Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы. цель и задачи исследования 17
1.1 Анализ опыта применения, проектирования и технологического обеспечения типовых неподвижных соединений деталей в машиностроении 17
1.2 Современные представления о системном подходе к проектированию и управлению качеством изделий. Неподвижное соединение как техническая система 24
1.3 Обзор и анализ методов расчёта процессов контактирования и фрикционного взаимодействия деталей в неподвижных соединениях 31
1.4 Существующие конструкторско-технологические методы и способы обеспечения качества неподвижных фрикционных соединений 40
Выводы, цель и задачи исследования 48
2 Системный анализ неподвижных соединений деталей 52
2.1 Общие принципы формирования неподвижных соединений деталей 52
2.2 Морфологическое описание неподвижных соединений как технических систем 62
2.3 Функциональное описание неподвижных соединений различного эксплуатационного назначения
2.4 Информационное описание неподвижных соединений деталей
2.5 Классификация неподвижных соединений на основе системных представлений
Выводы
3 Построение интеграционной системы конструкторско-технологического проектирования неподвижных соединений 90
3.1 Методологические основы интеграционной системы конструкторско-технологического проектирования соединений (ИСПНС) ..90
3.2 Общие принципы управления макропроцессом проектирования неподвижных соединений 102
3.3 Формирование системы показателей качества неподвижных соединений, связанной с конструкторскими и технологическими факторами 109
3.4 Методы и способы управления показателями качества соединений, их классификация и критериальная оценка .119
3.5 Универсальный алгоритм функционирования ИСПНС 128
3.6 Технология автоматизированного проектирования соединений при реализации ИСПНС 142
3.6.1 Постановка задачи критериального синтеза при автоматизированном проектировании неподвижных соединений 142
3.6.2 Организация вычислительного эксперимента на функциональных моделях соединений 148
3.6.3 Общие принципы построения экспертной системы для реализации ИСПНС 155
Выводы 160
4 Разработка функциональных моделей и интеграционной системы конструкторско-технологического проектирования соединений с натягом 162
4.1 Системный анализ соединений с натягом 162
4.2 Разработка функциональных моделей соединений с натягом с учётом методов подготовки сопрягаемых поверхностей и сборки деталей 171
4.2.1 Функциональная модель соединений с натягом при поперечном методе сборки 171
4.2.1.1 Моделирование процесса поперечной сборки деталей 171
4.2.1.2 Модель силового взаимодействия соединения со средой при эксплуатации 186
4.2.2 Функциональная модель соединений с натягом, собранных продольным методом 200
4.3 Постановка и решение оптимизационных задач при конструкторско-технологическом проектировании
4.3.1 Оптимизация параметров соединений с натягом 212
4.3.2 Особенности функциональной модели соединения при сборке деталей с мягким покрытием. Оптимизация толщины покрытия 217
4.4 Связь параметров контактирования и фрикционного взаимодействия деталей с функциональными характеристиками соединений с натягом 226
4.5 Прогнозирование изменения функциональных характеристик соединений в условиях длительной эксплуатации 235
4.5.1 Изменение функциональных характеристик соединений при динамическом (циклическом) нагружении 235
4.5.2 Влияние объёмной ползучести материалов сопрягаемых деталей на функциональные характеристики соединений 240
4.6 Экспертная система для интеграционного проектирования соединений с натягом 245
Выводы 259
5 Разработка технологии сборки и исследование характеристик неподвижных соединений при применении анаэробных материалов 262
5.1 Характеристика, свойства и области применения анаэробных материалов 262
5.2 Применение анаэробных материалов при сборке неподвижных соединений типа вал-втулка 267
5.2.1 Функциональная модель соединений типа вал-втулка с анаэробными материалами 267
5.2.2 Исследование эксплуатационных хаірактеристик соединений с анаэробными материалами 273
5.3 Применение анаэробных материалов для обеспечения качества резьбовых соединений 281
Выводы 288
6 Разработка новых способов неподвижного соединения деталей. практическое применениерезультатов исследований 289
6.1 Разработка и исследование новых способов неподвижного соединения деталей . 289
6.1.1 Способы, изменяющие элементный состав соединения 289
6.1.1.1 Способы соединения деталей с нанесением сложных металлических покрытий 289
6.1.1.2 Способы соединения деталей с введением дискретных элементов стержневой и пластинчатой формы 292
6.1.1.3 Способы соединения деталей с применением различных комбинированных покрытий 300
6.1.2 Способы, не изменяющие элементный состав соединения 304
