0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Виды описаний технических систем

Виды технических систем

В процессе работы технические системы преобразуют энергию и информацию, свойство и состояние вещества. В зависимости от назначения и принципа действия системы подразделяют на машины, аппараты и приборы. В тех случаях, когда трудно определить принадлежность системы, употребляют понятие устройства или комплекса, как, например, регулирующее устройство, космический комплекс и т.д.

Технические системы, предназначенные для получения или преобразования механической энергии, относят к машинам. Их основу составляют механизмы, т.е. системы подвижно связанных между собой контактирующих твердых тел-звеньев, совершающих определенные механические движения. Так, к машинам относятся автомобиль (колесная машина), вертолет (лопастная машина) и т.п. Внешне разные машины могут содержать подобные или схожие механизмы. Основные функциональные части машины показаны на рис. 9.

Рис. 9. Машина и ее основные функциональные части

Технические системы, предназначенные для получения или преобразования иных видов энергии, относят к аппаратам. Их примерами могут служить телевизор (телевизионный аппарат, преобразует электромагнитные сигналы в визуально-звуковую информацию), телефон (телефонный аппарат, осуществляет взаимное преобразование звуковых и электрических сигналов), фотоаппарат, ракета (космический аппарат), реактор (ядерный или химический реактор, изменяющий посредством реакций свойство и/или состояние вещества) и т.д.

Технические системы вспомогательного назначения (контроль, управление, измерение, регулирование) относят к приборам. В зависимости от принципа действия их подразделяют на механические (гироскоп и т.п.), электрические (вольтметр и т.п.), оптические (микроскоп и т.п.) и т.д., а также на приборы комбинированного действия (оптико-электронные приборы и т.п.).

Выполнение машинами вспомогательных функций может вызывать необходимость введения в их состав электрических, оптических и иных устройств, а в состав аппаратов машинные агрегаты и механические конструкции, как, например, дисковод компьютера, стержневая конструкция опоры линии электропередачи. Отличия во вспомогательных функциях у одинаковых по назначению систем придают им индивидуальность.

Как промышленная продукция, технические системы и их элементы в зависимости от характера изготовления по ГОСТ 2.101 подразделяют на следующие виды:

· комплекс — два или более специфицированных (являющихся частями одной, общей системы и входящие в единую спецификацию) изделия, не соединенные на предприятииизготовителе сборочными операциями, но предназначенные для выполнения взаимосвязанных функций;

· сборочная единица — изделие, которое состоит из отдельных частей, собирается на предприятии-изготовителе и может рассматриваться как самостоятельная конечная продукция;

· деталь — изделие, изготовленное из однородного по наименованию или марке материала без применения сборочных операций.

Часто используют понятие сборочного узла, занимающего промежуточное положение между деталью и сборочной единицей. Если сборочная единица выступает как конечный вид продукции какого-то производства, то сборочный узел является условной частью изделия, временно формируемой в процессе его сборки (например, дверь автомобиля, если в дальнейшем она поступает на завершающую сборку изделия).

Машины, аппараты и приборы могут входить в состав более сложных технических систем, но, с другой стороны, также могут состоять из отдельных взаимосвязанных частей. Набор часто применяющихся частей образует элементную базу предметной области — машиностроения, аппаратостроения, приборостроения. Элементы такой базы обычно характеризуются узким функциональным назначением, их целиком в состоянии разработать один специалист, либо он использует их в проектируемой системе в виде готовых изделий (сборочных единиц).

Элементы могут различаться по устройству, но иметь схожее назначение. Принято элементы с одинаковым назначением объединять в группы — резисторы, резьбовые соединения и т.п. Среди элементов выделяют типовые, т.е. общие и часто встречающиеся в разных устройствах (рассматриваются в общетехнических курсах), и специальные, имеющие специфическое применение (изучаются в спецкурсах, как, например, роторы, рельсы, лопатки и т.п.). Количество типовых элементов ограничено, однако все многообразие машин, аппаратов и приборов построено главным образом на применении этих элементов.

Элементная база машиностроения имеет ряд особенностей:

· достаточно большая часть ее элементов также входит в состав элементных баз аппаратои приборостроения, как, например, детали резьбовых соединений;

· на характеристики машин существенно влияют не только типы и расположение элементов, но и их размеры и технология изготовления. Изменением параметров одного и того же элемента возможно изменение его функционального назначения, как, например, колесо и маховик.

188.64.169.166 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Виды описаний технических систем

В задачах проектирования систем автоматизации управления организационно-техническими системами (ОТС) важное место занимает задача моделирования технической части таких систем. Разнообразие видов технической составляющей ОТС, сложность ее структуры требует разработки общих подходов к моделированию технических систем.

Формулировка термина техническая система (ТС) зависит от поставленной задачи [2, 5]. Базовым элементом систем автоматизации управления ОТС является информационная среда, в которой содержатся сведения о структуре технической системы. Поэтому при моделировании технических систем для решения задач автоматизации ОТС можно ограничиться следующим определением: «Техническая система это взаимосвязанная совокупность технических объектов, предназначенная для выполнения определенных функций». Здесь технический объект это любое изделие (элемент, устройство, подсистема, функциональная единица или система), которое можно рассматривать в отдельности [1].

Классификация технических систем

Разработку моделей технических систем целесообразно подчинить набору правил, что позволит упорядочить процесс создания модели и повысить качество моделирования. Важнейшим из таких правил является использование классификация технических систем как основы построения модели технической системы. Наличие классификации технических систем позволяет идентифицировать вид структуры сложной технической системы, что позволяет провести декомпозицию системы в соответствии с типовой структурой.

Классификация с точки зрения состава технических систем

Рассмотрим существующие системы классификации технических систем. Все технические объекты, которые производятся на предприятиях, имеют классификационные признаки в соответствии с Единой системой классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации (ЕСКК) [4]. Основной целью классификации в системе ЕСКК является упорядочение информации об объектах, что обеспечивает совместное использование этой информации различными субъектами. Из классификаторов, представленных в ЕСКК, для задачи моделирования технических систем наибольшее значение имеет общероссийский классификатор продукции (ОКП) [3], который содержит перечень кодов и наименований иерархически классифицированных групп видов продукции.

