Ví dụ về thiết kế hệ thống giàn thử tải (bản thầy gửi)

Ví dụ thiết kế hệ thống giàn thử tải Thiết kế concept Bước 1: Làm rõ nhiệm vụ thiết lập danh sách u cầu Ví dụ mơ tả phát triển giàn thử tải Giàn thử nghiệm sử dụng để khảo sát độ bền kết nối trục-trung tâm chịu tải trọng xung lực với mô-men xoắn xác định trước, áp dụng đơn lẻ liên tục Trước thiết lập danh sách yêu cầu, câu hỏi sau phải trả lời: • Tải xung nghĩa gì? • Mơmen cản xảy máy điện quay thực tế? • Các phép đo ứng suất hữu ích cho kết nối có khóa? Để trả lời hai câu hỏi đầu tiên, đặc điểm biến thiên mômen-thời gian máy phay, máy truyền động cầu trục, máy nông nghiệp máy ép cán thu từ tài liệu Tốc độ tăng mômen xoắn cực đại dT/ dt = 125 × 103 Nm/s chọn Biểu đồ mômen-thời gian thể Hình 6.42 sử dụng để thiết lập thông số cần thiết để thay đổi Các yêu cầu này, với yêu cầu khác, ghi lại danh sách yêu cầu thể Hình 6.43 Chúng phân loại theo danh sách kiểm tra Hình 6.22 Hình 6.41 Vịi trộn tay: đánh giá biến thể giải pháp nguyên tắc A, B, C, D Hình 6.42 Đặt cường độ cho mômen xung động: tốc độ tăng, độ lớn thời gian Hình 6.43 Danh sách yêu cầu giàn thử tải xung Sau [6.12] Hình 6.43 Danh sách yêu cầu giàn thử tải xung Sau [6.12](tiếp) Bước 2: Tóm tắt để xác định vấn đề Theo khuyến nghị Phần 6.2.3, danh sách yêu cầu rút ngắn lại Kết thể Bảng 6.2 Kết từ Bước -Đường kính trục thử nghiệm ≤ 100 mm -Tải trọng trung tâm cất cánh thay đổi theo hướng trục -Tải trọng áp dụng cho trục tĩnh -Tải mơ-men xoắn túy: điều chỉnh lên đến 15 000 Nm -Mô-men xoắn cực đại trì giây -Có thể giảm nhanh mô-men xoắn -Tăng mô-men xoắn cực đại dT / dt 125 × 103 Nm / s -Cấu hình mơ-men xoắn tái lập -Số lượng Tphía trước , Tphía sau p đo lường Kết từ Bước -Tải kết nối trục-trung-tâm-chìa khóa điều chỉnh liên quan đến độ lớn mô-men xoắn, thời gian mô-men xoắn giảm mô-men xoắn -Kiểm tra mô-men xoắn tải với trục đứng yên Kết từ Bước -Mơmen động điều chỉnh áp dụng thử nghiệm mẫu -Có thể đo mức tải trọng đầu vào ứng suất biến dạng Kết từ Bước -“Áp dụng mô-men xoắn thay đổi động đồng thời đo mức tải, ứng suất biến dạng” Bước 3: Thiết lập cấu trúc chức Việc thiết lập cấu trúc hàm ban đầu liên quan đến việc hình thành hàm tổng thể, trích xuất trực tiếp từ câu lệnh tốn, xem Hình 6.44 Trong ví dụ này, chức phụ thiết yếu kết dòng lượng phép đo từ dịng tín hiệu: • Biến đổi lượng đầu vào thành tải (mô-men xoắn) • Biến đổi lượng đầu vào thành lượng phụ cho chức điều khiển • Tích trữ lượng cho hoạt động đẩy • Kiểm sốt lượng độ lớn tải • Thay đổi cường độ tải • Hướng dẫn lượng tải • Đặt tải lên mẫu, tức bề mặt làm việc • Đo tải • Đo ứng suất mẫu Việc thiết lập cấu trúc hàm theo cách bước dẫn đến phạm vi đặt khác cách thêm xóa hàm riêng lẻ, số biến thể cấu trúc hàm tạo Hình 6.44 Chức tổng thể giàn thử nghiệm tải xung Hình 6.45 cho thấy biến thể theo thứ tự xuất chúng Ở giai đoạn này, chức đo lường không xuất để xác định khái niệm Biến thể chọn để tìm kiếm giải pháp chứa tất chức Biến thể tiềm Bước 4: Tìm kiếm nguyên tắc làm việc Để tìm nguyên tắc làm việc, phương pháp sau thảo luận Phần 3.2 áp dụng: • Các phương pháp thơng thường: tìm kiếm tài liệu phân tích giàn thử nghiệm có • Phương pháp trực quan: động não • Phương pháp rời rạc: tìm kiếm có hệ thống với trợ giúp sơ đồ phân loại sử dụng dạng lượng, chuyển động làm việc bề mặt làm việc, sử dụng danh mục lực khác Để kết hợp nguyên tắc làm việc tìm thấy, sơ đồ phân loại đưa (xem Hình 6.46) Vì lý khơng gian, chức phụ quan trọng nguyên tắc làm việc hiển thị Những nguyên tắc rõ ràng không phù hợp bị bác bỏ từ đầu bị gạch bỏ sơ đồ phân loại Từ chối kịp thời điều quan trọng để giảm thiểu nỗ lực Bước 5: Kết hợp nguyên tắc làm việc Các nguyên tắc làm việc kết hợp dựa sơ đồ phân loại thể Hình 6.46 Hình 6.47 cho thấy bảy kết hợp có (biến thể) phù hợp với biến thể cấu trúc chức chọn Trình tự chức khác với trình tự biến thể cấu trúc chức Bước 6: Lựa chọn kết hợp phù hợp Nên lựa chọn trước số lượng lớn tổ hợp (kết cấu làm việc) tạo trước cố gắng gia cố (xem Phần 6.4.3) Hình 6.45 Phát triển bước biến thể cấu trúc chức Điều làm giảm nỗ lực cách từ chối kết hợp phù hợp sớm tốt Sau sử dụng quy trình trình bày Phần 3.3.1, bốn số bảy tổ hợp có triển vọng (xem Hình 6.48), phải củng cố thêm phép đánh giá xác Hình 6.47 Sơ đồ kết hợp thể bảy nguyên tắc kết hợp giải pháp phù hợp với Hình 6.46 Biến thể 1: 1.1 - 5.3 - 6.5 - 3.4 - 3.7; Biến thể 2: 1.1 - 7.4 - 5.1 - 7.4 - 6.2 - 3.7; Biến thể 3: 1.1 - 5.1 - 3.1 - 6.1 - 3.7; Biến thể 4: 2.1 - 6.8 - 4.1 - 3.2; Biến thể 5: 6,7 - 1,2 - 7,3 - 3,7; Biến thể 6: 6,7 - 1,7 - 7,3 - 3,7; Biến thể 7: 6.7 - 1.1 - 7.4 Bước 7: Xác nhận Biến thể Giải pháp Nguyên tắc Để đưa định chắn phương án (concept) giải pháp nguyên tắc phù hợp nhất, cấu trúc làm việc chọn phải phát triển đến trạng thái cho phép đánh giá Điều đòi hỏi phải tạo vẽ concept phù hợp, chẳng hạn vẽ Hình 6.49 đến 6.52 Các phác thảo thô thường không cung cấp đầy đủ chi tiết để đánh giá mức độ thực chức đề xuất  Mơmen qn tính bánh đà so với mơmen thực TF đưa lên bánh đà, thời gian va chạm ∆t, tốc độ bánh đà nF tốc độ giảm cho phép ∆n = 5%  Sức mạnh động điện PM sau tính tốn mơmen gia tốc cần thiết TA từ thời điểm quán tính JF bánh đà, tốc độ động nM, thời gian chạy tM = 10 s mômen tăng tốc cực đại động TAtối đa (từ liệu nhà sản xuất) Bảng 7.9 liệt kê giá trị tính tốn cho đặc trưng Ngồi bánh đà, thiết bị thực chức chọn từ danh mục mua trực tiếp từ nhà cung cấp Các đặc tính sau chọn cho bánh đà:  tốc độ nF = 1010 phút−1  lực quán tính JF = 1,9 kg m2 Bởi tổn hao chẳng hạn tổn hao ma sát chưa tính đến, giá trị cuối JF chọn lớn đáng kể so với mức Để tiết kiệm trọng lượng, bánh đà làm từ hình trụ rỗng:  Đường kính ngồi Do = 480 mm  Đường kính Di = 410 mm  Chiều rộng W = 100 mm  Khối lượng m = 38 kg Sau đó, vẽ bố trí sơ cuối tạo sở phận thực chức thể Hình 7.155c cách thêm khung Chức Thay đổi lượng Tăng thành phần E Điều chỉnh tốc độ Lưu trữ lượng Hàm mang Các giá trị tính tốn Động điện Cơng suất PM = 1,1 kw Điều chỉnh học Tốc độ nM = 380… 1000 phút-1 Biến thể 4/3 Phạm vi kiểm soát tốc độ C = 2,6 Bánh đà Mơmen qn tính JF = 1,4 kg m2 Tốc độ nF = 380… 1000 phút-1 Giải phóng lượng Tăng thành phần E Ly hợp điện từ Momen truyền TCL = 86 Nm Hộp số Công suất PG = kw Mô men xoắn danh định TG = 2650 Nm tốc độ nG = 32 phút−1 Tỷ số truyền iG = 40,7 Bảng 7.9 Các giá trị tính tốn cho đặc điểm phận thực chức biến thể 4/3 Hình 7.156 Ràng buộc khơng gian cuối cùng: 1, đế để cố định máy thử nghiệm; 2, Hình 7.157 Bản vẽ bố trí sơ cho phận thực chức Do chiều cao kết hợp ổ trục đòn bẩy mẫu thử nhỏ nhiều so với chiều cao kết hợp cam khơng gian tồn hệ thống truyền động, hạn chế không gian cho giàn thử thể Hình 7.156 lựa chọn sau thảo luận với khách hàng Các phần thép máng sử dụng cho khung lý sau:  Mô men lớn thứ hai diện tích cho diện tích mặt cắt ngang nhỏ  khơng có góc bo trịn  ba mặt phẳng tham chiếu phẳng có sẵn  rẻ Hình 7.157 cho thấy vẽ bố trí sơ hồn chỉnh cho phận thực chức Bước 7: Tìm kiếm giải pháp cho chức phụ trợ Việc tạo vẽ bố trí chi tiết bao gồm bước sau:  Tìm kiếm chọn phận thực chức phụ  Chi tiết hóa phương án phận thực chức dựa phận thực chức phụ  Chi tiết hóa phương án phận thực chức phụ Các bước liên quan đến nhiều so với bước cho vẽ bố trí sơ Chúng ảnh hưởng lẫn chúng xử lý tác vụ cụ thể hơn, thường đòi hỏi lặp lại bước trước cấp độ thơng tin cao Các phận thực chức phụ chia thành ba nhóm:  Các cụm phận kết nối phận thực chức với  Các cụm phận hỗ trợ phận thực chức di chuyển so với khung  Các cụm phận kết nối vĩnh viễn phận thực chức với khung Các phận thực chức phụ kết nối phận thực chức với là:  Mối nối bắt vít địn bẩy mẫu thử; vịng đệm để tránh mơmen uốn bổ sung đảm bảo lắp ráp dễ dàng  Một kết nối cứng xoắn cặp bánh trục vít cam khơng gian Kết nối có hai loại (xem Hình 7.158): - cặp bánh trục vít với trục rỗng - cam không gian - cặp bánh trục vít - kết nối cứng xoắn - cam không gian Các đối số sau hỗ trợ kết nối cứng xoắn: - lắp ráp riêng cặp bánh trục vít cam khơng gian (thiết kế để lắp ráp) - không bị gián đoạn khung vị trí trục cao (hình ảnh đơn giản) - dễ định tâm cặp bánh trục vít cam không gian (thiết kế để sản xuất)  Kết nối xoắn linh hoạt bánh đà động điện Các phận thực chức phụ sử dụng để hỗ trợ phận thực chức di chuyển so với khung là: Hình 7.158 Kết nối cặp bánh trục vít cam không gian: 1, khớp nối  Bánh đà hỗ trợ Các yêu cầu là: sản xuất đơn giản (tức khơng cần cân chỉnh xác); kỹ thuật an toàn trực tiếp để chịu lực động (nguyên tắc an tồn