CC BY
17
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИ
УДК 004.02:621.86.06
Методика сопоставления технических решений для обеспечения качественных показателей механических систем
В. М. Медунецкий, В. В. Николаев
Рассмотрена взаимосвязь этапов обеспечения качества механических систем и этапов их проектирования с учетом современных тенденций развития техники. Выявлена целесообразность подробного рассмотрения этапа проектирования как исходного процесса обеспечения показателей качества изделия. Отмечено, что разработчик в своей практике часто прибегает к экспертной оценке при решении задач выбора. Предложена методика сопоставления технических решений, основанная на методе экспертных оценок, главная цель которой повышение уровня качества разрабатываемых изделий. Методика рассмотрена на примере автоматического захвата кластера тепловыделяющей сборки. Показан алгоритм использования методики, и на примере продемонстрирован основной результат, полученный при ее использовании. Сделаны выводы о целесообразности применения такой методики на практике.
Ключевые слова: качество, проектирование, сопоставление технических решений, метод экспертных оценок.
Введение
Вопросы повышения уровня качества изделий в настоящее время рассматриваются в большом количестве работ, например [1—12]. Однако в них описываются способы достижения требуемого уровня качества преимущественно на стадиях изготовления и эксплуатации изделий.
Понятие «качество» обширно и многогранно. Наиболее актуализированное и универсальное определение качества дано в ГОСТ Р ИСО 9000-2008 [13]: «Качество — это степень соответствия совокупности присущих характеристик требованиям». Качество характеризуется количественными показателями, которые должны соответствовать предъявляемым к изделию количественным требованиям. Как известно, количественные методы оценки качества изделий подробно рассматриваются
в квалиметрии, которая изучает способы измерения и способы количественной оценки качества продукции и услуг [14].
На современном этапе вследствие интенсивного развития техники и технологий к новой технике, как правило, предъявляются требования по обеспечению высокого уровня качества. Уровень качества, согласно ГОСТ 15467-79 [15], это относительная характеристика качества продукции, основанная на сравнении значений показателей качества оцениваемой продукции с базовыми значениями соответствующих показателей. Кроме этого, качество необходимо рассматривать во взаимосвязи с этапами жизненного цикла изделия. Под жизненным циклом понимается совокупность последовательных и взаимосвязанных процессов, которые проходит изделие за период своего существования: от формирова-
154
№ 6(90)/2015
ШШШМБОТКА
ния исходных требований до окончания эксплуатации и последующей утилизации [16]. Показатели качества обеспечиваются при проектировании и изготовлении изделия, но во многом качество продукции закладывается на этапе проектирования. Также следует отметить, что выбор технического решения на стадии проектирования является исходным процессом обеспечения качественных показателей изделия.
Надежность и работоспособность
механических систем
и повышение их уровня качества
Существуют области техники, где важной составной частью технических систем являются различные механические системы. Как и любое изделие, механические системы обладают показателями качества, и, как правило, к механическим системам предъявляются повышенные требования по надежности и работоспособности. Под надежностью понимается свойство механической системы выполнять заданные функции, сохраняя во времени значение устанавливаемых эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, хранения и транспортировки [17], а под работоспособностью — состояние, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации [18].
Для решения задач по выбору технического решения у разработчика имеется множество подходов и алгоритмов [19, 20]. Разработчик также может опираться на прототипы, предшествующие решения в некоторой части решаемых технических задач, а также на справочники и рекомендации. В ряде случаев целесообразно прибегнуть к моделированию путем создания математических или физических моделей. Но в большинстве ситуаций разработчик в своей деятельности опирается на мыслительные или интуитивные модели [21]. При проектировании на основе имеющихся знаний и опыта разработчик (эксперт)
проводит мысленные эксперименты с техническим объектом в целях выбора из нескольких возможных вариантов решения, более предпочтительного по определенному показателю качества или их совокупности.
Таким образом, метод экспертных оценок при проектировании технических систем является одним из первичных методов обеспечения качества продукции. При создании систем, в том числе и механических, целесообразно разработать и использовать методику выбора технического решения из ряда возможных альтернатив. Основное предназначение такой методики — поиск и определение оптимального технического решения конкретной технической задачи на основе метода экспертных оценок специалистов.
