Проектирование механизмов и машин: эффективность, надежность и техногенная безопасность

ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
МЕХАНИЗМОВ И МАШИН 
ЭФФЕКТИВНОСТЬ, НАДЕЖНОСТЬ 
И ТЕХНОГЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Ю.А. ОСТЯКОВ 
И.В. ШЕВЧЕНКО

Москва
ИНФРА-М
2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

МОСКОВСКИЙ  АВИАЦИОННЫЙ  ИНСТИТУТ 
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ)

Рекомендовано в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки 15.03.01 «Машиностроение»,
15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение 
машиностроительных производств» (квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 621(075.8)
ББК 34.4я73
 
О76

Остяков Ю.А.

Проектирование механизмов и машин: эффективность, надеж
ность и техногенная безопасность : учебное пособие / Ю.А. Остяков, 
И.В. Шевченко. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 260 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/18536.

ISBN 978-5-16-011108-7 (print)
ISBN 978-5-16-103174-2 (online)
Изложена методология современного проектирования, базирующаяся 

на инновациях и маркетинговых исследованиях для обеспечения конкурентоспособности разрабатываемых механизмов и машин. Рассмотрены 
процесс проектирования от разработки бизнес-плана до верификации проекта, методика предварительного анализа отказов и расчета надежности 
и безопасности механизмов и машин, необходимая для проектирования 
и оценки конкурентоспособности механизмов и машин на научной основе.

Соответствует требованиям Федерального государственного образова
тельного стандарта высшего образования последнего поколения.

Для студентов машиностроительных специальностей вузов, преподава
телей, специалистов, а также всех интересующихся вопросами эффективности, надежности и техногенной безопасности.

УДК 621(075.8)

ББК 34.4я73

О76

Р е ц е н з е н т ы:

Моргунов А.П., д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой 

«Технология машиностроения» Омского государственного технического университета;

Некрасов Ю.И., д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой 

«Технология машиностроения» Тюменского государственного нефтегазового университета

А в т о р ы:

Остяков Юрий Алексеевич, канд. техн. наук, доцент — гл. 1–5 (со
вместно с И.В. Шевченко);

Шевченко Игорь Владимирович, д-р техн. наук, профессор — гл. 1–5 

(совместно с Ю.А. Остяковым)

ISBN 978-5-16-011108-7 (print)
ISBN 978-5-16-103174-2 (online)

Подписано в печать 25.03.2016. 

Формат 6090/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 

Печать цифровая. Усл. печ. л. 16,25.

ПТ15.

ТК 377100-513552-250316

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

Материалы, отмеченные знаком 
, 

доступны в электронно-библиотечной системе Znanium.com

© Остяков Ю. А., Шевченко И. В., 

2016

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ПРЕДИСЛОВИЕ

В приоритетах научно-технического развития нашей страны названы следующие основные направления: информатизация, энергетика, добыча и переработка природных ресурсов, биотехнология, 
новые материалы, транспорт, космонавтика, национальные безопасность и обороноспособность. Материально-технической основой 
вышеуказанных направлений деятельности являются машиностроение и фундаментальные исследования в технической механике, 
теориях надежности и безопасности, технологии машиностроения, 
материаловедении и др. Изделия машиностроения участвуют в решении всех основных глобальных проблем человечества: обеспечение энергией и сырьем; борьба с голодом; охрана окружающей 
среды; освоение космоса и Мирового океана.
Основой создания новой техники является удовлетворение потребности общества, поэтому разрабатываются те изделия, на которые есть спрос на рынке. Современный потребитель изделий 
машиностроения отдает предпочтение следующим показателям 
качества: надежность, безопасность для здоровья; удобство в эксплуатации; точность соответствия функциональному назначению; 
соответствие современным требованиям эргономики и экологии; 
качество и уровень послепродажного обслуживания, а также приемлемая цена. Экономическая природа нововведения обусловливает 
превосходство рыночной новизны над научно-техническим потенциалом, инновационного проектирования над изготовлением изделия. 
Занимаясь разработкой и начальным освоением выпуска новой техники инвестор получает больше прибыли от высококвалифицированного труда разработчика, чем от низкоквалифицированного труда 
изготовителя на автоматизированном производстве, которое вытесняется в страны Юго-Восточной Азии.
В гл. 1 изложена методология современного инновационного 
проектирования, базирующаяся на инновациях, экономичности, 
надежности и техногенной безопасности с целью обеспечения конкурентоспособности машин и механизмов. Инновация — специфический товар, создающийся в условиях рынка и проявляющийся 
в конкурентных преимуществах нового изделия, прошедшего через 
стадии инновационного процесса. Инвестиция — это долгосрочное 
вложение капитала с целью получения прибыли инвестором. Инвестиционный проект — планируемая и осуществляемая система 
мероприятий по вложению капитала в создаваемые изделия с целью 
получения прибыли инвестором и потребителем, поэтому проектирование является технико-экономическим.

