1.5.2. Функціональне та технічне проектування

1.5.2. Функціональне та технічне проектування

Спочатку здійснюється функціональне проектування технічної сис­теми, тобто перехід від службової функції технічної системи до функ­ціональної структури, яка забезпечує принцип функціонування.

Принцип функціонування, або принцип дії — це сукупність фізич­них, хімічних та інших ефектів, законів і явищ природи, за допомогою яких реалізується бажана службова функція технічної системи. Необ­хідні для виконання службової функції фізико-хімічні ефекти певним чином зв’язуються між собою, утворюючи ланцюжок перетворень вхід­них дій у задані вихідні.

Схематично модель простого явища може бути зображена як фізич­не тіло е (тверде, рідке, газоподібне, їх поєднання, плазма, іони, моле­кули тощо), яке під дією зовнішнього впливу х видає на зовнішнє сере­довище дію у (рис. 1.12) при обмежувальних умовах g (вологість, концен­трація тощо).

Складне явище поєднує складові явища чи ефекти. Якщо кожне складове явище описане математично, то сукупність складових явищ опишеться за допомогою об’єднання їх моделей. Умовою такого об’єд­нання простих явищ чи ефектів є забезпечення відповідності умов на виході одного ефекту умовам на вході іншого. Наприклад, поєднання ефекту Джоуля-Ленца е1 із явищем електронної емісії для оксиду барію е2 покладене в основу складного ефекту термоелектронної емісії, що використовується в більшості електронних приладів.

Утворення цього складного ефекту представлене на рис. 1.13.

Метою функціонального проектування є створення принципу дії технічного об’єкта як системи взаємозв’язаних простих функцій. Тому проектування починається із декомпозиції службової функції об’єкта до множини простих функцій та встановлення зв’язків між ними. Ме­тою аналізу ( визначення цих функцій та вибору раціональних видів зв’язків. При цьому слід брати до уваги наявність як основних функцій, які створюють прості фізичні ефекти, так і допоміжних.

Аналіз службової функції об’єкта ґрунтується на використанні сис­теми експлуатаційних показників, під якими розуміють характеристики технічної системи, що визначають якість виконання цієї функції та за­безпечують необхідний рівень її працездатності, довговічності, на­дійності та інших критеріїв якості. Ці показники дають змогу за допо­могою математичних моделей опису функціонування технічної систе­ми визначити множину функціональних параметрів Y(F), які характе­ризують технічну систему. Функціональний аналіз технічної системи передбачає створення математичних моделей функціонування об’єкта.

На цьому етапі структуризується службова функція, тобто будуєть­ся дерево цілей технічної системи шляхом декомпозиції за формальни­ми правилами службової функції технічної системи на множину прос­тих функцій, що зв’язані між собою відношеннями підпорядкування (рис. 1.14).

Ці прості функції створюють функціональний опис технічної систе­ми, що визначає її принцип дії. На першому рівні декомпозиції службо­ва функція технічної системи розглядається як результат спільної дії декількох основних функцій. Основні функції є результатом дії функцій першого рівня, а ці — результатом дії функцій другого рівня і так далі. Декомпозиція проводиться до одержання простих функцій, для реаліза­ції яких є очевидними конструктивні елементи.

Дерево функцій технічної системи матиме вигляд графа, вершини якого відображатимуть функції різних рівнів складності, а зв’язки — відношення підпорядкування між ними (рис. 1.15).

До функціонального опису технічної системи включаються лише прості функції останнього рівня декомпозиції, тобто ті, для яких легко вибрати конструктивні елементи, що необхідні для їх реалізації, а саме:

Де f — проста функція найнижчого рівня декомпозиції.

Кожна проста функція зв’язана з парою елементів технічного об’єк­та. Один з цих елементів є активним, тобто носієм дії, інший — пасив­ним, на який спрямована ця дія. При описі простої функції вказуються дієслово, що задає дію, та пасивний елемент, на який спрямована ця дія. Якщо, наприклад, елемент 2 фіксується елементом 1 , то проста функ­ція f1 визначиться f1 = <фіксувати елемент 2>. Глибша конкретиза­ція полягає в задані функціональних параметрів, що описують конк­ретні умови реалізації функції, наприклад:

F1 = <фіксувати елемент 2 на відстані 112 ±0,5 мм від бази>.

Множинність шляхів забезпечення однієї й тієї ж службової функ­ції технічної системи, що визначається можливістю використання різ­них законів природи, вимагає розгляду не одного, а генерування на проектній

 

операції G декількох варіантів принципів функціонування, до кож­ного з яких застосовуються певні методи аналізу та оцінки на операції W. Зменшення множини варіантів принципів дії технічної системи до­сягається при застосуванні математичних моделей, що описують її функ­ціонування, які отримані в результаті вивчення процесів, що відбува­ються в технічній системі.

