CC BY
48
А.В. Согин
ПОИСКОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ МАШИН ДЛЯ ДОБЫЧИ САПРОПЕЛЯ И ОЧИСТКИ ВОДОЕМОВ
Добыча сапропеля, очистка прудов, озер, восстановление заиленных и «умерших» водоемов — это проблема сегодняшнего дня.
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 подходы к процессу проектирования, идет поиск технических решений. В ООО «Сапропель» под руководством автора осуществляется поисковое проектирование машин и технологий по добыче сапропеля и очистке водоемов на основе функциональноструктурного подхода по созданию таких машин.
Сущность предлагаемого метода заключается в следующем.
Формулируется общественная потребность {р} — добыча сапропеля и очистка водоемов, с указанием действий над объектом {о}, особых условий, в которых находится объект {с} и особых условий и ограничений, при котором выполняется действие {о}
где О — забор сапропеля и транспортирование его на берег; С — 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 {Р°}, отвечающая удовлетворению потребности {Р}; {р ^ ^0 } .
[1],[2],[3].
(1)
В нашей задаче целевую функцию можно сформулировать следующим образом: {р0}— 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 — синтез системы.
При анализе условной технико-технологической системы определяются основные функции р}, которые необходимо выполнять условной технической системе (рис. 1). В нашем случае: Р —
»-* т—2
отделение сапропелево-иловых отложений от дна водоема; Р — забор сапропелево-иловых отложений; Р — транспортирование сапропелево-иловых отложений на берег; Р — рабочее перемещение в процессе разработки; Р — передвижение по суше с одного участка работы на другой; Р — использование и преобразование энергии.
При описании основных функций целесообразно указывать название и обозначение основных объектов окружающей среды, с которыми взаимодействует техническая система, {Е1} сапропелевоиловые отложения находятся в залежи под водой, {Е2} сапропелево-иловые отложения складируются в поле, на берегу.
Все указанные основные технические функции осуществляют
формирование целевой функции Р дальнейшем про-
изводится декомпозиция функций технической системы и построение дерева функций (рис. 2).
Формирование дерева функций представляет процесс декомпозиции целевой ^0) и множества основных функций на более элементарные функции, реализуемые на последующих уровнях декомпозиции. Такое формирование целесообразно проводить на ос-
р°
Рис. 1. Функции, осуществляемые условной технологической системой в процессе добычи сапропеля и очистки водоемов
нове обобщения ряда прототипов, выделяя в них характерные функциональные элементы и формируя для них обобщенные функции.
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 Р.
На первом уровне осуществляется декомпозиция целевой
функции и формирование основных функций Р1.
На втором уровне производится разделение основных функций, которые соответствуют функциям отдельных подсистем.
Третий уровень отражает декомпозицию функций отдельных подсистем и выражает элементарные функции /{. Следовательно, при формировании дерева функций каждая из
Рис. 2. Декомпозиция функций технического объекта
функций конкретно взятого (/)-го уровня — может рассматриваться как макрофункция по отношению к реализующим ее функциям (/ + 1)-го уровня и как элементарная функция по отношению к соответствующей функции верхнего (/ - 1)-го уровня. При формировании обобщенного дерева функций технических систем, способных производить добычу сапропеля, произведен тщательный анализ функций систем-прототипов 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 целевой функции — р0}: Р — забор сапропеля на дне водоема и подача его на берег.
Уровень 1. Отражает функциональную ориентацию отдельных ее составляющих систем. Элементами этого уровня являются функциональные подсистемы, реализующие основные функции —
И
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.
Р11Р1 — отделение сапропеля рыхлением;
1Р21 — отделение сапропеля без рыхления.
^2 -
F2
Г F2 — забор сапропеля землесосами;
^2
2 — забор сапропеля черепками.
F
F
F6
г Р з — транспортирование сапропеля непрерывное;
1 Р^з — транспортирование циклическое.
Гр4 — маневренное рабочее перемещение;
|р24 — рабочее перемещение с ограничением маневра.
Гр5 — самоходное перемещение;
[р25 — несамоходное перемещение.
Г — использование электрическое энергии;
| р6 — использование энергии жидкого топлива.
Уровень 3. Этот уровень отражает функции, воспроизводимые отдельными элементами системы — агрегатами, блоками, узлами, деталями, которые связаны с выполнением элементарных функций.
' /1 — отделение сапропеля рыхлением гидравлическим
1 способом;
/ь2 — отделение сапропеля рыхлением фрезерным способом;
-/ьз — отделение сапропеля рыхлением роторно-винтовым способом.
