機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計-第1章緒論(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 （ 2） 傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計方法在進(jìn)行內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)計時，以改善零部件的特性為重點 ，而對各個零部件之間的相互作用和影響重視不足。 導(dǎo)致會出現(xiàn)以下兩種情況： （ 1）用設(shè)計良好的零部件組裝起來的機(jī)械系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性能和經(jīng)濟(jì)效益未必是良好的； 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計強(qiáng)調(diào)以系統(tǒng)的觀點進(jìn)行設(shè)計，要充分考慮內(nèi)部系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的相互影響和作用，也就是說既要考慮內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計，又要重視內(nèi)部系統(tǒng)和外部系統(tǒng)的聯(lián)系，還要充分考慮組成系統(tǒng)的零部件之間的相互作用和影響，既要重視零部件的設(shè)計，又要重視各個零部件之間的協(xié)調(diào)和配合。 應(yīng)在調(diào)查和研究的基礎(chǔ)上，搞清外部環(huán)境對機(jī)械產(chǎn)品的作用和影響 。 不能單純考慮各零部件之間的工作狀態(tài)和性能，不能片面追求每一個零部件都是最優(yōu)秀的 ，而是應(yīng)當(dāng)在滿足整機(jī)工作狀態(tài)和性能最好的條件下，確定對各零部件的基本要求，并要充分考慮各零部件以及各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。 具體來講， 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計要重視以下三方面的問題： 市場對機(jī)械產(chǎn)品的要求和約束也應(yīng)充分考慮。市場對產(chǎn)品的要求表現(xiàn)在：資金、材料、設(shè)備、技術(shù)、人員培訓(xùn)、信息、使用環(huán)境、后勤供應(yīng)、售后服務(wù)、法律、政策等方面。 外部環(huán)境對機(jī)械產(chǎn)品的作用和影響有多種形式。對于農(nóng)業(yè)機(jī)械而言，外部環(huán)境對機(jī)械產(chǎn)品的影響尤為重要。 機(jī)械產(chǎn)品運行時，對周圍的工作環(huán)境和自然環(huán)境的影響要充分考慮。同時還應(yīng)考慮機(jī)械產(chǎn)品在投入市場后，對市場形勢和競爭對手的影響。 不能忽略機(jī)械產(chǎn)品對外部環(huán)境的影響 。 二、合理確定機(jī)械系統(tǒng)的功能 企業(yè)為何要生產(chǎn)某種產(chǎn)品，用戶為何要購買這種機(jī)械產(chǎn)品，其根源就在于機(jī)械產(chǎn)品具有某種功能，能夠滿足社會的需要。 (生產(chǎn)需求、生活需求 ) 社會的需求是隨時間、地點、環(huán)境的變化而變化的，機(jī)械產(chǎn)品也應(yīng)當(dāng)不斷地更新和改進(jìn)，否則，該種產(chǎn)品就會失去市場，輕則影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，重則使企業(yè)倒閉。 社會對產(chǎn)品的需求表現(xiàn)在對產(chǎn)品功能的需求， 用戶購買產(chǎn)品，實際上購買的是產(chǎn)品的功能 。為此， 在設(shè)計產(chǎn)品之前，要對產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，為產(chǎn)品制定出合理的功能 。 功能的分類 （ 1）按照性能不同，功能可以分為 基本功能和輔助功能 。 輔助功能：為了實現(xiàn)基本功能所附加在產(chǎn)品上的功能。 