1第一章工程机械设计概论.ppt

工程机械设计绪论,一、本课程的性质工程机械设计是本专业的一门主要专业选修课。本课程本学期计划学时交建为28学时、机械为30学时，其中讲授交建26、机械28学时，考试2学时。二、本课程开设的目的1.满足用人单位对同学们提出的有关工程机械设计方面能力的要求，使大家掌握必要的新产品开发知识、方法、技能，增强大家将来对工作的适应能力；2.通过本课程的学习，使同学们能够从设计的角度对以往所学的构造、原理、性能、使用、维修等知识进行更进一步的深化理解，并能够综合运用，以进一步提高设计创新能力；3.为明年毕业设计的开展奠定必要的基础。,工程机械设计绪论,三、本课程讲授的内容单纯从课程内容上讲，本课程包括各种工程机械的设计方法、步骤，设计计算内容、方法。即总体方案设计，总体参数选择、性能匹配计算，结构设计，强度计算等。但是，由于工程机械种类繁多、各类机械无论从结构上还是原理上均有很大的差别，考虑到学时有限，因而本课程仅重点讲授压实与路面机械的总体参数选择确定及相关设计计算、总体性能计算、个别典型零部件的强度计算等，在可能的情况下尽可能多讲几种机型。四、教学与学习方法本课程主要采用课堂讲授与课后作业练习相结合方式，使大家得到初步的基本训练，掌握必要的设计技能。,工程机械设计绪论,要求：1.注重理解，务必听懂，不要求死记；2.注重练习，务必要自己独立完成作业；3.注意多联系以往所学构造等知识。五、教材及参考书教材为张世英、陈元基编筑路机械工程，机械工业出版社或本校自编教材工程机械设计；参考书：筑路机械手册，人民交通出版社；压实机械与路面机械设计，人民交通出版社；六、考核方法本课程本学期为考查课，采用平时作业、考勤与期末考试相结合方式，期末考试采用开卷方式。其中，平时成绩占30%，期末占70%。,第一章工程机械设计概论,1.1概述一、工程机械设计基本概念1.设计的概念人们以制定出能够在更少的材料、能源、劳动力消耗情况下完成要求任务的机械（工业产品）或工艺的有明确目的的活动过程。其设计内容包括产品及适应于产品的工艺过程两方面。2.工程机械设计根据工程施工工艺的要求，制定出能够在更少的材料、能源、劳动力消耗情况下完成要求任务的工程机械产品的过程。目的：设计制造出工程机械新产品；任务：在节约材料、能源、劳动力消耗情况下，制定出保证完成作业要求的机械。,1.1概述,二、工程机械新产品的开发过程工程机械新产品的开发一般包括如下四个阶段：1.理论与实验研究阶段（技术准备阶段）即通过调查研究，根据施工要求或新的施工工艺要求，提出新开发产品的名称、功能、基本技术要求等，再针对新产品的功能要求研究可行的理论方案，必要情况下对关键工作过程进行实验研究，以确定其可行性，最后确定较明确的新产品的名称、工作原理、技术要求等，提出设计任务书；2.技术与设计文件编制阶段技术与文件编制是工程机械设计的主要工作任务，它一般包括技术建议书编制、方案设计、技术设计等几步。,1.1概述,（1）技术建议书编制技术建议书是根据设计任务书要求所提出的满足任务书要求的技术措施，是较全面的实施方案。它一般包括技术经济论证报告及对产品更明确的技术说明，其中一般应有总体图、外形图、系统图、设计说明书、技术水平图表及专利卡等。它是提供给新产品开发单位审批用的初步方案。（2）方案设计方案设计是对技术建议书方案的具体实施方案设计，它应给出机械具体的结构方案、工作原理、技术参数、主要尺寸、外购件明细表等。通常方案设计应提出两到三套方案供选择确定，有时方案设计与技术建议书合并为一个阶段。必要时还应进行模型试验验证。,1.1概述,（3）技术设计技术设计是针对所通过的方案进行的全套技术图纸、技术文件等的设计、绘制、编制。它一般包括草图设计、总体计算、正式图纸设计、文件编制等，即生产单位应能根据技术设计文件制造出给定功能的新产品。3.样机试制与实验测试阶段样机试制和实验是对图纸设计的试验验证，其目的是通过生产实践来检验、验证和考察设计的正确合理性（可先进行虚拟实验）。它包括样机试制、实验鉴定两步。（1）样机试制包括：划分加工件、协作件和外购件；编制加工工艺文件；设计和制造试制所需的工艺装备；进行零件的加工制造；组装调试等。,1.1概述,（2）实验鉴定实验鉴定是通过实际使用来考察新产品的技术性能，从而确定其是否可投入批量生产。