Технологическое оборудование

ВВЕДЕНИЕ Технологическое оборудование, т.е. совокупность приспособлений, инструментов, оснастки и приборов, используемых в процессе технических воздействий технического обслуживания (ТО), текущего ремонта (ТР) и диагностирования подвижного состава автомобильного транспорта в значительной мере определяет технический уровень производства и степень совершенства технологических процессов ТО и ремонта автомобилей. Так, повышение уровня механизации зон, цехов и участков автотранспортного предприятия (АТП) только лишь на 1% позволяет увеличить продолжительность работы автомобиля в среднем на 3...5 дней в году за счет сокращения времени простоя в ТО и ремонте. Однако уровень механизации производственных процессов в АТП в настоящее время очень низок. Для грузового парка автомобилей концерна "Росавтотранс" он составляет: по ежедневному обслуживанию (ЕО) – 38%; по TO-1 – 16%; по ТО-2 – 13% и по ТР – 17%. В целом по стране потребность в технологическом оборудовании для ТО и ремонта автомобилей удовлетворяется на 28%. Основной причиной низкой оснащенности АТП технологическим оборудованием является недостаточный объем его производства. Положение усугубляется недостаточной номенклатурой выпускаемого оборудования, причем наблюдается устойчивая тенденция к увеличению производства дорогостоящего оборудования и вымыванию из производства дешевого и простого, но чрезвычайно необходимого для производства оборудования. Таким образом, острый дефицит технологического оборудования ставит перед автотранспортными предприятиями и объединениями задачу его самостоятельного проектирования и изготовления. Такое оборудование, как правило, отличается от типовых конструкций и поэтому относится к не стандартизированному оборудованию. Ведущим разработчиком оборудования в рамках концерна Росавтотранс является Центральное конструкторско-технологическое бюро (ЦКТБ). В рамках региона задача проектирования и частично изготовления не стандартизированного оборудования решается централизованно в региональных (обычно областных) бюро технической помощи (БТП), проектно-технологических (ПТБ) или проектно-конструкторских бюро (ПКБ), входящих в региональную ассоциацию автомобильного транспорта. Непосредственно в АТП проектированием технологического оборудования занимаются работники технического отдела, а изготовлением и модернизацией – работники отдела главного механика. Крупные АТП имеют для этих целей специализированные участки не стандартизированного оборудования. Таким образом, инженеру-механику, специализирующемуся в области технической эксплуатации, необходимы знания, как в области проектирования, так и в области эксплуатации технологического оборудования. Целью настоящего методического пособия является помощь студентам в расширении и углублении знаний в области методологии и приемов разработки технологического оборудования, получаемых при изучении курса "Основы расчета, проектирования и эксплуатации гаражного оборудования". Глава 1 ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 1.1 Понятие о проектировании, конструировании и разработке Создание технологического оборудования, как и любого другого объекта новой техники, осуществляется инженерно-техническим персоналом путем проектирования. Согласно ГОСТ 22487-77 под проектированием понимается процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта. Иными словами, можно сказать, что проектирование – это процесс поиска обоснованных, технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений по созданию объекта новой техники. Результатом проектирования является некое описание варианта объекта, которое анализируется, обсуждается, если нужно, корректируется и принимается как основа для дальнейшей разработки – конструирования. Конструирование – это процесс создания конкретной, однозначной конструкции объекта. Конструкция – это структура, взаимное расположение частей и элементов какого-либо технического объекта, определяющееся его назначением. Конструкция предусматривает способ соединения, взаимодействия частей, а также материалы, из которых отдельные части (элементы) должны быть изготовлены. В процессе конструирования создаются изображение и виды объекта, рассчитывается комплекс размеров с допускаемыми отклонениями, выбирается соответствующий материал, устанавливаются требования к шероховатости поверхностей, технические требования к объекту и его частям, создается техническая документация. Конструирование опирается на результаты проектирования и уточняет все инженерные решения, принятые при проектировании. Создаваемая в процессе конструирования техническая документация должна обеспечить перенос всей конструкторской информации на изготавливаемый объект и его рациональную эксплуатацию. Реальное проектирование и конструирование являются процессами, не только дополняющими друг друга, но и взаимосвязанными. Конструктивная форма объекта уточняется применением методов проектирования – проведением расчетов параметров, прочностных расчетов, оптимизации и др. В свою очередь, проектирование возможно только при предварительно принятых вариантах конструктивного исполнения. Таким образом, проектирование и конструирование служат одной цели: разработке нового объекта, которого не существует или существует в другой форме и имеет иные размеры. Разработка, составляющими частями которой являются проектирование и конструирование – термин более широкий. Нередко этот термин используется узко, как синоним проектно-конструкторских или конструкторских работ. В действительности же в разработку новых объектов кроме проектно-конструкторских работ входят также работы по прогнозированию и научно-исследовательскому обоснованию создания объекта (так называемое поисковое проектирование). В свою очередь разработка входит в комплекс мероприятий, направленных на выпуск объекта промышленностью. Наряду с такими работами этого комплекса, как разработка технологии изготовления, материально-техническое обеспечение организации производства разработка занимает основное место в подготовке производства. Будучи исходным этапом, разработка оказывает существенное влияние на все последующие стадии жизненного цикла объекта: изготовление, реализацию, эксплуатацию и утилизацию. 1.2. Стадии разработки Государственным стандартом ГОСТ 2.103-68 устанавливается пять стадий разработки нового технического объекта: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, технический проект и рабочая документация. Техническое задание содержит назначение, технические характеристики и показатели качества, а также технико-экономические требования, предъявляемые к будущему объекту, область его применения, оговариваются специальные требования. Желательно, чтобы в техническом задании была указана производственная база, на которой будет изготовляться объект, объемы его выпуска, возможные пути модернизации и др. Техническое задание требует от его разработчика широкой эрудиции и больших творческих поисков. Поэтому техническое задание составляется ведущими специалистами, наиболее квалифицированными работниками. После согласования и утверждения техническое задание является основанием для выполнения проектных разработок. Техническое предложение является ответом проектировщиков на задачи, требования и ограничения, приведенные в техническом задании. В процессе разработки технического предложения осуществляется поиск возможных технических решений, проверка и оценка выявленных вариантов и, наконец, принятие решения о выборе оптимального варианта для дальнейшей разработки. В техническом предложении излагается подробное техническое и экономическое обоснование принятого решения, излагаются результаты сопоставительного анализа вариантов по показателям качества, технологичности, экономичности и т.д. Здесь же излагаются результаты исследований по проверке патентной чистоты выбранного решения как в стране, так и за рубежом. В число обязательных документов технического предложения входят пояснительная записка и ведомость технического предложения. В зависимости от характера, назначения или условий производства объекта дополнительно могут быть выполнены: чертеж общего вида или габаритный чертеж, схемы, патентный формуляр, карта технического уровня и качества продукции. На этапе эскизного проектирования производится проектно-конструкторская проработка принятого на этапе технического предложения оптимального варианта до уровня принципиальных конструкторских решений, дающих общее представление об устройстве и принципах работы объекта. В эскизном проекте подтверждаются или уточняются требования к объекту, установленные техническим заданием и техническим предложением. На основе проводимых конструкторских проработок разрабатываются новые, уточненные технические требования и уточняются новые технические параметры. Рассчитываются технико-экономические показатели, которые заложены при разработке эскизного проекта и которых необходимо достичь в дальнейшей разработке. В эскизном проекте закладываются основы применения типовых, стандартизированных и унифицированных составных частей разработки. Особое внимание уделяется применению ранее разработанных и испытанных на практике узлов и механизмов. Технический проект – это совокупность конструкторских документов, дающих полное представление об устройстве разрабатываемого объекта и содержащих все необходимые данные для подготовки рабочей документации. На этапе разработки технического проекта решаются все вопросы, обеспечивающие хороший технический уровень нового объекта как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации. Здесь разрабатываются уточненные кинематические, гидравлические, пневматические, электрические и другие схемы. Особое внимание уделяется обработке конструкции на технологичность. Проводится оценка конструкции объекта на соответствие требованиям эргономики и технической эстетики. На стадии разработки рабочей документации завершается отработка конструкции на технологичность, обеспечиваются показатели качества, технико-экономические показатели и др. Разработка рабочей конструкторской документации непосредственно связана с технической подготовкой производства, в ней применяются множество способов и приемов рационального создания конструкций изделий. Рабочую документацию разрабатывают последовательно для изготовления и испытания опытного образца, установочной серии и установившегося серийного или массового производства. Наличие всех проектных стадий разработки необязательно. Так, учитывая специфику разработки и производства технологического оборудования автотранспортных предприятий, республиканский стандарт РСТ РСФСР 729-85 "Система разработки и постановки продукции на производство. Средства механизации для технического обслуживания и текущего ремонта автомобилей", устанавливает стадийность разработки в зависимости от категории сложности объекта проектирования. Стандартом все технологическое оборудование для технического обслуживания и ремонта подразделяется на три категории сложности. К первой категории сложности относятся: настольные приспособления для разборки и сборки узлов, контроля и регулировки приборов, захваты и съемники, не имеющие механизированных приводов; тележки для транспортирования узлов, агрегатов и других грузов без приводов на колеса и подъемных платформ, ванны для промывки деталей, проверки камер и т.п. Ко второй категории сложности стандартом отнесены: стенды для разборки агрегатов и узлов автомобилей, кантователи с ручным приводом; камеры моечные, окрасочные и сушильные; металлоконструкции, требующие расчетов на прочность, жесткость и устойчивость. Третью категорию сложности представляют: конвейеры для перемещения автомобилей; стенды для разборки и сборки агрегатов и узлов автомобилей и кантователи с механизированными приводами; камеры моечные и ванны механизированные; подъемники гидравлические, пневматические и электромеханические; диагностическое оборудование; гайковерты с приводом. Стандартом предусмотрено, что при проектировании технологического оборудования первой и второй группы разработка технического задания не обязательна. Такое оборудование допускается разрабатывать лишь на основе заявки заказчика. Кроме того, оборудование первой категории сложности допускается изготавливать на основе сборочных чертежей и чертежей деталей в виде эскизов. Для оборудования всех групп сложности допускается не оформлять документально этапы технического предложения и эскизного проекта, если это оговорено в техническом задании. 1.3. Прогнозирование и информационное обеспечение процесса разработки При проектировании нового объекта следует ориентироваться не только на условия, которые существуют в настоящее время, но и оценивать проектируемый объект с позиций будущих условий, в связи с этим огромную роль при проектировании играют процессы прогнозирования, которые необходимо использовать, начиная с этапа разработки технического задания, когда определяются основные параметры создаваемого объекта. Прогнозирование – это вероятностное суждение о будущем с высоким уровнем достоверности и основано на объективной оценке возможного. Основу инженерного прогнозирования составляют пять видов прогнозов: оперативное, краткосрочное, среднесрочное, долгосрочное и сверхдолгосрочное (рис.1). Их отличие заключается в разном периоде прогнозирования и, как следствие этого, разных используемых методах. Более высокой ступенью прогнозирования является научное предвидение, использующее в качестве своей информационной базы различного рода поисковые и перспективные научно-исследовательские работы. Разнообразие решаемых задач в области прогнозирования привело к разработке большого числа методов. В настоящее время их больше 100. Наиболее распространены, однако, три метода: метод экстраполяции, метод экспертных оценок и метод моделирования. Рисунок 1 – Источники информации и временные периоды прогнозирования Метод экстраполяции основан на переносе динамики событий и состояний, имевших место в недалеком прошлом, на будущее. Широкое применение этот метод находит при оперативном и краткосрочном прогнозировании, преимущественно при разработке такой разновидности объектов, в которой не предвидится существенных качественных изменений в ее развитии. Иначе говоря, областью применения этого метода является техника, развивающаяся эволюционным путем и достаточно медленно. Методом экстраполяции можно решать задачи прогнозирования двух типов: статические и динамические. Решением статической задачи прогнозируется изменение главного признака (параметра) с изменением факторов, которые по условию задачи находятся в пределах генеральной совокупности исследуемой области. В этом случае где – среднестатическое значение главного признака (параметра); – среднестатистическое значение факторов; – конкретные значения главного параметра и факторов. Коэффициенты определяются аппроксимацией данных, полученных на основе статистических исследований по соответствующей группе объектов. В статической задаче фактор времени в явном виде не присутствует. Динамическая задача прогнозирует изменение главного параметра во времени где – коэффициенты, определенные по данным предпрогнозного периода; t – время, годы. Метод экспертных оценок заключается в том, что группе экспертов-специалистов ставят ряд вопросов, касающихся развития прогнозируемого объекта. Затем математической обработкой результатов опроса экспертов устанавливается