輔助功能是實現(xiàn)基本功能的手段 。同時，輔助功能具有多解性。 基本功能：用戶直接要求的功能。體現(xiàn)產(chǎn)品存在的基本價值。 輔助功能多解性：為了實現(xiàn)某一基本功能，可以采用不同的技術(shù)方案（手段）。 ※ 例： 基本功能： 變轉(zhuǎn)動為往復(fù)移動 ，同時 達(dá)到增力 的效果。 實現(xiàn)上述基本功能的技術(shù)方案有：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)、氣壓缸或液壓缸機(jī)構(gòu)、近似直線機(jī)構(gòu)等等。 以上述的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例，要實現(xiàn)所提出的基本功能，要符合以下一些相應(yīng)的輔助功能： 輔助功能 （實現(xiàn)基本功能的手段） ① 曲柄的轉(zhuǎn)動功能 ② 滑塊的往復(fù)移動功能 ③ 曲柄與滑塊的聯(lián)接功能 輔助功能 （實現(xiàn)基本功能的手段） ① 曲柄的轉(zhuǎn)動功能 ② 滑塊的往復(fù)移動功能 ③ 曲柄與滑塊的聯(lián)接功能 回轉(zhuǎn)運動的輸入 曲柄的回轉(zhuǎn)支承 曲柄存在的條件 導(dǎo)向方式和導(dǎo)向構(gòu)件 導(dǎo)向精度 導(dǎo)向間隙的調(diào)整 曲柄與連桿的聯(lián)接 連桿與滑塊的聯(lián)接 連桿間隙的調(diào)整 連桿的平衡 導(dǎo)向方式和導(dǎo)向構(gòu)件 導(dǎo)向精度 導(dǎo)向間隙的調(diào)整 曲柄與連桿的聯(lián)接 連桿與滑塊的聯(lián)接 連桿間隙的調(diào)整 連桿的平衡 回轉(zhuǎn)運動的輸入 曲柄的回轉(zhuǎn)支承 曲柄存在的條件 次 級 功 能 上 述所列舉的輔助功能和次級功能都是 必要的功能。 如果在設(shè)計的過程中不注意，就會產(chǎn)生 多余的功能 ，比如強(qiáng)度過剩、精度過高、壽命過長以及產(chǎn)生多余約束等等，這都是多余功能。 因此，按照性能的不同提出了： 基本功能、輔助功能、必要功能、次級功能和多余功能 等一系列功能。 外觀功能：在使用功能的基礎(chǔ)上，對產(chǎn)品起著 美化和裝飾作用 的功能。 （ 2）按照滿足用戶的要求性質(zhì)的不同，功能分為 使用功能 和 外觀功能 。 使用功能： 滿足用戶要求 、 體現(xiàn)產(chǎn)品實際使用價值 的功能。使用功能屬于必要功能，設(shè)計機(jī)械系統(tǒng)時一定要滿足使用功能。 外觀功能可以增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力和吸引顧客。對有些產(chǎn)品來講外觀功能是非常重要的，但是 外觀功能必須服從使用功能 。在保證產(chǎn)品性能好和質(zhì)量高的前提下，講究產(chǎn)品的造型、色彩和裝飾等功能，外觀功能即使提高了產(chǎn)品的成本，也是必要的，絕不能看成是產(chǎn)品的多余功能。 但在一些對產(chǎn)品的外觀功能沒有具體要求的情況下（比如 埋在地下的管道、電纜 等）在外觀上花費任何費用都是多余的。 思考題： 舉例說明什么是系統(tǒng)，系統(tǒng)有什么特性。 舉例說明機(jī)械系統(tǒng)是由哪些子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)在機(jī)械系統(tǒng)中的作用如何。 常規(guī)設(shè)計方法有什么不足，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計為什么強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)的觀點出發(fā)進(jìn)行設(shè)計。 什么是產(chǎn)品的基本功能，輔助功能，次要功能，必要功能，多余功能，使用功能和外觀功能。如何合理地確定產(chǎn)品的功能。 功能與成本的關(guān)系 要實現(xiàn)產(chǎn)品的功能，就必須投入成本，產(chǎn)品的功能越多、越齊全，投入產(chǎn)品的成本就越多，產(chǎn)品的價值就越高。可以 用產(chǎn)品的價值來評價功能與成本的統(tǒng)一程度以及表示產(chǎn)品的物美價廉的程度 。 