Предметный подход

Как было отмечено, при предметном подходе в вершинах графа располагаются конструктивные компоненты ТО, которые выделяются из технической системы по функциональному признаку (а не функции как в иерархической модели см. рис. 9.5).

При создании ТО второй группы (см. стр. 145) весьма важной задачей является формирование ФПД каждого преобразователя. Поэтому для таких ТО весьма полезной может быть модель, предложенная А. И. Половинкиным [95], которую он назвал потоковой функциональной схемой(ПФС).

В этой модели отражается последовательность выполняемых физических операций по преобразованию потоков веществ, сигналов и полей, временнàя подчиненность выполняемых функций (действий).

Обобщенную схему ТО, состоящего из ПЭ, Тр, ОУ и РО, (рис. 5.6) можно рассматривать как ПФС, поскольку в ней не отражена соподчиненность, иерархия функций.

Модель ТС в виде ПФС также предусматривает анализ адекватности выполняемых функций и использование приемов, направленных на улучшение выполнения техническим объектом ГПФ, предложенных на стр.238.

Но, прежде всего, эта модель акцентирует внимание на том, какая физическая операция выполняется рассматриваемым функциональным компонентом и каким ФПД можно реализовать эту операцию.

Пример 9.2. Процесс образования отверстия с помощью пневмодрели. Рассмотрим ПФС процесса образования отверстия с помощью пневмодрели (Рис. 9.8).

Рис. 9.8 Потоковая функциональная схема процесса сверления отверстия пневмодрелью

Эвристическая полезность этой модели заключается в использовании операции обобщающей абстракции.

Сначала для конкретного объекта (прототипа) выделяются функциональные компоненты, затем разрабатывается ПФС в виде графа. Вершинами графа являются функциональные компоненты, а также вещества и поля, которые поступают на вход анализируемого ТО. Дуги графа показывают направление преобразований веществ и полей. На них можно обозначить фазовые переменные.

Затем для каждого функционального компонента применяется операция обобщающей абстракции – дается обобщенное наименование выполняемой операции (рис. 9.9).

Рис. 9.9 Обобщенная потоковая функциональная схема образования отверстия

Такой переход позволяет наметить выбор других физических принципов действия для выполнения физических операций.

Например, другой вид энергии, другую схему редуктора, другое приспособление для закрепления инструмента и, наконец, другой принцип действия инструмента, например, вместо резания – пробивать отверстие или применить электрофизические процессы.

Переход от конкретной (рис. 9.8) к обобщенной ПФС (рис. 9.9) позволяет наметить поле возможных решений.

Применение обобщающего наименования (таблица 9.3) способствует вовлечению в рассмотрение других ФПД для выполняемой операции, активизации мышления по привлечению аналогий для поиска возможных технических решений.

Таблица 9.3 Примеры применения операции обобщения

Компонент	Обобщающее наименование
Пружина, конденсатор, сжатый воздух	Накопитель потенциальной энергии
Напряжение электрического тока	Вид энергии, управляющего сигнала
Термометр, амперметр …	Измеритель параметра состояния
Фреза	Инструмент, РО
Трансформатор, редуктор	Преобразователь
Упор, предохранительный клапан	Ограничитель выполняемой функции
C – L контур	Фильтр сигнала
Электродвигатель, генератор	Преобразователь одного вида энергии в другой

Например, термин измеритель параметра состояния может привести к мысли об измерении другого параметра для организации функции контроля или управления. А термины: вид энергии, управляющего сигнала направляют на поиск возможностей использования другого вида энергии или управляющего сигнала.

Следует отметить, что, в отличие от иерархической модели, ПФС проще для анализа. Она может быть представлена в виде линейного графа или линейного графа с обратными связями.

В процессе проектирования конструкции инженер решает ряд задач, в результате которых в структуре технического объекта формируются конструктивные компоненты, которые, с одной стороны, обеспечивают выполнение ГПФ, отражающей назначение ТО. И, с другой стороны, – конструктивные компоненты, обеспечивающие конструктивную целостность объекта, выполнение дополнительных требований, указанных в проектном задании, а также диктуемых технологией производства и эксплуатации.