Для задачи моделирования структуры технической системы наибольший интерес представляет классификация по уровню сложности технической системы [5]. Выделены следующие уровни сложности:

I. Конструктивный элемент, деталь машины.

II. Узел, механизм.

III. Машина, прибор, аппарат.

IV. Установка, предприятие, промышленный комплекс.

При разработке классификации технических систем необходимо учитывать принципы разделения изделий на части, которые приняты в Единой системе конструкторской документации. ГОСТ 2.101-68 «Виды изделий» определяет изделие как предмет или набор предметов, изготовляемых на предприятии, и делит изделия на следующие виды:

  • Детали – изделия, не имеющие составных частей.
  • Сборочные единицы — изделия, состоящие из нескольких частей.
  • Комплексы — два или более изделия предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций.

Сравнивая классификации по уровню сложности и по видам изделий, можно сделать следующие выводы:

  • Обе классификации выделяют в качестве простейшего объекта деталь.
  • Понятие сборочная единица соответствует как понятию узел, так и понятию машина (прибор, аппарат).
  • Понятия промышленный комплекс (установка) и комплекс как вид изделия отражают одинаковое свойство – объединение частей в единое целое.

Объединяя классификацию по уровню сложности, видам изделий и по видам продукции, введем следующие элементы классификации по составу технической системы:

  • Техническая система это совокупность технических объектов, выполняющих определенную функцию, соответствующую цели ее создания.
  • Оборудование – изделие, представляющее собой продукцию.
  • Узел – часть изделия, собираемая по сборочному чертежу.
  • Деталь – часть оборудования или узла, выполненная из однородного материала, изготавливаемая по детальному чертежу.
  • Комплекс оборудования – два и более оборудования, предназначенных для выполнения общих функций.

Узел и деталь являются элементами оборудования, а комплекс – это объединение оборудований. Объединение оборудований в комплексы может разделяться по уровням объединения – комплекс верхнего, среднего и нижнего уровня.

Рис. 1. Иерархическая структура технической системы

Классификация с точки зрения структуры технической системы

Техническая система как составная часть организационно-технической системы может быть отнесена к одному из следующих структурных представлений:

  • Списочная (парковая) структура однородных объектов, между которыми отсутствует взаимодействие. Каждый объект выполняет свою функцию.
  • Сетевая структура технической системы – совокупность технических объектов, между которыми есть взаимодействие. Для такого типа структуры необходимо описание не только самих технических объектов, но и описание элементов инженерной сети, через которую происходит взаимодействие технических объектов;
  • Структура линейной технической системы.

Примерами парковой структуры являюется автопарк или парк оборудования предприятия. Примером сетевой структуры являются система теплоснабжения города, включающая центральную тепловую станцию (ЦТС), совокупность тепловых пунктов (ТП) и тепловые сети для передачи теплоносителя от ЦТС к ТП и от них к жилым домам.

Примером структуры линейной технической системы является железнодорожный путь, который формируется рядом локальных и линейных инженерных сооружений – верхним строением пути, состоящим из рельсов, шпал, скреплений и балласта, и искусственными сооружениями.

Сетевая структура технической системы отличается от парковой структуры наличием сетевой компоненты, обеспечивающей взаимосвязь элементов. Это позволяет рассматривать парковую структуру является частным случаем сетевой структуры.

Моделирование структуры технических систем

Задачей моделирования структуры технической системы является отображение структурных свойств технической системы, описание отдельных ее подсистем и элементов. В зависимости от целей проекта автоматизации одна и та же техническая система будет представлена разными моделями. Отличие моделей технической системы будет заключаться в полноте и детальности описания структурных свойств технической системы. Полнота описания ТС определяется той частью комплекса технических объектов, которая будет учтена в модели ТС. Детальность описания ТС определяется тем уровнем иерархии, вплоть до которого будут учтены элементы ТС.

Объектная модель технической системы

Базовой моделью технической системы является ее объектная модель. Объектная модель ТС технической системы отображает ее структуру и должна отвечать на вопрос: «Из каких частей состоит каждый элемент технической системы?». Использование принципа деления целого на части определяет иерархический характер объектной модели технической системы.

Рассмотрим проблемы построения объектной модели для сетевой и линейной технической системы.

Объектная модель сетевой технической системы

Построение объектной модели основано на анализе следующей технической документации:

  • Схема расположения комплексов технической системы и экспликации к ней.
  • Эксплуатационная документация на каждый вид оборудования, используемый в технической системе.
  • Техническая документация на сетевой комплекс.

Схема расположения позволяет определить положение элементов технической системы по отношению к элементам инфраструктуры функционирования технической системы. Для технической системы, расположенной в черте города, положение объектов указывают по отношению к улицам и домам. Для технической системы, расположенной на промышленном предприятии, положение объектов указывают по отношению к номеру цеха и номеру ячейки в данном цехе, которые образованы опорными колоннами. Могут быть использованы и другие способы указания положения объектов по отношению к элементам инфраструктуры функционирования ТС. На схеме расположения указываются комплексы технической системы, элементы сети, обеспечивающие взаимодействие комплексов и элементы инфраструктуры функционирования технической системы. Пример схемы расположения дан на рис. 2. На схеме представлена техническая система, состоящая из 4-х комплексов технических средств (КТС 1, 2, 3, 4), и физическая сеть, объединяющая КТС в единую систему. Сетка служит для позиционирования элементов технической системы в системе функционирования технической системы.

На основе анализа модели уровня технической системы необходимо выделить:

  • Виды комплексов технической системы.
  • Виды элементов инженерных сетей.

Виды комплексов технических систем определяются по критерию одинаковой внутренней структуры. Для каждого вида комплекса технической системы необходимо построить свою модель, в которой отображаются комплексы технической системы нижнего уровня и те виды оборудования, которые используются в данном комплексе.

