机械系统考试课件

1 本 章 提 要 l系统的概念和特性l机械系统的组成l现代机械的功能要求l机械系统设计的任务l机械系统的设计方法2系 统 思 想人们在实践中已经认识到我们面对的世界是复杂的，我们面对的任何事物都不是孤立的，而是同周围事物有着许许多多各种各样的联系。因此为准确而科学地把握和研究某一事物，除必须研究和分析该事物本身的特性和发展规律外，还必须研究和分析该事物与周围其他相关事物之间的联系和作用。功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成3系 统 实 例交 通 系 统交通管理道路驾驶员和车交通车流和路人气象功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成4系统的定义“系统”是对世界上一切事物和现象的共性 系统性的高度概括。具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素构成的一个整体。一般认为，由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都可看作是一个系统。功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成5系统的功能和结构系统结构是指系统内部各要素相互联系的方式和作用秩序。功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成系统功能是指系统对外部环境联系的效能和有利作用。特定功能具有有机联系的多要素系统 子系统 更小子系统系统结构具有层次性：6机 械 系 统机械零件组成机械系统的基本要素。由若干装置、部件和零件按一定规律和结构形式组成，能完成机械能的利用或转换等特定功能的系统。功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成机械部件机械系统中由若干部件和零件按一定规律和结构形式组成，能完成某些特定功能的子系统。机械系统是 人机环境 这个更大系统的组成部分。具有特定功能的许多要素构成的相互间有有机联系的7 系统的基本特性功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成整体性相关性目的性环境适应性8 系统的基本特性 各要素都服从整体功能的要求，不要求所有的要素都具有完美性能，但与其他相关要素能很好地统一协调。系统的优劣取决于整体功能，必要时可以削弱要素的功能以维护整体功能。各要素都服从整体功能的要求，各要素之间保持有机联系的性质，是系统所具有的最重要和最基本的特性。功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成整体性相关性目的性环境适应性 整体性 各要素之间不是松散的而是密切联系的，为便于研究常按照这种联系的密切程度将系统分解成子系统。但分解不是分割，子系统之间的联系不可忽略。9 系统的基本特性特定结构关系包括要素之间的输入输出关系、要素间的层次联系、要素的排列组合形式等。系统内部各要素之间的相互作用、相互影响而形成特定结构关系的性质。功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成整体性相关性目的性环境适应性 相关性当某一要素的功能或性能改变时，将通过结构关系影响相关要素，进而影响整个系统。当系统的结构关系改变时，他们的作用和影响将发生改变，也将影响系统整体功能。10 系统的基本特性系统存在的目的是实现系统特定的功能。实现系统特定功能的性质。功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成整体性相关性目的性环境适应性 目的性组成系统的要素和结构都对系统的功能有影响，但要素或结构都不相同的系统也可能会有相同的功能。功能具有多解性。11 系统的基本特性外部环境的变化会导致系统的输入发生变化，会产生干扰，引起系统功能的变化。排除外部环境的各种变化和干扰的影响，保持系统特定功能的性质。功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成整体性相关性目的性环境适应性 环境适应性外部环境总是不断变化的，因此系统总是处于动态过程中，稳态过程只是相对的、暂时的。12 系 统 的基 本 特 性功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成整体性相关性目的性环境适应性整体性各要素都服从整体功能的要求，各要素之间保持有机联系的性质，是系统所具有的最重要和最基本的特性。相关性系统内部各要素之间的相互作用、相互影响而形成特定结构关系的性质。目的性实现系统特定功能的性质。环境适应性排除外部环境的各种变化和干扰的影响，保持系统特定功能的性质。13 机械系统的组成动力系统系统边界此外还有润滑系统、（行走系统、转向系统）功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成传动系统执行系统操纵系统和控制系统14 机械系统的组成动力系统功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成传动系统执行系统操纵系统和控制系统动力系统为机械系统提供工作动力的部分。