В общем случае в ТО можно выделить конструктивные компоненты, которые предназначены для выполнения следующих функций (рис. 9.10):

главные полезные функции, – определение требуемого взаимного расположения частей конструкции технического устройства и их соединение между собой;

конструкторские функции, – выполнение заданных технических требований;

технологические функции, – обеспечение технологичности конструкции.

Рис. 9.10 Иерархическая модель функций, обеспечивающих конструктивную целостность технической системы.

Для анализа функций компонентов, которые обеспечивают конструктивную целостность технического устройства, А. И. Половинкиным [95] была предложена модель, которую он назвал конструктивная функциональная схема (КФС).

В этой модели в вершинах графа располагаются функциональные компоненты технического устройства, а ребра отражают конструктивные связи между ними. Логическим основанием для декомпозиции ТО также является функциональное назначение выделяемых частей.

Для статических объектов это могут быть компоненты, функционирование которых направлено на выполнение ГПФ. Для технических объектов, осуществляющих преобразование потоков энергии и сигналов, выделяются компоненты, обеспечивающие конструктивную целостность технического объекта. Здесь важно установить какие функциональные компоненты обеспечивают целостность структуры технической системы и как они связаны между собой.

В табличной модели приводится описание функций выделенных компонентов и связей между ними, дается оценка уровня выполнения функций и рассматриваются возможные варианты конструкторско-технологических решений.

При формулировании функций конструктивных компонентов следует ориентироваться на рекомендации, изложенные в п. 9.1. Однако, не всегда удается сформулировать функцию по схеме:

< Действие > <Объект функции > < Обстоятельства>.

Здесь возможны формулировки: Предназначен для …, Служит для ….

Т. е. для описания функции здесь чаще используется отглагольная форма существительного (см. таблицу 9.1).

Пример 9.3. Построение КФС переходной фермы. Переходные фермы (рис. 9.11) устанавливаются между отсеками летательного аппарата. В них могут располагаться выступающие части двигательной установки, часть днища топливного бака, элементы разделения ступеней.

Главной полезной функцией переходной фермы являются: определение взаимного положения торцевых шпангоутов и передача осевых усилий на заданное расстояние между двумя шпангоутами.

Рис. 9.11 Эскиз переходной фермы

Для проведения функционального анализа составляется табличная модель (таблица 9.4) и модель связи конструктивных элементов в виде графа (рис. 9.12).

Таблица 9.4 Табличная модель для конструктивной функциональной схемы переходной фермы

№	Функциональный компонент	Выполняемая функция
	Шпангоут	1. Определение положение фермы относительно шпангоута соседнего отсека. 2. Восприятие изгибающего момента от внешних нагрузок. 3. Придание ферме пространственной жесткости.
	Стержень	Передача осевых усилий на заданное расстояние.
	Фитинги	1. Передача и распределение осевых нагрузок от стержня к шпангоуту. 2. Определение положение стержней между собой и относительно шпангоута. 3. Обеспечение возможности автоматической сварки фитинга со стержнями.

Рабочим органом в этой технической системе являются стержни – именно они выполняют ГПФ. Остальные компоненты выполняют вспомогательные и дополнительные функции.

Рис. 9.12 Конструктивная схема фермы

Для оценки уровня выполнения функций нужно проанализировать, соответствует ли выбранный материал, форма, размеры каждого компонента уровню действующих нагрузок, рационально ли выбраны виды соединений.

В приведенном примере основные НЭ – это большое количество элементов и, соответственно, – соединений. Это приводит к увеличению затрат на их изготовление и сборку.

Попытки улучшения технического объекта могут быть направлены на изменение его структуры. Здесь можно наметить следующие мероприятия по совершенствованию конструкции.

1. Конструктивно объединить функциональные компоненты или упразднить некоторые из них, передав их функцию другому компоненту. Например, упразднить фитинги, передав их функцию шпангоуту, т. е. объединить фитинг со шпангоутом, или передать их функцию стержню.

