机电系统设计第一章

1机械系统设计主讲教师：机电工程学院2机械系统设计1.教材、参考书2.学习的主要内容3.课程简介4.教师简介31.教材、参考书教材：朱龙根主编.《机械系统设计》（第2版），机械工业出版社，2002,10.参考书：1)赵韩等编著.《机械系统设计》，高等教育出版社，2005.2)胡胜海主编.《机械系统设计》，哈尔滨工业大学出版社，1997.3)陈如恒，沈家骏编著.《钻井机械的设计计算》，石油工业出版社，1995.4）彭鸿才编著.《电机原理及拖动》，机械工业出版社，1996.42.学习的主要内容第一章绪论第二章机械系统的方案设计与总体设计第三章机械系统的载荷特性和动力机选择第四章系统设计的基本原理第五章传动系统设计第六章操纵系统设计第七章控制系统设计第八章机械系统的噪音及控制第九章机械基础设计53.课程简介：这门专业课是一门限选课程。通过本课程的学习，使学生能从整机的角度和系统的观点了解一般机械产品的规律和特点，扩大机械机构知识，增强机械设计能力，掌握机械产品设计的基本方法和技术，培养学生具有开发设计性能良好的和具有市场竞争力的机械产品的初步技能。在学习本课程之前，必须修完机械制图、理力、材力、机械原理、机械设计、电工电子学、液压与气动等。学完本课程后，应达到下列要求：1）基本掌握机械系统的设计特点和一般设计过程；2）掌握机械系统的方案设计及总体设计方法，并能够进行简单机械的设计；3）能为机械系统正确地选配动力机组；4）能正确地进行传动系统的设计；5）能合理地进行操纵系统的设计；6）能初步掌握机械系统控制的特点和设计方法；7）了解机械系统的噪音及控制；8）能够对一般机械基础进行设计。64.教师简介成绩评定：平时成绩占30%，期末成绩占70%。7第一章绪论由于不同行业的机械设计，特别是整体和整系统的机械设计，要依附于各相关的产业技术，例如农业机械、矿山机械、纺织机械，汽车、船舶、飞机、机床等除了具有共性的机构和技术外，还具有各行业的特点，我们在学习这门课时，尽可能以各类机械的共同结构为例，并尽可能结合石油机械（因为大部分同学为石油服务）概括机械设计的一般规律和方法。当然，如果同学们仅指望“机械系统设计”这一门课就掌握机械设计的真谛，就能完成一个机械系统的设计那是不可能的，还需通过毕业设计和工作实践来不断充实、提高自己。8主要内容§1-1机械与机械系统§1-2机械系统设计的任务§1-3机械系统设计方法概述学习方法建议本章在教师讲解的基础上，学习教材。对某些基本概念和关键术语要正确理解。9§1-1机械与机械系统一﹑系统的概念二、系统的组成三、现代机械的功能要求10首先我们看一下什么是系统。一﹑系统的概念人们在长期的社会实践中认识到，客观事物是复杂的，相互关联的，要准确并且科学地把握和研究某一事物，除了必须研究和分析这个事物本身的特性及其发展规律外，还必须研究这个事物与周围相关事物之间的联系和作用，这样就逐渐产生了系统的思想。这样我们就可以得到系统的定义。系统指的是具有特定功能的，相互间具有有机联系的许多要素构成的整体。一般认为，由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都可以看作一个系统。一个大的系统可有若干个小的系统组成，这些小的系统称为子系统，子系统可由更小的子系统组成，系统本身也可以是别的更大系统的组成部分。如人—机—环系统。11此外，系统还具有以下四个特征：1）整体性。它是系统所具有的最重要和最基本的特征。它包括两层含义：a.组成系统的各要素（各子系统）都具有特定的功能和目标，但它们结合时必须服从整体功能的要求，相互间要协调、适应。通常一个要素单看起来并不完善，但如果它能与其它相关要素很好地协调一致，可使整个系统具有满意的功能。例如：燃气热水器。一个热水器的主体是无法进行工作的，它还必须与进气管线，进水管线相配合才能工作，并且配合要合理，否则，不是不安全，就是进水、气管太细，火太小，水不热，影响正常工作。b.