Практичне заняття № 3

Синтез принципових та конструктивних схем вібропресового обладнання на основі методів структурно-морфологічного аналізу

На основі результатів проведеного структурно-морфологічного аналізу систем, з яких складається технологічний комплекс (див. рис. 1.1) з виробництва заготовок виробів з порошкових матеріалів, розроблена відповідна матриця (табл. 3.5) його структурно-морфологічної класифікації. В даній матриці узагальнена та систематизована накопичена інформація у вигляді незалежних ознак або властивостей систем комплексу, які об'єднуються в одному з десяти виділених смислових дільників, розміщених в рядках матриці і згрупованих за принципом приналежності конкретній системі: 1-й і 2-й смислові дільники належать системі І (заготовка); 3-й і 4-й – системі ІІ (робочому процесу); 5-й...10-й – системі ІІІ (ІВПМ). Для можливого розширення об'єму інформації в матриці передбачено використання 0-го резервного рядка. Відповідно до загального числа незалежних ознак смислових дільників в матриці міститься шість стовпців (1-6). Всі смислові дільники взаємозв'язані, а послідовність їх представлення визначається цільовим призначенням матриці, використовуваної для розв’язання задач аналізу та синтезу.

При проектуванні технологічного комплексу звичайно розв'язуються задачі синтезу процесу (система ІІ) та обладнання (система ІІІ), а вихідними даними для їх розв’язання служать незалежні ознаки заготовки (1-й та 2-й смислові дільники). За даними ознаками (початковими даними) встановлюються ознаки 3-го та 4-го смислових дільників, що характеризують режим ВУП і схему інерційного навантаження заготовки, а синтез ІВПМ здійснюється на основі вибору незалежних ознак смислових дільників з 5-го по 10-й, які, у свою чергу, визначаються ознаками 3-го і 4-го смислових дільників. Така послідовність аналізу смислових дільників, що характеризують   проектовану машину, дозволяє обґрунтовано опрацювати варіанти вибору ознак приводу його головної робочої ланки з врахуванням типу та конструктивних особливостей віброзбуджувача, приводу допоміжної робочої ланки, конструктивних особливостей станини з блоком фундаменту і використовуваного оснащення (прес-форми).

Кодування матриці структурно-морфологічної класифікації (див. табл. 3.5) з метою зберігання і використання інформації, що міститься в ній, здійснюється за допомогою комп’ютера за відомою методикою [75]. Кожному осередку матриці, що знаходиться на перетині і-го рядка та j-го стовпця, присвоюється код ij, а сукупності осередків, що характеризують набір ознак проектованого комплексу, присвоюється код . При обов'язковому переліку в порядку зростання номерів всіх рядків матриці кодування здійснюється за номерами відповідних  стовпців характерних незалежних ознак кожного смислового дільника без зазначення номера рядка.

 

Таблиця 3.1 – Матриця технологічного комплексу з виробництва заготовок виробів з порошкових матеріалів

Сис­тема	Смисловий дільник	Незалежні ознаки (властивості) смислових дільників розбірна
		1	2	3	4	5	6
І	Резерв
	Порошковий матеріал	Монодисп	Полідисп	Однорідний	Змішаний	З наповню­вачем	Без напов­нювача
	Тип заготовки	Цільна	Складена	Проста	Складна	Порожня	—
ІІ	Режим пресування	Вібрацій­ний	Віброударний			Ударний	Складно­просторовий
			ВУП-І	ВУП-ІІ	ВУП-ІІІ
	Схема інерційного навантаження	Односто­роння	Двосто­роння	Напрямок ударного імпульсу сили, що змушує
				Знизу	Зверху	Збоку	Всебічне
ІІІ	ГІП основної робочої ланки	Підключ. віброзбуджувача		Верхній	Нижній	Двосто­ронній	Багатоцикл акумулятор
		на вході	на виході
	Тип віброзбуд­жувача	Одно­каскадний	Двокас­кадний	Двопозиційний		—	—
				2-ходовий	3-ходовий
	Тип запірного елемента	Кульковий	Клапанний	Золотни­ковий	Зі штовхачем та дрос.	З перемін­ною площею	—
	Допоміжний привод	Гідравліч­ний	Пневма­ичний	Верхній	Нижній	Статичне притискання	Виштовху­вача
	Станина та фундамент	Рамна	Консольна	Складена	Цільна	Зварна	Віброіз­ний
	Тип прес-форми	Односто­роння	Двосто­роння	Цільна	Розбірна	З плаваючою матрицею	З виштовху­вачем