6.1.2.1 Соединение деталей со спиралевидным профилем сопрягаемых поверхностей 3 04
6.1.2.2 Способы, изменяющие напряжённо-деформированное
состояние деталей и поверхностей 308
6.2 Общие рекомендации по совершенствованию неподвижных соединений 315
6.3 Применение интеграционного проектирования для рационального обеспечения качества неподвижных соединений 325
6.3.1 Рациональное обеспечение функциональных характеристик соединений деталей пневмопрядильной машины 325
6.3.2 Совершенствование неподвижных соединений в изделиях артиллерийского вооружения 333
Выводы 353
Общие выводы и основные результаты 355
Список использованной литературы 358
- Современные представления о системном подходе к проектированию и управлению качеством изделий. Неподвижное соединение как техническая система
- Функциональное описание неподвижных соединений различного эксплуатационного назначения
- Методы и способы управления показателями качества соединений, их классификация и критериальная оценка
- Особенности функциональной модели соединения при сборке деталей с мягким покрытием. Оптимизация толщины покрытия
Введение к работе
Эффективность производства определяется ресурсоёмкостью и надёжностью изделий. Улучшение этих показателей качества позволит повысить конкурентоспособность отечественного производства, что является первоочередной задачей при интегрировании Российской Федерации в мировую экономику. При этом качество узлов машин и приборов в значительной степени зависит от качества подвижных и неподвижных соединений деталей.
Конструкции существующих (типовых) неподвижных соединений весьма разнообразны: соединения с натягом, резьбовые, шпоночные, шлицевые, штифтовые, фланцевые, сварные, паяные, профильные и др. соединения, а также их сочетания. Неподвижность соединения означает, что детали, входящие в соединение, не должны иметь относительного смещения при действии эксплуатационных нагрузок. Кроме того, к данным соединениям могут предъявляться другие функциональные требования: герметичность, точность расположения деталей, контактная жёсткость и др. Однако не всегда эти требования достигаются рациональным образом.
Типовые неподвижные соединения даже одного функционального назначения различны с конструктивной, технологической и экономической точек зрения. В большинстве случаев их конструкции перегружены дополнительными крепежными элементами, отличаются неоправданной металлоемкостью, трудоемкостью и себестоимостью. Проектирование соединений часто ведется по аналогии (стереотипу), распространяя неэффективные решения.
В течение нескольких десятилетий проводятся исследования по поиску новых методов и способов соединения деталей, а также методик управления факторами и параметрами, влияющими на качество неподвижных соединений [74-105, 111, 113, 122, 130, 131]. В этих и других работах подчеркивается, что одним из наиболее эффективных методов воздействия на функциональные характеристики соединений, особенно фрикционных, является управление контактным взаимодей-
11 ствием сопрягаемых поверхностей деталей. Альтернативой этому направлению является нерациональный путь, связанный с увеличением габаритов деталей и узла. В то же время, проводимые исследования часто не отличаются достаточной универсальностью подхода, касаются только конкретных конструкций соединений и изделий, отсутствует единая методология проектирования соединений, обеспечивающая их заданное качество наиболее рациональным образом.
Необходимую универсальность решения проблемы рационального обеспечения качества неподвижных соединений может дать только системный подход, который, на наш взгляд, не нашел еще должного применения в машиностроении, особенно, в конструкторско-технологической практике.
Качество изделий, в том числе входящих в них неподвижных соединений деталей, обеспечивается при реализации двух систем проектирования: системы конструкторского проектирования (СКП) и системы технологического проектирования (СТП).
Общая целенаправленность предполагает значительную степень пересечения СКП и СТП, их интеграцию, что на практике часто не реализуется. Например, в традиционной методике проектирования соединений с натягом технологические аспекты учитываются только в различных коэффициентах трения при поперечном и продольном методах сборки (в зависимости от контактирующих материалов). Это крайне ограниченный подход, так как не учитывается множество технологических факторов, влияющих на качество соединений (методы: и режимы подготовки сопрягаемых поверхностей, способы реализации процесса сборки, по-слесборочные операции и др.) и не используются технологические возможности рационального обеспечения их функциональных характеристик.
