Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры
открывать проходное отверстие, регулировать газовый поток.
Выделенные функции реализуются в ВТО устройствами
классов "вакуумный клапан" и "вакуумный затвор", объединенных по-
нятием ВКА, при этом регулирование газового потока с учетом того,
что ВКА является самостоятельным конструктивно законченным элемен-
том ВТО [54], присоединенным к другому законченному элементу ВТО
(трубопроводу, рабочей камере и т.п.), сводится к частичному пе-
рекрыванию (открыванию и закрыванию) проходного отверстия, поэтому
справедливо следующее допущение:
, (2.5)
- 45 -
позволяющее рабочую функцию отдельно не рассматривать.
Практическая реализация адекватных соответствующим действиям
рабочих функций , и в ВКА осуществляется посредством
одного и того же воздействия "перемещение", направленного на общий
для данных функций объект - уплотнительный диск. При этом выполне-
ние действия "герметизация" обусловлено взаимодействием подвижного
элемента "уплотнительный диск" с неподвижным элементом корпуса,
называемым "седлом", что объясняет целесообразность совместного
рассмотрения этих элементов в виде "уплотнительной пары" (см. п.
1.2). Очевидно, перемещение уплотнительного диска требует осущест-
вления функции "создать и передать необходимую для движения энер-
гию", а расположение уплотнительного диска в вакуумной среде, а
источника энергии - вне ее, определяет необходимость функции "пе-
редать движение уплотнительному диску из атмосферы в вакуумную
среду". Основываясь на том, что каждая рабочая функция может быть
реализована неким самостоятельным функциональным модулем, обладаю-
щим собственным набором входных ( ) и выходных ( ) функцио-
нальных параметров, заключаем, что в ВКА необходимо также согласо-
вание параметров и последовательных перемещений, приво-
дящее к появлению функции "преобразовать движение". Помимо этого
для ВКА, как и для большинства ТО, обязательна функция "обеспечить
требуемое взаиморасположение модулей в пространстве".
Таким образом, из анализа рабочих функций существующих
конструкций ВКА можно выделить следующие основные базовые функции
, где = 1,3 ; = 1,5; представленные в
таблице 2.2, без которых невозможно выполнение обобщенной функции
ВКА.
- 46 -
Таблица 2.2
Основные базовые функции ВКА
_________________________________________________________________
Обобщенная ! Основные базовые функции
функция !
-----------------------------------------------------------------
- создавать и передавать механическую энергию
для перемещения уплотнительного диска;
- преобразовывать параметры движения;
- передавать движение из атмосферы в вакуумную
среду;
- преобразовывать параметры движения для пере-
мещения и герметизации уплотнительного диска;
- герметизировать стык седла с уплотнительным
диском;
- фиксировать положение элементов в пространст-
ве и содержать вакуумную среду.
_________________________________________________________________
Индекс обозначает необходимость выполнения соответствую-
щих функций для каждого из трех основных действий (см. табл. 2.1),
т.е. как при закрывании проходного отверстия, так и при герметиза-
ции и открывании ( = 1, 2, 3 - соответственно).
Помимо основных базовых функций, задающих принцип функциони-
рования и общую структуру, ВКА может обладать рядом дополнительных
функций , направленных на улучшение исполнения качества основ-
ных функций и определяемых как дополнительными требованиями,
предъявляемыми ВТО, так и функционированием собственно ВКА. Полная
функция ВКА при этом имеет следующий вид:
(2.6)
Дополнительные функции возникают, как правило, при
- 47 -
реализации целей проектирования, связанных с улучшением параметров
действий, эксплуатационных и конструктивных свойств ВКА, что будет
рассмотрено в соответствующем разделе.
Функциональный подход к анализу ВКА позволяет абстрагиро-
ваться от существующего объектного воплощения ФМ, например, пере-
давать движение из атмосферы в вакуум не механическим путем, а
используя воздействие магнитного поля; использовать дополнительные
функции - нагреть элементы уплотнения, разгрузить уплот-
нительную пару, основанные на различных физических эффектах [70,
79], что способствует эволюции ВКА и ее усовершенствованию.
2.2.2. Структура ВКА.
Предлагаемый подход к рассмотрению структур ВКА основан на
том, что проектирование формально представляют как создание, поиск
и преобразование различных аспектов структур ТО [118]. В связи с
этим важно определить множество видов структур ВКА, необходимое и
достаточное для отображения процесса функционального и схемотехни-
ческого проектирования.