样机试制后，一般先要进行全面的技术检查，确认零件加工、部件组装、整机装配是否符合图纸要求，检查调试合格后按国家有关规定进行必要时间（一般为三个月）的工业性试验，试验期间应做好详细记录，发现问题及时修正。试验过程中及试验结束后由有关部门对样机进行技术鉴定。由于实验鉴定一般包括技术文件审查和实验测试两大方面，因而样机试制后应重新整理全套的技术文件，以备鉴定。其中除前述技术图纸、计算说明书等以外，还应有反映产品技术水平和质量的图表；标准审查情况；工艺审查情况等有关文件。4.批量生产阶段产品通过技术鉴定，获得生产许可证后即可组织批量生产。,1.1概述,三、产品设计的一般步骤1.成立课题组，研究设计任务书，制定设计原则有关单位或设计部门接到（或取得）设计任务后，首先应成立专门的设计小组（一般称课题组），课题组则根据产品的工作条件、作业用途、加工技术条件等深入细致的研究任务书，在广泛调研的基础上，征求使用部门的意见后，制定工作方案、设计原则。2.产品调研、方案制定（1）调研内容从国内外同类或相近产品中选择一台或几台经实践证明较先进的产品作为参考样机，并对其进行调查分析；收集国内外同类机械的资料，作出主要技术参数、总成、结构形式等的统计表，并进行分析；,1.1概述,在无同类机械时，调查收集相近机械资料，必要时进行前期理论和实验研究。（2）方案制定即在调研的基础上制定方案，写出方案论证报告。其主要内容有：机械类型、主要技术参数、主要总成及其结构型式、总体草图或系统图、技术经济论证报告等。一般方案制定后应经过有关部门审批，经批准后方可进行下一步工作。3.草图设计即总体草图设计，它是在方案设计的基础上，根据初步方案确定的主要参数、总成型式等，参考同类机械绘制总体布置草图，并经具体布置初步确定各总成的相互位置及相互连接方式等。,1.1概述,草图设计过程中，应在初步草图布置绘制后进行有关总体设计计算。即初步估计各总成重量、计算重心，计算确定总体尺寸（如轴距、桥荷等），计算总体稳定性、牵引性、动力性等。草图设计为设计关键，应不厌其繁细致进行，以尽量减少和避免返工。可能的情况下，可进行虚拟实验验证。4.技术设计即进行总体图、总成图、零件图等的设计绘制，完成整套图纸的设计绘制。5.技术文件编制如：设计计算说明书、使用维修说明书、有关标准化方面的文件等。,1.1概述,四、产品设计的基本原则与基本方法1.产品设计的基本原则（1）加强责任心，避免任何图纸错误；（2）合理正确的提出制造精度和技术要求，降低制造成本；（3）贯彻标准化、系列化、通用化等原则；（4）设计、工艺、供销等三方面人员应密切配合，提高工艺性、外协性。,1.1概述,2.产品方案设计基本方法（1）比拟改进法：即在已有产品或结构基础上改进；（2）计算机仿真模拟分析法：即利用计算机软件模拟机械实际工作情况，进行虚拟实验分析；（3）实验分析法：即先设计模型进行试验，经验证后再应用；（4）轨迹分析法：即通过对运动件的运动轨迹分析，确定其最佳结构尺寸；（5）分析计算法：即利用有关分析计算验证其工作性能。,1.2工程机械产品的技术经济评价,工程机械设计的主要任务是在时间、材料、动力、资金等最少花费情况下获得给定或最优化的机械特性，即求得一个最优方案。为此，需要建立一套可用数学手段定量评价工程机械技术经济性的综合评价指标体系，该评价体系一般包括机械技术性能指标、经济性能指标、市场竞争力指标等三个方面。（详见P1320）一、机械技术性能指标（加权系数K=0.4）包括：分类指标（0.016）；技术性能指标（0.072）；可靠性指标（0.076）；工艺性指标（0.036）；标准化与通用化指标（0.038）；技术专利指标（0.036）；环保工程指标（0.045）；人机工程指标（0.036）；技术美学指标（0.045）。,1.2工程机械产品的技术经济评价,二、机械经济性能指标（加权系数K=0.34）包括：机械研制费用指标（0.16），如价格、运费、安装调试费等；机械使用费用指标（0.18），如燃料动力费、操作人员工资、各种材料消耗费等；三、机械市场竞争力指标（加权系数K=0.26）销售条件指标（0.04）：商品交换销售（0.015）；转账支票支付销售（0.006）；信贷销售（0.015）；现金支付销售（0.004）；售后服务条件指标（0.22）：担保服务期限（0.021）；技术保修与修理配件供应（0.02）；技术资料保障（0.021）；操作人员培训（0.021）；产品商标注册（0.016）；产品知名度（0.015）；产品广告水平（0.02）；交货期限（0.021）；产品符合进口国技术安全规程和环保标准（0.024）；产品符合进口国自然气候条件（0.021）；产品符合进口国居民风俗习惯（0.02）等。