В последнее время разрабатывается прогрессивное научное направление одноступенчатого решения конструкторско-технологической задачи обеспечения качества деталей и узлов машин [9], которое связано с интеграционным конст-рукторско-технологическим проектированием.
Построение интеграционных процессов, систем или образований в различных областях человеческой деятельности является в настоящее время мировой тенденцией. При этом преследуется цель резкого повышения эффективности определённой деятельности на основе синергетического эффекта. При интегрировании систем возникают сложные системы более высокого порядка, которые отличаются новыми свойствами, характеристиками и закономерностями, то есть новым качеством.
Целью данной работы является рациональное обеспечение заданных функциональных характеристик неподвижных соединений деталей путём разработки и применения интеграционной системы их конструкторско-технологического проектирования с критериальной оценкой альтернативных вариантов.
Неподвижные соединения деталей представляют собой сложные, иногда многоэлементные, технические системы, обслуживающие системы более высокого порядка: узел, механизм, машину, в состав которых они входят. Однако до сих пор нет обобщающих работ, посвященных системному анализу данных соединений, составлению морфологического, функционального и информационного описаний, а также их классификации на основе системных представлений.
Отсутствует также общая постановка проблемы управления при проектировании неподвижных соединений с целью наиболее рационального обеспечения показателей их качества, не разработана система показателей качества соединений, на основе которых можно было бы сравнивать альтернативные решения.
Необходимым условием при управляемом, особенно автоматизированном проектировании любых объектов является создание их физических и математических моделей, на базе которых проводится вычислительный эксперимент и оцениваются их функциональные свойства. Однако работ, которые посвящены разработке функциональных моделей неподвижных соединений и их применению при проектировании, явно недостаточно.
Автоматизированное проектирование изделий невозможно без создания баз данных и программного обеспечения, где аккумулировались бы знания в данной
предметной области. Таким образом, необходимы экспертные системы по проектированию определённых классов неподвижных соединений, которые в настоящее время практически отсутствуют.
Следует отметить, что проектировочный этап синтеза неподвижных соединений особенно важен, так как зона контакта деталей, которая должна обеспечивать заданные функциональные характеристики соединений, практически закрыта от наблюдателя и её свойствами сложно управлять во время эксплуатации.
Системный подход позволяет также дать технико-экономическую оценку и систематизировать методы и способы воздействия на свойства неподвижных соединений на различных этапах их изготовления, выбрать и применить наиболее рациональные из них. При этом, что особенно важно, выявляются новые технологические и конструктивные решения обеспечения качества соединений, свободные от недостатков существующих.
Одной из главных проблем, стоящих перед экономикой страны, является ресурсосбережение. Поэтому необходимо стремиться к уменьшению таких показателей ресурсоёмкости при изготовлении соединений, как трудоёмкость, материалоёмкость, энергоёмкость, станкоёмкость.
В значительной степени указанные выше проблемы решены в настоящей работе, что говорит об её актуальности.
Для достижения цели работы поставлены и решены следующие задачи.
На основе системного анализа сформулированы общие принципы образования неподвижных соединений деталей, составлены морфологическое, функциональное, информационное описания и дана классификация соединений.
Разработаны методологические основы построения и универсальный алгоритм функционирования интеграционной системы конструкторско-технологического проектирования неподвижных соединений, реализующей комплексный подход к их проектированию, изготовлению и функционированию с целью рационального обеспечения заданного уровня функционального качества.
Сформулированы общие принципы управления при интеграционном проектировании соединений.
Сформирована система показателей качества неподвижных соединений и разработана методика её применения к оценке и выбору альтернативных конструктивно-технологических решений. Дана классификация и характеристика методов и способов управления показателями качества соединений на основе системных представлений.
Разработаны универсальная технология автоматизированного конструктор-ско-технологического проектирования неподвижных соединений на основе объектно-ориентированной экспертной системы и методика организации вычислительного эксперимента на функциональной стохастической модели соединения.
Интеграционная система конструкторско-технологического проектирования реализована применительно к соединениям с натягом. Построены их функциональные модели при различных методах подготовки, сопрягаемых поверхностей, сборки деталей и условий функционирования, решены задачи по оптимизации параметров. Выявлены пути управления качеством данных соединений. Разработана экспертная система для конструкторско-технологического проектирования данных соединений.
Разработана и исследована эффективная технология сборки и управления функциональными характеристиками качества неподвижных соединений при применении анаэробных материалов. Построены функциональные модели соединений с анаэробными материалами.