С учетом изложенного структуру ВКА в общем случае можно
описать следующим образом:
(2.7)
где , , , , , , - соответственно принципи-
альная, функциональная, абстрактная, морфологическая, вариантная,
элементная и компоновочная структуры.
Принципиальная структура (или структура действий)
состоит из множества выполняемых ВКА действий и отношений сле-
дования , указывающих на порядок действий. На рис. 2.1
представлен граф обобщенной структуры ВКА, где -
действия, реализующие обобщенную функцию ВКА (см. табл. 2.2).
- 48 -
Множество базовых функций и абстрактных связей между ними
образуют множество функциональных структур . На рис.
2.2 показано множество типовых функциональных структур ВКА, где
вершины - основные базовые функции ВКА (см. табл.
2.2).
В свою очередь каждой базовой функции можно поставить в
соответствие некий реализующий ее обобщенный родовой элемент -
функциональный модуль, являющийся абстрактным объектом , обла-
дающим неким множеством общих свойств и имеющим множество вариан-
тов исполнения, которые наследуют общие свойства ФМ и отличаются
от него оригинальными свойствами [119]. Таким образом, абстрактная
структура имеет множество взаимосвязанных абстракт-
ных родовых элементов , исполняющих базовые функции .
Установим требуемые соответствия : - функция
привода (ФМ ); - множество типов приводов; - функция меха-
низма преобразования движения (ФМ ); - множество механизмов;
- функция вакуумного ввода движения (ФМ ); - множество ти-
пов вводов движения; - функция механизма перемещения уплотни-
тельного диска и герметизации (ФМ ); - множество механизмов;
- функция уплотнительной пары (ФМ ) - условного ФМ, образуемо-
го седлом и уплотнительным диском; - множество типов уплотни-
тельных пар; - функция корпуса (ФМ ); - множество типов
корпусов. На рис. 2.3 показано множество обобщенных структур .
ВКА, в котором вершины , = 1,6 - вышеописанные абстрактные
ФМ.
Структура является основой для построения морфологической
структуры ВКА, которую с позиций функционально-схемотехни-
ческого проектирования ВКА целесообразно и достаточно представить
двухуровневым деревом. Первый уровень - ВКА как техническая систе-
ма в целом, второй уровень - функциональные модули ВКА, где П -
- 50 -
привод; ВД - вакуумный ввод движения; УП - уплотнительная пара; М1
- механизм преобразования движения; М2 - механизм перемещения уп-
лотнительного диска; К - корпус. Намечен третий иерархический уро-
вень - множество вариантов ФМ. Морфологическая структура
, имеет два подмножества вершин: -
типы ФМ (вершины "и") и - множество вариантов исполне-
ния типов (вершины "или"), а также два подмножества отношений:
- отношения включения между элементами , - родовидовые
отношения между и . Структура описывается графом типа
дерева, представленном на рис. 2.4, где - вершины "и", -
вершины "или" (конкретизация графа - рис. 1.12). Возможно дальней-
шее расширение данного дерева и вглубь и в ширину. При этом раз-
ветвление дерева произойдет в случае появления новых вариантов ФМ
в результате анализа возможности применения в ВКА их существующих
воплощений (например, электрических приводов [71]) или появления
новых дополнительных ФМ [79].
Замена абстрактных элементов вариантами их исполнения
образует вариантную структуру .
Если на множестве конкретных вариантов ввести отношения
соединения , получим множество элементных структур .
При этом декартово произведение ,
определяет множество всевозможных вариантов решений для обоб-
щенной структуры ВКА. Отличие структуры от состоит в том,
что множество элементов в ней имеет конкретное имя вместо
абстрактного, а абстрактные отношения связи заменены на конк-
ретные отношения соединения . На рис. 2.5 показан граф струк-
туры одного из вариантов ВКА [120] (рис. 1.4, а), в котором
вершины: - "ручной привод", - "эксцентриковый механизм
преобразования движения", - "сильфонный ввод движения в ваку-
ум", - "рычажный механизм перемещения уплотнительного диска",
- 53 -
- "резино-металлическая уплотнительная пара", - "проход-
ной корпус".
Компоновочная структура есть развитие графа , отража-
ющая компоновку ВКА: , где - множество элементов
из ; - множество пространственных отношений взаимного
расположения, принадлежности, направления, характеризуемых поняти-
ями типа "перпендикулярно", "параллельно", "соосно", "внутри",
"снаружи", "по оси Х" и т.п.