преобладающее мнение. Этот метод целесообразно использовать в случае отсутствия достаточно систематизированной информации о прошлом или в случае, когда перспектива зависит в большей степени от принимаемых решений, но не от технических возможностей в реализации этих решений. Метод моделирования характеризуется тем, что анализ исходных данных ведут на моделях разрабатывае­мых объектов, выполненных в соответствии с требованиями теории подобия. Модели эти могут быть как физическими (например, уменьшенная копия устройства), так и математическими. Последний вид моделей наиболее универсален. Информационной основой перечисленных методов прогнозирования являются литературные источники, содержащие, как правило, данные о уже существующих или разработанных до стадии опытной проверки образцов техники, представленные конкретными числовыми значениями параметров. Иначе говоря, это параметрические источники информации. К этой группе источников информации относятся; – государственные и отраслевые стандарты, устанавливающие конкретные значения параметров; – руководящие технические материалы (РТМ) по отрасли; – эксплуатационные документы на оборудование соответствующей группы; – методические рекомендации, справочники, статьи, технические отчеты, проспекты, каталоги и другая научно-техническая литература, содержащая конкретные значения числовых параметров. К группе непараметрических источников, содержащих информацию о новых технических решениях, идеях без значений параметров или с главными значениями, определяемыми расчетным путем, но еще не получившими практического подтверждения, относятся; – патенты, авторские свидетельства как нашей страны, так и зарубежные; – отчеты о научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах (НИР и ОКР), технические проекты, рабочие проекты для изготовления еще не испытанных опытных образцов, любая информация, отражающая новые идеи, технические решения без числовых значений параметров. Чтобы использовать с целью прогнозирования информацию из непараметрических источников, в последнее время интенсивно применяют метод морфологического анализа. Этот метод применим как к прогнозированию процессов, имеющих эволюционный характер, так и к прогнозированию процессов со скачкообразным характером развития. На его основе можно прогнозировать преимущественное развитие того или иного объекта, принципа Содействия или целого направления техники. Метод морфологического анализа основан на использовании генеральных определительных таблиц (ГОТ) /2,10/, представляющих собой обобщенную сводку технических требований к прогнозируемому объекту, позволяющих преобразовать их качественное описание в количественную оценку. ГОТ состоит из характеристик, позиций, базисных и окончательных оценок. Характеристики прогнозирования представляют собой требования к составным частям прогнозируемого объекта по определенной группе показателей, например, по назначению, надежности или технологичности и т.д. Характеристики обычно обозначают через . Совокупность всех характеристик должна полностью отражать основную цель прогнозирования. Каждую из характеристик расчленяют по смысловому значению на позииии, обозначая их через . Позиции формируют так, что каждая последующая в смысловом отношении включает предыдущую. Базисную оценку производят в баллах и целыми числами; минимальный балл соответствует первой позиции характеристик, а максимальный – последней, т.е.. Минимальная оценка позиции ГОТ должна соответствовать техническим решениям нулевого уровня новизны, а максимальная – качественно новым техническим решениям. Окончательную оценку позиции получают по формуле: , где – базисная позиция; – абсолютный вес характеристики. Абсолютные веса характеристики находятся в пределах 0…1 и определяются вычислением стандартной нормирующей функции; где – порядковый номер характеристики. Окончательные оценки могут быть откорректированы с помощью экспертного опроса. В этом случае эксперту предлагается определить ранг, соответствующий каждой характеристики, который принимается в этом случае за базисную позицию. Обобщенным критерием, позволяющим прогнозировать перспективность того или иного объекта или технического направления по характеристикам, представленным в ГОТ, является коэффициент инженерно-технической значимости: , где – сумма окончательных оценок по ГОТ; – максимальная сумма оценок по ГОТ. Наиболее перспективные технические решения и направления определяются путем сравнения вычисленных коэффициентов инженерно-технической значимости со шкалой перспективности (табл.1). Таблица 1 – Шкала оценки перспективности технических решений Коэффициент инженерно-технической значимости Оценка Уровень оценки Категория перспективности Словесная В баллах 1,00–0,93 0,92–0,86 0,85–0,80 Весьма перспективно 5 Верхний Средний Нижний 5,3 5,2 5,1 0,79–0,73 0,72–0,66 0,65–0,60 Перспективно 4 Верхний Средний Нижний 4,3 4,2 4,1 0,59–0,53 0,52–0,46 0,45–0,40 Малоперспективно 3 Верхний Средний Нижний 3,3 3,2 3,1 0,39–0,20 Неперспективно 2 – 2,0 При проведении прогнозирования методом морфологического анализа важно обоснованно выбирать количество характеристик ГОТ. Как показывает практика, их достаточно иметь пять-шесть, чтобы получить точность расчетов в пределах 10%. В качестве примера в табл.2 приведен фрагмент ГОТ прогнозирования перспективности моечно-очистного оборудования для АТП и станций технического обслуживания. Таблица 2 – Оценка перспективности струйно-щеточной установки для мойки автобусов по ГОТ Характеристики Оценки Окончательная оценка Г 1 2 3 4 5 6 Возможность механизации и автоматизация 1,000 х 5 0,678 Отсутствие вредных отходов, не поддающихся очистке 1,000 х 3 Обеспечение удалений загрязнений типовых групп 0,750 х 3,75 Обеспечение санитарно-гигиенических требований по дезинфекции транспортных средств 0,500 х 2,0 Обеспечение условий эргономики 0,310 х 0,93 Возможность удаления загрязнений с различных по конфигурации поверхностей 0,187 х 0,56 1.4. Поиск технических решений Несмотря на то, что поиск технических решений при разработке вариантов объекта традиционно относится к сфере инженерного творчества, многие опытные разработчики прибегают к некоторым методам и приемам для систематизации своей работы. Известные в настоящее время приемы и методы поиска технических решений по степени формализации делят на три группы: неформализованные эвристические приемы и методы; частично формализованные эвристические методы – эвроритмы, часть операций в которых описана в виде алгоритмов; полностью формализованные приемы и методы – алгоритмы. Наиболее многочисленна первая группа. Она включает как общие (инвариантные) методы, применяемые к объектам любой техники, так и частные, относящиеся к определенному классу технических систем и их элементов. Полностью формализованные методы (алгоритмы) составляют самую малочисленную группу и относятся лишь к конкретным объектам техники. Однако с развитием методики проектирования все большее число методов приходит из первой группы во вторую и из второй в третью. Автоматизированное проектирование строится на второй группе методов, а автоматическое – на третьей. Эвристические приемы. Они обычно содержат указание на то, как преобразовать известное техническое решение для получения искомого. Большинство эвристических приемов включает две части. Первая – отвечает на вопрос "что изменить", вторая – "как изменить". Первая часть может содержать несколько переменных, а вторая - несколько способов их изменения. Поэтому приемы зачастую содержат несколько поисковых шагов. В работе /2/ приведен перечень эвристических приемов, названный межотраслевым фондом. Всего он содержит 258 приемов, объединенных в 15 групп. При проектировании объектов определенного класса эти приемы редактируются и конкретизируются на основе их ориентации на специфику объекта. Полученный таким образом индивидуальный фонд можно пополнить в дальнейшем на основе собственного опыта и изучения соответствующего патентного фонда. При поиске технических решений, используя эвристические приемы, следует выполнить следующее: уяснить цели проектирования, изложенные в техническом задании, и составить список признаков искомого технического решения; выбрать из известных технических решений (если оно не задано) один или несколько прототипов, в наибольшей степени отвечающих списку требований; проанализировать прототипы, выявив несоответствие их признаков с искомым решением; в соответствии с признаками, подлежащими изменению, выбрать наиболее подходящий прием из общего (межотраслевого) или индивидуального фонда, если он уже создан. Следует иметь в виду, что зачастую задачу можно решить не сразу, а последовательно, улучшая результаты с помощью различных приемов. К классу эвристических методов относятся также методы: мозгового штурма, синектики, гирлянд ассоциаций и метод идеального объекта. Метод мозгового штурма организует коллективную работу проектантов. Руководитель собирает группу специалистов, как правило не более 10 человек, и ставит перед ними задачу поиска технических решений, удовлетворяющих определенным признакам. Каждый участник мозгового штурма может высказывать любые идеи. Анализ и критика их во время сеанса не допускается. Основной девиз: – чем больше идей – тем лучше. Если в ходе сеанса, по мнению руководителя, высказано мало идей, то он может быть повторен, возможно с другим составом специалистов. Все высказывания стенографируются или записываются на магнитную ленту. Метод синектики подобен мозговому штурму и отличается от него только тем, что основная задача сводится к обсуждению одного – двух вариантов технических решений, но с детальным их рассмотрением. В число группы включаются специалисты различных профессий. Основной смысл метода гирлянд ассоциаций заключается в том, чтобы "расшатать" устоявшееся представление об объекте. Для этого объекту подбирают синонимы (если это возможно), а затем случайным образом называют другие объекты и составляют комбинации из тех и других. Каждую пару объектов дополняют тем или иным признаком случайного объекта или ассоциациями, которые они вызывают. Конечно же подавляющее большинство комбинаций – объект (синоним), признаки и ассоциации – окажутся абсурдными. Однако около 10...15% комбинаций составляют интересные идеи. Метод идеального объекта заключается в том, что прежде чем отыскать реальные технические решения следует пофантазировать, представить себе "идеальное" решение поставленной задачи. Самым идеальным будет такое решение, при котором ни проектировать, ни создавать объект не нужно, и в то же время вызывающая его потребность окажется неудовлетворенной. Например, для перемещения можно предложить ковер-самолет, для обслуживания посетителей в заведениях общественного питания – скатерть-самобранку и т.д. Конечно, полет фантазии должен быть ограничен пределами осуществимого. Выбрав идеальный объект или способ удовлетворения потребности, в дальнейшем надлежит установить препятствия к их реализации. В борьбе с этими препятствиями и следует построить поиск технических решений. Из второй группы методов (частично формализованных) наиболее распространен морфологический анализ. Суть его применения при поиске технических решений состоит в расчленении общей функции проектируемого объекта на частные и в отыскании возможных способов их выполнения. То или иное сочетание способов выполнения всех частных Функций и составляет вариант технического решения. Для лучшей организации работы принято использовать специальные таблицы (табл.3). Каждая строка таблицы соответствует варианту технического решения: где – элемент множества технических решений; X – полное множество технических решений; uij – j-e средство выполнения i-й функции; Ui – множество средств выполнения i-й функции. Единицы в ячейках на пересечении строк и столбцов таблицы означают использование того или иного средства для выполнения частной функции в данном варианте технического решения Таблица 3 – Таблица разработки вариантов технического решения Частная функция y1 Частная функция y2 ... Частная функция yn Варианты решения u11 u12 … u u21 u22 … u ... un1 un2 un3 … u 1 1 X1 1 1 1 1 X2 1 1 1 Xm Дальнейший процесс поиска технических решений заключается в анализе таблицы и выявлении комбинаций устройств, реализующих частные функции объекта, не противоречащих здравому смыслу и совместимых. В качестве примеров формализованных методов поиска технических решений можно привести метод И – ИЛИ дерева и метод матрицы идей. Эти методы реализуются на ЭВМ. Первый метод основан на том, что для автоматического поиска рациональных и новых технических решений необходимо представить по соответствующей группе объектов все наиболее интересные и существенно отличающиеся технические решения в виде одного обобщенного дерева. Это достигается построением И-ИЛИ дерева, которое, помимо вершин И, образующих различные структуры отдельных технических решений, содержит вершины ИЛИ, объединяющие альтернативные элементы и признаки, характеризующие индивидуальные особенности каждого технического решения. И-ИЛИ дерево способно хранить в компактном виде информацию о множестве всех технических решений, относящихся как к объекту в целом, так и к его функциональным элементам. ЭВМ по специальному алгоритму производит перебор вершин и ветвей дерева, обнаруживая приемлемые варианты технического решения. С примером поиска технического решения методом И-ИЛИ дерева можно ознакомиться в /2/. Метод матрицы идей заключается в автоматичном анализе комбинаций переменных, связанных с поставленной задачей. Для каждой из этих переменных рассматриваются различные параметры, типы систем, свойства или принципы действия. В совокупности указанные характеристики образуют матрицу, которая хорошо укладывается в ЭВМ как n – мерный массив данных. Различные сочетания характеристик рождают варианты идей или рекомендуются для использования. Например, на рис,2 в качестве примера представлена матрица поиска идеи создания механизма поступательного движения какого-либо агрегата объекта. В качестве переменных выступают тип привода и вид исполнительного органа. Такая двухмерная матрица дает 49 возможных комбинаций, и, хотя многие варианты явно неприемлемы и их можно отбросить сразу (21 комбинация), для дальнейшего рассмотрения остается все равно остается достаточное количество идей (28 комбинаций). Если же эту проектную задачу добавить третьей переменной – регулируемой скоростью поступательного движения, то матрица становится трехмерной (рис.3) и дает уже 147 возможных комбинаций. Следовательно, в распоряжении конструктора появляется большое число идей, которые при ином подходе остались бы незамеченными. Рисунок 2 – Двухмерная матрица идей 2 ОСНОВЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 2.1 Требования к разрабатываемому объекту и критерии проектирования Основой для выбора окончательного технического решения из числа возможных вариантов служат технические требования к разрабатываемому объекту. Независимо от принадлежности к той или иной области техники объекты проектирования характеризуются определенным множеством показателей, отражающих свойства объектов на всех этапах жизненного цикла. Как минимум, к конструкции технического объекта предъявляются восемь групп требований, выраженных через соответствующие каждой группе показатели (рис.4). Рисунок 4 – Показатели качества конструкции объекта Показатели назначения (функционирования) – это показатели, характеризующие полезный эффект от использования объекта по своему назначению и определяющие область его применения. Перечень этих показателей определяется индивидуальными особенностями каждой группы объектов, Например, для гайковертов – это максимальный крутящий момент, максимальный размер гайки и т.