г, 1 — отделение сапропеля без рыхления с помощью черпаков;
/ 2-1
р 11 /1 — отделение сапропеля без рыхления засасыванием;
Р2 ) 12-2 —
I /1 — отделение сапропеля без рыхления с помощью скреперов.
12-3
/121 — забор сапропеля землесосами центробежного типа; Р12 /^ — забор сапропеля землесосо-эжекторами;
/2Ъ — забор сапропеля землесосо-эрлифтами.
/2-1 — забор сапропеля многочерпаковыми устройствами; /2 — забор сапропеля штанговыми устройствами;
/ 2 — забор сапропеля одночерпаковыми грейферными
/2-3
устройствами.
/11— транспортирование сапропеля по трубопроводу;
транспортирование сапропеля по конвейеру. транспортирование сапропеля шаландами; транспортирование сапропеля самовывозом; транспортирование сапропеля только рабочим органом. маневренное рабочее перемещение при помощи движителей, взаимодействующих с водой; маневренное рабочее перемещение при помощи движителей, взаимодействующих с дном водоема; маневренное рабочее перемещение при помощи движителей, взаимодействующих с воздухом. рабочее перемещение при помощи якорей; рабочее перемещение при помощи свай; рабочее перемещение свайно-якорным способом. перемещение с помощью колесных движителей; перемещение с помощью гусеничных движителей; перемещение с помощью роторно-винтовых движителей; перемещение с помощью других типов движителей, предназначенных для наземного транспорта
использование электрических энергетических установок; использование электро-гидравлических энергетических установок
использование дизельных энергетических установок; использование дизель-электрических энергетических установок;
F13 /і32—
/133—
/і3—
/3—
F23 ‘/і—
/1—
/і4і —
Р4 ■ /і42 —
/і 4і —
'/24—
^4 ■ /4—
Л4—
/і5—
/і52—
Рі5< /і5з—
/і54—
/25 1 —
F251 /25 2
/25 3 —
F16 < /і61 —
/і62 —
/2і —
^6 ■ /262 —
/2-з
установок.
Таким образом, функционирование системы определяется вектором функционирования основных функций
а каждая основная функция вектором функционирования элементарных функций
Для каждой выделенной элементарной функции находится техническое исполнение этой функции — конечный элемент, элементарная структура V}.
Таким образом машину можно рассматривать как совокупность ветвей {^ vi ], каждая из которых заканчивается соответст-
вующим конечных элементом — V}. Поскольку каждая вновь может делиться многократно, то следует различать также уровни под-
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 функции Р , Р ц, / ц,1 и варианты их технического исполнения У , Уц, vц,1 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
F0 = (рі,F2,...Fn),
(і)
(2)
Рис. 3. Декомпозиция функций и структуры системы
При создании структуры технического объекта следует выбирать по одной элементарной функции / е 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 — Ni.
Возможное количество вариантов определяется произведением количеств вариантов структур по реализации каждой основной функции
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 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].
Ni = V1 - V2 - V3...V1 •
Функционально-структурное представление проектируемого объекта__________________
Совокупность необхо- Варианты организации структуры объекта
димых функций F V | Уг | Уэ 1 • •• 1 V, | ... | У
/и Конструкции сопел и их расположение ■ ь 1 - ■ 1 ,п
/о Конструкции фрез у[24 - у} ■ 2■ п
р1 /13 Конструкции вращающихся ковшей у^■ 3 1 - у^■ 3■ п
/1.1 Отдельные черпаки, ковши и т.д. ь 1 - у2^■ п
^2 ■ 1 ■ 1 - V Исполнение грунтоприемников у2^2 1 - у^ 2■ п
А-3 Конструкции скреперных установок у2^ 3 1 - у2^ 3■ п
/2 Землесосы центробежного типа у2 ь 1 - у121 ,п
р12 /2 Землесосы-эжекторы у121 - у122,п
F2 /123 Землесосы-эрлифт^1 у'22.3.1 - у23 ■ п
/221 Конструкции многочерпаковых устройств у 2 1 1 - у 21 п
/222 Одночерпаковые штанговые устройства у2.2 ■ 1 - у2.2 ■ п
/223 2 2 Одночерпаковые грейферные устройства 2 3 1 2 3 п
/131 Конструкции трубопровода у1311 - у13.1 п
Л3 /132 Конструкции конических насадок у^ ■ 1 - у^ ■ п
/133 Конструкции лотков у^ ■ 1 - у^ ■ п
F3 /134 Конструкции конвейеров у^ ■ 1 - у^п
/231 Разновидности шаланд у| ■ 1 ■ 1 - у^ ■ 1 ■ п
