3.2. Общие закономерности технологической наследственности в процессах жизненного цикла изделия

В теории и на практике существуют сложные взаимосвязи процессов жизненного цикла изделия с технологической наследственностью объекта (ТНО), подвергшегося проектированию, изготовлению и эксплуатации.

Известна структурная схема ЖЦИ, где выделены два уровня по трем базовым учетным факторам технической системы ТС. Однако в подобной схеме на этапах ЖЦИ ТС не учитывается в должной мере технологическая наследственность объекта, хотя ТНО является важнейшим явлением, особенно на стадиях производства и эксплуатации.

Отметим, что для строительных технологических машин важным является учет технологической наследственности еще на этапе проектирования, так как учет постоянных и временных нагрузок определяет применение тех или иных методов расчета, от которых зависят учет и назначение коэффициентов надежности по нагрузке (или перегрузки) и коэффициентов запаса.

Существуют методика и структурная схема, учитывающая ТНО как функцию ЖЦИ, которая применима для различного технологического оборудования и объектов ТС [37].

Предложенный учет ТНО дает возможность еще точней установить связь между эксплуатационными характеристиками технической системы строительной технологической машина (ТС СТМ) и управлять ими на этапах ЖЦИ. Учет ТНО в ЖЦИ отражает связь между многими параметрами процесса, в том числе утраты работоспособности технической системы машины.

При анализе элементов системы за основу следует взять структурную схему либо приоритетный узел (объект с его структурой), на который направлено исследование (действие) или развитие системы. Если задачей является усовершенствование путем модернизации ТС, то рассмотрению (изучению) подлежит вся структурная схема объекта.

Исследуем особенности предложенной структурной схемы ЖЦИ с позиции ТНО, как функции. Выделим основные этапы в ЖЦИ, где ТНО имеет свои особенности процессов. Разобьем их на уровни и подуровни.

Начальным уровнем (подуровнем) является процесс проектирования и расчета объекта. Он включает степень учета влияния ТНО в зависимости от качества научных исследований и идеи (направления) конструкторских разработок. Назовем этот уровень – УРКД, то есть уровень разработки, конструкции и создания необходимой документации (включая электронное сопровождение). Отметим, что для ТС СТМ на этом этапе важно выбрать правильную методику расчета, которая определит запас прочности и надежности. Сложность современной ТС и производственных процессов ее изготовления приводят к тому, что эту важнейшую подсистему ЖЦИ необходимо выделить в отдельный – базовый уровень. Итак, имеем уровень производства изделия – УПИ.

Чтобы в полной мере учесть влияния ТНО на изготавливаемый объект, требуется провести подробную систематизацию элементов и объектов этого уровня. При учете факторов технологической наследственности в общем виде уровень производства изделия может включать несколько составляющих.

Нами предложено выделить следующие основные составляющие.

Во – первых, это существующая совокупность (множество) свойств заготовки на входе в систему производства (технологический процесс изготовления изделия), в том числе включающая учет «металлургической» наследственности объекта (деталей: валов, кронштейнов и т.п.); это есть технологическая наследственность, которую обозначим ТНОm или{∆m₀}.

Собственно совокупность технологических факторов для каждой из операций (Fp), например механической обработки заготовки, соединения сваркой, разъединения при порезке, с учетом технологической наследственности объекта от предыдущей может быть представлена как ТНОp–1, то есть {∆Тpn}. Есть также совокупность характеристик готового изделия (собственно система ТС СТМ), которая описывается на выходе окончательной операции системы производства деталей с учетом ТНОдт или {∆mp}.

Примем, что обобщенной характеристикой готового изделия на выходе из подсистемы производства с учетом ТНОp (в том числе, механических операций резанием, термических, регулировочных и т. д.) является подсистема технологического процесса, которая представлена нами как подсистема вида ТНО_ИЗД, то есть это {∆ТНОpс }.

На работоспособность исследуемого объекта ТС СТМ влияет много факторов. Уточним некоторых из них. Так, для объектов класса «деталь» факторы таковы: величина износа (весовой или объемный износ, износ в определенных точках поверхности); величина отклонения рабочей поверхности от заданной геометрической формы; параметры микрогеометрии, физико-механические характеристики материала детали и ее поверхностных слоев.

