Основы проектирования и конструирования (стр. 42 из 53)

в силу действия факторов стадийного развития техники и прогрессивной конструктивной эволюции технических объектов от поколения к поколению монотонно и ускоренно возрастает.

Следствием возрастания сложности ТО, характеризуемой показателем S, является возрастание трудоемкости изготовления и эксплуатации ТО, характеризуемое показателем Y. Для количественной оценки динамики Y зависимость (7.2) должна быть конкретизирована для каждого класса ТО.

7.4.8 Закон убывающей полезности

Этот закон является общим, действующим как в живой природе, так и в технике.

В живой природе он проявляется в снижении работоспособности стареющего организма, в снижении урожайности плодоносящих растений и т.д.

В технике закон проявляется как в области ее совершенствования, так и в области эксплуатации технического объекта. Он может быть сформулирован следующим образом.

Затраты на совершенствование технического объекта в пределах одного физического принципа действия по мере исчерпания резервов ФПД приносят все меньший эффект.

По мере старения технического объекта, находящегося в эксплуатации, частота его отказов возрастает, а расходы на восстановление растут, пока не достигнут размеров получаемого от восстановления эффекта.

Следовательно, существует срок службы ТО, после которого восстановление и дальнейшая эксплуатация ТО становятся нецелесообразными.

7.5. Законы строения техники

Рассмотренные выше законы характеризовали общие тенденции в развитии техники.

Не менее важное значение имеют законы, определяющие строение техники, ее композицию. Слово "композиция" означает сложение, сочетание, составление, т.е. композиция предопределяет

структурное и пластическое решение формы промышленных изделий.

Средствами композиции являются пропорциональность, масштабность, ритм, модуль, масса, симметрия и асимметрия и др. [22].

Удалось сформулировать ряд законов строения техники, позволяющих оптимизировать использование средств композиции.

7.5.1. Закон соответствия между функцией и структурой

Соответствие между функцией и структурой на протяжении веков изучали философы и биолога на примерах живой природы. Благодаря наличию этого соответствия, биологи научились по отдельным костям воспроизводить скелет, а по скелету - внешний вид живого существа, которого они никогда не видели.

Такое же соответствие обнаруживается и в правильно спроектированном техническом объекте. Поэтому можно сформулировать следующий закон [15, 16].

Каждый элемент технического объекта выполняет хотя бы одну функцию по обеспечению функционирования всего объекта. Поэтому исключение элемента приводит к ухудшению какого-либо показателя ТО или прекращению его функционирования вообще. Совокупность всех таких соответствий в техническом объекте представляет собой функциональную структуру, изображаемую в виде ориентированного графа, который отражает системную целостность ТО и соответствие между его функцией и структурой (конструкцией).

Следует заметить, что графом называется схема, на которой кружками или прямоугольниками обозначены элементы технического объекта, которые а этом случае называются вершинами графа, а функциональные связи между элементами изображаются линиями, соединяющими соответствующие вершины. Эти линии называются ребрами графа. Если на ребрах стрелками указан порядок прохождения вершин, граф называется ориентированным. Приведенное определение является упрощенным и может быть использовано лишь при построении функциональных структур. Строгое определение при необходимости можно найти в книге А.А. Зыкова [19].

Закон соответствия между функцией и структурой лежит в основе построения функциональных структур конкретных ТО, а также обобщенных функциональных структур широких классов ТО.

Так, например, обрабатывающие (технологические) машины состоят из четырех подсистем (элементов) S₁, S₂, S₃, S₄, реализующих соответственно четыре фундаментальных функции:

Ф₁ - технологическая функция - обеспечивает превращение исходного сырья а₀ в конечный продукт А_к;

Ф₂ - энергетическая функция - превращает вещество (топливо) или извне полученную энергию W₀ в конечный вид энергии W_к, необходимый для реализации функции Ф₁;

Ф₃ - функция управления - осуществляет управляющие воздействия u₁, u₂ на подсистемы S₁, S₂ в соответствии с заданной программой Q и полученной информацией и₁⁰, и₂⁰ о количестве и качестве выработанных конечного продукта A_к и конечной энергии W_к;

Ф₄ - функция планирования - собирает (получает) информацию Q₀ о произведенном продукте А_к и сопоставляет с программой Q, качественные и количественные характеристики конечного продукта.

