Основы проектирования и конструирования (стр. 18 из 53)
Описание физической операции формализовано можно представить состоящим их трех компонент
,где АТ - входной поток вещества, энергии или сигналов, т.е. их исходные состояния;
СТ - их выходной поток, т.е. конечное состояние;
Е - наименование операции Коллера по превращению АТ в СТ.
Здесь необходимо остановиться на понятии операции Коллера. В 1976 г. немецкий ученый Коллер предложил 12 пар операций (Половинкин добавил к нам еще 2), которые по его мнению, позволяют описывать ФО (физические операции) любого ТО или его элемента независимо от их физического принципа действия. Это удобно, в частности, для математического моделирования.
Например, аналоговые ЭВМ, используя математическую аналогию некоторых процессов (на которую указывает общность операций Коллера), позволяет моделировать процессы. Так, гидравлическое сопротивление при движении воды в трубе выражается законом Дарси-Вайсбаха
.Сопротивление при протекании электрического тока по проводнику выражается законом Ома
,где r - удельное сопротивление;
l и F - длина и площадь поперечного сечения проводника.
Подобие позволяет вести электромоделирование по АЦМ вместо экспериментов с жидкостью.
Оба процесса определяются одной операцией Коллера - "проведение".
Вот эти операции.
Излучение - поглощение. Излучение связано с источником энергии, в том числе природным, поглощение - со стоком.
Проводимость - изолирование. Для возникновения потока, кроме наличия источника и стока, требуется, чтобы между ними было проводящее пространство.
Сбор - рассеяние. Операция "сбор" служит для того, чтобы поток энергии, вещества и сигналов, распространяющийся по всем направлениям, заставить протекать в одном направлении или сфокусироваться в одной точке. Пример: патрубок, через который вытекает жидкость из емкости. Рассеяние - обратная операция. Пример: барботер, распылитель.
Проведение - непроведение. Операция "проведение" обеспечивает движение сконцентрированного потока по заданному пути с помощью технических средств (ZB, трубопровод), т.е. это движение, ограниченное связями. Непроведение - свободное движение, при котором ТО не оказывает никакого влияния на естественное направление распространения потока (струя воды из крана, световой луч).
Преобразование - обратное преобразование. Это наиболее распространенные основные операции, обеспечивающие изменение свойств энергии, вещества и сигналов. Сюда относится преобразование одного вида энергии в другой, изменение агрегатного состояния вещества, изменение проводимости, магнитных свойств и т.д.
Увеличение - уменьшение. Примеры ТО: зубчатые передачи, вентили, задвижки и т.д.
Изменение направления - изменение направления. Здесь могут быть одинаковые ТО с проведением (5).
Выравнивание - колебание. Ресивер выравнивает пульсирующий поток, пульсатор, вибратор - наоборот.
Связь - прерывание. ТО - задвижки, соединительные муфты и т.д.
Соединение - разъединение. Примеры реализации операций "соединение": смесители, насосы (соединяющие энергию и вещество). Примеры реализации операции "разъединение": сепараторы, центрифуги, ректификаторы, фильтры. Примеры показывают, что указанные операции относятся к неоднородным потокам (ZB, разные компоненты смеси).
Объединение - разъединение. Здесь речь идет об однородных потоках энергии, вещества и сигналов. Пример: тройники на водопроводах, электросети.
Накопление - выдача. Пример: для потоков энергии - механические, гидравлические, пневматические, электрические и тепловые аккумуляторы; для веществ - резервуары, газовые баллоны, бункеры и т.п.; для сигналов - перфокарты, магнитные ленты и диски, фотопленки и т.д.
Отображение - обратное отображение. Отображение - когда реальный поток энергии, вещества, сигналов получает информационное отображение в графическом, числовом и другом визуальном виде. Обратное отображение - когда задано числовое или графическое значение, а на выходе реальный поток.
Фиксирование - расфиксирование. Фиксирование связано с уменьшением числа степеней свободы движения ТО. Расфиксирование - увеличение числа степеней свободы.
Иногда не удается однозначно подобрать операцию Коллера, тогда можно даватьи свое подходящее наименование. Это не приносит роковых последствий.