Разработаны и исследованы новые эффективные технологические методы сборки и виды неподвижных соединений.
Практическая значимость проведённых исследований заключается в следующем.
1. На основе аналитических, теоретических и экспериментальных исследований впервые создана интеграционная система конструкторско-технологического
проектирования, применение которой позволяет за счёт дополнительного синер-гетического эффекта в каждом конкретном случае создавать высокотехнологичные узлы с заданными функциональными свойствами и минимальной себестоимостью, что повышает эффективность и конкурентоспособность объектов машиностроения.
2. Применение методики оценки эффективности управляющих воздействий на свойства неподвижных соединений с использованием предлагаемой системы показателей качества и вычислительного эксперимента на функциональных моделях обеспечивает комплексное сравнение альтернативных конструкторско-технологических вариантов соединений и выбор наиболее рационального из них на этапе проектирования.
3. Разработанная технология компьютерного проектирования на базе экспертной системы позволяет организовать управляемый процесс конструкторско-технологического синтеза соединений с обеспечением заданного уровня их функциональности.
4. Результаты диссертационной работы позволили разработать и применить новые методы, способы и виды соединения деталей, расширяющие возможности управления функциональными показателями качества узлов машин (несущей способностью, герметичностью, коррозионной стойкостью, ремонтопригодностью и др.), одновременно снижая их ресурсоёмкость; новизна технических решений подтверждена 18 авторскими свидетельствами и патентами.
В целом в работе решена крупная научно-техническая проблема рационального обеспечения заданных функциональных характеристик и показателей качества неподвижных соединений деталей на основе интеграционного подхода к их кон-структорско-технологическому проектированию.
В соответствии с целью и задачами, поставленными в работе, на защиту выносятся следующие положения.
1. Общие принципы, закономерности и критерии формирования, а также описание и классификация неподвижных соединений как технических систем.
16 2. Интеграционная система конструкторско-технологического проектирования неподвижных соединений (ИСПНС), обладающая новым системным качеством, базирующаяся на управляемом алгоритмическом развитии модели обобщённой конструкции до модели рационального варианта узла с использованием достижений технологии и критериальным сравнением альтернативных вариантов.
Система критериев, состоящая из единичных, комплексных и интегральных показателей качества и отражающая как функциональные возможности, так и конструкторско-технологическое совершенство неподвижных соединений. Методология оценки и принципы классификации управляющих воздействий на показатели качества соединений.
Технология реализации ИСПНС при автоматизированном компьютерном проектировании на принципах экспертной системы с проведением вычислительного эксперимента на функциональных стохастических моделях соединений.
Комплекс функциональных моделей соединений с натягом и результаты их исследований: при продольной и поперечной сборке (с нагревом и охлаждением) с учётом технологии обработки и анизотропных свойств поверхностей, наличия мягкого покрытия; в условиях объёмной ползучести и динамического нагруже-ния.
6. Функциональные модели неподвижных соединений (цилиндрических и
резьбовых) при сборке с анаэробными материалами, результаты теоретических и
экспериментальных исследований функциональных характеристик данных со
единений.
7. Результаты практической реализации ИСПНС и рекомендации по совершенствованию узлов и соединений в общем и специальном машиностроении, базирующихся на новых, эффективных, защищенных авторскими свидетельствами и патентами способах НС деталей, позволяющих рационализировать как конструкцию, так и технологию изготовления узлов машин.
Современные представления о системном подходе к проектированию и управлению качеством изделий. Неподвижное соединение как техническая система
Дополнительные детали (элементы), такие как шпонка, штифт, винт, шплинт и др., требуют выполнения специальных гнёзд, отверстий, пазов на валу и во втулке, для чего необходимо проектировать дополнительные операции и обеспечивать точность многочисленных размерных цепей. Кроме того, дополнительные крепёжные элементы приводят к резкому увеличению трудоёмкости сборки, усложняют её автоматизацию. Всё это приводит к существенным затратам и общему повышению трудоёмкости изготовления соединения.
Технологичность неподвижных соединений, в том числе в условиях автоматизированной сборки, существенно отличается. Высокотехнологичными соединениями, сборка которых легко автоматизируется, являются цилиндрические, конические, сферические, плоские соединения без дополнительных креплений. Недостаточно технологичными, требующими сложного оборудования для автоматизированной сборки, являются резьбовые и шлицевые соединения, а нетехнологичными - шпоночные, штифтовые, шплинтовые и др. соединения [2, 219].
