СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПК

Компрессорные машины являются наиболее сложными для моделирования элементами:

- это высоконагруженные силовые установки, преобразующие механическую энергию в энергию газа и обратно,

- это наличие различных устройств автоматического регулирования,

- это комплекс элементов, находящихся в сложном взаимодействии друг с другом и с другими элементами привода.

Круг расчетов, выполняемых с помощью моделей компрессоров, охватывает самые разные характеристики: статические, динамические, энергетические, прочностные, акустические, термодинамические, характеристики надежности, трибологические, гидро-аэро динамические и др.

Формализацию процесса проектирования ПК желательно проводить с использованием CASE-технологии. Модель процесса разработки ПК в обычном НИИ или КБ по проектированию ПК построенная по методологии SADT [1], позволяет достаточно точно описать, что входит в область рассмотрения, и указать, что лежит за ее пределами. Важным исходным фактором является цель моделирования и позиция, с которой наблюдается моделируемый процесс и создается его модель.

Точность модели зависит от правильности выбора поставленной цели, т.к. четко и кратко сформулированная цель становится критерием окончания моделирования. В общем случае цель моделирования – это конкретное назначение модели, вытекающее из ее формального определения, и дающее полное, точное и адекватное описание моделируемой системы, для получения ответов на некоторую совокупность вопросов, возникших при проведении анализа. Список составленных вопросов сохраняется как детализация цели модели, и только получив полные хорошие ответы на поставленные вопросы, можно считать, что процесс моделирования завершен (т.е. модель полностью соответствует поставленной цели). Т.о. цель моделирования ПК формулируется в одной фразе: определение структурного строения ПК и выявление информационных связей между конструктивными, технологическими и функциональными элементами ПК для автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП).

Точка зрения – это одна и та же (по времени) позиция, с учетом которой создается модель и с которой наблюдается система в целом. Согласно требованиям методологии IDEF0 точка зрения должна соответствовать цели моделирования, что позволяет обеспечить высокое качество описания системы, однозначно выделить одни аспекты системы и игнорировать другие. Только с такой фиксированной точки зрения создается адекватное описание системы, таким образом, чтобы разрабатываемая модель не имела в себе несвязанных описаний. Кроме того, выбор одной точки зрения. Правильно выбранная точка зрения диктует автору модели выбор нужной информации о субъекте и формирование ее подачи, обеспечивает согласованность терминологии - выделение определенных аспектов системы и применение определенной терминологии (без правильно расставленных акцентов и терминологии согласованное изложение практически невозможно). Поэтому, для сформулированной выше цели точка зрения выбрана для создания согласованного описание процесса, т.е. наиболее адекватной является точка зрения руководителя структурного подразделения, в котором реализуется процесс проектирования (системного интегратора) - главного конструктора проекта (ГКП). Только с позиции ГКП можно увидеть все виды функций, выполняемых в процессе проектирования, кроме того, именно с его точки зрения можно проследить взаимосвязи обязанностей различных работников. Точка зрения ГКП позволяет создателю модели определить роль каждого работника в процессе КТПП ПК и описать координацию обязанностей участников проекта.

На рисунке 1 приведены исходные данные для формулирования точки зрения и цели моделирования САПР ПК.

Потребность в компрессорах возникает в тех случаях, когда необходим газ (воздух), имеющий повышенное давление, т.е. потребность заключается в передаче газу механической энергии, что приводит к изменению давления за счет: изменения объема (объемные компрессоры), скорости (динамические компрессоры) или температуры (тепловые компрессоры). Данный доклад посвящен системному анализу поршневых компрессоров, как одного из подвида объемных компрессоров, процесс сжатия в которых происходит периодически из-за того, что изменение объема рабочей полости осуществляется поршнем. Преобразование вращательного движения вала приводного двигателя в возвратно-поступательное прямолинейное движение поршня осуществляется кривошипно-шатунным, кулисным или кулачковым механизмом.

Поршневой компрессор функционирует совместно с техническими системами компрессорной станции: технологическими устройствами, технико-экономические параметры которых определяют параметры ПК; двигателем, передающим механическую энергию на коленчатый вал ПК; системы подготовки газа; система охлаждения газа и рабочих органов; система межступенчатых коммуникаций; система нагнетательных трубопроводов и др.

До настоящего времени проектирование ПК производилось по методологии, основанной на принципе независимости, согласно которой выделялись самые важные, наиболее сильно влияющие на производительность и мощность факторы. Затем учитывалось влияние каждого из этих основных факторов по отдельности на рабочие характеристики ПК, полагая, что другие факторы не связаны с исследуемым. При изучении влияния какого-либо фактора на мощность (работу) или производительность предполагалось, что влияние других факторов отсутствует вообще. При расчете производительности и мощности компрессора учитывались суммарное влияние основных факторов на эти характеристики. [2]

Системный подход к моделированию реального процесса требует, чтобы исследование или разработка любой сложной системы начинались с функционального анализа и моделирования как системы в целом, так и всех ее подсистем. Разработанная для этой цели методология IDEF0, представляет собой совокупность методов, правил и процедур, предназначенных для построения функциональной структуры сложных иерархических систем. Эта методология используется для определения требований и функций, как на начальных этапах проектирования, так и на этапах рабочего проектирования систем, специфицированных с помощью IDEF0. Методология IDEF0 позволяет повысить производительность и уменьшить вероятность появления ошибок при анализе моделируемой системы за счет концепций, положенных в ее основу:

- графического представления модели – это иерархия блок-схем, обеспечивающих компактность информации;

- максимальной коммуникативности – это доступность для понимания широким кругом специалистов;

- строгости и точности — это условия получения высокого качества модели;

- пошагового движения – это эффективный процесс разработки модели, ее просмотра и слияния;

- отделения структуры от функции - это исключение влияния организационной структуры объекта моделирования на его функциональную модель.

