135791 (722632), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

состава окружения ФМ по сравнению с ВКА. При этом свойства ФМ ВКА

определим по аналогичной модели:

(2.12)

где - множество свойств -го ФМ; , , , - соот-

ветственно множества функциональных, эксплуатационных, произ-

водственных и конструктивных свойств -го ФМ; = 1,6 - индекс

принадлежности соответствующему (см. п. 2.2.2) ФМ ВКА.

Рассмотрим подробно параметры свойств основных ФМ ВКА.

В качестве основных параметров свойств ФМ - привод - выделим

следующие: - мощность; - принцип действия; - номинальный

момент; - номинальная частота вращения/скорость движения што-

ка; - точность позиционирования; - ход штока; - надеж-

ность; - ресурс; - ремонтопригодность; - простота изго-

товления; - простота сборки; - стоимость; - масса; -

габариты; - расположение осей вала или штока; - вид и нап-

равление движения.

Взаимосвязи свойств ФМ отражены в таблице 2.4. При этом +1 -

означает увеличение параметра в столбце при увеличении параметра в

строке; -1 - уменьшение параметра в столбце при увеличении пара-

метра в строке.

К основным параметрам свойств ФМ - ввод движения в вакуум -

относятся: - передаваемое усилие; - передаваемый крутящий

- 62 -

момент; - частота вращения; - величина перемещения; -

скорость перемещения; - надежность; - ресурс; - ремонто-

пригодность; - предел применения по вакууму; - температура

прогрева; - натекание через уплотнение; - воздействие на

состав остаточной среды; - простота изготовления; - простота

сборки; - стоимость; - габариты; - масса; - материал

уплотнения; - расположение осей вала или штока; - вид и нап-

равление передаваемого движения.

Взаимосвязи свойств ФМ отражены в таблице 2.5.

Основными параметрами свойств ФМ - уплотнительная пара -

являются: - герметичность; - усилие герметизации; - тем-

пература прогрева; - ресурс; - наработка на отказ; - пре-

дел применения по вакууму; - воздействие на состав остаточной

среды; - удобство замены УП; - ремонтопригодность; - воз-

можность работы в агрессивных средах; - трудоемкость изготовле-

ния; - наличие дефицитных и драгоценных материалов; - стои-

мость; - стоимость; - точностные характеристики элементов

УП; - размер проходного сечения; - габариты; - масса;

- материал уплотнителя; - геометрия уплотнителя.

Взаимосвязи свойств ФМ отражены в таблице 2.6.

Большой интерес представляет также анализ связей свойств, ха-

рактеризующих ВКА в целом со свойствами ее основных ФМ. Указанные

связи существенных параметров ВКА и ее ФМ отражены в таблице 2.7 и

позволяют формировать альтернативные пути изменения свойств ВКА в

зависимости от требований ТЗ.

2.4. Цели проектирования ВКА.

Важной системной характеристикой, описывающей процесс проек-

тирования ВКА, является цель проектирования (компонент в выра-

- 66 -

жении (2.2)).

Желаемое целевое состояние ВКА, которым должна обладать син-

тезируемая конструкция, задается техническими требованиями в ТЗ.

Однако самой цели как движущей силы процесса конструирования ВКА в

ТЗ не содержится, т.к. среди существующих конструкций возможно на-

личие аналога, отвечающего заданным техническим требованиям.

Исходя из выражения (2.1), конкретную конструкцию, реализую-

щую заданную функцию и имеющую фиксированную структуру ,

опишем определенным набором параметров:

(2.13)

где - множество имен свойств ВКА; - множество параметров

свойств ВКА; - множество значений параметров свойств ВКА; =

= , - номер рассматриваемой конструкции; - число существую-

щих конструкций ВКА.

ТЗ, в свою очередь, есть ни что иное, как подобное описание

требуемой конструкции:

(2.14)

где , , - соответственно требуемые имена свойств ВКА, пара-

метры свойств и их значения.