Рис. 2. Схема расположения комплексов технической системы

Рис. 3. Объектная модель комплекса технической системы

Так как каждый вид оборудования имеет свою внутреннюю структуру, то для каждого вида оборудования необходимо построить свою модель, в которой это оборудование разделено на узлы и детали.

Завершающим этапом разработки модели сетевой технической системы является разработка модели инженерных сетей. На этапе анализа схемы расположения технической системы и экспликации к ней необходимо выделить виды технических объектов, которые использованы для построения инженерной сети ТС. Рассмотрим модель инженерной сети на примере трубопроводной сети, основные элементы которой представлены на схеме.

Отличительной особенностью трубопроводной сети, является то, что часть ее элементов (трубы, соединительные элементы) изготавливаются по монтажной схеме, а часть (арматура) является определенным видом оборудования. Однако в большинстве случаев, разрабатывать модель внутренняя структура арматуры не требуется.

Рис. 4. Объектная модель оборудования

Рис. 5. Объектная модель сетевой структуры технической системы

Объектная модель линейной технической системы

Особенностью линейной технической системы является использование технических объектов для формирования инфраструктуры. Рассмотрим проблемы создания объектной модели распределенной технической системы на примере железнодорожного пути.

Железнодорожный путь – сложный комплекс линейных и сосредоточенных инженерных сооружений и обустройств, расположенных в полосе отвода. Основным элементом железнодорожного пути является рельсовая колея, которая образована из рельсов, шпал, скреплений и других элементов, которые вместе составляют верхнее строение пути. Верхнее строение пути укладывают на земляное полотно. В местах пересечения железнодорожного пути с реками, оврагами и другими препятствиями верхнее строение пути укладывается на искусственные сооружения. К важным устройствам железнодорожного пути относят стрелочные переводы, так как вся сложная структура железнодорожных путей основана на их разделении (соединении), которое происходит в стрелочном переводе.

Технической системой является совокупность железнодорожных путей, представляющих единое целое – инфраструктурную часть железной дороги как целостную часть организационно-технической системы. В действительности в инфраструктурную часть железной дороги кроме железнодорожного пути входят и устройства электроэнергетики, сигнализации и связи. Однако структурообразующим элементом инфраструктуры железной дороги является железнодорожный путь.

С геометрической точки зрения железнодорожный путь представляет собой сеть, состоящую из узлов и дуг. Дугами являются участки железнодорожного пути между двумя узлами. Узлами являются объекты, соединяющие несколько участков железнодорожного пути.

Схема расположения железнодорожных путей представляет собой совокупность узлов и дуг, каждый из которых имеет уникальное имя.

Рис. 6. Схема расположения объектов линейной технической системы

Для представления элементов линейной технической системы необходимо представить иерархическую структуру объектов, которая в совокупности образует эту систему. Если ограничиваться только основными элементами, то модель инфраструктурной части железной дороги может быть представлена на следующей схеме (рис. 7).

Рис. 7. Модель объектов железной дороги

Рельсы, шпалы, скрепления являются изделиями (деталями), которые собираются на специализированных предприятиях в технологические комплексы, которые затем укладываются в железнодорожный путь. Такими комплексами могут быть: рельсошпальная решетка, в которой с помощью скреплений соединены два рельса и необходимое число шпал; рельсовая плеть – сваренные воедино несколько рельсов. Элементы стрелочных переводов также изготавливаются на предприятиях как детали и собираются в единый технический объект в месте установки. Искусственные сооружения представляют собой сложные инженерные сооружения, которые строятся по специальным проектам. Модель искусственного сооружения разрабатывается по тем же правилам, что и модель оборудования.

Заключение

Технические системы часто имеют сложную структуру, что требует структурного подхода к их моделированию. Моделирование технических систем должно основываться на типизации технических систем и на анализе структурных свойств как технической системы в целом, так и ее отдельных элементов. Центральным элементом модели технической системы является оборудование как изделие, которое производится на предприятии.

Рецензенты:

Панов А.Ю., д.т.н., заведующий кафедрой «Теоретическая и прикладная механика», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород;

Федосенко Ю.С., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Информатика, системы управления и телекоммуникации», ФГБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта», г. Нижний Новгород.

Техническая система

Техническая система (ТС) — это материальный объект искусственного происхождения, который состоит из элементов (составных частей, различающихся свойствами, проявляющимися при взаимодействии) объединённых связями (линиями передачи единиц или потоков чего либо) и вступающих в определённые отношения (условия и способы реализации свойств элементов) между собой и с внешней средой, чтобы осуществить процесс (последовательность действий для изменения или поддержания состояния) и выполнить функцию ТС (цель, назначение, роль). ТС имеет структуру (строение, устройство, взаиморасположение элементов и связей, задающее устойчивость и воспроизводимость функции ТС). Каждая составная часть ТС имеет индивидуальное функциональное назначение (цели использования) в системе.

Функциональный состав и свойства объектов таксона «технические системы» [1] .

В каждой ТС существует функциональная часть — объект управления (ОУ). Функции ОУ в ТС заключаются в восприятии управляющих воздействий (УВ) и в изменении в соответствии с ними своего состояния. ОУ в ТС не выполняет функций принятия решений, то есть не формирует и не выбирает альтернативы своего поведения, а только реагирует на внешние (управляющие и возмущающие) воздействия, изменяя свои состояния предопределенным его конструкцией образом.

В объекте управления всегда могут быть выделены две функциональные части — сенсорная и исполнительная.

Сенсорная часть образована совокупностью технических устройств, непосредственной причиной изменения состояний каждого из которых является соответствующие ему и предназначенные для этого управляющие воздействия. Примеры сенсорных устройств: выключатели, переключатели, задвижки, заслонки, датчики и другие подобные им по функциональному назначению устройства управления техническими системами.

Исполнительная часть образована совокупностью материальных объектов, все или отдельные комбинации состояний которых рассматриваются в качестве целевых состояний технической системы, в которых она способна самостоятельно выполнять предусмотренные её конструкцией потребительские функции. Непосредственной причиной изменения состояний исполнительной части ТС (ОУ в ТС) являются изменения состояний её сенсорной части.

