Реферат: Современное состояние проблемы анализа и оптимизации механизмов технологических машин

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ АНАЛИЗА И ОПТИМИЗАЦИИ МЕХАНИЗМОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН


ЧТО ТАКОЕ «ОПТИМИЗАЦИЯ»? ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ.


Режимы функционирования и основные показатели качества машин определяются действующими государственными стандартами и техническими условиями на их поставку. В ряде отраслей уже разработаны опережающие стандарты, регламентирующие изменение показателей качеств в течение заданного будущего отрезка времени. Таким образом, прогресс в развитии различных отраслей машиностроения состоит в постоянном улучшении показателей качества машин и наилучшей приспособляемости режимов их функционирования к заданным условиям эксплуатации. Важную роль в техническом прогрессе изделий машиностроения играет выбор оптимальных показателей качества и режимов эксплуатации машин, исходя из заданных условий оптимальности. В настоящее время признано, что наилучшей будет не та машина, у которой максимальными являются все ее показатели качества, а та, значения показателей которой находятся в оптимальном сочетании, обеспечивающем максимальный народнохозяйственный эффект от эксплуатации данного класса машин. Под народнохозяйственным эффектом понимаются либо показатели экономичной эффективности, включающие в себя стоимость изготовления и стоимость эксплуатации, либо показатели трудоемкости изготовления и эксплуатации, либо показатели энергоемкости и материалоемкости, либо комплексные показатели, включающие в себя все перечисленные показатели или часть из них [11].

Под оптимизацией машин мы будем понимать выбор таких их показателей качества, которые при заданных условиях эксплуатации приводили бы к оптимальным показателям народнохозяйственного эффекта.

На показатели народнохозяйственного эффекта преимущественно влияют такие показатели надежности, как показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности, а также такие эргономические показатели, как вибрация и шум машин. Оптимизация машин может быть комплексной по всем перечисленным критериям, либо оптимизацией отдельных критериев, где под термином «критерий» мы понимаем один из показателей назначения, надежности или эргономический показатель.

Параметрами функционирования будем называть параметры, описывающие процесс функционирования узлов, элементов машин или машины в целом, в дальнейшем подвергаемый оптимизации и неразрывно связанный с оптимизацией основных геометрических соотношений машин.

Оптимизация параметров функционирования машин достигается выбором оптимальных геометрических соотношений их основных элементов, которые приводили бы к минимуму (максимуму) числовые значения этих параметров для заданных режимов эксплуатации.

Конечным шагом процедуры оптимизации машин является получение на ЭВМ оптимальных значений параметров (или критериев) и геометрических соотношений элементов машин.


^ КАК СТАВИЛИ ЗАДАЧУ РАНЬШЕ, И ЧТО ИЗМЕНИЛОСЬ НА ТЕКУЩИЙ МОМЕНТ? КАКИЕ МЕТОДЫ МОЖНО СЕГОДНЯ РЕКОМЕНДОВАТЬ И ЧТО ЭТО МОЖЕТ ДАТЬ?


В настоящее время чрезвычайно возросли сложность и комплексность проблем, требующих решения в процессе проектирования. Создание машин качественно нового уровня предполагает использование важнейших достижений фундаментальных наук, конструирования и технологии, защиту обслуживающего персонала от вибрации и шума, учет современных экономических, социальных и экологических проблем. Так, в каждой машине должны удовлетворяться такие требования, как минимальная масса и достаточная надежность, быстроходность и минимальная динамическая нагруженность, малая стоимость и долговечность и другие, т. е. при конструировании машин и механизмов должен быть осуществлен выбор оптимальных параметров (структурных, кинематических, динамических, эксплуатационных) наилучшим образом соответствующих предъявляемым к ним многочисленным требованиям [12].

Разработка даже очень большого числа альтернативных вариантов, основанная на традиционных подходах, принципиально не может дать конструктору представления о возможностях машины, так как, например, если придать каждому из 10 параметров по 10 различных значений, пришлось бы рассмотреть 1010 вариантов – задача сложная.

Затраты на решение задач традиционными методами непрерывно увеличиваются, а отрицательные последствия принятия неоптимальных решений становятся все серьезнее. Для успешного решения многокритериальной задачи необходимо обоснованное определение допустимого множества решений (областей изменения вектора параметров проектируемой системы).

Разработка эскизного проекта машины или конструкции может быть осуществлена любым традиционным методом. После разработки эскизного проекта конструктор может определять и назначать, исходя из конструктивных соображений, пределы изменения каждого из параметров машины, от которых зависят все характеристики машины. Должны быть сформулированы критерии – характеристики, по которым конструктор в ходе проектирования судит о качестве машины. Такими характеристиками для различных машин могут быть масса, мощность, быстродействие, прочность любых узлов и деталей, уровни вибраций в различных точках машины, стоимость, экономичность и др. Число критериев качества, которые могут быть проанализированы в процессе конструирования, методикой выбора оптимальных параметров не ограничено, что очень важно для создания качественной машины или конструкции.

Для выбора оптимальных параметров проектируемой машины необходимы расчетные формулы или готовая программа, описывающие поведение исследуемого объекта и позволяющие для любого заданного набора параметров рассчитывать проектируемую систему и вычислять все критерии качества.

Проектирование современных машин, достижение оптимальности характеристик которых требует учета возрастающего разнообразия типов комплектующего оборудования, материалов и технологии изготовления, превращается во все более сложный и трудоемкий процесс. Объем научно-технической информации удваивается каждые 8 лет, разнообразие технических объектов удваивается каждые 10 лет, а сложность по числу составляющих их узлов и деталей – каждые 15 лет. Оценка воздействий всей суммы факторов, влияющих на объемы проектно-конструкторских работ, указывает на то, что этот объем возрастает в настоящее время примерно в 10 раз каждые 10 лет.

