Компонентно-структурный анализ

 

При проведении компонентного анализа выполняется выделение элементов (операций) верхнего (первого) иерархического уровня и элементов надсистемы, с которыми взаимодействует техническая система (технологический процесс). Здесь же может быть определен состав элементов (операций) верхнего иерархического уровня, то есть элементы второго иерархического уровня.

При проведении структурного анализа выявляются связи между элементами (операциями) технологического процесса и надсистемы, которые выделены при выполнении компонентного анализа. Компонентный и структурный анализы представлены в таблице 3.4.

Анализ проводился на верхнем и нижнем иерархических уровнях. При рассмотрении учитывались только значимые узлы конструкции экскаватора выполняющие основные функции операций технологического процесса.

Элементы подсистемы (верхний иерархический уровень):

1. Ковш;

2. Рукоять;

.   Стрела;

.   Поворотная платформа;

.   Гидросистема

.   Силовая установка;

.   Опорно-поворотное устройство;

.   Механизм поворота платформы;

.   Противовес;

.   Ходовое устройство.

Элементы надсистемы:

1. Грунт (груз);

2. Воздух;

. Гравитация.

Компонентно-структурный анализ показал наличие большого количества связей элементов подсистемы и надсистемы, и выявил нежелательные эффекты этих связей.

Общее количество взаимодействий - 50.

Количество нежелательных эффектов - 15:

1. Нежелательный эффект 1 (НЭ1) - рукоять-ковш: ограничение траектории движения ковша;

2. Нежелательный эффект 2 (НЭ2) - рукоять-стрела: ограничение траектории движения рукояти;

.   Нежелательный эффект 3 (НЭ3) - стрела-рукоять: ограничение траектории движения стрелы;

.   Нежелательный эффект 4 (НЭ4) - стрела-поворотная платформа: появление неуравновешенной силы;

.   Нежелательный эффект 5 (НЭ5) - поворотная платформа-опорно-поворотное устройство: неравномерная передача весовой нагрузки во время поворота платформы;

.   Нежелательный эффект 6 (НЭ6) - поворотная платформа-механизм поворота платформы: появление сил инерции при разгоне и торможении;

.   Нежелательный эффект 7 (НЭ7) - гидросистема - силовая установка: потери мощности двигателя на преодоление сопротивления жидкости в гидросистеме;

.   Нежелательный эффект 8 (НЭ8) - силовая установка-поворотная платформа: появление неуравновешенной силы в случае пустого ковша при минимальном радиусе вылета рабочего оборудования;

.   Нежелательный эффект 9 (НЭ9) - силовая установка-воздух: загрязнение окружающей среды;

.   Нежелательный эффект 10 (НЭ10) - противовес-поворотная платформа: появление неуравновешенной силы;

.   Нежелательный эффект 11 (НЭ11) - ходовое устройство-грунт: нарушение прочности грунта в результате превышения удельного давления или окружной силы;

.   Нежелательный эффект 12 (НЭ12) - грунт-ковш: износ поверхностей трения ковша и зубьев;

.   Нежелательный эффект 13 (НЭ13) - грунт-ковш: налипание (намерзание) грунта на стенки ковша;

.   Нежелательный эффект 14 (НЭ14) - грунт-ходовое устройство: создать сопротивление движению;

.   Нежелательный эффект 15 (НЭ15) - гравитация-грунт: в ковше затраты энергии на подъем грунта.

Общие выводы по элементному анализу:

1.  Экскаватор представляет собой сложную, разветвленную цепь взаимодействий и преобразований с большим количеством элементов;

2. Количество элементов надсистемы - 3; количество элементов подсистемы - 10;

.   Было выявлено 15 нежелательных эффектов в 50 взаимодействиях; общее количество возможных парных взаимодействий - 169;

.   Общее значение коэффициента эффективности составило 23%, что позволяет сделать вывод о крайне низкой эффективности исследуемой технологии и необходимости перехода к иным принципам технологического процесса.

Расчет коэффициента эффективности системы (КПД системы):

 

 (3.1)

где N_{(элем)ГПФ} - количество элементов, участвующих в главной полезной функции (ГПФ),

N_ВР - число вредных функций.

Коэффициент полезного действия существующего технологического процесса равен 23%. Для повышения эффективности процесса проведем свертывание технологической цепочки.