Методика сопоставления технических
решений
Авторами разработана и применена методика сопоставления и выбора технического решения для повышения уровня качества механической системы на примере автоматического захвата кластера тепловыделяющей сборки реактора ВВЭР-1000. Захват кластера (ЗК) — механический захват с автоматическим управлением, с двумя функциональными состояниями, работающий по четырехтактному циклу, выполняющий операции сцепления и расцепления с кластерами под слоем воды. К захвату кластера как к оборудованию, влияющему на безопасность, предъявляются особые требования, в частности безотказность работы. Рассматриваемая методика применима при наличии двух и более технических решений, из которых необходимо выбрать наиболее оптимальное с точки зрения повышения совокупного качества изделия. Необходимо отметить, что к экспертизе рассматриваемых технических решений предпочтительно привлекать специалистов, отвечающих не только за проектирование и разработку, но и за другие стадии жизненного цикла изделия, к примеру за производство и эксплуатацию.
Для понимания сути методики в качестве примера рассмотрим две схемные реализации механизма захвата кластера. Конструктивная схема первого варианта захвата
№ 6(90)/2015
55
кластера (рис. 1) основана на сцеплении и расцеплении двух возвратно-поступательно движущихся блоков, размещенных в цилиндрическом корпусе ЗК, за счет четырехлуче-вой звездочки, установленной в первом блоке и вращающейся только в одном направлении благодаря взаимодействию со вторым возвратно-поступательно движущимся блоком.
Вторая конструкция захвата кластера (рис. 2) построена на обеспечении одностороннего вращения цилиндрического ползуна вокруг своей продольной оси на 90° при возвратно-посту-
пательном движении относительно корпуса ЗК, которое обеспечивается за счет направляющих пазов специальной формы, взаимодействующих с двумя пальцами, установленными на внутренней стороне корпуса.
Методика сопоставления и выбора технического решения предполагает следующие основные этапы (рис. 3):
1) формирование исходных данных задачи выбора;
2) синтез технических решений;
На-
/
10 6
10
Рис. 1. Принципиальная схема первого варианта захвата кластера:
1 — ползун; 2 — стакан; 3 — звездочка; 4 — подпружиненный упор; 5 — подпружиненный фиксатор; 6 — шток; 7 — клещевина; 8 — заделка; 9 — окно в стакане; 10 — корпус
\
Рис. 2. Принципиальная схема второго варианта захвата кластера:
1 — ползун; 2 — утяжелитель; 3 — направляющий паз; 4 — палец; 5 — шток; 6 — поворотная втулка; 7 — зацеп; 8 — заделка; 9 — шток; 10 — корпус
8
8
2
9
1
1
4
3
9
4
5
7
6
7
[56
№ 6 (90)/2015
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
автоматизация и управление технологическими процессам и производствами оои
Рис. 3. Последовательность сопоставления и выбора технического решения
3) функциональный анализ рассматриваемых решений;
4) подготовка к экспертизе;
5) экспертиза решений;
6) решение задачи выбора.
Рассмотрим более подробно каждый этап.
Этап формирования исходных данных задачи выбора включает постановку технической задачи, в том числе определение технических и каких-либо других ограничений, накладываемых на проектируемое изделие, определение тех или иных приоритетов, которым необходимо придерживаться при проектировании. Далее подробно анализируются существующие и предложенные технические решения и прототипы, выявляются отрицательные свойства и недостатки у существующих решений, которые необходимо преодолеть при
проектировании. Затем определяются основные требования к решению. После проведения указанных операций синтезируются новые технические решения.
На этапе функционального анализа выявляются функциональные блоки изделия и с учетом рассматриваемых вариантов решений определяются варианты решения каждого из функциональных блоков.
На этапе подготовки к экспертизе определяется регламент экспертизы: перечень критериев, порядок ранжирования, «вес» каждого критерия и т. п. Формируются опросные таблицы (листы), где реализован требуемый порядок сбора данных от экспертов.
Экспертиза решений — этап, на котором осуществляется независимая оценка экспертами каждого функционального блока изделия в соответствии с предложенной совокупностью критериев по балльной шкале, а также оценка по балльной шкале рассматриваемого технического решения изделия в целом.
