Построение конструктивной функциональной структуры технического объекта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

ПОСТРОЕНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Создание и выпуск изделий на уровне лучших мировых образцов требуют углубленного изучения конструкции и структуры технических объектов, которые требуется усовершенствовать. При таком изучении в первую очередь необходимо понять и уточнить следующее:

- какие функции выполняет каждый элемент технического объекта и.

- как элементы функционально связаны между собой;

- какие физические операции (преобразования) выполняет каждые элемент и как они взаимосвязаны между собой:

- на основе каких физико-технических эффектов работает каждый элемент технического объекта и как они взаимосвязаны между собой.

При выяснении этих вопросов появляётся четкое и цельное представления об устройстве технического объекта, который требуется усовершенствовать, функциональной и физической точек зрения. Без такого представления затруднительно заниматься поиском наиболее эффективного нового технического решения.

Техническим объектом (ТО) называется созданное человеком или автоматом реально существующее (существовавшее) устройство, предназначенное для удовлетворения определенной потребности. К ТО можно отнести отдельные машины, аппараты, приборы, ручные орудия труда одежду, здания, сооружения и т.п.. устройства, выполняющие определенную функцию (операцию) по преобразованию объектов живой и неживой природы, энергии или информационных сигналов. К ТО также относится любой из элементов (агрегат, блок, узел1 деталь), из которых состоят машины, аппараты и т.д., а также любой из комплексов взаимосвязанных машин, аппаратов, приборов. Это может быть технологическая линия, цех, завод и т.п.

Существует иерархическое соподчинение ТО различных уровней. Так, например, машины или ,станки являются элементами технологической линии или цеха. Станки состоят из узлов и деталей, т.е. почти у любого ТО существует надсистема (другой ТО), в которую он функционально включается или входит как отдельный элемент.

Любой ТО (кроме неделимых элементов) может быть разделен на несколько укрупненных функциональных элементов, каждый из которых должен иметь минимальное число (не менее одной) определенных функций. Такое разделение обычно соответствует установившемуся в инженерной практика конструктивному разделению на агрегаты, блоки, узлы, детали, части деталей и неделимые элементы.

Узлом ТО называется множество конструктивно связанных деталей, в совокупности выполняющих хотя бы одну функцию по обеспечению работы других. элементов рассматриваемого ТО или самого ТО.

Деталью ТО называется отдельное тело из однородного материала, имеющее множество определенных форм и выполняющее хотя бы одну функцию по обеспечению работы других элементов ТО или самого ТО.

Детали могут быть выполнены из твердых, упругих, пластичных, жидких или газообразных материалов, например резиновая камера, воздух и детали ниппельного узла в колесе автомобиля, пламя газовой горелки и т.д.

Неделимым элементом - называется деталь (или часть детали) с минимальным числом функций (не менее одной) по обеспечению работы других, элементов, при любом делении которой появляются элементы, не имеющиеся самостоятельной функции или с одинаковыми функциями. Например, шарик подшипнике, конусная заостренная часть гвоздя, жидкость в гидроцилиндре. Функция (потребность) - это общепринятое и краткое описание на естественном языке назначения ТО или цели его создания (существования). Различие между потребностью и функцией состоит в том, что понятие потребность всегда связано с человеком или автоматом, поставившим задачу реализации потребности и выполняющим проектирование соответствующего ТО и его изготовление. Понятие функции ТО всегда связано с ТО, реализую щи эту потребность. Описания функции ТО и потребности тождественны. В описании потребности пользуются отглагольным существительным, а функции глаголом.

Описание функции ТО должно включать следующую информацию:

- действие, производимое рассматриваемым ТО и приводящее к

желаемому результату;

- объект (объекты), на который направлено это действие;

- особые условия и ограничения, при которых выполняется действие.

При описании функции всегда имеется в виду класс ТО, которому должно соответствовать это описание. В свою очередь, широта класса ТО зависит от решаемых конкретных задач, в которых используется описание функции. Например, при инженерном прогнозировании обычно имеют в виду весьма широкий класс, при проектировании - значительно более узкий, а при поиск неисправностей - класс конкретных одинаковых ТО.

В целом описание функции необходимо формулировать конкретнее, короче и проще и не стремиться в него включать техническое задание на проектирование, которое кроме функции ТО включает еще список специальных, требований. Кроме того, на точность и, соответственно, однозначность описания функции существенно влияют синонимические слова и выражения.

Каждый ТО находится в определенном взаимодействии с окружающей средой (ОС). Для конкретного ТО в качестве ОС могут выступать его надсистема, объекты неживой. и живой природы и другие ТО, которые находятся в функциональном или вынужденном взаимодействии с рассматриваемым и оказывают заметное влияние на его проектно-конструкторское решение.

Взаимодействие ТО и ОС может происходить по нескольким каналам связи, которые легко разделить на две группы.

