книги / Современные средства и методы проектирования машиностроительных изделий

2.2. Проектирование, основанное на учете законов развития техники

В условиях возрастающих потоков информации для эффективного проектирования уже оказывается недостаточным личный опыт отдельных разработчиков. Поэтому все большее значение для проектирования приобретает прогнозирование в области создания новых технических объектов. Причем значение прогнозирования повышается тогда, когда имеет место относительно частое изменение требований, предъявляемых к техническому объекту. В данный период как раз наблюдается существенное изменение и ужесточение требований к технологическому оборудованию. Неоценимую роль в прогнозировании играют законы развития техники.

Законы развития техники, а также более частные и локальные закономерности могут иметь многоплановое приложение в инженерном творчестве. Во-первых, на основе законов и закономерностей техники могут быть разработаны наиболее эффективные методология и методы проектирования. Вовторых, привязка законов и закономерностей к конкретному классу технических объектов (ТО) позволяет определить наиболее правильные структурные свойства, облик и характеристики ТО в следующих поколениях.

Строение и развитие каждого ТО и техники в целом подчиняются определенным законам и закономерностям, которые указывают на устойчивые качественные и количественные при- чинно-следственные связи и отношения, имеющие место у класса ТО и техники в целом, а также на изменение во времени этих связей и отношений. Законы и закономерности по характеру и определенности описания объектов и явлений техники должны быть близки к законам и закономерностям, известным в биологии, физике и химии, т.е. законы техники должны формулироваться на уровне законов природы.

К законам и закономерностям строения технических объектов относятся устойчивые признаки в конструктивной и по-

21

токовой функциональной структуре, в физической структуре и технических решений, которые существуют и остаются неизменными на протяжении многих поколений в историческом развитии технических объектов.

К законам и закономерностям развития техники относятся определенные устойчивые изменения какого-либо критерия развития (показателя качества) или какого-либо количественно выражаемого конструктивного признака на протяжении многих поколений ТО.

Законы были сформулированы рядом отечественных авторов, например, Г.Я. Бушем [6], А.Ф. Каменевым [17], Ю.С. Мелещенко [20], А.И. Половинкиным [30, 32]. Выявленные и сформулированные законы указывают пути достижения наиболее эффективного результата, хотя и носят рекомендательный характер.

В кратком виде основные для машиностроения законы следующие (более детально с законами можно ознакомиться в работе [42]):

Закон «энергетической проводимости» системы: не-

обходимым условием принципиальной жизнеспособности системы является сквозной проход энергии (и информации) по всем ее частям.

Следствие из закона: чтобы часть системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органами управления.

Закон увеличения степени идеальности системы: раз-

витие систем идет в направлении увеличения степени идеальности. Идеальная система – такая, у которой масса, объем или размеры (или другие исследуемые характеристики) стремятся к нулю (наилучшему значению), а функция сохраняется и выполняется.

Закон стадийного развития: развитие технических систем идет в последовательности:

1) выполнение системой технологических функций, т.е. исходной и основной функцией системы является облегчение

22

человеческого труда или выполнение чисто утилитарной, потребительской функции (количественное изменение характеристик);

2)дополнительное выполнение системой энергетической функции, т.е. не только передача энергии, но и изменение ее вида, введение в систему двигателя;

3)дополнительное выполнение системой функций управления, т.е. изменение режимов работы, саморегулирование в пределах, заданных программой;

4)дополнительное выполнение системой функций планирования, т.е. саморегулирование в непредвиденных условиях, анализ ситуации и способность выбора режима работы.

Этот закон указывает, что совершенствование технических систем идет в направлении их полной автоматизации и независимости от человека.

Закон соответствия функции и структуры: жизнеспо-

собными оказываются те технические решения, у которых форма объекта подчинена его внутреннему содержанию, содействует реализации предъявляемых к нему требований.

Этот перечень стоит дополнить законами, продиктованными общечеловеческими потребностями.