Завершающим этапом решения задачи выбора является выбор технического решения из рассматриваемых альтернатив. На этом этапе обрабатываются результаты экспертизы, сопоставляются результаты оценки технических решений экспертами, анализируются и сопоставляются рассматриваемые технические решения с учетом предъявляемых требований к изделию и выбирается итоговое техническое решение. В случаях, когда рассматриваемые решения, по оценке экспертов, не соответствуют всей совокупности предъявляемых требований, целесообразно вернуться к этапу синтеза нового технического решения и с учетом полученной информации от экспертов изменить (откорректировать) техническое решение или предложить новое решение, лишенное недостатков, отмеченных экспертами.
Теперь рассмотрим задачу выбора конструкции захвата кластера, к примеру, из двух рассматриваемых вариантов технических решений. В общем случае захват кластера включает следующие функциональные блоки:
1) накопитель энергии;
2) механизм смены состояний захвата;
3) механизм управления захватными элементами;
4) захватные элементы.
№ б (90)/2015
571
МЕШПООБРАБОТК|»
Проведем функциональный анализ первой конструкции захвата кластера. Управляющая механическая команда системы управления посредством троса поступает на накопитель энергии захвата кластера. В качестве накопителя энергии используется масса ползуна 1 (рис. 1), который за счет собственного веса обеспечивает смену состояния захвата при его посадке на траверсу кластера. Функциональный блок, обеспечивающий смену состояния захвата кластера, содержит стакан 2, звездочку 3, подпружиненный упор 4, подпружиненный фиксатор 5 и ползун 1. Функциональный блок, отвечающий за управление захватными элементами, представлен штоком 6 и стаканом 2. Захватными элементами являются две клещевины 7.
Проведем функциональный анализ второй конструкции захвата кластера. Управляющая команда системы управления посредством троса поступает на накопитель энергии захвата кластера. В качестве накопителя энергии используется масса ползуна 1 (рис. 2) и утяжелителя 2, которые за счет собственного веса обеспечивают смену состояния захвата при его посадке на траверсу кластера. Функциональный блок, обеспечивающий смену состояния захвата кластера, содержит ползун 1, утяжелитель 2, два направляющих паза 3, взаимодействующие с двумя пальцами 4. Функциональный блок, отвечающий за управление захватными элементами, представлен штоком 5 и поворотной втулкой 6. Захватными элементами являются два зацепа 7 на поворотной втулке 6.
Согласно предложенной методике для каждого функционального блока захвата кластера, а также для каждого из рассматриваемых решений формируются наборы критериев. После этого на основе конкретных наборов критериев составляются опросные таблицы для экспертов. Далее эксперты оценивают, в какой степени решения удовлетворяют определенным критериям по балльной шкале, на пример от 1 до 5 баллов. Чем выше степень соответствия технического решения предъявляемым требованиям, тем выше оценка по баллам.
После экспертизы двух рассматриваемых решений ЗК расчет показателей сравнения выявил, что существенным преимуществом
158
по предложенному набору критериев обладает второй вариант. При этом анализ оценок экспертов показал, что слабым местом первого варианта является механизм смены состояний, который в силу присущих данной конструктивной реализации особенностей уступает механизму смены состояний второго варианта. Кроме этого, экспертами была отмечена более высокая общая надежность работы второго варианта ЗК.
Таким образом, по предложенной методике, на основании функционального анализа и сопоставления двух указанных технических решений, методом экспертных оценок определено, что вторая конструкция захвата кластера обладает более высоким уровнем качества. Выявленные особенности позволяют выбрать конструкцию с более высокой надежностью функционирования и работоспособностью в условиях эксплуатации изделия, что в итоге повысит уровень безопасности транспортно-технологических операций с элементами системы управления и защиты реактора.
Выводы
Разработанная и предложенная методика сопоставления технических решений, направленная на повышение уровня качества изделий на этапе проектирования, подтверждает свою эффективность, и ее можно рекомендовать для использования в инженерной практике.
Литература
1. Фрейдина Е. В. Управление качеством: учеб. пособие. М.: Омега Л, 2012. 189 с.
2. Михеева Е. Н., Сероштан М. В. Управление качеством: учеб. М.: Дашков и К°, 2011. 532 с.
