《机械第一章》PPT课件.pptVIP

设计工程系 米洁 张志强,机械系统设计,衣 食 住 行, 纺纱、织布、印染、缝纫, 作物种植、粮食加工、食品加工 建筑、材料 车、船、飞机、道路建设,我们的日常生活离不开机械,能源 交通 信息 农业, 钻井、采煤、发电、取水, 车、船、飞机、道路建设 磁盘光盘驱动器、打印机、元件制造和整机装配、光缆的制造和铺设 耕整、播种、除草、收获、粮食清理,我们的国民经济离不开机械,除了满足日常生活和国民经济基础产业需要的机械之外还要有制造这些机械的机器,(车、铣、刨、磨、钻镗、冲压、热处理、涂、镀）。,带装卸机器人的数控磨床,我国生产的第一台万吨水压机 (1962年),各类加工和装配生产线,机身长 18 mm 高度 5 mm 重 0.1克,上海 1999年世界最小,我国第一台类人型机器人“先行者”,身高 1.4 m 重 20 kg 每秒 2 步,机械工业是国民经济的支柱产业，机械工业的发展水平是国家综合实力的具体表现。,科学技术的发展需要机械科学的理论和实践不断发展。 我国年轻的机械科学工作者将肩负重任。,从整机和系统的观点了解一般机械产品设计的规律和特点。,拓宽知识面，掌握机械产品设计的基本方法和技术。 培养我们开发设计性能良好的、有市场竞争力的机械产品的初步能力。,本课程是专业教学指导委员会规定的专业主干课之一。,本课程的教学目的,学习本课程的基本要求,1.认真听讲，请对重要内容记笔记（可记录在书上）； 2.认真完成作业、做好实验 3. 成绩=平时（作业、出勤）+实验+考试,系统的概念和特性,机械系统的组成 现代机械的功能要求 机械系统设计的任务 机械系统的设计方法,第一章 绪 论,系统思想,人们在实践中已经认识到我们面对的世界是复杂的，我们面对的任何事物都不是孤立的，而是同周围事物有着许许多多各种各样的联系。因此为准确而科学地把握和研究某一事物，除必须研究和分析该事物本身的特性和发展规律外，还必须研究和分析该事物与周围其他相关事物之间的联系和作用。,1 机械与机械系统,系统实例交通系统,交通管理,道路,驾驶员,车辆,车流和路人,气象,1 机械与机械系统,“系统” 是对世界上一切事物和现象的共性 系统性的高度概括。,具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素构成的一个整体。,一般认为，由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都可看作是一个系统。,系统的定义,1 机械与机械系统,系统的功能和结构,系统结构是指系统内部各要素相互联系的方式和作用秩序。 系统结构具有层次性：,系统, 子系统, 更小子系统 ,系统功能是指系统对外部环境联系的效能和有利作用。,1 机械与机械系统,机械系统,机械零件组成机械系统的基本要素。,由若干装置、部件和零件按一定规律和结构形式组成，能完成机械能的利用或转换等特定功能的系统。,机械部件机械系统中由若干部件和零件按一定规律和结构形式组成，能完成某些特定功能的子系统。 机械系统是 人机环境 这个更大系统的组成部分。,1 机械与机械系统,系统的边界,对于某一具体的研究对象，所构成的系统的边界并不是唯一的。因为有联系的要素众多。为便于进行研究，常常更关注那些和对象联系比较密切的要素，以此确定系统边界。,1 机械与机械系统,系统的基本特性,整体性 相关性 目的性 环境适应性,1 机械与机械系统,机械系统的组成,动力系统,系统边界,此外还有润滑系统、密封系统 ,传动系统,执行系统,操纵系统和控制系统,1 机械与机械系统,动力系统,为机械系统提供工作动力的部分。由动力机及其配套装置组成。,一次动力机：将自然能源 (煤、原油、水流、风、太阳能、核能、地热）转变成机械能的机械。如内燃机、汽轮机、水轮机,二次动力机：将加工后能源（电、压力气或油）转变为机械能的机械。如电动机、气缸、液压马达 特点：动力机输出的运动多数为高速转动。 选用依据：现场能源条件、执行系统的机械特性、工作制度和使用要求，应有良好经济性和可靠性。,1 机械与机械系统,包括执行机构和执行构件。,直接与作业对象接触，其输出是机械系统的主要输出。 设计依据：满足强度、刚度、寿命、运动精度和动力学特性等要求。 实现机械系统的特定功能可有多种实施方案，各方案的性能指标常不尽相同，应进行经济技术分析，择优选用。,利用机械能改变作业对象的性质、状态、形状、位置，或对作业对象进行检测、度量及实现其他作业要求的部分。,执行系统,1 机械与机械系统,主要功能有：增速或减速、变速、改变运动规律和形式、传递动力。 