Закон непрерывного возрастания потребностей людей

инеугасимого любопытства. После удовлетворения очередной потребности у каждого человека появляется новое желание, причем получить не только больше, но и лучше. Желание не дает довольствоваться уже достигнутым и заставляет совершенствовать окружающие нас предметы и, как следствие, совершенствоваться нам самим (больше трудиться, обучаться чему-то новому, задумываться). Стоит отметить, что тенденция в развитии потребностей указывает на переход от удовлетворения физиологических потребностей к эмоциональнопсихологическим, которым и следует уделять больше внимания при создании объектов с высокими потребительскими свойствами.

23

Закон действует в условиях, когда физические и иные возможности человека (но не интеллектуальные) ограничены,

ичем сложнее обстоятельства, тем эффективнее результат.

Закон лености (минимизации усилий). Человек всегда стремился к минимизации усилий на обслуживание своих потребностей (физических усилий, работы органов чувств, мыслительной деятельности и т.п.). Эта своеобразная «лень» так стимулирует человека, что заставляет его напрягать все свои усилия и, прежде всего, интеллектуальные для создания устройств, облегчающих, а в идеале и исключающих его собственный труд. Поэтому, как только у человека возникает какаялибо потребность, он будет искать пути ее удовлетворения наиболее простым способом, а связанные с этой потребностью устройства будут совершенствоваться до их полной автоматизации либо максимально простого обслуживания (обычно стадийно, в соответствии с законом стадийного развития).

2.3. Степень новизны проектируемых изделий

По степени новизны проектируемых изделий различают следующие задачи проектирования:

•частичная модернизация существующего объекта (эволюционное изменение его параметров, структуры и конструкции), обеспечивающая сравнительно небольшое (несколько десятков процентов) улучшение одного или нескольких показателей качества для оптимального решения тех же или новых задач;

•существенная модернизация, которая предполагает зна-

чительное улучшение (в несколько раз) показателей качества;

•создание новых изделий, основанных на новых принципах действия, конструирования и производства для резкого увеличения (на несколько порядков) показателей качества при решении тех же или принципиально новых задач.

24

В большинстве случаев для машиностроительных предприятий разработка технологического оборудования может быть отнесена к задачам по частичной модернизации.

2.4. Маршруты проектирования

Процедурная модель проектирования технического объекта детально изложена в учебнике [42]. Процедуры состоят из отдельных проектных операций. Они выполняются в определенной последовательности, называемой маршрутом проектирования. Имеет место два принципиально отличающихся маршрута: от общего к частному, и наоборот, от частного к общему.

2.4.1.Нисходящее и восходящее проектирование

ВГОСТе не прописаны заданные пути проектирования. Решение о выборе пути диктуется конкретным ТЗ, задачами и условиями проектирования.

Маршруты проектирования могут начинаться как с нижних иерархических уровней описаний (восходящее проектирование), так и с верхних (нисходящее проектирование).

Ведение разработки объекта последовательно от общих черт к детальным называется нисходящим проектированием.

Нисходящее проектирование используется для создания принципиально новых изделий. Оно незаменимо в случае применения виртуальной инженерии. Например, разработка уникального космического аппарата для исследования астероида, включая состав и компоновку исследовательского блока, энергетического блока, системы управления и ориентации, будет зависеть от грузоподъемности ракетоносителя, максимально допустимого объема головного обтекателя РН, длительности полета

ит.д. Понятно, что в этом случае проектирование должно идти сверху вниз.

Возможен ход разработки от частного к общему, что образует процесс восходящего проектирования. Такое проектиро-

25

вание встречается, если одна или несколько частей уже являются готовыми (покупными или уже разработанными) изделиями. Восходящее проектирование наиболее часто используется для модернизации уже существующего технологического оборудования. Например, проект подъемно-транспортного устройства, предусматривающий замену гидравлического привода на электрический привод можно отнести к восходящему проектированию, когда меняется только узел привода, а остальная конструкция сохраняется (функциональные узлы, габариты, конструкционные материалы и т.д.).

