Статья: Технико-экономическое обоснование выбора проектного решения
--PAGE_BREAK--19.2. Критерии развития технических объектов 19.2.1. Классификация критериевКритерии развития – это те параметры технического объекта, которые на протяжении длительного времени монотонно изменяются, приближаясь к своему пределу, и выступают мерой совершенства и прогрессивности.
Технические объекты совершенствуются в направлении улучшения критериев. Поскольку качество любой машины оценивается по нескольким критериям, то принцип прогрессивного развития заключается в улучшении одних и не ухудшении других критериев.
<img width=«497» height=«409» src=«ref-1_132676586-10202.coolpic» v:shapes="_x0000_s1789 _x0000_s1525 _x0000_s1526 _x0000_s1527 _x0000_s1528 _x0000_s1529 _x0000_s1530 _x0000_s1533 _x0000_s1534 _x0000_s1531 _x0000_s1532 _x0000_s1535 _x0000_s1536 _x0000_s1537 _x0000_s1539 _x0000_s1540 _x0000_s1541 _x0000_s1461 _x0000_s1463 _x0000_s1462 _x0000_s1344 _x0000_s1346 _x0000_s1347 _x0000_s1349 _x0000_s1350 _x0000_s1351 _x0000_s1352 _x0000_s1353 _x0000_s1354 _x0000_s1355 _x0000_s1464 _x0000_s1465 _x0000_s1466 _x0000_s1467 _x0000_s1468 _x0000_s1469 _x0000_s1471 _x0000_s1472 _x0000_s1474 _x0000_s1475 _x0000_s1476 _x0000_s1477 _x0000_s1478 _x0000_s1479 _x0000_s1480 _x0000_s1481 _x0000_s1482 _x0000_s1483 _x0000_s1484 _x0000_s1485 _x0000_s1486 _x0000_s1487 _x0000_s1488 _x0000_s1489 _x0000_s1490 _x0000_s1491 _x0000_s1492 _x0000_s1493 _x0000_s1494 _x0000_s1495 _x0000_s1496 _x0000_s1497 _x0000_s1498 _x0000_s1499 _x0000_s1500 _x0000_s1501 _x0000_s1502 _x0000_s1503 _x0000_s1504 _x0000_s1505 _x0000_s1506 _x0000_s1507 _x0000_s1508 _x0000_s1509 _x0000_s1510 _x0000_s1511 _x0000_s1512 _x0000_s1513 _x0000_s1514 _x0000_s1515 _x0000_s1516 _x0000_s1517 _x0000_s1518 _x0000_s1522 _x0000_s1523 _x0000_s1524 _x0000_s1538 _x0000_s1519 _x0000_s1520 _x0000_s1521 _x0000_s1543">Схема классификации критериев развития приведена на рис. 34 [30].
Для оценки качества машин используют четыре группы критериев развития: функциональные, технологические, экономические и антропологические.
19.2.2. Функциональные критерии развития
Функциональные критерии развитияхарактеризуют производительность, точность и надежность станков. Критерий производительности зависит от ряда параметров (скорость, частота вращения валов, количество шпинделей и т.п.), влияющих на производительность станка.
Точность изготовления изделий регулируется квалитетами.
Критерий надежностиотражает свойство машины выполнять определенные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или необходимой наработки [13]. Надежность машины включает показатели безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости, долговечности. Количественными критериями надежности служат вероятность безотказной работы, число отказов (или интенсивность отказов) и наработка на отказ.
19.2.3. Технологические критерии развития
Технологические критерии развитияхарактеризуют возможность экономии живого труда при изготовлении и подготовке к эксплуатации машин.
Критерий трудоемкостиизготовления машины находят как частное от деления суммарной трудоемкости АТС проектирования, изготовления и подготовки к эксплуатации изделия на главный показатель эффективности Q:
Кт = Атс/Q.
В качестве главного показателя эффективности машины можно принять установленную мощность приводов, кВт, или другой показатель.
Критерий технологических возможностейотражает простоту и принципиальную возможность изготовления машины. Характеризуется он коэффициентом технологических возможностей Ктв.
Значение коэффициента 0 £Ктв£1, и чем он больше, тем больше сохраняются известные решения в машине, тем в большей степени используются покупные и унифицированные элементы, многократно проверенные в работе и изготовлении.
