Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры
Взаимодействие ВКА с окружением порождает множество связей
, требования которых, в свою очередь, определяют то или иное
свойство ВКА. На рис. 2.6 показан мультиграф связей ВКА с окруже-
нием, где ; , = 1,9; позволяю-
щий выявить множество соответствующих свойств ВКА, которые обычно
группируют по следующим классам: функциональные, эксплуатационные,
- 56 -
производственные и конструктивные свойства.
Под функциональными свойствами будем понимать свойства
ВКА, проявляющиеся при реализации ее целевой функции и описываемые
параметрами действия. Их состав в общем случае: , где
- проводимость, - герметичность, - быстродействие, ха-
рактеризуемое параметрами - проводимость, - суммарное на-
текание, складывающееся из - натекания через ввод движения в
вакуум, - натекания через уплотнительную пару; - натека-
ние через корпусные детали; , - время открывания и время
закрывания соответственно.
Эксплуатационные свойства ВКА - это свойства, проявляющи-
еся при ее взаимодействии на всех стадиях эксплуатации: хранении,
транспортировании, функционировании, обслуживании и ремонте.
Основными свойствами являются: надежность, ремонтопригодность,
сохраняемость, эргономичность. Они характеризуются следующими па-
раметрами ВКА: - средний ресурс; - наработка на отказ;
- среднее время восстановления; - периодичность профилакти-
ческих ремонтов; - допускаемая температура прогрева; -
предел применения по вакууму; - допустимая частота включения;
- возможность работы в любом положении; - поток газовыде-
ления; - сохранение герметичности при обесточивании; -
сохранение герметичности при большем давлении под уплотнительным
диском; - возможность открытия против атмосферы; - возмож-
ность аварийного срабатывания; - возможность замены уплотни-
тельной пары без демонтажа ВКА; - возможность регулирования
усилия герметизации без демонтажа; - удобство контроля за ра-
ботой; - возможность использования в АСУ ТП; - тип приво-
да; - мощность привода; - энергетическая характеристика
привода; - затраты на эксплуатацию; - показатель вибраци-
онности; - необходимость охлаждения при прогреве.
- 57 -
Производственные свойства ВКА проявляются во взаимо-
действии с производством. С точки зрения конструирования к ним от-
несем технологические и экономические свойства, основными из кото-
рых являются трудоемкость, материалоемкость, энергоемкость. ВКА
характеризуется следующими параметрами свойств : - трудоем-
кость изготовления; - коэффициент унификации; - коэффици-
ент применяемости материалов; - коэффициент сборности; -
стоимость; - экономическая эффективность.
Конструктивные свойства проявляются при взаимодействии
структурных составляющих ВКА и во многом определяются конструкто-
ром. К параметрам свойств ВКА относятся: - диаметр услов-
ного прохода; - масса; - габариты ( - длина, - ши-
рина, - высота); - расстояние между присоединительными
фланцами; - взаимное расположение осей проходных отверстий;
- показатель патентной чистоты.
Мультиграф связей между ВКА, отражающий их многообразие и
позволяющий сформировать требуемые для последующего анализа табли-
цы связей, представлен на рис. 2.7.
Следует отметить, что предложенный состав свойств в выделен-
ных классах не является постоянным и может изменяться в зависи-
мости от конкретных рабочих функций проектируемой ВКА, т.е. при
изменении окружения и предъявлении новых требований к ВКА.
Для анализа свойств ВКА построим таблицу связей выделенных
параметров (таблица 2.3), в которой 1 обозначает наличие связи па-
раметров, 0 - отсутствие таковой, т.к. графовое представление свя-
зей в данному случае трудно реализуемо вследствие большого числа
параметров и отношений между ними. Таблица связей позволяет: опре-
делить необходимые для конструирования связи между свойствами ВКА
и требованиями окружения, сформировать системную модель для форма-
лизации процессов проектирования; определить влияние изменения ка-
- 60 -
кого-либо параметра на другие, с целью нахождения конфликтных си-
туаций; выявить необходимые для теоретических и экспериментальных
исследований неизвестные ранее взаимосвязи; формализовать анализ
изменений при корректировке ТЗ и адаптации проектирования при из-
менении окружения .
Структурные составляющие (ФМ ) ВКА, являясь ее неотъемлемыми
элементами, имеют также собственные свойства, во многом отличные
от свойств, присущих ВКА в целом, что обусловлено изменением
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-
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