由动力机及其配套装置组成。执行系统利用机械能改变作业对象的性质、状态、形状、位置，或对作业对象进行检测、度量及实现其他作业要求的部分。传动系统将动力机的动力和运动传递给执行机构的中间装置。15 机械系统的组成动力系统功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成传动系统执行系统操纵系统和控制系统操纵系统 通过人工操作改变系统运行状态。控制系统 从人工操作或测量元件获得控制信号，由控制器实现控制。操控系统使各子系统彼此协调运行,并准确可靠地完成整机功能的部分。16起重机的功能要求功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成现代机械的功能要求非常广泛，不同机械有不同的工作要求、工作目标和使用环境，其具体功能的要求有很大差异。17起重机的功能要求作业过程：起吊移位下降卸料返回或移往新的起吊地点功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成升降水平移动起动和制动换向物料抓取定位和操纵安全性可靠性稳定性操纵性环境适应性经济性起升重量起升高度起升速度移位速度生产率作业范围基本功能：功能指标：18机械和零部件执行功能的可靠性、零部件耐磨性、使用寿命。速度、加速度、转速、调速范围、行程、运动轨迹、运动的精确性强度、刚度、热力学性能、摩擦学特性、振动稳定性、系统工作和操作人员安全性。现代机械的功能要求t 运动要求t 动力要求传递的功率、转矩、力、压力外形、尺寸、功率质量比t体积和重量要求t可靠性和寿命要求t安全性要求功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成19现代机械的功能要求t 运动要求t 动力要求t体积和重量要求t可靠性和寿命要求t安全性要求功能要求1-1 机械与机械系统概 念组 成t 经济性要求t 环境保护要求t产品造型要求t其他要求设计和制造的经济性使用和维修的经济性噪音、振动、防尘、防毒、“三废”的排放和治理。外观、色彩、与环境的协调性。精密机械防振户外机械的防护、防腐和密封食品、药品机械的防止污染是机械设计的重要依据20机械设计的最终目的为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势、赢得用户，并取得较好的经济效益。设计任务市 场来源于满 足1-2 机械系统设计的任务21机械设计的任务产品质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计是关键。据统计，产品质量事故50源于设计不当，产品成本6070取决于设计。从系统观点出发合理确定系统功能提高可靠性提高经济性保证安全性1-2 机械系统设计的任务22从系统观点出发采用内部设计和外部设计相结合的设计方法。1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能内部设计：指机械系统本体的设计，包括总体设计、工作图绘制和编写技术文件。外部设计：对市场和机械之间相互作用和影响的研究和分析，包括市场对机械的要求和约束条件、机械产品对市场的影响。23从系统观点出发采用内部设计和外部设计相结合的设计方法。1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能在满足系统整体工作状态和性能最好的条件下，确定各零部件的基本要求和相互的协调统一。不应片面地以零部件的特性为重点。市场要求：功能、价格、销量、质量、工期、外观市场约束：资金、材料、技术、信息、使用环境、售后服务、法律和政策等对外部环境的影响：市场供求和竞争对手的影响，对环境、操作人员和周围其他人员的影响。充分了解外部环境对机械的作用和影响，如市场的要求和约束。也不忽视机械对外部环境的影响。24合理确定系统功能确立市场观念，以社会需求和为用户服务为最基本的出发点。所谓需求，就是对功能的需求。1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能保证基本功能满足使用功能剔除多余功能增添新颖功能恰到好处地利用外观功能功能满足市场需求的产品属性。25功能（按性质区分）1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能用户直接要求的功能，体现了产品存在的基本价值。为实现基本功能而附加在产品上的功能，是实现基本功能的手段。基本功能辅助功能根据功能的多解性原理，为实现同一基本功能可采用不同的辅助功能，辅助功能不同则技术方案也不同，甚至有根本差别。保证基本功能满足使用功能剔除多余功能增添新颖功能恰到好处地利用外观功能26基本功能 直线移动 可采用方案1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能曲柄滑块机构齿轮齿条机构螺旋机构气、液压缸直线电机曲柄滑块机构的辅助功能曲柄转动（曲柄回转支承、回转运动输入）（次级功能）（导向方式、导向间隙调整）（曲柄连杆滑块的连接、连杆平衡）滑块导向曲柄滑块连接27基本功能 直线移动 可采用方案1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能曲柄滑块机构齿轮齿条机构螺旋机构气、液压缸直线电机辅助功能群包含有大量的辅助功能和次级功能，应该都是必要功能。