Конструктор часто стремится удовлетворить высокие требования к машине известными, традиционными структурами, используя конструктивные решения, уже отработанные на известных образцах. Такой подход требует минимума затрат времени и средств, но влечет за собой нежелательные последствия.
При излишнем увлечении преемственностью, заимствованием, унификацией, попыткой воспользоваться тем, что уже создано и опробовано, невозможно обеспечить требуемого роста уровня показателей машин, невозможно лидировать на мировом рынке. Спроектированные таким образом машины быстро морально стареют и через короткое время нуждаются в дополнительной модернизации.
Однако это не значит, что надо разрабатывать только новые машины. Как правило, желаемого результата можно достичь при комбинации известных решений с новыми структурными решениями, построенными на современных физических и технологических принципах.
Обычно в новые современные машины из ранее разработанных прототипов переносится в среднем до 50% конструктивных решений без переделок или с частичными изменениями. При этом высокие значения показателей преемственности достигаются в основном за счет второстепенных структурных элементов, переносимых из одного поколения машин в другое. Основные подсистемы при этом, как правило, создаются заново [43].
Критерий использования металловКим характеризует технологический процесс изготовления деталей машины и равен отношению массы машины G к массе израсходованных материалов Р (при этом покупные комплектующие элементы не учитываются): Ким = G/P .
Значение Ким в целом не превышает 0,55.
Критерий расчленения машины на элементыслужит мерой оптимальности расчленения машины на узлы и детали с целью упрощения технологии разработки, доводки, изготовления, ремонта, модернизации, унификации и стандартизации.
Чем меньше в машине сборочных единиц и деталей, тем меньше ее масса, выше жесткость и надежность, меньше трудоемкость механической обработки и сборки.
Большее расчленение машины на сборочные единицы и детали тоже имеет свои преимущества. Большее расчленение машины с новыми элементами позволяет сократить время и трудоемкость разработки и доводки машины в целом. В процессе разработки и доводки нового станка экономичнее и проще устранять недостатки отдельных более простых узлов и деталей. Расширяются возможности унификации и стандартизации.
продолжение
--PAGE_BREAK--19.2.4. Экономические критерии развития
Критерий металлоемкости Км равен отношению массы машины Gк к ее главному показателю эффективности Q (установленная мощность, кВт, максимальная ширина обработки, см, для фуговальных, рейсмусовых и других станков, производительность, шт./мин, м/мин и т.д.): Км = Gк/Q.
Критерий энергоемкостиКэ находится как отношение затраченной энергии при эксплуатации в единицу времени W к одному из показателей эффективности Q: Кэ = W/Q .
Критерий затрат на информационное обеспечениеКио определяется как отношение затрат S на приобретение и эксплуатацию вычислительной техники, разработку программного или информационного обеспечения к одному из показателей эффективности Q: Кио = S/Q.
Критерий габаритных размеровКг равен отношению габаритных размеров машины V к ее эффективности Q: Кг = V/Q .
Чем меньше значение Кг, тем меньше машина занимает производственную площадь, тем меньше расход материалов на ее изготовление.
19.2.5. Антропологические критерии развития
Антропологические критерии развития обеспечивают максимальную приспособленность машины к человеку, снижение дискомфорта, повышение положительных эмоций.
Критерий эргономичностихарактеризует использование в системе человек-машина физических, психологических и интеллектуальных возможностей человека. Критерий равен отношению реализуемой эффективности системы человек–машина к максимально возможной эффективности этой системы.
Критерии красоты,безопасности и экологичности характеризуют внешний вид машины, ее безопасность и способность не причинять вреда окружающей среде.
19.2.6. Критерии для оценки деревообрабатывающих машин
Общее количество критериев, применяемых для оценки деревообрабатывающих машин, можно разделить на две группы: общие для всех случаев (глобальные) и критерии, характерные для частных случаев [44].
