CC BY
54
The main cause of deviations appearing in the deep holes machining is the work-piece 's axis deviation from linearity, which reveal itself in the form of the technological heredity for deep boring operations. Tool movement along a curved path leads to it's transverse vibration, what leads to hole's faceting. Paper contains the description of boring tool's design technique, which based of mathematical and numerical modeling of boring process to take into account the workpiece's deviation to reduce the hole's faceting. The new design of improved tool's and modeling process results are given.
Key words: deep holes trepanning, technological heredity, tool's vibrations.
Gorelova Asya Yorievna, postgraduate, forasyoo@gmail. com , Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University,
Kristal Mark Grigorievich, doctor of technical science, professor, crysmar@mail. ru Russia, Volgograd, Volgograd State Technical University
УДК 621.86
СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ МЕХАНОСБОРОЧНЫХ ЦЕХОВ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
А.Н. Шафорост
Представлен метод разработки компоновочно-планировочных решений транспортных систем механосборочных цехов машиностроительных предприятий на стадии проектирования на основе принципов структурного синтеза технических решений и применения интеллектуальных систем их информационной поддержки.
Ключевые слова: транспортная система механосборочного цеха, структурно-параметрический синтез, генетический алгоритм, приведенные затраты, имитационное моделирование.
Одним из направлений реформирования отечественной экономики является развитие промышленной отрасли, предполагающее непрерывное создание новых и реконструкцию существующих машиностроительных предприятий. Это обусловливает необходимость постоянного выполнения проектных работ по расчету реконструируемых механосборочных и вспомогательных цехов и участков машиностроительных предприятий, а также малых предприятий механосборочного профиля, мало отличающихся от них по своей организационной структуре.
Цехи и участки машиностроительных предприятий представляют собой достаточно сложные системы, структуры и деятельность которых непосредственно зависят от сложности и разнообразия выпускаемой продукции, характера производственного процесса ее изготовления и объема
115
производства. Структура производственного участка определяется составом технологического оборудования, его количеством и материальной связью между единицами оборудования, обеспечивающейся развитой транспортной системой предприятия, являющейся неотъемлемой частью производственного процесса и его основным организующим и связующим звеном [1, 2].
Поэтому механизация производственного процесса изготовления машиностроительной продукции и повышение его производительности и эффективности достигаются на основе формирования оптимальной структуры транспортной системы (ТС) из транспортных средств, наиболее полно соответствующих характеру производственного процесса машиностроительного предприятия.
Структура производственных участков и цехов машиностроительных предприятий определяется составом технологического оборудования, его количеством и материальной связью между единицами оборудования, обеспечивающейся транспортной системой предприятия, являющейся неотъемлемой частью производственного процесса и его основным организующим и связующим звеном и оказывающей непосредственное влияние на длительность производственного цикла. Транспортная система должна своевременно и в требуемой последовательности обеспечить выполнение всех запросов технологического оборудования, накопителей и склада в необходимых заготовках, полуфабрикатах и готовых изделиях. Поэтому при формировании количественной и качественной структуры парка машин и агрегатов транспортной системы механосборочных и вспомогательных цехов и участков машиностроительных предприятий необходимо обеспечить взаимную увязку работы ТС и технологического оборудования [3,4].
Процесс проектирования компоновочно-планировочных решений транспортных систем предполагает решение трех задач: анализа, синтеза, оценки и принятия решений. В процессе анализа устанавливают значения конструктивно-технологических и технико-экономических критериев, которые позволяют сравнить проектные варианты между собой. Синтез заключается в генерировании возможных альтернативных вариантов ТС. Оценка и принятие решений заключаются в общей оценке эффективности вариантов на основе их анализа и в их окончательном выборе.
Для решения задачи синтеза альтернативных вариантов ТС на ранних стадиях процесса проектирования цеха или участка машиностроительного предприятия произведен анализ, позволивший выявить взаимосвязь габаритов транспортно-складских средств с пространством цехов машиностроительных предприятий; основные компоновочно-планировочные решения применяемого транспортного оборудования; типы перемещаемого груза, тары и приспособлений, используемых при транспортировке и хранении грузов; количественную и качественную характеристику транспортного оборудования.