д. Для насоса моечной установки – это подача, напор и т.д. Показатели надежности дают количественные характеристики проявления одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта применительно к определенным промежуткам времени, режимам и условиям эксплуатации. Надежность объекта проявляется в его безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Безотказность характеризуется: вероятностью безотказной работы, средней наработкой на отказ, интенсивностью отказов, параметром потока отказов. Показателями долговечности выступают: гамма – процентный ресурс объекта, средний ресурс и др. Ремонтопригодность характеризуется показателями вероятности восстановления в заданное время и средним временем восстановления объекта. Показателями сохраняемости являются средний срок сохраняемости и гамма – процентный срок сохраняемости. Определения перечисленных показателей аналогичны показателям надежности автомобиля /9/. Показатели технологичности характеризуют эффективность конструкторско-технических решений для обеспечения высокой производительности труда при изготовлении и ремонте объекта. Основные показатели технологичности распределены по шести группам: 1) по трудоемкости (изготовления, подготовки объекта к функционированию и т.д.); 2) по себестоимости (технологической, подготовки объекта к функционированию, ремонта и т.д.); 3) по унификации и взаимозаменяемости (коэффициенты унификации объекта, унификации конструктивных элементов, стандартизации изделия, повторяемости, взаимозаменяемости); 4) по расходу материала (масса объекта, коэффициенты использования материала и применимости материала); 5) по обработке (коэффициенты точности обработки и шероховатости поверхности); 6) по составу конструкции (коэффициенты сборности и перспективного использования в других объектах). Отработка конструкции объекта на технологичность связана со снижением трудоемкости и себестоимости его изготовления, технического обслуживания и ремонта. Некоторые из приведенных показателей могут иметь абсолютные значения, другие – относительные и удельные. Уровень унификации и стандартизации характеризует насыщенность объекта стандартными и унифицированными составными частями. Для его оценки используют два коэффициента: применяемости кпр и повторяемости кпв. Коэффициент применяемости определяется в процентах отношением разности общего числа типоразмеров составных частей n и типоразмеров оригинальных составных частей n0 к общему числу типоразмеров составных частей: Коэффициент повторяемости есть отношение, выраженное в процентах, повторяющихся составных частей к общему числу составных частей где Ns – общее число составных частей. Эргономические показатели – это показатели, характеризующие систему – человек – машина – среда и учитывающие комплекс гигиенических, антропологических, физиологических и психофизиологических свойств человека, проявляющихся в производственных условиях. Показатели экологичности характеризуют воздействие объекта на окружающую среду. К основным показателям экологичности относятся: уровень звука внешнего шума, содержание вредных примесей в продуктах питания, содержание загрязнений в воде и т.д. Эстетические показатели характеризуют внешние свойства объекта: выразительность, оригинальность, гармоничность, целостность и т.д. Патентно – правовые показатели отражают степень патентной защиты конструкторских решений, заложенных в объект на территории нашей страны и за рубежом, а также его патентную чистоту. В качестве обобщенного показателя патентной чистоты используется коэффициент где S – число ведущих стран, по которым объект обладает патентной чистотой; S0 – общее число ведущих стран по данному виду объекта. Экономические показатели характеризуют затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию объекта, а также экономическую эффективность его применения. Даже краткий анализ приведенного перечня требований и показателей позволяет сделать вывод о сложности задачи выбора лучшего варианта технического решения. Это объясняется, с одной стороны, множеством показателей, а с другой – существующими взаимосвязями между показателями и возникающими при этом противоречиями. Так, повышая требование к надежности объекта, конструктор объективно создает предпосылки к удорожанию объекта в производстве, но, с другой стороны, снижает стоимость его эксплуатации. Аналогичные взаимосвязи можно проследить и между другими показателями. Следовательно, одновременно достичь самых лучших уровней показателей всех групп просто невозможно. Поэтому перед началом проектирования следует сразу определиться, какие показатели более важны для достижения главной цели проектирования, а какие менее. Из выделенной группы показателей объекта необходимо обозначить тот, который в наибольшей степени характеризует соответствие объекта заданному целевому назначению. Этот показатель принято называть критерием и по его величине ведут сравнение вариантов технического решения проектируемого объекта. Для того, чтобы показатель мог использоваться в качестве критерия, он должен отвечать определенным требованиям: 1) быть представительным, т.е. отражать основную, а не второстепенную цель проектируемого объекта; 2) должен быть чувствителен к вариантам технического решения, т.е. должен достаточно сильно изменяться при переходе от одного варианта к другому; 3) должен быть максимально простым и физически понятным; 4) не должен сильно изменяться в пределах одного варианта технического решения из-за вероятностного разброса значений параметров объекта. 2.2 Постановка задачи оптимального проектирования Под оптимальным понимают такое проектирование, цель которого состоит в создании технического объекта, не только выполняющего заданные функции, но и отвечающего некоторым заранее установленным критериям оптимальности. Математическая зависимость критерия оптимальности от искомых параметров проектируемого объекта носит название целевой функции. Такое название принято не случайно, так как поиск оптимального варианта технического решения объекта ведется с целью получения наилучшего значения критерия оптимизации. Под наилучшим значением критерия оптимальности в общем случае понимают его экстремальные значения: максимум или минимум. В соответствии с этим существуют две разновидности задачи оптимизации: максимизации и минимизации. Задача максимизации математически формулируется следующим образом: где х – вариант технического решения, т.е. набор проектных параметров, принятых в данном техническом решении; Q(x) – целевая функция, характеризующая критерий и зависящая от варианта технического решения; x* – оптимальный вариант решения задачи; D – область допустимых значений проектных параметров, определяемая накладываемыми ограничениями. Иначе говоря, необходимо найти такой вариант технического решения , для которого величина критерия качества была бы максимальной. Аналогично может быть поставлена и задача минимизации: Искомые проектные параметры оптимизации в зависимости от цели, для которой они предназначены, могут быть: пространственными и временными (длина, время, площадь, объем, скорость, ускорение и т.д.); механическими (масса, плотность, сила, момент силы, работа, энергия, мощность, давление и т.д.); электрическими и магнитными (напряжение, ток, сопротивление, магнитный поток и т.д.); тепловыми (температура, количество теплоты, тепловой поток, коэффициент теплообмена и т.д.); акустическими (звуковое давление, интенсивность звука и т.д.). Поиск решения задачи ведется не во всем пространстве или множестве переменных величин, а только в допустимой области. Эта область не столь велика, как может показаться, поскольку она ограничена рядом условий, связанных с физической сущностью конкретной задачи. Наиболее общими при проектировании являются следующие ограничения: 1) на напряжения, налагаемые требованиями надежности и экономичности (условия прочности и устойчивости); 2) на отклонения, налагаемые требованиями жесткости, работоспособности и действующих стандартов и технических условий; 3) требования совместимости деформаций, обеспечивающих неразрывность элементов конструкции во время и после приложения нагрузок; 4) функциональные ограничения, связанные с условиями изготовления и эксплуатации элементов объекта (например, габаритные ограничения для искомых параметров, ограничения на применяемый сортамент проката, марки стали, соединения элементов). В процессе разработки объекта задачи оптимизации приходится решать очень часто. Это относится не только к определению основных параметров объекта, но и к решению многих второстепенных задач. Любой выбор конструкторского решения формы и размеров объекта или его элемента является по существу решением оптимизационной задачи. В общем случае в разработках целесообразно проводить оптимизацию по следующим направлениям. 1. Оптимизация нагружения – самый главный критерий, от которого зависит такая важная характеристика объекта, как конструкция. Оптимизация нагружения ведет к оптимальной конструкции, конструктивному виду, оптимальному использованию материала, надежности и т.д. 2. Оптимизация материала. Применяемый материал может быть разным, его выбирают по необходимым механическим, физическим свойствам, технологичности, стоимости, доступности и т.д. 3. Оптимизация надежности, включающая в себя показатели качества, безопасности и т.д. 4. Оптимизация отношений взаимосвязанных величин, заключающаяся в оценке таких характеристик объекта, как геометрические конструктивные характеристики, кинематические и динамические свойства, масса и упругие свойства и отношения между ними. Чем меньше отклонения характеристик объекта отличаются от оптимальных, тем больше конструкция отвечает принятым критериям. Во многом в проведении оптимизации разработчику помогают его опыт и знания, способность творчески мыслить. Однако наилучшие результаты дает решение задач оптимизации математическими методами. 2.3 Методы решения задач оптимального проектирования В зависимости от постановки оптимизационной задачи, вида целевой функции и математической формулировки ограничений можно использовать самые разнообразные методы решения задачи, например: исследование функций классического анализа; метод множителей Лагранжа; вариационное исчисление; принцип максимума Понтрягина; линейное программирование; нелинейное программирование; динамическое программирование; методы случайного поиска. Методы исследования функций классического анализа представляют собой известные методы дифференциального исчисления. Они основаны на исследовании целевой функции оптимизации на экстремум. При этом экстремум целевой функции Q(X) находят из необходимого условия его существования, состоящего в том, что первые производные точки экстремума равны нулю. Тогда оптимальное решение x* можно найти из системы уравнений Для того, чтобы определить является ли x* точкой максимума или минимума, используют достаточные условия существования экстремума, согласно которым: если производная в точке экстремума меняет знак с плюса на минус, то Q(х*) есть максимум целевой функции; если производная в точке экстремума меняет знак с минуса на плюс, то Q(х*) есть минимум целевой функции. Эта группа методов позволяет решать относительно несложные оптимизационные задачи, связанные с раскройкой листового материала, выбором оптимальных форм и сечений деталей и т.п. Пример: Необходимо спроектировать резервуар для хранения отработанных масел в виде цилиндра заданного объема V , чтобы при этом был обеспечен наименьший расход листового металла. Анализируя условия задачи, приходим к выводу, что наименьший расход металла обеспечивается при минимальной полной поверхности цилиндра S. Тогда оптимизационная задача минимизации формируется следующим образом: при Целевая функция задачи: где R и Н соответственно радиус и высота цилиндра. Математическая формулировка ограничения: Отсюда и Выражение для вычисления первой производной целевой вариации будет иметь следующий вид: . Приравняв к нулю, получим решение задачи Если теперь подставить найденное значение R в выражения для V получим: H=2R. Итак, для того чтобы при заданном объеме цилиндра расход металла на его изготовление был минимальным его высота должна равняться диаметру. Метод множителей Лагранжа применяется при решении оптимизационных задач в виде равенств, т.е. при ограничениях . Суть метода заключается в преобразовании исходной задачи к следующей задаче оптимизации: Функция называется функцией Лагранжа, – неизвестная величина, носящая название множителя Лагранжа, р – количество ограничений Для определения оптимальных значений переменных решают систему из n+р уравнений: относительно неизвестных и. Рассмотрим в качестве примера использование метода Лагранжа следующую задачу. Пусть требуется определить размеры a,b и c бака в виде параллелепипеда заданного объекта V, который имел бы минимальную поверхность S. Целевая функция этой задачи Ограничение на параметры a, b и c согласно условию задачи описывается выражением abc=V или abc-V=0. Согласно методу множителей Лагранжа составляем функцию . Далее составляем систему частных производных и ограничения: ; ; ; . Решив эту систему, получим следующие оптимальные значения размеров бака объемом V: Анализом производных второго порядка несложно показать, что найденная точка является точкой минимума целевой функции. Метод линейного программирования – это математический аппарат решения задач оптимизации, в которых целевая функция и ограничение линейны. Задачу линейного программирования в общем виде можно сформулировать следующим образом – найти такие оптимизируемые проектные параметры xj которые обеспечивают минимальное (максимальное) значение целевой функции при ограничениях где – заданные действительные числа; Xj – оптимизируемые проектные параметры. Основной вычислительной процедурой при решении задачи линейного программирования является симплекс – метод, позволяющий за конечное число итераций найти оптимум. Примеры использования линейного программирования при решении задач оптимального проектирования можно найти в /4/, Нелинейное программирование. Формально задачу нелинейного программирования формулируют следующим образом – найти такие проектные параметры x, которые обеспечивают минимальное (максимальное) значение целевой функции при ограничениях Здесь целевая функция и ограничения в общем случае являются нелинейными функциями. Подавляющая часть реальных задач оптимального проектирования относится к нелинейному программированию. В отличие от линейного программирования для задачи нелинейного программирования нет универсальных методов решения, что объясняется многообразием математических моделей задач оптимизации относящихся к нелинейному программированию и их сложностью, имеете с тем, для определенных классов моделей, представляющих собой частные случаи нелинейного программирования, существуют общие подходы и эффективные алгоритмы решения входящих в эти классы задач. Совокупность методов нелинейного программирования в зависимости от ограничений в математических моделях оптимизации делится на две группы: методы безусловной оптимизации и методы условной оптимизации. Первые используют для решения задач без ограничений на оптимизируемые параметры, вторые – для задач с ограничениями. Методы безусловной оптимизации, в свою очередь, делятся на методы использующие производные, и методы не использующие производные. К первым относятся методы: градиентные, Ньютона, сопряженных направлений, переменной метрики. Более подробно с методами безусловной оптимизации, использующими производные, а также с другими методами этой группы можно познакомиться в работе /4/. Методы условной оптимизации можно разделить на три группы: ориентированные на решение задач определенных классов (задачи квадратичного и геометрического программирования); основанные на приведении задач с ограничениями к безусловным задачам; основанные на аппроксимации конкретной задачи задачами линейного, квадратичного или геометрического программирования. Наиболее часто применяется геометрическое программирование, так как его преимуществом является возможность создания универсального программного комплекса, реализуемого на ЭВМ. 2.4. Решение задач многокритериальной оптимизации Многие реальные задачи, возникающие при проектировании, являются многокритериальными. В этих случаях достижение оптимума по всем критериям практически невозможно. Например, конструкцию оценивают по критериям долговечности, массы и т.