Нисходящее и восходящее проектирование обладают своими достоинствами и недостатками. Так, при нисходящем проектировании возможно появление требований, впоследствии оказывающихся нереализуемыми по технологическим, экологическим или иным соображениям. При восходящем проектировании возможно получение объекта, не соответствующего заданным требованиям.

В реальной жизни, вследствие итерационного характера проектирования, оба его вида взаимосвязаны. Например, разрабатывая при нисходящем проектировании технологическую установку для удаления острых кромок и снятия заусенец с деталей с помощью полимерно-абразивных щеток, необходимо увязать общую компоновку установки с размерами и формой обрабатываемых деталей, характеристиками уже выпускаемых приводов и полимерно-абразивных щеток. В противном случае придется разрабатывать применительно к данной компоновке новый двигатель, заказывать специальные параметры щеток, изменять первоначальные варианты ориентации детали при обработке или даже схему компоновки всей установки.

2.4.2. Предварительное проектирование

Предварительное проектирование является стержневым элементом поисковых исследований – самых сложных, самых творческих, самых неопределенных, что проектировать: мост

26

или туннель, оборудование для получения детали сложной формы методом литья или с использованием аддитивных технологий? и т.д.

Результаты предварительного проектирования оформляются в виде технического предложения по ГОСТ 2.106–96. Иногда этот этап называют аванпроектом (ГОСТ Р50-605-80–93).

На этом этапе производится:

1)выбор прототипов и их сравнительный анализ с определением плюсов, которые, очевидно, следует по крайней мере сохранить, и недостатков, которые надо преодолеть;

2)выбор (синтез) возможных вариантов разрабатываемого изделия, включая принцип действия, структуру (состав), основные технические средства ее реализации, конструкционные материалы и ключевые детали;

3)сравнительный анализ основных характеристик этих вариантов и отбор из них нескольких (в пределе одного) рабочих вариантов, подлежащих дальнейшей разработке;

4)выбор методов проектирования.

Проектирование нового изделия – это всегда противоречивая задача для разработчика: с одной стороны, существует естественное стремление использовать все последние достижения науки и техники в данной области, а с другой – этому препятствуют многочисленные ограничения по срокам, стоимости, материальным ресурсам и др., оговоренные в ТЗ и еще реально существующие вне их. Выход здесь один – это компромисс в виде оптимальной преемственности с ранее созданными подобными изделиями и их компонентами. Основным средством для этого является, как известно, унификация. Иногда в ТЗ прямо оговаривается степень унификации.

Что касается творческой части проекта, то она заключается в изобретательстве, т.е. в предложении и использовании новых технических идей – способов и устройств для более эффективного решения стоящих проблем.

Хотя изобретательство как всякий творческий процесс не поддается формализации, однако общий порядок и отдельные

27

этапы этого процесса могут быть формализованы, что существенно повышает его эффективность.

Будущим магистрам уже преподавалась теория и частично практика решения изобретательских задач. Поэтому на практических занятиях по изучаемой дисциплине студенты должны уметь находить технические решения рассматриваемых примеров на уровне изобретений.

Если в процессе проектирования конкретного изделия не удалось найти техническое решение на уровне изобретения, то эта работа – только ремесло, повторение пройденного, уже изобретенного раньше другими.

2.5. Функциональная структура объекта проектирования

Любой объект служит лишь материальным носителем функции, т.е. функция первична, объект вторичен. Например, надо перенести груз из точки А в точку Б. В данном случае функцией является перенос, перемещение груза. Объектом переноса может быть человек, лошадь, паровоз, воздушный шар и т.д. Конкретный вариант будет зависеть от множества иных условий, например, массы и размеров груза, расстояния, времени в пути, частоты повторения операции и т.д.