В результате определены требования к производительности и количеству транспортных средств, требования к конструкции зданий и цехов машиностроительных предприятий, сформирована классификационная таблица ТС, включающая 16 признаков: тип производства; вид маршрута движения; способ перемещения грузов; принцип движения; конструктивное исполнение транспортного средства; способ управления; способ загрузки технологического оборудования; подтип транспортных средств -тележек, кранов, оборудования подвесного однорельсового транспорта, транспортеров и конвейеров, погрузчиков, транспортных роботов, подъемников; устройства для межоперационного транспортирования.
Синтез альтернативных вариантов транспортной системы предложено производить с использованием аппарата генетических алгоритмов. Вершинами ^-дольного графа, описывающего альтернативные варианты транспортной системы, служат значения разработанной классификационной таблицы. Исходными данными при структурно-параметрическом синтезе транспортной системы являются величины грузопотоков, планировки основного технологического оборудования, тип груза, размеры транспортных партий и др.
Работа генетического алгоритма при формировании количественной и качественной структуры парка машин и агрегатов транспортной системы выглядит следующим образом. Первоначально генетический алгоритм случайным образом генерирует начальный вариант ТС. Далее до момента формирования оптимального варианта ТС осуществляется итерационный процесс, в ходе которого для каждой итерации генетическим алгоритмом реализуются отбор вариантов в группу модификации пропорционально его результирующему показателю, одноточечный оператор кроссинговера и оператор мутации. Каждому варианту назначается вероятность (¿), равная отношению его результирующего показателя к суммарному результирующему показателю группы модификации.
После этого происходит отбор вариантов ТС в группу модификации. Простейший пропорциональный отбор (рулетка) - отбирает варианты с помощью п «запусков» рулетки. Колесо рулетки содержит по одному сектору для каждого варианта. Размер ¿-го сектора пропорционален соответствующей величине Р$ (¿). При таком отборе варианты группы модификации с более высоким/низким значением результирующего показателя будут выбираться с большей вероятностью, чем варианты с низким/высоким значением.
После отбора п выбранных вариантов ТСС подвергаются кроссоверу (рекомбинации) с заданной вероятностью Рс. Случайным образом п вариантов разбиваются на п /2 пары. Для каждой пары с вероятностью Рс может применяться кроссовер. Соответственно с вероятностью 1 -Рс кроссо-
вер не происходит и неизмененные варианты ТС переходят на стадию мутации. Если кроссовер происходит, полученные новые варианты ТС заменяют собой предшествующие и переходят к мутации.
Синтезированный вариант ТС, созданный при помощи генетического алгоритма, представленного на рисунке 1, принимает вид:
а = {«1.2 а2.2 а3.1 ... а5.1 --а9.1 • • -а16.1} . (1)
Синтезированный вариант должен быть полным, поскольку он не может содержать запрещенные пары вершин. Чтобы транспортная система отвечала своему назначению, она обязана выполнять все основные технические подфункции, которые представлены классификационной таблицей. Выбор любого значения из классификационного признака обеспечивает реализацию соответствующей технической подфункции. Это значит, что количество значений классификационных признаков в синтезированном варианте ТС должно совпадать с числом классификационных признаков N. Поэтому на формирование вариантов ТС накладывается ограничение ^ :
g1 = ^1.1 Л ^1.2 л ^1.3 =1» (2)
где Gl 1, 2, з - ограничения на синтезируемый вариант (имеют значения: 1 - при выполнении ограничения, 0 - в противном случае); л - знак операции логического умножения.
Рис. 1. Синтезированный вариант ТС
118
1 - ограничение, отвечающее за то, чтобы количество значений классификационных признаков в синтезированном варианте ТС совпадало с числом классификационных признаков классификационной таблицы:
N кг
II ау = N, (3)
г =1У=1
где кг - количество значений в г-м классификационном признаке; г - номер классификационного признака (г = 1,..., N); у - номер значения в г-м классификационном признаке (у = 1,..., к).
В выражении (3):
[1, если значение входит в окончательный вариант, аг] = | о в противном случае. (4)
0{2 - ограничение, обеспечивающее выбор из каждого классификационного признака единственной значения:
N
"г I ау = Ь (5)
]=1
где квантор "г читается как «для всех признаков г».
