Введение к работе
Актуальность темы
Одной из современных научно-технических проблем является проблема системной поддержки жизненного цикла объектов техники и технологий (CALS - Continuous Acquisition and Lifecycle Support). Дословно аббревиатура CALS означает «непрерывность поставок продукции и поддержки ее жизненного цикла». Первая часть определения CALS «подразумевает оптимизацию процессов взаимодействия заказчика и поставщика в ходе разработки, проектирования и производства продукции». Вторая часть определения заключается в «оптимизации процессов обслуживания, ремонта, снабжения запасными частями и модернизации», в том числе путем разработки и внедрения интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР).
В большинстве ведущих стран мира имеются специализированные организации, центры по исследованию и решению задач по этой проблеме (в России таким центром является АНО НИЦ CALS-технологий «Прикладная логистика»).
Отмеченная проблема прямо или косвенно отражена в ряде правительственных документов, касающихся государственной политики России в области науки. К таким документам относятся: «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации», «Перечень критических технологий Российской Федерации», утвержденных Президентом Российской Федерации 30 марта 2002 г. Одним из приоритетных направлений исследований в рамках этих документов является направление «Информационная интеграция и системная поддержка жизненного цикла продукции (CALS-, CAD-, САМ-, САЕ-технологии).
Из приведенного анализа состояния проблемы системной поддержки жизненного цикла объектов техники и технологии следует очевидный вывод о ее актуальности. Одновременно с этим очевидно и то, что решение этой проблемы в настоящее время связывается с использованием, в основном, соответствующей информационной инфраструктуры, информационной поддержки этих объектов. На наш взгляд, решение этой проблемы будет более эффективным, если информационная поддержка будет сопровождаться использованием единых для определенного класса технических систем обобщенных математических и иных моделей подобия функционирования этих систем и систем-аналогов. В качестве систем-аналогов могут бьпь приняты как сама система-оригинал, так и некая идеальная или реальная (например, импортного производства) системы или система, установленная техническим заданием.
Таким образом, с позиции отмеченной проблемы, тема диссертации, посвященная разработке методологии и моделей подобия функционирования технических систем, является актуальной.
Актуальность диссертационной работы непосредственно для легкой промышленности подтверждается также тем, что в последние годы в практике использования технологического оборудования наметилась устойчивая тенденция интеграционных процессов между отечественными и зарубежными фирма-
ми. Это касается как совместных разработок, производств, так и решения вопросов технической эксплуатации, взаимозаменяемости и модернизации оборудования. В настоящее время на предприятиях легкой промышленности Российской Федерации используется, например, такое импортное обувное оборудование, как агрегаты для литья под давлением деталей обуви типа BS 204/18 фирмы «Ottogalli» и AZ 1, машин для клеевой и гвоздевой затяжки типа SH-LBTH (Германия), DVHZ (Австрия), MARK 6 РХ, а также затяжных машин серий 630, 640, 0331 и других совместного производства машиностроительного объединения «Kaluga - Schon - Zarina». Используются также машины для влажно-тепловой обработки (гладильные прессы).
В полной мере эта проблема относится к отечественным машинам и оборудованию легкой промышленности (вырубочным прессам, машинам для литья под давлением, транспортным устройствам с демпфирующими механизмами, гидроприводу и установкам для диагностики его технического состояния, устройствам для обработки материалов сверлением и др.). Управление их техническим состоянием на различных стадиях жизненного цикла на основе обобщенных моделей и единых критериев качества функционирования, например, точности позиционирования, синхронизации движения рабочих органов также является актуальной задачей.
Естественно, что для системной поддержки жизненного цикла этих объектов должны использоваться обобщенные, ориентированные на заданное качество функционирования модели. Эти модели должны являться научно-практической базой по мониторингу, достижению, оценке и сохранению этого заданного качества функционирования. А это означает, что в основе таких моделей и в целом методологии должно быть заложено подобие функционирования технических систем определенного класса, являющихся по целевому назначению аналогами. Очевидно также, что разработка и использование обобщенных математических моделей поддержки жизненного цикла технических систем легкой промышленности связаны с поиском новых методологических подходов.
Потенциал же современных научных направлений представляет, в основном, в распоряжение науки и практики лишь частные, соответствующие целям исследования, модели. Каждая из этих моделей имеет свои допущения, критерии оценки качества, а следовательно, в различной степени позволяет отображать или воспроизводить в условиях однозначности систем-оригиналов объективные закономерности функционирования систем-аналогов.