 

Функциональный анализ

 

Главной целью построения функциональной модели является выявление нежелательных эффектов рассматриваемой конструкции, связанных с наличием вредных функций и функций и с неадекватным уровнем их выполнения. Объектом анализа является существующая модель, существующая конструкция одноковшового экскаватора. Анализ выполнен в табличной форме (см. таблицу 3.4). Обозначения даны в таблице 3.3.

 

Таблица 3.3 - Обозначения, используемые в таблице 3.4

ТИП	Ос - основная
	Об - обеспечивающая
	Д - дополнительная
	Вр - вредная
РАНГ	1 - самый значимый
	2 - средней значимости
	3 - незначительная

 

Таблица 3.4 - Элементы и типы их функций

Элементы	ФУНКЦИИ	ТИП	РАНГ
1 Ковш	1.1 Резание грунта 1.2 Перемещение груза 1.3 Держит грунт в себе 1.4 Рыхлит грунт 1.5 Создает сопротивление перемещению грунта 1.6 Создает силу инерции при разгоне и торможении 1.7 Удерживает грунт на стенках при разгрузке	Ос Ос Об Д Вр Вр Вр	1 1 1 3 1 2 1
2 Рукоять	2.1 Перемещение ковша 2.2 Ограничение траектории движения ковша 2.3 Ограничение траектории движения рукояти 2.4 Создает силу инерции при разгоне и торможении	Ос Вр Вр Вр	1 1 2 2
3 Стрела	3.1 Перемещение рукояти 3.2 Перемещение стрелы 3.3 Ограничение траектории движения рукояти 3.4 Ограничение траектории движения стрелы 3.5 Создает неуравновешенную силу на поворотной платформе 3.6 Создает силу инерции при разгоне и торможении	Ос Ос Вр Вр Вр Вр	1 1 2 2 1 2
4 Поворотная платформа	4.1 Перемещение рабочего оборудования 4.2 Создает силу инерции при разгоне и торможении 4.3 Неравномерная передача весовой нагрузки платформы на опорно-поворотное устройство	Ос Вр Вр	1 2 1
5 Гидросистема	5.1 Управление основными движениями экскаватора 5.2 Преобразование вращательных движений в возвратно-поступательные движения рабочих органов 5.3 Распределение усилий на органы управления 5.4 Регулирование скорости перемещения рабочих органов	Ос Об Об Об	1 1 1 1
6 Силовая установка	6.1 Создать механическую энергию 6.2 Загрязнение окружающей среды 6.3 На поворотной платформе создает неуравновешенную силу в случае пустого ковша при минимальном радиусе вылета рабочего оборудования	Ос Вр Вр	1 1 1
7 Опорно-поворотное устройство	7.1 Воспринимать усилия 7.2 Изменить положение платформы	Ос Об	1 1
8 Механизм поворота платформы	8.1 Приводит во вращение поворотную часть экскаватора относительно ходового устройства 8.2 Затормозить движение	Об Об	1 1
9 Противовес	9.1 Создает неуравновешенную силу на поворотной платформе 9.2 Компенсировать вес рабочего оборудования	Вр Об	1 1
10 Ходовое устройство	10.1 Нарушение прочности грунта в результате превышения удельного давления или окружной силы 10.2 Перемещение экскаватора 10.3 Потерять мощность	Вр Об Вр	2 1 1
11 Грунт(груз)	11.1 Держать экскаватор 11.2 Создать сопротивление движению ковша 11.3 Создать сопротивление резанию 11.4 Налипать на поверхность ковша 11.5 Изнашивать зубья и ковш 11.6 Создать силу инерции	Ос Вр Вр Вр Вр Вр	1 1 1 1 1 1
12 Воздух	12.1 Поддерживать горение в ДВС 12.2 Держать вес в пневмошинах	Ос Об	1 1
13 Гравитация	13.1 Создать динамическую силу при резании 13.2 Способствовать разгрузке ковша от грунта 13.3 Создать затраты энергии на подъем 13.4 Создать силы инерции	Об Об Вр Вр	1 1 1 1

 

Из функционального анализа можно сделать вывод:

Имеется значительное количество вредных функций - 24. Это говорит о том, что существующая конструкция несовершенна;

Имеются элементы, обладающие значительным количеством вредных функций;

Значительная доля операций предполагает привлечение к процессу человека, осуществляющего управление операциями цикла

Результаты анализа содержатся в таблице 3.5. Графическое представление результатов изображено на рисунке 3.7.