Таким образом, можно констатировать, что проблема коренной перестройки всей технологии проектирования, максимальной автоматизации проектирования – актуальнейшая задача современности. Решение этой проблемы ведется по четырем основным направлениям:

разработка машинных и программных средств автоматизации ввода и вывода, передачи, обработки и распределения символьной, графической и прочей проектной информации;

автоматизация расчетных задач, включая задачи, связанные с нахождением оптимальных проектных и новых конструкторских решений. Эти задачи решаются на больших вычислительных машинах, и их гипотетические требования к производительности ЭВМ всегда будут превышать возможности последних;

создание так называемых интегральных систем автоматизации проектирования (САПР), объединяющих в единое целое средства автоматизированной обработки проектной информации на малых ЭВМ с задачами, решаемыми большими ЭВМ. По существу эти системы должны базироваться на разветвленной мощной вычислительной сети, размеры таких систем будут ограничиваться лишь сложностью решаемых проектных задач;

пересмотр всех методов и процедур традиционного проектирования осуществляется применительно к новым возможностям, которые открываются с внедрением вычислительной техники и средств автоматизации проектных работ.




^ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.


Один из путей повышения производительности труда – увеличение рабочих скоростей и нагрузок производственных машин. Это требует обоснованного выбора типов, схем и размеров проектируемых механизмов, разработки уточненных методов синтеза механизмов с учетом их важнейших кинематических и динамических характеристик. Последующие расчеты на прочность, конструктивное оформление, выбор материалов, как правило, уже не могут существенно изменить основные свойства механизма [13].

В современных машинах получили широкое применение механизмы, которые при непрерывном вращательном движении входного звена вращательное или поступательное движение с выстоем (остановкой) выходного звена. Для этой цели применяют в основном механизмы с высшими кинематическими парами (кулачковые, реже механизмы неполнозубых колес), которые наряду с известными достоинствами имеют ряд существенных недостатков. При определенных размерах звеньев, выстой выходного звена могут обеспечить шарнирные механизмы, в состав которых входят только низшие кинематические пары.

Замена кулачковых механизмов шарнирными - позволяет повысить надежность и долговечность машин, уменьшить износ деталей, исключить разработку специальных конструкций для замыкания звеньев, упростить технологию изготовления и ремонта, а в некоторых случаях осуществить регулировку закона движения выходного звена даже во время работы машины.

Тем не менее шарнирные механизмы с выстоем выходного звена еще не получили широкого применения. «Вопрос о том, - отмечает известный немецкий ученый В.Лихтенхельдт [14], - какие механизмы – кулачковые или шарнирные – целесообразнее применять для осуществления рабочего процесса, чаще всего решается в пользу кулачковых механизмов, хотя во многих случаях шарнирные механизмы представляют собой гораздо более удобную и совершенную конструкцию… Причиной этого является то обстоятельство, что методы расчета звеньев шарнирных механизмов еще мало доступны многим конструкторам. Им кажется, что в каждом отдельном случае проще и удобнее для заданного закона движения звена механизма рассчитать кулачковый механизм, чем шарнирный».

Такое отношение к шарнирным механизмам объясняется многими объективными факторами: во-первых, синтез таких механизмов достаточно сложен и без современных ЭВМ затруднен; во-вторых, разработанные методы синтеза по отдельным критериям приведены в источниках, не всегда доступных конструкторам (журнальные статьи, материалы научных конференций, справочники, диссертации, научные отчеты и т.п.), причем открытые публикации, как правило, имеют обзорный, информационный характер; в-третьих, вопросы синтеза шарнирных механизмов с выстоем выходного звена практически не рассматриваются ни в общем курсе теории механизмов и машин, ни в специальных курсах, а отдельные пособия или справочники по их проектированию отсутствуют. Поэтому неудивительно, что кулачковые механизмы, теории синтеза которых уделяется достаточное внимание, получили широкое применение.

Из известных шарнирных механизмов, обеспечивающих выстой выходного звена, наиболее изучены механизмы, полученные на базе симметричного лямбдообразного механизма Чебышева (ЛМЧ) путем присоединения к нему одной из структурных групп второго класса (по классификации Ассура – Артоболевского). Эти механизмы обеспечивают широкий диапазон продолжительности и высокую точность выстоя, различные соотношения времени прямого и обратного движения выходного звена, благоприятные значения углов размаха (хода) выходного звена, углов передачи движения и других кинематических и динамических характеристик [13].

В век научно-технического прогресса сложность механизмов резко возрастает, больше внимания уделяется пространственным механизмам с несколькими степенями свободы, например, роботы. Для интенсивных методов обработки требуются критические значения скоростей, ускорений, температур и пр. В настоящее время промышленность стремиться к повышению точности обработки деталей (нано технологии), в частности детали, полученные по такой технологии, могут быть использованы в космической индустрии, медицине и пр. В связи с этим графические методы исследования механизмов уступают место современным, которые могут оптимально использовать ЭВМ для построения математической модели механизмов и машин.

В данной работе рассмотрена новая методика кинематического и динамического анализа с использованием переменных Лагранжа для последующей оптимизации технологических машин, в частности, изложены общие принципы проектирования шарнирных механизмов, приведены основные соотношения между геометрическими параметрами звеньев механизмов (кинематические связи), показаны влияния размеров на точность и закон движения выходного звена, величину и характер изменения реакций в кинематических парах механизма.

На основе опыта работы со студентами предложено методическое указание для проведения кинематического и динамического анализа кулисных механизмов, а так же в методическом указании был предложен образец выполнения кинематического и динамического анализа шарнирно-рычажного механизма повышенной сложности.