设计依据：在满足传动功能的同时应适应动力机的机械特性。有时可以省略，将动力系统和执行系统直联。,将动力机的动力和运动传递给执行机构的中间装置。,传动系统,1 机械与机械系统,操纵系统 通过人工操作改变系统运行状态，通常有起动、离合、制动、变速、换向等装置。 控制系统 从人工操作或测量元件获得控制信号，由控制器实现控制，如伺服机构、自控装置。 设计依据：使机械处于最佳运行状态，提高运行的稳定性和可靠性，改善操作条件，并有较好的经济性。,使各子系统彼此协调运行, 并准确可靠地完成整机功能的部分。,操作和控制系统,1 机械与机械系统,起重机的功能要求,现代机械的功能要求非常广泛，不同机械有不同的工作要求、工作目标和使用环境，其具体功能的要求有很大差异。,1 机械与机械系统,作业过程： 起吊移位下降卸料返回或移往新的起吊地点,升降 水平移动 起动和制动 换向 物料抓取 定位和操纵,安全性 可靠性 稳定性 操纵性 环境适应性 经济性,起升重量 起升高度 起升速度 移位速度 生产率 作业范围,基本功能：,功能指标：,起重机的功能要求,1 机械与机械系统,机械和零部件执行功能的可靠性、零部件耐磨性、使用寿命。,速度、加速度、转速、调速范围、行程、运动轨迹、运动的精确性,强度、刚度、热力学性能、摩擦学特性、振动稳定性、系统工作和操作人员安全性。,运动要求,动力要求,传递的功率、转矩、力、压力,外形、尺寸、功率质量比,体积和重量要求,可靠性和寿命要求,安全性要求,现代机械的功能要求,1 机械与机械系统,运动要求,动力要求,体积和重量要求,可靠性和寿命要求,安全性要求,经济性要求,环境保护要求,产品造型要求,其他要求,设计和制造的经济性 使用和维修的经济性,噪音、振动、防尘、防毒、“三废”的排放和治理。,外观、色彩、与环境的协调性。,精密机械防振 户外机械的防护、防腐和密封 食品、药品机械的防止污染,起重机的功能要求,1 机械与机械系统,为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势、赢得用户，并取得较好的经济效益。,设计任务,市 场,2 机械系统设计的任务,机械设计的最终目的,产品质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计是关键。 据统计，产品质量事故50源于设计不当，产品成本6070取决于设计。,从系统观点出发 合理确定系统功能 提高可靠性 提高经济性 保证安全性,机械设计的任务,2 机械系统设计的任务,一、从系统观点出发,采用内部设计和外部设计相结合的设计方法。,在满足系统整体工作状态和性能最好的条件下，确定各零部件的基本要求和相互的协调统一。不应片面地以零部件的特性为重点。,市场要求：功能、价格、销量、质量、工期、外观 市场约束：资金、材料、技术、信息、使用环境、售后服务、法律和政策等,对外部环境的影响：市场供求和竞争对手的影响，对环境、操作人员和周围其他人员的影响。,充分了解外部环境对机械的作用和影响，如市场的要求和约束。也不忽视机械对外部环境的影响。,2 机械系统设计的任务,二、合理确定系统功能,确立市场观念，以社会需求和为用户服务为最基本的出发点。 所谓需求，就是对功能的需求。,保证基本功能 满足使用功能 剔除多余功能 增添新颖功能 恰到好处地利用外观功能,功能满足市场需求的产品属性。,2 机械系统设计的任务,功能（按性质区分）,用户直接要求的功能，体现了产品存在的基本价值。 为实现基本功能而附加在产品上的功能，是实现基本功能的手段。,基本功能 辅助功能,根据功能的多解性原理，为实现同一基本功能可采用不同的辅助功能，辅助功能不同则技术方案也不同，甚至有根本差别。,2 机械系统设计的任务,基本功能 直线移动,曲柄滑块机构 齿轮齿条机构 螺旋机构 气、液压缸 直线电机,辅助功能群包含有大量的辅助功能和次级功能，应该都是必要功能。如设计不周常会含有多余功能，如强度过剩、精度过高、多余约束、寿命过长等。,曲柄滑块机构的 辅助功能（次级功能）,曲柄转动 滑块导向 曲柄滑块连接,（曲柄回转支承、回转运动输入） （导向方式、导向间隙调整） （曲柄连杆滑块的连接、连杆平衡）,2 机械系统设计的任务,功能（按需求的类别区分）,满足用户直接使用要求的功能，属于必要功能，体现了产品实际的使用价值。 在使用功能的基础上对产品起美化和装饰作用的功能，具有增加产品竞争力和吸引顾客的作用。,使用功能 外观功能,外观功能应服从使用功能。 注意有些产品不要求外观功能。