Поисковое проектирование машин и технологий

________________________________________А. В. Согин, И.А. Согин, 2012
УДК:
А. В. Согин, И.А. Согин
ПОИСКОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН И ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ
ПОДВОДНЫХ САПРОПЕЛЕВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДОЕМОВ
Рассмотрено построение графа – дерево функций условной технологической
системы процесса разработки сапропелевых отложений и очистки водоема.
Сформирована
морфологическая
матрица,
дающая
возможность
производить поиск и выбор технологий и технических средств.
_____________________________________________________________________________
Во многих водоемах РФ накоплены огромные резервы сапропелевых
донных отложений, их общий запас исчисляется миллиардами кубических
метров.
Сапропелевые отложения изменяют качество воды, приводят к
нарушению
биологического
равновесия
в
водоеме,
к
подавлению
самоочищения водоема и изменению экосистемы. Для получения источников
чистой воды, органических удобрений для сельского хозяйства необходима
целенаправленная программа по их разработке.
Разработка сапропелевых отложений в конечном счете приводит к
очистке водоемов и получению сапропелевых удобрений и накоплению
резерва чистой воды, что является чрезвычайно важной задачей на
сегодняшний день.
Анализ существующей техники показывает, что в России в настоящее
время нет необходимых и совершенных машин, с помощью которых могла
бы решаться поставленная задача, и поэтому стоит острейшая потребность в
создании таких машин.
Создание надлежащей техники затруднено тем, что не разработаны
основы к процессу проектирования, идет поиск технических решений.
В ООО «Сапропель» осуществляется поисковое проектирование машин
и технологий по добыче сапропеля и очистке водоемов на основе
функционально-структурного подхода к созданию таких машин.
1
Сущность предлагаемого метода заключается в следующем.
Формулируется общественная потребность {P} — добыча сапропеля и
очистка водоемов, с указанием действий над объектом {D}, особых условий,
в которых находится объект {G} и особых условий и ограничений, при
котором выполняется действие {D} [1],[2],[3].
P  D; G; Q ,
где
(1)
D — забор сапропеля и транспортирование его на берег;
G — сапропель находится в залежи на дне водоема;
Q — сапропель должен забираться в естественной залежи.
Сформулированная общественная потребность {Р} — добыча сапропеля
и очистка водоемов от донных отложений, может быть реализована с
помощью определенной машины или комплекса машин, которым присуща
техническая
целевая
функция
{F0},
отвечающая
удовлетворению
потребности {P}; {P  F0}
В нашей задаче целевую функцию можно сформулировать следующим
образом:
{F0}
—
забор
иловых
отложений
на
дне
водоема
и
транспортирование их на берег.
После
этого
проводится
функциональный
анализ
условной
технологической системы. Сущность анализа состоит в расчленении целого
на образующие его компоненты, части, в выделении и изучении функций
каждой из частей [4]. При предметном анализе система расчленяется на
образующие компоненты (элементы). Расчленение системного объекта
производится не произвольно, а в соответствии с присущими ему
закономерностями, его функциями и его структурой с учетом состава
компонентов и внутрисистемных связей. Анализ производится с тем
расчетом, чтобы была возможность воссоздания системы в ее исходном
облике.
2
При анализе условной технико-технологической системы определяются
основные
функции
{Fi},
которые
необходимо
выполнять
условной
технической системе (рис. 1). В нашем случае:
F1 — отделение сапропелево-иловых отложений от дна водоема;
F2 — забор сапропелево-иловых отложений;
F3 — транспортирование сапропелево-иловых отложений на берег;
F4 — рабочее перемещение в процессе разработки;
F5 — передвижение по суше с одного участка работы на другой;
F6 — использование и преобразование энергии.
F6
F5
E2
Поле, берег
F4
F3
F2
F1
E1
Водоем
Рис. 1. Функции, осуществляемые условной технологической системой
в процессе добычи сапропеля и очистки водоемов
Все
указанные
основные
формирование целевой функции
технические
F0  Fi
функции
осуществляют
. В дальнейшем производится
декомпозиция функций технической системы и построение дерева функций
(рис. 2).
3
Формирование дерева функций представляет процесс декомпозиции
0
целевой ( F ) и множества основных функций на более элементарные
функции, реализуемые на последующих уровнях декомпозиции. Такое
формирование целесообразно проводить на основе обобщения ряда
прототипов, выделяя в них характерные функциональные элементы и
формируя для них обобщенные функции.
F11.1
F1
F11
F11.2
F21
F11. j
F1
F0
Fj
Fi
Fj.n
Fi
Fi. j
Рис. 2. Декомпозиция функций технического объекта
4
Декомпозиция множества функций производится до принятой системы
детализации, то есть в соответствии с имеющейся в распоряжении
проектировщика совокупностью узловых структур, сборочных единиц
функциональных элементов.
Как правило, в процессе декомпозиции выделяются несколько уровней
системы, определяющих степень детализации описания реализуемых
функций.
Нулевому уровню соответствует целевая функция F 0 .
На первом уровне осуществляется декомпозиция целевой функции и
формирование основных функций F i .
На втором уровне производится разделение основных функций, которые
соответствуют функциям отдельных подсистем.
Третий уровень отражает декомпозицию функций отдельных подсистем
и выражает элементарные функции f i . Следовательно, при формировании
дерева функций каждая из функций конкретно взятого (j)-го уровня — может
рассматриваться как макрофункция по отношению к реализующим ее
функциям (j + 1)-го уровня и как элементарная функция по отношению к
соответствующей функции верхнего (j – 1)-го уровня. При формировании
обобщенного дерева функций технических систем, способных производить
добычу сапропеля, произведен тщательный анализ функций системпрототипов
и
представлена
декомпозиция
функций,
состоящих
из
следующих уровней.
Уровень
0.
Соответствует
функциональному
назначению
проектируемой системы и система, на данном уровне, рассматривается как
целостный функциональный модуль, предназначенный для воспроизведения
 