Таким образом, ВКА представляет собой некий состав определен-
ным образом взаиморасположенных и взаимосвязанных ФМ, что позволя-
ет сформулировать следующие утверждения, объясняющие некоторые ра-
нее приведенные положения.
Утверждение 1. В структуре ВКА обязательно существуют привод
и уплотнительная пара, в противном случае ВКА функционировать не
будет.
Утверждение 2. В случае корпусного выполнения ВКА уплотни-
тельная пара всегда расположена внутри корпуса, в то время как
привод расположен с внешней стороны корпуса.
Следует отметить, что в ВТО бескорпусное выполнение ВКА прак-
тически не используется.
В соответствии с утверждением 2 передача движения от ФМ "при-
вод" к элементу "уплотнительный диск" ФМ "уплотнительная пара"
влечет за собой появление обязательного ФМ "ввод движения в ваку-
ум" (с новой рабочей функцией "передавать движение из ат-
мосферы в вакуум"), связанного с ФМ "корпус" (функция "со-
держать вакуумную среду"), определяющего взаимосвязь ФМ:
ФМ ФМ (ФМ ) ФМ (2.8)
где - знак отношения следования.
Перечисленные ФМ являются для ВКА основными (обязательными)
ФМ, что подтверждает и проведенный анализ ее существующих
- 54 -
конструкций (п. 1.2).
Каждый из перечисленных ФМ обладает собственным набором
свойств, позволяющих реализовать свою рабочую функцию и харак-
теризуемых согласно (2.7) соответствующими и . При
этом главным условием возможности сопряжения ФМ является идентич-
ность предшествующего ФМ (с функцией ) с последую-
щего ФМ (с функцией ). В случае несогласования и , т.е.
при , необходимо включение ФМ (со вспомогательной
функцией ) такого, что:
и (2.9)
Из этого вытекает следующее утверждение:
Утверждение 3. Если значения функциональных параметров сопря-
гаемых ФМ ВКА не совпадают, то между ними располагается вспомога-
тельный ФМ, их согласующий.
Предположив, что в общем случае и ФМ из (2.8) между
собой не согласованы, введем по каждому следованию вспомогательные
ФМ. Поскольку такими параметрами основных ФМ являются характе-
ристики движения, то вспомогательными ФМ ВКА являются механизмы,
что нашло отражение в таблице 2.2 и в описании структуры , где
каждой поставлен в соответствие определенный ФМ - .
При этом множество функций для всех действий ВКА форми-
рует полную функциональную структуру и соответствующие ей полную
абстрактную и вариантную структуры, включающие максимально возмож-
ное количество ФМ, реализующих основную функцию . Например,
согласно таблице 2.2, ВКА может иметь до трех приводов, вводов
движения и соответственное число механизмов [121]. Подобные струк-
туры весьма сложны, а при необходимости дальнейшего членения ВКА
получаются громоздкими и труднообозримыми, поэтому при рассмотре-
нии целесообразно проводить их декомпозицию путем разбиения на от-
дельные фрагменты [119]. Обобщенные структуры (рис. 2.3) отоб-
- 55 -
ражают данный подход, используя тождество функций:
= 1,4 (2.10)
Следующим этапом системного анализа ВКА является определение
ее свойств.
2.3. Свойства ВКА и ее структурных составляющих.
Важность определения свойств в конструировании ВКА заключа-
ется в том, что ее интегративные свойства, заданные в виде требо-
ваний в ТЗ, определяются свойствами структурных составляющих (ФМ),
которые, образуя при взаимодействии структуру ВКА, порождают новые
свойства ВКА как целого.
Конкретизация свойств требует анализа окружения ВКА - всего,
не принадлежащего ВКА, но связанного с ней и оказывающего на нее
существенное влияние, которое можно представить состоящим из сле-
дующих компонентов:
(2.11)
где соответственно: - управляющие объекты (человек, робот,
ЭВМ); - эксплуатация на всех стадиях существования ВКА; -
взаимодействующие (сопряженные) ТО (камеры, трубопроводы и т.п.);
- производство; - технологический процесс, которому
способствует ВКА; - изготавливаемое изделие; - источник
энергии; - режимы функционирования; - окружающая среда
эксплуатации.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