,保证基本功能 满足使用功能 剔除多余功能 增添新颖功能 恰到好处地利用外观功能,2 机械系统设计的任务,提高价值 V 的五种途径： F ， C 不变 F 不变，C F ，C F ， C F ， C,产品的功能,产品的成本,产品的价值,产品功能与技术、经济等因素密切相关。,机械系统的价值原理,2 机械系统设计的任务,三、提高可靠性,失效 规定功能的丧失 故障 可修复的功能失效,规定条件考核时的使用条件和环境条件，包括载荷状况、工作制度、应力水平、温度、湿度等。,可靠性产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，是衡量产品质量的一个重要指标。,规定时间考核时间，包括运行时间、应力循环次数、汽车行驶历程等。,规定功能考核的目标功能。,2 机械系统设计的任务,提高机械系统可靠性的措施,实践表明，机械系统的可靠性是由设计决定的，制造、管理等其他阶段的工作只是起保证作用。提高系统可靠性的最有效方法是可靠性设计。,可靠性设计条件不具备时的措施： 失效预测和分析 零部件可靠性设计 提高维修性 简化结构，提高标准化程度,需要作基础性工作，了解影响可靠性的设计变量（随机变量）的分布特性和数据，建立从研究、设计、制造、试验直至管理、使用、维修、评审的整套可靠性计划。,1.失效预测和分析,在研究和设计阶段对可能发生的故障或失效进行预测和分析，掌握其原因，采取相应的预防措施，降低失效率。 对现有产品的失效实例进行广泛的调查研究，分析原因，建立档案，积累经验和资料，用于产品设计。,2.零部件的可靠性设计,机械系统的可靠性是由零部件的可靠性保证的，其中关键零部件的作用尤其重要。对关键零部件采用可靠性设计。,从整体的、系统的观点出发详细分析其输入输出，尽量减小不稳定因素干扰。,有些措施将明显增加制造成本和维修费用！,减额使用，使工作负荷低于额定值，减少超负荷作业的可能。 采用冗余技术，如用并联系统代替串联系统， 采用载荷分流和均载措施。,3.提高维修性,维 修 维修性,任何机械在使用过程中都会因各种原因而发生故障。故障率随使用时间而变化的曲线形状像浴盆，称为浴盆曲线。 根据故障率的变化规律，通常分为初期故障、偶发故障和耗损故障。, 保持功能或恢复功能的技术措施。 在规定条件下和规定时间内按规定的程序和方法进行维修时，保持和恢复系统功能的能力。是维护系统可靠性的能力。,故障率曲线,维修后,零部件可靠性, 设计或装配不当,操作不当, 条件突变，过载,零部件磨损、疲劳、老化,功能寿命,故障率,t,机械零部件具有易于检查和发现故障、便于维修的结构。,如薄弱环节做成独立部件或标准件、通用件，采用容易拆卸和更换的结构等。,在正常运行期间进行良好的维修，及时更换磨损、疲劳和老化的零件，系统的故障率显著下降，功能寿命得以延长。,标准件的结构工艺性和可靠性一般较好，价廉物美，并且提高了维修性。,4.简化结构，提高标准化程度,结构简单的零部件往往工艺性较好，容易保证制造和装配的质量。,同时串联的元件个数较少使得系统的可靠性容易提高。,如标准紧固件，如螺栓、螺钉、螺母、垫圈、档圈、键、销等。 标准配件，如电动机、气缸、油缸、阀门等。,设单个元件的可靠度是 99% 10个串联后的可靠度是 0.9910 90.4% 2个并联后的可靠度是 1-0.012 99.99%,五、保证安全性,机械系统执行预期功能的安全性 人机环境系统的安全性 劳动安全(劳动者安全健康) 环境保护 (人类生存环境),机械系统执行预期功能的安全性,指机械系统运行时本身的安全性，如满足必要的强度、刚度、稳定性、耐磨性等。 为避免意外，常设置过载保护、安全互锁等装置。,如 在传动链中设置安全离合器和安全销。 离合器和制动器应具有连锁结构。,机械系统执行预期功能的安全性,离合和制动不能同时接合。,可采用机械或液压的方法实现连锁。,液压连锁方法,劳动安全,机械系统必须更好地适宜于人体的各种体能特点和要求，便于操作和使用，安全可靠，舒适宜人，保护劳动者的安全和健康。,安全保护装置 安全保护设施,光电式自动安全保护装置 连锁的自动安全保护装置 防护罩、防护盖、隔离板 警示标记，急停开关,光电式自动安全保护装置,一旦人体或其他物体误入操作危险区，光束受阻发出电信号，由控制线路使机械停止运转或发出报警信号，实现自动安全保护。,操作 危险区,操作 危险区,联锁的自动安全保护装置,合盖电机可得电,偏心轮,电动机,合盖电机可得电,偏心轮,电动机,机盖电机连锁,开盖电机失电,联锁的自动安全保护装置,开盖电机失电,偏心轮,电动机,电机失电,合盖电机可得电,机盖电机连锁,停机延时拔销,继电器延时得电拔销,联锁的