0
целевой функции — F : F 0 — забор сапропеля на дне водоема и подача
его на берег.
5
У р о в е н ь 1 . Отражает функциональную ориентацию отдельных ее
подсистем.
Элементами
этого
уровня
являются
функциональные
 
i
подсистемы, реализующие основные функции — F .
Уровень
2 . Отражает варианты реализации основных функций.
Структурными элементами этого уровня являются различные варианты
функциональных подсистем — агрегатов, узлов, блоков, множество которых
определяется из соображений полноты реализации основных функций.
F1
1 1
F  1
 F2
— отделение сапропеля рыхлением;
— отделение сапропеля без рыхления.
 F12 — забор сапропеля землесосами;
F  2 — забор сапропеля черепками.
 F2
F 3 — транспортирование сапропеля непрерывное;
3 1
F  3
F2 — транспортирование циклическое.
F4
4  1 — маневренное рабочее перемещение;
F  4
F2 — рабочее перемещение с ограничением маневра.
2
F5
5 1
F  5
F2
— самоходное перемещение;
F6
6 1
F  6
F2
— использование электрическое энергии;
— несамоходное перемещение.
— использование энергии жидкого топлива.
Уровень
3 . Этот уровень отражает функции, воспроизводимые
отдельными элементами системы — агрегатами, блоками, узлами, деталями,
которые связаны с выполнением элементарных функций.
 f111 — отделение сапропеля рыхлением гидравлическим способом;

F11  f112 — отделение сапропеля рыхлением фрезерным способом;
 f 1 — отделение сапропеля рыхлением роторно-винтовым способом.
 13
 f 211 — отделение сапропеля без рыхления с помощью черпаков;

F21  f 21 2 — отделение сапропеля без рыхления засасыванием;
 f 1 — отделение сапропеля без рыхления с помощью скреперов.
 2 3
Таким образом, происходит рассмотрение всех остальных функций.
6
Функционирование системы определяется вектором функционирования
основных функций
F 0  F 1 , F 2 ,...F n  ,
(1)
а каждая основная функция вектором функционирования элементарных
функций
F i   f1i , f 2i ,... f ni  ,
Для каждой выделенной элементарной функции
(2)
f i 
находится
техническое исполнение этой функции — конечный элемент, элементарная
структура vi  .
Машину можно рассматривать как совокупность ветвей
 vi , каждая
из которых заканчивается соответствующим конечных элементом — vi  .
Поскольку каждая вновь может делиться многократно, то следует различать
также уровни подветвей
vi  (рис. 3).
Рис. 3. Декомпозиция функций и структуры системы
7
Анализ разновидностей подветвей, приведенных на рис. 3, показывает,
что с увеличением точек разветвления количество конечных элементов или
последующих точек разветвления как минимум удваивается.
Для более полного и четкого представления о создаваемом объекте
i
i
i
i
i i
функции F , F , f ,i и варианты их технического исполнения V ,V , v,i
можно
представить
в
одной
таблице,
которая
будет
отражать
функционально-структурную связь. При этом в варианты технического
исполнения записывают не только существующие технические решения, но и
возможные решения, основанные на различных принципах действия,
которые способны выполнить элементарную функцию.
Расположение показателей функционирования и структурных вариантов
в форме одной таблицы позволяет лучше представить проектируемый объект
и поле поиска. Под поиском здесь будем понимать последовательность
операций выбора из представленной таблицы варианта организации
структуры технической системы v1 .
При создании структуры технического объекта следует выбирать по
i
одной элементарной функции f  Fi , что будет необходимо и достаточно
для реализации каждой основной функции Fi .
Перебирая все возможные сочетания технического исполнения основных функций, можно определить допустимое множество решений — N i .
8
Функционально-структурное представление проектируемого объекта
f 11.1
Варианты организации
структуры объекта
V1
V2
V3
…
Vj
…
Конструкции сопел и их расположение v1111  v111n
f11.2
Конструкции фрез v1124  v112n
f 113
Конструкции вращающихся ковшей v1131  v113n
f 211
Отдельные черпаки, ковши и т.д.  2111  v 121n
f 212
Исполнение грунтоприемников v1221  v122n
f 213
Конструкции скреперных установок v1231  v123n
f 121
Землесосы центробежного типа v1211  v121n
f122
Землесосы-эжекторы v1221  v122n
f 123
Землесосы-эрлифты v1231  v123n
f 221
Конструкции многочерпаковых устройств v 2211  v 221n
f 222
Одночерпаковые штанговые устройства v 2221  v 222n
f 223
Одночерпаковые грейферные устройства v 2231  v 223n
f 131
Конструкции трубопровода v1311  v131n
f132
Конструкции конических насадок v1321  v132n
f 133
Конструкции лотков v1331  v133n
f134
Конструкции конвейеров v1341  v134n
f 231
Разновидности шаланд v 2311  v 231n
Совокупность
необходимых
функций F
F11
1
F
F21
F12
2
F
F22
3
1
F
3
F
F23
F14
F4
F24
f 232
Плавучие
v
3
221
v
средства
с
землесосными
Vn
установками
3
22n
f 233
Транспортирующие рабочие органы v 2331  v 233n
f 141
Движители для воды v1411  v141n
f142
Движители по грунтовой поверхности v1421  v142n
f 143
Движители для воздушной среды v1431  v143n
f 241
Якорные конструкции v 2411  v 241n
f 242
Конструкции свайных аппаратов v 2421  v242n
f 243
Свайно-якорные устройства v 2431  v 243n
9
Продолжение табл. 1
f
F5
F15
F25
F16
5
11
F
f 263
v
5
11n
f152
Гусеничные движители v1521  v152n
f 153
Роторно-винтовые движители v1531  v153n
f154
Прочие движители для наземного транспорта v1541  v154n
f 251
Конструкции трейлеров v 2511  v 251n
f 252
Конструкции специальных тележек v 2521  v252n
f 253
Конструкции волокуш v 2531  v 253n
f 161
Электрические энергетические установки v1611  v161n
f162
f 261
6
Колесные движители v
5
111
f 262
f 263
Электрогидравлические энергетические установки
v1621  v162n
Дизельные энергетические установки v 2611  v 261n
Дизель-электрические энергетические установки
v 2621  v 262n
Дизель-гидравлические энергетические установки
v 2631  v 263n
Возможное количество вариантов
Ni  определяется
произведением
количеств вариантов структур по реализации каждой основной функции
N i  v1  v 2  v 3 ...v i ;
v1   v1 , j ,n ;
v 2   v2, j ,n ;
vi   vi , j ,n .
Выбор и создание оптимального варианта машины весьма трудоемкий
процесс, который требует учета многих факторов, связанных с требованиями
промышленности, комплексной оценки и взаимосвязи с окружающей средой
и человеком.
Комплексное рассмотрение всех вопросов, касающихся процесса
проектирования и создания таких машин должно быть основано на
10
системных подходах, а в теории систем все задачи принято делить на две
группы: задачи анализа — разделение целого на части и задачи синтеза —
соединение целого из частей. Этапы анализа и синтеза диалектически
взаимосвязаны и взаимно дополняют друг друга.
Машина — это функциональная техническая система и при ее
создании приходится сталкиваться с разрешением проблемы синтеза.
Формулировка и решение задачи синтеза представляет собой весьма
сложную задачу. Представим процесс проектирования машин для добычи
сапропеля в виде "черного ящика", как это принято в кибернетике (рис. 4), с
входом и выходом и двумя блоками — блок анализа (А) и блок синтеза (С) [5].
Рис. 4. Условное изображение процесса проектирования новой машины
Вход
V относится к внутренней стороне объекта, характеризует его
структуру, выход K
относится к внешней стороне и характеризует
выполнение объектом определенных функций.
Внутреннее состояние можно представить вектором состояния
или структурой объекта:
V  1 ,...,  i ,...,  v  ,
11
где  i есть i-я составляющая вектора
V , или просто i-я переменная
i  i, v  .
При этом
v
характеризует размерность объекта, связана со структурой и
ее сложностью.
Выполняемые объектом функции Fi можно представить вектором
функций:

Fi   f i ,......, f  ,..., f n ,   i, n
Качественное
проявление
этих

функций
характеризуются
определенными свойствами, а их количественное выражение —
показателями качества.
В
итоге
функционирование
объекта
характеризуется
вектором
обобщенного показателя качества:
K  ki ,..., k ,..., k n  ,
где K  есть  -й единичный показатель качества
  i, n .
Число n
связано с многофункциональностью объекта и определяет его сложность.
В практике при разработке проектно-конструкторской документации в
техническом задании (ТЗ) указываются определенные требования к
машине, выполняемые ею функции Fi , устанавливается совокупность
свойств и единичных показателей качества K  .
В качестве же исходного вектора V выступает сам объект — машина, с
входящими в нее технически реализованными составляющими вектора V ,
в виде отдельных блоков и структурных элементов этой разработки V .
Исходя из кибернетического описания объекта проектирования
функции блоков (А) и (С) могут быть представлены следующим образом.
12
Функция блока (А): задан вектор V , определить вектор K . Это так
называемая задача анализа (А) — прямая задача. Задача анализа (А) —
задана структура объекта, определить ее функциональные и качественные
показатели.
Функция блока (С): задан вектор K , определить вектор V , задача
синтеза — обратная задача.
Под синтезом в данном случае понимается поиск таких значений

составляющих!  i  

вектора состояния V
системы (технических
решений, структурных составляющих), которые бы обеспечили заданные


или наилучшие значения единичных показателей K    , n технической
системы, при этом записанный как вектор обобщенный показатель
качества K при решении конкретных задач сводится к скалярной задаче
синтеза.
Блоки А и С объединены линиями связи таким образом, что образуют
непрерывный интеративный процесс в замкнутом виде.
Пусть на первом шаге процесса создания машины на вход блока А
подано исходное состояние Vi i  1 .
При решении блоком задачи анализа получено значение обобщенного
показателя качества, равное K1 . В большинстве случаев это значение не
равно заданному или оптимальному K 0 , т. е.
K t  K 0 . Тогда на вход
0
блока синтеза С поступает показатель качества K  K  , а на его выходе в
соответствии с решением задачи синтеза находится вектор состояния V2 и
подается снова на вход блока А. Так осуществляется многошаговый
итерационный процесс А.
1-й шаг. Задача анализа A: V1  K1 ;
K1  K 0 .
0
Задача синтеза С: K  K1  V2 .
13
2-й шаг. Задача синтеза A: V2  K 2 ;
K2  K 0 .
0
Задача синтеза С: K  K 2  V3 .
i-й шаг.
Задача синтеза А: Vi  Ki ;
Ki  K 0 .
0
Задача синтеза С: K  Ki  Vi .
m-й шаг. Задача анализа A: Vm  K m ;
На
определенном
m-ном
Km  K 0
Km  K 0 ,
шаге
в
этом
случае
заканчивается.
Введенные обозначения и определения позволяют дать общую
математическую
постановку
задачи
синтеза
различных
устройств,
механических систем, машин. Пусть множество D допустимых состояний
технической системы имеет конечное число i элементов  V   1, i  , в
виде
всех
допустимых
решений
поставленной
задачи.
Целью
0
проектирования является выбор такого вектора состояния V  V (его
варианта технической системы), при котором достигается возможно
большее значение обобщенного показателя качества системы:
 
K 0  K V0  max
Найденный вариант
 .
K V
V 0 системы будет оптимальным.
Основные критерии качества машин для добычи сапропеля и очистки
водоемов в общем виде приведены в работе [6].
Поиск оптимального решения из множества допустимых состояний D
— это ответственный шаг и в основном зависит от профессионализма и
качества работы конструктора, так как до настоящего времени не существует
каких-либо практических и универсальных критериев оценки эффективности
всевозможных решений.
14
В ООО «Сапропель» на таком принципе создаются землесосные
снаряды для очистки водоемов и для добычи сапропеля. Полный
технологический цикл поискового проектирования представлен на рис. 5.
ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНЫЙ ПОДХОД И ПОИСКОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
МАШИН ДЛЯ ДОБЫЧИ САПРОПЕЛЯ И
ОЧИСТКИ ВОДОЕМОВ ОТ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
Функции, осуществляемые условной
технологической системой в процессе
разработки и донного грунта
Общественная
потребность
Декомпозиция функций и
структуры системы
Р  D , G , Q 
Единство функций и
структуры системы
Р  Fi  S i
Промышленный образец земснаряда ,
созданный в ООО "Сапропель"
Синтез структур
F 1UF 2UF 3  S1iUS2iUS3i  Si
Показатели качества, ресурсы, сроки

K i Wi , Ti   K * W * , T *

Рис 5. Функционально-структурный подход и поисковое
проектирование машин для очистки водоемов от донных отложений.
На рис.6 показан изготовленный земснаряд в работе при очистке
канала инженерной защиты Чебоксарского водохранилища (пос. Фокино,
Воротынский район).
15
Рисунок 6. Работа земснаряда на очистке канала инженерной защиты Чебоксарского водохранилища
(Фокинская сельхознизина Нижегородская обл.)
Разработанная
методология
проектирования
машин
для
добычи
сапропеля и очистки водоемов на основе функционально-структурного
подхода позволяет наиболее эффективно осуществлять поиск технических
решений, ускоренно и целенаправленно создавать перспективные машины.
______________________________________________________СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Половинкин
А.И.
Основы
инженерного
творчества.
М.:
Машиностроение, 1988. С. 23.
2. Согин А.В. Основные принципы создания машин и технологий для
добычи
сапропеля
на
основе
системного
подхода
//
Совершенствование сельскохозяйственной техники, применяемой в
животноводстве: Сб. науч. тр. / Горьковский с.-х. ин-т. Горький, 1990.
3. Согин А.В. Функционально-структурный подход к разработке мобильных
машин для добычи сапропеля // Совершенствование эксплуатационных
качеств
тракторов
и
автомобилей
и
использование
машинотракторного парка. Сб. науч. тр. / Горьковский с.-х. ин-т.
Горький, 1986.
16
4. Балашов Е.П. Эволюционный синтез систем. М.: Радио и связь, 1985.
221 с.
5. Воинов Б.С. Информационные технологии и системы. М.: Наука,
2003. С. 45.
6. Согин А.В. Логическая модель формирования критериев качества машин
для добычи сапропеля // Улучшение эксплуатационных качеств
тракторов и автомобилей: Сб. научн. тр. / Горьковский с.-х. ин-т.
Горький, 1990.
7. Васильев А.Л. Модульный принцип формирования техники. М.: Изд-во
стандартов, 1989. 238 с.
8. Базров
Б.М.
Модульная
технология
в
машиностроении.
М.:
Машиностроение, 2001. 23 с.
9. Патент РФ на полезную модель № 32142 «Землесосный снаряд».
Патентообладатель: ООО «Сапропель», автор: Согин А.В. Срок действия
патента до 4 апреля 2008 г.
10. Патент РФ на промышленный образец № 54841
«Земснаряд».
Патентообладатель: ООО «Сапропель», автор: Согин А.В. Федеральный
институт промышленной собственности. Срок действия патента до 04
апреля 2013 г.
Коротко об авторах
Согин А.В. – доктор технических наук, доцент, директор ООО «Сапропель»
Согин И.А. – заместитель директора ООО «Сапропель»
17