CC BY
125
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2008. Вып. 80.
УДК 631.331
А.В. ДОБРИНОВ, канд. техн. наук
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К СОВРЕМЕННОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН
Предложен методологический подход создания сельскохозяйственной техники от организации исследования до процессов разработки, конструирования и производства. На основании предложенного методологического подхода разработана общая структурная модель процесса проектирования почвообрабатывающего агрегата, позволяющая обосновать параметры машины и ее рабочие органы путем исследований, инженерных расчетов, математического и физического моделирования процессов и, в конечном итоге, обеспечить многофункциональность и высокий уровень универсальности проектируемой техники.
Во все времена уровень производительности труда определяли два взаимоувязанных фактора - технологии производства и их исполнительный механизм - техника.
Отечественная практика показывает, что преобразования в агропромышленном комплексе страны связаны, прежде всего, с технологическим реформированием отрасли. Сейчас в обществе формируется понимание приоритетной роли высокопроизводительного производства как стратегического фактора для достижения конкурентоспособности отечественного агропромышленного комплекса.
Высокопроизводительные технологии - это путь интенсификации производства. Именно используемые на практике технологии определяют уровень продуктивности в растениеводстве, отдачу затрат и всех ресурсов - технических, материальных, энергетических, денежных кадровых и др. Только современные технологии смогут обеспечить качество продукции, гарантировать более высокую эффективность сельскохозяйственного производства, повысить доход и, в конечном итоге, формировать прибыль.
Сегодня потребности страны в продовольствии обеспечиваются машинными технологиями сельхозпредприятий только на треть. К тому же существующие и применяющиеся в настоящее время в большинстве хозяйств механизированные технологии возделывания
177
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
основных сельскохозяйственных культур являются многооперационными, где на каждую операцию выпускается и приобретается отдельная машина. Отсюда высокая сложность выполнения технологических процессов, многочисленность операций и технических средств, весьма скромные результаты по сокращению затрат труда и росту производства продукции.
Развитие технологической базы сельхозпредприятий, ее техническое обустройство на основе современных методик проектирования адаптивных технологий производства продукции растениеводства выдвигает новые требования к технико-экономическим параметрам и условиям использования машин и оборудования, то есть формирует заказ по номенклатуре и качеству продукции, выпускаемой предприятиями сельхозмашиностроения.
Это, в свою очередь, предъявляет новые требования к организации и материально-техническому обеспечению производства техники в соответствии с требованиями потребителей и является основой расширения и обновления материально-технической базы, развития инновационной деятельности в отрасли сельхозмашиностроения.
Модернизация предприятий отрасли сельхозмашиностроения создает возможности для расширения производства, обновления номенклатуры и повышения качества выпускаемой продукции предприятиями отрасли и на этой основе, удовлетворения потребности потребителей, т.е. предприятий сельского хозяйства, в технических средствах для освоения современных адаптивных энергосберегающих технологий производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции и т. д.
В доперестроечные годы техническая политика сельхозмашиностроения основывалась и диктовалась действующей «Системой машин» и пятилетними планами (заявками) на производство и поставку сельскохозяйственной техники. Оба документа базировались на прогнозах развития сельского хозяйства и сельскохозяйственного машиностроения на длительный период. «Система машин» определяла не только номенклатуру машин по культурам и отраслям сельскохозяйственного производства, но диктовала требуемый потребителю технический уровень этих машин. Реализация «Системы машин» осуществлялась на основании отраслевых и государственных планов при централизованном финансировании. Минсельхозмашу, как разработчику, выдавались заявки на разработку и освоение сельхозмашин с
178
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2008. Вып. 80.
указанием сроков разработки, ориентировочной потребности и лимитной цены.
В условиях рыночных отношений организация разработки новой техники и освоение ее производства осуществляется в соответствии с федеральными целевыми научно-техническими программами развития машиностроения для агропромышленного комплекса. Концепция разработки новых машин, заложенная в современную стратегию развития сельхозмашиностроения, предусматривает, что в основу технической политики в сельхозмашиностроении закладывается принцип удовлетворения потребителей рынка в сельскохозяйственной технике, отвечающей по своим параметрам современному техническому уровню, в количествах, необходимых для выполнения всего агроцикла сельскохозяйственных работ, и создание при этом необходимой сервисной инфраструктуры.
Базой для создания новой техники служит «Федеральная система технологий и машин для производства и переработки сельскохозяйственной продукции».
На современном этапе развития сельхозмашиностроения реализация этого принципа требует новых подходов и методов ускоренного создания техники, которые смогли бы обеспечить высокий технический уровень и качество сельхозтехники, повысить конкурентоспособность на внутреннем рынке страны.
