Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение
Подождите немного. Документ загружается.
41
Описание технической функции (ТФ) содержит следующую
информацию:
- потребность, которая может удовлетворить ТО;
- физическая операция (физическое превращение,
преобразование), с помощью которой реализуются потребности.
Таким образом, описание ТФ состоит из двух частей:
F = (P, Q),
где Р – удовлетворяемая потребность; Q – физическая
операция.
Описание физической операции (ФО) формализовано
можно представить состоящим из трех компонент:
Q = (А
т
, Е,
С
т
), или Q = (А
т
→ Е→ С
т
),
Таблица 1
Примеры описания потребности Р = f (Д, G, Н)
Наименование
ТО
Д G Н
Светильник
Электроплитка
Мельница
Грузовой
автомобиль
Путепровод
Термометр
освещение
нагревание
размалывание
перевозка
обеспечение
движения
измерение
помещение
емкость с жидкостью
зерна
грузы
автомобиля
температура
-
-
на муку
на дороге
через
препятствие
-
где А
т
,
С
т
– соответственно входной и выходной поток
(фактор) вещества, энергии или сигналов; Е - наименование
операции Коллера по превращению А
т
в
С
т
. Это описание
отвечает на вопросы «что» (А
т
), «как» (Е), «во что» (С
т
)
преобразуется с помощью описываемого ТО. Число входов А
т
,
действий Е и выходов С
т
в общем случае произвольное. В табл. 1
приведены примеры для описания ФО для ТО, указанных табл. 3.
На рис. 6. показана блок – схема физической операции.
Рис. 6. Блок – схема физической операции
Е
А
т
С
т
42
Между элементами ТО имеет место два вида связей и
соответственно два вида их структурной организации:
конструктивно - функциональные структуры (ФС) и потоковые
связи.
Конструктивная ФС представляет собой ориентированный
граф, вершинами которого являются наименования элементов ТО
или наименования операций Коллера Е, а ребрами - входные А
т
и
выходные С
т
функции (потоки) элементов (Табл. 2).
Потоковые связи – это элементы, реализуя определенные
физические операции, образуют поток преобразуемых или
превращаемых систем, энергии, сигналов или других факторов.
Например, в гидроэлектростанции на входе - поток воды с напором
20 м и с расходом 150 м
3
/с, а на выходе – электрический ток
напряжением 380 В и частотой 50 Гц. Каждый элемент как
самостоятельный ТО выполняет определенную функцию и
реализует определенную физическую операцию (ФО), т. е. между
элементами имеют место два вида связей и соответственно два вида
их структурной организации.
Таблица 2
Примеры описания физических операций
Наименование
ТО
А
т
Е С
т
Светильник
Электроплитка
Мельница
Грузовой
автомобиль
Путепровод
Электрический
термометр
Электрический ток
Электрический ток
Зерно + механическая
энергия
Топливо
Масса транспорта
(воспринимает
проезжая часть)
Электрический ток
Преобразование
Преобразование
Соединение
Преобразование
Передача
Преобразование и
сравнение
Световой поток
Теплота
Мука
Движение груза
Масса
транспорта
(воспринимают
опоры)
Электрический
ток
43
Такие потоки определенным образом объединяют и связывают
элементы ТО и соответственно их ФО (рис. 3.). В сложных ТО
часто присутствуют несколько взаимосвязанных потоков. В
потоковой ФС каждый элемент реализует определенную ФО. Такая
реализация происходит на основе одного или нескольких физико –
технических эффектов.
Под физико – техническими эффектами понимают различные
приложения физических законов, закономерностей
и следствий из
них, физические эффекты и явления, которые могут быть
использованы в технических устройствах.
Наиболее обобщенное качественное описание физико –
технического эффекта состоит из трех компонент:
(А, В, С), или (А→ В→ С),
где А – входной поток вещества, энергии или сигналов; С –
выходной поток; В – физический объект, обеспечивающий или
осуществляющий
преобразование А в С. Для входного А и
выходного С потоков, так же как и для компонент А
т
и С
т
, можно
указать носители потоков и их качественные и количественные
характеристики. В табл. 3 приведены примеры физико –
технических эффектов.
Таблица 3
Примеры описания физических эффектов.