Поиск аналогов осуществляется сравнением характеристик

свойств выражения (2.13) для различных с соответствующими зна-

чениям выражения (2.14). Эквивалентность имен ( и ) и парамет-

ров свойств ( и ), а также выполнение условия означает,

что конструкция под номером является аналогом для данного ТЗ. В

противном случае, когда ни одна из известных конструкций ВКА не

удовлетворяет ТЗ по одному или нескольким параметрам свойств, мож-

но говорить о возникновении потребительских целей проектирования,

как необходимости изменения значений параметров ВКА или ее струк-

турных составляющих, которые в общем случае представимы в виде:

(2.15)

- 67 -

где - множество параметров ВКА, не удовлетворяющих требованиям

ТЗ, - множество отношений типа "изменить".

Наличие взаимосвязей свойств ВКА со свойствами ее структурных

составляющих (см. п. 2.3) обуславливает возможность достижения

требуемых значений параметров ВКА за счет изменения свойств ее ФМ,

приводящего к изменению структуры ВКА, и определяет проектную цель

в виде:

(2.16)

Очевидно, что для достижения необходимых значений соот-

ветствующих параметров свойств ВКА - целей, необходимо выявить

связанные с ними ФМ ВКА и параметры их свойств, которые, в свою

очередь, становятся целями (подцелями) и требуют выявления связан-

ных с ними параметров подсистем нижнего уровня. Выявленная иерар-

хия образует дерево целей проектирования, для построения которого

используются таблицы связей параметров свойств.

Следует отметить, что зачастую достижение общей цели проекти-

рования ВКА требует рассмотрения примитивных целей - изменения па-

раметров элементарных свойств деталей, вызывая необходимость чле-

нения ВКА до соответствующего уровня.

Сложность взаимосвязей свойств ВКА и свойств ее ФМ затрудняет

построение обобщенного дерева целей, поэтому его целеообразно фор-

мировать для конкретной ситуации.

Исходя из вышесказанного, в качестве объекта проектирования

принята наиболее сложная и наименее проработанная группа устройств

- сверхвысоковакуумная цельнометаллическая ВКА. Анализ патентных

источников класса , отражающих случаи конкретного проектирова-

ния ВКА, позволил выделить основные компоненты множества : -

"уменьшить (понизить)"; - "увеличить (повысить)"; - "обеспе-

чить (расширить)"; - "исключить".

Выберем цель проектирования: - "уменьшить потребляемую

- 68 -

мощность" и на основе анализа таблиц связей параметров свойств

(таблицы 2.3 - 2.7) построим дерево целей, представленное на рис.

2.8, где - свойства ВКА в целом; , = 1,6 - свойства соот-

ветствующих ФМ ВКА; , = 1,5 - структуры ФМ ВКА.

Построенное дерево целей позволяет выявить существенные от-

носительно поставленной цели параметры, являющиеся ее подцеля-

ми: . При этом путь на дереве до выбранной подцели

условно можно считать задачей проектирования.

Реализация подцелей приводит к возникновению вспомогательных

функций . Причем вспомогательных функций может быть несколько,

выполняемых совместно или в определенной последовательности. Цель

может порождать и несколько альтернативных вспомогательных функ-

ций, каждая из которых, в свою очередь, может быть исполнена раз-

личными способами действий. Проанализируем одну из подцелей рис.

2.8: "уменьшить предел текучести материала уплотнителя". Данная

цель может принципиально быть реализована двумя путями: заменой

материала или поиском уменьшения имеющегося материала. Рассмот-

рим второй путь. Изучив физическую природу текучести, можно выде-

лить причины, от которых она зависит: температура материала, нали-

чие дислокаций в материале и оксидной пленки на его поверхности,

определяющие соответственные вспомогательные функции: - "нагре-

вать уплотнительную пару", - "перемещать дислокации в материале

уплотнителя", - "удалить оксидную пленку с поверхности уплот-

нителя".

Реализация функций может осуществляться традиционными путями

либо с использованием известных физико-технических эффектов.

Появление вспомогательных функций, которым могут быть постав-

лены в соответствие определенные ФМ, приводит к изменениям в

структуре ВКА, например, появлению ФМ - нагреватель -

( ). Таким образом, отношения между подцелью и головной

- 70 -

целью рождают множество функций, способствующих ее реализации, и

позволяя сформировать уточненную , являются основой получения

требуемого проектного решения в виде структуры ВКА, удовлетворяю-

щей ТЗ.