^13- ограничение, отвечающее за то, чтобы окончательный вариант состоял только из совместимых значений классификационной таблицы:
NN-1 п!
II ^ =1г—т, (6)
X=1 7=1/ ф 2 Лп - Г )!
N N-1
где I - сумма /-элементов окончательного варианта; I - сумма 2-/=1 2=1 элементов окончательного варианта, X = 1... N, 2 = 1... N; N -1 - условие,
исключающее суммирование одного элемента дважды; - матрица совместимости X и 2 элементов окончательного варианта; Сп - число г-сочетаний из п вершин, образующих окончательный вариант (в нашем случае сравниваются сочетания двух вершин, а п = N).
Матрица совместимости имеет вид: [ 1, если /-я и 2-я вершины окончательного варианта совместимы, ^ = | о в противном случае.
Примером оценки совместимости значений окончательного варианта может служить сравнение таких возможных значений классификационных признаков, как «безрельсовое» исполнение ТС (X = 5) и использование такого транспортного средства как «мостовой кран» (2 = 9). В этом случае ^59 = 0.
В результате проведения синтеза вариантов транспортной системы на разработанной классификационной таблице формируется множество допустимых вариантов решений ТС. На следующем этапе проектирования ТС элементам структур сформированных вариантов сопоставляются реальные модели транспортных средств, тем самым многократно увеличивая размерность задачи выбора оптимального варианта (рисунок 2). Для ее решения аналогичным образом используется генетический алгоритм.
В данной работе для оценивания вариантов ТС методом генетических алгоритмов в качестве критерия оптимальности предложено использовать сумму приведенных затрат на создание и эксплуатацию ТС (З^) и затрат от простоя технологического оборудования, которую необходимо минимизировать:
где J - затраты от простоя технологического оборудования; С - годовые эксплуатационные расходы (себестоимость работ) по варианту; К - прямые капитальные вложения в производственные фонды; Ен -нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; £ -суммарное время простоя технологического оборудования, определяемое по результатам имитационного моделирования; ^ - средняя стоимость одной минуты простоя технологического оборудования. Данный критерий представляет собой часть приведенных затрат на создание и эксплуатацию цеха (участка) машиностроительного предприятия, зависящую от его транспортной системы.
Рис. 2. Формирование вариантов транспортных систем
Годовые эксплуатационные расходы, входящие в приведенные затраты по варианту ТС, включают в себя такие статьи затрат, как амортизационные отчисления на капитальный ремонт; затраты на заработную пла-
т = ЗЕ+ J = С + ЕНК + £ • ^ ® Шп,
(7)
а ~ {°\2 ••• аЪА ••■ а9.\ а10.1 ••• ^16.1}
ту; затраты на текущий ремонт; затраты на электроэнергию; затраты на помещение. Прямые капитальные вложения в ТС состоят из капитальных вложений в здания и в оборудование, потребное по варианту. Причем в составляющих приведенных затрат учитываются лишь те факторы, на которые влияет выбор типа ТС, транспортных средств и структура самого производства.
На выбор оптимального варианта ТС налагаются два ограничения
g2 _ ^экспл — ^теор — 0 , (8)
где дэкспл - эксплуатационная производительность; дтеор - теоретическая
производительность.
Данное ограничение выделяет для дальнейшего анализа варианты ТС, способные осуществить требуемый объем перевозок, имея достаточную производительность.
g3 = G3.1i А G3.2i А G3.3i -1 = ^ (9)
где G3 i, G3 2, G3 3 - конструктивные ограничения на ТС, аналогичные ограничениям (2).
G3 i = (D £ Ai)a(£>2 £ A2) - ограничение, учитывающее взаимосвязь габаритов транспортно-складского средства с параметрами пространства цеха, где Di, D2 - длина и ширина транспортного средства (габариты транспортного средства); Ai, - сравниваемый параметр пространства цеха, или склада (например, для мостовых кранов - это пролет цеха, для напольного транспорта - ширина проездов).
