Методика синтеза структур ВКА

3.3. Методика синтеза структур ВКА.

Формализация процесса синтеза структур ВКА основана на описа-

ниях, приведенных в главе 2, и проведена в соответствии с (3.2) с

использованием языка исчисления предикатов, близкого конструктору,

привыкшему оперировать понятиями, и позволяющего автоматизировать

процесс структурного синтеза [132].

Учитывая сказанное, условие существования аналога в общем

- 81 -

случае запишем в виде:

(3.11)

где - множество существующих конструкций ВКА; , , -

соответственно: множества имен свойств ВКА, параметров свойств и

их значений; , , - соответственно имена, параметры и значе-

ния параметров свойств, регламентируемые ТЗ; - предикат, озна-

чающий отношение принадлежности; - предикат, означающий отно-

шение эквивалентности; - предикат, означающий отношение " ",

- предикат, означающий, что конструкция является аналогом.

В случае ложности в выражении (3.11) предиката или ,

рассматриваемая конструкция может быть отнесена к группе прототи-

тов, а необходимость изменения ее конкретных , , формиру-

ет цели проектирования ВКА ( ), приводящие к возникновению соот-

ветствующих вспомогательных функций Найденные из анализа дере-

ва целей вспомогательные функции добавляются к базовой и, на-

ходясь в отношении с основными , образуют новую (см. п.

2.4). При этом с учетом утверждений, сделанных в п. 2.2, правило

формирования множества допустимых ( ) имеет следующий вид:

(3.12)

где , = 1, 3, 5 - обязательные функции ВКА, соответственно:

создавать и передавать механическую энергию для перемещения уплот-

нительного диска, передавать движение из атмосферы в вакуумную

среду и герметизировать стык седла с уплотнительным диском; -

предикат, означающий отношение включения; - предикат, означаю-

щий допустимость структуры.

В свою очередь каждой рабочей функции из можно поста-

- 82 -

вить в соответствие реализующий ее обобщенный родовой элемент -

ФМ, являющийся абстрактным объектом : ( ), что поз-

воляет сформировать множество абстрактных структур ВКА.

Морфологическая структура ВКА определяет множества вариан-

тных (состоящих из типов ФМ - ) и элементных (состоящих из вари-

антов исполнения (марок) различных типов ФМ - ) структур ВКА

( и ). Очевидно, что существующие множества данных структур

содержат и такие структуры, которые заведомо не соответствуют

конкретному ТЗ на проектирование ВКА, поэтому перед их генерацией

целесообразно решить задачу выбора допустимых структурных состав-

ляющих и . Выбор типов ФМ и конструктивных вариантов их

выполнения является важной процедурой схемотехнического проектиро-

вания ВКА и с позиций системного подхода определяется отношениями

между типами (вариантами) структурных составляющих и значениями

параметров требований, предъявляемых к ФМ частными ТЗ, которые мо-

гут быть сформированы из общего ТЗ на разработку ВКА на основе

анализа взаимосвязей их свойств.

Формализация выбора типа ВКА и вариантов ее структурных

составляющих осуществлена с помощью разработанных с учетом морфо-

логии ВКА ( ) таблиц соответствия , в которых пара-

метр , имеющий значений, представляется булевскими пе-

ременными , где = 1, если и

= 0, если ; посредством отображения ( ):

(3.13)

где - -ое значение параметра -го требования к -ому

ФМ; - множество вариантов -го ФМ.

Аналогично может быть произведен при необходимости и выбор

типа ВКА.

Таким образом, решение задачи выбора типа структурных состав-

ляющих ВКА сводится к построению таблиц соответствия, в которых по

- 83 -

столбцам располагаются условия и критерии выбора, по строкам - ти-

пы . Основной задачей при этом является установление логических

зависимостей между типами ФМ ВКА и значениями или интервалами

значений , параметров . Следует отметить, что определение

градаций условий и критериев выбора является ответственным и тру-

доемким процессом в связи с необходимостью максимального уменьше-

ния дублирования исходных данных и обеспечения их полноты.