如设计不周常会含有多余功能，如强度过剩、精度过高、多余约束、寿命过长等。曲柄滑块机构的辅助功能（次级功能）曲柄转动（曲柄回转支承、回转运动输入）（导向方式、导向间隙调整）（曲柄连杆滑块的连接、连杆平衡）滑块导向曲柄滑块连接28功能（按需求的类别区分）1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能满足用户直接使用要求的功能，属于必要功能，体现了产品实际的使用价值。在使用功能的基础上对产品起美化和装饰作用的功能，具有增加产品竞争力和吸引顾客的作用。使用功能外观功能外观功能应服从使用功能。注意有些产品不要求外观功能。保证基本功能满足使用功能剔除多余功能增添新颖功能恰到好处地利用外观功能29提高价值 V 的五种途径：F ，C不变F不变，C F ，C F，C F ，C产品的功能产品的成本机械系统的价值原理产品的价值1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能产品功能与技术、经济等因素密切相关。30提高可靠性1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能失效 规定功能的丧失故障 可修复的功能失效规定条件考核时的使用条件和环境条件，包括载荷状况、工作制度、应力水平、温度、湿度等。可靠性产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，是衡量产品质量的一个重要指标。规定时间考核时间，包括运行时间、应力循环次数、汽车行驶历程等。规定功能考核的目标功能。31可靠性指标其中 0 R(t),F(t)1 F(t)R(t)=1发生失效的概率失效概率 F(t)规定的条件下在规定时间内完成规定功能时不发生失效的概率可靠度 R(t)工作时间 工作时间 故障次数工作某一时刻后单位时间内发生失效或故障的概率失效率 (t)（故障率）1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能常用单位：1%/(103h)、1%/(106h)、1%/(109h)平均无故障工作 时间 (MTBF)可修复产品失效前平均工作 时间 (MTTF)不可修复产品有效度 A(t)可修复产品正常工作时间 总时间在使用寿命期内某段观察期间累计工作时间同故障次数之比开始使用至失效的平均工作时间在规定的使用和维修条件下在规定时间内维持规定功能的概率32提高机械系统可靠性的措施实践表明，机械系统的可靠性是由设计决定的，制造、管理等其他阶段的工作只是起保证作用。提高系统可靠性的最有效方法是可靠性设计。1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能可靠性设计条件不具备时的措施：t失效预测和分析 t零部件可靠性设计 t提高维修性 t简化结构，提高标准化程度需要作基础性工作，了解影响可靠性的设计变量（随机变量）的分布特性和数据，建立从研究、设计、制造、试验直至管理、使用、维修、评审的整套可靠性计划。331-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能对可能发生的故障或失效进行预测和分析对现有产品的失效实例进行广泛的调查研究对关键零部件采用可靠性设计。在正常运行期间进行良好的维修，及时更换磨损、疲劳和老化的零件。t失效预测和分析 t零部件可靠性设计 t提高维修性 t简化结构，提高标准化程度维修性在规定条件下和规定时间内按规定的程序和方法进行维修时，保持和恢复系统功能的能力。是维护系统可靠性的能力。341-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能对可能发生的故障或失效进行预测和分析对现有产品的失效实例进行广泛的调查研究对关键零部件采用可靠性设计。在正常运行期间进行良好的维修，及时更换磨损、疲劳和老化的零件。结构简单的、标准化生产的零部件往往工艺性较好，容易保证制造和装配的质量。t失效预测和分析 t零部件可靠性设计 t提高维修性 t简化结构，提高标准化程度35故 障 率 曲 线 初期故障偶发故障耗损故障维修后零部件可靠性,设计或装配不当操作不当,条件突变，过载零部件磨损、疲劳、老化功能寿命1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能故障率t设计故障率维修性失效分析零部件可靠性简化结构标准化36寿命周期成本 LCC 指产品从计划、设计、制造、使用直至报废的整个寿命周期内所花费用的总和。提高经济性1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能设计制造方生产成本使用方使用成本直接成本间接成本运行成本维修成本研究设计、材料采购、加工装配等与生产直接有关的各项成本管理、销售、广告、保险、福利和奖励等非直接生产环节支出的分摊的成本动力消耗、材料消耗、人员工资及工资附加费等经济性产品取得经济效果的能力，以寿命周期成本低为目标。