Из числа глобальных наиболее важными считают следующие:
– повышение уровня автоматизации основных технологических операций;
– повышение уровня механизации и автоматизации вспомогательных операций;
– повышение непрерывности процесса обработки;
– увеличение надежности работы станка;
– снижение уровня трудозатрат живого труда в изделии;
– снижение общей трудоемкости изделия;
– повышение уровня технологичности станка;
– снижение материалоемкости (металлоемкости) станка;
– достижение оптимального расчленения станка на части;
– снижение энергопотребления;
– уменьшение габаритов станка;
– улучшение условий эксплуатации и обслуживания станка;
– повышение безопасности работы и обслуживания станка;
– улучшение внешнего вида (красоты) станка;
– повышение экологичности станка.
В качестве частных критериев, часто используемых при оценке станков и их узлов, назовем следующие:
– высокая скорость резания;
– широкий диапазон регулирования подачи;
– плавность регулирования подачи;
– точность и стабильность базирования;
– точность обработки;
– качество обработки;
– устойчивость к вибрациям;
– высокая износостойкость;
– защищенность от перегрузок;
– низкий уровень шума;
– отсутствие монотонности в работе оператора;
– легкость обслуживания;
– простота системы управления;
– отсутствие «капризных» механизмов, требующих частой наладки;
– простота и удобство наладки станка.
Для каждого конкретного случая проектирования технической системы конструктор подбирает перечень критериев развития из списка глобальных и частных критериев. Основой для выбора служат требования, предъявляемые к проектируемой системе. При этом уже на стадии выбора проектного решения конструктор стремится, чтобы система максимально удовлетворяла всем выбранным критериям.
продолжение
--PAGE_BREAK--Контрольные вопросыи задания
1. Как называют параметры технического объекта, зависимые и независимые от окружающей среды?
2. Что такое критерии развития?
3. Приведите классификацию критериев развития.
4. Как критерии развития учитывают преемственность технических объектов?
5. Поясните сущность критерия расчленения технического объекта на элементы.
6. Что учитывают эргономические критерии развития?
7. Какие критерии называют общими и частными?
19.3. Оптимизация технических решений 19.3.1. Общие сведения
Для решения задачи оптимизации необходимо иметь множество возможных (альтернативных) решений Y (рис. 35). В этом множестве можно выделить множество допустимых решений Y
д. Решение называют допустимым, если оно удовлетворяет ограничениям (требованиям, предъявляемым к объекту): ресурсным, социальным и т.д. При этом
Y
д ÍY,
где символ Íозначает, что множество Yд есть часть или совпадает с множеством Y возможных решений. В множестве допустимых решений можно выделить множество эффективных решений Yэ, которое включает в себя несравнимые между собой наилучшие решения:
Yэ ÍYд.
Решение Yэ называется оптимальным, если оно обеспечивает экстремум (максимум, минимум) одновременно всех критериев. Оптимальное решение находится в множестве эффективных решений:
Yо ÍYэ.
Поскольку все критерии одновременно не могут принять экстремальные значения, то при решении многокритериальной задачи находят только рациональное решение.
<img width=«148» height=«157» src=«ref-1_132686788-3322.coolpic» v:shapes="_x0000_s1682 _x0000_s1666 _x0000_s1667 _x0000_s1668 _x0000_s1669 _x0000_s1670 _x0000_s1671 _x0000_s1672 _x0000_s1673 _x0000_s1674 _x0000_s1675 _x0000_s1676 _x0000_s1677 _x0000_s1678 _x0000_s1679 _x0000_s1680 _x0000_s1681">Таким образом, задача оптимизации направлена на определение наилучшего (рационального) решения, путем последовательного сужения множеств Y, Yд, Y
эв соответствии с допустимыми ограничениями и принятыми критериями [45, 46]:
Y
о ÍYэ ÍYд
ÍY.
Чем больше подобрано альтернативных вариантов, и чем более удачно подобраны критерии, тем больше вероятность того, что найденное решение будет самым лучшим.
В инженерной практике оптимизации можно отметить два правила:
– получение желаемого эффекта при минимуме затрат;
– получение максимального эффекта при использовании заданных ограниченных ресурсов.
Эти правила обрели значение экономических законов.
Субъектом всякого решения является лицо, принимающее решение (ЛПР). Это собирательное понятие, включающее как одно индивидуальное лицо, так и группу лиц (групповое ЛПР) [47].
ЛРП осуществляет выбор решения. Выбор – это ключевая процедура процесса оптимизации. Выбор может быть критериальный, волевой и случайный.