Простые и экономичные соединения с гарантированным натягом, позволяющие автоматизировать процесс сборки, используются во многих ответственных сборочных единицах и механизмах: подшипниковых узлах, составных шестернях и червячных колёсах, в цилиндропоршневых группах и др. Однако в среднем ССН составляют лишь (3...12)% всех неподвижных соединений, причём в (20...60)% случаев применения ССН упрочняются дополнительными креплениями (штифтами, винтами, сваркой и т.д.). Часто конструктор вообще отказывается от ССН, заменяя их на более сложные и дорогостоящие шлицевые, шпоночные, штифтовые и другие соединения, или вместо сборных проектирует цельнометаллические конструкции, что резко снижает коэффициент использования металла (более подробный анализ ССН приведён в разделе 4.1).
Взаимосвязь конструкторской и технологической подготовки производства приводит к тому, что повышение эффективности технологического обеспечения неподвижных соединений невозможно без их оптимального конструирования и наоборот. Конструирование неподвижных соединений часто осуществляется методами прецедентов и подобия. Недостатки этих методов известны: длительность поиска прецедента, сложность определения признаков подобия, использование устаревших и неэффективных решений, трудность выявления резервов повышения качества соединения.
Альтернативой данных методов является расчётный метод: зная условия эксплуатации узла и имея функциональное описание соединения, конструктор рассчитывает и задает размеры, материал, параметры сопрягаемых поверхностей деталей и т.д., обеспечивающие необходимые эксплуатационные характеристики соединения.
Расчётный метод наиболее эффективен, т.к. позволяет уже на стадии проектирования выявить резервы повышения характеристик соединений и создать экономичные и надёжные конструкции, а также предложить рациональную технологию обработки поверхностей и сборки узла. Эффективность расчётного метода повышается при тесной взаимосвязи и преемственности основных этапов производства: проектирования (конструкторского и технологического), изготовления и эксплуатации изделия.
Однако расчётный метод только тогда приводит к рациональным или оптимальным решениям, когда он основан на системном подходе к обеспечению качества изделий. В современном же машиностроении практика применения системного подхода ещё не заняла подобающего ей места. Отсутствуют морфологические, функциональные и информационные описания большинства объектов, не разработаны их модельные представления, не построены интеграционные системы конструкторско-технологического проектирования и обеспечения качества изделий, которые на современном этапе необходимо осуществлять в автоматизированном режиме.
Всё сказанное выше в полной мере относится к неподвижным соединениям. Разнообразие их конструкций, технологических методов подготовки сопрягаемых поверхностей и сборки, используемых в настоящее время в промышленности, обязывает разработчиков и исследователей заниматься методиками системного подхода к обеспечению их качества наиболее рациональным образом.
Особое внимание следует обратить на зону контакта деталей, разрабатывать научно-обоснованные методики описания их контактного взаимодействия и управления качеством за счёт геометрических и физико-механических параметров поверхностных слоев. Применяемые в настоящее время методики расчёта соединений в этом отношении в значительной степени устарели [1,2,4 - 7].
Обработка сопрягаемых поверхностей деталей неподвижных соединений ведётся разнообразными методами (точение, шлифование, развёртывание, фрезерование и др.) [8 -10], параметры геометрии поверхностей колеблются в весьма широких пределах (таблица 1.1, где: Sm - средний шаг неровностей, Аа -средний арифметический наклон профиля, WZKSZ- высота и шаг волнистости, остальные параметры указаны в разделе 1.3). Кроме того, в процессе обработки существенно изменяются и физико-механические свойства поверхностных слоев, например, степень их наклёпа т = Н тъ1НщСХ, где Нщ0Ь и ЛцИСХ - микротвёрдости поверхностного слоя и основного материала, соответственно (таблица 1.2) [11].
Повышение эксплуатационных характеристик соединений достигается применением металлопокрытий, упрочнением поверхностного слоя методами поверхностно-пластического деформирования, химико-термической обработкой и т.д. Однако применение специальной подготовки сопрягаемых поверхностей в большинстве случаев носит малообоснованный, эпизодический характер.
