Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной апаратуры

составляющих  (см.  п.  2.3)  обуславливает возможность достижения

требуемых значений параметров ВКА за счет изменения свойств ее ФМ,

приводящего к изменению структуры ВКА, и определяет проектную цель

в виде:

                                                          (2.16)

     Очевидно, что  для  достижения  необходимых  значений   соот-

ветствующих  параметров  свойств  ВКА - целей,  необходимо выявить

связанные с ними ФМ ВКА и параметры их свойств,  которые,  в  свою

очередь, становятся целями (подцелями) и требуют выявления связан-

ных с ними параметров подсистем нижнего уровня.  Выявленная иерар-

хия образует дерево целей проектирования,  для построения которого

используются таблицы связей параметров свойств.

     Следует отметить, что зачастую достижение общей цели проекти-

рования ВКА требует рассмотрения примитивных целей - изменения па-

раметров элементарных свойств деталей,  вызывая необходимость чле-

нения ВКА до соответствующего уровня.

     Сложность взаимосвязей свойств ВКА и свойств ее ФМ затрудняет

построение обобщенного дерева целей, поэтому его целеообразно фор-

мировать для конкретной ситуации.

     Исходя из вышесказанного,  в качестве объекта  проектирования

принята наиболее сложная и наименее проработанная группа устройств

- сверхвысоковакуумная цельнометаллическая ВКА.  Анализ  патентных

источников класса    ,  отражающих случаи конкретного проектирова-

ния ВКА, позволил выделить основные компоненты множества    :    -

"уменьшить (понизить)";    - "увеличить (повысить)";    - "обеспе-

чить (расширить)";    - "исключить".

     Выберем цель   проектирования:    -  "уменьшить  потребляемую

                              - 68 -

мощность" и на основе анализа  таблиц  связей  параметров  свойств

(таблицы 2.3 - 2.7) построим дерево целей,  представленное на рис.

2.8,  где    - свойства ВКА в целом;   ,   = 1,6 - свойства  соот-

ветствующих ФМ ВКА;     ,    = 1,5 - структуры ФМ ВКА.

     Построенное дерево целей позволяет выявить  существенные  от-

носительно поставленной цели    параметры,  являющиеся ее подцеля-

ми:           .  При этом путь  на  дереве  до  выбранной  подцели

условно можно считать задачей проектирования.

     Реализация подцелей приводит к возникновению  вспомогательных

функций    .  Причем вспомогательных функций может быть несколько,

выполняемых совместно или в определенной последовательности.  Цель

может  порождать  и несколько альтернативных вспомогательных функ-

ций,  каждая из которых, в свою очередь, может быть исполнена раз-

личными  способами действий.  Проанализируем одну из подцелей рис.

2.8:  "уменьшить предел текучести материала  уплотнителя".  Данная

цель  может  принципиально быть реализована двумя путями:  заменой

материала или поиском уменьшения    имеющегося материала. Рассмот-

рим второй путь.  Изучив физическую природу текучести, можно выде-

лить причины, от которых она зависит: температура материала, нали-

чие  дислокаций  в материале и оксидной пленки на его поверхности,

определяющие соответственные вспомогательные функции:    - "нагре-

вать уплотнительную пару",    - "перемещать дислокации в материале

уплотнителя",      - "удалить оксидную пленку с поверхности уплот-

нителя".

     Реализация функций может осуществляться традиционными  путями

либо с использованием известных физико-технических эффектов.

     Появление вспомогательных функций, которым могут быть постав-

лены  в  соответствие  определенные  ФМ,  приводит  к изменениям в

структуре  ВКА,   например,   появлению   ФМ   -   нагреватель   -

(          ).  Таким образом,  отношения между подцелью и головной

                              - 70 -

целью рождают множество функций,  способствующих ее реализации,  и

позволяя  сформировать уточненную    ,  являются основой получения

требуемого проектного решения в виде структуры ВКА,  удовлетворяю-

щей ТЗ.

     2.5. Уравнение функционирования и критерии оптимальности

          ВКА.

     2.5.1. Уравнение функционирования.

     Важным аспектом системного описания  процесса  проектирования

ВКА  является уравнение ее функционирования (компонент     выраже-

ния (2.2)), связывающее входные и выходные параметры действий (фа-

зовые переменные) и внутренние параметры ВКА.

     В связи  с  тем,  что  ВКА  принадлежит  классу  механических

систем, для вывода уравнения функционирования использовано уравне-

ние Лагранжа 2 рода [122]:

                                                          (2.17)

где     - кинетическая энергия системы;     - число обобщенных ко-

ординат (совпадает с числом степеней свободы);       -  обобщенные

координаты;    - обобщенные силы.

