При кустарном производстве ТС, когда не использовался чертежный способ проектирования, наилучшие формы изделия появлялись в процессе многовековых поисков путем проб и ошибок как результат бесчисленных неудач и находок. Хранилась информация об этом, в первую очередь, в форме самого изделия. Кроме того, частично информация хранилась в виде эталонов, шаблонов, а также передаваемых при обучении навыков. Такое положение было гарантией того, что изготовленная ТС будет работоспособна и надежна [75].
При современном производстве и чертежном способе проектирования, при котором значительно легче изменить и подогнать на бумаге детали друг к другу, конструктор уже не может с гарантией утверждать, что изделие будет полностью соответствовать условиям его изготовления и эксплуатации. В значительной мере эта проблема разрешается путем проведения комплекса расчетов изделия, а затем его изготовлением и испытанием опытных образцов.
Расчет позволяет определить прочность, жесткость, надежность конструкции, а также её эксплуатационные характеристики. Чем больше элементов конструкции ТС предварительно определяются при помощи расчетов и чем точнее эти расчеты, тем меньше переделок, изменений и уточнений потребуется после испытаний опытных образцов и тем меньше времени потребуется на внедрение его в производство.
|
|
Целесообразно повышение как качества, так и количества выполняемых расчетов на стадии проектирования ТС. Желательно, чтобы все элементы конструкции (размеры, сечения, деформации, материал и др.) определялись расчетом. Однако не всегда для этого разработаны соответствующие методики, создание которых требует глубоких знаний и понимания происходящих физических процессов в ТС, а также умения описать эти процессы математически. Многие процессы могут быть объяснены и поняты только после проведения соответствующих научно-исследовательских работ. Зачастую разработанная методика расчета ТС является основой кандидатской или даже докторской диссертации.
При проектировании машины и её деталей выполняются два основных вида работ: первый - расчет конструкции, второй — изображение конструкции детали. Эти работы могут выполняться последовательно, параллельно и чередуясь, в зависимости от сложности конструкции и имеющейся расчетной базы.
В том случае, когда расчетная база мала, то есть недостаточно разработано методик расчета данной ТС, многие размеры и параметры ТС устанавливаются на основе аналогии- сходства каких-либо отдельных свойств, признаков, элементов, характеристик объектов, в целом отличающихся друг от друга [17]. Такое сравнение подобных конструкций позволяет конструктору по сходству (аналогии) выбирать значения соответствующих размеров в проекте. Например, при проектировании зубчатых передач приблизительно 70 % размеров устанавливается по аналогии или просто по интуиции и только 30% по расчету [72]. Такое положение приводит к тому, что в процессе доводки ТС и далее при её серийном изготовлении в конструкцию ТС вносится значительное число изменений, которых можно было избежать при более широком и тщательном проведении расчетов на этапе проектирования. В тех проектных организациях, где расчетам уделяется первостепенное внимание, где постоянно растет расчетная база, где тщательнейшим образом анализируются результаты экспериментов и эксплуатации машин, а по результатам анализа уточняются методики расчета, там можно ожидать значительного сближения результатов расчета и эксперимента, а иногда их полного совпадения. Это снижает количество требуемых изменений чертежей, а значит, разгружает в первую очередь конструкторов от дополнительной работы.
|
|
Можно утверждать, что качество разработки конструкции прежде всего определяется качеством и объёмом выполненных расчетов этой конструкции. Инженеры-расчетчики принимают участие в разработке ТС на всех стадиях проектирования. Они выполняют важнейшую работу по переводу конструкции с уровня предварительных решений на уровень научно-обоснованных. Они выполняют кинематические и энергетические расчеты, расчеты на прочность, обеспечивая минимальную массу объекта. Общая расчетная схема ТС должна выполняться в следующей наиболее целесообразной последовательности [73]:
- расчет кинематической схемы;
- расчет энергетики, потребляемой и передаваемой мощности, потерь энергии;
- расчеты на прочность и долговечность ТС.
Такая схема позволяет конструкторам быстро ориентироваться в исходных данных при разработке порученных им частей ТС. В ходе разработки должны быть выполнены расчеты сечений валов, долговечность подшипников, размеры шестерен, длины шпонок и шлицов, жесткость пружин, размеры тормозных колодок, усиления на рычагах и др. Эти расчеты могут выполняться как централизованно инженерами-расчетчиками, так и конструкторами при разработке ими соответствующих деталей.
Важность тщательного выполнения расчетов при проектировании может быть подтверждена примерами из различных областей техники. В электромеханике точность расчета электрических машин и аппаратов в первую очередь определяется точностью расчета магнитной системы и невидимого магнитного потока.
Первые электромеханические устройства рассчитывались по аналогии с ранее выполненными - наиболее удачными. Такой расчет приводил к многочисленным промашкам и большим погрешностям в определении размеров магнитной цепи.
Английский электротехник Джон Гопкинсон (1849- 1898) в 1879 году дал графическое представление о зависимостях в электрических машинах, называемых в настоящее время характеристиками электрической машины (характеристика холостого хода, внешняя характеристика и др.). В 1885 году Джон Гопкинсон сформулировал закон магнитной цепи. А в 1886 году Джон и Эдвард Гопкинсоны создали теорию электрических машин постоянного тока.