Это относится, например, к таким научным направлениям, как теория подобия (работы Кирпичева М.В., Гухмана АА, Геронимуса Б.В., Веникова ВА, ВениковаГ.В., Северцева НА, Седова Л.И. и др.), обобщенный анализ (работы Гухмана АА, Зайцева А.А.), синергетики (работы Берже П., Помо И., Видаль Р, Колесникова АА.и др.), функциональной взаимозаменяемости (Якушева А.И., Никифорова А.Д.И др.). Анализ основных положений этих научных направлений показывает, что предлагаемые ими методы исследования также ориентированы нарешение частныхзадач частными моделями, а не комплекса задач посредством использования обобщенных моделей функционирования,
единых для определенного класса технических систем и различных этапов их жизненного цикла Поэтому актуальной является и проблема создания и отработки таких обобщенных моделей подобия функционирования технических систем
Следовательно, разработка методологии поддержки жизненного цикла технических систем легкой промышленности, основанной на использовании единых для определенного класса систем моделях подобия качества функционирования аналогов, в последнее время является актуальнейшей проблемой.
Решению этой проблемы посвящена представленная к защите диссертационная работа Идея работы заключается в разработке методологии создания и использования математического аппарата, методов и средств, которые на различных этапах жизненного цикла технических и малых эргатических систем легкой промышленности являлись бы базовыми и едиными для достижения и оценки качества их функционирования по сравнению с заданным качеством (критериями) аналога Идея подобия функционирования систем является идеей новой Назвать какие-либо исследования в этом направлении не представляется возможным
Целью работы является разработка научно-методических основ по созданию и отработке методологии и моделей подобия функционирования технических и малых эргатических систем легкой промышленности для поддержки их жизненного цикла в аспекте CALS-технологий
Объект исследования
Объектом исследования являются технические и комплексные системы, включающие технические подсистемы и связанные с ними подсистемы «человек», «одежда», «среда», «технология», применяемые в легкой промышленности
Предмет исследования
Предметом исследования являются универсальные математические модели, методы и средства, основанные на новой теоретической базе - методе подобия функционирования - и предназначенные для исследования и принятия инженерных решений в процессе жизненного цикла технических и комплексных систем в легкой промышленности
Задачи исследования.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи
-в теоретическом плане:
формулирование концепции нового вида подобия подобия функционирования и концепция нового вида моделирования моделирования подобия функционирования систем,
выполнение критического анализа известных теоретических аналогий исследуемой проблемы,
формулирование и обоснование теоретических положений нового метода исследования систем - метода подобия функционирования технических систем, для чего
формулирование и обоснование условий подобия функционирования элементарных подсистем разного функционального назначения и разной физи-
ческой сущности (однородных, неоднородных, с постоянными и переменными целями, с переменным масштабом и вектором выходных характеристик);
формулирование и обоснование условий подобия функционирования систем с последовательным, параллельным, комбинированным объединением элементарных подсистем, систем с обратными связями;
формулирование, обоснование и исследование теоретических положений нового метода моделирования систем: моделирования подобия функционирования систем;
разработка теоретических положений методологии моделирования подобия функционирования технических систем при их проектировании, контроле технического состояния, сохранении качества функционирования при модернизации, при решении вопросов взаимозаменяемости;
разработка теоретических положений методологии моделирования подобия функционирования малых эргатических систем типа «техника - технология - продукция», «человек - машина - среда», «человек - одежда - среда»;
-в прикладном плане:
разработка алгоритмов и программ формирования критериев подобия функционирования систем и моделирования подобия функционирования технических систем на различных этапах их жизненного цикла;
исследование вопросов применения метода подобия функционирования при проектировании, модернизации, взаимозаменяемости, управлении техническим состоянием технических систем, при системной поддержке их жизненного цикла в аспекте CALS -технологий.