Маркетинг — процесс планирования и реализации замысла, 
ценообразования, продвижения и воплощения идей и товаров 
для удовлетворения запросов рынка. Рассматривается проектирование от разработки бизнес-плана до верификации проекта. 
Бизнес-план создается разработчиком нового изделия и посылается 
на конкурс как техническое предложение. Бизнес-план с утвержденным инвестором контрактом является техническим заданием 
на разработку. Проектирование проводится в соответствии с согласованной с менеджером инвестора целевой функцией изделия 
и соответствующим ей математическим выражением — критерием 
оценки эффективности в условиях конкуренции. Конкуренция — 
это средство объединения знаний и действий миллионов индивидов 
и фирм для создания нового изделия и одновременно долгосрочное 
вложение капитала для получения прибыли. Предложен критерий 
оценки «вероятный эффект — затраты», который применяется 
на всех этапах проектирования для оптимизации конструкции 
и на всех стадиях жизненного цикла изделия до его утилизации. 
В качестве проверочных расчетов вместо детерминированных 
используются более точные вероятностные расчеты надежности 
и безопасности изделий машиностроения. Результаты этих расчетов 
используются при окончательной оценке значений критерия эффективности и техногенного риска проекта. Риск — это вероятность возникновения потерь или снижения доходов по сравнению 
с допустимым вариантом из-за недостаточного качества изделия. 
Качество изделия — совокупность характеристик изделия, отвечающих требованиям потребителей.
Глава 2 посвящена оценке эффективности изделий и маркетинговому анализу проекта. Эффективность — степень пригодности 
изделия к применению по назначению и обеспечению прибыли инвестору, потребителю и создателю изделия, это интегральный показатель, который включает эффект и затраты потребителей. Она определяет количественные требования по надежности, безопасности 
и техническим эффектам изделия. Критерий оценки эффективности 
используется на всех этапах проектирования, а также на стадиях изготовления и эксплуатации изделия.
В гл. 3 рассматриваются вопросы оценки и обеспечения надежности узлов и механизмов. Подробно и доступно рассмотрены вопросы анализа отказов, построения деревьев отказов и решений, 
оценки надежности изделий по критериям работоспособности 
и уровня качества проектирования. Надежность — свойство изделия 
выполнять заданные функции, сохраняя во времени в установленных 
пределах эксплуатации значения заданных параметров качества. Без 
оценки надежности на этапе проектирования трудно прогнозировать 
техногенную безопасность технических систем при их эксплуатации.

Глава 4 посвящена вопросам обеспечения техногенной безопасности. Техногенная безопасность — свойство изделия сохранять работоспособное состояние при внешних и внутренних воздействиях, 
превышающих установленные уровни эксплуатации. Методы оценки 
надежности и техногенной безопасности одинаковы, но различаются 
понятиями отказов изделия по их последствиям. Критерием выбора 
оптимального решения при определении уровней эффективности, 
надежности и техногенной безопасности является минимум затрат 
в комплексе «проектирование — производство — потребление». 
Прибыль — конечный финансовый результат предпринимательской 
деятельности и в общем виде является разницей между ценой и себестоимостью изделия. Количественное значение прибыли определяет количественные требования по надежности и безопасности 
изделий. Уровень надежности изделия контролируется инвестором, 
а уровень безопасности изделий чаще всего контролируется государством, потому что последствия аварий и катастроф общественно 
более значимы, чем последствия ненадежности изделий. Эффективность изделий машиностроения достигается за счет повышения 
КПД, надежности и техногенной безопасности, а также снижения 
материалоемкости, энергоемкости и трудоемкости производства 
и ремонта, комплекта запасных частей (ЗИП).
Вопросы техногенной безопасности стали основной проблемой 
машиностроения ХХI в. во всем мире. Ущерб от аварийности и травматизма составляет 10–15% от валового национального продукта 
промышленно развитых стран. По числу травматизма со смертельным исходом Россия значительно опережает экономически развитые страны мира. Только 6% выпускаемой продукции полностью 
удовлетворяет существующим требованиям безопасности. Сегодня 
на территории Российской Федерации размещены свыше 4500 потенциально опасных объектов.
Основная задача вуза — обучить специалиста, готового к вызовам 
XXI в. Для машиностроительных специальностей приоритетным является создание конкурентоспособных узлов, механизмов и машин 
для обеспечения комплексной безопасности человека и эффективности технических систем. В гл. 5 изложены методические основы 
проектирования механизмов и узлов конкурентоспособных машин. 
Приведены примеры расчетов надежности редукторов с учетом и без 
учета их возможного восстановления.
Настоящее учебное пособие используется при изучении следующих дисциплин:
• основы конструирования узлов и деталей машин;
• проектирование узлов, механизмов и конкретных типов изделий;
• прогнозирование надежности технических систем;

