Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры
дить на начальной стадии выбора. Группу конструкций, которая
включит в себя наилучшую, также можно подвергнуть анализу. Для
комплектования групп строят матрицу парных расстояний:
(3.8)
где - расстояние между -ой и -ой конструкцией, и находят
внутригрупповую сумму квадратов отклонений:
(3.9)
где - количество объектов в группе.
Лучшим будет разбиение, когда
(3.10)
где - число групп разбиения.
Рассмотренная методика устраняет недостатки известных мето-
дик [129,130], хорошо алгоритмизируется и более достоверно оцени-
вает качество конструкций, чем, например, взвешенная сумма локаль-
ных критериев [131].
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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