Первая группа включает потоки вещества, энергии и сигналов, передаваемые от окружающей среды к ТО:

- функционально обусловленные входные воздействия (входные потоки в физической операции);

- вынужденные входные воздействия (температура, влажность, пыль и т.д.).

Вторая группа - это потоки, которые передаются от рассматриваемого ТО окружающей среде:

- функционально обусловленные выходные воздействия (выходные потоки в физической операции):

- вынужденные выходные воздействия (загрязнение воды, земли и воздуха, токи СВЧ и т.д.).

Элементы ТО имеют определенные функциональные связи друг с другом, которые образуют конструктивную функциональную структуру ТО. Она представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются наименования элементов, а ребрами - функции элементов.

Построение конструктивной функциональной структуры ТО основывается на гипотезе о соответствии между функцией и структуройт6, которая имеет следующую формулировку:

Каждый элемент ТО или его конструктивный признак имеют хотя бы одну функцию по обеспечению реализации функции ТО, т.е. исключение элемента или признака приводит к ухудшению какого-либо показателя ТО или, прекращению выполнения им своей функции. Совокупность всех таких соответствий в ТО представляет функциональную структуру в виде ориентированного графа, который отражает системную целостность ТО и соответствие между его функцией и структурой (конструкцией) (1).

Главная суть гипотезы о законе соответствия структуры и функций ТО заключается в том, что в правильно спроектированном ТО каждый элемент, от сложных узлов до простых деталей, и каждый конструктивный признак имеют вполне определенную функцию (назначение) по обеспечению работы ТО. В связи с этим у правильно спроектированных ТО нет лишних деталей. Эта суть соответствия между функцией и структурой лежит в основе всей познавательной деятельности, связанной с анализом и изучением существующих ТО, всей проектно-конструкторской деятельности по созданию новых ТО.

2. УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

В основу анализа функций 10 и построения конструктивной функциональной структуры положен принцип выделения и рассмотрения структур с двухуровневой иерархией, т.е. любой ТО можно разделить на несколько элементов, каждый из которых имеет вполне определенную функцию (функции) по обеспечению работы ТО или его элементов. При этом рассматриваемый ТО представляет собой верхний уровень, а выделенные функциональные элементы - нижний.

Если требуется продолжить (углубить) анализ, то каждый из выделенных элементов нижнего уровня рассматривается как самостоятельный ТО, который также можно разделить на несколько функциональных элементов, и т.д. Объединение таких структур с двухуровневой иерархией позволяет получить многоуровневую иерархическую структуру. Но многоуровневые структуры получаются сложными и труднообозримыми, поэтому инженер при изучении, анализе и синтезе ТО обычно выделяет и рассматривает двухуровневые структуры, переходя по горизонтали или вертикали от одной структуры к другой.

Глубина многоуровневого разделения ТО на элементы обычно определяется характером решаемой проектно - конструкторской задачи или задачей изучения ТО. Предельное детальное разделение ТО возможно до неделимых (в функциональном смысле) элементов. Одновременно с разделением ТО на элементы выделяют объекты окружающей среды (ОС), с которыми рассматриваемый TO находится в функциональном или вынужденном взаимодействии и которые существенно влияют на конструкцию ТО. В первую очередь, к ОС относятся объекты, воспринимающие действие ТО. К объектам ОС также могут относиться подводимая энергия, управляющие сигналы, объекты, на которые действуют отработанные вещества, неблагoпpиятные излучения и другие воздействия, оказывающие существенное влияние на конструкцию ТО и т.д.

Среди всех выделенных элементов ТО при проектно-конструкторских разработках особое внимание чаще всего уделяют главным элементам (или первичным, исходным элементам), которые можно выделить у большинства ТО. К главным элементам относят рабочие органы и другие элементы, которые непосредственно взаимодействуют с предметом обработки и другими объектами окружающей cpеды (ОС). При выделении главных элементов и соответствующих им объектов ОС рекомендуется иметь в виду следующие свойства:

- функция главных элементов, как правило, совпадает с функцией ТО или в решающей мере зависит от функции то;

- объекты ОС для главных элементов, как правило, совпадают с объектами, на которые направлено действие ТО.

Главным элементам присваивают обозначение Е0 (если их несколько, то Е01, Е02,…, Е0n). Остальным элементам первого уровня присваивают обозначения E1, Е2,..., En.

Элементы второго уровня, полученные в результате разделения главных элементов первого уровня Е0, Е1 и т.д., обозначают соответственно Е0-1, Е0-2, …, Е01 - 1, Е0l - 2,…………… Элементы второго уровня, полученные в результате разделения любого элемента первого уровня Ei, обозначают Еi-1, Ei-2, ..., Ei-k. Функциональные элементы третьего и последующих уровней выделяются аналогично второму уровню. При этом в обозначениях элементов число номеров нижних индексов будет совпадать с номером уровня функциональных элементов. Например, для третьего уровня будем иметь Ei-k-l.