С помощью критериев решаются одно- и многокритериальные задачи. Выбор с помощью критериев – самый точный.
Волевой выбор решения представляет собой осознанный и ответственный выбор в условиях, когда отсутствует полный комплекс критериев.
Случайный выбор применяется при полном незнании критериев оценки. Им можно пользоваться, когда область допустимых решений минимальна.
продолжение
--PAGE_BREAK--19.3.2. Концепция принятия решений
Концепция принятия решений представляет собою систему взглядов, которая определяет общую направленность и методику принятия решений.Концепция включает следующие пункты [47].
1. В задаче принятия решений ЛПР выполняет основную роль. Оно принимает решения на основе своих предпочтений и несет за них ответственность.
2. Эксперты выполняют вспомогательную роль. Они несут ответственность только за свои рекомендации.
3. Измерение качества решений осуществляется на основе формирования альтернативных вариантов и их сравнительной оценки. Для оценки нужны альтернативные варианты, хотя бы два. Сравнительная оценка решений является единственным способом измерения предпочтительности в условиях отсутствия эталонов.
4. В условиях неопределенности может не существовать единственного оптимального решения. Для ЛПР, имеющих различные предпочтения, решения будут разными.
19.3.3. Ранжирование
Для облегчения процесса выбора, исследуемые варианты оцениваются количественно и качественно. Количественное измерение важности и предпочтительности вариантов решений выполняется методом ранжирования.
Ранжирование – это процедура упорядочения.Выполняется она ЛПР. При ранжировании варианты решений расставляются в порядке предпочтения по отношению к каждому критерию.
Если среди вариантов нет эквивалентных (равнозначных) решений, то из них можно составить последовательность
<img width=«123» height=«20» src=«ref-1_132690110-195.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">, (37)
где вариант х1 более предпочтителен из всех вариантов;
вариант х2 менее предпочтителен х1, но предпочтительнее всех остальных и т.д.
Отношение (1) можно записать отношением чисел
с1 >с2 >с3 >…>сm.
Возможна обратная последовательность чисел
с1 <с2 <с3 <…<сm. (38)
Если наиболее предпочтительному варианту присвоить число 1, то получим числовую последовательность
1 <2 <3 <…<m. (39)
Здесь числа 1, 2, 3,…mназывают рангами.
При ранжировании наиболее предпочтительному варианту присваивается ранг, равный единице, второму по предпочтительности – ранг, равный двум и т.д. Для эквивалентных вариантов назначаются одинаковые ранги, равные среднему арифметическому значению рангов. В этом случае, например, ранги r1 =r2 =r3 = (3+4+5)/3 = 4.
продолжение
--PAGE_BREAK--19.3.4. Выбор эффективных решений
Выбор решений – это заключительный и наиболее ответственный этап процесса принятия решений. Выбор выполняют путем последовательного сужения области решений и уменьшения неопределенностей. При этом множество допустимых вариантов решений сужается до множества эффективных вариантов решений. Процедура эта выполняется следующим образом.
Пусть множество допустимых решений содержит варианты Y1, Y2,…Y8. Для оценки вариантов подобраны критерии вариантов А1, А2,…А6.
Для определения эффективных решений значения всех критериев развития по вариантам приводят к рангам, и результаты заносят в таблицу (табл. 21).
Таблица 21
Ранжирование вариантов решений по критериям
Решения
Критерии развития
А1
А2
А3
А4
А5
А6
Y1
1
2
1
1
1
1
Y2
2
3
2
2
2
1
Y3
3
1
3
3
3
3
Y4
4
1
4
4
4
3
Y5
2
2
2
2
3
2
Y6
3
3
3
3
4
2
Y7
4
1
4
4
5
4
Y8
5
1
5
5
6
4
Сначала ранжируют варианты решений по критерию А1. Для этого надо определить: в каком решении критерий А1 наилучшим образом реализован. В приведенном примере предпочтение отдано варианту Y1, и ему присвоен ранг 1. Остальные варианты решений менее предпочтительны, и им присвоены ранги в пределах 2…5. Затем решения ранжируют последовательно по остальным критериям.