Классификационные признаки объектов таксона «технические системы»:

  • представляют собой целостную совокупность конечного множества совзаимодействующих материальных объектов
  • имеют условия штатной эксплуатации, предусмотренные их конструкцией
  • содержат последовательно взаимодействующие друг с другом сенсорные и исполнительные функциональные части
  • имеют модели управляемого предопределенного причинно-следственного поведения в пространстве достижимых равновесных устойчивых состояний
  • имеют целевые состояния, соответствующие состояниям исполнительной части объекта управления в ТС
  • имеют способность, находясь в целевых состояниях, самостоятельно выполнять потребительские функции

Техническая система — это целостная совокупность конечного числа взаимосвязанных материальных объектов, имеющая последовательно взаимодействующие сенсорную и исполнительную функциональные части, модель их предопределенного поведения в пространстве равновесных устойчивых состояний и способность, при нахождении хотя бы в одном из них (целевом состоянии), самостоятельно выполнять в штатных условиях предусмотренные её конструкцией потребительские функции. [2]

Техническая подсистема — это часть системы, имеющая все признаки объектов таксона «технические системы». Техническая подсистема может быть частью некоторой системы, которая сама может не относиться к классу ТС.

Устройство — это целостная совокупность конечного числа взаимосвязанных материальных объектов, имеющая модель предопределенного поведения и равновесные устойчивые состояния в штатных условиях эксплуатации.

В определении понятия «устройство» учитывается, что оно как составная часть ТС также должно иметь равновесные устойчивые состояния, определяющие свойства целевых состояний системы в целом.

Деталь — неразделимый на элементы материальный и функциональный объект технической системы или устройства.

В этом определении учитывается, в частности, «функциональное» свойство детали, которое заключается в её способности выполнять отведенную ей конструктором роль в ТС, то есть быть исправной.

Классификация технических систем

Область применения технических систем очень широка и включает в себя все отрасли экономики. В табл. 3.1 приведены примеры технических систем, используемых в важнейших отраслях экономики.

Классификация технических систем по различным определяющим признакам вносит достаточно стройный порядок в их обширное множество и позволяет лучше ориентироваться. Как следствие этого появляется возможность изучения передового опыта, что позволяет подчас обнаружить между довольно далекими техническими системами интересные, доселе скрытые отношения.

Технические системы могут быть классифицированы по следующим признакам:

по функции (рабочему действию), например, технические системы для фиксации, придания формы, вращения, подъема;

Примеры технических систем в различных отраслях экономики

по типу преобразования, например, технические системы для преобразования материи, энергии, информации, биологических объектов;

по принципу осуществления рабочего действия, например, технические системы, основанные на механическом, гидравлическом, пневматическом, электронном, химическом, оптическом, акустическом принципе;

по характеру функционирования, например, мощностные, скоростные, импульсные технические системы, системы для различных условий окружающей среды (например, для тропического климата) и т. п.;

по уровню сложности, например, конструктивные элементы, узлы, машины, предприятия в целом;

по способу изготовления, например, технические системы, изготовленные путем литья, ковки, штамповки, обточки;

по степени конструктивной сложности;

по форме, например технические системы (конструктивные элементы) в виде тела вращения, плоские, сложной формы;

по материалу, например, технические системы из стали, меди, пластмассы;

по степени оригинальности конструкции, например, заимствованные, доработанные, модифицированные, оригинальные технические системы;

по типу производства, например, технические системы, изготовленные в условиях единичного, серийного или массового производства;

по названию фирмы-изготовителя, например, технические системы «Сименс», «Фиат», «ВАЗ», «BOSCH»;

по месту в техническом процессе, по эксплуатационным свойствам, внешнему виду, технико-экономическим характеристикам и т. п.

Ясно, что одна и та же техническая система может принадлежать одновременно к нескольким классам. Ниже более подробно будут рассмотрены те принципы классификации технических систем, которые, с точки зрения проектировщика и конструктора, являются особо важными.

Классификация технических систем по функции. Названия технических систем часто выбираются в соответствии с их функцией. Составление номенклатур изделий применительно к требованиям сбыта, планирования, контроля, сравнительной оценки и т. п. также осуществляется, как правило, в соответствии с функцией технических систем. Изделия обозначаются по функции также в тех случаях, когда требуется помочь потенциальному потребителю найти то или иное техническое средство для выполнения определенной функции: этому служат торговые и промышленные каталоги, обзорные таблицы и т.п.

На любом предприятии используется множество элементов и узлов, выполняющих в различных отраслях техники одну определенную функцию, таких, как крепежные детали, редукторы, соединительные муфты, измерительные, регулирующие и сигнальные приборы, гидравлические и пневматические приборы и их части, специализированные электротехнические устройства и т.п. Узлы и детали машин также можно рассматривать как технические системы, поэтому их классификацию целесообразно проводить тоже по функции, так как конструктор, производственник и эксплуатационник применяют различные детали в соответствии с их функциональной пригодностью. Такая классификация называется конструктивно-функциональной, наряду с классификацией по способу изготовления она является основной при заимствовании существующих технических систем, унификации, типизации и стандартизации элементов и групп. Классификация по этим принципам позволяет экономить рабочее время конструктора.

Классификация технических систем по принципу действия. Для конструктора важно, чтобы технические системы, выполняющие одинаковые функции, были далее сгруппированы по еще какому-либо важному признаку. Таким признаком можно считать принцип действия технической системы. Так, например, технические системы «двигатели» можно подразделить по принципу действия: двигатели электрические, внутреннего сгорания, внешнего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания в свою очередь можно подразделить по используемому физическому принципу смесеобразования на карбюраторные и дизельные. Такого рода признаки технических систем относятся преимущественно к группе функционально обусловленных свойств, весьма характерных для технических систем и имеющих большое значение для методической работы конструктора.