апробация полученных моделей подобия функционирования технических систем на реальных технических подсистемах и системах прессового и литьевого оборудования легкой промышленности на различных этапах его жизненного цикла, в том числе в производственных условиях;
разработка и апробация частных и обобщенных (проектных, эксплуатационных, исследовательских) моделей подобия функционирования системы «человек - одежда - среда»;
Новые научные положения, защищаемые в диссертации и разработанные лично соискателем:
-
Подобие функционирования как новый вид подобия, позволяющий исследовать техническую систему относительно заданного количественно критерия качества ее функционирования;
-
Метод подобия функционирования систем как новый метод их исследования, основанный на принципах соответствия действительного состояния функционирования систем заданному состоянию функционирования этой же или иной, принятой за аналог, системы;
-
Основные положения теории подобия функционирования технических систем:
3.1 теоретическое представление теоремы о подобии функционирования технических систем;
3.2. Теоретические положения по созданию и отработке частных и обобщенных моделей подобия функционирования технических и малых эргати-
ческих систем одного и того же их класса и целевого назначения на разных этапах их жизненного цикла,
4 Основы методологии исследования и реализации подобия функционирования машин и оборудования легкой промышленности (например, вырубоч-ных, гладильных прессов, машин и агрегатов для литья, формования и приклеивания под давлением деталей при сборке изделий)
Значение диссертационной работы
Научная новизна работы состоит в следующем
-
Впервые сформулирован и теоретически обоснован новый вид подобия - подобие функционирования систем,
-
Впервые сформулирован и теоретически обоснован новый метод исследования технических и малых эргатических систем - метод подобия функ-ционированиясистем,
-
Впервые теоретически установлены научно-методические принципы создания и отработки моделей подобия функционирования технических и малых эр готических систем,
-
Создана теоретическая база методологии поддержки жизненного цикла объектов техники и технологии легкой промышленности, основанной на использовании единых для определенного класса систем моделях подобия качества функционирования аналогов в условиях нестационарности количественных соотношений между их параметрами
Научное значение работы заключается в следующем
1 Дальнейшееразвитие получила классическая теория подобия, так как
а) установлено и теоретически обосновано ее новое направление - подо
бие функционирования технических систем,
2 Расширены возможности теории моделей за счет реализации в моде
лях признака «подобие цели при неподобии (аналогии) системы» посредством
создания и отработки моделей подобия функционирования систем,
3 Разработан метод количественной оценки таких традиционных каче
ственно оцениваемых эксплуатационных процедур, как модернизация и взаи
мозаменяемость элементов оборудования,
4 Создана теоретическая база методологии подобия функционирования
систем, которая позволяет формировать аналитический аппарат для принятия
решений по оценке, достижению и сохранению качества функционирования
технических и малых эргатических систем на различных этапах их жизненного
цикла
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций по диссертационной работе подтверждаются применением комплекса современных апробированных методов исследований, а также достаточным объемом и сходимостью результатов экспериментальных исследований В частности, в работе использованы научные положения метода анализа и обобщения публикаций по исследуемой проблеме, теорий подобия и размерностей, обобщенного анализа, моделирования, принятия решений, квалиметрии, функциональной взаимозаменяемости, системного подхода, метода планирования эксперимента, регрессионного анализа
Практическое значение работы заключается в том, что ее выводы и
результаты позволяют на основе принятого или рассчитанного аналога качества функционирования технических систем легкой промышленности принимать инженерные и управленческие решения по способам и средствам достижения, оценки, сохранения или изменения качества функционирования реальных технических систем на конкретных этапах их жизненного цикла Основные положения методологии подобия функционирования технических систем могут быть использованы как проектными, научно-исследовательскими организациями, так и при технической эксплуатации машин и оборудования для поддержки их жизненного цикла, а также при подготовке специалистов различного уровня для предприятий легкой промышленности
Реализация работы
Под руководством автора диссертации выполнены госбюджетные и хоздоговорные научно-исследовательские работы, например «Разработка и внедрение методов и средств по обслуживанию и ремонту обувного импортного оборудования с учетом его технического состояния» (№ ГР 0187 0032213), «Исследование научных проблем функциональной взаимозависимости технических объектов» (№ ГР 0191 0014630), «Разработка техпроцессов и рекомендаций по восстановлению работоспособности деталей, использованию оснастки сборке и обкатке обувного оборудования» (№ ГР 0187 0032213) Большая работа под руководством автора диссертации выполнена также в соответствии с тематическим планом НИР (ЕЗН) Министерства образования Российской Федерации на 2003 год по теме «Теоретические основы моделирования качества и создания критериев подобия функционирования транспортных средств в аспекте CAES-технологий
