Методология проектирования (МОНГП) по теме КП

Как отмечается в [ ] главной задачей проектировщика (исследователя, конструктора) является создание машин, наиболее полно отвечающих потребностям заказчиков и обладающих высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями. Это в полной мере касается и магистрантов, работающих над КП.

Согласно теории технических систем [ ] машины и оборудование развиваются по определенным законам:

1) увеличивающегося многообразия развивающейся технической сис-

темы;

2) ограничения многообразия исполнений технической системы. Первый закон гласит: «Многообразие технической системы при отсут-

ствии ограничений ее развитию увеличивается пропорционально параметрам интенсивности обновления Р_н, интеграции Р_и и дифференциации Р_д исполне-

ний системы». Если на исходном этапе число исполнений N0 ≥1, то общее число исполнений на последующих этапах

N = N₀ P_н P_и P_д= N ₀K_ум, (1.1)

где K_ум – коэффициент роста исполнений.

Интенсивность обновления Р_н выражает объем (число) сменяемых компонентов исполнения. Дифференциация Р_д характерна для случаев фор-мирования новых параметрических рядов изделий, создания модификаций на основе единой базовой модели. Интеграция Р_и исполнений объекта техники в промышленность осуществляется путем унификации составных частей, кон-структивных элементов и материалов, типизации компоновок, упорядочения существующего разнообразия отдельных видов техники на основе объедине-ния их свойств в ограниченное число исполнений.

Второй закон: «Многообразие исполнений технической системы на любом этапе ее развития ограничено».

В процессе развития технической системы возникает множество техни-ческих противоречий, для разрешения которых необходимо наложение огра-ничений экономического, социального и экологического характера. С учетом этих ограничений на исходном этапе конструирования исключаются некоторые исполнения, а оставшиеся принимаются для последующего функционально-экономического анализа и отбора вариантов, наиболее полно соответствующих требованиям сфер производства. Оба закона базируются на следующих основных принципах:

а) единства изменяемости и повторяемости (соподчинены принципы целесообразной преемственности, обязательного учета достижений науки и техники, адаптивности, совместимости и взаимозаменяемости исполнений техники);

б) полноты компонентов исполнений системы (их состав должен обес-печивать весь комплекс основных функций и функций жизнеобеспечения на всех этапах жизненного цикла);

в) согласованности компонентов исполнения системы (в первую оче-редь энергетической, информационной и функциональной совместимости);

г) неравномерности развития компонентов исполнения технической системы (в недрах «старой» системы зарождается и развивается новая, и чем сложнее исполнение, тем неравномернее развиваются ее компоненты);

д) предпочтительности исполнений, т. е. учета доминирования отдельных вариантов по признакам технико-экономического и социального характера;

е) аналогий в развитии систем (например, редукторы, передачи, крепежные и др. соединения, разрабатываемые в различных областях, аналогичны по форме и содержанию и соответственно обладают общностью развития).

При выполнении КП необходимо использовать законы и принципы развития техники, которые обусловливают взаимосвязь технического творчества, стандартизации и экономики конструирования [ ]. Принципы и закономерности развития технических систем заложены в виде операторов или ограничений в структуру алгоритмов алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ), алгоритм решения оптимальных задач (АРОЗ) и алгоритм решения стандартизаторских задач (АРСЗ).

В блоке АРИЗ формируется новаторская часть проекта, блок АРСЗ обеспечивает сохранение в новых проектах разработанных ранее решений, многократно проверенных и составляющих часть научно-технического потенциала, накопленного в данной области. В процессах конструирования широко используются типовые, унифицированные и стандартизованные конструктивные элементы (крепежные детали, допуски и посадки, стандартные соединения и т. д.). Блок АРОЗ обеспечивает процессы выбора наилучших новых и использования старых решений.

Магистрант, как и проектировщик (конструктор) должен изучать системно и углубленно отечественную и зарубежную информацию, патенты и нормативные документы. От правильных оценок и выбора исходных данных для проектирования зависят качество и конкурентоспособность проектируемого модернизированного (усовершенствованного) оборудования. Поэтому весьма важен критический подход к положениям технического задания на проектирование изделия, заложенным в нем условиям работы, требованиям и функциональным параметрам.

