1.3. Конструирование вытяжной установки

Изделие должно соответствовать определенным требованиям. Необходимо, чтобы оно было как можно компактней (это особенно важно для использования его в небольших мастерских), являлось бы удобным в процессе эксплуатации, а также в случае ремонта, демонтажа или сборки.

Одно из главных требований к любому механизму, устройству, машине - это несложность его изготовления в мастерских, которые обладают обычным оборудованием, приспособлениями, инструментом, не требующее какого- либо специального оборудования. Также изделие должно быть прочным, надежным при применении, долговечным.

Оно должно изготавливаться из доступных, недорогих узлов и деталей, которые несложно найти, изготовить и собрать. Также необходимо, чтобы устройство изготовлялось из доступных конструкционных материалов, которые отвечают вышеперечисленным требованиям.

Без всех этих необходимых перечисленных свойств изделие не может нормально функционировать и выполнять те задачи, которые перед ним ставятся.

Ну и, конечно, вытяжное устройство должен отвечать всем требованиям безопасности, которые необходимы для всех вентиляционных систем, работающих от электрической сети.

Достоинствами нашего вытяжного устройства будут являться: малые габариты, простота конструкции, простота в обслуживании, безопасность работы.

В состав вытяжного устройства должны входить: система воздуховодов, прямоточный вентилятор, переход для соединения воздуховодов.

Экономические требования:

1. При разработке варианта конструкции и последующем изготовлении должны применяться соответствующие конструкционные материалы, имеющие оптимальное соотношение цена-качество.

2. По возможности применить заимствованные детали, с других изделий, для того, чтобы упростить процесс изготовления нашего вытяжного устройства.

Специальные эксплуатационные требования:

1. несложность изготовления изделия;

2. простота конструкции;

3. безопасность в эксплуатации;

4. удобство в обслуживании.

При создании новых изделий всегда приходится решать творческие задачи потому, что в новых изделиях всегда должны быть положительные признаки или свойства, которых не было в ранее созданных образцах.

Поиск новых решений развивает творческое воображение и фантазию участников этого поиска. Сам процесс поиска новых решений учит анализировать уже известные решения, сопоставлять их с предлагаемыми, выяснять достоинства и недостатки будущих конструкций, выбирать направления дальнейших поисков и добиваться решения поставленной задачи всеми имеющимися техническими и технологическими средствами. Другими словами – новое решение находится путем синтеза.

Исторический опыт показывает, что создатели новой техники пользовались некоторыми общими приемами или методиками поиска новых решений, способствующих более быстрому достижению цели, и составляют системный подход к проектированию.

Различают методы проектирования эвристические и алгометрические. Алгометрические методы основываются на алгоритме, который можно определить как последовательность указаний, касающихся процедур (операций), позволяющих решить задачу. Например в технической литературе при проектировании приспособлений для станков рекомендуется следующий алгоритм действий:

1. Составление расчетной схемы, в которой конструкция максимально упрощается.

2. Определение величины нагрузок, действующих на деталь.

3. Выбор материала с учетом его свойств, стоимости и др.

4. Расчет характерных размеров детали.

5. Вычеркивание детали в общем виде узла, а затем в порядке рабочего проектирования – его деталировка (последняя предусматривает подробную конструктивную разработку детали с указанием на рабочем чертеже ее размеров, допусков, классов чистоты обработки поверхностей, специальных технологических требований).

6. Выполнение проверочных расчетов (в результате проектирования разрабатывается ряд технологических документов, содержащих описание с принципиальным обоснованием проекта, необходимыми расчетами и чертежами).

Эвристические методы – всевозможные упорядоченные в какой – то мере правила и рекомендации, помогающие при решении задач без «предварительной оценки результатов».

Занимаясь разработкой конструкции вытяжного устройства и решая в процессе конструирования поставленные задачи и данные противоречия, был использован метод морфологического анализа.

Эвристический метод морфологического анализа основан на построении таблицы, в которой перечисляются все основные элементы, составляющие объект и указывается возможно большее число известных вариантов реализации этих элементов. Комбинируя варианты реализации элементов объекта, можно получить самые неожиданные новые решения.

Цель морфологического анализа – наметить пути развития, описать все потенциально возможные решения данной задачи (построить поле возможных решений).

Морфологический анализ используется:

1) Для исследования любой проблемы, но только на качественном уровне, в виде идеи решения (качественное решение задачи – это наиболее творческий и наиболее ценный результат, поскольку, если есть плодотворная идея решения, можно быть уверенным в конечном успехе).