Наприклад, якщо проектується технологічний комплекс з виробництва з монодисперсного однорідного порошкового матеріалу з наповнювачем (код рядка 1-135) суцільних заготовок простої конфігурації (2-13), то для виробництва таких заготовок вибирається режим ВУП-І (3-2), який реалізується при прикладенні знизу ударного імпульсу зовнішньої примусової сили(4-3). Параметри даного процесу однозначно визначаються параметрами ознак, що характеризують систему І. Описаний процес можна здійснити на ІВПМ (див. зан. 3), ГІП якого оснащений віброзбуджувачем "на вході" і розташований знизу (5-14). Для такого приводу звичайно рекомендується двокаскадний триходовий віброзбуджувач (6-24) із золотниковим запірним елементом, оснащеним штовхачем та регульованим дроселем (7-34). Для допоміжної робочої ланки статичного притискання можна вибрати пневматичний привід з верхнім розташуванням пневмоциліндра (8-235). Станину ІВПМ, що виготовляється в одиничному екземплярі, доцільно вибирати зварною, збірною та віброізольованою (9-136). Для формоутворення заготовки даного типу найзручніше скористатися односторонньою суцільною прес-формою з виштовхувачем (10-136). Вибраний перелік ознак системи ІІІ характеризується параметрами, які однозначно визначаються параметрами системи ІІ.

Згідно із вищевикладеним, загальний код проектованого технологічного комплексу, складений на основі матриці структурно-морфологічної класифікації, записується набором цифр 135.13:2.3: 14.24.34.235.136.136, в якому крапками відокремлюються незалежні ознаки одного смислового дільника, а двокрапкою – ознаки однієї системи. Подання у такому вигляді інформації про проектований комплекс, на наш погляд, значно спрощує не тільки розв’язання задач синтезу його основних систем, але і дозволяє на основі розробленої послідовності вибору їх незалежних ознак та за допомогою аналітичної залежності, яка отримана в результаті проведених автором теоретичних та експериментальних досліджень (див. розд. 3, 5, 6), створювати формалізовані концепції методики розрахунку параметрів режимів ВУП та ІВПМ для їх реалізації.

Використовуючи результати структурно-морфологічної класифікації технологічного комплексу (див. табл. 3.1) і враховуючи структурні та функціональні зв’язки (див. зан. 1), виявлені при включенні його до технологічного комплексу (див. рис. 1.1), можна розробити загальну методику синтезу принципових та конструктивних схем проектованого вібропресового обладнання за допомогою спеціальної структурної матриці-визначника (рис. 3.1), побудова якої здійснюється за відомими рекомендаціями [75].

Число стовпців матриці-визначника обираємо у відповідності із загальним числом виявлених технологічних та конструктивних смислових дільників, а число рядків – згідно із максимальним числом варіантів реалізації смислових дільників.

 

Рисунок 3.1 – Структурна матриця – визначник вибору схем вібропресового обладнання, що проектується

 

Для технологічних смислових дільників в пропонованій матриці-визначнику (див. рис. 3.1) виділяємо три стовпці (два основних і один резервний) і розташовуємо в них інформацію про обраний основний режим ВУП (Т1), про схему інерційного навантаження (Т2) і про можливі додаткові умови реалізації робочого процесу (Тр), а для конструктивних смислових дільників – п’ять стовпців (чотири основних і один резервний), в яких розташовуємо інформацію щодо конструкцій станин (К1), гідродвигунів основного (К2) та допоміжного (К3) приводів, схем ГІП з віброзбуджувачем (К4), можливих конструктивних доповнень та нових розробок (Кр).

Варіанти смислових дільників розташовуємо в п’яти рядках (чотирьох основних і одному резервному) матриці визначника зверху-донизу. Черговість розташування схем варіантів визначається частотою їх використання в реальних ВУП і конструкціях ІВПМ. Наприклад, послідовність розташування варіантів В1...В3 смислового дільника Т1 відповідає частоті розповсюдження основних режимів ВУП. Режим багатокомпонентного віброударного навантаження (БКВН) (варіант В4) займає місце в нижній частині стовпця.