Современные требования, предъявляемые рынком к производителям сложной наукоемкой техники, диктуют необходимость постоянного совершенствования методов и средств проектирования новых образцов техники.
Разработка таких подходов поможет выявить и определить новые решения создания современной техники, что, в конечном итоге, позволит сократить сроки создания новой техники, повысить степень унификации и взаимозаменяемости отдельных частей конструкции, проектировать комплексы универсальных, например, почвообрабатывающих машин, сравнимые с лучшими зарубежными аналогами.
Для решения этой задачи на рис. 1 предложена схема, представляющая собой методологическую основу создания сельскохозяйственной техники, начиная от организации исследования, анализа и заканчивая процессами разработки, конструирования и производства техники.
179
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
1 Уровень Анализ технологического и технического оснащения сельхозпредприятий
2 Уровень Маркетинговые и конъюнктурные исследования рынка
Базовая система 1 Номенклатура Мониторинг цен на технику, ~~S потребность, пути Г Обоснование 1
машин и поставляемого основных
технологий, ее количества удовлетворения спроса параметров
оценка техники машины
3 Уровень Формирование и использование информационных ресурсов для создания техники
Автоматизированная справочная система по с.-х. технике
Конструкторскотехнологическая информационная база данных
Информационная база данных по комплектующим: узлам и деталям [ машин, рабочим органам
4 Уровень Синтез процесса проектирования сельхозтехники на основе САПР
Рис. 1. Методологическая основа создания новой сельскохозяйственной техники
На первом уровне проводится подробный анализ базовых перспективных технологий производства сельскохозяйственной продукции с учетом природных и производственных условий, степень адаптации технологий к условиям непосредственных товаропроизводителей. Определяются технологические процессы и операции, выполнение которых не обеспечено соответствующими машинами и оборудованием. Исходя из проведенного анализа технологий, формулируются основные требования к техническим средствам для обеспечения эффективного выполнения основных технологических процессов и операций.
На втором уровне проводится мониторинг рынка сельскохозяйственной техники, выявляются машины и оборудование, которые по своим параметрам и назначению соответствуют требованиям перспективных технологий. На основании этого анализа принимается решение о продолжении их завоза в регион и даются рекомендации сельским товаропроизводителям о закупке их у производителей, а также изучается возможность организации их производства в регионе.
180
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2008. Вып. 80.
На третьем уровне формируются информационные ресурсы ускоренного создания техники. Здесь используется информационная автоматизированная справочная система, предназначенная для оперативного получения информации по технике и запасным частям к ней, создается постоянно наращиваемая конструкторско-технологическая база данных, база данных по комплектующим изделиям.
Четвертый уровень методологической основы представляет собой процесс проектирования техники методами (задачами) синтеза [1]. Это наиболее сложный и заключительный этап, формализация которого позволит выйти на новые современные методы проектирования техники.
Синтез представляет собой проектную процедуру, цель которой является соединение различных элементов, свойств, сторон и т.п. объекта в единое целое, систему. В результате синтеза создаются проектные решения, обладающие новым качеством относительно своих элементов.
Всесторонний анализ закономерностей технологического процесса, происходящего в машине, является основой структурного и параметрического синтеза.
Структурный синтез машины - это часть процесса проектирования, связанная с выбором варианта схемы машины и ее устройств. Структурный синтез выполняют по блочно-иерархическому принципу, в соответствии с которым, на каждом уровне проектирования синтезируются части системы, первоначально - общая схема, затем, функциональная схема и конструкции функциональных систем (т.е. сборочные единицы), далее - отдельные функциональные элементы и детали, входящие в сборочные единицы.
В зависимости от вида проектного решения описанием структурного синтеза может быть простой перечень элементов и связей между ними, таблица соединений, матрица инцидентности, граф связей, структурная схема, блок-схема, эскиз, компоновка, чертеж.
В настоящее время структурный синтез еще недостаточно формализован; в большинстве случаев его выполняют эвристическими методами, опирающимися преимущественно на эрудицию и интуицию конструктора. При этом большую помощь конструктору оказывают различные справочные пособия.
Параметрический синтез машины решает задачу определения основных конструкционных (геометрических и механических) параметров машины в целом, ее отдельных механизмов, устройств и рабочих органов.
181
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
В большинстве случаев параметрический синтез является задачей оптимизационного типа: параметры машины должны быть определены таким образом, чтобы заданный показатель эффективности имел оптимальное значение.
На рис. 2 представлена схема структурно-параметрического синтеза.
Рис. 2. Структурно-параметрический синтез
Структурно-параметрический синтез - это процесс, в результате которого определяется структура объекта и находятся значения параметров составляющих ее элементов таким образом, чтобы были удовлетворены условия задания на синтез (технического задания). Если при этом синтезированный объект получается оптимальным по какому-либо критерию (критериям), то синтез является оптимальным.