Выявленные при проведении системного анализа свойства ВКА,

рассмотренные в принадлежности к типам основных ФМ с учетом пред-

ложенной классификации конструкций ВКА, позволили сформировать

следующие таблицы соответствия (применимости): таблица 3.1 - таб-

лица применимости типов приводов ВКА; таблица 3.2 - таблица приме-

нимости типов вакуумных вводов движения; таблица 3.3 - таблица

применимости типов уплотнительных пар ВКА. Выбор производится сле-

дующим образом: исходя из значений требований ТЗ, по заданным ин-

тервалам параметров выбора из соответствующей таблицы применимости

выбираются строки, имеющие единицы во всех рассматриваемых столб-

цах, что отражает допустимость соответствующих типов ФМ ВКА

( ).

Введение отношений следования между найденными формиру-

ет обобщенную вариантную структуру . С учетом последова-

тельности структуры ВКА и выражения (3.12) это можно записать в

виде ( ):

(3.14)

где , , - обязательные ФМ, соответственно: привод, ввод

движения в вакуум и уплотнительная пара; - предикат, означающий

отношение следования между ФМ.

Каждая структурная составляющая (ФМ) обладает набором пара-

метров, в том числе описывающих ее входные и выходные свойства.

- 88 -

При этом указанные свойства могут быть описаны качественными приз-

наками.

Рациональность структуры выявляется процедурой , определя-

ющей качественную совместимость выбранных элементов и

описываемой следующим выражением:

(3.15)

При этом обобщенное правило формирования имеет вид:

(3.16)

где , , , = 1, - множество качественных признаков,

описывающих входные и выходные свойства ФМ; - предикат, означа-

ющий отношение принадлежности признаков к ФМ; - предикат, озна-

чающий отношение эквивалентности между признаками; - предикат,

означающий отношение "состоять из".

Использование морфологической структуры ВКА и значений

требований ТЗ позволяет сформировать множество допустимых элемент-

ных структур , выбирая среди качественно совместимых типов ФМ

ВКА соответствующие конструктивные варианты их исполнения ( ):

(3.17)

где , = 1, - множество параметров -го варианта -го ФМ;

- множество параметров ТЗ; - предикат, означающий отношение

" " между значениями параметров.

На основе анализа отношений параметрической совместимости

выбранных ФМ, описываемых выражением (3.18), формируют в

соответствии с обобщенным правилом (3.19)( ):

- 89 -

(3.18)

(3.19)

где , - соответственно значения параметров входных и выход-

ных свойств ФМ ВКА; - предикат, означающий отношение " = " меж-

ду значениями параметров.

Причем отношения совместимости образуют следующее множество:

(3.20)

где = 1,4 - индекс, означающий соответственно отношение функцио-

нальной, параметрической, эксплуатационной и технологической сов-

местимости; - номер сопряжения в структуре; = 1,2 - ин-

декс, означающий, соответственно: качественную или параметрическую

совместимость.

Вместе с тем возможна ситуация, когда по формулам (3.15) или

(3.18) выявляется несовместимость входных и выходных параметров

свойств сопрягаемых структурных элементов ВКА. В этом случае необ-

ходимо включение вспомогательного функционального элемента, сог-

ласующего эти параметры, что формально может быть представлено

следующим образом:

(3.21)

где - предикат, означающий отношение " = " между значениями па-

раметров.

Выражение (3.21) позволяет сформировать множество рациональ-

ных структур ВКА, включающих как основные, так и вспомогатель-

ные ФМ. В структуре ВКА такими вспомогательными ФМ являются меха-

- 90 -

низм преобразования движения ( ) и механизм перемещения и герме-

тизации уплотнительного диска ( ), согласующие входные и выход-

ные параметры движения основных ФМ.

Обозначив через = 1,6 в (3.20) соответственно отношения

совместимости между ФМ ( ), ( ), ( ), ( ),

( ), ( ), процедуру генерации типовых рациональных

структур ВКА можно описать следующими выражениями:

(3.22)

где , , - соответственно: -ый вариант привода, -ый

вариант ввода движения в вакуум, -ый вариант уплотнительной па-

ры.

Выражение (3.22) описывает множество строго определенных эле-

ментных структур ВКА, состоящих из основных ФМ: привода, ввода

движения в вакуум и уплотнительной пары.

При невыполнении хотя бы одного из отношений совмести-

мости для ФМ и , т.е. , где -

значение "ложь", необходим ввод элемента и выражение (3.22)

принимает вид:

(3.23)

где - -ый вариант механизма преобразования движения.