Р23 /232 Плавучие средства с землесосными установками у3 1 - у3 п
/233 Транспортирующие рабочие органы у| ■ 3 а - у^ ■ 3 ■ п
/141 Движители для воды у141 1 - у141 п
/142 Движители по грунтовой поверхности у^■ 1 - у^■ п
р4 /143 Движители для воздушной среды у^ ■ 1 - у^ ■ п
/2*1 4 4 Якорные конструкции у211 - у21п
р24 /2*2 Конструкции свайных аппаратов у 4 2 а - у 4 2 ■ п
/ъ3 Свайно-якорные устройства у£ 3 а - у£ 3 ■ п
Рис. 4. Условное изображение процесса проектирования новой машины
Продолжение таблицы
/і5і Колесные движители У51 .1 - V5! .п
^5 /152 Гусеничные движители ^.2 . 1 — ^.2 п
F5 1 /і5з Роторно-винтовые движители ^з . 1 — V5.з п
/154 Прочие движители для наземного транспорта v54 . 1 — v54 п
/251 Конструкции трейлеров V25 . 1 . 1 — V5 . 1 п
/2-2 Конструкции специальных тележек v2 .2 .1 — v2 .2 . п
/Із Конструкции волокуш V5 . з . 1 — V5 . з . п
/ 6 Jl-1 Электрические энергетические установки V61 .1 — V6 .п
/162 Электрогидравлические энергетические установки V162 . 1 — Vl62 п
/261 Дизельн^іе энергетические установки V6 1 . 1 — V61. п
/2з Л62 Дизель-электрические энергетические установки 6 6 V2 .2 .1 — V2 . 2. п
/6з Дизель-гидравлические энергетические установки 6 6 ^ . з .1 — ^ . з . п
Вход V относится к внутренней стороне объекта, характеризует его структуру, выход К относится к внешней стороне и ха-
рактеризует качественное и количественное значение выполнения объектом определенных функций.
Внутреннее состояние можно представить вектором состояния или структурой объекта:
где V/ есть /-я составляющая вектора V , или просто /-я переменная (/' = /, V).
При этом V характеризует размерность объекта, связана со структурой и ее сложностью.
Выполняемые объектом функции F^ можно представить вектором функций:
Качественное проявление этих функций характеризуются определенными свойствами, а их количественное выражение — показателями качества.
В итоге функционирование объекта характеризуется вектором обобщенного показателя качества:
п 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 F^ , устанавливается совокупность свойств и единичных показателей качества К и .
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 Vи .
Исходя из кибернетического описания объекта проектирования функции блоков (А) и (С) могут быть представлены следующим образом.
К = {кікп ),
где К/и есть М -й единичный показатель качества \М
. Число
Функция блока (А): задан вектор V , определить вектор К . 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 К , определить вектор V , задача синтеза — обратная задача.
Под синтезом в данном случае понимается поиск таких значений составляющих! о и \ = М) вектора состояния V системы (технических решений, структурных составляющих), которые бы обеспечили заданные или наилучшие значения единичных показателей
Ки = г, п) технической системы, при этом записанный как век-
тор обобщенный показатель качества К 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 \і = 1) .
При решении блоком задачи анализа получено значение обобщенного показателя качества, равное К1. В большинстве случаев
К 0
это значение не равно заданному или оптимальному К , т. е. Kt ^ К . Тогда на вход блока синтеза С поступает показатель качества К0 — Кг,
а на его выходе в соответствии с решением задачи
синтеза находится вектор состояния У2 и подается снова на вход блока А. Так осуществляется многошаговый итерационный процесс А.
1-й шаг. Задача анализа А: У\ ^ К1; К1 ^ К0 .
Задача синтеза С: К0 — К1 ^ V2 .
2-й шаг. Задача анализа А: V2 ^ К2; К2 ф К0 .
Задача синтеза С: К0 — К2 ^ Уз .
ьй шаг. Задача анализа А: у ^ К^; К^ ф к0 .
Задача синтеза С: к0 _ К1 ^ у .
т-й шаг. Задача анализа А: ут ^ кт; кт ф к0 На определенном т-ном шаге Кт = К0, 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
_ 11) , в виде всех допустимых решений поставленной за-
дачи. Целью проектирования является выбор такого вектора состояния у = У? (его варианта технической системы), при котором
достигается возможно большее значение обобщенного показателя качества системы:
Найденный вариант V0 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.