FCV以 表示產(chǎn)品的功能，以 表示產(chǎn)品的成本，以 表示產(chǎn)品的價值，它們 之間的關(guān)系可以表示成為： FV=CF— 實現(xiàn)功能的最低費用， 功能評價值 ，貨幣量； C— 實現(xiàn)功能的實際費用， 功能的現(xiàn)實成本 ，貨幣量； V— 功能價值 ，無量綱。 產(chǎn)品的成本 C可用貨幣量來表示，為了使功能 F與成本 C相比較，必須把 功能 F量化成貨幣量 ，因此 這樣上述式子就可以改寫成為 FV= =C功 能 評 價 值 實 現(xiàn) 功 能 的 最 低 費 用功 能 價 值功 能 現(xiàn) 實 成 本 實 現(xiàn) 功 能 的 實 際 費 用 從上述式子可以看出， 功能價值 V≤1。 V越接近于 1，產(chǎn)品的功能價值越高 。 Ⅲ V1，這說明 CF，實現(xiàn)功能的現(xiàn)實成本 C低于實現(xiàn)功能的最低費用 F，情況不正常 ，應(yīng)首先檢查 F與 C取值是否正確，若取值無誤，應(yīng)取 F=C， V=1 應(yīng)用功能價值 V進(jìn)行分析時，可以得到以下三種情況： Ⅰ V=1，這說明 C=F，實現(xiàn)功能的現(xiàn)實成本 C與實現(xiàn)功能的最低費用 F相等，這是 最理想 的情況。 Ⅱ V1，這說明 CF，實現(xiàn)功能的現(xiàn)實成本 C高于實現(xiàn)功能的最低費用 F，情況不理想 ，應(yīng)當(dāng)設(shè)法降低實現(xiàn)功能的現(xiàn)實成本 C。 為了提高產(chǎn)品的功能價值 V，可以采取以下 5種措施： ① 保持現(xiàn)實成本 C不變，增強(qiáng)產(chǎn)品的功能 F；花同樣的錢辦更多的事。 ② 保持產(chǎn)品的功能 F不變，降低產(chǎn)品的實際成本 C；花較少的錢辦同樣的事。 FV=C③ 產(chǎn)品的實際成本 C有較小的增加，產(chǎn)品的功能 F有較大的增加 ；花的錢稍有增加，辦的事大大增加。這種產(chǎn)品即使售價有所提高，消費者也愿意購買。 ④ 產(chǎn)品的功能 F稍有減小，產(chǎn)品的實際成本 C大大減小 ；花的錢大大減少，辦的事略有減少，適應(yīng)購買力較低的用戶，或一些靠價格競爭的場合。 ⑤ 產(chǎn)品的實際成本 C減小，產(chǎn)品的功能 F增加 。花較少的錢辦較多的事。 這些措施為提高產(chǎn)品價值指出了路。 功能評價值 F與實現(xiàn)功能的難易程度有關(guān)，對于較難實現(xiàn)的功能，功能評價值 F就較高。 生產(chǎn)同一類產(chǎn)品的企業(yè)組成了一個行業(yè)， 同行業(yè)中的各個企業(yè)生產(chǎn)條件各不相同 ，如設(shè)備條件、技術(shù)水平、經(jīng)營管理狀況等等都有差異，因此 實現(xiàn)同一功能所花費的成本也不相同 。要在同行業(yè)中的各個企業(yè)之間進(jìn)行比較，就需要 制定統(tǒng)一的功能評價值 F， 制定功能評價值 F的方法有兩種： Ⅰ 通過調(diào)查研究，取行業(yè)之間實現(xiàn)該功能的最低費用為功能評價值； Ⅱ 按照 P6（ 12）式子計算獲得功能評價值 F : ip= D I + B（ ）Bp— 單位產(chǎn)品的銷售費用。 式中： D— 現(xiàn)有情況下，通過市場預(yù)測得到的用戶認(rèn)可的價格； Ii— 產(chǎn)品預(yù)期的利潤和稅金； 確定機(jī)械系統(tǒng)功能應(yīng)達(dá)到的要求： 確定機(jī)械系統(tǒng)功能的原則： 保證基本功能，滿足使用功能，剔除多余功能，增加新穎功能，恰到好處地利用外觀功能 。 降低功能的現(xiàn)實成本 C，提高產(chǎn)品的功能價值 V，力求使產(chǎn)品達(dá)到 盡善盡美 的境地。 故障： 產(chǎn)品雖然喪失了規(guī)定的功能，但可以通過修理的方法使其功能恢復(fù)的現(xiàn)象，是一種特殊的失效。 三、提高機(jī)械系統(tǒng)的可靠性 可靠性：在規(guī)定的條件和時間里，產(chǎn)品完成規(guī)定的功能的能力。 與可靠性相關(guān)的幾個概念： 產(chǎn)品： 單獨進(jìn)行可靠性研究或考核的對象。產(chǎn)品可以是零件、部件、裝置，也可以是整個機(jī)械系統(tǒng)。 規(guī)定條件： 產(chǎn)品考核所規(guī)定的使用條件、環(huán)境條件和操作規(guī)程等約束。 規(guī)定時間： 考核產(chǎn)品的時間。