2) Для системного проектирования предметной среды.

3) Для прогнозирования развития, поиска перспективных классов решений, а не отдельных решений.

Основной идеей морфологического анализа является упорядочение процесса выдвижения и рассмотрения различных вариантов решения задачи. Расчет строится на том, что в поле зрения могут попасть варианты решений, которые ранее не рассматривались.

Алгоритм работы по морфологическому анализу предполагает выполнение следующих шагов:

3) Записать определение объекта (формулирование проблемы).

2) Составить список всех существенных морфологических признаков объекта, то есть всех важных характеристик и параметров, которые позволяют достичь заданных в определении целей. Параметры должны иметь одинаковую значимость для решения проблемы.

3) Записать их вертикально в таблицу. Пронумеровать их буквами – А, В, С и так далее.

4) По каждому существенному признаку составить список возможных вариантов (альтернатив) его выполнения. Наибольшую ценность имеют те варианты, которые пока не используются (или решателю это неизвестно). Записать горизонтально в морфологическую таблицу. Пронумеровать каждый вариант цифрами 1,2, 3 и так далее.

5) Подобрать новый вариант объекта, сочетая любой вариант каждого параметра. Записать вариант в виде: Р1= А1=В3+С6+D1+Е4 и так далее. Проанализировать вариант.

6) Использовать методы оптимизации по заданному критерию и выбрать решение (оптимальный вариант).

Новый вариант объекта получается при сочетании любого варианта исполнения первого признака (А) с любым вариантом второго признака (В), третьего(С), четвертого (D) и так далее.

Всего количество вариантов в таблице можно определить по формуле:

N(объект) = А(n)*B(n)*C(n)*…,

гдеА(n) – это количество вариантов по параметру А,

B(n) - количество вариантов по параметру В и так далее.

Следует отметить, что морфологические таблицы существенно избыточны. Поэтому следует учитывать, что от корректной постановки задачи морфологического исследования будет зависеть тот результат, который будет получен.

Рассмотрим последовательность проведения морфологического анализа, поясняя содержание каждого этапа при выборе конструкции вытяжного устройства для плавильной печи.

Формулировка задачи: задача - сконструировать вытяжное устройство для оснащения рабочего места для пайки слесарной мастерской факультета художественно-технологического образования, используя доступные, экономически выгодные, экологически безопасные конструкционные и отделочные материалы, габаритные размеры которого отвечают эргономическим требованиям и нормам к учебному оборудованию.

Требования, которые необходимо выполнить при разработке конструкции:

а) напряжение 220 Вольт;

б) соответствие санитарно-техническим нормам и требованиям техники безопасности;

в) надежность;

г) эстетичность;

в) низкая себестоимость.

На следующем этапе выделяем существенные морфологические признаки объекта (элементы конструкции объекта, функции свойства) и разрабатываются альтернативные варианты для каждого признака.

Список существенных морфологических признаков оборудования

К существенным морфологическим признакам конструируемого объекта мы относим:

А. выбор типа вентилятора

В. выбор системы воздуховодов

С. система связи с технологическим оборудованием

D. характер циркуляции воздуха в системе

Е. тип производительности системы

Рассмотрим возможные альтернативные варианты для каждого признака.

Первый признак (А) – выбор типа вентилятора:

1) Прямоточный канальный вентилятор с квадратным корпусом;

2) Осевой вентилятор с меридиональным ускорением потока.

Второй признак (В) – выбор системы воздуховодов:

1) Воздуховоды прямоугольного сечения;

2) Воздуховоды круглого сечения.

Третий признак (С) - система связи с технологическим оборудованием:

1) Локальная;

2) Централизованная;

3) Мобильная.

Четвертый признак (D) - характер циркуляции воздуха в системе:

1) Прямоточный;

2) Рециркуляционный.

Пятый признак (Е) - тип производительности системы:

1) Постоянной производительности;

2) Переменной производительности.

Результаты этапа конструирования оформляем в виде морфологической таблицы.

Таблица 2

Морфологическая таблица

Существенные морфологические признаки	Описание и номера возможных альтернатив реализации
	1	2	3
(А). Выбор типа вентилятора	Прямоточный канальный вентилятор с квадратным корпусом	Осевой вентилятор с меридиональным ускорением потока	-
(В). Выбор системы воздуховодов	Воздуховоды прямоугольного сечения	Воздуховоды круглого сечения	-
(С). Система связи с технологическим оборудованием	Локальная	Централизованная	Мобильная
(D). Характер циркуляции воздуха в системе	Прямоточный	Рециркуляционный	-
(Е).Тип производительности системы	Постоянной производительности	Переменной производительности	-

Далее составляем матрицу возможных вариантов реализации.