2. Передать некоторые функции в надсистему. Например, упразднить шпангоут, – не делать один из шпангоутов, т. е. рама стыкуется с соседним отсеком по фитингам.

3. Изменить связи между компонентами, т. е. рассмотреть другие возможные виды соединений.

Пример 9.4 Обратный клапан. Обратные клапаны широко применяются в пневмо – и гидросистемах летательных аппаратов, а также в бытовой технике, например, в газовых баллонах для их заправки.

ГПФ обратного клапана: пропускать рабочую среду из полости А в полость Б при повышенном давлении в полости А и не пропускать в обратном направлении при повышенном давлении полости Б (рис. 9.13).

Рис. 9.13 Эскиз обратного клапана

Для проведения функционального анализа составляется таблица 9.5.

Таблица 9.5 Табличная модель обратного клапана

Поз.	Наименование компонента	Функция	Нежелательные эффекты
Описание
	Корпус	Определяет положение штуцера и пружины. Соединяет клапан с трубопроводом
	Пружина	Перемещает клапан и прижимает его к седлу	В положении «Открыто» создает гидравлическое сопротивление
	Гайка опорная	Передает усилие от пружины на клапан Направляет пружину
	Втулка направляющая	Направляет движение клапана в корпусе	Подвижное соединение работает в рабочей среде, требуется высокая точность сопряжения, продукты износа засоряют трубопровод.
	Тарель клапана	Открывает магистраль при повышении давления во входной полости и закрывает во всех остальных случаях
	Эластичная вставка	Герметизирует соединение тарель–штуцер
	Уплотнение	Герметизирует резьбовое соединение
	Штуцер	Соединяет клапан с входным трубопроводом
	Контровочная проволока	Предотвращает самопроизвольное отвинчивание штуцера от корпуса

Следует отметить, что некоторые из перечисленных функциональных компонентов обеспечивают конструктивную целостность клапана, а некоторые – выполнение ГПФ. Но эти функциональные компоненты конструктивно связаны с теми, которые обеспечивают целостность системы.

КФС в виде графа (рис. 9.14) отражает только конструктивные связи.

Рис. 9.14 Конструктивная функциональная схема обратного клапана

Конструктивные связи в конструктивной функциональной схеме двусторонние, поэтому граф КФС неориентированный (в отличие от иерархической модели и ПФС). Конструктивная функциональная схема в большинстве случаев имеет сетевую структуру. Из схемы (рис. 9.14) видно, что количество связей в КФС значительно больше, чем компонентов. И если для простых объектов это может быть не столь важно, то при анализе технических систем, которые имеют большое количество компонентов, получается громоздкая, плохо обозримая модель, которую сложно анализировать.

В этом случае можно объединить несколько компонентов в одну функциональную группу. Т. е. применить иерархический подход к моделированию конструктивных связей.

КФС направляет внимание на выбор конструкторско - технологическихрешений (КТР) деталей и узлов: материалов, формы, взаимного расположения конструктивных элементов и видов соединений.

Виды и количество соединений существенно влияют на трудоемкость процессов сборки и производственные затраты. К посадочным поверхностям, как правило, предъявляются более высокие требования по точности изготовления, чем к другим поверхностям.

В рассмотренном примере для совершенствования конструкции можно применить следующие приемы: удаление, объединение и разъединение конструктивных элементов.

Например, в клапане (рис. 9.13) можно рассмотреть следующие изменения:

1. Упразднить направляющую втулку, передав ее функции корпусу.

2. Эластичную вставку перенести со штуцера на тарель клапана.

3. Упразднить гайку опорную, передав ее функции тарели и т. д.

Необходимо помнить, что любое, даже весьма незначительное изменение в конструкции ТО приводит к изменению системных свойств, которые могут проявляться как в благоприятном, так и в неблагоприятном отношении.