可以采用運行時間、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、行駛里程等指標(biāo)。 失效： 產(chǎn)品喪失了規(guī)定的功能的現(xiàn)象。 可靠性技術(shù)： 研究產(chǎn)品發(fā)生故障或失效原因的技術(shù)。 如有 N0臺機(jī)械產(chǎn)品，在規(guī)定的條件下使用了 t小時，有 N臺沒有發(fā)生失效或故障（還能夠完成預(yù)定的功能），則 （一）衡量可靠性的指標(biāo) 可靠度 R(t)： 產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時間里不失效或不發(fā)生故障的概率。 0( t ) NR= N可靠度 R(t)是隨著時間 t的變化而變化的，它是時間 t的減函數(shù) 。 0 ( t ) 1R?? 例： 滾動軸承在基本額定動載荷下，壽命為一百萬轉(zhuǎn)，可靠度為 90%。 失效概率 F（ t）： 產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定時間里失效或者發(fā)生故障的概率。 000( t ) 1 1 ( t )( t ) ( t ) 1NN NFRNNFR?? ? ? ? ??? 有 N0臺機(jī)械產(chǎn)品，在規(guī)定條件下工作了 t小時，有 N臺沒有失效或者發(fā)生故障，在此后的 ⊿ t時刻里，有 ⊿ N臺發(fā)生了失效或故障，則 失效率 λ（ t）： 產(chǎn)品在規(guī)定的條件下工作了 t小時，在單位時間里發(fā)生失效或故障的概率。 /1( t ) N t NN N t? ? ?? ? ? ? ? ??失 效 率 可靠度 R(t)、失效概率 F（ t）和失效率 λ（ t），既可以用于不可修復(fù)的產(chǎn)品，也可以用于修復(fù)產(chǎn)品 。 失效率的計算定義式中之所以取負(fù)號，是由于 △ N/△ t 0，為了使失效率λ（ t） 為正值，所以取負(fù)號。 平均無故障時間 MTBF： MTBF（ Mean Time Between Failures）是產(chǎn)品在使用壽命期內(nèi)的某個觀察時間里，累計工作時間與故障次數(shù)的比值。 平均無故障時間 MTBF與失效率 λ（ t）互為倒數(shù) 。 它是衡量 可修復(fù)產(chǎn)品 可靠性的指標(biāo)。 1( t )M T BF ? ? MTTF（ Mean Time To Failures）是指從產(chǎn)品開始直至失效的平均工作時間。失效前平均工作時間 MTTF是衡量 不可修復(fù)產(chǎn)品 可靠性的指標(biāo)。 失效前平均工作時間 MTTF： 維修度 M（ t）： 在規(guī)定的條件下使用產(chǎn)品，在規(guī)定的時間里，按照規(guī)定的方法和程序進(jìn)行維修，保持和恢復(fù)到規(guī)定的功能的概率。維修度 M（ t）是衡量 可修復(fù)產(chǎn)品可維修性能的指標(biāo)。 若以 tn表示觀察期間產(chǎn)品能夠工作的時間，以 t0表示不能工作的時間（用于維修的時間），則有效度 A(t)可以表示為： 有效度 A(t)： 可修復(fù)產(chǎn)品在規(guī)定的條件下使用，按照規(guī)定的程序維修，在規(guī)定的時間里 能夠保持其功能處于正常狀態(tài)的概率 。 nn0( t ) tA tt? ?A(t)又稱為可用率，它只能用于 可維修產(chǎn)品 。 以上所介紹的以及其他一些可靠性衡量指標(biāo)，都只是衡量和評價產(chǎn)品可靠性某一方面特征的尺度，在具體的應(yīng)用過程中，各個衡量指標(biāo)之間 不能相互代替 。 （二）提高機(jī)械系統(tǒng)可靠性的措施 提高機(jī)械系統(tǒng)可靠性的最有效的措施： 采用 可靠性設(shè)計方法 進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計 。 （ 1） 要有采用系統(tǒng)方法得到的各個設(shè)計變量的分布特性和數(shù)據(jù)。 對一個拉（壓）桿進(jìn)行強(qiáng)度校核 ? ? l imσFσ = σAS??三個變量影響著拉桿的強(qiáng)度 : 危險截面的軸力 F，是否為常量？ 拉桿危險截面的面積 A，（公差） 材料的極限應(yīng)力 σlim， 試驗得到，是個范圍