• надежность технических систем и техногенный риск;
• управление техносферной безопасностью.
Авторы выражают благодарность В.Н. Наумову, В.А. Чуфистову 
и И.Ю. Семеновой за полезные советы и помощь при подготовке 
рукописи к изданию.

Глава 1. 

СОВРЕМЕННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Модернизация современной российской экономики заключается в быстрейшем переводе ее на инновационный путь развития 
с целью увеличения на мировом рынке конкурентоспособных отечественных промышленных изделий. Развитие научно-технической 
и инновационной сферы обеспечивает качество жизни населения 
и стабильность общества. Конституция РФ гарантирует поддержку 
конкуренции (ст. 8), в том числе и в машиностроении.
Техника, уровень ее эффективности, надежности и безопасности 
оказываются основными факторами устойчивого развития цивилизации. Технические системы производят продукты питания, лекарства и утилизируют отходы, что обеспечивает рост человечества, 
а также создают все более совершенные изделия и технологии для 
повышения удобства и комфорта жизни цивилизации на планете. 
Безопасность жизнедеятельности человека во многом обеспечивается также техническими системами.
В Российской Федерации ежегодно 12—15 тыс. чел. становятся 
инвалидами в результате получения травм на производстве, это 
влияет на воспроизводство населения. Это положение оказывает 
определенное морально-психологическое воздействие, особенно 
в случаях крупных аварий и катастроф. Поэтому проблему техногенной безопасности следует считать социально-политической и решать под контролем государства [1], [2] и [15].
Инновационное проектирование — процесс преобразования научно-технических знаний в конкурентоспособное изделие за счет 
инвестора, который состоит из пяти основных этапов:
1) общий анализ рыночной и производственной ситуации и формирование целевой функции проекта;
2) наиболее творческий этап создания рациональной модели изделия;
3) экспертиза модели и создание облика будущего изделия;
4) планирование мер для реализации целевой функции и получения прибыли;
5) опытно-конструкторская работа и подготовка производства 
изделия.
При инновационном проектировании первоочередной задачей 
главного конструктора является разработка бизнес-плана изделия. 

Чтобы выиграть конкурс, главный конструктор должен четко представлять:
• целевую функцию изделия (технические эффекты и значения 
основных показателей качества);
• значения показателей качества лучших в мире изделий-аналогов;
• облик и основные составные части изделия;
• перспективы получения прибыли и совершенствования конструкции изделия;
• сроки и структуру исполнителей работ по созданию изделия.
Формулировка целевой функции означает взгляд в будущее, 
ориентацию разработчика на то, как должно выглядеть конкурентоспособное изделие. Целевая функция связана с количественными 
критериями оценки, которые позволяют определять достигнутое совершенство конструкции на каждом этапе создания и эксплуатации 
изделия. Целевая функция для механизма, машины или комплекса, 
выполняющих заданную работу, формулируется гораздо проще, чем 
для детали или узла.
Получив по конкурсу заказ, главный конструктор формирует критерий оценки эффективности изделия, который является математическим выражением целевой функции. Дальнейшее проектирование 
можно провести на основе выбранного показателя эффективности 
с использованием системы автоматизированного проектирования 
машин, узлов и механизмов (САПР). Например, программный комплекс «Кредо» предназначен для автоматизации процесса конструирования и технологической подготовки производства изделий машиностроения, а также для разработки проблемно-ориентированных 
прикладных систем.
Имеющиеся в САПР возможности инструментального обеспечения решения инженерных задач позволяют выполнить расчеты:
• энергетических и кинематических параметров;
• прочности, жесткости и устойчивости;
• выносливости, вибростойкости и износостойкости;
• динамических характеристик;
• надежности, безопасности и эффективности.
САПР — это наукоемкий программный продукт, созданный 
на базе современных инженерных методик проектирования, численных методов механики, математики и моделирования, гармонично сочетающий опыт поколений конструкторов, инженеровмехаников и других специалистов с возможностями компьютерной 
техники и технологии создания изделия.
При наличии САПР наиболее ответственный этап создания самолетов и ракет — разработка облика и бизнес-плана проводится 
качественно и быстро. САПР позволила перенести почти все рас