Следует отметить, что в настоящее время интенсивно развиваются прогрессивные методы формообразования различных деталей, базирующихся на новых технологиях и современном автоматизированном оборудовании с программным управлением. Это позволяет в более широких пределах управлять параметрами качества сопрягаемых поверхностей, а также их формой.
Функциональное описание неподвижных соединений различного эксплуатационного назначения
Считается, что для большинства технических систем, особенно для детерминированных и, отчасти, стохастических, информационное описание лишь дополняет морфологическое и функциональное, причем в ряде случаев без него вообще можно обойтись. Однако неподвижное соединение представляет собой по отношению к наблюдателю закрытую систему, управлять которой в режиме автоматического регулирования при эксплуатации практически невозможно. Вся ответственность за принятие рационального или оптимального решения ложится на проектировщика, который оперирует как априорной, так и апостериорной информацией о соединении. В третьем разделе показывается, что при проектировании соединений происходит развитие исходной системы в систему неподвижного соединения, поэтому информационное описание в данном случае играет важную роль.
И, наконец, о проблеме управления качеством соединений как технических систем. Технические системы можно разделить на простые (в которых поддержание эффективности осуществляется только за счет регулирования процессов) и сложные (в которых эффективность поддерживается за счет регулирования параметров). Неподвижные соединения относятся к сложным техническим системам, причем при синтезе соединений, как показано в разделах 2 и 3, система развивается от обобщенной конструкции до неподвижного соединения определенного функционального назначения. Поэтому здесь понятие управления должно иметь расширенный смысл.
Общую функцию, объединяющую управление и влияние на развитие системы, можно назвать руководством [12]. Зависимость управляющего действия от состояния системы и среды называют законом управления. При проектировании неподвижных соединений, на наш взгляд, более правильно использовать термин "технология управления", который точнее отражает ту сложную последовательность действий, которая позволяет принять рациональное, а, может быть, и оптимальное решение.
Известно, что управляющие воздействия на систему или ее модель могут обеспечить решение следующих задач, расположенных в порядке их сложности: поддержание состояния; поддержание процесса; изменение состояния; изменение процесса, организацию поведения [17].
Все эти задачи могут встречаться и быть реализованы на различных отдельных этапах синтеза системы неподвижного соединения: проектирование; изготовление деталей (обеспечение заданных параметров); изготовление соединения (сборка, контроль); эксплуатация (ремонт). Однако если вести речь об управляемом синтезе соединений на этапе проектирования, то это задача управления переводом системы из начального состояния (обобщённой конструкции), характеризующегося некоторыми начальными значениями параметров состояния системы, в некоторое конечное состояние (неподвижное соединение), характеризующееся определённым функционалом эффективности по отношению к среде и другими показателями качества. Таким образом, по приведённой классификации это задача управления изменением состояния системы, её развитием, в соответствии с поставленной целью.
Что касается вида управления, то технология управления качеством при проектировании соединений в целом базируется на программном управлении. Программное управление требует большого объема априорной информации и однозначных критериев (показателей качества), т. к. при его применении реализуется подход "синтез через анализ". В то же время, при изготовлении неподвижного соединения, например, при реализации какого-либо способа сборки, не исключена возможность применения адаптивного управления.
Эффективность программного управления возрастает, если оно организовано в экспертную систему (ЭС). Экспертные системы, способные имитировать творческие действия специалистов в различных областях науки и техники, в настоящее время являются важным направлением развития автоматизированных систем обработки информации. Как известно [26 - 35], экспертные системы целесообразно создавать и использовать в следующих случаях: для эффективного решения задачи необходима помощь высококвалифицированного эксперта или экспертов, которых нет в наличии; при решении задачи необходимо оперировать со сложными,моделями представления знаний предметной области; необходимо документирование (формализованное представление) знаний специалиста о предметной области; необходим инструмент познания, освобождающий специалиста от трудоёмкой работы по проверке знаний. Экспертные системы достаточно широко используются в таких областях деятельности человека как химии, молекулярной генетике, медицине, геологии, проектировании, планировании, управлении, принятии решений и т. д. В машиностроении ЭС наиболее часто выполняют следующие функции: диагностирование, интерпретация данных, проектирование, контроль, планирование, управление, обучение [32]. В России разработке ЭС уделяется недостаточное внимание, хотя дальнейшее развитие систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем управления технологическими процессами, гибких производственных систем невозможно без эффективного применения баз знаний о различных предметных областях, системного анализа и объяснения при принятии решений, что и является основным функциональным содержанием ЭС. При создании ЭС используются различные программные средства: модульные (оболочки ЭС); специальные программные среды; языки высокого уровня общего назначения; специальные языки представления знаний (проблемно-ориентированные языки) [34]. Основными задачами при разработке ЭС являются: выбор формы представления декларативных и процедурных знаний предметной области - логические модели (на основе систем исчисления предикатов и правил продукций), сетевые модели (семантические сети, фреймовые структуры), лингвистические модели; выбор формы представления задач и способов поиска их решения (стратегии управления решением) - в пространстве состояний, путём сведения задачи к подзадачам, в виде теорем, в условиях лингвистической неопределённости, комбинированное представление задач [32, 34, 35].