37提高设计和制造的经济性降低生产成本，减少物资消耗，缩短生产周期。1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能设计措施合理确定可靠性要求和安全系数贯彻标准化采用新技术改善零部件结构工艺性采用经济的技术要求38采用可靠性设计可使产品设计得更合理、更经济，系统越复杂优越性越明显。比如齿轮设计和轴承选用。提高设计和制造的经济性 合理确定可靠性要求和安全系数1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能可靠性结构工艺性标准化新技术技术要求根据产品的重要程度、工作要求、维修难易和经济性要求等多方面因素综合考虑。合理确定当可靠性要求不高或可靠性设计条件不具备时，常采用安全系数法，将设计参数视为确定值进行设计。许用应力 =sn 计算应力计算安全系数 n 设计安全系数nca=n nn n2 239提高标准化程度和水平，有利于加快产品开发速度，缩短生产技术准备时间，节约原材料，提高产品质量、可靠性和劳动生产率，改善维修性，直接提高产品的质量和经济性。提高设计和制造的经济性 贯彻标准化1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能可靠性结构工艺性标准化新技术技术要求标准化是对重复性事物和概念加以简化、统一的一项技术措施，是组织现代化大生产的重要手段，是实施科学管理的重要基础，也是国家的一项重要法规。包括质量标准化，品种规格系列化，零部件通用化。40提高设计和制造的经济性 采用新技术1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能可靠性结构工艺性标准化新技术技术要求随着科学技术不断发展，各种新技术（包括新产品、新方法、新工艺、新材料）不断涌现。工程塑料广泛用于家电和仪表的外壳，美观、价廉、易成形、绝缘性能好。非线性磁性材料用于加热控温，价廉、可靠。陶瓷发动机绝热、耐磨、耐高温。自攻螺钉使用方便。41提高设计和制造的经济性 改善零部件结构工艺性1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能可靠性结构工艺性标准化新技术技术要求工艺性 能否和便于加工装配的特性,主要体现在结构设计中。不同的工艺方法有不同的结构工艺性要求。良好工艺性有利于减小加工工时，提高生产率，缩短生产周期，降低材料消耗和生产成本，提高产品质量。42在保证质量和性能要求的条件下，应尽量降低技术要求，使之容易制造，减少不合格品数量，降低成本，提高经济性。提高设计和制造的经济性 采用经济的技术要求1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能可靠性结构工艺性标准化新技术技术要求常用技术要求包括精度等级和公差、表面粗糙度、材料的力学性能等。外圆尺寸偏差的经济精度：粗车：7-8级，精车：5级经济表面粗糙度：12.5、6.3、3.2、1.6常用钢材：Q235、45常用型材：角钢、槽钢、圆管、方管43提高使用和维修的经济性充分考虑使用者的经济效益。1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能提高产品的效率合理确定经济寿命提高维修的经济性设计措施44机械设备效率提高使用和维修的经济性 提高产品的效率1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能提高效率维修经济性合理寿命能耗低，省电、省油、省煤等；产品的效率传动的结构形式、运动副的表面工作状态、摩擦润滑状况、润滑剂种类、润滑方式和工作条件等。机构类型、机构参数等。传动系统执行系统对属于生产资料的机械设备还要提高生产率，提高原材料的利用率，降低物耗。45提高使用和维修的经济性 合理确定经济寿命1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能提高效率维修经济性合理寿命故障率曲线表明，机械系统正常运行的寿命是可以延长的，但必须以相应的维修为代价。维修后功能寿命故障率t设计故障率使用寿命越长，系统性能下降越多，效率越低，相应的使用费用越高，使用经济性越低。46提高使用和维修的经济性 合理确定经济寿命1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能提高效率维修经济性合理寿命设备更新原因功能寿命：开始使用 主要功能丧失而报废。设备更新的最佳时间由经济寿命确定。机械性能下降，维修的经济性越来越差；技术落后新设备问世；新的生产要求，如规模扩大，品种变更。技术寿命：开始使用 技术落后而淘汰。经济寿命：开始使用 经济效益变差。良好维修可延长功能寿命。适时的技术改造可延长技术寿命。适时的技术改造和良好维修可延长经济寿命。47提高使用和维修的经济性经济寿命的计算1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能提高效率维修经济性合理寿命设备低劣化法是最简单的近似计算方法。K0原始价值 低劣化数值每年增大值T年内的年平均低劣化数为低劣化设备由于使用、磨损，维修费、燃料动力费与停工损失费用逐步增加，使成本逐年上升的现象。