На стадии подготовки ведется предварительная систематизация фактов в рассматриваемой области и подготовка к изобретательству или принятию технических решений.

На стадии замысла:

1) изучается проблемная ситуация и формулируются научно-технические задачи поиска на основе анализа научно-технической информации;

2) выявляется центральный вопрос для разрешения;

3) определяются необходимые требования и ограничения;

4) создается модель проблемной ситуации (графическая или математическая);

5) проводится декомпозиция основной задачи и определяется степень

решаемости компонентов;

6) составляется план поиска технических решений;

7) выбираются методы решения основной задачи и ее компонентов.

На стадии поиска:

1) генерируются изобретательские идеи;

2) определяются принципы решения задач;

3) выявляются положительные и отрицательные эффекты, реализуемые при различных принципах решения задач, и выбирается оптимальный прин-цип решения задач.

На стадии реализации проводится:

1) техническое оформление решения творческой задачи: оформляется новое техническое решение в виде описания к патенту на изобретение (полезную модель), а также разрабатываются эскизы основных элементов нового технического решения;

2) выполняются необходимые расчеты; расчеты, изготовление образцов нового объекта;

3) указываются возможные области применения нового технического решения.

При выполнении КП, в частности при создании нового технического решения в соответствии с [] могут быть использовано несколько логических и эвристических методов.

Метод ассоциации – выработка новых идей на основе изучения и ана-лиза реального объекта (процесса) с целью оценки возможности использова-ния с полным или частичным сохранением его свойств в новых условиях. Также оценивается его полная замена на другой объект (процесс) с более эффективным принципом действия и лучшими эргономическими и эстетиче-скими свойствами. Метод базируется на мыслительной способности конструктора.

Метод генерирования идей – поиск и выработка новых идей и решений по определенному виду техники на основе систематизации и логического анализа данных его развития в прошлом и выявления направлений его развития в будущем. При генерировании идей эффективна разработка и использование диаграмм и матриц идей, функционально-структурных классификаций , примеры которых прилагаются. Эти документы могут быть составлены как по функционально-структурным признакам, так по признаку технико-экономической эффективности практически по любому виду оборудования. конструкторских коллективах эффект приносят «мозговые штурмы», про-ведение конкурсов.

К простым эвристическим методам относят:

1) метод элементарных вопросов – выработка решений путем получе-ния ответов на вопросы: почему так и не иначе, для чего, как, на что похоже?

2) метод наводящих вопросов – поиск рациональных решений ведется в режиме «вопрос-ответ» в заданной цепи вопросов по причинно-следственным признакам: дороже или дешевле и почему, быстрее или мед-леннее и почему, подойдет или не подойдет и почему?

К методам аналогий относят методы подражания объектам живой и неживой природы.

Методы подражания объектам живой природы в прошлом и настоящем:

1) биомеханика – воспроизведение в механических устройствах и произ-водственных процессах движений насекомых, птиц и животных;

2) биоархитектура – создание монолитных и сотовых конструкций соору-жений, емкостей и ограждений в подражание термитам, пчелам, паукам, пти-цам и т. д.;

3) палеобионика – использование принципа работы двигательных органов гигантских вымерших животных при создании шагающих экскаваторов, стреловых кранов и манипуляторов и т. д.;

4) антропоморфизация – придание создаваемым объектам внешней фор-мы, аналогичной человеческому облику (роботы);

5) биокинетика – разработка устройств с функциями, аналогичными функциям человеческого мозга: системы автоматического управления и регулирования, САПР, АСУ.

Методы подражания объектам неживой природы:

1) репродукция (воспроизведение очертаний, форм, пропорций и др. особенностей объектов подражания);

2) копирование; модификация (замена отдельных узлов и деталей с целью 3) повышения

надежности или приспособления изделия к более суровым условиям);

4) конвертирование (например, замена эксплуатационных материалов –

перевод двигателей с бензина или дизтоплива на газ, компрессоров с аммиака на фреон и т. д.);

5) реинтеграция (создание нового сложного объекта по подобию с отно-сительно простым объектом (ракетные двигатели подобны паяльной лампе, ковши экскаваторов – лопате, буровые коронки – сверлу и т. д.).

