Смекни!
smekni.com

Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры (стр. 12 из 19)

(3.20)

где = 1,4 - индекс, означающий соответственно отношение функцио-

нальной, параметрической, эксплуатационной и технологической сов-

местимости; - номер сопряжения в структуре; = 1,2 - ин-

декс, означающий, соответственно: качественную или параметрическую

совместимость.

Вместе с тем возможна ситуация, когда по формулам (3.15) или

(3.18) выявляется несовместимость входных и выходных параметров

свойств сопрягаемых структурных элементов ВКА. В этом случае необ-

ходимо включение вспомогательного функционального элемента, сог-

ласующего эти параметры, что формально может быть представлено

следующим образом:

(3.21)

где - предикат, означающий отношение " = " между значениями па-

раметров.

Выражение (3.21) позволяет сформировать множество рациональ-

ных структур ВКА, включающих как основные, так и вспомогатель-

ные ФМ. В структуре ВКА такими вспомогательными ФМ являются меха-


- 90 -

низм преобразования движения ( ) и механизм перемещения и герме-

тизации уплотнительного диска ( ), согласующие входные и выход-

ные параметры движения основных ФМ.

Обозначив через = 1,6 в (3.20) соответственно отношения

совместимости между ФМ ( ), ( ), ( ), ( ),

( ), ( ), процедуру генерации типовых рациональных

структур ВКА можно описать следующими выражениями:

(3.22)

где , , - соответственно: -ый вариант привода, -ый

вариант ввода движения в вакуум, -ый вариант уплотнительной па-

ры.

Выражение (3.22) описывает множество строго определенных эле-

ментных структур ВКА, состоящих из основных ФМ: привода, ввода

движения в вакуум и уплотнительной пары.

При невыполнении хотя бы одного из отношений совмести-

мости для ФМ и , т.е. , где -

значение "ложь", необходим ввод элемента и выражение (3.22)

принимает вид:

(3.23)

где - -ый вариант механизма преобразования движения.

При

(3.24)

где - -ый вариант механизма перемещения и герметизации уп-

лотнительного диска.


- 91 -

При и

(3.25)

Следует отметить, что при генерации вариантов элементных

структур ВКА может использоваться как одна какая-либо из описанных

формула, так по мере необходимости и несколько. При этом количест-

во получаемых структур определяется мощностями множеств . Кроме

того, появление новых ФМ, реализующих заданные цели проектирова-

ния, может в соответствии с (3.21) потребовать введения и новых

вспомогательных ФМ, а возможно и дополнительных к ним элементов с

рассмотрением отношений их совместимости и трансформацией соот-

ветствующих выражений.

Исключение из рассмотрения ФМ "корпус" - объясняется принятой

априори его совместимостью с другими ФМ.

Для выбора оптимальной элементной структуры может быть

использован интегральный критерий (2.19).

С целью упорядочения генерируемых структур для их анализа це-

лесообразно проводить ранжирование полученных структур. В качестве

критериев ранжирования предлагаются следующие:

(3.26)

где - количество структурных составляющих в структуре ВКА.

(3.27)

где - относительная стоимость сгенерированной структуры; -

относительная стоимость -го варианта -го варианта -го струк-

турного элемента ( ).

Для сверхвысоковакуумной ВКА в первую очередь предпочтитель-

нее структуры с отсутствием механизмов, работающих в вакуумной по-

лости, т.е. механизмов перемещения и герметизации уплотнительного


- 92 -

диска ( ), поэтому при анализе в первую очередь следует

рассматривать структуры, полученные с использованием выражений

(3.22) и (3.23).


- 112 -

влияния на динамические характеристики ВКА: перегрузки на уплотни-

тельной паре, скорость приложения усилия герметизации, быстро-

действие. Все искомые параметры связаны с перемещением уплотни-

тельного диска, в частности зависят от приведенного максимального

угла его "выбега":

(3.58)

где - фактический угол останова выходного звена привода; -

требуемый угол останова выходного звена привода (окончание цикла

работы ВКА), поэтому результирующая информация представлена в виде

зависимостей от перечисленных характеристик структуры ВКА:

на рис. 3.6,а приведена усредненная зависимость ; на

рис. 3.6,б - график ; на рис. 3.7,а - ; на

рис. 3.7,б - .

В связи с тем, что надежность работы ВКА во многом определя-

ется действующими на ее элементы усилиями, необходимо уменьшение

перегрузок на уплотнительную пару, определяемое минимизаци-

ей ( ). Для достижения этого, помимо изменения парамет-

ров структуры ВКА целесообразно ввести параметр - угол опережения

отключения привода:

(3.59)

где - фазовый угол, характеризующий момент отключения двига-

теля.

Зависимость представлена на рис. 3.8.