tính mạng); tách rời khỏi khung Khơng thể sử dụng phận mua (vỏ ổ trục với ổ lăn) vỏ ổ trục thường đúc phù hợp cho ứng dụng đứng treo Vì bánh đà sản xuất nhà nên độ lớn lực động tương đối khơng chắn giá đỡ cần thiết kế đặc biệt  Hỗ trợ cho cam khơng gian địn bẩy Phần tử lăn vịng bi chọn có sẵn thị trường Các phận thực chức phụ sử dụng để kết nối vĩnh viễn phận thực chức với khung là:  Các sản phẩm bán thành phẩm đơn giản (thép hàn), mà phận mang chức bắt vít  Một giải pháp đặc biệt để kết nối mẫu thử với đòn bẩy (tức khung) Các yêu cầu là: dễ lắp ráp khớp nối tách rời; di chuyển theo hướng trục; chuyển động tự do; khơng có dung sai nhỏ Một kết nối Ringfeder chọn Bước 8: Chi tiết phận thực chức có tính đến phận thực chức phụ Các phận thực chức phải điều chỉnh để phù hợp với giải pháp chọn cho phận thực chức phụ Điều dẫn đến điều sau:  động điện: phần mua ngồi  bánh đà: xem Hình 7.159  ly hợp: phận mua  hộp số: phận mua ngồi  cam khơng gian: xem Hình 7.160  địn bẩy: xem vẽ bố trí sơ Hình 7.161  mẫu thử: xem vẽ bố trí sơ Hình 7.161  khung: sửa đổi cho phù hợp với hình dạng động chọn Bước 9: Chi tiết hóa phận thực chức phụ trợ hoàn thành bố cục sơ Gối đỡ bánh đà lấy làm ví dụ sử dụng hướng dẫn cho thiết kế cụ thể thể Hình 7.3 Hình 7.159 Cách bố trí chi tiết bánh đà ổ trục bánh đà Hình 7.160 Bố trí chi tiết bố trí ổ trục cho cam trụ Bố trí Các khả chịu lực ước tính sau: FB = Fdyn + Fstat với trọng lượng là: Fstat = m · G= 400 N động lực là: Fdyn = m · E ·4 ·π2 · N2F Với khối lượng m =40 kg; tốc độ nF = 750 phút−1 (=tốc độ động tối đa); độ lệch tâm bánh đà e = 0,6 mm (dựa trên: độ xác kích thước hình dạng bánh đà=0,3 mm; hoạt động trục bánh đà vòng bi=0,2 mm; phân bố khối lượng không cân bằng= 0,1 mm), lực chịu lực là: FB = 1130 N Điều ngụ ý lực hồi chuyển bổ sung xảy ra, ổ trục (khả chịu lực 65 000 N) tất phận khác nằm đường truyền lực có kích thước phù hợp Cộng hưởng Phương án ổ trục khung làm cứng để không xảy tượng cộng hưởng bánh đà kích thích (tối đa 30 Hz) Sản xuất Phương án cho phép sản xuất dễ dàng ổ trục đỡ bánh đà không yêu cầu dung sai chặt chẽ khung Lắp ráp Giá đỡ cho bánh đà lắp ráp dễ dàng do:  Ứng dụng phương pháp bắt đầu đơn giản từ lên  Khả tiếp cận dễ dàng với vít kết nối  Điều chỉnh đơn giản ly hợp cách sử dụng miếng đệm sau xác định vị trí xác gối đỡ ổ trục bánh đà cách sử dụng chốt (có thể khơng có bánh đà) Bảo trì Vịng bi khơng cần bảo dưỡng sử dụng Hình 7.161 cho thấy vẽ bố trí sơ giàn thử nghiệm thu từ bước phương án thảo luận Bước 10: Đánh giá sử dụng tiêu chí kinh tế kỹ thuật Vì có phương án cuối phát triển nên khơng có lựa chọn tham gia, đánh giá phương án cuối dựa tiêu chí rút từ danh sách yêu cầu Mục đích xác định loại bỏ điểm yếu Quy trình bao gồm bước sau theo Mục 3.3.2:  xác định tiêu chí đánh giá  đánh giá xem thơng số có đáp ứng tiêu