Варіанти дільника Т2 відповідають можливим схемам інерційного навантаження заготовок і визначаються поєднанням спрямованих впливів імпульсів сил з боку основної робочої ланки (↑) та інерційного вантажу (↓) на заготовку. Найрозповсюдженіші варіанти В1 та В2, що відповідають інерційному навантаженню на ІВПМ і пресах ГІП [189]. Навантаження згідно із варіантом В3 являє собою сукупність навантажень В2, які здійснюються з двох сторін відносно однієї осі [191]. Варіант В4 відповідає багатокомпонентному навантаженню (рис. 3.2), реалізованому на спеціальному обладнанні [35].

Варіанти конструктивних смислових дільників являють собою фрагменти можливих принципових і конструктивних схем проектованого обладнання, на яких представлені його основні та допоміжні робочі ланки, а також основні елементи ГІП. Графи дільника К1 несуть інформацію щодо конструктивного виконання рамних (В1, В2) і консольних (В3, В4) станин ІВПМ.

Графи смислових дільників К2 та К3 відповідають варіантам конструктивного виконання основного та допоміжного гідродвигунів. Наприклад, в графах дільника К2 зображені привідні зворотно-поступальні гідродвигуни без демпфування (В1) та з демпфуванням (В2) ударів під час зворотного ходу, а також з робочою ланкою, що здійснює багатокомпонентні зворотно-поступальні (В3) та зворотно-гвинтові (В4) переміщення.

Варіанти дільника К4 дозволяють обрати одну з можливих принципових схем ГІП (див. розд. 4), в яких конкретизований спосіб підключення віброзбуджувача „на вході” (В1, В2, В4) або на „виході” (В3), його тип та варіанти використання одноциклового гідроакумулятора.

 

Рисунок 3.2 – Структурна матриця – визначник вибору схем віброзбуджувачів ГІП, що проектуються

 

Синтез схем проектованого вібропресового обладнання за допомогою структурної матриці-визначника здійснюється послідовним вибором варіантів технологічних та конструктивних смислових дільників. Схеми технологічних смислових дільників визначають робочий процес і аналізуються з врахуванням властивостей порошкового матеріалу заготовки. У зв’язку з цим, вважаємо їх заданими або ключовими. Варіанти конструктивних смислових дільників розглядаємо згідно із ключовими дільниками, а також з врахуванням заданих умов експлуатації обладнання, величин створюваних динамічних навантажень, характеру переміщень робочих ланок основного та допоміжного приводів, рекомендацій щодо переважного використання визначеного типу віброзбуджувача  різних схем його підключення.

Синтез схем проектованого вібропресового обладнання за допомогою структурної матриці-визначника здійснюється послідовним вибором варіантів технологічних та конструктивних смислових дільників. Схеми технологічних смислових дільників визначають робочий процес і аналізуються з врахуванням властивостей порошкового матеріалу заготовки. У зв’язку з цим, вважаємо їх заданими або ключовими. Варіанти конструктивних смислових дільників розглядаємо згідно із ключовими дільниками, а також з врахуванням заданих умов експлуатації обладнання, величин створюваних динамічних навантажень, характеру переміщень робочих ланок основного та допоміжного приводів, рекомендацій щодо переважного використання визначеного типу віброзбуджувача  різних схем його підключення.

Згідно із запропонованою послідовністю аналізу варіантів технологічних та конструктивних смислових дільників, а також з використанням позначень стовпців і рядків, в яких вони містяться, для будь-якої синтезованої схеми вібропресового обладнання може бути отриманий скорочений умовний запис – код.

Наприклад, графу зі схемою, що характеризує конструктивний смисловий дільник „тип станини – консольний” (стовпець К1, рядок П3) позначаємо К13, а найрозповсюдженіший (див. рис. 4.20) варіант схеми ІВПМ записуємо кодом Т11.Т.21.К12.К21.К31.К.42 або в скороченій формі Т11.21; К12.21.31.42. Аналогічний варіант схеми, але при підключенні віброзбуджувача „на виході”, має код Т13.21; К12.21.31.43. Варіанти схем ІВПМ, зображених на рис. 4.21, 4.22 за допомогою структурної матриці-визначника відповідно кодуються: Т13.23; К12.21.31.41:41 та Т14.24; К12.23.31.42:43 (двокрапкою відокремлені ознаки одного смислового дільника).

Запропонований матричний спосіб зберігання та використання інформації щодо схем виконання структурних ланок вібропресового обладнання, на нашу думку, дозволяє значно полегшити розв’язання задач його синтезу, особливо на перший стадії проектування.

На другій стадії проектування звичайно виконується конструктивна розробка елементів основних структурних ланок вібропресового обладнання. Найскладнішою з них за конструкцією є віброзбуджувач гідроімпульсного приводу. Останнє пояснюється, головним чином, відсутністю про нього відомостей узагальнювалього характеру.

Для реалізації на другій стадії проектування положень системного підходу, що полягають у послідовному застосуванні методів аналізу та синтезу для складових елементів віброзбуджувачів ГІП, нами розроблена структурна матриця-визначник вибору їх конструктивних схем (рис. 2.4). Рядки матриці відповідають конструктивним смисловим дільникам А і Б, що містять схеми запірних елементів першого та другого каскаду віброзбуджувачів, причому для смислового дільника А схеми додатково класифікуються залежно від способу відкриття запірного елемента на величину повного прохідного перерізу – за рахунок змінної площі підхвату (А1) або за допомогою штовхача з дроселем (А2).

В трьох основних стовпцях матриці розташовуються схеми варіантів відповідних смислових дільників, які згруповані за типами використовуваних запірних елементів: кулькових (К), клапанних (Кл) і золотникових (З). Кожен з основних стовпців додатково розділюється на два, в яких містяться схеми варіантів конструктивного виконання запірних елементів віброзбуджувачів (К1 і К2, Кл1 і Кл2, З1 і З2), що забезпечують відповідну дво- і триходову схему розподілення робочої рідини.

При проектуванні віброзбуджувача вибір типу його запірного елемента визначається заданими умовами експлуатації та можливостями виготовлення, габаритами конструкції і способом герметизації, властивостями робочої рідини та схеми її розподілення. Вказані умови звичайно формулюються після завершення робіт на першому етапі проектування, що значно спрощує розв’язання задач синтезу віброзбуджувачів для вібропресового обладнання.

Код віброзбуджувача укладаємо в послідовності від першого каскаду (вибір способу відкриття запірного елемента – А1 або А2, його конструктивного виконання і схеми розподілення робочої рідини) до другого каскаду – на основі позначень аналогічних смислових дільників. Для однокаскадних віброзбуджувачів позначення щодо другого каскаду опускаємо або записуємо в коді 0.

Приклад запису коду А132 або А132-0 свідчить про вибір однокаскадного віброзбуджувача зі змінною площею підхоплення золотникового запірного елемента, що забезпечує триходове розподілення робочої рідини. Код віброзбуджувача А2К1-Б32 вказує на двокаскадний апарат, у якого в першому (допоміжному) каскаді застосовується штовхач з дроселем для відкриття клапанного запірного елемента, що забезпечує двоходове розподілення робочої рідини, а в другому (основному) каскаді – золотниковий запірний елемент з триходовим розподіленням робочої рідини.

В кожній графі матриці (див. рис. 2.4) розташовуємо схеми можливих варіантів конструктивного рішення вузлів із запірними елементами відомих [14 - 18, 24 - 46] віброзбуджувачів, що, на нашу думку, сприяє інтенсифікації процесу проектування і одночасно дозволяє узагальнити накопичений досвід в даному напрямку. Якщо відомості щодо конструкції віброзбуджувача відсутні або її створення практично неможливе, то у відповідній графі матриці ставимо прочерк. На схемах варіантів конструктивного рішення вузлів із запірними елементами одно- і двокаскадних віброзбуджувачів взяті позначення: 1 – запірний елемент І-го каскаду; 2 – запірний елемент ІІ-го каскаду; 3 – пружина; 4 – штовхач; 5 – змінне сідло; 6 – проставка; 7 – дросель регулювання перепаду тиску.

Найрозповсюдженіші схеми [161] А1К1, А1Кл1, А2К1, А2, Кл1, А2З1 використовуються при проектуванні одно каскадних віброзбуджувачів, а також перших каскадів двокаскадних віброзбуджувачів (запірні елементи зі штовхачами (А2) рекомендуються переважно для перших каскадів).

Конструктивні рішення вузлів ІІ-го каскаду звичайно повторюють рішення вузлів І-го каскаду.