Примеры описания физических операций (ФО)
| ТО | АТ | Е | СТ |
| мельница | зерно + механическая энергия | соединение | мука |
| выпарной аппарат | раствор + тепловая энергия | соединение и преобразование | вторичный пар и упаренный раствор |
| центрифуга | суспензия + механическая энергия | разъединение | осадок и фугат |
| светильник | электрический ток | преобразование | световой поток |
3.2.3 Функциональная структура
Следующий, более высокий уровень описания ТО, - функциональная структура (ФС).
Большинство ТО состоит из нескольких элементов (агрегатов, узлов, деталей), каждый из которых выполняет определенную функцию и реализует определенную физическую операцию. Между элементами имеются два вида связей и соответственно два вида их структурной организации. Во-первых, элементы имеют определенные функциональные связи друг с другом, которые образуют конструктивную функциональную структуру.
Кроме функциональных связей между элементами ТО имеются еще потоковые связи, поскольку элементы, реализуя определенные физические операции, образуют поток преобразуемых или превращаемых веществ, энергии, сигналов.
Взаимосвязанный набор физических операций, реализующий определенный поток преобразований вещества, энергии или сигналов, называется потоковой функциональной структурой.
Конструктивная и потоковая функциональные структуры взаимно дополняют друг друга.
При конструировании они помогают решать такие задачи, как исключение или добавление отдельных элементов, их объединение в один и т.д.
3.2.4 Построение конструктивной функциональной структуры
В основу анализа функций ТО положен тот факт, что любой ТО может быть разделен на несколько функциональных элементов, каждый из которых имеет минимальное число (не менее одной) определенных функций. Элементом может быть агрегат, блок, деталь или часть детали.
При изучении объекта, который нужно усовершенствовать, необходимо в первую очередь уточнить следующее:
какие функции выполняет каждый элемент ТО и как элементы функционально связаны между собой;
какие физические операции (преобразования) выполняет каждый элемент и как они взаимосвязаны между собой;
на основе каких физико-технических эффектов работает каждый элемент ТО и как они взаимосвязаны между собой.
После выяснения этих вопросов появляется четкое представление об устройстве ТО с функциональной и физической точек зрения.
Изделие и его элемент представляют собой удобную для анализа двухуровневую систему. Но в сложных ТО элемент сам может рассматриваться как система из элементов более низкого уровня и так до получения неделимого элемента, попытка деления которого приведет к получению элементов, не имеющих самостоятельной функции или с одинаковыми функциями.
Вообще говоря, существуют банки данных по характеристикам наиболее распространенных функциональных элементов.
Фрагмент таких данных представлен в следующей таблице.
| класс функциональных элементов | вид ТО, в котором могут присутствовать функциональные элементы | описание функции элемента |
| Несущие элементы | любой многоэлементный ТО | Определяют форму ТО и взаимное расположение его элементов |
| Двигатели | ТО с механическим движением | Преобразуют исходный вид энергии в механическую |
| Движители | ТО, обеспечивающие движение объекта | Преобразуют работу двигателя в работу по преодолению сопротивления среды движению объекта |
| Элементы передачи | ТО с рабочим органом, выполняющим движение | Передача движения и моментов с одновременным преобразованием скоростей, моментов, сил, их направлений |
| Элементы формирования объемов и потоков | ТО с объемами жидких, газообразных, сыпучих веществ | Хранят или транспортируют жидкость, газ, сыпучую среду |
Одновременно с разделением ТО на элементы выделяют элементы окружающей среды, с которыми данный ТО находится во взаимодействии и которые поэтому влияют на конструкцию ТО. Сюда относятся объекты, воспринимающие действие ТО (обрабатываемый с помощью ТО материал), подводимая к ТО энергия, управляющие сигналы, отравляемая среда, излучения и т.д.
Среди выделенных элементов ТО при конструировании особое внимание уделяют главным элементам. К ним относятся рабочие органы ТО и другие элементы, которые непосредственно взаимодействуют с предметом обработки и другими объектами окружающей среды.
При выделении главных элементов нужно иметь в виду следующие их свойства:
функция главных элементов, как правило, совпадает с функцией ТО или в решающей мере зависит от функции ТО;
объекты окружающей среды (ОС) для главных элементов обычно совпадают с объектами, на которые направлено действие ТО.
Примеры главных элементов объектов окружающей среды