Методология и модели подобия функционирования технических систем в легкой промышленности

Одним из современных направлений развития науки и техники являетсяразработка методологий системной поддержки жизненного цикла объектов техники и технологии. Отмеченная проблема прямо или косвенно отражена в ряде правительственных документов, касающихся государственной политикиРоссии в области науки. К таким документамотносятся: «Приоритетные направления развития: науки, технологий и техникиРоссийскойФедерации», «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-, CAE-технологии). Решение указаннойпроблемы связано с созданиеми применением соответствующих методов и средств, — в том числе базирующихся на обобщенных моделях функционирования технических систем.

Потенциал же современных научных направлений, в основном, позволяет использование, в зависимости-от поставленной задачи, лишь частных, соответствующих целям исследования, моделей. Каждая изг этих моделей имеет своидопущения, критерии оценки качества, а, следовательно, в различной степенипозволяет отображать или воспроизводить в условиях однозначности систем-оригиналовобъективные закономерности функционирования систем-аналогов-(в качестве последней может служить сама исследуемая система). Это относится, например, к. таким научным направлениям, как теория: подобия (работы Кирпичева MiB, Гухмана А. А., Веникова В. А., Венико-ва Г. В., Северцева Н. А., Седова Л. И. и др.), обобщенный анализ (работы Гухмана А. А., Зайцева А.А.), CALS-технологии (работы научных сотрудников АНО НИЦ CALS-технологий «Прикладная логистика» и зарубежных авторов), синергетики (работы Берже П., Помо И., В и даль Р., Колесникова.

А.А.), функциональной взаимозаменяемости (Якушева Л.И., Никифорова Л.Д.).

Анализ содержания основных положений теорий подобия, обобщенного анализа, синергетики, функциональной взаимозаменяемости, моделирования! показывает, что предлагаемые ими методы исследования ориентированы все же на решение частных задач частными моделямиа не комплекса задач посредством использования единых для определенного класса технических систем и различных этапов itx жизненного цикла моделей качества функционирования.

Таким образом, имеет место проблема исключения имеющегося в науке и технике многообразия одноцелевых моделей при исследовании функционирования-технических и машх эргатических систем на различных этапах их жизненного цикла, выделения и объединения того общего, что присуще всем моделям систем определенного класса и назначения^.

Очевидно, что эта проблема относится к оборудованию разных отраслей промышленности, строительства и транспорта, особенно в условиях развивающейсяглобализации в области наукии техники, расширяющегося* международного обмена их продукцией. В: полной мере эта проблема относится к отечественным и импортным машинам и: оборудованию легкой промышленности (вырубочным прессам, машинам s для литья под давлением, транспортным устройствам с демпфирующими механизмами, гидроприводу и установкам для диагностики его технического состоянияустройствам * дляобработки 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 является актуальной задачей.

Естественно, что для системной поддержки жизненного цикла этих объектов должны использоваться-обобщенные, ориентированные на заданное качество фунщионирования модели. Эти модели должны являться научно-практической базой, но мониторингу, достижению, (уценке, и сохранению jmoco, заданного, качества функционирования. Л 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.

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 эргатиче-ских 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 н е представл яется возм ожным.

Целью работы является разработка научно-методических основ по созданию и отработке методологии и м о дел ейподобия функционирования технических и малых эргатических систем легкой промышленности для поддержки их жизненного цикла в аспекте CALS-технологий.

Объектом исследования являются технические системы и системы, включающие подсистему «человек», применяемые в легкой промышленности.

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 малых эргатических систем в легкой промышленности:

Для достижения поставленной целив работе решаются следующие задачи.

В теоретическом плане:

— формулирование концепции нового вида подобия: подобая 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 физической сущности (однородных, неоднородных, с постоянными и переменными целями, с переменным масштабом и вектором выходных характеристик);

— формулирован ие и обоснован ие условий подобия функцион ирования 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 методологии моделирования подобия функционирования технических систем при их проектировании, контроле технического состояния, сохранении качества функционирования при модернизации, при решении вопросов взаимозаменяемости;

— разработка методологии моделирования подобия функционирования малых эргатических систем-типа «техника — технология — продукция», «человек — машина — среда», «чел о век — одежда — среда»;

В прикладном плане:

— разработка алгоритмов и программ формирования критериев и моделирования подобия* функционирования технических систем наразличных этап ах их жизненного цикла;

— исследование вопросов применения метода подобия функционирования при? проектировании, модернизации, взаимозаменяемостиуправлении техническим состояниемтехнических систем, при системной поддержке их жизненного цикла в аспекте GALSтехнологий.

— апробация полученных моделей подобия функционированиягтехниче-ских 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) моделейподобияфункционирования системы «человек —одежда — среда»;

В диссертации автором выдвинуты такие новые научные положения: 1. Подобие функционирования, как новый вид* подобияпозволяющий исследовать, техническую систему относительно заданного количественно критерия качества ее функционирования;

1. Метод подобия функционирования системкак новый метод их исследования, основанный на принципах соответствия действительного состояния функционирования систем заданному состоянию функционирования этой же или иной, принятой за аналог, системы;

У.Основные положения теории подобия функционирования технических систем:

3 Л. 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 эргатических 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, вырубочных, гладильных прессов, машин и агрегатов для литья, формования и приклеивания под давлением деталей при сборке изделий).

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.

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 0187.32 213), «Исследование научных проблем функциональной взаимозависимости технических объектов» (№ ГР 0191.14 630), «Разработка техпроцессов и рекомендаций по восстановлению работоспособности деталей, использованию оснастки сборке и обкатке обувного оборудования» (№ ГР 0187.32 213). 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 CALS-технологий.