Классификация технических систем по уровню сложности. Деление технических систем на классы по их структуре — обычное дело в работе конструктора. Основным признаком, по которому образуются классы, должна служить функция системы. Однако, учитывая потребности производства, например, по соображениям монтажа, порой возникает необходимость в проведении иной классификации. Табл. 3.2 дает общее представление о классификации технических систем по уровню сложности.

Классификация технических систем по уровню сложности

На более высоких уровнях сложности можно различать еще и промежуточные уровни. Тем не менее, следует помнить, что речь идет об относительной иерархии. Одна и та же система более низкого уровня, например электромотор или коробка передач, в одной системе рассматривается как подгруппа, а в другой системе – как группа или машина (подсистема).

На практике общепризнанно, что нижние уровни технических систем находят более универсальное применение, например, такие элементы как «винт», «болт», «гайка» применяются в машиностроении повсеместно, «электромотор» довольно часто, а «технологическая линия» используется лишь в определенных, специальных процессах.

Классификация технических систем по уровню сложности имеет немаловажное значение для конструктора, поскольку уровень сложности технической системы

а) находится в определенном соотношении со степенью сложности решения поставленной перед конструктором задачи;

б) предполагает установление известных границ для специализации конструктора (например, инженер-проектировщик имеет дело с предприятием, инженер-конструктор — с машиной, конструктор деталей — с элементами машины);

в) помогает конструктору ориентироваться в процессе работы, ибо, если он решает задачу на каком-то определенном уровне сложности, ему важно знать лишь то, как его задача согласована с более высоким уровнем (в отношении более низкого уровня конструктор принимает чаще всего только принципиальные решения).

На основании сборочного чертежа отдельные уровни сложности можно рассматривать так же, как совокупности процессов изготовления и монтажа. Образование соответствующих совокупностей, прежде всего из деталей, подгрупп и групп, является необходимым условием создания модульных конструкций, а также целесообразной организации производственного процесса.

Классификация технических систем по способу изготовления. Для изготовления определенных групп технических систем требуется однотипное технологическое оборудование. Например, на одном и том же оборудовании можно изготовить паровые котлы и химические емкости, на другом — токарные, фрезерные, сверлильные и другие станки. Детали машин можно также свести в технологические группы по принципу сходства технологических операций изготовления, где главным отличительным признаком будет служить форма. Такая классификация позволяет рационально провести технологическую подготовку производства и повысить эффективность производственного процесса, поскольку дает возможность объединить рабочие места для изготовления одинаковых по способу изготовления деталей. Это в свою очередь облегчает осуществление самых различных мер рационализации, например специализацию рабочих цехов, предприятий. Значение такой классификации особенно велико при разработке и осуществлении планов подготовки производства, методов управления и планирования. Она является составной частью, так называемой, групповой технологии обработки.

Классификация технических систем по степени конструктивной сложности.Технические системы можно также классифицировать с точки зрения конструктивной сложности. В качестве примера в табл. 3.3 технические системы третьего уровня сложности (см. табл. 3.2) разделены на 6 категорий по степени их конструктивной сложности. В зависимости от уровня сложности рассматриваемой технической системы для решения связанных с ней проблем выбирается соответствующий специалист или группа специалистов. При планировании конструкторской работы степень конструктивной сложности разрабатываемой технической системы служит критерием для установки определенных временных рамок инженерной работы.

Примеры классификации технических систем III уровня сложности по

степени конструктивной сложности

Детали машин также можно классифицировать в зависимости от степени сложности их конструкции. Соответствующий пример классификации по другому принципу дан в табл. 3.4. Критериями опенки степени конструктивной сложности служат:

а) степень оригинальности конструкции;

б) сложность выполняемых функций, форм, структуры в целом;

в) сложность расчетов;

г) размеры, необходимые точность их выполнения и качество обработки;

д) особые требования, предъявляемые к таким характеристикам, как масса, технологичность конструкции, затраты, требования к внешнему виду и т. п.

Примеры классификации деталей машин по степени конструктивной сложности

Классификация элементов технических систем по степени стандартизации и происхождению. Такая классификация очень важна для оценки экономичности конструкции. По степени стандартизации технической системы можно судить о целесообразности и возможных масштабах ее производства в рамках данного предприятия. С экономической точки зрения количество оригинальных конструктивных элементов в технической системе должно быть как можно меньшим, поскольку они характеризуют требования, предъявляемые к конструкторской и технологической подготовке производства. Существует правило, которое гласит, что чем меньше количество оригинальных конструктивных элементов в создаваемой системе, тем выше вероятность для организации ее серийного или даже массового производства. Часто, впрочем, в силу каких-либо иных причин эти соображения не являются решающими.

Классификация технических систем по степени оригинальности конструкции. При разработке новой машины конструктор всегда старается использовать в конструкции, оправдавшие себя на практике узлы и детали. По степени оригинальности конструкции технические системы можно разделить на следующие категории.

Заимствованные технические системы. Для выполнения необходимой функции уже существуют какая-либо техническая система или даже несколько систем, из которых могут быть выбраны наиболее подходящие. К ним относятся в первую очередь унифицированные элементы и группы (болты, клинья, вентили, пружины), а также неунифицированные элементы и группы, которые могут быть заимствованы из других конструкций.

Доработанные технические системы. В наличии имеется какая-либо техническая система, выполняющая необходимую функцию, но не отвечающая некоторым требованиям. Возникает потребность, например, изменить габариты, мощность, число оборотов, скорость, установочные размеры, материал или технологию. Структуры системы и важнейшие свойства элементов в этом случае остаются без изменения. Таким образом, доработка технической системы проводится исключительно в целях приспособления ее к особым условиям и требованиям новой задачи, а новые материалы используются только в целях повышения качества, удешевления или модернизации.

Модифицированные технические системы. Существующие системы не отвечают требованиям, предъявляемым к некоторым свойствам групп и элементов конструкции. В модифицированной конструкции обычно не изменяются лишь функция, некоторые параметры и по возможности принцип действия. В элементах могут быть изменены форма, размеры, материал или технология, в сложных технических системах изменяются органоструктура и конструктивная схема, т.е. некоторые элементы и группы, их соединение и размещение в пространстве. Обычно модификация осуществляется путем переделки конструкции.