Наряду с понятием «функция» часто в проектировании используется понятие «назначение». Например, назначение проходческого комбайна – использование его для механизации отбойки и погрузки горной массы. Как правило, в ТЗ на проектирование фигурирует именно понятие «назначение».

Функциональное проектирование нацелено, прежде всего, на создание эффективно работающего объекта. Выполнение требуемой функции – главная цель и основа разработки объекта. Во внимание принимаются, прежде всего, функциональные показатели качества и показатели надежности.

По определению [42], структура – упорядоченное множество элементов и их отношений. Подавляющее большинство

28

технических объектов состоит из агрегатов, блоков, узлов, которые могут быть естественным образом разделены на функциональные части. Каждый элемент как самостоятельный объект выполняет определенную функцию и реализует определенную физическую операцию. Между элементами имеют место два вида связей и соответственно два вида их структурной организации.

Функциональная структура (ФС) представляет собой наиболее абстрактное описание технических объектов. Ее можно представить в виде ориентированного графа, вершины которого – наименования элементов технических объектов, а ребра – функции элементов или (и) потоки вещества, энергии и информации, передаваемые от одного элемента к другому. Исходя из этого, можно выделить три типа функциональных структур.

1.Конструктивная функциональная структура, когда элементы имеют определенные функциональные связи друг с другом. Эта структура представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются наименования элементов, а ребрами – функции элементов.

2.Потоковая функциональная структура, т.е. взаимосвя-

занный набор физических операций, реализующих один определенный поток преобразований вещества, энергии или сигналов либо несколько взаимосвязанных потоков. Потоковая ФС представляет собой граф, вершинами которого являются наименования элементов ТО или наименования операций Колле-

ра Е, а ребрами – входные Ат и выходные Ст потоки (факторы) (операции Коллера рассмотрены в главе 7).

Различают две разновидности потоковой функциональной структуры: конкретизированную потоковую ФС, у которой в вершинах графа указаны наименования элементов; абстрагированную потоковую ФС, у которой в вершинах графа указаны наименования операций Коллера. Абстрагированную потоковую функциональную структуру называют также структурой физических операций.

29

3. Совмещенные функциональные структуры, у которых ребра могут быть представлены и функциями и потоками. Например, в прокатном стане на входе такого потока имеются заготовки сечением 200×200 мм, а на выходе – стальная лента толщиной 1 мм, шириной 2000 мм; в гидроэлектростанции на входе – поток воды с напором 20 м и расходом 150 м3/с, а на выходе – электрический ток напряжением 380 В и частотой 50 Гц. Такие потоки определенным образом объединяют и связывают элементы технических объектов и соответственно их физических операций.

В сложных технических объектах часто присутствуют несколько взаимосвязанных потоков.

2.6. Описание физического принципа действия

Физическим принципом действия (ФПД) технической сис-

темы называется структура совместимых и объединенных фи- зико-технических эффектов (ФТЭ), обеспечивающих преобразование заданного начального входного воздействия A1 в заданный конечный результат (выходной эффект) Сn [32, 42].

Иными словами, ФПД – это совокупность ФТЭ, т.е. законов, закономерностей и правил, лежащих в основе функционирования ТО или его компонента, характеризуемого определенной структурой. ФПД используется для формирования физической операции (ФО).

Как правильно считает А.И. Половинкин [29, 32] «поиск физических принципов действия (ФПД) технических объектов

итехнологий – один из самых высоких уровней инженерного творчества, позволяющий получать принципиально новые решения, включая и пионерные. Однако разработка ФПД – это и наиболее сложная задача инженерного творчества, поскольку человек вынужден варьировать и оценивать не только конструктивные признаки, обычно хорошо обозримые и логически увязанные друг с другом. Здесь приходится абстрагироваться на уровне физико-технических эффектов, не всегда очевидных

идостаточно глубоко познанных. В отличие от новых комби-

30