Эти и другие работы позволили перейти от неточной аналогии и грубой эмпирики к достаточно строгому рас-
чету электротехнических устройств. В настоящее время точность расчета магнитных полей ещё более повышена благодаря применению численных методов, основанных на использовании уравнений Д.К. Максвелла, являющихся фундаментом электродинамики. Реализованы эти методы на быстродействующих вычислительных машинах.
|
|
Другой пример из области воздушного транспорта, связанный с созданием одновинтовых вертолетов [20]. Известно, что в одновинтовом вертолете (в настоящее время около 90% вертолетов - одновинтовые) наибольшие трудности возникают в управлении ими. Одним из важнейших изобретений в этой области, приведшим к широкому внедрению одновинтовых вертолетов, является автомат-перекос, предложенный замечательным русским ученым и изобретателем, академиком Б.Н. Юрьевым ещё в 1944 году, когда он был 22-летним студентом знаменитого МВТУ. Без автомата-перекоса для управления одновинтовым вертолетом необходима установка трёх рулевых винтов, что значительно усложняет конструкцию вертолета и делает её менее надежной в эксплуатации из-за взаимного аэродинамического влияния винтов. Внедрение автомата-перекоса позволило устранить два рулевых винта, сохранив лишь винт компенсации реактивного момента.
Принцип действия автомата-перекоса следующий. Каждая лопасть описывает круг при вращении. Если выполнить лопасти, имеющими возможность менять угол наклона к плоскости вращения, то можно легко управлять вертолетом. Так, если часть круга будет пройдена с большим углом установки лопасти, а часть с меньшим, то тяга винта будет асимметричной, с одной стороны - большей, с другой - меньшей, что приведет к повороту винта (и машины) в соответствующую сторону.
Конструктивно автомат-перекос выглядит следующим образом (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Схема автомата-перекоса: 1 - угол наклона автомата-перекоса; 2 - неподвижное кольцо; 3 - подвижное кольцо; 4 — поводки, управляющие кольцом; 5 - управление
с общим шагом
На валу несущего винта устанавливаются концентрические кольца из подвижного кольца и двух неподвижных, охватывающих подвижное. Кольцо может иметь различный угол наклона относительно оси. От подвижного кольца идут тяги к лопастям винта, а от не вращающихся колец идут рулевые тяги. Поворотом тяг кольца меняется угол установки лопастей.
Автомат-перекос требует тщательного расчета и качественного изготовления, поэтому он долгое время не находил широкого применения. Основная роль в том, что одновинтовые вертолёты с применением автомата-перекоса заняли ведущее положение в вертолётостроении, принадлежит американскому авиаконструктору И. Сикорскому (русскому по происхождению, в 1919 г. эмигрировавшему в Америку). Когда он строил свой первый вертолёт, в котором был применен автомат-перекос, в 1939 г., он отказался от определения всех параметром путем расчетов, предполагая определить оптимальную конструкцию экспериментальным путем. Это привело к тому, что многочисленные недостатки вертолета
|
|
сразу же дали о себе знать на первых же испытаниях. Так как автомат-перекос был неверно рассчитан, вертолёт плохо слушался руля и в конце концов опрокинулся и сломался.
Отказавшись от автомата-перекоса, Сикорский ввел в конструкцию три рулевых винта. Но такая конструкция оказалась неудачной из-за значительного аэродинамического взаимовлияния винтов. Неудачи с этой машиной убедили Сикорского в необходимости использования автомата-перекоса.
В новом вертолёте, построенном в 1943 г., автомат-пере- кос был рассчитан с большой тщательностью, что привело к очень успешным испытаниям этого вертолёта, изумившим присутствовавших на них военных специалистов своей высокой маневренностью и точностью приземления.
В области архитектуры [25] интересна история строительства отеля «Бурж-аль-Араб * (в переводе «Арабская башня») в Объединенных Арабских Эмиратах, в районе Дубая. Это один из шикарнейших отелей мира, поражающий туристов своей красотой. Он задумывался его владельцем, министром обороны Эмиратов шейхом Мохаммадом аль-Макстумом, как здание, которое должно поразить мир.
Приглашенный для создания этого чуда архитектуры, архитектор, имя которого держится в тайне, предложил шейху грандиозный план: на берегу Персидского залива, в 20 км от Дубая, возвести вначале первый корпус отеля высотой в сто метров в виде голубой волны, а затем посреди морских волн возвести второй корпус высотой 321 м в виде паруса. Стоимость проекта оценивалась в несколько миллиардов долларов.
Так как форма здания была в виде раздутого паруса, основание которого меньше, чем средняя часть - необходимо было проведение тщательнейших сложнейших расчетов. Для этой цели были приглашены японские специалисты. Однако на заключительном этапе строительства оказалось, что отель стал сползать с насыпи - за год на 2 мм.
Срочно была полностью заменена команда архитекторов и строителей. Кроме японцев в команду были включены немецкие специалисты. Было принято решение - для того чтобы здание немного наклонилось в противоположную от сползания сторону, в определенных местах укрепить утяжеляющие детали. Такое решение оказалось достаточным.
Строительство башни было успешно закончено в 1999 году. Только на отделку этого необычного отеля было израсходовано около 100 тонн золота. Отель попал в книгу рекордов Гин- неса.
Опыт проектирования и создания большого числа различных ТС убеждает в чрезвычайной важности тщательнейшего выполнения расчетов как можно большего числа элементов ТС.
Иногда, пренебрегая расчетами для ускорения проектирования, многие элементы конструкции выбираются по аналогии с ранее выбранными. При этом зачастую происходит перерасход материалов, утяжеление конструкции, длительная и мучительная наладка или невыполнение требований технического задания на ТС.
Поэтому, перефразируя афоризм А.В. Суворова можно утверждать: «Тяжело считать - легко внедрять».