     Данное выражение,  преобразованное для ВКА  с  электромехани-

ческим приводом [123, 124] в общем случае имеет вид:

                                                          (2.18)

где         - угол поворота вала электродвигателя;      -  функция

положения ВКА;    ,    - коэффициенты полезного действия механизма

перемещения и герметизации уплотнительного диска и редуктора  (ме-

ханизма   преобразования   движения);    -  масса  уплотнительного

                              - 71 -

диска;    - передаточное отношение редуктора;    -  приведенный  к

валу  электродвигателя  момент инерции ВКА;      - движущий момент

электродвигателя;      - приведенный к валу двигателя момент  соп-

ротивления ВКА.

     Уравнение (2.18) является уравнением движения ВКА и представ-

ляет собой компонентное нелинейное дифференциальное уравнение вто-

рого порядка, которое было решено на ЭВМ. Здесь - фазовые перемен-

ные    ,    ,    ;  внутренние параметры    ,   ,   . При этом ре-

шение данного уравнения позволяет найти зависимость такого функци-

онального  параметра  ВКА  как время срабатывания от параметров ФМ

ВКА (    ,   ,   ,   ,   ),  т.е. уравнение (2.18) связывает между

собой  параметры  свойств верхнего и нижнего иерархических уровней

ВКА, что позволяет считать его своего рода уравнением проектирова-

ния.

     2.5.2. Критерии оптимальности ВКА.

     Предлагаются следующие критерии качества ВКА, характеризующие

оптимальность ВКА и ее структурных составляющих (компонент в выра-

жении (2.2)).

     С учетом того,  что ВКА в целом и ее ФМ характеризуются боль-

шим числом параметрически описанных локальных критериев, в качест-

ве количественной оценки оптимальности ВКА (или ФМ) принята  функ-

ция  ее  евклидова расстояния до гипотетической идеальной модели в

пространстве взвешенных локальных критериев [125].

                                                          (2.19)

где    - коэффициент весомости   -го параметра качества;    - нор-

мированное значение  критерия    рассматриваемого    -го  варианта

конструкции;    -   нормированное  значение  критерия    идеальной

                              - 72 -

конструкции.

     Нормирование локальных критериев качества с целью перевода их

в безразмерные величины одного масштаба, проводится с учетом допу-

щения,  что характер распределения вариационного ряда значений лю-

бого параметра ВКА близок к равномерному распределению.  В связи с

этим:

                                                          (2.20)

где    -   значение    -го   критерия   рассматриваемого  варианта

конструкций,    - среднее значение   -го критерия;    - его  сред-

неквадратичное отклонение на множестве вариантов.

     Формирование коэффициентов весомости параметров проводится  с

использованием  экспертного  метода парных сравнений [126].  В ка-

честве  идеальной  модели  может   быть   выбрана   гипотетическая

конструкция,  имеющая либо лучшие значения параметров из числа су-

ществующих,  либо теоретически предельно достижимые значения пара-

метров.

     Лучшей будет конструкция с меньшим критерием   .

     Для оценки ВКА с позиций кинематических свойств ее механизмов

предлагается интегральный критерий качества   ,  минимизация кото-

рого при оптимизации механизмов ВКА дает наилучшее  приближение  к

их теоретической функции положения и ведет к улучшению таких дина-

мических характеристик,  как перегрузки и скорость приложения уси-

лия в уплотнительной паре,  коэффициент полезного действия,  время

срабатывания, мощность привода [127].

     Для ВКА с механизмами совмещенной структуры:

                                                          (2.21)

где    - функция  положения  механизма ВКА;    - угол поворота или

ход ведущего звена ВКА.

     Для ВКА с механизмами переменной структуры:

                              - 73 -

                                                          (2.22)

где       ,       ,   ,    - соответственно: функции положения ме-

ханизма ВКА и углы поворота или ход при открывании  (перекрывании)

и герметизации проходного отверстия.

     Критерий    дает количественную оценку качества воспроизведе-

ния закона движения,  характерного для механизмов ВКА,  и пригоден

как для оптимизации конкретного механизма на этапе  его  конструк-

тивной проработки,  так и для оценки различных кинематических схем

на этапе структурного синтеза.

     Исследование уравнения функционирования и вывод критериев оп-

тимальности ВКА подробно рассмотрены в главе 3.

     Выводы.

     1. На основе системного подхода к анализу ВКА с позиций реша-

емых задач разработаны инвариантные относительно введенных уровней

членения  системная  модель  ВКА  как  объекта  конструирования  и

системная  модель процесса проектирования ВКА,  являющиеся основой

создания методики  функционально-схемотехнического  проектирования

ВКА. Сформулированы основные понятия, предложены правила раскрытия

системных характеристик ВКА и произведена их конкретизация.

     2. Сформировано  множество базовых функций ВКА и отмечена не-

обходимость функционального анализа для эволюции ВКА.  Рассмотрена

взаимосвязь функции и структуры ВКА, определено множество структур

ВКА,  необходимое и достаточное для отображения процесса  функцио-

нального и схемотехнического проектирования.

     3. Исследованы взаимосвязи ВКА и ее структурных  составляющих

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12