Наименование физико –
технического эффекта
А
В С
Закон Джоуля - Ленца Электричес-
кий ток
Проводник Теплота
Закон Гука Сила Твердое тело Линейная
деформация
Термоэлектронная
эмиссия
Теплота
(нагревание)
Оксидная суспензия Поток
электронов
Пьезоэлектрический
эффект
Деформация
(сила)
Пьезокристалл Электрическ
ое поле
Ультразвуковой
капиллярный эффект
Ультразвук Жидкость в капилляре Подъем
жидкости
Под физическим принципом действия (ФПД) понимаем
ориентированный граф, вершинами которого являются
наименования физических объектов В, а ребрами – входные А и
выходные С потоки вещества, энергии и сигналов.
Выбор и реализация физического принципа действия (ФПД) ТС
и технологий – наиболее сложная задача инженерного творчества.
Инженер обычно знает до 200, а достаточно свободно использует
не
более 100 физико – технических эффектов (ФТЭ), хотя в научно-
44
технической литературе их описано более 3000. Кроме того, в связи
с возрастающими темпами развития науки и техники, ФТЭ постоянно
увеличивается. В прил. приведены некоторые наиболее
употребляемые в инженерном творчестве физические эффекты. В
наше время у разработчиков новой техники существуют методы
автоматизированного поиска новых методов ФПД.
Существуют элементарные структуры ФПД, которые
основываются на
одном ФТЭ. Формализованное описание
физической операции и ФТЭ можно представить в виде:
А
т
→ А, С
т
→ С.
Это означает, что для физической операции А
т
– «сила», С
т
–
«линейная деформация» будет найден ФТЭ : закон Гука (А – сила,
напряжение; С – линейная деформация, В – упругое тело), на
котором основаны весы. Схематическое описание ФТЭ приведены на
рис. 7.
Рис. 7. Схематическое описание ФТЭ : закона Гука
Существует другой тип элементарной структуры ФПД,
основанный на многократном или суммарном использовании одного
и того же ФТЭ. Например, в катушках индуктивности каждый виток
проводника реализует преобразование электрического тока в
электромагнитном поле.
Для совместных ФТЭ могут быть объединены, при этом
входное воздействие А
i
будут вызывать результат С
i
+1
, т. е.
получается преобразователь:
А
i
→ В
i
→ (С
i
↔ А
i+1
) → В
i+1
→ С
i
+1
.
Техническое решение (ТР) представляет собой конструктивное
оформление ФПД или ФС. При этом используются следующие
группы признаков:
- указание (перечень) основных элементов;
- взаимное расположение элементов в пространстве;
- способы и средства соединения и связи элементов между
собой;
- последовательность взаимодействия элементов во времени;
- особенности конструктивного исполнения элементов
(геометрическая форма, материал и
т. д.);
- принципиально важные соотношения параметров для ТО в
целом или отдельных элементов.
В
А С
45
Любой ТО можно мысленно расчленить на несколько
элементов, каждый из которых имеет вполне определенную функцию
(или функции) по обеспечению работы ТО или его элементов.
Неделимым элементом называют деталь с минимальным
числом функций (не менее 1) по обеспечению работы других
элементов (шарик в шарикоподшипнике, проводимая жидкость,
заостренная часть гвоздя и т.п.).
К главным элементам относят
рабочие органы и другие элементы, которые непосредственно
взаимодействуют с предметом обработки и другими объектами ОС.
При выделении главных элементов и соответствующих им объектов
ОС рекомендуется иметь ввиду, что физика главных элементов и
объекты ОС, как правило, совпадают с ТО.
§2. Модели технического объекта
Для оценки соответствия
требования и выбора лучшего
варианта ТС используют три типа моделей и соответственно три
способа и средства моделирования.
1. Мысленные или интуитивные модели. Их реализует человек
(эксперт), который на основе имеющихся знаний и опыта проводит
мысленно эксперименты с ТО с целью выявить его соответствие
требованиям или выбрать из двух вариантов наилучший
по
определенному показателю (критерию) качества.
Например, глядя на чертежи двух различающихся конструкций
путепроводов, эксперт может ответить на вопросы: выдержат ли они
задаваемую нагрузку или нет; у какой конструкции меньше
трудоемкость или расход бетона и т. д.
2. Математические модели. Они позволяют оценить
требования и критерии качества с помощью расчетных формул,
систем уравнений, алгоритмов и т. п. Для случая с путепроводом на
основании формул и уравнений строительной техники и
сопротивления материалов можно вычислить разрушающую и
допустимые нагрузки. Используя формулы определения объектов
тел, можно определить расход бетона, а с помощью специальной
методики (алгоритма) – трудоемкость их строительства.