д. В этом случае, стремясь к обеспечению требуемой долговечности, увеличивают отдельные сечения конструкции, что приводит к возрастанию массы. В то же время, стремясь к снижению массы, уменьшают отдельные сечения, среди которых могут оказаться и такие, которые снижают долговечность. Существуют несколько способов решения подобных задач. Первый способ состоит в сведении нескольких критериев к1,к2,к3 к одному обобщенному к: где – коэффициенты важности частных критериев. Коэффициенты важности частных критериев определяются путем экспертного опроса, либо логическим анализом, либо каким-нибудь другим методом. Недостаток этого подхода состоит в трудности определения коэффициентов важности критериев, так как очень сложно найти единую меру для часто очень разнородных критериев. Следующий метод заключается в оптимизации объекта по одному главному критерию с превращением остальных критериев в ограничения. Например, исходная задача оптимизации формируется следующим образом: разработать моечную установку с максимальной производительностью П, минимальными габаритами Г минимальной массой М и минимальной потребляемой энергией Э, т.е. . Задача является многокритериальной. Согласно рассматриваемому методу задача переформулируется следующим образом: разработать моечную установку с максимальной производительностью П, имеющую габариты Г, массу М и потребляемую энергию Э не более оговоренных значений Г*,М* и Э, т.е. при ГГ*,ММ* ,ЭЭ*. Таким образом многокритериальная задача сводится к однокритериальной с ограничениями. Третий метод носит название последовательной уступки и позволяет отыскать оптимальное решение, отвечающее достижению максимума по всем критериям, размещенным в ранжированной последовательности по степени их важности. Отыскание оптимального решения начинается с первого по важности критерия. Затем с учетом практических соображений и точности, с которой заданы исходные данные, назначается "уступка" по первому критерию к1. В пределах , где – максимально возможное значение к1, находится решение, отвечающее максимуму по второму критерию. Дальнейшие шаги состоят в "уступке" по второму и последующим критериям. В итоге находится компромиссное решение, у которого все критерии достигают максимума или находятся вблизи него, не выходя за пределы, установленные "уступкой" области. Если по условиям задачи нужно минимизировать тот или иной критерий, то, не нарушая общности, можно изменить его знак. Решение многокритериальных задач осложняется различием единиц измерения критериев, поэтому стремятся нормализовать критерии, переходя от их абсолютных значений к относительным показателям : где – максимально возможный разброс по i-му критерию, т.е. =max Кi – min Кi Возможны и другие способы нормализации критерия, с которыми можно ознакомиться в /1/. 3. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 3.1. Оборудование для уборочно-моечных работ Самым распространенным оборудованием этой группы являются моечные установки: струйные, щеточные и струйно-щеточные. Струйные моечные установки предназначены в основном для мойки грузовых автомобилей, самосвалов, прицепного состава. Рабочим органом струйной моечной установки являются насадки в виде сопел (форсунок), вмонтированных в систему неподвижных или подвижных трубопроводов-коллекторов, по которым к соплам подводится вода или моющий раствор. Щеточные моечные установки предназначены для мойки легковых автомобилей и автобусов. Рабочим органом таких установок являются вращающиеся ротационные щетки, к которым по трубопроводам подается вода или моющий раствор. На струйно-щеточных установках очистку загрязненного автомобиля осуществляют как щетки, так и струйные органы, использующие для этого кинжальные струи высокого давления. Щетки при этом очищают ровные боковые и торцовые поверхности, а струйные органы – экранированные и рельефные поверхности. Применение этих установок целесообразно для АТП имеющих разнотипный и разномарочный подвижной состав, в том числе автофургоны, автомобили с тентами, автобусы. Основными характеристиками моечных установок являются следующие: производительность, авт./ч; тип рабочего органа; расход воды, л/авт; давление развиваемое насосной станцией, МПа; потребляемая мощность, кВт; количество сопел (щеток), шт; габаритные размеры, мм; масса установки, кг; степень подвижности; скорость перемещения, м/мин; степень автоматизации; специализация по объекту мойки. Проектирование моечной установки следует начинать с анализа объекта мойки. Автомобиль как объект мойки характеризуется составом, количеством и свойствами находящихся на его поверхностях загрязнений; коэффициентом рельефности и взаимной экранизацией поверхностей; массой и габаритными размерами; составом и свойствами материалов, из которых изготовлен автомобиль. Все многообразие загрязнений подвижного состава условно принято делить на 12 групп: пылегрязевые., остатки перевозимых грузов, остатки моторных масел, остатки трансмиссионных масел, остатки пластичных смазок, маслогрязевые, асфальто-смолистые отложения, нагар, накипь, продукты коррозии и старые лакокрасочные покрытия, остатки консервационных материалов. Моечные установки, применяемые для проведения ЕО подвижного состава, в условиях АТП ориентированы в первую очередь на удаление загрязнений 1, 2 и 6 групп. Загрязнения в первую очередь характеризуются средним размером частиц, составляющих их, и толщиной слоя загрязнений. Размер (диаметр) частиц загрязнения определяется гранулометрическим анализом и в среднем составляет: для легковых автомобилей – 0,01...0,03 мм, а для грузовых – 0,025...0,3 мм. Толщина слоя загрязнения составляет 0,5...2,0 мм. Развитый рельеф поверхностей автомобилей характеризуется наличием глубоких ниш, замкнутых и экранированных пространств, выемок, глубоких карманов и тому подобных полостей, являющихся аккумуляторами загрязнений. Это обстоятельство при проектировании оборудования учитывается коэффициентом рельефности Крел, показывающим, во сколько раз увеличивается омываемая поверхность по сравнению с плоскостью того же размера. Немаловажное значение при проектировании имеет учет изменения физико-химических свойств материалов, применяемых в автомобилестроении, под воздействием таких факторов, сопровождающих процесс мойки, как изменение температуры, действие знакопеременных и ударных нагрузок и т.д., вызывающих коробление, изменение прочностных, диэлектрических свойств или поломку деталей. Основным условием очистки поверхности является превышение динамических давлений над прочностными свойствами загрязнений. В случае струйной мойки динамическое давление создает струя. Прочностные свойства загрязнения в первом приближении могут быть охарактеризованы максимальной силой сцепления между частицами загрязнения кmax : (3.1) где – поверхностное натяжение воды; R – радиус частиц загрязнения; W – влажность загрязнения. Из анализа этого уравнения видно, что силу сцепления можно снизить, во-первых увеличивая влажность загрязнения, и, во-вторых, уменьшив поверхностное натяжение воды. Исследования процесса мойки показали, что если автомобиль постоянно смачивать водой, то влажность все равно не превышает 0,2 (20%), что соответствует максимальному количеству влаги, которое может удержать загрязнение. Коэффициент поверхностного натяжения воды можно снизить, применяя для мойки подогретую воду, или, что более эффективно, применив синтетические моющие средства. Сила удара (гидродинамическое давление) струи (3.2) где  – плотность моющей жидкости; dн – диаметр отверстия насадка; Н – давление перед насадком; А – коэффициент аэрации, зависящий от расстояния до омываемой поверхности (А=0,70...0,95);  – коэффициент скорости, зависящий от формы отверстия и типа насадка (табл.4);  – угол встречи струи с омываемой поверхностью. Таблица 4 – Характеристика насадков Тип насадки Профиль поперечного сечения насадка Коэффициент расхода,  Коэффициент скорости,  Цилиндрический Конический Коноидальный Конический расходящийся 0,820 0,946 0,970 0,450 0,820 0,963 0,980 0,475 Очевидно, что для определения минимального давления воды, обеспечивающего разрушение загрязнения, необходимо выполнение условия кmax= Р. Отсюда получим (3.3) Величина давления Нmin может быть рекомендована в качестве рабочего давления в насадках рамок смачивания и ополаскивания моечных установок. Для определения давления воды, необходимого, для качественного смывания загрязнений, необходимо учитывать особенности процесса растекания струи по поверхности (рис.5). 1 – очищаемая поверхность; 2 – коноидальный объем; 3 – пограничный слой; 4 – струя жидкости; S – толщина пограничного слоя; R – размер зоны действия касательных сил Рисунок 5 – Образование пограничного слоя Рисунок 6 – Влияние напора струи на толщину пограничного слоя (при Х=1; φ=1) Заключается эта особенность в том, что в месте удара об омываемую поверхность струя движется по некоторой кривой поверхности, так как перед плоскостью остается определенный, практически неподвижный объем жидкости коноидальной формы. Не принимая участие в общем движении остальной струи, частицы жидкости в коноидальном объеме находятся в сравнительно медленном местном водоворотном движении. Коноидальний объем является своеобразной прокладкой между движущейся струей и загрязненной поверхностью. В месте удара струя изменяет направление и, следовательно, неизбежна потеря скорости. При дальнейшем движении по плоскости водяной поток перемещается с меньшей скоростью не прямо по поверхности, а по, так называемому, пограничному слою, который представляет собой тончайший, почти неподвижный слой воды, наличие которого обусловлено вязкостью воды и силами взаимодействия между молекулами воды и поверхности. Этот пограничный слой, так же, как и коноидальный объем, является "мертвым" пространством, не принимает участие в моющем действии. Поэтому частицы загрязнений, которые меньше, чем толщина пограничного слоя, практически не смываются и остаются на поверхности. Этим эффектом и объясняется наличие известного серого налета после мойки автомобиля на струйных установках. Таким образом, качественная мойка должна обеспечить минимальную толщину пограничного слоя, по крайней мере не большую, чем средняя величина частиц загрязнения. С известными приближениями толщина пограничного слоя может быть определена по формуле: (3.4) где – кинематическая вязкость воды; x – расстояние от сопла до омываемой поверхности. Из этой формулы, зная размер частиц загрязнения, можно, задаваясь требуемой толщиной пограничного слоя, найти требуемый напор водяной струи. Расчеты показывают, что при прочих равных условиях повышение давления эффективно уменьшает толщину пограничного слоя только лишь до определенного предела (рисунок 5). После этого значения увеличение давления не приводит к повышению качества мойки. Одним из важнейших требований к моечным установкам является требование максимальной экономичности в отношении воды. Экономичность моечных установок определяется в первую очередь энергоемкостью струи: (3.5) где Q – расход воды. Чем больше энергоемкость, тем больше гидродинамическое давление оказывает струя при том же расходе воды. Зная, что. (3.6) получим выражение для расчета энергоемкости струи (3.7) где – удельный вес воды. Энергоемкость струи по мере роста напора сначала интенсивно растет, потом рост замедляется и затем стабилизируется. Для некоторых видов сопел (например, цилиндрических) после этой точки энергоемкость даже падает. Одной из причин этого является аэрация, т.е. распыл струи. Следовательно, увеличивать напор струи выше указанной величины нет смысла. Число насадков в коллекторе может быть определено: (3.8) где – суммарная длина коллектора моечного блока; hн – расстояние между насадками. Применительно к автомобилям общего назначения при условии обеспечения мойки всей боковой поверхности общая длина коллектора (3.9) где lк, lш – длина коллектора, служащего для очистки со­ответственно кузова и шасси автомобиля. Ширина очистки хоч определяется по формуле: (3.10) где l – расстояние от сопла до поверхности очистки (0,3…1,55 м); h – толщина слоя загрязнения; Va – скорость перемещения автомобиля относительно моечной установки. При определении расстояния от сопла до поверхности очистки следует иметь в виду, что наиболее эффективная очистка осуществляется при: , где 1 – коэффициент динамической вязкости воды. Скорость перемещения автомобиля определяется требуемой производительностью установки П и средней длиной обслуживаемых автомобилей Lcp: (3.11) Тогда расстояния между насадками: (3.12) где кс – коэффициент перекрытия насадков, кс = 0,9. Общий расход воды для всех насадков , (3.13) где f – коэффициент запаса, f = 1,1...1,3. При подборе насосного узла и приводного электродвигателя далее следует провести расчет в следующей последовательности: а) построить гидравлические характеристики трубопроводов для всех участков всасывающей и нагнетательной линий насосной установки; б) сложить гидравлические характеристики трубопроводов и построить суммарные характеристики; в) подобрать по производительности Qобщ и напору Н (с учетом гидравлических характеристик трубопроводов) марку насосного узла; г) рассчитать мощность приводного электродвигателя насосного узла по формуле (3.15) где  – удельный вес воды,  = 1 кг/дм3, QH – производительность насоса, л/с; Нн – напор насоса, м; н – к.п.д. насоса; дв – к.п.