Анализ результатов моделирования функционирования ВКА позво-

лил выделить следующие возможные пути уменьшения перегрузок на уп-

лотнительную пару при определенной жесткости уплотнения: уменьше-

ние мощности двигателя; уменьшение к.п.д. механизмов ВКА после от-

ключения двигателя; увеличение передаточных функций применяемых

механизмов; введение угла опережения отключения привода и исполь-

зование накопленной кинетической энергии для герметизации уплотни-


- 115 -

тельной пары.

С целью изучения влияния структуры ВКА на скорость приложе-

ния усилия герметизации ( ), была смоделирована конструкция ва-

куумного клапана КЭУн [54], гипотетически реализованная различными

типами механизмов при сохранении единого . Результаты исследо-

ваний в виде зависимости приведены на рис. 3.9.

Как следует из данного графика, наименьшее значение на

стадии герметизации у конструкции с механизмом переменной структу-

ры, затем - совмещенной структуры, а худшее значение у меха-

низма непосредственного действия, что хорошо согласуется с резуль-

татами проведенного ранее кинематического анализа, и, следователь-

но, выведенный в п. 3.4.2 критерий Ф, обобщенный вид которого при-

веден в выражениях (2.21,2.22), оценивает не только кинемати-

ческие, но и динамические характеристики ВКА и его минимизация ве-

дет к их улучшению, поэтому критерий Ф является интегральным кри-

терием качества ВКА (обобщенным критерием) [127].

Помимо проверки работоспособности и оценки свойств синтезиру-

емых конструкций ВКА подобный подход к моделированию функциониро-

вания ВКА, основанный на решении уравнения (2.18), обеспечивает

нахождение рациональной совокупности перечисленных параметров ФМ

ВКА путем их перебора, т.е. позволяет определить желательные зна-

чения параметров структурных составляющих ВКА, что является необ-

ходимым условием синтеза элементных структур ВКА и оптимизации

конструкции при функционально-схемотехническом проектировании.

Выводы.

1. Предложена обобщенная модель функционально-схемотехни-

ческого проектирования ВКА, предоставляющая конструктору упорядо-

ченную последовательность действий, необходимых для выбора страте-


- 117 -

гии при создании ВКА.

2. Разработана методика и математическая модель параметри-

ческого анализа конструкций ВКА, позволяющая выявлять необходи-

мость модернизации конструкций и проводить их оценку.

3. Разработана методика функционально-схемотехнического про-

ектирования ВКА, позволяющая генерировать и находить удовлетворяю-

щие ТЗ технические решения ВКА. Предложены правила генерации, пре-

образования и выбора структур ВКА и проведена формализация про-

цесса ее структурного синтеза.

4. Предложена методика синтеза ФПД ВКА как этапа ее функцио-

нального проектирования, позволяющая разрабатывать функциональную

структуру ВКА тогда, когда разработка ее элементной структуры на

основе известных функциональных структур не удовлетворяет требова-

ниям ТЗ.

5. Показана важность синтеза механизмов при проектировании

ВКА. Выделена группа классификационных признаков, имеющих опреде-

ляющее значение для их синтеза, произведена систематизация струк-

тур ВКА применительно к механизмам и представлено их описание на

введенном предметно-ориентированном языке схемотехнического проек-

тирования. Предложены пути синтеза кинематических схем механизмов

ВКА.

6. Проведен кинематический анализ механизмов ВКА, на основа-

нии которого обоснованы и выведены критерии оптимальности ВКА.

7. Произведен анализ процесса функционирования ВКА на основе

его моделирования. Изучено влияние параметров структурных состав-

ляющих на динамические свойства ВКА, позволившее сформулировать

возможные пути улучшения показателей качества ВКА. Отмечена важ-

ность моделирования функционирования ВКА при ее схемотехническом

проектировании.

.

- 118 -

4. СОЗДАНИЕ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВКА НА БАЗЕ АВТОМАТИЗАЦИИ СХЕ-

МОТЕХНИЧЕСКОГО И ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Исследования, проведенные во второй и третьей главах настоя-

щей работы, показали неизбежность использования средств вычисли-

тельной техники для решения задач функционального и схемотехни-

ческого проектирования ВКА вследствие их сложности и больших раз-

мерностей при необходимости охвата всех возможных вариантов синте-

зируемых решений, а также для исключения субъективизма при прове-

дении оптимизации ВКА.

4.1. Программные средства анализа существующих конструкций

ВКА.

Созданные программные средства реализуют разработанную инва-

риантную [142] методику параметрического анализа ВКА (п.3.2), а

также метод выбора типа структурных составляющих ВКА (п.3.3) и

представляют собой три программых модуля "WYBOR", "VTIP", "OPTIM".

Программный модуль "WYBOR", построенный по функционально- мо-

дульному принципу, обеспечивает проведение параметрического анали-