Новые технические системы. Для выполнения желаемой функции отсутствует техническая система или же существующая имеет недостатки принципиального характера. Необходима система с новым принципом действия и другими техническими свойствами.

Классификация технических систем по типу производства. Тип производства, который определяется количеством изготавливаемых единиц продукции, придает каждому изделию ряд характерных технических и экономических свойств.

Технические системы единичного производства. В этом случае конструкторские и подготовительные работы необходимо приспособить к нуждам поштучного производства, в условиях которого стоимость каждой изготовленной технической системы увеличивается. Не исключено, что в условиях единичного производства необходимая функция технической системы вообще не будет достигнута, поскольку при изготовлении крупных технических систем приходится работать без прототипа. Вот почему эта категория систем предъявляет высокие требования к конструктору.

Технические системы серийного или массового производства.Эти системы в целом лучше проработаны с точки зрения производства. Из-за большого объема партий изделий доля конструкторских затрат по отношению к общим расходам невелика. Однако поскольку контролю подвергается, как правило, лишь небольшая часть изделий, то не исключены различные погрешности и дефекты. Только при осуществлении непрерывного контроля за всеми операциями или выпускаемыми деталями и изделиями в целом можно добиться стабильного качества при серийном и массовом производствах. Специалисту упомянутые категории систем интересны и в том плане, что они формируют основу для определения возможного качества изделий. Прослеживается четкая тенденция ко все большему использованию унифицированных, серийно выпускаемых технических систем, особенно для выполнения различных функций низких уровней, например элементов соединения, измерения, регулирования, привода, распределения. С другой стороны, возрастает количество технических систем специального назначения. Современное производство не может обойтись без целого ряда вспомогательных средств, специализированных машин, автоматов и поточных линий, специального оборудования, т. е. без всего того, что обеспечивает выпуск дешевой унифицированной продукции в массовом количестве. Обе категории изделий предъявляют высокие требования к объему и качеству конструкторской работы.

Классификацию технических систем можно проводить с различных точек зрения; при этом из всего множества технических систем образуются подмножества, связанные общими отличительными признаками. Полученные категории могут служить различным целям, например систематизации, наглядности, оценке, анализу и т. п.

3. ИЕРАРХИЯ ОПИСАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Каждый ТО может быть представлен описа­ниями, имеющими иерархическую соподчиненность. Опи­сания характеризуются двумя свойствами:

каждое последующее описание является более деталь­ным и более полно характеризует ТО по сравнению с пре­дыдущим;

каждое последующее описание включает в себя пре­дыдущее.

Такие свойства имеют следующие описания: потреб­ность, или функция ТО; техническая функция (ГФ); функциональная структура (ФС); физический принцип

действия (ФПД) тех­ническое решение (ТР) проект. Иерар­хия этих описании показана на рис. 1. Рассмотрим подроб­нее эти понятия.

Потребность. Это общепринятое и краткре описание на естественном языке назначения ТО или цели его соз­дания (существования). При описании потребности отве­чают на вопрос: «Что (какой результат) желательно иметь (получить) и каким особым условиям и ограничениям при этом нужно удовлетворить?»

Если рассматривать более детально описание потреб­ности, то оно должно включать следующую информацию:

необходимое действие (наименование действия);

объект (предмет обработки), на которое направлено это действие;

особые условия и ограничения.

Описание потребности формализованно можно пред­ставить в виде трех компонент:

где D — указание действия, производимого рассматрива­емым ТО и приводящего к желаемому результату, т. е. к удовлетворению (реализации) интересующей потреб­ности; G — указание объекта, или предмета обработки на который направлено действие D Н — указание особых условий и ограничений, при которых выполняется дей­ствие D. В табл. 3 приведены примеры покомпонентного описания потребности.

Наряду с понятием потребности в инженерной прак­тике также широко используется понятие функции ТО. В работе [1] было показано, что описания потребности и функции ТО тождественно совпадают. Различие между

1 Понятие «предмет обработки» значительно шире известного в по­литэкономии понятия «предмет труда» и включает его в себя. Действи­тельно, затруднительно отнести к предметам труда, например, такие предметы обработки (см. табл. 3), как «комната» в описании функции светильника, «автомобиль» в функции путепровода, «температура среды» в функции термометра.


потребностью и функцией состоит в том, что понятие потребности всегда связано с человеком или автоматом (коллективом людей, автоматов), поставившим задачу реализации потребности и выполняющим проектирование соответствующего ТО и его изготовление. Понятие функ­ции всегда связано с ТО, реализующим эту потребность. В связи с этим интересно отметить, что человек часто выступает в двух качествах: как субъект, формулирующий потребность, и как элемент ТО, реализующий эту потреб­ность. Мы будем отличать эти понятия только тем, что в описании потребности действия будем пользоваться отглагольным существительным, а функции — глаголом. В табл. З в скобках указаны описания функции.

Техническая функция (ТФ). Описание ТФ содержит следующую информацию:

потребность, которую может удовлетворить ТО;

физическая операция (физическое превращение, пре­образование), с помощью которой реализуются потреб­ности.

Таким образом, описание ТФ состоит из двух частей:

F = (Р> Q), (2) где Р — удовлетворяемая потребность, описываемая по формуле (1); Q — физическая операция.


Описание физической операции (ФО) формализованно можно представить состоящим из трех компонент:

Q = (i4Tf £, Ст ), или Q = (AT-+E-*CT), (3)

где Лт, Ст — соответственно входной или выходной поток (фактор) вещества, энергии или сигналов; Е — наимено­вание операции Коллера по превращению Лт в Ст. Это описание отвечает на вопросы «что» (Лт), «как» (£), «во что» (Ст) преобразуется с помощью описываемого ТО. Число входов Лт, действий Е и выходов Ст в общем случае произвольное. Иначе говоря, под физической операцией будем подразумевать физическое преобразование задан­ного входного потока, или фактора, в выходной поток (фактор). В табл. 4 приведены примеры описания ФО для ТО, указанных в табл. 3.