Методология и модели подобия функционирования технических и малых эргатических систем использованы в легкой и ряде других отраслей пром ышленности и областей знан и я.

1. Система синхронизации траверсы гидравлического пресса. Патент РФ по заявке № 5 037 799. Позволяет уменьшить перекос концов траверс двухстоечных вырубочных прессов, типа Г1ВГ 18−1600 до значений, не превышающих технологически допустимое значение, равное 0.8 мм. Внедрено на АО «Дончанка», АООО «Мадлена».

2. Способ контроля технического состояния гидропривода. А.с. № 1 800 110, Россия. Позволяет осуществлять безразборную диагностику технического состояния элементов гидропривода прессового оборудования в условиях ремонтно-механических цехов промышленных предприятий и в испытательных лабораториях. Внедрено на АО «Дончанка», АООО «Мадлена».

3. Стенд для испытания элементов гидропривода. Патент РФ № 2 011 038. 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 АО «Дончанка», АООО «Мадлена».

4. Способ определения параметров компрессионной холодильной машины. Патент РФ № 2 168 681. 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.

5. Способ конфекционирования материалов швейных изделий. Положительное решение РОСПАТЕНТА по заявке № 20 001 313 6012(33 066). 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 частности на ООО «Автогарант» при изготовлении одежды для МЧС.

6. Рекомендации по взаимозаменяемости элементов гидропривода импортного и отечественного производства. Позволяют решать проблему взаимозаменяемости, например насосов гидропривода, по критериям функционирования, в том числе по нагрузочным и иным характеристикам. Внедрено на АО «Дончанка», «Мадлена».

7. Модели, алгоритмы, программы по исследованию технологического оборудованиялегкой 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.

ОБЩИН РЕЗУЛЬТАТЫ-И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Анализ современных научных тенденций и практических задач по совершенствованию производства и эксплуатации технических систем в легкой промышленности показал на актуальность разработки и внедрения в практику новых методологий системного управления жизненным циклом этих систем, в частности, методологии CALS-технологий. Этому способствует также сложившийся между предприятиями легкой промышленности России и зарубежными фирмами интенсивный обмен техническими изделиями и технологиями.

2. Сформулированы основные признаки концепции подобия-функционирования технических систем как нового вида подобия и нового метода исследования систем, главным из которых является признак: «подобие целевой функции при неподобии (аналогии) системы».

3: Разработаны теоретические положения методологии подобия функционирования технических систем, в том числе:

— о подобии функционирования элементарных технических однородных и неоднородных подсистем одного функционального назначения, подсистем с переменным и постоянным масштабом и вектором действия, обратимых, автономных и действующих в составе системы;

— о подобии функционирования технических систем с последовательным, параллельным и комбинированным объединением элементарных подсистем;

— о необходимых условиях подобия функционирования и о моделях подобия функционирования технических систем;

— о стохастическом подобии функционирования подсистем и о подобии функционирования подсистем с обратными связями;

— о функциях чувствительности подобия функционирования систем.

3. Разработаны принципы, алгоритмы и программы по созданию и отработке моделей подобия функционирования систем на этапах их проектирования, управления техническим состоянием в процессе технической эксплуатации, модернизаци и, и сел едован и я взаи мозаменяемосги-:

4. Получены частные и обобщенные критериальные выражения-индикаторы подобия функционирования для элементарных подсистем гидропривода (плунжерного и пластинчатого насосов, гидрораспределителей/ с электрои гидроуправлением, трубопроводов, фильтров, гидроцилиндров, клапанов различного назначения), прессового оборудования легкой промышленности, холодильной техники.

5. Аналитические исследования моделей подобия функционирования гидропривода показали их корректность и большую информативность и универсальность применения, нежели известные модели классического подобиянапример, при исследовании взаимозаменяемости рабочих жидкостей;

6. Аналитическиеи: экспериментальные исследования? подобия" функционирования прессового оборудования показали не только возможность определения действительных причин перекосов концов траверс (у двухцилиндровых прессов), но и возможность принятия инженерного решения по устранению этого перекоса. Новизна одного из таких решений подтверждена патентом на изобретение «Способ синхронизации движения траверсы пресса»;

7.Аналитические: и экспериментальные исследования подобия функционирования пластинчатых насосов типа? БГ 12−4Б показали возможность и корректность безразборной • диагностики агрегатовс помощью этогометода и несложных стендов. Новизна такого подхода при испытаниях и безразборной диагностике: элементов< гидропривода подтверждена патентами наизобретения «Способ контроля технического состояния гидропривода» и «Стенд для испытания элементов гидропривода».

8. Возможность использования моделей подобия функционирования при исследовании взаимозаменяемости подсистем подтверждена на примере агрегата ¦ для литьядеталей обуви — фирмы «Ottogalli» при? замене импортного регулируемого по давлению насоса типа PVE 35 QR-1−21-CVP-JT6 на отечественный регулируемый насос РНА ТД 63/320 УХЛ4.

9. Исследования проблем комфортности, конфекционирования, износостойкости системы «человек — одежда — среда» методом подобия функционирования показали его эффективность при исследовании малых эргатических систем.

10. Исследования, выполненные автором в области создания методологии по формированию, достижению и сохранению заданных критериев качества функционирования технических систем являются приоритетными в области теории подобия и теории модели.

11. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований систем и элементов машин, а также практическое использование этих результатов предприятиями легкой промышленности, а также научными и образовательными организациями России позволяют сделать вывод о научной и практической новизне методологии подобия функционирования технических систем, возможности и эффективности ее использования на разных этапах жизненного цикла различных технических систем.