д. двигателя, дв = 0,80...0,90. Расчет по пунктам (а…б) основывается на расчетных зависимостях и законах, изложенных в курсе гидравлики. При проектировании щеточных моечных установок главным является создание такой пневма­тической и силовой схемы устройства крепления щеток, которая обеспечивала бы нормируемую силу прижатия щеток к очищаемой поверхности Рщ= 50Н. От этой силы зависит качество мойки, работоспособность установки и состояние лакокрасочного пок­рытия. Поджатие щеток обычно осуществляется либо наклоном стрелы, либо специальным натяжным устройством с пневмо-, гидро- или электроприводом. При этом угол наклона стрелы определяется по формуле: , где Р – вес противовеса или вес перемещаемого стрелой груза. Наиболее эффективное соотношение между скоростью вращения щетки и скоростью передвижения автомобиля определяется зависимостью , где D – диаметр цилиндрической щетки (до наружной поверхности в рабочем состоянии); n – частота вращения щеточного барабана, об/мин; Va – скорость перемещения автомобиля, м/мин. При проектировании моечных установок следует учитывать, что основными путями совершенствования их можно считать: – создание установок с изменяющимся углом атаки струи непосредственно в процессе мойки; – применение водо-воздушных пульсирующих струй; – углубление специализации установок по объектам мойки; – создание уборочно-моечных комплексов по модульному принципу построения; – применение альтернативных способов мойки (гранул, ила, электромагнитных волн и т.д.); – обеспечения оптимального расстояния от насадка до поверхности с помощью датчиков, управляющих положением коллекторов в процессе мойки; – программное регулирование скорости передвижения автомобиля в зависимости от его марки и степени загрязнения. 3.2. Оборудование для подъемно-осмотровых и подъемно-транспортных работ К подъемно-осмотровому оборудованию относится оборудование, обеспечивающее удобный доступ к агрегатам, механизмам и деталям, расположенным снизу и сбоку автомобиля. Оно включает: подъемники, опрокидыватели, домкраты, канавы и эстакады. Подъемно-транспортное оборудование – это оборудование для подъема и перемещения автомобиля или агрегатов автомобиля по зонам и цехам, которое применяется при ТО и ТР в случае, когда движение автомобиля своим ходом исключается. В его состав входят конвейеры, краны, тельферы, тали и т.д. Важнейшими техническими характеристиками подъемников являются: тип привода; степень подвижности; количество стоек (плунжеров); грузоподъемность, т; время подъема, с; время опускания, с; высота подъема, мм; мощность двигателя к массе подъемника, кВт/т; удельная грузоподъемность, т.е. отношение грузоподъемности к массе подъемника, т/т; масса подъемника, кг; габаритные размеры, мм, К конструкции подъемников предъявляются следующие основные требования. 1. Надежность и долговечность подъемников должны обеспечивать вероятность безотказной работы не менее 0,86 и гарантийный срок не менее двух лет при амортизационном сроке службы не менее 10 лет. 2. Технологичность конструкции должна обеспечивать наименьшие затраты труда, материалов и средств при производстве и эксплуатации. 3. Стандартизация и унификация технических решений, применяемых в подъемниках, должна обеспечивать коэффициент применяемости не менее 0,88, а коэффициент повторяемости не менее 0,6. 4. Для обеспечения безопасности работы подъемников подъем и опускание автомобиля должны быть возможны только при постоянном нажатии на кнопку пускателя электромотора. При отпускании кнопки приводной двигатель должен отключаться и автомобиль надежно фиксироваться на достигнутой высоте. 5. Крайнее верхнее и крайнее нижнее положение автомобиля должны фиксироваться кнопками-выключателями. 6. Скорости подъема и опускания автомобиля должны обеспечить безотказность работы рабочих. Время подъема следует принимать в пределах 30...90 секунд, а опускания 30...45 секунд. 7. Концы подхватов должны быть снабжены упорами, чтобы не допустить соскальзывание автомобиля с подхватов. При наличии на подъемниках балконов, они должны иметь надежное ограждение. 8. Трапные подъемники должны иметь специальные домкраты для вывешивания колес или дополнительные лонжероны для этой же цели. 9. Потребители сжатого воздуха подъемников должны быть рассчитаны на подключение к воздушной магистрали АТП с рабочим давлением не более 1 мПа. Разработку конструкции электромеханического подъемника необходимо начинать с определения нагрузки на силовые стойки от поднимаемого автомобиля: (3.16) где Ga – вес поднимаемого автомобиля; ic – количество стоек; kg – динамический коэффициент, учитывающий увеличение нагрузки из-за сил инерции при подъеме и опускании автомобиля; kп – коэффициент перегрузки, учитывающий случайные факторы. При этом kg =1+a/g, где а – ускорение при начале подъема/опускания (a=0,1...0,5 м/с2). Исходя из требуемого времени подъема/опускания t и заданной высоты подъема Н определяют линейную скорость подъема/опускания: (3.17) Необходимая мощность электродвигателя, приводящего в движение грузовой винт стойки, может быть определена по формуле (3.18) где  – коэффициент полезного действия механизмов, составляющих кинематическую цепь от электродвигателя к грузоподъемной каретке. В конструкциях многостоечных подъемников от одного электродвигателя приводятся в движение грузовые винты нескольких стоек и, поэтому, мощность двигателя должна быть рассчитана с учетом этого обстоятельства. Обязательному расчету при проектировании подлежат все виды передач, используемые в конструкции. Особое внимание должно быть уделено расчету передачи грузовой винт – грузовая гайка с обязательным расчетом винта на устойчивость, а также расчету каретки и подхватов в наиболее нагруженных и опасных сечениях. Расчет электрогидравлических подъемников (рис.7) начинают, как и для электромеханических, с определения нагрузки, приходящейся на один силовой плунжер. Затем, задаваясь усилием на плунжере требуемой высотой подъема и давлением масла, находят площадь и диаметр поршня силового плунжера. Далее рассчитывают требуемую производительность насосной установки подъемника, мощность ее электродвигателя, объем масляного бака и по полученным результатам подбирают насосную установку из числа существующих. Для обеспечения требуемой производительности подъемника необходимо определить сечение всасывающих и нагнетательных трубопроводов маслосистемы. Кроме того, расчетом требуется определить необходимую площадь фильтрующего элемента фильтра, провести гидравлический расчет шарикового редукционного клапана, трехходового управляющего крана и клапана, регулирующего скорость подъема–опускания плунжера. Особенности расчета элементов гидропривода подъемника изложены в п.3,6 настоящего пособия. Расчет опрокидывателей производится в том же порядке, что и стойки электромеханических подъемников. Дополнительно необходимо рассчитать на прочность детали крепления автомобиля на раме опрокидывателя, саму раму и шарнирные узлы, соединяющие каретку стойки с рамой опрокидывателя. Коли конструкция опрокидывателя предусматривает возможность наклона грузоподъемной стойки, следует провести прочностной расчет и шарнирного узла крепления стойки к неподвижной раме опрокидывателя. Специфика расчета гаражных домкратов определяется принципом действия (механический, гидравлический или пневматический) и видом привода рабочего органа: механический (ручной или ножной), пневматический, пневмогидравлический. Расчет механических домкратов начинают с определения необходимого силового передаточного отношения, определяемого из отношения требуемой грузоподъемности Q рабочего усилия на органе управления (рычаге или педали) Qoy: (3.19) где ic – коэффициент полезного действия кинематической цепи. Рабочее усилие на органе управления должно находиться в пределах 100...200 Н. Дальнейший расчет определяется типом передачи, применяемой в домкрате для достижения найденного передаточного отношения и требуемой высоты подъема. В механических домкратах используются винтовые, шестеренчатые, рычажные, реечные и параллелограммные кинематические схемы. Их кинематический и силовой расчет проводится по общим принципам изложенным в курсах "Теория машин и механизмов", "Теоретическая механика" и "Детали машин". Так, в случае применения винтовой передачи ее кинематическое передаточное отношение i определяется: , (3.20) где D – диаметр органа управления (маховичка, штурвала и т.д.); Ph – ход резьбы. Исходя из условий ic= i, находится необходимый ход резьбы Ph силового винта домкрата. Средний диаметр резьбы винта определяют из условия обеспечения износостойкости: (3.2I) где н, h – соответственно коэффициента высоты гайки и высоты резьбы; [p] – допустимое среднее давление в резьбе. При выполнении расчетов рекомендуется принимать: н = 1,2...2,5 – для цельных гаек; н = 2,5...3,5 – для разъемных и сдвоенных гаек; h = 0,5 – для трапециидальной и прямоугольной резьб; h = 0,75 – для упорной резьбы; [p]=11...13 МПа – для закаленной стали по бронзе; [p]=8...10 МПа – для незакаленной стали по бронзе; [p]=4...6 МПа – для незакаленной стали по чугуну. Угол подъема  определяют из условия самоторможения (3.22) В случае многозаходной резьбы Ph=Pn, где Р – шаг резьбы, n – число заходов. Длину винта принимают в зависимости от требуемой величины подъема H и наружного диаметра винта d : (3.23) Наружный диаметр гайки домкрата определяется по формуле: (3.24) где [p] – допустимое напряжение материала гайки. Диаметр буртика гайки: (3.25) Высота гайки домкрата Нг и число витков резьбы в гайке Z: ; (3.26) Для равномерного распределения нагрузки по виткам резьбы высоту буртика принимают а= (0,25...0,33)Нг Сильно нагруженные винты необходимо проверить на прочность. При этом эквивалентное напряжение в сечении винта определяется по формуле: (3.27) где d1 – внутренний диаметр резьбы; [] – допустимое напряжение материала винта; Мк – крутящий момент в опасном сечении винта. При этом Мк =Q(d2/2)tg(+), где  – приведенный угол трения;=arctg[fт/соs(/2)]. В этих выражениях: fт – коэффициент трения,  – угол профиля резьбы. Специфика работы винта домкрата требует обязательной его проверки на устойчивость по условию: nу=кр/  [ny] (3.38) где nу – расчетный коэффициент запаса устойчивости; [ny] – допустимый коэффициент запаса устойчивости; для грузовых и ходовых винтов [nу] = 4...5;  – расчетные напряжения в поперечном сечении винта,  = 4Q/d12; кр – критическое напряжение, при котором наступает потеря устойчивости винта. Гидравлические домкраты наиболее широко используются в настоящее время, их расчет заключается в определении размеров поршня силового гидравлического цилиндра, определении требуемого объема масла для заливки в домкрат, проверки на прочность стенок цилиндра и болтов (винтов), крепящих крышки цилиндра. Кроме того, проводится кинематический и прочностной расчет деталей привода (обычно рычажного) от штока гидроцилиндра к подхвату для упора в автомобиль. Специфика расчета пневмогидравлического привода домкратов заключается в определении размеров мультипликатора и проверки его деталей на прочность. Методика расчета мультипликаторов подробно изложена в/15/. К основному подъемно–транспортному оборудованию, применяемому в АТП, относятся конвейеры, тали, тельферы, краны и различного рода грузовые тележки. Основными узлами, подлежащими расчету при проектировании, являются: тяговые органы с толкающими устройствами (цепи, тросы, транспортирующие ленты и жесткие штанги); приводные станции, включающие в себя электродвигатель, ременную или цепную передачу; натяжные станции, состоящие из винтового механизма или блока противовесов и звездочек, направляющие пути, служащие для направления и опоры тягового органа. Исходными данными для расчета конвейеров являются общий вес перемещаемых конвейером автомобилей и требуемая скорость перемещения автомобиля на поточной линии. Методика расчета конвейеров, талей, тельферов и кранов подробно изложена в специальной литературе по подъемно-транспортным устройствам /8/. Грузовые тележки рассчитываются, исходя из их конструктивных особенностей на прочность их наиболее нагруженных устройств и на устойчивость конструкции в целом. 3.3. Оборудование для разборочно-сборочных и крепежных работ К этому классу оборудования относятся различного рода гайковерты, съемники, стенды для разборки и сборки агрегатов и узлов автомобиля. Основными техническими характеристиками разборочно-сборочного оборудования являются: – максимальный крутящий момент, нм; – наибольший диаметр резьбы, мм; – установленная мощность, кВт ; – масса, кг; – габаритные размеры, мм. Исходной величиной для проектирования гайковертов является максимальный крутящий момент, определяемый максимальным моментом затяжки резьбового соединения. В общем случае момент затяжки резьбового соединения подсчитывается по формуле (3.29) где Рзат – усилие затяжки резьбового соединения, кгс; d2 – средний диаметр резьбы, мм; D – диаметр окружности трения болта, мм; d1 – диаметр отверстия под болт, мм; р,т – коэффициенты трения в резьбе и в торце болта. (3.30) где P – усилие, действующее на резьбовое соединение, кгс; Eд, Eб – модуль упругости материала детали и болта кгс/см; Fб Fд – площадь сечения болта и площадь соприкосновения болта с деталью, см. С достаточной степенью точности максимальный момент затяжки может быть определен также по приближенной форме: (3.31) где d – диаметр резьбы; в – предел прочности материала болта или шпильки. Величина момента затяжки винтов с цилиндрической или сферической головкой определяется: (3.32) где  – коэффициент трения головки винта по опорной поверхности. Для винтов с потайной головкой момент затяжки может быть рассчитан: (3.33) Угловая скорость вращения головки гайковерта приблизительно может быть определена, исходя из заданного времени t и количеством витков резьбы Z (3.34) В то же время угловая скорость вращения головки должна удовлетворять условно: (3.35) где  – зазор по среднему диаметру резьбы; d2 – средний диаметр резьбы; m – масса отворачиваемой или заворачиваемой детали и связанных с ней частей шпинделя гайковёрта; с – осевое усилие создаваемое пружинной головкой; H – величина предварительного сжатия этой пружины;  – угол наклона резьбы. Требуемая мощность электродвигателя гайковёрта определяется: (3.36) где  – коэффициент полезного действия кинематической цепи электродвигатель – передача – шпиндель – головка гайковерта. Общее передаточное отношение передачи от двигателя к головке гайковерта: (3,37) где дв – угловая скорость вращения ротора выбранного электродвигателя. Если проектируется гайковерт инерционно-ударного типа, (рис.8) при определении параметра маховика следует иметь в виду, что (3.38) где  – замедление маховика; J – момент инерции маховика. Момент инерции маховика определяется его формой и размерами. Так, для кольцевого маховика (3.39) где – наружный и внутренний диаметр маховика; l – длина маховика;  – плотность материала. Замедление маховика приближенно можно определить следующим образом: (3.40) Приводной электродвигатель в этом случае следует подбирать из условия обеспечения требуемой скорости раскрутки маховика. Исходным параметром при проектировании съемников является усилие запрессовки и выпрессовки деталей. Наибольшая сила запрессовки, необходимая для сборки продольно-прессового соединения с гарантированным натягом, может быть найдена по формуле: (3.41) где fзап – коэффициент трения при запрессовке; ρ– удельное давление на поверхности контакта; d – диаметр охватываемой детали; L – длина запрессовки. Удельное давление ρ (рис.9) на поверхности контакта можно определить по формуле (3.42) где  – расчетный натяг, мкм; E1,E2 – модули упругости материала охватываемой и охватывающей деталей; (3.43) Значения с1 и с2, найденные с учетом величины коэффициентов Пуассона 1 и 2 охватывающей и охватываемой деталей, приведены в табл. 5. Рисунок 9 – Сопряжение деталей с натягом Если охватываемая деталь выполнена в виде сплошного вала, то d0=0, d0/d=0. В случае, когда охватываемая деталь выполнена в виде плиты, d/D=0. Расчетный натяг соединения определяется: (3.44) где d – номинальный натяг; – высоты микронеровностей сопрягаемых поверхностей обеих деталей (по ГОСТ 2789-73). При выборе коэффициента трения fзап необходимо учитывать, что с уменьшением шероховатости сопрягаемых поверхностей его величина уменьшается, но влияние шероховатости поверхностей заметно сказывается лишь при малых удельных давлениях. По мере роста этих давлений fзап падает (рис.10). Таблица 5 – Значения коэффициентов c1,c2 d0/d для c1 и d/D для c2 c1 c2 Сталь Бронза Чугун Сталь Бронза Чугун 0,00 0,70 0,67 0,75 1,30 1,33 1,25 0,10 0,72 0,69 0,77 1,32 1,35 1,27 0,20 0,78 0,75 0,83 1,38 1,41 1,38 0,30 0,89 0,86 0,94 1,49 1,52 1,44 0,40 1,08 1,05 1,13 1,68 1,1 1,63 0,45 1,21 1,18 1,26 1,81 1,84 1,72 0,50 1,37 1,34 1,42 1,95 2,00 1,92 0,55 1,57 1,54 1,62 2,17 1,20 2,12 0,60 1,83 1,80 1,88 2,43 2,46 2,38 0,65 2,17 2,14 2,22 2,77 2,80 2,72 0,70 2,62 2,59 2,67 3,22 3,25 3,17 0,75 3,28 3,25 3,33 3,84 3,87 3,79 0,80 4,25 4,22 4,30 4,85 4,88 4,80 0,85 5,98 5,95 6,03 6,58 6,61 6,53 0,90 9,23 9,20 9,28 9,83 9,86 9,78 0,925 12,58 22,56 12,63 13,18 13,21 13,13 0,95 18,70 18,67 18,75 19,30 19,33 19,25, 0,975 38,70 38,67 38,75 39,30 39,33 39,25 0,99 98,70 98,67 98,75 99,30 99,33 99,25 Величина усилия, требуемого для запрессовки холодного подшипника, может быть определена по формуле: (3.45) где  – натяг; Е – модуль упругости; В – ширина кольца подшипника; fп – коэффициент трения; N – коэффициент, определяемый конструктивными размерами подшипника (3.46) где d – диаметр отверстия внутреннего кольца; D – наружный диаметр подшипника. 