Объекты окружающей среды (ОС), с которыми взаимодействуют ТО и его элементы, обозначают через V1, V2…, Vn.

При описании функций элементов целесообразно в скобках дублировать обозначения объектов ОС и элементов ТО, которые участвуют в описании функции. Сами функции элементов любого уровня обозначают буквами Фо, Фо1, Фl, Ф2, Ф0-l, Ф0-2, Ф0l-l, Ф01-2, Фl-l, Ф1-2, ..., Фi-k-l, (индексы соответствуют индексам в обозначении соответствующего элемента). Если какой-либо элемент имеет несколько функций, то их соответственно обозначают через Фо', Фо", Ф2', Ф2'" Фl-l', Фl-l" и т.д.

Результаты разделения ТО на элементы и описания их функций оформляют водной таблице анализа функций. Поскольку результаты разделения ТО на элементы и описания функций элементов оформляются в одной таблице, то их целесообразно выполнять одновременно. В таблице анализа функций на каждом уровне иерархии элементы нумеруют в таком порядке, чтобы по возможности при описании функций новых элементов делались ссылки на уже, описанные. При составлении таблицы особое внимание нужно уделить наиболее правильной формулировке функций элементов как при описании их со. держания, так. и, при. отнесении их к определенным элементам. При описании функций рассматриваемого элемента ТО указывают минимальное число его функций; чаще всего элемент имеет только одну основную функцию. Можно указать следующие характерные признаки основной функции:

- в выполнении основной функции обычно участвует весь рассматриваемый элемент, а не его отдельные части;

- основная функция обычно направлена на обеспечение работы элементов вышестоящих уровней и часто элемента, при разделении которого был получен рассматриваемый элемент;

К основным функциям не относят:

- функции отдельных частей элемента, обеспечивающих выполнение его основной функции; эти функции описывают на нижестоящих уровнях иерархии;

- функции, обеспечивающие, работу элементов на нижних уровнях иерархии (если это не единственная функция рассматриваемого элемента).

Более одной основной функции бывает в случаях, когда рассматриваем элемент совмещает выполнение нескольких функций, но:

- затруднительно четко выделить отдельные части элемента, выполняющие отдельные функции;

- по условию решаемой задачи не производят дальнейшего разделения рассматриваемого элемента:

- эти функции равноценны и затруднительно отдать какой-либо из них предпочтение.

При описании функций элементов ТО иногда возникает дилемма, когда функция рассматриваемого элемента, казалось бы, одновременно заключается в обеспечении работы вышестоящих по иерархии элементов и элементов, стоящих на одном уровне иерархии с рассматриваемым. В таких случаях функция заключается в обеспечении работы только вышестоящих элементов, наряду с которыми могут быть и элементы одного уровня.

Правильное (однозначное) разделение ТО на элементы и установление их функций является одной из самых важных и трудноформализуемых операций в анализе функций ТО. Поэтому в дополнение к изложенной методике полезно также руководствоваться следующим «правилом исключения». Суть этого правила состоит в том, что по отношению к рассматриваемому узлу или детали задается вопрос: если исключить этот узел (деталь), то какие отрицательные последствия появятся в работе других элементов или самого ТО? Действия по предотвращению выявленных таким образом отрицательных последствий обычно по содержанию представляют собой функцию рассматриваемого узла или детали. Правило исключения можно использовать и для разделения деталей на неделимые элементы. Для этого по отношению к любой точке детали задается вопрос: если исключить материал в некоторой окрестности около рассматриваемой точки, то какие могут появиться отрицательные последствия в работе детали и других элементов, включая сам ТО? После установления таким образом функции точечной окрестности последняя расширяется до тех пор, пока сохраняется содержательный смысл последствия - функции.

Построение конструктивной функциональной структуры ТО. Функциональная структура (ФС) представляет собой ориентированный граф функционального взаимодействия ее элементов и объектов окружающей среды (ОС).

При построении ФС сначала изображают вершины графа. В самом верхнем горизонтальном ряду предпочтительно располагать вершины - объекты ОС; ниже, во втором ряду, располагают вершины - функциональные элементы первого уровня; в третьем ряду - вершины - элементы второго уровня и так далее до самого нижнего уровня функционального разделения ТО. В вершинах, представляющих собой овалы или прямоугольники, указывают обозначения и наименования объектов ОС и элементов (в соответствии с таблицей анализа функций ТО) или только обозначения объектов ОС и элементов ТО.

После этого строят направленные ребра графа. Ребра выходят из вершин - элементов, функции которых они описывают, и заканчиваются в вершинах - элементах, работу которых они обеспечивают, или в вершинах - объектах ОС, о которыми взаимодействуют вершины - элементы, являющиеся началом ребра. Вершины, в которых заканчиваются ребра-функции, указаны в описании функции (в скобках).

