Закономерности проявления тно в структурной схеме жизненного цикла изделия

В. Н. Старов

Представлена разработанная структурная схема, учитывающая ТНО как функцию ЖЦИ, которая приемлема для любого технологического оборудования или технической системы.

Существуют сложные взаимосвязи процессов жизненного цикла изделия (ЖЦИ) с технологической наследственностью объекта. В литературе 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.

Нами разработана структурная схема, учитывающая ТНО как функцию ЖЦИ, которая приемлема для любого технологического оборудования или объектов ТС. Предложенный учет ТНО дает возможность еще точней установить связь между эксплуатационными характеристиками ТС и управлять ими. Учет ТНО в ЖЦИ отражает связь между многими параметрами процесса, в том числе, утраты работоспособности ТС. При анализе любого оборудования за основу можно взять структурную приоритетный узел (объект с его структурой), на который направлено исследование или действие, например, развитие системы. Если задачей является модернизация ТС, то рассмотрению (изучению) подлежит вся структурная схема.

Рассмотрим особенности предложенной структурной схемы ЖЦИ с позиции ТНО, как функции. Выделим основные этапы в ЖЦИ, где ТНО имеет свои особенности.

Предшествует всем этапам (уровням) подуровень, который включает в себя влияние на ТНО качества научных исследований и направлений конструкторских разработок. Этот уровень назван как УРКД, т.е. уровень разработки, конструкции и создания необходимой документации (включая электронное сопровождение).

Сложность современной ТС и производственных процессов ее изготовления приводят к тому, что есть потребность выделить эту важнейшую подсистему ЖЦИ в отдельный уровень. Это уровень производства изделия - (УПИ). Чтобы в полной мере учесть влияния ТНО на объект, требуется провести подробную систематизацию элементов и объектов этого уровня.

При учете факторов технологической наследственности в общем виде уровень производства изделия УПИ может включать несколько составляющих. Мы выделяем следующие основные составляющие.

Во-первых, это совокупность (множество) свойств заготовки на входе в систему производства (технологический процесс изготовления изделия), в том числе, включая учет «металлургической» наследственности объекта ТНОm или{∆m0}.

Собственно совокупность технологических факторов для каждой операции обработки Fp с учетом технологической наследственности объекта от предыдущей может быть представлена как ТНОp-₁, т.е. {∆Тpn}. Есть также совокупность характеристик готового изделия (собственно система), которая описывается на выходе окончательной операции системы производства деталей с учетом ТНОдт или{∆mp}.

Обобщенная характеристика готового изделия на выходе из подсистемы производства с учетом ТНОp всех операций обработки (механических, термических и т. д.) технологического процесса представлена подсистемой вида ТНОизд , т.е {∆ТНОpс }.

На работоспособность исследуемого объекта или ТС влияет много факторов. Проведем уточнение 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 делали и ее поверхностных слоев и другие.

Для узлов трения важны следующие факторы: прочность перемещений сопрягаемых деталей; контактная жесткость; температура в зоне трения; уровень вибраций деталей; зазор и др.

Для агрегатов и оборудования факторов, подлежащих учету еще больше: это точность обработки деталей и сборки узла, качество обработанной поверхности, а также качество сборки и т. д.

Если исследуемое изделие ТС типа металлорежущий станок, то факторами являются производительность процессов обработки на станке, затраты времени и средств на подналадку и ремонт и т.п.

Когда объектом исследований является двигатель автомобиля, то это следующие параметры: коэффициент полезного действия, мощность энергетической установки и другие, которые являются учитываемыми факторами. Сюда также относятся нагрузочные воздействия (х₁, х₂, …, x_q), в качестве которых могут быть 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 и машин также важны переменные динамические факторы, например, усилие резания, если это металлорежущий станок или скорость движения на определенных участках, если это транспортные машины и т.п.

Третий уровень учета ТНО в исследуемых системах определяют условия эксплуатации ТС. В него входят также процессы развития системы, включая модернизации объектов, т. е. 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 представить как уровень эксплуатации и модернизации (УЭМ).