При

(3.24)

где - -ый вариант механизма перемещения и герметизации уп-

лотнительного диска.

- 91 -

При и

(3.25)

Следует отметить, что при генерации вариантов элементных

структур ВКА может использоваться как одна какая-либо из описанных

формула, так по мере необходимости и несколько. При этом количест-

во получаемых структур определяется мощностями множеств . Кроме

того, появление новых ФМ, реализующих заданные цели проектирова-

ния, может в соответствии с (3.21) потребовать введения и новых

вспомогательных ФМ, а возможно и дополнительных к ним элементов с

рассмотрением отношений их совместимости и трансформацией соот-

ветствующих выражений.

Исключение из рассмотрения ФМ "корпус" - объясняется принятой

априори его совместимостью с другими ФМ.

Для выбора оптимальной элементной структуры может быть

использован интегральный критерий (2.19).

С целью упорядочения генерируемых структур для их анализа це-

лесообразно проводить ранжирование полученных структур. В качестве

критериев ранжирования предлагаются следующие:

(3.26)

где - количество структурных составляющих в структуре ВКА.

(3.27)

где - относительная стоимость сгенерированной структуры; -

относительная стоимость -го варианта -го варианта -го струк-

турного элемента ( ).

Для сверхвысоковакуумной ВКА в первую очередь предпочтитель-

нее структуры с отсутствием механизмов, работающих в вакуумной по-

лости, т.е. механизмов перемещения и герметизации уплотнительного

- 92 -

диска ( ), поэтому при анализе в первую очередь следует

рассматривать структуры, полученные с использованием выражений

(3.22) и (3.23).

- 112 -

влияния на динамические характеристики ВКА: перегрузки на уплотни-

тельной паре, скорость приложения усилия герметизации, быстро-

действие. Все искомые параметры связаны с перемещением уплотни-

тельного диска, в частности зависят от приведенного максимального

угла его "выбега":

(3.58)

где - фактический угол останова выходного звена привода; -

требуемый угол останова выходного звена привода (окончание цикла

работы ВКА), поэтому результирующая информация представлена в виде

зависимостей от перечисленных характеристик структуры ВКА:

на рис. 3.6,а приведена усредненная зависимость ; на

рис. 3.6,б - график ; на рис. 3.7,а - ; на

рис. 3.7,б - .

В связи с тем, что надежность работы ВКА во многом определя-

ется действующими на ее элементы усилиями, необходимо уменьшение

перегрузок на уплотнительную пару, определяемое минимизаци-

ей ( ). Для достижения этого, помимо изменения парамет-

ров структуры ВКА целесообразно ввести параметр - угол опережения

отключения привода:

(3.59)

где - фазовый угол, характеризующий момент отключения двига-

теля.

Зависимость представлена на рис. 3.8.

Анализ результатов моделирования функционирования ВКА позво-

лил выделить следующие возможные пути уменьшения перегрузок на уп-

лотнительную пару при определенной жесткости уплотнения: уменьше-

ние мощности двигателя; уменьшение к.п.д. механизмов ВКА после от-

ключения двигателя; увеличение передаточных функций применяемых

механизмов; введение угла опережения отключения привода и исполь-

зование накопленной кинетической энергии для герметизации уплотни-

- 115 -

тельной пары.

С целью изучения влияния структуры ВКА на скорость приложе-

ния усилия герметизации ( ), была смоделирована конструкция ва-

куумного клапана КЭУн [54], гипотетически реализованная различными

типами механизмов при сохранении единого . Результаты исследо-

ваний в виде зависимости приведены на рис. 3.9.

Как следует из данного графика, наименьшее значение на

стадии герметизации у конструкции с механизмом переменной структу-

ры, затем - совмещенной структуры, а худшее значение у меха-

низма непосредственного действия, что хорошо согласуется с резуль-

татами проведенного ранее кинематического анализа, и, следователь-

но, выведенный в п. 3.4.2 критерий Ф, обобщенный вид которого при-

веден в выражениях (2.21,2.22), оценивает не только кинемати-

ческие, но и динамические характеристики ВКА и его минимизация ве-

дет к их улучшению, поэтому критерий Ф является интегральным кри-

терием качества ВКА (обобщенным критерием) [127].