Методология и модели подобия функционирования технических и малых эргатических систем использованы в легкой и ряде других отраслей промышленности и областей знания
1 Система синхронизации траверсы гидравлического пресса Патент РФ
по заявке № 5037799 Позволяет уменьшить перекос концов траверс двухстоеч-
ных вырубочных прессов типа ПВГ 18-1600 до значений, не превышающих
технологически допустимое значение, равное 0 8 мм Внедрено на обувных
предприятиях АО «Дончанка», АООО «Мадлена»
-
Способ контроля технического состояния гидропривода А с № 1800110, Россия Позволяет осуществлять безразборную диагностику технического состояния элементов гидропривода прессового оборудования в условиях ремонтно-механических цехов промышленных предприятий и в испытательных лабораториях Внедрено на обувных предприятиях АО «Дончанка», АООО «Мадлена»
-
Стенд для испытания элементов гидропривода Патент РФ № 2011038 Позволяет выполнять испытание элементов гидропривода общепромышленного назначения с целью определения действительных значений износа и других параметров состояния деталей и сборочных единиц без разборки испытываемых элементов Внедрение на обувных предприятиях АО «Дончанка», АООО «Мадлена»
-
Способ определения параметров компрессионной холодильной машины Патент РФ № 2168681 Позволяет выполнять безразборную диагностику состояния и исследования холодильных машин по их входным, структурным и выходным параметрам (зазоры в цилиндро-поршневых группах компрессоров, холодопроизводительность и др ) Внедрено на АО «Росбытсервис», г Ростов-на-Дону
-
Способ конфекционирования материалов швейных изделий Положительное решение РОСПАТЕНТА по заявке № 2000131360М2(03 3066) Позволяет определить необходимые теплофизические и размерные параметры материалов при их подборе или проектировании для конкретной системы «человек -одежда - среда» по заданным условиям аналога, в том числе комфортности Внедрено на предприятиях легкой промышленности, в том числе на ООО «Ав-тогарант» Краснодарского края
-
Рекомендации по взаимозаменяемости импортных и отечественных элементов гидропривода Позволяют решать проблему взаимозаменяемости, например, насосов гидропривода, по критериям функционирования, в том числе по нагрузочным и иным характеристикам Внедрено на обувных предприятиях АО «Дончанка», АООО «Мадлена»
-
Модели, алгоритмы, программы по исследованию технологического оборудования легкой промышленности, холодильной техники использованы при подготовке трех кандидатских диссертаций по специальности 05 02 13, 05 19 04, двух учебно-методических пособий для студентов специальностей 23 03 00, 23 04 00
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены, обсуждены и получили одобрение на конференциях и симпозиумах
Научно-технические конференции ( 1988-2004 г г) Московского государственного университета сервиса, Санкт-Петербургского института холода, Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса, Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) и др ,
XlX-ый международный симпозиум по автоматизации и роботизации -г Вашингтон, 23 сентября 2002г (19th International Symposium on Automation and Robotics in Construction - Washington, 2002),
Международная научно-техническая конференция «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности» (Беларусь, г Витебск, ВГТУ,22-23 ноября 2000г),
Международная научно-техническая конференция «Физико-
химические принципы создания новейших технологий в текстильной и легкой промышленности» (Украина, г Хмельницкий, Технологический университет Подолья, 1996г),
- Международная научно-техническая конференция «Сервис большого го
рода» (Уфа, Уфимский технологический институт, 1999 г)
- Международная научно-практическая конференция «Моделирование
Теория, методы и средства» (г Новочеркасск, 11 апреля 2001 г), Международ
ные 3-я, 4-я и 5-я науч -технич конф «Новые технологии управления движе
нием технических объектов» (г Новочеркасск, 2000, 2001, 2002 гг),
По теме диссертации под руководством ее автора защищены две кандидатских диссертации (по специальностям 05.02.13 и 05.19.04), в стадии завершения одна диссертация (по специальности 05.02.13).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 64 статьи и две монографии, 25 статей в центральной печати. Получено 4 патента, два положительных решения по заявкам на признание изобретений. Издано два учебных пособия с грифом УМО. Третья монография депонирована.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав с выводами, общими выводами по работе, списка использованных источников и приложения. Ее содержание изложено на 350 страницах, содержит 33 рисунка и 9 таблиц. Список использованных источников включает 186 наименований. Приложение включают 13 таблиц, акты внедрения результатов работы, алгоритмы и программы формирования критериев подобия функционирования и моделирования подобия функционирования систем на различных этапах их жизненного цикла, таблицы и осциллограммы по результатам экспериментов.