Созданная нами систематизация элементов ТС и установленные взаимосвязи между уровнями I УРКД - II УПИ - III УЭМ позволяют создать модели (в том числе, наглядную графическую) проявлений и учета факторов ТНО в ЖЦИ любой ТС. Полная структурная схема объекта с учетом ТНО может быть представлена в любой форме, лишь бы она отражала в наибольшей степени взаимосвязи ТНО = f (ЖЦИ).

Некоторые авторы предлагают учитывать процессы наследственности исследуемых объектов в виде системы, где реакция Н₀ (она связана с внешним воздействием Х₀) имеет функциональную зависимость вида . 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 все 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 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 вида τ [0,T].

Часто реакция Н₀ и воздействие X₀ могут иметь различный физический смысл. Так, применительно к процессам утраты работоспособности деталей и узлов машин в качестве X₀ следовало бы принять внешнее нагрузочное воздействие, например, давление, скорость и т.д.. В этом случае реакцию системы Н₀ можно выразить через интенсивность изнашивания трущейся поверхности или как скорость изменения определяющего параметра (например, жесткость, зазор и др.).

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 во многом связано с представлением их в виде систем, процесс утраты, работоспособности которых обладает последействием.

Развитие этого направления базируется на учете физических явлений, сопровождающих процессы их проектирования, изготовления и эксплуатации. Это те самые этапы, которые составляют суть уровень конструкторской документации. УРКД. Уровень производства изделия УПИ и уровень эксплуатации и анализа работоспособности изделия УЭМ. Отметим также, что на процессы утраты работоспособности машин оказывает влияние большое количество технологических, конструктивных и эксплуатационных факторов.

Модели этих процессов могут быть разработаны. Они строятся на основе изучения связей эксплуатационных свойств деталей, узлов, механизмов и машины в целом с условиями и технологией изготовления деталей и сборки машины, а также с условиями и режимами ее эксплуатации. Большинство этих связей можно отнести к связям наследственного типа.

Модели этих процессов могут быть разработаны. Они строятся на основе изучения связей эксплуатационных свойств деталей, узлов, механизмов и машины в целом с условиями и технологией изготовления деталей и сборки машины, а также с условиями и режимами ее эксплуатации. Большинство этих связей можно отнести к связям наследственного типа.

Одним из основных законов развития ТС являются целенаправленное управление взаимосвязями эксплуатационных показателей с технологической наследственностью. При оценке конкретной ТС с определенными значениями эксплуатационных показателей обычно каждый из них имеет постоянную весомость. Постоянный темп роста обобщенного показателя 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.

При этом, если в новой ТС, по сравнению с базовой, изменен хотя бы один показатель, то изменяются весомости всех показателей, входящих в иерархию. Известно, что отмеченное выше явление затухания влияния одного показателя на обобщенный, обычно характеризуется показательными или экспоненциальными зависимостями, имеющими участок насыщения. Эта зависимость выглядит так:

при , (1)

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

При резком изменении внешних условий более приемлем закон вида:

(2)

где кроме стимулирующих факторов (х₊) имеются и сдерживающие факторы (х_). В этом случае рост характеристики х ограничивается некоторым уровнем b; закон (1) примет вид:

( k>0, 0<x<b ). (3)

Тогда развитие ТС можно описать дифференциальным уравнением вида:

(4)

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

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

По нашему мнению адаптированный закон развития ТС на каждом уровне ЖЦИ с учетов влияния технологической наследственности объекта будет выглядеть таким образом:

I УРКД: ; (5)

II УПИ: ; (6)

III УЭМ: . (7)

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

. (8)

Изучение закономерностей проявления ТНО в ЖЦИ позволит управлять процессом технологической наследственности объекта на любом уровне. Эти знания помогают отыскать наиболее рациональные методы управления технической системой, достичь оптимального качества ТС и добиться повышения надежности их работы. В итоге получим продление времени эксплуатации изделия.

Воронежский государственный технический университет

УДК658.011