В сложившихся условиях, когда отсутствует государственное финансирование на проектно-конструкторские разработки, создание и выпуск опытных образцов машин для добычи сапропеля и очистки водоемов целесообразно вести на модульном принципе.
В практике проектирования применяется понятие конструктивный модуль, как часть конструкции изделия, совокупность деталей и сборочных единиц, образующих изделие. Понятие «конструктивный модуль» чаще всего встречается применительно к эле-
ментам каркаса и корпуса судна, на котором монтируется оборудование [7].
В работе [8] введено понятие «модуль поверхности» детали и предлагается разрабатывать модули технологических процессов их изготовления, модули технологического оборудования и оснастки для создания единой элементной базы машиностроительного производства на модульном уровне.
В нашем случае будем понимать под модулем — самостоятельный элемент, конструктивную единицу, отдельное изделие, полностью собранное, прошедшее функциональную проверку и готовое к монтажу.
Модульный принцип создания машины в нашем понимании основываются на обеспечении возможности комплектования и сборки сложной технической системы из унифицированных комплексов, узлов, сборочных единиц, выполняющих самостоятельную функцию в различного рода технических устройствах и существующих на потребительском рынке.
Модули могут легко соединяться, образуя новую сложную системы различных типов и типоразмеров, разъединяться и заменяться при ремонте и модернизации.
Естественно необходимо подбирать такие модули, которые соответствовали бы функциональным и конструктивным параметрам создаваемой машины с минимальной подгонкой и переделкой, наилучшим образом отвечали показателям качества создаваемой машины, отвечали бы нескольким критериям оптимальности, в частности наименьшей массы, наименьшей стоимости, требовали бы наименьшего времени монтажа и обладали бы максимальной надежностью ч>
К (щ, Т, )> К *,т *)
/, (9) где К — показатели качества; ^ — затраты на создание и эксплуатацию; Ті — сроки создания машины, К ,м> ,Т — допустимые (возможные) показатели качества, ресурсы и сроки.
В ООО «Сапропель» на таком принципе создаются земснаряды для очистки водоемов и для добычи сапропеля.
Такой подход не ограничивает новизну в технических решениях, так в 2003 были получены патенты на полезную модель земсна-
Рис. 5. Промышленный образец земснаряд для добычи сапропеля и очистки водоемов
ряда [9] и патент на промышленный образец земснаряда для добычи сапропеля и для очистки водоемов [10], подано несколько заявок на изобретение.
На рис. 5 показан промышленный образец земснаряда для добычи сапропеля и очистки водоемов, а на рис. 6 изготовленный земснаряд на карьере д. Галкино Балахнинского р-на Нижегородской области.
Модульный принцип позволяет преодолеть очень большую инертность, свойственную развитию и совершенствованию сложных технических систем. Необходимо отходить от практики поощрения авторов разработок и конструкторов в зависимости от числа оригинальных элементов создаваемой техники. Необходимо поощрять и поддерживать работу конструктора за то, что он создает из стандартных, хорошо отработанных узлов, агрегатов, новую высокопроизводительную машину.
Модульный принцип дает возможность:
— упрощение компоновочной схемы проектного решения;
— членение изделия на сборочные единицы, обеспечивающие их независимое изготовление, ремонт и комплектование машины;
— обеспечение беспригонной сборки и взаимозаменяемость.
Рис. 6. Изготовленный земснаряд в работе на карьере
Основные преимущества функционально-структурного подхода и модульного формирования техники позволяет обеспечить:
— сокращение объема, трудоемкости, стоимости и сроков выполнения проектно-конструкторских работ;
— сокращение технологической документации и устранение необходимости в изготовлении необходимой оснастки;
— экономию трудовых и материальных ресурсов;
— сокращение времени сборки и постройки машины;
— использование научно-технического потенциала различных отраслей промышленности.
Этот путь является весьма перспективным в рыночной системе для небольших организаций, занимающихся опытноконструкторскими разработками и созданием техники.
Разработанная методология проектирования машин для добычи сапропеля и очистки водоемов на основе функциональноструктурного подхода позволяет наиболее эффективно осуществлять поиск технических решений, ускоренно и целенаправленно создавать перспективные машины.
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.
4. БалашовЕ.П. Эволюционный синтез систем. М.: Радио и связь, 1985. 221
с.
5. ВоиновБ.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. - ООО «Сапропель».