3. Физические модели. С их помощью можно
оценить
требования и критерии качества путем реализации и испытания
самого ТО или его уменьшенных (иногда увеличенных) и часто
упрощенных образцов. Так, построенный путепровод можно
подвергнуть испытанию заданной нагрузкой, при строительстве
46
можно провести хронометраж и точно определить трудоемкость
изготовления.
В табл. 4 приведена относительная оценка различных способов
моделирования ТО.
Таблица 4
Относительная оценка различных способов моделирования ТО
Модели
Показатели
Мысленные Математические Физические
Точность оценки
требований
Низкая Средняя
(высокая)
Высокая
Временные
затраты на
оценку
требований
Малые Средние (малые) Большие
Стоимость
оценки
Низкая Средняя Высокая
Требованный вид
задач
Выбор ФО, ФС,
ФПД, ТР
Выбор ТР,
параметров
Выбор ТР,
параметров
§3. Окружающая среда технического объекта
Каждый ТО находится в определенном взаимодействии с
окружающей средой. Для конкретного ТО в качестве окружающей
среды могут выступать его надсистема, объекты неживой и живой
природы и другие ТО, которые находятся в функциональном или
вынужденном взаимодействии с рассматриваемым ТО и оказывают
заметное влияние на его проектно – конструкторское
решение.
Взаимодействие ТО может проходить по нескольким каналам
связи, которые легко разделить на две группы. Первая группа
включает потоки вещества, энергии и сигналов, передаваемые от
окружающей среды к техническому объекту:
А
т
– функционально - обусловленные входные воздействия
(входные потоки физической операции ФО); А
в
– вынужденные
входные воздействия (температура, влажность, пыль, насекомые и
др.). Вторая группа – это потоки, которые передаются от
рассматриваемого ТО окружающей среде (рис.10):
С
т
– функционально обусловленные выходные воздействия
(выходные потоки физической операции в ФО); С
в
– вынужденные
выходные воздействия (загрязнение воды, земли, воздуха, токи СВЧ
и т. д.).
47
ТО
А
т
С
т
С
в
А
в
В табл. 5 приведены примеры главных элементов и объектов
окружающей среды (ОС) и рис. 8.
Пример. Имеем трубопровод, проложенный в земле. Здесь: А
в
–
грунт, окружающий трубопровод; А
т –
жидкость, входящая в
трубопровод; С
т
– жидкость, вытекающая из трубопровода; С
в
–
загрязнение водоема, в который производится сброс сточных вод из
трубопровода; ТО – технический объект.
Рис. 8. Взаимодействие ТО с окружающей средой
Таблица 5
Примеры главных элементов и объектов окружающей среды (ОС)
Наименование
ТО
Объекты ОС Главные элементы Е
0
Функция главных
элементов,
совпадающая с ТО
Ручка для
письма
Бумага
Перо или шариковый
узел
Образует на бумаге
непрерывный
видимый след
произвольной
формы
Экскаватор Грунт Ковш
Зачерпывает,
транспортирует от
забоя до отвала и
выгружает грунт
Лампа
накаливания
Окружающие
объекты
Нить накаливания
Освещает
окружающие
объекты
Двигатель
внутреннего
сгорания
Вал Поршни и цилиндры Вращает вал
Трансформатор
Переменный
электрический
ток
Первичная обмотка,
вторичная обмотка и
ферромагнитный
сердечник
Изменяет
напряжение
переменного
электрического
тока
48
§4. Описание функций элементов и построение
конструктивной схемы ФС, технологического процесса,
материала и вещества
При описании элементов целесообразно в скобках
дублировать обозначения объектов ОС и других элементов,
которые участвуют в описании функции. Сами функции обозначим
буквами Ф
0
, Ф
1,
Ф
2
, … (индексы соответствуют обозначениям
элементов).
Результаты разделения ТО на элементы и описание их
функций оформляют в одной таблице анализа функций, и поэтому
оформляются в одной таблице одновременно. В табл. 6 приведен
пример составления для технического объекта – электроплитки.
Таблица 6.
Функция электроплитки нагревает емкость с жидкостью до кипения.