1 – RZ = 0,16…0,32; 2 – RZ = 1…1,25; 3 – RZ = 2,5…3,2 Рисунок 10 – Зависимость коэффициента трения от удельных давлений на контактной поверхности при различной шероховатости посадочных плоскостей При определении усилия выпрессовки считают, что оно на 10...15% больше силы запрессовки. После определения усилия выпрессовки рассчитывается привод съемника, который часто представляет из себя винтовую передачу. Расчету на прочность подвергаются головки съемника и его лапки или силовые стремянки Для операций запрессовки часто используются приспособления, использующие энергию удара груза. В этом случае требуемое усилие запрессовки создает сила падающего груза GH, где G – вес груза, а H – высота направляющего стержня приспособления (высота падения груза). Очевидно, что при ударе не вся сила будет использована для запрессовки. Потерянная сила может быть выражена так: где M=G/g – масса груза; m – масса накладки на деталь, о которую ударяется груз;  – коэффициент восстановления системы при ударе, зависящей от формы и массы соударяющихся тел,  = 0,4...0,5. Тогда полезная работа, идущая на запрессовку, при одном ударе будет GH–T или Если запрессовывают одним ударом, то сила, определяемая по этой формуле, должна равняться работе силы запрессовки на длине запрессовки. При выполнении операции несколькими ударами необходимо при расчете учесть число ударов: где P3 – сила запрессовки; n – число ударов груза; a – глубина (длина) запрессовки. По этой формуле можно определить необходимые параметры груза и высоту подъема его. Проектирование стендов для разборки и сборки агрегатов автомобилей следует начинать с определения схемы базирования ремонтируемого агрегата на приспособлении и выборе установочных элементов (пальцы, призмы, пластины и т.д.). Далее составляют схему закрепления агрегата и выбирают тип силовых механизмов для зажимов. При построении схемы определяют точки приложения и направления сил зажима, а также величины потребных сил при проведении разборочно-сборочных работ на ремонтируемом агрегате. Силы зажима следует обязательно направлять на опоры, особенно при закреплении длинных нежестких деталей. Величины потребных сил зажима можно определить решая задачу статики на равновесие твердого тела под действием всех приложенных к нему сил и их моментов (веса агрегата, усилий выпрессовки, отворачивания и затяжки резьбовых соединений и т.д.). Иначе говоря, необходимо решить совместно шесть уравнений статики, в которых алгебраические суммы проекций всех сил на каждую из координатных осей и моменты сил относительно этих осей приравнены к нулю. Силовые механизмы зажимов рассчитываются, исходя из специфики своей конструкции. Подробно о расчете силовых механизмов можно прочитать в /15/. Обязательному расчету на прочность подвергают установочные элементы стенда, стойки стенда, а также элементы поворотных и стопорных механизмов. Для передвижных стендов необходимо рассчитать конструкцию на устойчивость, а для стационарных стендов необходимо рассчитать элементы крепления стенда к фундаменту (анкерные болты и т.д.). 3.4 Смазочно-заправочное оборудование К смазочно-заправочному оборудованию (рисунок 11) относится оборудование для обеспечения работ по заправке моторными маслами картеров автомобильных двигателей (маслораздаточные колонки и установки), трансмиссионными маслами картеров коробок передач, задних мостов и рулевых управлений, смазки через пресс-масленки отдельных узлов пластичными смазками (нагнетатели смазки), а также заправки систем охлаждения и тормозных систем рабочими жидкостями. Рисунок 11 – Классификация смазочно-заправочного оборудования Основными техническими характеристиками смазочно-заправочного оборудования являются: – производительность (подача), л/мин (г/мин); – давление подачи, МПа; – установленная мощность, кВт; – габаритные размеры, мм; – масса, кг; – пределы измерения счетчика подачи, л (кг); – относительная погрешность счетчика, %. Расчет смазочно-заправочного оборудования начинают с определения емкости бака, которую определяют, исходя из суточной (сменной) потребности соответствующего вида масла для проведения работ по ТО автомобиля. Для снижения себестоимости емкостей следует выполнять их размеры в таких пропорциях, при которых затраты металла минимальны. Оптимальный внутренний диаметр цилиндрической емкости с крышкой (3.47) где V – емкость бака;  – толщина обечайки; д, к – толщина соответственно днища и крышки бака. Толщину обечайки, крышки и днища предварительно принимают =к=3...4 мм; д=4...6 мм. Оптимальная высота емкости (3.48) Для получения минимального количества отходов листового материала необходимо соблюдение условия Нопт/Dопт1. Прямоугольные емкости целесообразно использовать, если увеличение количества металла на изготовление по сравнению с цилиндрической емкостью компенсируется удобством компоновки и эксплуатации. Оптимальные размеры прямоугольных емкостей следует определять по методу Лагранжа (см.п.2.3 настоящего пособия). Минимальная толщина вертикальной стенки прямоугольной емкости определяется из условия прочности: (3.49) где a – длина малой стороны стенки ;  – плотность масла в баке; k = 0,7/[1 + 1,61(a/b)2] – коэффициент (где – b длина большой стороны стенки); Н – высота стенки; С=1...2 мм – прибавка на коррозию; [] – предел прочности материалa. Исходя из нормируемого времени на заправку по одной точке, определяемого на основе трудоемкости выполнения соответствующей операции для данной марки подвижного состава и количества смазки на одну заправку, рассчитывается производительность установки. Давление подачи определяется на основании преодоления противодавления пресс-масленки (для пластичных смазок) или на основании анализа данных по аналогичным установкам (для прочих смазок). Зная требуемую производительность насосного узла установки Q и давление подачи Р, можно рассчитать мощность приводного электро- или пневмодвигателя насоса (3,50) где м – плотность масла; Р – падение давления в магистралях установки;  – к.п.д. привода. Исходя из фактических характеристик насосного у зла, рассчитывается внутренний диаметр раздаточных рукавов (шлангов) установки, определяются по условиям прочности толщины стенок рукава (шланга) и из числа стандартных выбирается тип (марка) раздаточного рукава (шланга). 3.5 Стенды для диагностирования автомобилей Стенды для диагностирования являются базовым оборудованием на основе которого создаются посты диагностики в ДТП. Диагностические стенды подразделяются на стенды тормозных, тяговых и ходовых качеств (рис.12). Рисунок 12 – Классификация стендов для диагностирования автомобилей Основными техническими характеристиками стендов тормозных качеств являются: – допустимая нагрузка на ось, кН; – окружная скорость роликов (барабанов), км/ч; – максимальная реализуемая тормозная сила, кН; – суммарная приводная мощность, кВт; – колея барабанов, мм; – масса, кг; – габаритные размеры, мм. Для стендов тяговых качеств основными техническими характеристиками являются: – допустимая нагрузка на ось, кН; – максимальная тормозная мощность, кВт; – максимальное тяговое усилие, кН; – максимальная лимитируемая скорость, км/ч; – габариты, мм; – масса, кг. Для барабанных стендов ходовых качеств основные технические характеристики следующие: – имитируемая скорость, км/ч; – нагрузка на ось, кН; – предел измерения боковой силы, Н; – мощность электродвигателей, кВт; – габаритные размеры, мм; – масса, кг. Конструктивно диагностический стенд включает в себя: опорно-сцепное устройство, нагрузочно–приводное устройство, датчики и пульт управления. В качестве опорно-сцепного устройства могут быть использованы барабаны (ролики), платформы или ленточные опоры, однако, в настоящее время барабанные опорно-сцепные устройства получили наибольшее распространение. Кинематические схемы барабанных опорно-сцепных устройств могут быть самыми разнообразными. В работе /2/ указывается на 56 возможных вариантов кинематических схем для трехосных автомобилей. В то же время для двухосных автомобилей более всего распространены опорно-сцепные устройства со спаренными барабанами под одно колесо (рис.13). Подобная схема применяется как для стенда тормозных, так и для стендов тяговых качеств. Применяется такая схема и для стендов ходовых качеств при условии возможности обеспечения осевого перемещения заднего барабана. Для стендов тормозных и тяговых качеств трехосных автомобилей получили широкое распространение опорно-сцепные устройства со спаренными барабанами под одно колесо и поддерживающими барабанами под колеса заднего моста (рис.14).Опорно-сцепные устройства со оплошными спаренными барабанами под ось (рис.15) получили распространение только для стендов тяговых качеств, а опорно-сцепные устройства с одинарными барабанами (рис.16) – для стендов ходовых качеств. Конструкция опорно-сцепного устройства должна обеспечивать: – реализацию максимальной величины измеряемого параметра (тяговой или тормозной силы); – устойчивое положение автомобиля на стенде; – возможность легкого самостоятельного выезда автомобиля со стенда; – минимальный износ шин автомобиля при диагностировании. Удовлетворение указанных требований достигается подбором соответствующих соотношений между параметрами компоновки опорно-сцепного устройства. К основным параметрам компоновки двухбарабанного стенда (рис.17) относятся: радиус барабана R – углы  и  между вертикалью и прямой, соединяющей центр колеса и соответственно центр переднего и заднего барабанов; расстояние между осями барабанов L и длина барабана В. От правильного выбора радиуса бегового барабана зависит износ шин при диагностировании и условия имитации дорожных сопротивлений. Уменьшение радиуса барабанов, которое объясняется стремлением уменьшить габаритные размеры и массу опорного – сцепного устройства, приводит к повышению деформации, проскальзыванию шин и, следовательно, к увеличению их износа. При соотношении R/Rк<0,4 потери на проскальзывание и сопротивление качению почти вдвое выше, чем на дороге, в связи с чем радиус барабанов стенда тормозных качеств рекомендуется принимать R= (0,4...0,6) Rк. В тяговых стендах это соотношение можно принимать R= (0,4...0,9) Rк. В соответствии с требованиями ГОСТ 26899-86 диаметр барабанов должен быть не менее 240 мм. Кроме того, если проектируется опорно-сцепное устройство стенда тормозных качеств инерционного типа, то для удобства измерения тормозного пути радиус барабана следует выбирать таким, чтобы длина окружности барабана была кратной 0,1 м. При выборе углов  и  следует стремиться к увеличению общего сцепного веса на колесе , так как это способствует повышению реализуемого тормозного и тягового моментов на стенде. Величина общего сцепного веса на колесе может быть рассчитана по формуле: (3.51) где GK – весовая нагрузка на колесо. Максимальная реализуемая тормозная или тяговая сила на колесе Рт при этом: (3.52) где  – коэффициент сцепления шины с барабаном. Расстояние L между осями барабанов определяется по формуле: (3.53) Длина барабана может быть рассчитана следующим образом: (3.54) где Вш – ширина шины; х – возможный перекос осей автомобиля; La,Ba – длина и ширина автомобиля. Расстояние между внутренними торцами барабанов рассчитывается по формуле: (3.55) Если конструкцией опорно-сцепного устройства предусматривается возможность самостоятельного выезда без помощи подъемного устройства, то должно быть выдержано условие (3.56) В противном случае необходимо рассчитать требуемый рабочий, ход подъемника (рис.17). Если предусматривается выезд через передний барабан, то: , (3.57) а если через задний барабан: , (3.58) Подъемник обычно бывает или пневматического или гидравлического типа. Их расчет подобен расчету гидро - или пневмопривода. Конструкция опорно-сцепного устройства должна обеспечивать устойчивое положение автомобиля на стенде при любых режимах работы. Различают статическую и динамическую устойчивость автомобиля на стенде. Статическая устойчивость – это устойчивость автомобиля на опорно-сцепном устройстве вне основного режима диагностирования, т.е. обеспечение его невыкатывания с роликов из-за, например, деформации шин или какой-то случайной горизонтальной или вертикальной силы. Исследованиями установлено, что для обеспечения статической устойчивости достаточно, чтобы на 1 тонну собственного веса автомобиля сила сопротивления выкатыванию была равна 750...1000 н, или же tgзап=tgзап = 0,075...0,1 Конкретное техническое решение стенда оценивается коэффициентами статической устойчивости в переднем (Ксу) и в заднем направлении (Ксу): (3.59) где n – количество осей автомобиля; Ga – вес автомобиля; Gi – осевая нагрузка. Статическая устойчивость обеспечена при условиях Ксу 1;Ксу1. Динамическая устойчивость – это устойчивость автомобиля на стенде в процессе диагностирования, когда имеет место перераспределение весовой нагрузки между осями автомобиля. Так, при диагностировании тормозов двухосного автомобиля результирующая сила R (рис.18) направлена в сторону заднего ролика, колеса задней оси догружаются, а колеса передней оси разгружаются, и, следовательно, автомобиль имеет стремление к выкатыванию назад. При диагностировании тормозов трехосного автомобиля средний мост догружается, а колеса заднего моста разгружаются. На стенде тяговых качеств колеса среднего моста разгружаются, а колеса заднего моста догружаются. Количественная оценка динамической устойчивости автомобиля на опорно-сцепном устройстве стенда тяговых качеств осуществляется коэффициентом динамической устойчивости в  направлении: (3.60) где Ксвi – коэффициент стабильности весовой нагрузки i-й оси автомобиля; ; (3.61) Ni', Ni" – реакции от веса на передний и задний барабан. Для стенда тормозных качеств динамическая устойчивость оценивается в заднем  – направлении: (3.62) Динамическая устойчивость считается обеспеченной при Кду, Кду1,4. Коэффициент стабильности весовой нагрузки Ксвi показывает, во сколько раз увеличилась или уменьшилась весовая нагрузка на колеса i-й оси при диагностировании: (3.63) где Gдi – изменение осевой нагрузки; Gi – весовая нагрузка в статике. Например, при диагностировании тяговых качеств трехосных автомобилей величина Ксвi для колес средней оси вычисляется следующим образом: (3.64) где PТi, PТi – тяговые силы, реализуемые колесами i-й оси на переднем // и заднем // барабанах опорно-сцепного устройства; G2 – нагрузка от веса автомобиля на среднюю ось; Ба – база автомобиля; БТ – база балансирной тележки. Для задней оси коэффициент стабильности весовой нагрузки может быть рассчитан: (3.65) где G3 – нагрузка от веса автомобиля на заднюю ось. Эффективность конструктивного решения опорно-сцепного устройства стенда тормозных качеств оценивается величиной коэффициента использования весовой нагрузки: Квн=РТmaх/Ga, (3.66) где – сумма максимально реализуемых тормозных сил всех колес автомобиля; Ga – вес автомобиля. Для опорно-сцепного устройства стенда тяговых качеств этот коэффициент вычисляется, как: Квн=Ртяг.maх/Ga, (3.67) где Ртяг.maх – максимально реализуемая тяговая сила. Расчет нагрузочно–приводного устройства стенда тормозных качеств силового типа заключается в определении мощности электродвигателя, подборе редуктора и муфт. Мощность электродвигателя этого стенда рассчитывают из условия того, что в момент торможения к барабанам приложена сумма тормозных сил и сумма сил сопротивления качению. С учетом этого: , (3.68) где Zк – количество колес на опорно-сцепном устройстве; f – коэффициент сопротивления качению; nэ – частота вращения ротора электродвигателя; iбэ,бэ – передаточное отношение и к.