3. Салимова Т. А. Управление качеством: учеб. М.: Омега Л, 2011. 414 с.
4. Шишков Г. М., Круглов М. Г. Менеджмент качества как он есть. М.: Эксмо, 2007. 544 с.
5. Стандартизация и управление качеством продукции: учеб. для вузов / В. А. Швандар, В. П. Панов, Е. М. Купряков [и др.]. М.: ЮНИТИ, 2004. 487 с.
6. Джуран Дж. Качество в истории цивилизации. Эволюция, тенденции и перспективы управления качеством: пер. с англ.: в 3 т. М.: Стандарты и качество, 2004.
7. Иняц Н. Малая энциклопедия качества. Современная история качества / Под общ. ред. Ю. В. Василь-
№ 6(90)/2015
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМ И ПРОИЗВОДСТВАМИ
кова, Н. Н. Аниськиной: пер. с хорват. Л. Н. Бе-линькой. М.: Стандарты и качество, 2003. 224 с.
8. Васильев А. Л. Россия в XXI веке. Качество жизни и стандартизация. М.: Стандарты и качество, 2003. 450 с.
9. Николаев М. И. Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством. М.: ИНТУИТ,
2011. 119 с.
10. Фейгенбаум А. Контроль качества продукции: сокр. пер. с англ. / Авт. предисл. и науч. ред. Н. В. Гли-чев. М.: Экономика, 1996. 98 с.
11. Медунецкий В. М., Солк С. В. Проектирование как исходный процесс обеспечения качественных показателей наукоемких и высокотехнологичных изделий // Тр. Нижегород. гос. техн. ун-та им. Р. Е. Алексеева.
2012. № 4 (97). С. 117-123.
12. Медунецкий В. М., Солк С. В. Методика обеспечения показателей качества промышленной продукции // Металлообработка. 2013. № 1 (73). С. 38-42.
13. ГОСТ Р ИСО 9000-2008. Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь.
14. Азгальдов Г. Г., Костин А. В., Садовов В. В. Ква-лиметрия: первоначальные сведения: учеб. пособие. М.: Высш. шк., 2010. 143 с.
15. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия термины и определения.
16. Р 50-605-80-93. Система разработки и постановки продукции на производство. Термины и определения.
17. Матвеевский В. Р. Надежность технических систем: учеб. пособие. М.: Моск. гос. ин-т электроники и математики. 2002. 113 с.
18. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.
19. Романов В. Н. Техника анализа сложных систем. СПб.: Изд-во СЗТУ, 2011. 287 с.
20. Орлов А. И. Теория принятия решений: учеб. М.: Экзамен, 2006. 573 с.
21. Половинкин А. И. Основы инженерного творчества: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 1988.
АО «Издательство "Политехника"» предлагает:
Детали машин: учебник / Н. А. Бильдюк, С. И. Каратушин, Г. Д. Малышев [и др.] ; под общ. ред. В. Н. Ражикова. — СПб. : Политехника, 2015. — 695 с. : ил.
ISBN 978-5-7325-1001-0
Цена: 550 руб.
Издание подготовлено сотрудниками кафедры ДМ БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, учениками В. Н. Кудрявцева — создателя научной школы по разработке и совершенствованию методов расчета на прочность зубчатых и планетарных передач, имеет гриф УМО.
Учебник содержит описания физических основ работы и современных принципов расчета общих по назначению деталей и узлов машин и механизмов различных отраслей техники. В основу предлагаемых методов расчетов положены действующие стандарты и нормативные материалы. Приведены примеры расчетов и необходимые краткие справочные материалы для их выполнения. Содержание разделов учебника выполнено с учетом требований новых федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования ФГОС3 ВПО по направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование» и «Прикладная механика» для квалификаций «бакалавр» и «магистр».
Предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование», «Прикладная механика» и другим для квалификаций «бакалавр» и «магистр» по дисциплинам «Детали машин», «Конструирование деталей и узлов машин», «Детали машин и основы конструирования» и т. п. Учебник может быть полезен аспирантам, инженерам-конструкторам и специалистам различных отраслей промышленности.
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.
№ 6 (90)/2015