另一方面，系统的整体性还表现在组成系统的各要素之间的有机联系上，即系统是不可分割的，不能把一个系统分割成相互独立的子系统。也就是说不能热水器是热水器，管道是管道，当然为了研究问题的方便，可以把一个大系统分成若干个子系统，分割后的子系统不独立。122）相关性。系统内部各要素之间相互关联，相互影响，形成有机联系。某一要素性能的改变将影响其对相关要素的作用，从而对整体系统产生影响。3）目的性。系统的组合都是为了达到某一目的，并且常常是多个目的。4）环境适应性。任何一个系统都存在于一定的环境中，它们与环境进行能量和信息方面的交换，且必须适应环境的变化。二、系统的组成一个完整的机械系统应该由以下四个子系统组成：动力、传动、执行以及控制这几个系统工作的操纵控制系统组成，它们之间的关系可由下图表示：13系统边界另外，有些机械还包括有润滑，计数，行走，转向系统。系统的分类没有固定的模式，不同行业的机械系统分类方法不同，下面举例说明一下。例如在机加工系统中，一般按其通用化和自动化程度来分，有这么几种分类法：传动系统执行系统动力系统操纵系统和控制系统141）按机床数量划分，有单机床加工系统、多机床加工系统，如流水生产线。2）按通用化程度分，有通用机床加工系统，专用机床加工系统，组合机床加工系统，混合型机床加工系统。3）按自动化程度分，有普通机床加工系统，数控机床加工系统，自动生产线系统，柔性生产系统，集成制造系统，即CAD/CAM或CIMS。对于我们石油钻井系统来说，可以有这样的分类方法。1）按钻井环境划分，有普通陆地钻井系统，沙漠钻井系统，海洋钻井系统，海滩及沼泽钻井系统。2）按旋转钻井划分，有转盘钻井系统，井下动力钻井系统，柔性钻井系统。3）按自动化程度划分，有普通转盘钻井系统，顶部驱动钻井系统，液压、液控全自动钻井系统。15三、现代机械的功能要求现代机械产品的功能要求非常广泛，不同机械其工作要求，追求目标和使用环境不同，其具体的功能要求也有很大差异。比如，钻机绞车，它是用来起下钻柱的，它的基本功能要求就有起下钻柱、悬持钻柱，它的性能参数主要就是起重量、线速度；而钻盘是用来旋转钻柱的，它的基本功能要求是旋转钻柱，承接钻柱，承受反扭矩，它的性能参数主要有扭矩，转速。如果将各类机械的功能要求归纳起来，大体可分为以下9个方面。1）运动要求：具体包括速度、加速度、转速、调速范围、行程、运动轨迹以及运动精确性等。2）动力要求：功率、扭矩、力等。3）体积和重量要求：尺寸、重量、功率重量比。164）可靠性和寿命要求。5）环保要求：噪音、振动、防尘、防毒及“三废”的排放和处理。6）安全性要求：强度、刚度、热力学性能、摩擦学性能、振动稳定性、系统工作安全性，操作人员的安全性。7）经济性要求：指设计、制造经济性，使用、维修的经济性。8）产品造型要求：外观、色彩。9）其它要求：不同机械还会有一些特殊要求，如精密机械要求能长期保持其精度并有良好的防振性，经常搬动的机械要求安装、拆卸、运输方便；食用机械、药品机械要求不污染被加工的产品。以上是关于机械与机械系统的一些概念，那么机械系统设计的任务是什么呢？17§1-2机械系统设计的任务一、合理确定系统功能二、提高可靠性三、提高经济性四、保证安全性18大家知道，机械系统设计的最终目的是为市场提供优质高效，价廉物美的机械产品以便在市场竞争中取得优势，赢得用户，并取得较好的经济效益，而这一切都取决于设计、制造和管理的综合水平。其中产品设计是关键，因为没有高质量的设计，就不可能有高质量的产品；没有经济观点的设计人员，也绝对不可能设计出经济性好的产品。据统计，产品质量事故中，约50%是设计不当造成的；产品的成本60—70％取决于设计。在进行机械系统设计时，除一般零件设计注意的问题外，还要特别强调和重视系统的观点。机械系统设计的任务，概括起来，包括如下四个方面。一、合理确定系统功能一项产品的推出总是以社会需求为前提，社会不需要，你生产它也毫无意义；而社会需求是变化的，不同时期，不同地点，不同社会环境就会有不同的市场行情和要求。