G3 2 = (D4 £ A3) - ограничение, устанавливающее возможность транспортирования груза по массе, где D4 - масса перемещаемого груза; A3 - максимальная масса груза, перемещаемого транспортным средством.
G3.3 =(Q — A4) - ограничение, устанавливающее соответствие режима работы транспортно-складского оборудования ТС (Q) режиму работы, установленному заданием на проектирование ТС (A4).
В конечном итоге математическая модель структурно-параметрического синтеза транспортной системы представляется следующим образом [5]:
m = С + ЕНК + S • F ® min;
i - (10)
gj — 0, j = 1...3. V 7
Данная математическая модель позволяет описать количественную и качественную структуру парка машин и агрегатов транспортной системы, сформировать множество их допустимых вариантов, оценив совместимость подсистем, образующих каждый из вариантов, сопоставить каж-
121
дой из подсистем допустимого варианта структуры парка машин и агрегатов ТС реальное транспортное средство и выбрать оптимальный вариант, по разработанному критерию минимума приведенных затрат.
Конечным этапом формирования количественной и качественной структуры парка машин и агрегатов транспортно-складской системы является анализ показателей ее эффективности и исследование динамики ее функционирования при комплексной механизации основных и вспомогательных процессов и операций цеха или участка машиностроительного предприятия. При этом производится имитационное моделирование работы ТС с использованием общецелевой системы имитационного моделирования GPSS World.
Список литературы
1. Анцев В.Ю., Шафорост А.Н. Оптимизация структуры внутрицехового транспорта машиностроительных предприятий // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 2-4 (292). С. 104109.
2. Ивахненко А.Г., Куц В.В. Структурно-параметрический синтез технологических систем. Курский государственный технический университет. Курск, 2010. 153 с.
3. Мерданов Ш.М., Шефер В.В., Конев В.В. Проектирование предприятий по эксплуатации и ремонту машин: учебное пособие для студентов вузов. Тюмень, ТюмГНГУ, 2009. 243 с.
4. Управление качеством в системах и процессах машиностроения / О.В. Аникеева, Н.П. Золотухина, А.Г. Ивахненко, А.В. Олейник, М.Л. Сторублев. Юго-Западный государственный университет. Курск, 2014. 208 с.
5. Анцев В.Ю., Шафорост А.Н. Математическая модель структурно-параметрического синтеза транспортно-складских систем промышленных предприятий / Наземные транспортно-технологические комплексы и средства: материалы международной научно-технической конференции. Тюменский индустриальный университет. Тюмень, 2016. С. 21-25.
Шафорост Александр Николаевич, ассист., shaforostatsn. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STRUC TURALLY-PARAMETRICAL SYNTHESIS TRANSFER SYSTEMS MACHINE-ASSEMBLING SHOPS MACHINE-BUILDING COMPANIES
A.N. Shaforost
A method of layout design and planning solutions of transportation systems departments Smith machine-building enterprises in the design stage on the basis of structural synthesis of the technical re-making and application of intelligent systems of information support.
Key words: transport system assembly department, structural andparametric synthesis, genetic algorithm, given the cost-ary imitation modeling.
Shaforost Aleksandr Nikolaevich, assistant, shaforost@,tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.865.8
РОБОТ ДЛЯ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ ДОРОГИ
Е.В. Поезжаева, Н.К. Иванов, И.Э. Шаякбаров
В условиях современного мира человечество нуждается в альтернативных источниках энергии. Такую энергию можно получить из солнца с помощью специальных покрытий. Предлагается конструкция дороги для поглощения солнечной энергии с помощью фотовольтаических пластин и контроль качества данного покрытия с помощью робота.
Ключевые слова: дорога, покрытие, робот, диагностика, моделирование.
В современном мире одной из важнейших задач является защита окружающей среды. Одним из направлений является рациональное использование энергетических ресурсов и их замена на альтернативные источники. Одним из таких источников является солнце. Оно дает достаточно световой энергии, которую можно переделать в другой вид энергии. Но необходимо собрать данную энергию, и для этого проектируется дорога с покрытием, способным поглощать световую энергию солнца и трансформировать её в электрическую. Эти покрытия получили названия фотоволь-таические (рис. 1).
Рис. 1. Участок дороги из фотовольтаических пластин
123
