое запрещение использования небезопасных в пожарном отношении материалов и оборудования, т.к. восстановление поверхности Арктики и Субарктики, уничтоженной в результате пожара, в десятки раз продолжительнее, чем в средней полосе; использование сборных, облегченных конструкций для уменьшения давления на грунт; применение специальных тяговых транспортных средств, движители которых не повреждают растительный покров (например, воздушная подушка).

Очевидно, для реализации всех этих мер от машиностроения потребуется создание системы машин в северном исполнении с техническими характеристиками, соответствующими перечисленным требованиям.

6 ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ

В процессе реализации научно-технической идеи (особенно при разработке технического задания и на последующих стадиях проектирования) принятие конкретного варианта имеет наиважнейшее значение.

Как требования к машине, так и сравнительные варианты технических решений нередко являются противоречивыми (например, минимальная материалоемкость и минимальная себестоимость изделия).

На помощь проектировщику в выборе наилучшего варианта приходят методы оптимизации.

Оптимизация (т.е. совокупность процедур поиска, методов и алгоритмов, позволяющих при наличии различных ограничений – технических, технологических, экономических, экологических и др., – и целевых установок определить оптимальные параметры и структуру объекта) была названа / п. 1.2. / важнейшим интегрирующим принципом проектирования машин.

6.1 Типы задач оптимизации При системном проектировании различают два типа оптимизации проектных параметров:

- внешнюю, при которой проектные параметры проектируемых изделий оптимизируются одновременно с проектными параметрами технической системы машин, куда оптимизируемые машины входят на правах подсистем (структурных составлявших системы машин, технологического комплекса и т.п.). Такую оптимизацию можно назвать надсистемной;

- внутреннюю, охватывающую оптимизацию проектных параметров проектируемых образцов изделий, проводимую как бы изолированным образом (ее можно назвать подсистемной оптимизацией).

В практических расчетах в большинстве случаев можно использовать внутреннюю оптимизацию элементов, узлов и всей машины, которая, как правило, оказывается полезной и для внешней оптимизации. К числу целей внутренней оптимизации откосятся: максимум экономичности (коэффициента полезного действия, расхода топлива, электроэнергии и т.п.), минимум габаритов, материалоемкости, трудоемкости и др.

6.2 Методы оптимизации Процесс проектирования представляет собой процесс решения многочисленных задач оптимизации: частных и общих, локальных и глобальных, технических и экономических и др. Каждая из задач оптимизации имеет свои особенности, свою специфику, которые требуют использования определенного метода оптимизации. В настоящее время насчитывается несколько сот различных методов оптимизации и их модификаций. Современный проектировщик должен ориентироваться в основных из них и широко использовать их на практике.

При проектировании целесообразно вести работу в два этапа. На первом этапе определяют параметры, обеспечивающие заданные характеристики изделия. На втором этапе улучшают конструкцию по отдельным характеристикам, принятым за критерий оптимизации.

6.2.1 Выбор критерия Назначение критерия состоит в том, чтобы установить предпочтительный вариант конструкции при решении многовариантных задач в процессе проектирования.

При решении несложных задач обычно стремятся использовать один критерий (так называемые «однокритериальные» задачи оптимизации). В качестве критерия оптимизации в зависимости от характера и назначения проектируемого объекта могут быть приняты его стоимость, точностные и конструктивные показатели, масса, долговечность и др.

Однако многие реальные задачи проектирования являются многокритериальными. Для упрощения многокритериальной задачи ее можно привести к однокритериальной путем выделения главного определяющего критерия. При этом возникают две сложности: во-первых, непросто выделить главный критерий, по которому предстоит определить оптимальные значения параметров изделия; во-вторых, возникает трудность с переводом остальных критериев в класс ограничений, поэтому выбор главного критерия нео6ходимо выполнить с минимальным ущербом для точности решения поставленной задачи.

Известны и другие методы решения многокритериальных задач, которые базируются на построении обобщенного критерия оптимизации в виде суммы частных критериев оптимизации с учетом их веса (значимости):

Уi – значение i-го критерия оптимизации;

Так, этим методом, например, можно оценивать качество приводов машин по обобщенному критерию качества, учитывающему такие частные критерии оптимизации, как габариты, стоимость, масса.

6.2.2 Целевая функция Каждой цели оптимального проектирования соответствует определенный критерий оптимизации. Например, если целью оптимизации детали (сборочной единицы) является обеспечение минимальной массы, то критерием оптимизации будет его масса.

Для решения задачи оптимизации, т.е. для выбора оптимального варианта конструкции, критерий оптимизации следует выразить через переменные проектирования (параметры оптимизации):