четы на самую раннюю стадию создания таких летательных аппаратов (ЛА). Это дает возможность быстро принимать необходимые 
решения, вносить коррективы. Таким образом, в технических предложениях для подачи на конкурс оптимизируются все проектно-баллистические показатели, создается внешний облик ЛА. Рассчитываются прочностные, баллистические и аэродинамические характеристики ЛА, тяга двигателя и др. Все статистические коэффициенты 
определяются по прототипам. Подбираются по каталогам модули, 
соответствующие целевым функциям узлов, механизмов и агрегатов 
для их использования в разрабатываемых ЛА.
Если позволяет приборное и программное обеспечение, применяется диалоговый режим. ЭВМ используют для чертежных работ. 
Выполняют автоматизированные проектировочные расчеты на прочность и надежность — параметрическое конструирование (это дает 
возможность уточнить проектировочные параметры). Повышение 
точности расчетов на ранних стадиях положительно сказывается 
на уровне эффективности в течение всего жизненного цикла изделия.
Электронный макет позволяет обнаружить и устранить не только 
конструктивные нестыковки, но и возникающие в процессе производства трудности. Создание электронного макета — это работы над 
математической моделью поверхности, компоновкой агрегатов, подготовкой чертежей в электронном виде, формирование базы знаний, 
которая потребуется в последующих разработках.
Использование САПР сокращает сроки проектирования и доводки изделий в 2–3 раза, а сроки подготовки производства — 
в 3–5 раз. Так, с помощью специальной САПР, разработанной 
фирмой «Локхид», компоновочные чертежи небольшой сложности 
выполняются в 10–13 раз быстрее, а рабочие чертежи деталей — 
в 10–17 раз. В фирме «Боинг» автоматизированное проектирование 
составляет более 60% общего объема работ.
Автоматизированное проектирование обеспечивает совершенствование процесса создания изделия в следующих основных направлениях:
1) повышения качества проектирования за счет увеличения числа 
анализируемых конструкторских решений; более детального и всестороннего анализа каждого проектного решения; решения принципиально новых задач, связанных с моделированием на ЭВМ сложных 
процессов функционирования элементов: обеспечения конструктора 
современными техническими средствами, расширяющими его возможности при разработке новой документации;
2) сокращения срока разработки конструкции за счет автоматизации выполнения чертежных работ; совершенствования расчетных 
операций и операций по обработке графической информации, автоматизации использования информации, механизации процесса 

выпуска чертежно-технической документации и процесса изготовления изделия;
3) уменьшения стоимости проектных работ путем сокращения 
числа специалистов, особенно занятых рутинной работой по проведению вычислений и обработке графической и текстовой информации; замене ряда экспериментальных работ на натурных объектах 
и установках моделированием на ЭВМ.
При традиционных методах работы проектировщиков только 10% 
затраченного времени используется на творческую работу, а 90% — 
на поиск нужной информации, вычисления, оформление документации. При автоматизированном проектировании эта часть работы 
быстро и качественно осуществляется ЭВМ. 
Использование САПР также позволяет исключить субъективизм 
при принятии решений и реализовать выбор оптимального варианта 
конструкции в соответствии с выбранной целевой функцией.
Рассмотрим основные факторы, характеризующие границы 
этапов жизненного цикла изделия, которые приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1
Границы этапов жизненного цикла изделия

Этап
Начало этапа
Окончание этапа

Маркетинговые исследования рынка
Заключение договора 
на проведение исследований

Сдача отчета по результатам исследований

Генерация идей и их 
фильтрация
Сбор и фиксирование 
предложений по проектам

Окончание отбора проектов-конкурентов

Техническая и экономическая экспертиза проектов

Комплектация групп 
экспертов и анализ 
проектов для бизнесплана

Сдача отчета по экспертизе проектов. Выбор 
облика изделия. Бизнесплан

НИР (научно-исследовательская работа) 
Утверждение технического задания (ТЗ) 
на НИР

Утверждение облика 
и акта об окончании НИР

ОКР (опытно-конструкторская работа) 

Утверждение ТЗ 
на ОКР
Наличие комплекта 
конструкторской документации, откорректированной по результатам 
испытаний опытного 
образца. Акт верификации

Пробный маркетинг Начало подготовки 
производства опытной 
партии

Анализ отчета о результатах пробного маркетинга