Функциональная структура (ФС). Подавляющее боль­шинство ТО состоит из нескольких элементов (агрегатов, блоков, узлов) и могут быть естественным образом раз­делены на части. Каждый элемент как самостоятельный ТО выполняет определенную функцию и реализует опре­деленную физическую операцию (ФО), т. е. между эле­ментами имеют место два вида связей и соответственно два вида их структурной организации.

Во-первых, элементы имеют определенные функци­ональные связи друг с другом, которые образуют кон­структивную функциональную структуру. Конструк­тивная ФС представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются наименования элементов, а ребрами — функции элементов. Методика и примеры построения конструктивных ФС даны в гл. 2.

Кроме функциональных связей, между элементами ТО имеются еще потоковые связи, т. е. элементы, реализуя определенные физические операции, образуют поток пре­образуемых или превращаемых веществ, энергии, сигна­лов или других факторов. Например, в прокатном стане на входе такого потока имеются заготовки сечением 200×200 мм, а на выходе — стальная лента толщиной 1 мм, шириной 2 м; в гидроэлектростанции на входе — поток воды с напором 20 м и расходом 150 м3/с, а на вы­ходе — электрический ток напряжением 380 В и частотой 50 Гц.

Такие потоки определенным образом объединяют и связывают элементы ТО и соответственно их ФО. В слож­ных ТО часто присутствуют несколько взаимосвязанный потоков.

Взаимосвязанный набор ФО, реализующих один опре­деленный поток преобразований вещества, энергии или сигналов, либо несколько взаимосвязанных потоков бу­дем называть потоковой функциональной структурой. Потоковая ФС представляет собой граф, вершинами которого являются наименования элементов ТО или наименования операций Коллера Е, а ребрами — вход­ные Лт и выходные Ст потоки (факторы).

Различают две разновидности потоковой ФС: конкре­тизированная потоковая ФС, у которой в вершинах графа, указаны наименования элементов; абстрагированная пото­ковая ФС, у которой в вершинах графа указаны наимено­вания операций Коллера. Абстрагированную потоковую ФС называют также структурой физических операций. Примеры потоковых ФС и методика их построения из­ложены в гл. 2.

Таким образом, существуют функциональные струк­туры ТО двух видов: конструктивная ФС и потоковая ФС, которые дополняют друг друга. При решении различных прикладных задач (конструирования, обучения и т. д.) используют или только конструктивную ФС, или пото­ковую ФС, или одновременно обе разновидности.


В потоковой ФС каждый элемент реализует опреде­ленную ФО. Такая реализация происходит на основе одного или нескольких физико-технических эффектов.

Под физико-техническими эффектами будем понимать различные приложения физических законов, закономер­ностей и следствий из них, физические эффекты и явления, которые могут быть использованы в технических устрой­ствах. Как правило, в физико-технических эффектах имеет место определенная причинно-следственная связь между «входом» и «выходом». Физико-технический эффект должен иметь стандартное формализованное (имеющее определенную структуру) описание, удобное для техни­ческих приложений и машинной обработки.

Наиболее обобщенное качественное описание фи­зико-технического эффекта состоит из трех компонент:

где А — входной поток вещества, энергии или сигналов; С — выходной поток; В — физический объект, обеспечи­вающий или осуществляющий преобразование Л в С. Для входного Л и выходного С потоков, так же как и для компонент Лт, Ст в формуле (3), можно указать носители потоков и их качественные и количественные характери­стики. В табл. 5 приведены примеры описания физико-технических эффектов по формуле (4). Более подробно описание физико-технических эффектов и другие примеры даны в гл. 2, 4, 11.

Физический принцип действия (ФПД). Под ФПД будем понимать ориентированный граф, вершинами которого являются наименования физических объектов В, а реб­рами входные А и выходные С потоки вещества, энергии и сигналов. Таким образом, во многих случаях ФПД легко построить с помощью потоковой ФС путем замены наименований элементов или физических операций на наименования объектов В. Примеры ФПД и методика их гостроения приведены в гл. 2, 4, 11.

Описание ФПД, как правило, содержит изображение принципиальной схемы ТО, в которой в упрощенно-идеали­зированной форме показаны основные конструктивные элементы, обеспечивающие реализацию ФПД, и указаны направления потоков и основные физические величины, характеризующие используемые физико-технические эффекты. Принципиальная схема облегчает последующую разработку (конструирование) технического решения.

Техническое решение (TP). Оно представляет собой конструктивное оформление ФПД или ФС. TP конкрет­ного ТО, как правило, описывается в виде двухуровневой структуры через характерные признаки ТО в цедом и его элементов. При этом используют ледующие группы признаков [341:

указание (перечень) основных элементов;

взаимное расположение элементов в пространстве;

способы и средства соединения и связи элементов между собой;

последовательность взаимодействия элементов во времени;

особенности конструктивного исполнения элементов (геометрическая форма, материал и т. д.);

принципиально важные соотношения параметров для ТО в целом или отдельных элементов.

В зависимости от вида рассматриваемого ТО элементом может быть часть детали, деталь, узел, блок, агрегат, техническая система (ТС), комплекс ТС. При описании TP некоторых ТО может использоваться только часть признаков.

TP конкретного ТО может быть описано с любой сте­пенью детализации. Для этого используют иерархический набор двухуровневых описаний TP, т. е. сначала описы­вают TP устройства в целом, затем TP каждого блока, затем — каждого узла и т. д. Описание TP на естественном языке, как правило, дополняют его графическим изобра-

Рис. 2. Дорожный велосипед

жением. Способы описания TP достаточно хорошо раз­работаны и изложены в методических и инструктивных материалах по патентоведению, поскольку во всех патентах и авторских свидетельствах на устройства дается описание-ТР прототипа и нового решения. Для большей ясности рассматриваемого понятия приведем следующий пример (фрагмент) описания TP широко известного ТО.