А1	А2	-
В1	В2	-
С1	С2	С3
D1	D2	-
Е1	Е2	-

На следующем этапе, комбинируя варианты из разных столбцов и строк, получаем множество вариантов конструкции нашего изделия.

Общее количество вариантов определяется произведением количества элементов в каждой из строк. В нашем случае:

N = 2*2*3*2*2 = 48.

Сокращение числа решений ведется за счет отбрасывания наихудших комбинаций альтернатив, а именно: несовместимых, наименее эффективных, не соответствующих требованиям.

На основе анализа морфологической таблицы и матрицы возможных вариантов реализации, в качестве примера приведем варианты наименее эффективные, не соответствующие требованиям:

Р1 = А1+В2+С1+D2+Е1;

Р2 =А2+В1+С2+D1+Е2;

Р3 = А1+В1+С3+D2+Е2;

Р4 = А2+В2+С2+D1+Е1.

Вариант конструкции (Р1): локальная система с рециркуляционным характером циркуляции воздуха в вытяжном устройстве, с типом постоянной производительности, с канальным вентиляторами воздуховодом круглого сечения.

Вариант конструкции (Р2): централизованная система с прямоточным характером циркуляции воздуха в вытяжном устройстве, с типом переменной производительности, с осевым вентилятором меридионального ускорения потока и воздуховодом прямоугольного сечения.

Вариант конструкции (Р3): мобильная система с рециркуляционным характером циркуляции воздуха в вытяжном устройстве, с типом переменной производительности, с канальным вентиляторами воздуховодом прямоугольного сечения.

Вариант конструкции (Р4): централизованная система с прямоточным характером циркуляции воздуха в вытяжном устройстве, с типом постоянной производительности, с осевым вентилятором меридионального ускорения и воздуховодом круглого сечения.

Второй и четвертый варианты из рассматриваемых конструкций, мы относим к наименее эффективным с точки зрения экономической. Связано это с тем, что устройство централизованной системы сопряжено с большими материальными затратами на прокладку воздуховодов, выполнения общестроительных и монтажных работ.

В третьем варианте просматривается некоторое противоречие между мобильной системой связи устройства с технологическим оборудованием и переменным типом его производительности. Данное техническое противоречие, хотя и разрешимо, но требует немалых экономических затрат. Поэтому вариант не перспективный, так как противоречит заявленным критериям.

Первый вариант можно отнести к условно – перспективному. Его можно реализовать на практике, но с учетом того, что в конструкции вытяжного устройства заложена идея рециркуляции (воздух после очистки не выбрасывается в атмосферу, а частично или полностью возвращается в производственное помещение), которая предполагает поиск дополнительного технического решения. Поэтому данный вариант экономически неэффективен.

К числу перспективных вариантов, с учетом выше изложенных соображений, мы относим следующие:

Р5 = А1+В2+С1+D1+Е2;

Р6 = А1+В1+С1+D2+Е2;

Р7 = А2+В2+С1+D2+Е1;

Р8 = А2+В1+С1+D2+Е2.

Во всех перечисленных вариантах система связи с технологическим оборудованием – локальная (предполагает жесткую привязку установки к конкретному оборудованию), что соответствует основному требованию на этапе формулировки проблемы, которую необходимо решить с помощью метода морфологического анализа. Но данные варианты мы отклоняем по следующим соображениям.

В вариантах Р6, Р7, Р8 предусматривается рециркуляционный характер циркуляции воздуха в вытяжном устройстве. Это не удовлетворяет поставленными перед нами требованиями.

В варианте Р5 этот недостаток преодолен, так как в конструкцию закладывается прямоточный характер циркуляции воздуха в вытяжном устройстве, но наличие переменного типа производительности, который может иметь место только в централизованных системах аспирации – заставляют нас данный вариант отклонить.

Таким образом, наш окончательный вариант будет выглядеть следующим образом:

Р5 = А1+В2+С1+D1+Е1.

Вариант конструкции (Р9): локальная система с прямоточным характером циркуляции воздуха в вытяжном устройстве, с типом постоянной производительности, с прямоточным канальным вентилятором и воздуховодом круглого сечения.

Общий вид сконструированного вытяжного устройства указан в приложении 1.

Дадим описание сконструированного изделия. Устройство предназначено для газоотведения при проведении пайки в слесарной мастерской факультета художественно-технологического образования.