2.5. Уравнение функционирования и критерии оптимальности

ВКА.

2.5.1. Уравнение функционирования.

Важным аспектом системного описания процесса проектирования

ВКА является уравнение ее функционирования (компонент выраже-

ния (2.2)), связывающее входные и выходные параметры действий (фа-

зовые переменные) и внутренние параметры ВКА.

В связи с тем, что ВКА принадлежит классу механических

систем, для вывода уравнения функционирования использовано уравне-

ние Лагранжа 2 рода [122]:

(2.17)

где - кинетическая энергия системы; - число обобщенных ко-

ординат (совпадает с числом степеней свободы); - обобщенные

координаты; - обобщенные силы.

Данное выражение, преобразованное для ВКА с электромехани-

ческим приводом [123, 124] в общем случае имеет вид:

(2.18)

где - угол поворота вала электродвигателя; - функция

положения ВКА; , - коэффициенты полезного действия механизма

перемещения и герметизации уплотнительного диска и редуктора (ме-

ханизма преобразования движения); - масса уплотнительного

- 71 -

диска; - передаточное отношение редуктора; - приведенный к

валу электродвигателя момент инерции ВКА; - движущий момент

электродвигателя; - приведенный к валу двигателя момент соп-

ротивления ВКА.

Уравнение (2.18) является уравнением движения ВКА и представ-

ляет собой компонентное нелинейное дифференциальное уравнение вто-

рого порядка, которое было решено на ЭВМ. Здесь - фазовые перемен-

ные , , ; внутренние параметры , , . При этом ре-

шение данного уравнения позволяет найти зависимость такого функци-

онального параметра ВКА как время срабатывания от параметров ФМ

ВКА ( , , , , ), т.е. уравнение (2.18) связывает между

собой параметры свойств верхнего и нижнего иерархических уровней

ВКА, что позволяет считать его своего рода уравнением проектирова-

ния.

2.5.2. Критерии оптимальности ВКА.

Предлагаются следующие критерии качества ВКА, характеризующие

оптимальность ВКА и ее структурных составляющих (компонент в выра-

жении (2.2)).

С учетом того, что ВКА в целом и ее ФМ характеризуются боль-

шим числом параметрически описанных локальных критериев, в качест-

ве количественной оценки оптимальности ВКА (или ФМ) принята функ-

ция ее евклидова расстояния до гипотетической идеальной модели в

пространстве взвешенных локальных критериев [125].

(2.19)

где - коэффициент весомости -го параметра качества; - нор-

мированное значение критерия рассматриваемого -го варианта

конструкции; - нормированное значение критерия идеальной

- 72 -

конструкции.

Нормирование локальных критериев качества с целью перевода их

в безразмерные величины одного масштаба, проводится с учетом допу-

щения, что характер распределения вариационного ряда значений лю-

бого параметра ВКА близок к равномерному распределению. В связи с

этим:

(2.20)

где - значение -го критерия рассматриваемого варианта

конструкций, - среднее значение -го критерия; - его сред-

неквадратичное отклонение на множестве вариантов.

Формирование коэффициентов весомости параметров проводится с

использованием экспертного метода парных сравнений [126]. В ка-

честве идеальной модели может быть выбрана гипотетическая

конструкция, имеющая либо лучшие значения параметров из числа су-

ществующих, либо теоретически предельно достижимые значения пара-

метров.

Лучшей будет конструкция с меньшим критерием .

Для оценки ВКА с позиций кинематических свойств ее механизмов

предлагается интегральный критерий качества , минимизация кото-

рого при оптимизации механизмов ВКА дает наилучшее приближение к

их теоретической функции положения и ведет к улучшению таких дина-

мических характеристик, как перегрузки и скорость приложения уси-

лия в уплотнительной паре, коэффициент полезного действия, время

срабатывания, мощность привода [127].

Для ВКА с механизмами совмещенной структуры:

(2.21)

где - функция положения механизма ВКА; - угол поворота или

Характеристики

Список файлов реферата