Під час технічного проектування здійснюється перехід від функціо­нального до технічного опису об’єкта, що є найбільш важливим і най­менш формалізованим етапом, оскільки кожній функціональній струк­турі відповідає багато варіантів конструкції технічної системи. Розгля­немо, наприклад, технічну систему, що складається з п’яти деталей: А, В, С, D,E. Декомпозиція службової функції визначила прості функції цієї технічної системи. Деталь А реалізує три прості функції, а саме: якісь механічні зв’язки з деталями В, С, D. Для їх реалізації деталь А повинна мати три конструктивні елементи — функціональні модулі по­верхонь (KE1, KE2, KE3) — (рис. 1.16). Відповідні взаємодії реалізуються конструктивними елементами деталей, що контактують з нею.

Рис. 1.16. Зв’язок між функціональною структурою та конструкцією технічної системи.

 

Але кожен із цих конструктивних елементів може бути найрізнома­нітнішим, тому багатоваріантність задачі проектування зростає, оскіль­ки кожному варіантові принципу функціонування відповідає декілька варіантів конструкції об’єкта. Кожен із цих варіантів отриманої конс­трукції необхідно оцінити на відповідність заданим вимогам та обме­женням, щоб вибрати найкращий.

Приклад 1. Розглянемо функціональне проектування катодно-підігрівного вузла електронного приладу. Для катодно-підігрівного вузла основним експлуатаційним показником є час його розігрівання Тг, — час готовності. Для прискорення введення в робочий режим електрон­них приладів цей вузол повинен мати малий час готовності. Час готов­ності визначається тим, який фізичний ефект застосовується для пере­давання тепла у вакуумі від підігрівання до катода. Загальноприйнятий — передавання тепла випромінюванням у вакуумі. Для зменшення часу готовності для передавання тепла від підігрівання до катода було виріше­но використати фізичний ефект контактної теплопередачі крізь шар ке­раміки, через який припікається до катода підігрівач. У цьому випадку час нагрівання катода до робочої температури, тобто час готовності, зменшується в 4-5 разів. Конструкція такого катодного вузла повинна забезпечити електричну ізольованість катода від підігрівача, хороший тепловий контакт між ними, який не повинен порушуватись при циклічних нагріваннях та охолодженнях електронного приладу. Пі­дігрівач повинен бути повністю занурений у кераміку, щоб уникнути перегрівання та перегоряння його оголених витків через несприятливі умови відведення від них тепла.

Структуризація службової функції катодного вузла “швидко нагріти катод” наведена в табл. 1.1. Вона включає три ступені розчленування. Мета створення розташована на першому рівні, на другому рівні розта­шовані основні функції, а на третьому — прості функції.

На другій проектній операції здійснюється технічне проектування, тобто вибір матеріальних елементів, які реалізують принцип функціо­нування. Для цього необхідно розглянути аспекти формального перехо­ду від функціонального до технічного опису технічної системи.

Таблиця 1.1

Функціональний опис катодно-підігрівного вузла

 

Перехід від функціонального опису до конструкції технічної систе­ми ускладнюється тим, що кожна проста функція може бути реалізова­на різними конструктивними елементами. Для формалізації цього пе­реходу зв’язки функціональних та конструктивних елементів технічної системи доцільно описати за допомогою матриці. Кожна комірка мат­риці відповідає вимогам:

Матриця функціонально-елементних зв’язків катодного вузла виро­бу матиме вигляд табл. 1.2.

 

Таблиця 1.2

Функціонально-елементні зв’язки катодного вузла

 

Один із варіантів структури катодного вузла представлений на рис. 1.17. Він включає такі елементи: керн катода /, металізаційний шар 2, який забезпечує міцне з’єднання кераміки з керном катода; ізоляційний шар 3, який перешкоджає електричному контакту підігрівача з керном катода; з’єднувальний шар 4, який заповнює витки підігрівача і з’єднує його з керном катода для теплопередачі; підігрівач 5 як джерело тепло­виділення.

Тоді експлуатаційний показник вузла, час готовності Tг залежатиме від таких функціональних параметрів:

маса m всіх елементів: керна m1, металізаційного m2, ізоляційного m3, з’єднувального m4 шарів та підігрівача m5;

термічний опір r між керном катода та металізаційним шаром, металізаційним та ізоляційним шарами, ізоляційним і з’єднувальним шарами, а також між з’єднувальним шаром і підігрівачем.

Тобто

Ці функціональні параметри, своєю чергою, визначаються гео­метричними розмірами та густи­ною елементів вузла, компактніс­тю спечених частинок кераміки, що описується коефіцієнтом упа­ковки Ку, зчепленням ? та умова­ми контакту спечених шарів між собою та з іншими елементами. Отже,

де (d2, d3, d4 — діаметр елемента, отриманого із металізаційного, ізоля­ційного та з’єднувального шарів відповідно; h2, h3, h4 — товщини цих шарів; p2, p3 — густина металізаційного та керамічних шарів; Кy2, Кy3, Кy4 — коефіцієнти упаковки цих шарів; ?y — зчеплення між i-м та j-м елементами катодного вузла.

Як бачимо, експлуатаційний показник виробу Тг залежить від бага­тьох параметрів, що описують конструкцію виробу.