В соответствии с изложенным обобщенная функциональная структура технологической машины выглядит, как показано на рис.7.5.

Эта обобщенная структура при необходимости может быть конкретизирована для отдельного класса технических объектов, отдельных конкретных ТО.

Анализ функций различных ТО позволяет накапливать и формировать базы данных по формализованным описаниям функций элементов ТО и функциональным структурам ТО. Фрагмент такой базы данных приведен в табл.7.5. Подобные базы данных могут быть эффективно использованы в различных методах поискового Проектирования и конструирования, при проведении функционально-стоимостного анализа ТО и технологий, при построении информационно-поисковых систем для поддержки проектно-конструкторской деятельности [15].

Рис.7.5 Обобщенная функциональная структура технологической машины

Таблица 7.5

Фрагмент базы данных по функциональным элементам

Класс ФЭ	Вид ТО, в котором могут присутствовать ФЭ	Описание функции ФЭ
Несущие элементы	Любой многоэлементный ТО, для которого функционально необходимо определенное взаимное положение элементов.	Задает форму ТО и взаимное расположение его элементов в пространстве.
Двигатели	ТО, выполняющие механическое движение.	Преобразуют исходный вид энергии в механическую.
Элементы передачи	ТО с рабочим органом, выполняющим движение по определенному циклу.	Передают на расстояние движение или статические силы и моменты с одновременным преобразованием скоростей, моментов, сил и их направлений, включая замену их видов, законов движения.
Элементы управления	ТО, функционирование которых связано с заданными изменениями каких-либо параметров.	Собирают информацию, вырабатывают управляющее воздействие, передают его исполнительным органам.
Элементы формирования объемов и потоков	ТО с подвижными или неподвижными объемами жидких, газообразных, сыпучих веществ.	Хранят или транспортируют жидкость, газ, сыпучий материал.

Наличие базы данных требует поддержания ее, т.е. сохранения на современном уровне, что предохраняет от устаревших решений. Разумеется, база данных используется с помощью ЭВМ.

Закон соответствия между функцией и структурой используется в методах поиска новых эффективных технических решений. Этому способствуют две закономерности, вытекающие из закона.

Закономерность многозначного соответствия между функцией и структурой.

Любая функция может иметь множество структур (конструкций), реализующих эту функцию. И наоборот, одна и та же структура может выполнять более одной функции.

Эта закономерность, по существу, является теоретическим обоснованием метода поиска новых технических решений, который называется морфологическим анализом и синтезом.

Проиллюстрировать закономерность можно следующими примерами. Одну и ту же функцию по перемещению грузов можно выполнять с помощью ручной тележки, транспортера, автомобиля, поезда, самолета.

Один и тот же электродвигатель, движущий электричку на горизонтальном участке пути или на подъеме, выполняет функцию генератора при движении электрички под уклон под действием собственной массы и подпитывает электроэнергией контактную сеть.

Закономерность минимизации компоновочных затрат.

У ТО функциональные элементы, осуществляющие определенные преобразования потоков вещества, энергии или сигналов, располагаются в пространстве по отношению друг к другу таким образом, что компоновочные затраты имеют минимальное значение, т.е.:

,

где q_{i, j} - стоимость каналов передачи вещества, энергии или сигналов между элементами a_i и a_j, С_h - отдельные составляющие части компоновочных затрат, в частности; С₁ - стоимость несущего элемента ТО (каркас, рама, станина); С₂ - стоимость элементов защиты ТО (кожух, корпус, футляр); С₃ - затраты, зависящие от габаритных размеров ТО (место, занимаемое в цехе, на складе, на транспорте); C₄ - затраты на сборку, монтаж, отладку ТО.

Стоимость основных функциональных элементов ТО в сумму компоновочных затрат не входит.

Здесь дана обобщенная формулировка закономерности. Для реального использования в оптимизационных расчетах ее нужно привязать к конкретному классу ТО, что позволит уточнить набор функциональных элементов, их устойчивых свойств и конструктивных признаков.

В целом можно заметить, что чем сложнее объемно-пространственная структура промышленного изделия, тем большее значение для достижения гармонии приобретает последовательное развитие принципа, соответствия между функцией и структурой.