chí đánh giá hay khơng  xác định đánh giá tổng thể  tìm kiếm điểm yếu  loại bỏ điểm yếu, yêu cầu Để đánh giá, sử dụng 11 số 13 tiêu chí sử dụng để đánh giá concepts, xem Hình 7.162 Việc sử dụng trọng số khơng cần thiết Các thơng số dự kiến thơng số tính toán giàn thử nghiệm đánh giá dựa giải pháp lý tưởng sử dụng dải giá trị 0-4, phù hợp với VDI 2225 Việc đánh giá chi tiết dường không cần thiết Kết hình 7.162 Chỉ xếp hạng kỹ thuật sử dụng tính tốn xếp hạng tổng thể khơng có liệu để đánh giá thức xếp hạng kinh tế: R= 29/44 = 0,66 Xếp hạng thấp, cần tìm kiếm điểm yếu Đầu tiên, tham số có giá trị thấp xác định Một đề xuất sau đưa để cải thiện thông số nhận hai điểm:  Một số lỗi điều hành có Điểm yếu: tốc độ động cơ: (1) tốc độ đặt giá trị cao cần thiết cho tốc độ tăng mô-men xoắn cực đại; (2) trình chạy động nên diễn từ từ nhiệt lượng tỏa Biện pháp khắc phục: phạm vi cho phép tăng tốc vận hành hiển thị tốc kế động Máy tự động tắt tốc độ cao  Dễ dàng thay đổi cấu hình tải Điểm yếu: khơng thể trao đổi cam khơng gian lực kẹp địn bẩy cam Biện pháp khắc phục: cung cấp phương tiện để nâng địn bẩy  Mức độ an tồn cao Điểm yếu: cam không gian quay không bảo vệ Biện pháp khắc phục: cung cấp vỏ bảo vệ  Trao đổi nhanh chóng mẫu thử (kết nối thử nghiệm) Hình 7.162 Biểu đồ đánh giá cho phương án dựa Hình 7.161, 6.54 6.55 Hình 7.163 Giàn thử nghiệm tải xung cuối cùng, sau [7.188] Điểm yếu: chậm số lượng vít kết nối Ringfeder Biện pháp khắc phục: khơng có giải pháp kinh tế thay Biến thể cải tiến thêm vào biểu đồ đánh giá (xem Hình 7.162) Các bước làm việc lại dùng để xác định bố cục tổng thể đề xuất Hình 7.1 khơng thảo luận Chúng không phức tạp trường hợp giàn thử nghiệm sản phẩm dùng lần cho viện nghiên cứu không cần mức độ tối ưu hóa cao Các thiết kế chi tiết giàn thử nghiệm (theo bước làm việc Phần 7.8) khơng thảo luận Nó liên quan đến vẽ thông thường bước thiết kế chi tiết Hình 7.163 mơ tả giàn thử tải xung cuối 7.8 Thiết kế chi tiết Thiết kế chi tiết phần trình thiết kế hồn thành hình dáng sản phẩm kỹ thuật với hướng dẫn cuối hình dạng, hình thức, kích thước đặc tính bề mặt tất thành phần riêng lẻ, lựa chọn vật liệu hoàn chỉnh xem xét kỹ lưỡng lần cuối phương pháp sản xuất, thủ tục vận hành chi phí Một khía cạnh khác,và có lẽ quan trọng giai đoạn thiết kế chi tiết việc xây dựng tài liệu sản xuất, bao gồm vẽ chi tiết thành phần, vẽ lắp ráp danh sách phận thích hợp Các hoạt động ngày thực nhiều cách sử dụng phần mềm CAD Điều cho phép sử dụng trực tiếp liệu sản phẩm để lập kế hoạch sản xuất điều khiển máy công cụ CNC Tùy thuộc vào loại sản phẩm tiến độ sản xuất (sản xuất lần, hàng loạt nhỏ, sản xuất hàng loạt), phận thiết kế phải cung cấp cho phận sản xuất hướng dẫn lắp ráp, tài liệu vận chuyển đơn vị kiểm soát chất lượng kèm theo hướng dẫn cho người dùng vận hành, bảo dưỡng