Элемент Функции
обозначение Наименование Обозначение Описание
Е
0
Спираль Ф
0
Нагревает емкость с
жидкостью (V
2
) до кипения
Е
1
Провод Ф
1
Проводит ток от электросети
(V
1
) до спирали (Е
0
)
Е
2
Разъем Ф
2
Соединяет и разъединяет
провод Е
1
с электросетью (V
1
)
Е
3
Огнеупорный
элемент
Ф
3
1
Уменьшает тепловое
воздействие спирали (Е
0
) на
стол (V
3
)
Ф
3
11
Поддерживает спираль Е
0
в
определенном положении
Ф
3
111
Изолирует спираль (Е
0
)
Е
4
Корпус Ф
4
Передает воздействие массы
емкости с жидкостью (V
2
) на
стол (V
3
)
Конструктивная ФС представляет собой ориентированный
граф, вершинами которого являются наименования элементов ТО
и объектов ОС, а ребрами - функции элементов. При построении
ФС сначала изображают вершины. В вершинах, представляющих
собой прямоугольники или овалы, указывают обозначения (в
соответствии с таблицей «Анализ функций» ТС или ТО) и
наименования объектов ОС и элементов. После
этого строят
направленные ребра графа. Ребра выходят из вершин – элементов,
чьи функции они описывают, и заканчиваются в вершинах своего
49
или другого ряда, работу которых они обеспечивают, или
взаимодействующих с рассматриваемым элементом. Из каждой
вершины – элемента выходит столько ребер, сколько функций
имеет элемент. Конструктивная ФС может иметь ребра двух
типов:
первый тип – простые ребра, начинающиеся в одной вершине
и заканчивающиеся в другой единственной вершине;
второй тип -- описывают функции элементов, которые
обеспечивают соединение (примыкание) или взаимодействие
между другими одним или несколькими элементами и объектами,
в том числе и объектами ОС.
Всем ребрам на графе присваивают обозначения,
совпадающие с обозначениями соответствующих функций
элементов. Вершины графа (при их графическом изображении)
рекомендуется располагать в таком порядке, чтобы было
минимальное число пересечений ребер и чтобы
вершины,
связанные ребрам, были ближе друг к другу. При этом число рядов
может быть увеличено.
Рис. 9. Конструктивная ФС бытовой электроплитки
Аналогично анализу функций ТО может быть проведен
анализ технологических процессов, материалов и веществ. При
этом для технологических процессов ФС представляет собой граф,
вершинами которого являются обрабатываемые объекты Е, а
ребрами -- элементарные операции ФО с указанием режимов
обработки. У материалов и веществ к вершинам относятся
компоненты Е, из которых состоит материал, а
ребрами --
функции компонентов ФО.
50
На рис. 9 изображены конструктивные ФС, построенные по
данным табл. 8. Конструктивная схема ФС представляет собой
четырехуровневую структуру (по горизонтали сверху вниз):
1 – й уровень: ТС
2 – й уровень: объекты ОС;
3 – й уровень: объекты ФО;
4 – й уровень: элементы ТО.
Имеются функциональные узловые точки 1, 2, 3, 4 - второй
тип конструктивной ФС. Уровень, полученный путем
совмещением наложенных функций
, которые реализуются
конструкторскими и технологическими решениями. Эти точки
могут также реализоваться физическими принципами действия
(ФПД) и физическими эффектами (ФЭ). Стрелками показаны
конечные соединения элементов 2 – го и 4 – го уровней, а
пунктирными линиями - их составляющие.
Рассмотрим узловые точки, показанные на рис. 6.
Точка 1 - узел, в котором реализуется функция соединения
электросети с проводом
электроплитки: 1
1
– функция соединения
разъема с электросетью; 1
11
- функция соединения разъема с
проводом электроплитки. Точка 1 является также точкой
конструктивного и технологического исполнения указанных
функций, точкой приложения конкретных ФПД и ФЭ. Например,
ФПД - практическая реализация соединения разъема и провода
электроплитки можно осуществить скруткой, пайкой, зажимом и т.
д. При этом можно использовать несколько ФЭ – прил. п.п. 57, 58,
114, 71, закон Гука
и др.
Точка 2 - узел, в котором реализуется функция соединения
электросети со спиралью: 2
1
- функция соединения провода
электроплитки с электросетью; 2
11
- функция соединения провода
электроплитки со спиралью. Точка 1 является также точкой
конструктивного и технологического исполнения указанных
функций, точкой приложения конкретных ФПД и ФЭ. Например,
ФПД - практическая реализация соединения разъема и провода
электроплитки можно осуществить скруткой, пайкой, зажимом и т.
д. При этом можно использовать несколько ФЭ – прил. п.п. 57,
58, 71, 114, закон Гука
и др.
Точка 3 - узел, в котором реализуется функция нагрева стола
от спирали: 3
1
- реализуется функция нагрева стола от
огнеупорного элемента; 3
11
- реализуется функция нагрева