Методы альтернативного поиска – конструирование с образованием альтернативных пар вида «прием-антиприем»:

1) увеличение- уменьшение (например, числа функций или главных па-

раметров, блоков и модулей, пространственное совмещение или разделение). Площадь опорных поверхностей изделий увеличивают с целью снижения

удельных нагрузок или уменьшают для снижения металлоемкости. Создают многоступенчатые и многосекционные конструкции (турбобуры, лопастные насосы, ракеты и т. д .) или простые одноступенчатые и односекционные ло - пастные конструкции (гидромуфты, гидротрансформаторы, турбины и т. д.);

2) гиперболизация-миниатюризация (метод масштабных преобразова

ний): предельное развитие параметрических рядов изделий данного принципа действия в сторону его увеличения или, наоборот, предельное увеличение или уменьшение главного параметра, крупномасштабное воспроизведение технического объекта традиционного принципа действия (гигантские экскаваторы, самолеты, корабли, самосвалы и т. д.) или мелкомасштабное воспроизведение (мини-экскаваторы, мини-автомобили, мини-ЭВМ и т. д.).

Методы инверсии (от латинского inversion – перестановка, обращение) заключаются в поиске решений в направлениях, противоположных традиционным, принимаемым при конструировании данного объекта. Метод инверсии заключается в перестановке, обращении функций, форм и расположений конструируемых объектов с целью улучшения их использования по назначению. Инвертирование функций деталей может заключаться в превращении ведущей детали в ведомую, направляющей – в направляемую, подвижной – в неподвижную, охватывающей – в охватываемую деталь.

Инвертирование форм деталей – замена внутреннего конуса на наружный конус, выпуклой сферической поверхности на вогнутую поверхность и т. д. Инвертирование расположения деталей – перемещение шпонки с вала на ступицу, бойка с рычага на толкатель и т. д.

Примеры использования методов инверсии можно найти во многих нефтепромысловых машинах: в исполнении приводов штанговых насосов, в насосах, в конструкциях винтовых забойных двигателей (ВЗД) и т. д. В ряде случаев можно использовать совокупность нескольких методов.

Методы комбинирования (методы сочетаний, перестановок, размещения и перемещения) – успешно реализуются при применении САПР и заключаются в системном анализе основных признаков изделия: параметров, элементов и связей между ними, и синтезе новых решений.

Метод сочетаний – осуществляется перебор множества признаков объекта с образованием ряда разновидностей объекта с тем же общим числом признаков М, из которых часть М_о обновляется. Если М_о изменяется в пределах 0 ≤ M _o ≤ M , то число теоретически возможных признаков составит N = 2^M . Из этого числа отбираются для последующего анализа варианты, соответствующие исходным условиям задачи и лишенные внутренних противоречий.

Метод перестановок – заключается в переборе множества признаков объекта с сохранением самих этих признаков, но с изменением порядка их расположения попарно.

Метод размещения – заключается в упорядочении исходного множест-ва признаков с использованием двух предыдущих методов.

Метод перемещения – совокупность приемов конструирования с пере-мещением компонента технического объекта в его рамках или на другой объ-ект с сохранением или изменением первоначальных функций. Например, пе-ремещение на другой объект с сохранением функций сервомеханизма с гид-ротурбины на автомобиль; газовая турбина, перемещенная на локомотив, и т. д.; использование центрифуг, центробежных насосов, вентиляторов и др. оборудования в различных объектах разных отраслей промышленности с перемещением с других объектов.

При выполнении КП могут быть применен и АРИЗ, подробно рассмотренный в [ ].

Необходимо кратко описать аналог, прототип и новое техническое решение. В приложении к КП желательно дать описание нового решения, как в заявке на изобретение (полезную модель).