Взаимосвязь функций обратного клапана в виде диаграммы Исикавы показана на рис. 9.15. Его ГПФ состоит из двух функций, которые должны выполняться в разные моменты времени.

Рабочий орган в этом устройстве, выполняющим ГПФ, представлен в виде взаимодействия двух компонентов: тарели и штуцера.

Рис. 9.15 Схема взаимосвязи основных функций обратного клапана (иерархическая модель)

Из сравнения схем рис. 9.15 и рис. 9.14 видно, что иерархическая модель связи функций проще, чем КФС, в ней нет конструктивных элементов.

Компонентами иерархической функциональной схемы являются выполняемые функции, а дуги отражают связи и подчиненность функций. В КФС компонентами являются функциональные компоненты ТО. А ребра отражают конструктивные связи – соединения между функциональными компонентами.

Пример 9.5. Станочное приспособление. Рассмотрим обобщенную схему станочного приспособления, которое может устанавливаться на как сверлильные, так и на фрезерные станки (рис. 9.16).

ГПФ – определить положение заготовки относительно инструмента и сохранить это положение при силовом воздействии инструмента на заготовку (Таблица 9.6). Здесь следует отметить, что вторая функция является подчиненной по отношению к первой.

Рис. 9.16 Конструктивная функциональная схема станочного приспособления

Таблица 9.6 Описание функций компонентов станочного приспособления

Наименование компонента	Выполняемые функции
Установочные	Определяют положение корпуса относительно стола станка.
Направляющие	Определяют положение инструмента относительно опорных элементов.
Опорные	Определяют положение заготовки относительно направляющих и установочных элементов.
Зажимные	Передают усилие закрепления на заготовку.
Привод	Создает усилие закрепления.
Корпус	Определяет взаимное положение всех конструктивных элементов между собой и их положение на столе станка и относительно инструмента.

Иерархическая модель (рис. 9.17) позволяет выявить основные, вспомогательные и дополнительные функции, которые необходимо предусмотреть для того, чтобы выполнялась ГПФ.

Рис. 9.17 Взаимосвязь функций, выполняемых станочным приспособлением (иерархическая модель)

Вычленение функций позволяет привлечь операцию изолирующей абстракции (см. приложение 5) для поиска нежелательных эффектов.

Например, можно отметить следующие НЭ от усилия закрепления.

1. Деформация заготовки от усилия закрепления и усилий резания.

2. Образование вмятин на заготовке от контактирующих деталей: опорных и зажимных элементов.

Продолжение примера 9.2. На рис. 9.8 была приведена ПФС процесса сверления отверстия пневмодрелью. На рис. 9.18 и рис. 9.19 для сравнения приведены иерархическая функциональная модель электродрели и ее КФС.

Рис. 9.18 Иерархическая функциональная модель электродрели

Рис. 9.19 Конструктивная функциональная схема электродрели

В заключение необходимо отметить, что функциональный анализ и применяемые в нем модели это один из начальных этапов решения технической задачи. Он предназначен, в первую очередь, для того, чтобы четко сформулировать задачи, которые нужно решать и позволяет концептуально определиться в выборе направлений поиска решений.

Иерархическая модель (рис. 9.3) является наиболее общей и универсальной. Она может использоваться для анализа любых систем.

Для технических объектов, осуществляющих преобразование потоков энергии и сигналов удобно использовать ПФС. Эта модель ориентирует на поиск ФТЭ и синтез ФПД выделенных функциональных компонентов, и в большей степени соотвествует операционному способу мышления.

К построению КФС склонны люди с предметным стилем мышления. Однако применение этой модели не исключает проведение и операционного анализа рассматриваемой структуры ТО.

При решении задачи необходимо стремиться найти такие модели, которые позволяют глубже понять проблему и помогают в поиске решения. При выборе модели нужно четко осознавать, что модель должна быть обозрима, инструментальна и активизировать мышление. Поэтому выбор модели связан как с особенностями исследуемого ТО, видом его функционирования, так и с приоритетным типом мышления человека, решающего задачу (см. рис. 5.3).