Основной принцип функционального моделирования систем, состоит в их пошаговой нисходящей декомпозиции до уровня, обеспечивающий реализацию сформулированной цели моделирования. Каждый шаг декомпозиции соответствует некоторому уровню абстрактности представления системы.

На рис. 2 представлена в виде «черного ящика» функциональная модель компрессора, которая представляет собой технологический процесс, для реализации которого создается компрессор. Наименование блока - описание потребности, вход и выход — описания входного и выходного потоков реализуемой физической операции. Механизмом реализации технологического процесса получения сжатого газа является ПК, подлежащий проектированию.

Разработка функциональной схемы ПК сводится к декомпозиции методами стандарта IDEFO контекстного блока - блока «нулевого» уровня, содержащего функциональную модель ПК. Функциональная декомпозиция содержит детализацию технологического процесса. В этом процессе подготовительные операции заключаются в заборе газа и изменении его объема. Основные операции — это передача механической энергии и соединение с ней газа. Окончание — изменение энергии газа, т.е. - давления. Результаты декомпозиции представлены на рисунке 3.

Каждая операция, осуществляемая над газом, имеет свой механизм реализации, представляющий собой подсистему компрессора, причем на каждом уровне функциональной декомпозиции имеется свой механизм реализации. Такими подсистемами могут быть стандартные, унифицированные, покупные детали и узлы, оригинальные детали и сборочные единицы, подлежащие проектированию (рисунок 4).

Результат структурно-функциональной декомпозиции (фрагмент модели) представлен на рисунке 5.

Для структурного синтеза ПК применяется полученный в результате функционального анализа однонаправленный граф метасистемы, содержащий, желательно, все возможные варианты построения структурной схемы ПК. Основу для этого графа составляет дерево механизмов реализации функциональных блоков, полученное в результате декомпозиции по методологии IDEFO.

Как видно из рисунка 6, корнем этого дерева является наименование изделия, а ветвями первого уровня — наименования основных функциональных узлов. При необходимости дальнейшей декомпозиции могут быть получены ветви последующих уровней. Поскольку для работы изделия необходимо наличие всех его функциональных узлов, то упомянутое дерево представляет собой подграф И/ИЛИ графа, состоящий из вершин типа И.

Технические решения функциональных узлов, как правило, имеют альтернативы, приводящие к возникновению вершин типа ИЛИ. Помимо иерархических связей, налагаемых концептуальным графом, объекты имеют связи наследования атрибутов, позволяющие им обмениваться информацией. Этот обмен направлен преимущественно сверху вниз по иерархии, хотя часто возникают и другие связи. Свойства объектов делятся на входные и выходные. Входные либо задаются человеком, либо наследуются. Выходные свойства генерируются методом объекта.

Параметрический синтез объектов имеет своей целью присвоение значений выходным описательным атрибутам, а структурный — выходным вспомогательным.

Водометный движитель как объект в качестве входных свойств имеет значения параметров формализованного технического задания на проектирование. Сюда входят характеристики смежных технических систем: катера (масса, длина, ширина, осадка, водоизмещение и т.д.) и двигателя (мощность, частота вращения и т.д.). Помимо того задаются свойства окружающей среды(воды, воздуха) и некоторые другие параметры, необходимые для инженерных расчетов.

Выходными описательными атрибутами являются основные размеры движителя: входной и выходной диаметры водовода, диаметр рабочего колеса и др. Выходные вспомогательные атрибуты должны определить выбор варианта для каждого из основных узлов движителя. Например, выбор типа узла соединения энергии с рабочим телом зависит от коэффициента быстроходности насоса: при значениях коэффициента, меньших 500, необходимо использовать двухступенчатый узел, а в остальных случаях — достаточен одноступенчатый. На рис. 7 приведены примеры модулей инженерных знаний, используемых для формирования методов объектов. Первый модуль рассчитывает коэффициент быстроходности насоса при условии, что известны положительные значения частоты вращения колеса, расхода жидкости и напора насоса.

Второй модуль обеспечивает элемент структурного синтеза — выбор типа узла. Задачи структурного и параметрического синтеза компьютер решает автоматически с помощью решателя, осуществляющего логический вывод в базе знаний продукционного типа.

В ряде случаев функциональный анализ ТО с помощью диаграмм IDEF0 может быть затруднителен или неудобен. Это относится к объектам, выполняющим технический процесс, который трудно формализовать в виде преобразования входного потока в выходной. К числу таких ТО относятся строительные конструкции, мебель и т.п.

Если состав функций технических объектов может изменяться в широком диапазоне, то для каждого набора таких функций требуется отдельная IDEF0-диаграмма.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004