第n年的低劣化数为n 2 T TT12=T年内的平均总费用T12y=K0TdydT令 =02K0 得经济寿命 Tr=48提高使用和维修的经济性 提高维修的经济性1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能提高效率维修经济性合理寿命维修原则：以尽可能少的维修费用换取尽可能多的使用经济效益。定期维修方式不太重要或总价值不太高的产品可设计成免维修。根据经验和统计资料确定维修周期，定期更换或修复易损件。有利于减少停产损失，缩短维修时间，保证维修质量，但由于存在盲目维修总费用较高。采用故障诊断技术，对主要零部件的特性值作实时检测，发现故障征兆时更换或修复。提高系统的有效运行时间充分利用零部件的功能潜力，减少盲目维修，但诊断设备贵重。按需维修方式49保 证 安 全 性t机械系统执行预期功能的安全性t人机环境系统的安全性 l 劳动安全(劳动者安全健康)l 环境保护(人类生存环境)1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能50机械系统执行预期功能的安全性指机械系统运行时本身的安全性，如满足必要的强度、刚度、稳定性、耐磨性等。为避免意外，常设置过载保护、安全互锁等装置。1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能系统安全环境保护劳动安全如 在传动链中设置安全离合器和安全销。离合器和制动器应具有连锁结构。51机械系统执行预期功能的安全性离合器和制动器应具有连锁结构。可采用机械或液压的方法实现连锁。离合和制动不能同时接合。1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能系统安全环境保护劳动安全离合器制动器离合器制动器52劳 动 安 全机械系统必须更好地适宜于人体的各种体能特点和要求，便于操作和使用，安全可靠，舒适宜人，保护劳动者的安全和健康。1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能系统安全环境保护劳动安全设计措施安全保护装置安全保护设施光电式自动安全保护装置 连锁的自动安全保护装置 防护罩、防护盖、隔离板警示标记，急停开关53光电式自动安全保护装置 一旦人体或其他物体误入操作危险区，光束受阻发出电信号，由控制线路使机械停止运转或发出报警信号，实现自动安全保护。1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能操作危险区光源光敏管光源光敏管反光镜操作危险区系统安全环境保护劳动安全54联锁的自动安全保护装置合盖电机可得电偏心轮M+安全盖粉碎机电动机1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能自保持回路系统安全环境保护劳动安全55联锁的自动安全保护装置合盖电机可得电偏心轮M+粉碎机电动机1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能自保持回路机盖电机连锁开盖电机失电56开盖电机失电联锁的自动安全保护装置偏心轮M+安全盖电动插销粉碎机电动机延时继电器电机失电1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能自保持回路合盖电机可得电机盖电机连锁停机延时拔销继电器延时得电拔销57电液联锁安全保护门装置开门时凸轮换向阀截止，切断合模阀的驱动油路将合模油缸锁住。1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能系统安全环境保护劳动安全凸轮换向阀合模油缸合模换向阀安全保护门开 关58劳 动 安 全为保证安全生产，对高速机械、重要及容易出事故的设备的设计：1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能系统安全环境保护劳动安全应考虑发生事故时必须能方便、迅速地而无危险地实施紧急制动或脱开与动力装置的连接。应在各操作点配备足够数量的紧急事故开关，通常为红色，并具有特别的形状。59环境保护环境保护是国家可持续发展战略的重要组成部分。随着工业技术的发展，降噪和减振已经作为环境保护的重要内容而日益受到重视。1-2 机械系统设计的任务系统观点可靠性 经济性 安全性合理功能系统安全环境保护劳动安全三废(废水、废气、废渣)的治理防尘、防毒、防暑采光采暖通风 放射防护噪声和振动防护60机械系统设计的最终目的为市场提供优质高效、价廉物美的急需产品，在市场竞争中取得优势、赢得用户，并取得较好的经济效益。1-2 机械系统设计的任务 只有明确机械系统设计的任务，从系统观点出发，合理确定系统功能，提高可靠性，提高经济性，保证安全性，才能更好地实现我们的预期目标。61机械系统设计方法机械系统的设计是一项很复杂的工作，我们要了解机械系统设计的过程和特点，掌握系统分解和系统分析等常用、有效的设计方法。1-3 机械系统设计方法概述62本 章 回 顾系统的概念和特性机械系统的组成现代机械的功能要求机械系统设计的任务机械系统的设计方法从系统观点出发合理确定系统功能增强可靠性提高经济性保证安全性系统的 4 个特性4 个主要子系统9 项主要功能要求