Так как все объекты и системы на определенном уровне рассмотрения имеют структуру, а элементы, составляющие структуру, имеют параметры, то практически любая (рассматриваемая) задача проектирования техники может быть сведена к задаче структурнопараметрического синтеза [1].
На рис. 3 рассмотрена схема структурно-параметрического синтеза техники. Представленная схема, разделена на три уровня и опира-182
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2008. Вып. 80.
ется на интуитивные инженерные соображения, т.е. является в большей мере условной, и строгой границы между задачами первого и второго уровней провести невозможно. Целесообразность такого деления вызвана необходимостью разграничения более простых от более сложных и трудоемких задач, методы решения которых существенно отличаются.
Первый уровень оптимизации состоит в выборе наилучшего принципа действия проектируемого технического средства.
Второй уровень структурной оптимизации состоит в поиске наилучшей структуры или схемы в рамках выбранного принципа действия технического средства.
Третий уровень параметрической оптимизации состоит в определении наилучших значений параметров для выбранной структуры (схемы).
3-й уровень. Оптимизация параметров КПА ‘
Рис. 3. Общая структурная модель проектирования многофункционального почвообрабатывающего агрегата (КПА)
Для определения требуемых показателей третьего и второго уровней оптимизации КПА используются детерминированные и статистические методы математического программирования, а первого уровня - подходы и методы эвристического программирования.
183
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
В общем виде для постановки задачи, необходимо иметь обобщенный набор переменных, который выглядит следующим образом [2]:
k y1, —., Уь z1, —, zm, Vly, ..., Vly, •••, Vky, Viz, ..., Vmz, Wi, ..., Wt,
где k - число элементов, из которых состоит техническое средство; m - число узлов (способов) соединения между элементами; yi - вектор, описывающий геометрические, физические и другие свойства i-го элемента (параметры, описывающие форму элемента, свойства материала, из которого он изготовлен, перечень примыкающих к элементу узлов соединения и др.); i =1, r; zj - вектор, описывающий геометрические, физические и другие свойства j-го узла соединения (например, степени свободы перемещения, обеспечиваемые узлом, свойства материалов, из которых изготовлен узел, перечень соединяемых элементов и др.); j =1, m; Vi - вектор, характеризующий положение i-го элемента в пространстве (можно задавать при необходимости); i =1, г; Vj - вектор, характеризующий положение j-го узла соединения в пространстве (можно задавать как Vi); j =1, m; Wh - другие переменные, относящиеся к КПА; h=1, t.
Переменные г, m могут принимать только целочисленные значения.
Целевая функция представляет собой математическую зависимость критерия качества от оптимизируемых параметров. Критерием качества являются физико-технические, экономические и другие показатели (масса, мощность, стоимость и т.п.), по величине которых из любых двух ТС можно выбрать лучшее.
При решении задачи оптимального проектирования и выборе критерия качества необходимо получить наилучшее решение по нескольким показателям. Для этого проводят предварительный техникоэкономический анализ, позволяющий из нескольких показателей качества К1, ...Км получить наилучшее техническое средство, а также выделить главный показатель, явно превалирующий над другими, и тем самым задать критерий качества. При этом конкурирующие показатели превращаются в ограничения
К, <[к, ],
где [Ki] - заданное наихудшее допустимое значение показателя Ki.
184
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2008. Вып. 80.
Здесь и далее под наихудшим значением показателя или критерия качества всегда подразумевается наибольшее значение.
Если из нескольких показателей не удается выделить превалирующий, то для них можно задать ограничения (1) и критерий качества определять по формуле:
где Pj - весовые коэффициенты, оценивающие важность соответствующих показателей.
Сложность формализации такой задачи заключается в огромном количестве ограничений, накладываемых на синтезируемый объект. Они могут иметь различный технический, физический технологический характер. Например, могут лимитироваться масса, габаритные размеры, элементный состав и т. п.
Методы решения таких задач основаны на использовании развитых графических сред, работающих в режиме диалога между проектировщиком и компьютером, морфологического синтеза и аппарата многодольных графов.
Решение этой проблемы может быть достигнуто задачами теории синтеза, формализация которых позволит выйти на новые современные методы проектирования техники, что в конечном итоге позволит решать в комплексе проблему технологического и технического обустройства сельскохозяйственных предприятий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ксеневич И.П., Гоберман В.А., Гоберман Л.А. Наземные тягово-транспортные системы. Энциклопедия в 3 т. - Т3. - М.: Машиностроение, 2003.
2. Половинкин А.И. и др. Алгоритмы оптимизации проектных решений /А.И. Половинкин и др. - М.: Энергия, 1976.
Получено 15.03.2008.
(1)
185