Помимо проверки работоспособности и оценки свойств синтезиру-

емых конструкций ВКА подобный подход к моделированию функциониро-

вания ВКА, основанный на решении уравнения (2.18), обеспечивает

нахождение рациональной совокупности перечисленных параметров ФМ

ВКА путем их перебора, т.е. позволяет определить желательные зна-

чения параметров структурных составляющих ВКА, что является необ-

ходимым условием синтеза элементных структур ВКА и оптимизации

конструкции при функционально-схемотехническом проектировании.

Выводы.

1. Предложена обобщенная модель функционально-схемотехни-

ческого проектирования ВКА, предоставляющая конструктору упорядо-

ченную последовательность действий, необходимых для выбора страте-

- 117 -

гии при создании ВКА.

2. Разработана методика и математическая модель параметри-

ческого анализа конструкций ВКА, позволяющая выявлять необходи-

мость модернизации конструкций и проводить их оценку.

3. Разработана методика функционально-схемотехнического про-

ектирования ВКА, позволяющая генерировать и находить удовлетворяю-

щие ТЗ технические решения ВКА. Предложены правила генерации, пре-

образования и выбора структур ВКА и проведена формализация про-

цесса ее структурного синтеза.

4. Предложена методика синтеза ФПД ВКА как этапа ее функцио-

нального проектирования, позволяющая разрабатывать функциональную

структуру ВКА тогда, когда разработка ее элементной структуры на

основе известных функциональных структур не удовлетворяет требова-

ниям ТЗ.

5. Показана важность синтеза механизмов при проектировании

ВКА. Выделена группа классификационных признаков, имеющих опреде-

ляющее значение для их синтеза, произведена систематизация струк-

тур ВКА применительно к механизмам и представлено их описание на

введенном предметно-ориентированном языке схемотехнического проек-

тирования. Предложены пути синтеза кинематических схем механизмов

ВКА.

6. Проведен кинематический анализ механизмов ВКА, на основа-

нии которого обоснованы и выведены критерии оптимальности ВКА.

 7. Произведен анализ процесса функционирования ВКА на основе

его моделирования. Изучено влияние параметров структурных состав-

ляющих на динамические свойства ВКА, позволившее сформулировать

возможные пути улучшения показателей качества ВКА. Отмечена важ-

ность моделирования функционирования ВКА при ее схемотехническом

проектировании.

.

- 118 -

Похожие работы

Вакуумная коммутационная аппаратура

Скачать

42765

0

0

... модели функционирования ВКА и критерии оптимальности конструкций ВКА. 6. Новый класс ВКА переменной структуры и конструкции ВКА. I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ ВАКУУМНОЙ КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ I.I. Анализ связей ВКА с оборудованием электронной техники. Основные требования, предъявляемые к ВКА. Вакуум как рабочая среда технологических процессов и научных исследований находит ...

Блок обмена сообщениями коммутационной станции

Скачать

148336

19

1

... сборки и маршрутные карты приведены в приложении. 9. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ   9.1 Краткая экономическая характеристика проектируемого устройства Разрабатываемое в дипломном проекте устройство представляет собой блок обмена сообщениями аналоговой ЭАТС. В развитых зарубежных странах широкое применение нашли аналоговые ЭАТС типа IBM 1750 (США), DST1 (Италия), ЕК-50 (Япония), АТС 501 ...

Разработка конструкции и технологии изготовления модуля управления временными параметрами

Скачать

138399

23

10

... УЛПМ-901. 11 Визуальный контроль качества сборки при увеличении 2,5. ГГ6366У/012. Маршрутная карта на техпроцесс изготовления печатной платы приведена в приложении. 8 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА 8.1 Характеристика изделия «Модуль управления временными параметрами». Обоснование объема производства и расчетного периода Модуль управления временными параметрами – ...

Блок интерфейсных адаптеров

Скачать

183285

12

5

... : ¾   температура, °С +25±10; ¾   относительная влажность воздуха, % 45...80; ¾   атмосферное давление, мм рт. ст. 630...800. Так как блок интерфейсных адаптеров предназначен для работы в нормальных условиях, в качестве номинальных значений климатических факторов указанные выше принимают нормальные значения ...