,1.3工程机械可靠性与可靠性设计,一、可靠性基本概念1.产品可靠性产品在规定时间内，在符合规定的运用、保养、存放、运输等条件下，完成规定功能的能力。2.产品的故障破坏产品工作能力的事件。其中的工作能力可以理解为在技术条件规定的参数值的允许范围内，产品完成规定功能的状态。3.产品的极限状态产品由于无法消除的失效和损伤而停止使用所处的状态。产品从开始使用到极限状态的工作时间即为产品的寿命（即耐久性）。,1.3工程机械可靠性与可靠性设计,二、工程机械常用可靠性评价指标1.零部件无故障工作概率P(t)（1）概念：零部件在规定的时间范围内不发生失效的概率。（2）评价：可用在规定的全期限内无故障工作的零部件数对置于实验的总零部件数N0的比值来评价。即：P*(t)=N0-n(t)/N0其中：P*(t)为零部件数极大时无故障工作概率的统计评价；n(t)为失效零部件数。相应失效概率统计评价为：F*(t)=n(t)/N0；单位时间的故障频率为：a(t)=n(t)/(N0t)；当N0足够大时，失效工作时间分布密度函数为：f(t)=n(t)/(N0t)；失效率为：(t)=n(t)/N(t)t，N(t)=N0-n(t)。,1.3工程机械可靠性与可靠性设计,2.大修（或报废）前的平均寿命其中：f(t)寿命分布密度；t报废或大修前的寿命；P(t)寿命分布概率求积函数。3.伽马百分比寿命概念：表示产品未达到规定概率%极限状态的时间。确定：P(T)=/100=1-F(T)其中：P(T)在T寿命内产品未达到极限状态时的概率；F(T)达到极限状态的概率；,1.3工程机械可靠性与可靠性设计,4.技术使用系数其中：T产品处于工作能力状态的总时间；TP产品处于修理的时间；TT.0产品处于技术保养的时间。5.完好程度系数（完好率）其中：为计划外修理总时间,1.3工程机械可靠性与可靠性设计,三、材料的强度、疲劳极限、耐磨性等对零部件可靠性的影响1.材料强度的影响工程机械是由多个组合的零部件组成，而多组合零部件的强度具有一定的离散性，一般符合正态分布；而作用于机械上的载荷也是动态随机过程的，因而在进行可靠性设计时应利用统计公式计算零件强度的特征值，并计算作用于零件上的符合标准可靠度的应力值，再据此确定零件的寿命条件、几何尺寸等。其具体计算方法见教材P2631。2.疲劳极限的影响一般条件下，由于材料特性的离散性，材料疲劳强度也是一个随机变量，其一般服从正态分布或威布尔分布，因此要确定其疲劳强度也应从统计学角度考虑载荷作用加以确定。具体见教材P3134。,1.3工程机械可靠性与可靠性设计,3.耐磨性的影响由于不同材料在不同载荷作用下的耐磨寿命也是一个统计量，因而也应从统计学角度计算其寿命。其具体计算见教材P3437。四、系统可靠性计算(P3739)系统的可靠性计算是根据每个元部件的无故障工作时间的概率值，计算确定全系统无故障工作时间概率值。1.计算步骤（1）首先把复杂的系统划分成单个的零部件；（2）其次确定各个零部件的无故障工作概率；（3）最后编制系统可靠性构成框图，计算全系统的无故障工作时间概率值。,1.3工程机械可靠性与可靠性设计,2.系统划分系统一般可划分为：（1）失效不影响产品工作能力的零部件；（2）实际上工作能力不变化的零部件（例如机体）；（3）在产品工作或停机时可修复或调整恢复的零部件；（4）失效引起产品失效的零部件。划分应力求把系统划分成相互间失效互不影响的零部件，这样可简化计算。3.系统可靠性构图（1）串联连接：即一个零部件失效即会导致全系统失去工作能力状态则构成框图为串联连接。串联情况下全系统无故障工作概率为各零部件无故障频率的乘积。即：P(t)=P1:P2:P3:Pn=Pi,1.3工程机械可靠性与可靠性设计,（2）并联系统：即当一个零部件退出工作能力状态后，其功能将由其它储备零件完成，而