Дорожный велосипед (рис. 2) состоит из следующих элементов:

переднего колеса 1, на ось которого опираются концы вилки 2;

передней вилки 2, соединенной с рамой шарниром 3, обеспечивающим поворот вилки вокруг вертикальной (или близкой к вертикальной) оси;

руля 4, жестко соединенного с вилкой 2

ромбовидной рамы 5, сваренной из металлических трубок, и имеющихся сзади вилок 7, 10, концы которых соединены между собой;

седла 6, жестко соединенного с верхним узлом рамы;

педалей 9, соединенных цепной передачей 8 с задним колесом;

заднего колеса 11, на ось которого опираются концы вилок 7, 10.

При вращении педалей 9 вращающий момент посред­ством цепной передачи 8 передается от оси педалей на заднее колесо, которое служит движителем и обеспечи­вает движение велосипеда с сидящим на нем человеком. Руль 4 обеспечивает управление движением на поворотах.

Если требуется более детальное описание велосипеда, то аналогично описывают TP выделенных элементов. Например, переднее колесо состоит из оси, опирающейся через два шарикоподшипника на втулку; металлического

обода с резиновой пневмошиной; 36 спиц, соединяющих с предварительным натяжением втулку с ободом. Здесь ввиду простоты и ясности изображение колеса не дается.

TP представляет собой как бы безразмерное описание ТО, которое может иметь самые различные реализации по параметрам. К параметрам будем относить размеры ТО и его элементов, количественные характеристики входных и выходных потоков и другие важные измеряемые свой­ства ТО. Например, асинхронный электродвигатель при одинаковом TP имеет десятки модификаций по размерам, силе тока, напряжению, частоте, частоте вращения, мощ­ности и другим параметрам.

В отличие от TP в проекте указываются значения параметров ТО и всех элементов до деталей. Он содержит всю необходимую информацию для изготовления и экс­плуатации ТО. В зависимости от сложности ТО описание проекта составляет от нескольких до сотен томов, т. е. проекты ТС — это многотомные уникальные собрания сочинений, недоступные широкому читателю, но, как правило, осязаемые в виде готовых изделий и сооружений.

Следует отметить, что здесь под проектом подразуме­ваются рабочие чертежи и конструкторская документация. Для сложных ТО часто предварительно разрабатывают менее детальные проекты (техническое предложение, эскизный проект, технический проект и т. д.). В этих промежуточных проектах степень детальности описания TP обычно возрастает от технического предложения к ра­бочим чертежам. С понижением сложности ТО число промежуточных проектов сокращается.

Основные понятия о технической системы

Определение технической системы

Техническая система — это искусственно созданные объекты, предназначенные для удовлетворения определенной потребности, которым присущи возможность выполнения не менее одной функции, многоэлементность, иерархичность строения, множественность связей между элементами, многократность изменения состояний и многообразие потребительских качеств. К техническим системам относятся отдельные машины, аппараты, приборы, сооружения, ручные орудия, их элементы в виде узлов, блоков, агрегатов и др. сборочных единиц, а также сложные комплексы взаимосвязанных машин, аппаратов, сооружений и т.п.

Техническая система относятся к самому большому классу технических объектов. Техническая система существует в трех модусах (проявлениях): 1) как изделие производства; 2) как устройство, потенциально готовое совершить полезный эффект; 3) как процесс взаимодействия с компонентами окружающей среды (источником внешней энергии, потребителем и т.д.), в результате которого и происходит эксплуатация (функционирование) технической системы и образуется полезный эффект. 1-й модус раскрывается в предметной декомпозиции технической системы, в выявлении всех ее неделимых, условно монолитных деталей и сборочных единиц; 2-й — в функциональной декомпозиции, в выявлении одно- и многофункциональных элементов; 3-е, рабочее состояние технической системы раскрывается в генерируемых процессах (сменах состояний) и рабочих циклах, включающих взаимосвязанные процессы. Ни один из функциональных элементов не может быть воспроизведен непосредственно, а существует благодаря деталям и сборочным единицам, которые по отношению к ним выступают в качестве предметов-носителей. Устройства, непосредственно участвующие в создании полезного эффекта технической системы, ответственны за степень совершенства рабочего процесса и ресурс работы. Для обеспечения ресурса часто используются спец. элементы, демпфирующие колебания, устройства охлаждения, разъемы, причем последние, повышая технологичность конструкции технической системы, требуют устройства крепления деталей, состояние которого во время эксплуатации технической системы сказывается на ее надежности.

При всем разнообразии технической системы смысловая нагрузка любого функционального элемента состоит в том, чтобы изменять или сохранять движение связанного с элементом объекта; изменять пространственные характеристики и время существования технической системы, а также изменять энергию как меру той или иной формы движения. Строение технической системы и параметры среды, с которой она взаимодействует, предопределяют все параметры и показатели функционирования технической системы, проявления ее состояния, характеристики и качества.

Функционирование технической системы раскрывается через средства (процессы) достижения полезного эффекта и управления этими процессами. Создание полезного эффекта обусловлено составом и порядком действия основных функциональных элементов, от которых зависит рабочий цикл технической системы; на фактический результат влияют затраты энергии от внешнего источника и свойства др. компонентов среды. Под управлением происходящими в технической системе процессами подразумевается преднамеренное изменение или сохранение характера и интенсивности с компонентами среды и поддержание параметров внешнего состояния всех элементов технической системы в пределах, обеспечивающих безопасность людей и сохранение материальных ценностей. При полном раскрытии характеристик технической системы речь идет как о связях между входными и выходными параметрами функционирования (напр., связь тяги и расхода топлива авиационного двигателя и условий полета самолета), так и о показателях, позволяющих отличить анализируемую техническую систему от других, о признаках принадлежности технической системы к определенному типу как категории, объединяющей технической системой одного назначения с одинаковым принципом действия, и о признаках отличий в строении. Об уровне технической системы свидетельствуют максимально достижимые значения ее потребительских качеств (выходных параметров).

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector