Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры

образуют множество функциональных структур              .  На рис.

2.2 показано множество типовых функциональных  структур  ВКА,  где

вершины                 - основные базовые функции ВКА (см.  табл.

2.2).

     В свою  очередь  каждой базовой функции     можно поставить в

соответствие некий реализующий ее  обобщенный  родовой  элемент  -

функциональный модуль,  являющийся абстрактным объектом    , обла-

дающим неким множеством общих свойств и имеющим множество  вариан-

тов  исполнения,  которые наследуют общие свойства ФМ и отличаются

от него оригинальными свойствами [119]. Таким образом, абстрактная

структура                имеет множество взаимосвязанных абстракт-

ных родовых элементов          , исполняющих базовые функции    .

     Установим требуемые  соответствия            :      - функция

привода (ФМ );     - множество типов приводов;     - функция меха-

низма  преобразования движения (ФМ );      - множество механизмов;

    - функция вакуумного ввода движения (ФМ );     - множество ти-

пов вводов движения;      - функция механизма перемещения уплотни-

тельного диска и герметизации (ФМ );      - множество  механизмов;

    - функция уплотнительной пары (ФМ ) - условного ФМ, образуемо-

го седлом и уплотнительным диском;      - множество типов уплотни-

тельных  пар;      - функция корпуса (ФМ );      - множество типов

корпусов.  На рис. 2.3 показано множество обобщенных структур    .

ВКА,  в котором вершины    ,     = 1,6 - вышеописанные абстрактные

ФМ.

     Структура     является основой для построения морфологической

структуры     ВКА,  которую  с  позиций  функционально-схемотехни-

ческого  проектирования ВКА целесообразно и достаточно представить

двухуровневым деревом. Первый уровень - ВКА как техническая систе-

ма  в целом,  второй уровень - функциональные модули ВКА,  где П -

                              - 50 -

привод; ВД - вакуумный ввод движения; УП - уплотнительная пара; М1

- механизм преобразования движения;  М2 - механизм перемещения уп-

лотнительного диска; К - корпус. Намечен третий иерархический уро-

вень   -   множество   вариантов   ФМ.  Морфологическая  структура

          ,          имеет два подмножества вершин:              -

типы ФМ (вершины "и") и             - множество вариантов исполне-

ния типов     (вершины "или"), а также два подмножества отношений:

    - отношения включения между элементами    ,      - родовидовые

отношения между     и     .  Структура     описывается графом типа

дерева,  представленном на рис.  2.4,  где    - вершины "и",     -

вершины "или" (конкретизация графа - рис. 1.12). Возможно дальней-

шее  расширение данного дерева и вглубь и в ширину.  При этом раз-

ветвление дерева произойдет в случае появления новых вариантов  ФМ

в  результате анализа возможности применения в ВКА их существующих

воплощений (например,  электрических приводов [71]) или  появления

новых дополнительных ФМ [79].

     Замена абстрактных элементов     вариантами их исполнения

    образует вариантную структуру             .

     Если на множестве конкретных вариантов      ввести  отношения

соединения    ,  получим множество элементных структур           .

При этом декартово произведение                                  ,

определяет множество всевозможных вариантов решений      для обоб-

щенной структуры ВКА.  Отличие структуры     от     состоит в том,

что   множество  элементов  в  ней  имеет  конкретное  имя  вместо

абстрактного,  а абстрактные отношения связи     заменены на конк-

ретные отношения соединения     .  На рис. 2.5 показан граф струк-

туры      одного из вариантов ВКА [120] (рис.  1.4,  а), в котором

вершины:        - "ручной привод",      - "эксцентриковый механизм

преобразования движения",      - "сильфонный ввод движения в ваку-

ум",      - "рычажный механизм перемещения уплотнительного диска",

                              - 53 -

     - "резино-металлическая уплотнительная пара",      - "проход-

ной корпус".

     Компоновочная структура      есть развитие графа    , отража-

ющая компоновку ВКА:              ,  где     - множество элементов

из    ;       -  множество  пространственных  отношений  взаимного

расположения, принадлежности, направления, характеризуемых поняти-

ями типа  "перпендикулярно",  "параллельно",  "соосно",  "внутри",

"снаружи", "по оси Х" и т.п.

     Таким образом, ВКА представляет собой некий состав определен-

ным образом взаиморасположенных и взаимосвязанных ФМ, что позволя-

ет сформулировать следующие утверждения, объясняющие некоторые ра-

нее приведенные положения.

     Утверждение 1.  В структуре ВКА обязательно существуют привод

и  уплотнительная пара,  в противном случае ВКА функционировать не

будет.

     Утверждение 2.  В  случае  корпусного выполнения ВКА уплотни-

тельная пара всегда расположена внутри корпуса,  в  то  время  как

привод расположен с внешней стороны корпуса.

     Следует отметить, что в ВТО бескорпусное выполнение ВКА прак-

тически не используется.

     В соответствии с утверждением 2 передача движения от ФМ "при-

вод"  к  элементу  "уплотнительный диск" ФМ  "уплотнительная пара"

влечет за собой появление обязательного ФМ  "ввод движения в ваку-

ум"  (с  новой  рабочей функцией       "передавать движение из ат-

мосферы в вакуум"),  связанного с ФМ  "корпус" (функция       "со-

держать вакуумную среду"), определяющего взаимосвязь ФМ:

               ФМ          ФМ  (ФМ  )        ФМ              (2.8)

где         - знак отношения следования.

     Перечисленные ФМ являются для ВКА  основными  (обязательными)

ФМ,   что   подтверждает  и  проведенный  анализ  ее  существующих

                              - 54 -

конструкций (п. 1.2).

     Каждый из   перечисленных  ФМ  обладает  собственным  набором

свойств, позволяющих реализовать свою рабочую функцию     и харак-

теризуемых  согласно (2.7) соответствующими        и        .  При

этом главным условием возможности сопряжения ФМ является  идентич-

ность        предшествующего ФМ (с функцией    ) с       последую-

щего ФМ (с функцией    ).  В случае несогласования     и    , т.е.

при                 ,  необходимо включение ФМ (со вспомогательной

функцией     ) такого, что:

                            и                             (2.9)

     Из этого вытекает следующее утверждение:

     Утверждение 3. Если значения функциональных параметров сопря-

гаемых ФМ ВКА не совпадают,  то между ними располагается вспомога-

тельный ФМ, их согласующий.

     Предположив, что в общем случае      и      ФМ из (2.8) между

собой не согласованы, введем по каждому следованию вспомогательные

ФМ.  Поскольку такими параметрами основных  ФМ  являются  характе-

ристики  движения,  то вспомогательными ФМ ВКА являются механизмы,

что нашло отражение в таблице 2.2 и в описании структуры    ,  где

каждой     поставлен в соответствие определенный ФМ -     .

     При этом множество функций       для всех действий ВКА форми-

рует  полную  функциональную структуру и соответствующие ей полную

абстрактную и вариантную структуры, включающие максимально возмож-

ное  количество ФМ,  реализующих основную функцию     .  Например,

согласно таблице 2.2,  ВКА может иметь до  трех  приводов,  вводов

движения и соответственное число механизмов [121]. Подобные струк-

туры весьма сложны,  а при необходимости дальнейшего членения  ВКА

получаются громоздкими и труднообозримыми,  поэтому при рассмотре-

нии целесообразно проводить их декомпозицию путем разбиения на от-

дельные фрагменты [119]. Обобщенные структуры     (рис. 2.3) отоб-

                              - 55 -

ражают данный подход, используя тождество функций:

                                            = 1,4         (2.10)

     Следующим этапом системного анализа ВКА является  определение

ее свойств.

     2.3. Свойства ВКА и ее структурных составляющих.

     Важность определения  свойств  в конструировании ВКА заключа-

ется в том,  что ее интегративные свойства, заданные в виде требо-

ваний в ТЗ, определяются свойствами структурных составляющих (ФМ),

которые, образуя при взаимодействии структуру ВКА, порождают новые

свойства ВКА как целого.

     Конкретизация свойств требует анализа окружения ВКА -  всего,

не  принадлежащего ВКА,  но связанного с ней и оказывающего на нее

существенное влияние,  которое можно представить состоящим из сле-

дующих компонентов:

                                                          (2.11)

где  соответственно:       - управляющие объекты (человек,  робот,

ЭВМ);      - эксплуатация на всех стадиях существования ВКА;     -

взаимодействующие (сопряженные) ТО (камеры,  трубопроводы и т.п.);

     -  производство;       -  технологический  процесс,  которому

способствует  ВКА;      - изготавливаемое изделие;      - источник

энергии;      - режимы функционирования;      -  окружающая  среда

эксплуатации.

     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-

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8