sửa chữa Các tài liệu lập giai đoạn sở để thực đơn đặt hàng lập kế hoạch sản xuất, nghĩa lập kế hoạch kiểm sốt hoạt động Trên thực tế, đóng góp tương ứng phận thiết kế sản xuất lĩnh vực khơng khác biệt Giai đoạn thiết kế chi tiết bao gồm bước sau (xem Hình 7.164) Hình 7.164 Các bước thiết kế chi tiết Hoàn thiện bố cục rõ ràng, bao gồm vẽ chi tiết thành phần tối ưu hóa chi tiết hình dạng, vật liệu, bề mặt, dung sai ăn khớp chi tiết Để đạt điều đó, nhà thiết kế nên tham khảo hướng dẫn đưa Phần 7.5 Việc tối ưu hóa nhằm mục đích sử dụng tối đa vật liệu phù hợp (độ bền đồng đều), hiệu chi phí dễ sản xuất, với quan tâm mức đến tiêu chuẩn (bao gồm việc sử dụng phận tiêu chuẩn phận dùng lại công ty) Tích hợp thành phần riêng lẻ thành cụm thành sản phẩm tổng thể (được ghi chép đầy đủ với trợ giúp vẽ, danh sách phận hệ thống đánh số) Điều bị ảnh hưởng mạnh mẽ việc lên lịch sản xuất, ngày giao hàng cân nhắc lắp ráp vận chuyển Hoàn thành tài liệu sản xuất với hướng dẫn sản xuất, lắp ráp, vận chuyển khai thác Kiểm tra tất tài liệu, đặc biệt vẽ chi tiết danh sách phận để:  tuân thủ tiêu chuẩn chung tiêu chuẩn nội  độ xác kích thước dung sai  liệu sản xuất thiết yếu khác  dễ dàng mua lại, ví dụ sẵn có phận tiêu chuẩn Việc kiểm tra thực phận thiết kế hay phận tiêu chuẩn riêng biệt phụ thuộc phần lớn vào cấu tổ chức công ty liên quan đóng vai trị phụ việc thực công việc thực tế Các bước giai đoạn thiết kế chi tiết phương án trùng lặp theo cách giống bước giai đoạn concept cụ thể hóa thường làm Các phận có thời gian thực dài, chẳng hạn phận liên quan đến rèn đúc, nên xử lý trước thiết kế chi tiết hướng dẫn sản xuất chúng thường hoàn thành trước bố trí cuối hồn thiện Sự chồng chéo hai giai đoạn thiết kế đặc biệt phổ biến sản xuất lần kỹ thuật nặng Thiết kế chi tiết phụ thuộc nhiều vào miền sản phẩm nhà thiết kế nên tham khảo nhiều sổ tay kỹ thuật, danh mục nhà cung cấp tiêu chuẩn liên quan đến thiết kế chi tiết lựa chọn phần tử máy Khơng cắt góc giai đoạn thiết kế chi tiết, điều có ảnh hưởng quan trọng đến chức kỹ thuật, đến quy trình sản xuất giảm thiểu lỗi sản xuất Thiết kế chi tiết có ảnh hưởng lớn đến chi phí sản xuất chất lượng sản phẩm, từ ảnh hưởng đến thành công sản phẩm thị trường ... Nó liên quan đến vẽ thơng thường bước thiết kế chi tiết Hình 7.163 mô tả giàn thử tải xung cuối 7.8 Thiết kế chi tiết Thiết kế chi tiết phần q trình thiết kế hồn thành hình dáng sản phẩm kỹ thuật... chóng mẫu thử (kết nối thử nghiệm) Hình 7.162 Biểu đồ đánh giá cho phương án dựa Hình 7.161, 6.54 6.55 Hình 7.163 Giàn thử nghiệm tải xung cuối cùng, sau [7.188] Điểm yếu: chậm số lượng vít kết nối... (khái niệm) để bắt đầu giai đoạn thiết kế phương án, điểm yếu xác định phải giải (xem Phần 7.7) Hình 6.56 Hồ sơ giá trị để phát điểm yếu Thiết kế cụ thể giàn thử tải Bước 2: Nhận diện phương án,