Для повышения эффективности процесса интеграционного проектирования в данной работе поставлена и решена задача построения объектно-ориентированной экспертной системы проектирования неподвижных соединений.
В настоящее время мировой тенденцией является построение интеграционных процессов, систем или образований в различных областях человеческой деятельности. При этом преследуется цель резкого повышения эффективности определённой деятельности на основе синергетического эффекта.
При интеграции систем возникают сложные системы более высокого порядка, которые отличаются новыми свойствами, характеристиками и закономерностями, то есть новым качеством. Поэтому необходимо понимать и использовать повышенные возможности интеграционных систем.
Методы и способы управления показателями качества соединений, их классификация и критериальная оценка
При увеличении площади поверхности разъёма деталей и дополнительных элементов увеличивается объём механической обработки и сборочных работ (трудоёмкость, станкоёмкость, энергоёмкость), а также габариты узла (материалоёмкость).
Что касается каких-либо прямых экономических показателей, то сравнение соединений с точки зрения затрат можно предварительно провести по приведённым выше конструктивно-технологическим показателям. Кроме того, целесообразно классифицировать известные соединения по группам сложности. Поэлементный расчёт затрат при применении соединений следует проводить только на последнем этапе, когда выявятся два или три альтернативных решения, одинаково удовлетворяющие эксплуатационным требованиям. При этом сравнение вариантов целесообразно осуществлять по технологической себестоимости изготовления деталей и сборки соединения Су(3.3).
Используя предлагаемые показатели качества соединений, проведём сравнительный анализ двух типовых соединений, передающих крутящий момент: соединения с натягом и шпоночного соединения (таблица 3.3, см. также рисунок 2.4 и таблицу 2.1).
Результаты анализа позволяют сделать вывод о том, что соединение с натягом по всем предложенным показателям качества предпочтительнее шпоночного. Кроме того, если у шпоночного соединения фактически указаны предельные значения показателей (при одной шпонке), то у соединений с натягом значение можно довести до 0,4...0,45, например, при поперечной сборке (с нагревом или охлаждением) с гальваническими покрытиями. При этом, обеспечивая постоянным произведение ApTs можно уменьшить As и, следовательно, материалоёмкость и трудоёмкость конструкции.
В квалиметрии для упрощения процедуры оценки качества объектов очень важным является построение интегральных критериев (показателей качества), которые объединяют как можно большее количество единичных и комплексных показателей. Для неподвижных соединений предлагается следующий интегральный показатель (критерий) что подтверждает значительное преимущество соединений с натягом, его рациональность и высокие функциональные свойства.
Окончательное управленческое решение принимается экспертом с учётом других показателей, не включённых в интегральный критерий, а также результатов анализа внешней среды (тип производства, наличие оборудования, необходимость автоматизации т.д.).
Таким образом, предложенная система показателей качества неподвижных соединений носит универсальный характер, позволяет обоснованно и всесторонне сравнить различные альтернативные варианты соединений с точки зрения, как конструкции, так и технологии изготовления, и, что наиболее важно, выявить пути, методы и способы управления их качеством. Этому и будет посвящен следующий раздел.
Как уже отмечалось, существует множество типовых конструкций неподвижных соединений, часть из которых стандартизирована. Кроме того, разработан целый ряд методов и способов, направленных на улучшение функциональных и конструкторско-технологических показателей качества соединений.
В предыдущем разделе предложена система показателей качества, позволяющая сравнить различные варианты неподвижных соединений и выбрать наиболее оптимальный. Однако для выявления общих и отличительных признаков эти варианты необходимо предварительно идентифицировать на основе предлагаемой ниже классификации, отражающей системный подход к проектированию соединений.