Для конструкции строительной технологической машины – это учет влияния, например, силовых нагрузок, изменяющихся в процессе эксплуатации как по характеру, так и величине, включающих экстремальные сезонные тепловые (нагрев–охлаждение) воздействия.

Для агрегатов и узлов, подлежащих учету при изготовлении подобных факторов еще больше: это точность обработки деталей и сборки узла, качество обработанной поверхности, качество сборки, регулировки.

Для узлов трения, которых много в любой машине, необходимо учитывать особо важные при эксплуатации следующие факторы: контактная жесткость; прочность перемещений сопрягаемых деталей; температура в зоне трения; уровень вибраций деталей; зазор и др.

Если исследуемое изделие типа диагностического оборудования используемого при обслуживании ТС СТМ, то факторами являются производительность процессов работы на оборудовании, затраты времени и средств на наладку, ремонт и т. п.

Когда объектом исследований является двигатель машины (автомобиля–базы), то это следующие параметры: коэффициент полезного действия, мощность энергетической установки и другие, которые являются учитываемыми факторами.

Таким образом, к указанным группам ТНО относятся различные нагрузочные воздействия, которые необходимо учитывать при проектировании, изготовлении и эксплуатации объекта. Обозначим их как х₁, х₂, …, x_q.

При этом в качестве нагрузок могут быть, например, для деталей трущихся сопряжений и узлов машин: нагрузка или удельное давление на поверхности трения; скорость относительного перемещения сопрягаемых деталей; температура среды и другие.

Для агрегатов, машин и конструкций важны переменные динамические факторы, например, если это самоходные транспортные объекты (ТС СТМ), то это учет скорости движения автомобиля на определенных участках дороги, всевозможные локальные воздействия и другие факторы.

Приняли, что следующий базовый уровень учета ТНО в исследуемых системах определяют условия эксплуатации системы. В него входят также процессы развития системы, которые включают модернизацию узлов строительной машин, то есть совершенствования системы на этапе эксплуатации.

Так как модернизацию проводят либо всего объекта, либо его части, то следует расширить упомянутый уровень условиями модернизации, поэтому его можно представлять, как уровень эксплуатации и модернизации, который обозначим как УЭМ.

Существует систематизация элементов систем и установлены взаимосвязи между уровнями. Особое внимание при исследованиях уделено трем вышеуказанным уровням, а именно: I (УРКД) – II (УПИ) – III (УЭМ), которые позволяют создать модели (в том числе наглядную графическую) проявлений и учета факторов ТНО в ЖЦИ любой системы.

Полная структурная схема объекта с учетом ТНО может быть представлена в любой форме, лишь бы она отражала в наибольшей степени взаимосвязи подсистем и процессов технологической наследственности, например это может быть функция вида: ТНО = f (ЖЦИ). В общем виде для технической системы она представлена на рис. 3.2 [11, 34, 36].

Некоторые авторы предлагают учитывать процессы наследственности исследуемых объектов в виде системы, где реакция Н₀ (она связана с внешним воздействием Х₀) имеет функциональную зависимость вида Н₀ = f(Х₀).

Эту зависимость называют определяющим уравнением или определяющим законом, который в общем виде формулируется следующим образом: реакция Н₀(t) в момент времени t определяется не только величиной Х₀(t) в тот же момент, но также всей историей изменения функции Х₀(τ), τ (–∞, t). Определяющий закон представляют также в виде символической записи , на отрезке времени τ [0,T] X₀(τ) ≠0, а при t >T имеем X₀≡0. При этом в моменты времени t >T, когда воздействие X₀ отсутствует, система еще сохраняет изменения, связанные с этим воздействием в предшествующий отрезок времени, что имеет запись τ [0,T].

Часто реакция Н₀ и воздействие X₀ могут иметь различный физический смысл. Так, применительно к процессам утраты работоспособности деталей и узлов, например скрепера в качестве, X₀ следует принять внешнее нагрузочное воздействие: давление, скорость и т. д.

В этом случае реакцию системы Н₀ можно выразить через интенсивность изнашивания трущейся поверхности механических узлов или как скорость изменения определяющего параметра (например, жесткость, зазор).