Граф ФС, как правило, имеет ребра 2-х типов. Первый тип - простые ребра, начинающиеся в одной вершине и заканчивающиеся в другой единственной вершине. Ребра второго типа описывают функции элементов, которые обеспечивают взаимодействие между другими несколькими элементами объектами ОС. Такие, ребра имеют один выход и несколько входов, соединенных между собой И - вершиной, т.е. они начинаются в одной вершине - элементов и через абстрактную И - вершину заканчиваются в двух и более вершинах элементах (объектах ОС).

Всем ребрам на графе присваивают обозначения, совпадающие с обозначениями соответствующих функций элементов.

При построении графа имеет значение порядок расположения вершин элементов в пределах. одного уровня. Рекомендуется так располагать вершины, чтобы число пересечений ребер было минимальным.

В функциональной структуре ТО из-за частого совпадения функции (или элемента) и их основных элементов нередки случаи тождественного совпадения функций элементов двух и более соседних уровней. При этом ни стоящие, элементы являются результатом конструктивного деления вышестоящих. В таких случаях для упрощения графа и выделения элементов с одинаковыми функциями последние соединяют волнистой линией, на которой пишут тождество функций, например . Но волнистую линию можно заменить и ребром-функцией (в указанном примере Ф0-l, которое будет заканчиваться в тех же вершинах, что и функция ФО). Если при тождестве функции у вышестоящего элемента всего одна функция, то тождество функций вдоль волнистой линии можно не указывать.

Возможны и другие случаи тождественного совпадения функций элементов. Например, элементы соединения, у которых бывает симметрична одинаковая функция. В этих случаях функцию второго (по порядку следования) элемента также можно обозначить волнистой линией.

Для сложных ТО, состоящих из большого числа узлов и деталей, ФС получаются весьма громоздкими и труднообозримыми. В таких случаях рекомендуется проводить декомпозицию функциональной структуры, разбивая ее на отдельные фрагменты. При этом таблицу результатов анализа функций можно делать единой. На первом фрагменте рекомендуется изображать ФС, например, до третьего уровня разбиения, а каждый элемент третьего уровня рассматривать как самостоятельный ТО (иди с продолжающейся нумерацией элементов и функций, или "с новой нумерацией, начиная от Е0, Ф0). Для нижних элементов первого фрагмента делается самостоятельный фрагмент функциональной структуры с выделением своих объектов ОС, включающих, естественно, и элементы рассматриваемого исходного ТО.

Пример анализа функций ТО. Проиллюстрируем методику анализа функций на примере электрического фонарика. Результаты анализа функций фонарика приведены в табл.1. Для сокращения места не все его элементы разделены до деталей или неделимых элементов. Конструктивная функциональная структура электрического фонарика изображена на рис. 1.

Таблица 1. Анализ функций электрического фонарика. Функция электрического фонарика: направленно освещает окружающую среду (V)

Рисунок 1. Конструктивная функциональная структура электрического фонарика

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Получить задание (задание выдает преподаватель).

2. Разделить технический объект (ТО) на элементы.

3. Описать функции элементов ТО.

4. Заполнить таблицу анализа функций ТО.

5. Построить конструктивную функциональную структуру ТО.

6. Составить отчет.

4. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Вариант 1

Пневмоцилиндр вращающийся одинарный с воздухоподводящей муфтой: 1 - воздухоподводящая муфта; 2 - предохранительное устройство; 3 - корпус; 4 - поршень со штоком; 5 - крышка.

Вариант 2

Центр вращающийся с конусом Морзе 2 или 3: 1 - корпус; 2 - шпиндель; 3 - гайка; 4 - кольцо войлочное; 5 - винт стопорный; 6 - подшипник радиальный; 7 - винт; 8 - подшипник упорный; 9 - подшипник радиальный.

Вариант 3

Муфта фланцевая: 1 - полумуфта левая; 2 - полумуфта правая;

3 - болт; 4 - шайба пружинная; 5 - гайка.

Вариант 4

Гидроцилиндр одностороннего действия со сплошным штоком:

1 - корпус; 2 - крышка передняя; 3 - поршень; 4 - пружина; 5 - крышка задняя; 6 - кольцо резиновое (2).

Вариант 5

Патрон сверлильный бесключевой: 1 - кулачки (3); 2 - обойма;

3 - гайка; 4 - штифт; 5 - втулка; 6 - корпус; 7 - головка с левой резбой;

8 - шарики.

ЛИТЕРАТУРА

технический объект конструктивный функциональный

1. Технология и организация производства продукции и услуг; учебное пособие/Т.А.Белова, В.Н.Данилин. -М.: КНОРУС, 2010.-240с

Размещено на Allbest.ru