Системный анализ показал, что методы и способы управления показателями качества неподвижных соединений можно классифицировать следующим образом [223].
Особенности функциональной модели соединения при сборке деталей с мягким покрытием. Оптимизация толщины покрытия
Подсчитывается необходимая интенсивность функциональных свойств т% на единице номинальной площади соединения (разъёма) А%. Затем определяется минимально необходимое значение относительного критерия функциональной эффективности (см. раздел 3.3), которому должно соответствовать соединение после предварительного деления исходной системы (обобщённой конструкции) на подсистемы. Этап 2. На данном этапе выбираются базовые конструкторско-технологические варианты неподвижного соединения, соединяемых деталей и дополнительных элементов, а также технология сборки и послесборочных воздействий на соединение. При выборе конкретного конструкторско-технологического варианта соединения используется база данных об известных (типовых или оригинальных) конструкциях соединений и технологии их изготовления с характеристикой достижимого значения критерия функциональной эффективности %Т (см., например, таблицу 3.2). Выбирается один или несколько базовых альтернативных вариантов соединений, отвечающих условию %Т .. Затем выбранные варианты анализируются с точки зрения возможности их применения в проектируемом узле, в том числе с учётом данных о внешней (производственной) среде. Так как данный анализ формализовать очень сложно, то решение должен принимать проектировщик (руководитель процессом развития исходной системы). Если ни один вариант не подходит, то приходится изменять исходные параметры: характерные размеры обобщённой конструкции, номинальную площадь соединения и др. Не исключено, что решение может лежать в области изобретательских задач. Этап заканчивается выбором конструкторско-технологического варианта соединяемых деталей и дополнительных элементов, а также технологии сборки и послесборочных воздействий на соединение. При выборе используются соответствующие базы данных. На данном этапе осуществляется детальное рассмотрение и сравнение выбранных конструкторско-технологических вариантов с использованием системы показателей качества неподвижных соединений (см. раздел 3.3), главным из которых является коэффициент функциональности соединения J& (ЛІП,Р ) при заданном уровне дефектности р. Выбор показателей качества при сравнении является прерогативой проектировщика, однако, в наиболее ответственных случаях конструкции следует оценивать всесторонне, используя всю систему показателей. Из альтернативных вариантов выбирается наиболее рациональный. Основным инструментом проектировщика на данном этапе является вычислительный эксперимент, проводимый на функциональных моделях деталей и соединения в целом. Функциональные модели неподвижных соединений строятся на основе теоретических, экспериментальных и производственных данных, привлекаются известные методики расчёта параметров контакта и характеристик конкретного соединения [136,140], а также методики решения оптимизационных задач [116] (разделы 4 и 5). Назначаются и оптимизируются параметры выбранного соединения, технические требования к присоединительным элементам деталей и сопрягаемым поверхностям, выбираются методы и способы подготовки поверхностей и соединения деталей. При необходимости уточняются параметры обобщённой конструкции. После выполнения вычислительного эксперимента, оптимизационных расчётов и процедур последовательного приближения и уточнения проектировщик окончательно выбирает наиболее рациональный конструкторско-технологический вариант соединения, назначает технические требования, технологию подготовки поверхностей и сборки деталей. Оформляется конструкторская и технологическая документация. При необходимости проводится экспериментальное подтверждение функциональных показателей качества спроектированного неподвижного соединения. Рассмотрим пример управляемого синтеза [115] неподвижного соединения вала и шестерни на основе ИСПНС (в сокращённом изложении, с указанием только необходимых для иллюстрации цифровых данных). 1. Описание среды. В него включаются все необходимые сведения о среде (вещественно-энергоинформационное описание), касающиеся взаимодействия среды и синтезируемой системы.
В данном случае это базы данных об оборудовании, материалах, технологиях и т.д. В частности, технологию сборки необходимо проектировать с использованием имеющегося на предприятии прессового оборудования (продольная сборка). Участок, для нанесения гальванических покрытий на предприятии отсутствует. Кроме того, используется информация о технологическом методе управления контактным взаимодействием деталей, соединяемых с натягом, путём применения анаэробных материалов (например, марок АН-6, АН-8 и др.), которые затвердевают в пустотах зоны контакта деталей после сборки и существенно повышают силу трения и несущую способность соединения [117 -120].