Считается, что в подобных случаях связь между нагрузочным воздействием и реакцией системы достаточно сложна и, как правило, применение линейных теорий возможно лишь при существенном ограничении диапазона измерений указанных параметров и введении ряда предположений с целью упрощения исследуемой системы. Совершенствование методов оценки, прогнозирования и повышения надежности машин и конструкций во многом связано с представлением их в виде систем, процесс утраты, работоспособности которых обладает последействием.

Рис. 3.2. Структура и графическая модель ЖЦ объекта (ТС СТМ) с учетом ТНО

Развитие этого направления базируется на учете физических явлений, сопровождающих процессы их проектирования, изготовления и эксплуатации. Это те самые этапы, которые составляют суть уровня конструкторской документации, названной нами УРКД. Затем уровни производства изделия УПИ и уровень эксплуатации с учетом анализа работоспособности изделия – УЭМ. Отметим, что на процессы утраты работоспособности машины большое влияние оказывают технологические, конструктивные и эксплуатационные факторы, их количество и взаимосвязи.

Модели этих процессов могут быть разработаны. К тому же они строятся как на основе изучения связей эксплуатационных свойств деталей, узлов, механизмов и машины в целом, так и с учетом условий технологий изготовления деталей и сборки систем, а также с учетом условий и режимов эксплуатации, включая экстремальные. Большинство этих связей можно отнести к связям наследственного типа.

Одним из основных законов развития строительной технологической машины является целенаправленное управление взаимосвязями эксплуатационных показателей с технологической наследственностью.

При оценке конкретного варианта машины с определенными значениями эксплуатационных показателей учитывают, что каждый из них имеет постоянную весомость. При этом существует постоянный темп роста какого–то обобщенного показателя, который может быть при одновременном и пропорциональном изменении всех показателей, входящих в систему.

Считается, что при изменении значений весомого показателя его влияние на рост обобщенного показателя постепенно затухает. Это происходит из–за ограничений, создаваемых другими показателями, которые остаются неизменными. Если в исследуемой системе изменен по сравнению с базовой хотя бы один показатель, то изменяются весомости всех показателей, входящих в иерархию.

Отмеченное выше явление затухания влияния одного показателя на обобщенный обычно характеризуется показательными или экспоненциальными зависимостями, имеющими участок насыщения. Эта зависимость выглядит так:

при , (3.1)

где k – константа, характеризующая (в среднем) отклики потребителя на изменения облика ТС (СТМ), то есть относительная скорость роста х.

При резком изменении внешних условий приемлем закон вида

(3.2)

где кроме стимулирующих факторов (х₊) имеются и сдерживающие факторы (х_). В этом случае рост характеристики х ограничивается некоторым уровнем b; поэтому закон (3.1) примет вид

( k>0, 0<x<b ). (3.3)

Считается, что в этих условиях развитие системы можно описать дифференциальным уравнением вида

(3.4)

где f(x) – функция, описывающая состояние объекта в любой момент времени, g+(t) – функция, описывающая стимулирующее развитие системы во времени.

Такая постановка вопроса не всегда освещает поведение ТС СТМ в ЖЦИ и не полностью отражает влияния ТНО на ее разных стадиях.

По мнению [11, 34], адаптированный закон развития системы с учетом влияния технологической наследственности объекта на основных уровнях ЖЦИ может выглядеть таким образом:

I (УРКД): ; (3.5)

II (УПИ): ; (3.6)

III (УЭМ): . (3.7)

Адаптированный обобщенный закон развития системы с учетов влияния ТНО выглядит так:

. (3.8)

Использование закономерностей проявления ТНО в ЖЦИ позволит изучать и целенаправленно управлять процессом технологической наследственности объекта (строительных и дорожных машин) на любом уровне. Эти знания помогают отыскать наиболее рациональные методы проектирования и изготовления, достичь оптимального качества системы, а также добиться повышения надежности и долговечности её работы и управлять системой при её эксплуатации.

Изложенные методика и структурная схема, учитывающая технологическую наследственность в ЖЦИ, приемлема для описания любой технической системы (машины или отдельного технологического оборудования).