19比如黑白电视、彩色电视、大屏幕数字电视等，不同发展时期，需求是不同的；同一时期，不同区域的需求也是不同的，如城市和农村。因此，设计人员应牢固树立市场观念，以社会需求作为最基本的出发点。根据价值工程原理，产品的价值用V表示，它等于产品的总功能F与成本C的比值，即CFV/来表示。由这个公式，我们可以推断出提高产品价值的主要途径，共有5种：1）增加功能，成本不变，从而提高产品的价值和竞争力。2）功能不变，成本降低。3）增加一些成本以换取更多的功能。4）降低一些功能以使成本降低更多。5）增加功能，降低成本。20这里，最后一种最理想，但也最难达到，它依赖于新技术、新工艺、新材料的发展。另外，设计人员在进行市场调研确定系统功能时，还必须注意潜在产品的发展动态及其竞争力的调查，这里所说的潜在产品是指那些功能相当，但形式不同的产品，如同为井下动力钻具，螺杆钻具的发展就是涡轮钻具的潜在竞争者。同时还要注意到需求有两种：一种为显性需求，即人们都了解的那种需求；另一种为隐性需求，即人们还未意识到，但客观存在的那种需求。设计人员不仅仅改进那些显性需求产品，更重要的是开发那些隐性需求产品。二、提高可靠性可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，是研究系统发生故障或失效原因及预防措施的一门技术。目前可靠性技术已开始用于机械系统设计中。211、可靠度)(tR：指系统在规定的条件下和规定的时间内无故障地完成规定功能或不发生失效的概率。2、失效概率)(tF：指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能时发生故障或失效的概率。3、失效率)(t：指系统工作到某一时刻后，在单位时间内发生故障或失效的概率。4、平均无故障工作时间MTBF:指系统使用寿命期内的某段观察期间累积工作时间与故障次数之比，是用于衡量可修复系统的可靠性指标。5、失效前平均工作时间MTTF：指发生故障后不能修复的系统，从开始使用直至失效的平均工作时间。对于不同的系统可以根据其不同的特点或习惯采用合适的可靠性指标。22提高机械系统可靠性的措施有以下几种方法：1、分析失效，查找原因机械系统工作时难免发生故障或失效，如果能在研究和设计阶段对可能发生的故障或失效进行预测和分析，掌握原因，并采取相应措施，则系统的失效率就会降低，可靠性就会提高。2、把可靠性设计到另部件中去系统的可靠性是由零部件的可靠性来保证的，只有零部件的可靠性高，系统的可靠性才能高。不过要注意，这并不是说全部零部件都要有高的可靠性，只是那些对系统可靠性有关键影响的，通常也是系统重要环节的零部件必须保证其可靠性，而一些不太重要的零部件可以降低可靠性。例如，照明灯泡与信号灯泡的选用。3、提高维修性23维修性是指在规定的条件下和规定的时间内按规定的程序和方法进行维修时，保持和恢复系统功能的能力。因此，维修性可看作是维护系统可靠性的能力。提高维修性也就提高了可靠性。任何一个系统在使用过程中都不可避免的发生故障。故障率曲线的形状有些象浴盆，所以也称为浴盆曲线。由曲线可见，初期故障率较高，这主要是由于系统中一些寿命比较短，可靠性比较差的零部件引起的，或者是设计不合理，制造、装配不合适引起的，通过改进、调整、跑合，可以减小初始故障率。2425初期故障阶段结束后，系统进入正常运行期，这时故障率最小也最稳定，系统只是由于操作不当，运行条件突然变化，零部件偶然缺陷引发偶然故障。随着时间的推移，系统中的零部件会磨损、疲劳、老化，故障率会显著上升，这时的故障为磨损故障。这一时期，系统效率降低，生产率下降，正常使用寿命即得终结。如果在正常运行期就能进行良好的维修，及时更换磨损、疲劳、老化件，则系统使用寿命就可以延长，如图中虚线所示。维修应该在设计阶段就考虑，设计的系统应易于检查和发现故障，便于维修，对易损件尽量做成独立部件或采用标准件，并设计成容易拆卸和更换的结构。4、简化结构，提高标准化程度。三、提高经济性提高经济性包括以下两方面的内容:2627（一）提高设计和制造