п.д. кинематической цепи электродвигатель-барабан. При этом передаточное отношение iбэ определяется из соотношения: . (3.69) Скорость движения автомобиля на силовом стенде Vб обычно принимают в пределах 4...6 км/ч. Мощность нагрузочного устройства силового стенда тяговых качеств определяется по формуле: Nн=Nдвтрст/nну, (3.70) где Nдв – максимальная мощность двигателя диагностируемых автомобилей; тр – к.п.д. трансмиссии автомобиля; ст – к.п.д. кинематической цепи от барабана к нагрузочному устройству; nну – количество одновременно работающих нагрузочных устройств. В качестве нагрузочных устройств стендов тяговых качеств силового типа наиболее часто используют балансирные электромашины или электромагнитные дисковые тормоза с воздушным охлаждением (индукторные тормоза). Государственным автотранспортным научно-исследовательским и проектным институтом, и Московским энергетическим институтом разработан типоразмерный ряд из шести электродинамических тормозов с максимальным тормозным моментом от 0,4 до 3,0 кНм, который обеспечивает возможность диагностирования тяговых качеств всех массовых моделей автомобилей отечественного производства. Достоверность измерения мощности автомобиля на инерционном стенде тяговых качеств можно достичь, если условия разгона на беговых барабанах и на дороге идентичны, т.е. если правильно подобраны инерционные массы нагрузочно–приводного устройства стенда. Так как в процессе разгона автомобиля на дороге энергия его двигателя расходуется на преодоление сил инерции от всех поступательно и вращательно движущихся масс двигателя, задних колес и масс стенда, то для соблюдения идентичности указанных выше условий разгона необходимо, чтобы приведенный момент инерции вращающихся масс стенда был примерно равен приведенному моменту инерции автомобиля без учета моментов инерции масс двигателя и задних колес, т.е. (3.71) где Iб,Iм,Inк – соответственно моменты инерции беговых барабанов, маховиков стенда и передних колес автомобиля; iб,iр – передаточные отношения кинематических цепей колесо-барабан и колесо-редуктор стенда. Зная массу автомобиля, моменты инерции колес у беговых барабанов и передаточные отношения iб и iр определяют требуемый момент инерции маховика, а, следовательно, и его геометрические размеры. Для стенда тормозных качеств инерционного типа параметры маховиков определяются из условия равенства кинетической энергии, поглощаемой тормозами автомобиля на стенде, кинетической энергии поступательно и вращательно движущихся масс автомобиля и тормозных сил на дороге: (3.72) Электродвигатель инерционного барабана стенда тормозных качеств выбирается по величине пускового момента на его валу: (3.73) где f – коэффициент сопротивления качения; Zк,Zм,Zб – количество колес, маховиков и барабанов, раскручиваемых одним электродвигателем; Iм,Iб,Iк,Iэ – моменты инерции маховика, барабана, колеса и ротора электродвигателя; iбэ,бэ – передаточное отношение и к.п.д. кинематической цепи барабан-электродвигатель; iмэ,мэ – передаточное отношение и к.п.д. кинематической цепи маховик - электродвигатель; Vн – начальная скорость торможения автомобиля на стенде; tp – требуемое время разгона до начальной скорости торможения. В качестве датчиков для фиксации реактивного момента на стендах силового типа очень часто используют месс-дозы, реостатные датчики, датчики потребляемого нагрузочно-приводным устройством тока, магнитоупругие датчики и механотроны. Месс-доза преобразует величину реактивного момента на рычаге балансирно подвешенного агрегата (двигателя или редуктора) в пропорциональное ему давление жидкости, которое уже и измеряет датчик давления. Размеры поршня месс-дозы и пределы измерения давления, которые должен обеспечить датчик и параметры стенда, связаны следующей зависимостью: , где Кзап – коэффициент запаса, Кзап = 4,5...6; c – коэффициент сцепления шин с барабанами стенда; m – расстояние от оси электродвигателя или балансирного редуктора до оси месс-дозы; dп – диаметр поршня месс-дозы; I – передаточное отношение кинематической цепи между балансирноподвешенным агрегатом и барабаном стенда. В качестве датчика давления можно применить потенциометрические датчики типа МД-6Т, МД-10T, ЭДМУ-1, ДМП-1А, ДМП-4А или тензорезисторные типа "Кристалл", ЛХ-412, ЛХ-415 /24/. Величина выходного сигнала тензорезисторного датчика с силоизмерительным элементом в виде деформируемого стакана определяется по следующей формуле: где Sэф – эффективная площадь дна стакана; К – коэффициент, учитывающий распределение деформаций в стакане по длине тензорезисторов /К1/; S – коэффициент чувствительности тензорезисторов;  – коэффициент, учитывающий число рабочих тензорезисторов и степень их работы; uп – напряжение питания мостовой схемы датчика; F – площадь сечения стакана; E – модуль упругости материала стакана; Kд – чувствительность датчика; Рх – измеряемое давление. Магнитоупругие датчики представляют чаще всего ферромагнитный сердечник с обмоткой, при деформации которого от сжимающих, растягивающих или скручивающих усилий происходит изменение магнитной проницаемости сердечника и изменение его магнитного сопротивления. Это приводит к изменению индуктивности обмотки, помещенной на сердечнике, или взаимной индуктивности между обмотками, что и фиксируется соответствующей электроизмерительной цепью. О расчете магнитоупругих датчиков и способах их встраивания в силоизмерительные цепи стендов можно прочитать в /25/. Датчики для стендов с инерционными нагрузочно–приводными устройствами должны нести информацию о величине пути, пройденного колесом автомобиля за время операции диагностирования (тормозного пути, пути разгона, наката). Для этой цели обычно применяют фотоэлектрические датчики или бесконтактные индукционные датчики типа БК или КШ /24/. Датчики должны иметь оптимальные метрологические характеристики, определяемые из целевой функции суммарных удельных издержек Gj()=min[Вj()+Сj()], где Вj() – издержки на измерение диагностического параметра при погрешности, , а Сj – дополнительные издержки на ремонт и техническое обслуживание автомобиля по диагностируемому параметру в зависимости от погрешности  за межконтрольный период. С подробными рекомендациями по практическому определению оптимальной средней квадратичной погрешности датчика на основе изложенного подхода можно ознакомиться в /20/. Пульты управления обычно содержат индикаторы, позволяющие фиксировать измеряемые параметры; органы управления измерительной схемой (кнопки, тумблеры, переключатели), т.е. схемой преобразования сигналов с датчиков; органы управления силовой частью стенда (т.е. нагрузочно-приводным и опорно-сцепным устройствами). Проектирование пультов управления является одной из самых сложных задач при проектировании технологического оборудования и требует специальных знаний в области автоматики, электроники и микро-схемотехники. С некоторыми рекомендациями по созданию измерительных диагностических систем можно познакомиться в /26/. 3.6 Пневматический и гидравлический привод технологического оборудования Пневматический и гидравлический приводы являются важными элементами механизации и автоматизации технологического оборудования. Пневмопривод – это комплекс устройств, предназначенных для приведения в движение агрегатов и узлов приспособления посредством пневматической энергии, т.е. энергии сжатого газа. Преимуществом пневмопривода является простота конструкции, возможность широкого использования (повсеместной обеспеченностью сжатым воздухом от единой воздушной магистрали предприятия) и быстротой действия. В состав пневмопривода входят: пневмодвигатель (пневмоцилиндр или пневмокамера); пневмоаппаратура (распределительный кран, регулятор давления, манометр, вентиль, влагоотделитель, маслораспылитель, реле давления); воздухопроводы. Величину усилия Рш на штоке пневмоцилиндра подсчитывают по формулам: при двустороннем действии ; (3.74) при одностороннем действии , (3.75) где Р – давление сжатого воздуха; D – диаметр внутренней полости цилиндра;  – коэффициент, учитывающий утечки в уплотнениях поршня и штока (0,85); Q – сопротивление возвратной пружины в конце рабочего хода поршня; T – суммарные потери в уплотнениях. Параметры пружины рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы при ее предельном сжатии она оказывала сопротивление от 5% при больших и до 20% при малых диаметрах цилиндров от усилия на штоке в момент зажима; усилие начального (предварительного) сжатия пружины должно составлять 10...30% от конечного усилия при предельном сжатии. Если в конструкции пневмоцилиндра применены кожаные или резиновые манжеты, то T=DlPf, где l – длина манжеты; f – коэффициент трения (0,006...0,008 для кожи и 0,01...0,02 – для резины). Если уплотнения состоят из манжет из пластифицированного поливинилхлорида, то T=Dlf(q+P)0,6, где f = 0,35...0,45 – коэффициент трения; q = 1...2 МН/м2 – контактное давление от предварительного натяга манжеты. Потери в набивочных уплотнениях T=dKh, где d – диаметр штока; h – длина набивки; К – давление, зависящее от затяжки уплотнения, К = 40..,130 кН/м2. Манжетное уплотнение стыка поршень-стенка цилиндра может быть рассчитано из условия , (3.76) где пр – предел прочности резины на разрыв; а – толщина лопасти манжеты. Длину сальникового уплотнения h штока пневмоцилиндра рассчитывают (3.77) Толщина кольцевого слоя набивки сальника (3.78) Время срабатывания пневмопривода с пневмоцилиндром можно определить по формулам: (3.79) (3.80) В этих формулах =Рn/Р, где Pn = P'/(Ff); Pn – приведенная сила на штоке в начала движения; F – площадь поршня; f – коэффициент трения между поршнем и цилиндром; Р – давление воздуха; H – ход поршня; =dв/D – отношение диаметра воздухопровода dв к диаметру цилиндра. Формулу (3.79) следует применять при  > 0,528, а (3.80) – при   0,528. Диаметр воздухопровода может быть приближенно определен как: (3.81) где Vв – скорость воздуха в воздухопроводе, Vв = 17...25 м/с. Величину усилия на штоке пневмокамеры подсчитывают по формулам: при двустороннем действии (3.82) при одностороннем действии (3.83) где Р – давление сжатия воздуха; D – наибольший диаметр внутренней полости камеры; d – диаметр тарелки штока; Q – сопротивление возвратной пружины. Для пневмокамер с диафрагмами из резинотканевых материалов d = 0,72D. Для пневмокамер с диафрагмами из резины , (3.84) где t – толщина диафрагмы. Ход штока в пневмокамерах составляет H0,3D. В зависимости от требований, предъявляемых к пневматическому приводу, выбирается тот или иной комплект пневмоаппаратуры. Обычно непосредственно за запорным вентилем или пробковым краном располагают влагоотделитель, очищающий воздух от влаги и механических примесей сразу же у входа в пневмосеть приспособления. Маслораспылитель должен располагаться как можно ближе к пневмодвигателю (он его смазывает), поэтому он включается перед распределительным краном. Обратный клапан, перекрывающий путь потоку сжатого воздуха из полости пневмодвигателя при внезапном падении давления в сети и предохраняющий от аварии, обычно включен в корпус распределителя. Регулятор давления с манометром располагают между влагоотделителем и маслораспылителем. Очень часто влагоотделитель, регулятор давления и маслораспылитель соединяют в единый блок подготовки воздуха. Когда регулировать давление не требуется, регулятор давления из блока подготовки воздуха исключается. Обязательным минимальным набором пневмоаппаратуры любого привода должны быть: распределительный кран, маслораспылитель и влагоотделитель. Вся пневмоаппаратура в нашей стране является нормализованной и стандартизованной, поэтому при проектировании технологического оборудования следует подбирать аппараты из числа существующих по критерию соответствия необходимой их пропускной способности. Гидропривод представляет собой независимую гидравлическую установку, состоящую из электродвигателя, насоса, резервуара для масла, аппаратуры управления и регулирования и гидроцилиндра. Диаметр поршня гидроцилиндра определяют по формуле: (3.85) где Рш – требуемое усилие на штоке; Р – давление масла (Р = 5,0...8,0 МПа). Толщина стенки гидроцилиндра hc определяется из условия прочности: hc=РD/(2P) (3.86) где P – допустимое напряжение растяжения материала корпуса. Для стальных гидроцилиндров P = 60…80 МПа. Толщина днища цилиндра рассчитывается по формуле: (3.87) Производительность насоса определяется из зависимости (3.88) где t – требуемое время срабатывания гидроцилиндра; H – рабочий ход поршня;  – к.в.д. насосного узла ( = 0,94...0,96). Чаще всего в гидроприводах технологического оборудования ДТП применяют шестеренчатые насосы. Подача шестеренчатого насоса связана с его конструктивными размерами следующей зависимостью: (3.89) где Dш – диаметр начальной окружности шестерни насоса; в – длина стороны зуба шестерни; Z – число зубьев шестерни; n – угловая скорость вращения шестерни. При применении в гидроприводе кулачкового насоса (3.90) где Sц – рабочая площадь плунжера (поршня); е – величина эксцентриситета кулачка; Z – количество плунжеров насоса. Теоретическая подача насоса пластинчатого типа однократного действия может быть выражена формулой: (3.91) где r – радиус внутренней поверхности статора; е – эксцентриситет ротора;  – толщина пластины насоса; в – ширина пластины в осевом направлении; Z – число пластин в насосе;  – угол наклона пластин к радиусу ротора,  = 0...150. Мощность электродвигателя, приводящего в движения насос, определяется по формуле: N =QнP/н (3.92) Диаметр трубопроводов гидропривода рассчитывают следующим образом: (3.93) где V – средняя скорость движения жидкости в трубопроводах: напорных – 5...6 м/с, всасывающих – 1...1,5 м/с. Рассчитав диаметр трубопровода, подбирают ближайший типоразмер по ГОСТ 8734-75 и проверяют его на разрыв по формуле: p=Pd/(2h) (3.94) где p – допустимое напряжение на разрыв; h – толщина стенки трубы. Каждое приспособление, содержащее гидропривод, имеет индивидуальную панель с размещенной на ней аппаратурой управления и регулирования: краном управления, обратным клапаном и манометром. Аппаратура управления нормализована. Очень эффективно использование в технологическом оборудовании пневмогидравлического привода, основой которого является преобразователь давления (мультипликатор). Порядок расчета мультипликатора следующий. Вначале определяют диаметр D рабочего гидроцилиндра по формуле (3.77). Затем определяется диаметр d плунжера из соотношения Диаметр пневмоцилиндра D1 мультипликатора находят по формуле: где Р,Pв – давление масла и сжатого воздуха;  – к.