 

Таблица 3.5 - Результаты функционального анализа

Основные	11 функций
Обеспечивающие выполнение ГПФ	12 Функций
Вспомогательные (дополнительные)	1 функций
Вредные	24 функций

 

Рисунок 3.7 - Результаты функционального анализа (диаграмма распределения функций)

 

Повышение идеальности технической системы - экскаватор (конструкции) осуществляем путем свертывания - упрощение системы при сохранении количества и увеличении качества полезных функций (см. рисунок 3.8)

Процесс свертывания будем производить от периферии к ее функциональному центру. Функциональными центром («Рабочим органом») является ковш экскаватора. Свертывание идет путем исключения или объединения отдельных подсистем в направлении к ковшу путем передачи функций свернутых элементов оставшимся элементам. Выделим элементы с наибольшим количеством вредных функций (исключая элементы надсистемы)

1. Рукоять. Вредные функции:

- ограничить радиус копан

создать силу инерции;

- создать переменный опрокидывающий момент

. Стрела. Вредные функции:

создать переменный опрокидывающий момент;

создать силы инерции;

ограничить радиус копания;

3. Противовес. Вредные функции:

- создать неуравновешивающую силу;

создать момент инерции во время поворота.

. Поворотная платформа. Вредные функции:

создает силу инерции при разгоне и торможении;

неравномерная передача весовой нагрузки платформы на опорно-поворотное устройство.

Рукоять и стрела сворачиваются в ковш и в ходовое устройство.

Противовес - в ходовое устройство.

Поворотная платформа - в ходовое устройство.

Свертывание значительно упростило внутреннюю структуру технической системы и сильно ее изменило. Исключив отдельные элементы, выполняемые ими функции, передаются «Рабочему органу». Список направлений совершенствования технической системы представлен в таблице 3.6.

С целью выявления нежелательных эффектов свернутой технической системы построим функциональную модель.

Анализ выполнен в табличной форме (см. таблицу 3.6). Обозначения даны в таблице 3.3. Результаты анализа содержатся в таблице 3.7. Графическое представление результатов изображено на рисунке 3.9.

 

Таблица 3.6 - Элементы и типы их функций

Элементы	ФУНКЦИИ		ТИП	РАНГ
1 Ковш	1.1 Резание грунта 1.2 Перемещение груза 1.3 Держит грунт в себе 1.4. Рыхлит грунт 1.5 Создает сопротивление перемещению грунта 1.6 Создает силу инерции при разгоне и торможении 1.7 Удерживает грунт на стенках при разгрузке 1.8 Перемещение ковша		Ос Ос Об Д Вр Вр Вр Ос	1 1 1 3 1 2 1 1
2 Гидросистема	2.1 Управление основными движениями экскаватора 2.2 Преобразование вращательных движений в возвратно-поступательные движения рабочих органов 2.3 Распределение усилий на органы управления 2.4 Регулирование скорости перемещения рабочих органов		Ос Об Об Об	1 1 1 1
3 Силовая установка	3.1 Создать механическую энергию 3.2 Загрязнение окружающей среды		Ос Вр	1 1
4 Ходовое устройство	4.1 Нарушение прочности грунта в результате превышения удельного давления или окружной силы 4.2 Перемещение экскаватора 4.3 Потерять мощность		Вр Об Вр	2 1 1
5 Грунт(груз)		5.1 Держать экскаватор 5.2 Создать сопротивление движению ковша 5.3 Создать сопротивление резанию 5.4 Налипать на поверхность ковша 5.5 Изнашивать зубья и ковш 5.6 Создать силу инерции	Ос Вр Вр Вр Вр Вр	1 1 1 1 1 1
6 Воздух		6.1 Поддерживать горение в ДВС 6.2 Держать вес в пневмошинах	Ос Об	1 1
7 Гравитация		7.1 Создать динамическую силу при резании 7.2 Способствовать разгрузке ковша от грунта 7.3 Создать затраты энергии на подъем 7.4 Создать силы инерции	Об Об Вр Вр	1 1 1 1

 

Таблица 3.7 - Результаты функционального анализа

Основные	7 функций
Обеспечивающие выполнение ГПФ	8 функций
Вспомогательные (транспортные и дополнительные)	1 функций
Вредные	13 функций

 

Рисунок 3.9 - Результаты функционального анализа (диаграмма распределения функций)

 

Направления совершенствования технологического процесса представлены в таблице 3.8.

 

Таблица 3.8 - Список направлений совершенствования технологического процесса

1 Как переместить ковш без рукояти и стрелы?

2 Как без противовеса компенсировать вес рабочего оборудования?

3 Как без поворотной платформы переместить рабочее оборудование?