п.д. привода (0,8). 3.7. Сушильные установки Сушильные установки используются при механизации внешнего ухода за автомобилем после моечных работ для подготовки поверхностей автомобиля перед покраской, а также для обеспечения правильного режима высыхания лакокрасочных материалов после выполнения малярных работ. Наибольшее распространение на автомобильном транспорте и в авторемонтном производстве нашли конвективные сушильные установки на основе обдува объекта воздухом, а также на основе использования терморадиационных панелей инфракрасного излучения. Конструктивно сушильная установка представляет собой закрытую камеру или проходной туннель, оборудованные вентиляционными системами, нагревательными устройствами, системой контроля и автоматического регулирования. Внутренняя рабочая ширина установки (рис.3.20), мм: (3.95) где Воб – ширина объекта мойки, мм; 300 – минимальный конструктивный зазор между объектам , воздуховодом, панелью, стенкой или ТЭНом установки. При конструировании сушильных установок для относительно легких объектов, отклоняемых потоками воздуха, конструктивный зазор можно увеличить до 500 мм. Ширина транспортных проемов камеры, мм: В = Воб +(100...200) (3.96) Ширину корпуса установки определяют после расчета и выбора схемы компоновки воздуховодов, панелей, расположенных внутри установки, поэтому на начальном этапе расчета ее принимают на 600...800 мм больше ширины объекта сушки. Рабочая высота установки, мм Нр=Ноб+hп+(200...300) (3.97) где Ноб – высота объекта сушки; hп – высота подвески объекта; 200...300 – зазор между низом изделия и полом установки или воздуховодом. Высота проема Н обычно на 100...200 мм меньше рабочей высоты установки. Длина рабочей зоны установки определяется с учетом скорости перемещения V объекта в камере: Lp=V (3.98) где  – время сушки. Время сушки обычно задается на основе нормативных данных, Конструктор при разработке сушильной установки должен обеспечить определенное значение коэффициента конвективной теплоотдачи в рабочем объеме: (3.99) где Gуд.вл – количество влаги на объектах (для плоских поверхностей Gуд.вл = 40 г/м2 , для сложных – 150 г/м2 , для особо сложных – 250 г/м2 ); свл – удельная теплоемкость влажного воздуха под объектом, Дж/(г°c);  – время сушки, час; dм – влагосодержание воздуха над объектом г/кг (dм = 88,4 г/кг при температуре объекта t°=50°C;dM=50 г/кг при 40°С; dM=28 г/кг при 30°С); dокр – среднее влагосодержание газов в сушильной установке, г/кг, dокр=0,5(dг+dвых); dг, dвых – влагосодержание соответственно горячих газов, поступающих в сушильную установку, и газов, выходящих из нее . dвых = Gуд.вл F (3.100) где F – площадь поверхности объекта;I , d0 – плотность и влагосодержание воздуха в цехе, где расположена установка. Для цехового воздуха (обычно при температуре 20°С и влажности 50%) d0= 7,4 г/кг. Влагосодержание горячих газов, поступающих в установку dг=(dвыхn+d0)/(n+1) (3.101) где n – коэффициент циркуляции газов. n =Gц/Gв.пр (3.102) Количество циркулирующих газов Gц можно найти, задавшись перепадом температур t горячего и уходящего воздуха: (3.103) где – общий технологический расход теплоты; Сц – теплоемкость циркулирующих газов. Общий расход теплоты для сушильных установок малярного цеха можно определить по формуле: , (3.104) а для сушильных установок после мойки , (3.105) где Qлкм – расход теплоты на нагрев и испарение лакокрасочного материала; Qвл – расход теплоты на нагрев и испарение влаги; Qоб – расход теплоты на нагрев объекта сушки; Qтр – расход теплоты на нагрев средств, транспортирующих объект; Qв.пр – расход теплоты на нагрев воздуха, проходящего через проем установки. (3.106) где Gлкм – масса лакокрасочного материала; cлкм – удельная теплоемкость лакокрасочного материала, cлкм=2,1Дж (кг°С); Gр – масса растворителя; q – теплота испарение растворителя. q = 377 Дж/кг; tсуш,tц – температура в сушильной камере и в цехе. (3.107) где Gвл – количество влаги. Расход тепла, на нагрев объекта (3.108) где Gоб ,cоб – масса и теплоемкость объекта сушки. Расход тепла на нагрев средств, транспортирующих объект (3.109) где Gтр,cтр – масса и теплоемкость средства. Расход теплоты на нагрев воздуха, проходящего через проем (3.110) где Gв.пр,c – масса и теплоемкость проходящего воздуха. (3.111) где hнл – высота нейтральной линии в проеме; суш, ц – плотности воздуха внутри и снаружи установки. Высота нейтральной линии для проема постоянной (по высоте) ширины, м: (3.112) Для объектов сушки, имеющих сложный рельеф поверхности (карманы, углубления и т.д.), требуемый коэффициент конвективной теплопередачи определяют по формуле: (3.113) где ,с – плотность и удельная теплоемкость объекта;  – толщина объекта; н – заданное время нагрева объекта до температуры 100°С. tноб, tкоб – начальная и конечная температуры объекта сушки; tср – средняя температура в установке, tср=0,5(tгор + tсуш ). При практическом проектировании расчет к рекомендуется провести как по формуле (3.99), так и по формуле (3.113) и для дальнейшего рассмотрения принять большее значение. В свою очередь к зависит от формы и размеров насадков, из которых происходит обдув объекта. Для круглых отверстий насадков при 2≤h/d9 и 4,5S/d10,5 (3.114) Для прямоугольных отверстий при 0,5h/b4 ; (3.115); при 40,5h30 ; (3.116) В этих формулах: d,b – диаметр и ширина насадка м; S – шаг насадков, м;  – теплопроводность воздуха, Вт(м0С); Re =Vx dэ/ – критерий Рейнольдса , dэ =4F/П – эквивалентный диаметр прямоугольного отверстия;  – кинематическая вязкость газа, м2/с; F – площадь сечений насадка, м2 ; П=2b+2l – периметр насадка; l – высота обдува); Pr – критерий Прандтля. При расчете можно принимать следующие значения: Вт/м°с; Pr =0,688; =23,6·10-6 м2/c. Расстояние h зависит от ширины объекта и зазора между объектом и насадком. Максимальное значение h=0,5 (Bоб + 300...500). Рассчитанное значение к следует подставить в одну из формул (3.114...3.116) и при предварительно принятых размерах насадка определить критерий Рейнольдса. Зная число Рейнольдса Re, можно рассчитать требуемую скорость воздуха у объекта Vх, а затем скорость воздуха при истечении из насадка V0: для круглых отверстий ; (3.17) для прямоугольных отверстий (3.18) где a – коэффициент турбулентности (для круглых отверстий (a=0,06...0,08; для прямоугольных отверстий а = 0,10...0,11); r – радиус сопла, м. Число обдувочных щелей с одной стороны объекта (3.119) где Ly – общая длина установки. Расход циркулирующих газов (м3/с или кг/с) при двустороннем обдуве: (3.120) (3.121) где  – плотность газов при температуре tср. Вентиляционную систему установки подбирают по большему из значений, определенных по формулам (3.103) и (3.121). Расчет сушильной установки с терморадиационными панелями подробно изложен в /23/. ГЛАВА 4. МОДЕРНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ Одно из основных условий, обеспечивающих высокие темпы роста производительности труда при ТО и ремонте автомобилей – постоянное совершенствование технологического оборудования. Совершенствование технологического оборудования осуществляют заменой устаревшего оборудования новыми конструкциями или путем его модернизации. Под модернизацией действующего оборудования понимают такие его изменения, которые повышают технический уровень, производительность и позволяют улучшить качество операций ТО и ТР, повысить экологическую безопасность и т.д. В зависимости от цели модернизация может быть технологической, конструкторской (ремонтной), энергетической, экологической и комплексной. Технологическая модернизация состоит в повышении уровня показателей функционирования оборудования (см.п.2.1 настоящего пособия). Эта модернизация может включать повышение степени механизации и автоматизации приспособления, вплоть до изменения принципа его действия. Например, для малярного оборудования – это замена маляра манипулятором или роботом, изменение метода нанесения лакокрасочного материала на поверхность. Конструкторская (ремонтная) модернизация связана с повышением надежности и ремонтопригодности оборудования и состоит в замене отдельных систем, элементов и деталей оборудования на более надежные и современные. Например, замена конструкции сопл моечной установки, сооружение дополнительных подхватов подъемников, усиление кронштейнов несущих конструкций оборудования и т.д. Энергетическая модернизация должна обеспечить экономию топливно-энергетических ресурсов при эксплуатации оборудования. Замена электрического и парового обогрева воздуха в сушильных установках газовым обогревом дает значительный экономический эффект. Замена нагрузочного устройства в стенде тяговых качеств, выполненного на основе асинхронного электродвигателя, на индукторное нагрузочное устройство повышает качество работы стенда и приводит к большой экономии энергии. Экологическая модернизация связана с уменьшением выхода вредных веществ в окружающую среду. Так, замена традиционных фильтров в очистных сооружениях моечных установок на электрохимические (электрокоагуляционные) позволяет значительно снизить загрязнение окружающей среды. Комплексная модернизация проводится на основе сочетания упомянутых выше видов модернизаций. Целесообразность модернизации конкретного образца технологического оборудования должна быть экономически обоснована. Как показывает практика, модернизация экономически целесообразна, если затраты на нее окупаются не более чем в 1,5...2 года, а производительность оборудования возрастает не менее чем на 20...30%. Работы по модернизации целесообразно совмещать с капитальным ремонтом этого oбoрyдoвaния. Это позволяет избежать лишних расходов, связанных с разборкой и сборкой оборудования. Модернизацию оборудования можно проводить и поэтапно в процессе эксплуатации; такой способ, несмотря на определенные трудности, весьма распространен в ДТП. Общее руководство всеми работами по модернизации осуществляет главный инженер ДТП; он утверждает техническое задание на модернизацию, план работ по модернизации и контролирует его выполнение. Техническое руководство модернизацией и непосредственное ее проведение осуществляет служба главного механика предприятия. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Быков В.П. Методика проектирования объектов новой техники: Учеб.пособие. – М.: Высш.шк., 1990, – 168 с. 2. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учеб. пособие, – М.: Машиностроение, 1988. – 368 с. 3. Биргер И.А. Расчет деталей на прочность. – М.: Машиностроение, 1966. – 616 с. 4. Керимов З.Г., Багиров С,А. Автоматизированное проектирование конструкций. – М.: Машиностроение, 1985. – 224 с. 5. Березовский Ю.Н. и др. Детали машин. – М.: Машиностроение, 1983. – 384 с. 6. Новиков М.П. Основы технологии сборки машин и механиз­мов. – М.: Машиностроение, 1980. – 592 с. 7. Новиков М.П. Основы конструирования сборочных приспособлений. – М.: Машгиз, I960. – 352.с. 8. Александров М.П. Подъемно-транспортные машины. – М.: Высш.шк., 1985. – 520 с. 9. Техническая эксплуатация автомобилей: Учебник для вузов /E.С.Кузнецов, В.П.Воронов, А.П.Болдин и др.; Под ред. E.С.Кузнецова. – М.: Транспорт, 1991. – 413 с. 10. Афанасиков Ю.И. Проектирование моечно-очистного оборудования авторемонтных предприятий. – М,: Транспорт, 1987. – 174 с. 11. Мирошников Л.В. и др. Диагностирование технического состояния автомобилей на автотранспортных предприятиях. – М.: Транспорт, 1977. – 263 с. 12. Совершенствование средств диагностирования тягово-экономических показателей: Учеб.пособие /А.М.Харазов, В.С.Гернер, В.А.Зарецкий. – М.: Высш.шк., 1990, – 63 с. 13. Селиванов С.С., Иванов Ю.3. Механизация процессов технического обслуживания и ремонта автомобилей. – М.: Транспорт, 1984. – 198 с. 14. Беляев Н.М. и др. Пневмогидравлические системы. Расчет и проектирование. – М.: Высш.шк., 1988. – 271 с. 15. Ансеров М.А. Приспособления для металлорежущих станков. Расчеты и конструкции. – М.– Л.: Машиностроение, 1964. – 652 с. 16. Кирсанов Е.А., Мелконян Г, В. Механизация уборочно-моечных работ в автотранспортных предприятиях: Учебное пособие. – М.: МАДИ, 1989. – 99 с. 17. Ременцов А.Н., Кирсанов Е.А. Механизация производственных процессов в автотранспортных предприятиях. – М.: МАДИ, 1984. – 89 с. 18. Кирсанов Е.А., Панкратов Н.П., Ременцов А.Н. Механизация производственных процессов в АТП (механизация подъемно-осмотровых и смазочно-заправочных работ). – М.: МАДИ, 1986 . – 99 с. 19. Малюков А.А. Методика расчета оборудования для диагностики тормозной системы подвижного состава автомобильного транспорта. – М.: ЦБНТИ Минавтотранса РСФСР, 1976. – 42 с, 20. Харазов A.M., Цвид С.Ф. Методы оптимизации в технической диагностике машин. – М.: Машиностроение, 1983. – 132с, 21. Кудин О.Б. Выбор и обоснование конструктивных параметров стендовой проверки тяговых качеств трехосных автомобилей. Дисс.канд.техн.наук., Киев, 1987. – 212 с. 22. Кожемякин А. Исследование процессов струйной мойки грузовых автомобилей. Дисс.канд.техн.наук., – М., 1966. – 120с. 23. Мячин В.А. Шабельский В.А. Конструирование оборудования окрасочных цехов. – М.: Машиностроение, 1989. – 184 с. 24. Колчин А.В. Датчики средств диагностирования машин. – М.: Машиностроение, 1984, – 120 с.' 25. Рыбальченко Ю.И. Магнитоупругие датчики крутящего момента. – М.: Машиностроение, 1981. – 128 с. 26. Электроизмерительные устройства для диагностики машин и механизмов /Р.С.Ермолов, Р.А.Ивашев, В.К.Колесник, Г.Ф.Морозов. – М.: Энергия, 1979. – 128 с. ОГЛАВЛЕНИЕ введение 3 ГЛАВА 1 ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОЗАНИЯ 4 1.1 Понятие о проектировании, конструировании и разработке 4 1.2 Стадии разработки 6 1.3 Прогнозирование и информационное обеспечение процесса разработки 9 1.4 Поиск технических решений 15 ГЛАВА 2 ОСНОВЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 21 2.1 Требования к разрабатываемому объекту и критерии проектирования 21 2.2 Постановка задачи оптимального проектирования 25 2.3 Методы решения оптимального проектирования 27 2.4 Решение задач многокритериальной оптимизации 31 ГЛАВА 3 Особенности проектирования и расчета техноло­гического оборудования 33 3.1 Оборудование для уборочно-моечных работ 33 3.2 Оборудование для подъемно-осмотровых и подъемно-транспортных работ 41 3.3 Оборудование для разборочно-сборочных и крепежных работ 48 3.4 Смазочно-заправочное оборудование 55 3.5 Стенды для диагностирования автомобилей 58 3.6 Пневматический и гидравлический привод технологического оборудования 72 3.7 Сушильные установки 78 ГЛАВА 4 МОДЕРНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 83 Библиографический список 85