Определение области эффективных решенийделается путем попарного сравнения вариантов решений. Сравнение выполняются по принципу Парето, согласно которому одно решение Yiпредпочтительнее другого решения Yj, если выполняется векторное отношение “не хуже”:
(уi1, уi2, …уiq,) ³(уj1, уj2, …уjq,).
Таким образом, одно решение предпочтительнее другого, если все значения рангов первого решения не хуже значений соответствующих рангов второго решения и, по крайней мере, для одного критерия имеет место строгое предпочтение.
Будем сравнивать решения попарно. Сравниваем ранги решений Y1 и Y2. Первое решение будет предпочтительнее второго, так как его ранги выше, а шестой ранг не хуже чем у второго. Второе решение исключается из дальнейшего рассмотрения.
Затем сравниваем Y1 и Y3. Все ранги первого решения выше, чем у третьего, но второй ранг хуже и поэтому третье решение исключить из рассмотрения нельзя.
Сравнивая попарно остальные решения, приходим к выводу, что все они хуже, чем решения Y1 и Y3. Все они исключаются из дальнейшего рассмотрения.
Таким образом, область допустимых решений сужена до двух эффективных решений Y1 и Y3.
продолжение
--PAGE_BREAK--19.3.5. Определение единственного решения
Определение единственного решения – заключительный этап процедуры выбора. Для решения задачи нужна дополнительная информация. Если такой информации нет, то решение можно выбрать из области эффективных решений волевым порядком. Волевое решение будет близко к оптимальному.
Дополнительная информация может быть подготовлена группой экспертов, которые могут установить вес w
j для каждого выбранного критерия. Вес критерия назначают в пределах 0…1 (1 – существенная значимость критерия; 0,5 умеренная значимость; 0 – несущественная значимость). Для оптимального решения
<img width=«125» height=«45» src=«ref-1_132690305-335.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027">, (40)
где Кs– значения рангов для каждого решения.
Для предыдущего примера результаты выбора рационального решения сведены в табл. 22.
Таблица 22
Выбор рационального решения
Решения
Критерии развития
<img width=«42» height=«36» src=«ref-1_132690640-163.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028">
А1
А2
А3
А4
А5
А6
Y1
1/1
2/2
1/0,5
1/0,4
1/0,2
1/0,1
3,2
Y3
3/3
1/1
3/1,5
3/1,2
3/0,6
3/0,3
7,6
Вес w
j
1
1
0,5
0,4
0,2
0,1
Примечание. В числителе – значения рангов; в знаменателе произведение значения ранга на вес.
Оптимальным будет решение Y1.
Таким образом, рациональным будет то решение, для которого указанная сумма будет минимальна.
продолжение
--PAGE_BREAK--19.3.6. Пример выбора оптимального решения
Дано: на начальной стадии проектирования лесопильной установки для распиловки бревен на пиломатериалы было предложено три варианта установки: лесопильная рама Р, ленточнопильный станок Л, круглопильный станок Ц.
Основные требования, предъявляемые к лесопильной установке:
– минимум энергопотребления;
– максимальная производительность;
– максимальный выход пиломатериалов за счет сокращения доли опилок;
– минимальная металлоемкость;
– надежность, безотказность в работе.
Требуется выбрать для дальнейшего проектирования лучшую лесопильную установку.
Решение. За критерии оценки вариантов приняты указанные требования:
К1 – критерий энергопотребления;
К2 – критерий производительности;
К3 – критерий выхода пиломатериалов;
К4 – критерий надежности;
К5 – критерий металлоемкости.
Определение множества эффективных решений.Для этого составим табл. 23 и проведем ранжирование вариантов по каждому критерию.
Таблица 23
Ранжирование вариантов по критериям
Варианты
Критерии
К1
К2
К3
К4
К5
Р
2
2
2
1
3
Л
1
3
1
2
1
Ц
3
1
3
3
2
Критерий К1 –энергопотребление. Энергопотребление будет меньше для того станка, у которого пила будет тоньше. По энергопотреблению предпочтение отдается ленточнопильному станку и ему присваивается ранг 1. Лесопильная рама менее предпочтительна, а круглопильный станок – самый энергоемкий.
Критерий К2 – производительность. Анализ производительности сделан по известным серийно выпускаемым станкам моделей Ц8Д8, 2Р50-3, ЛБЛ-150. Максимальная скорость подачи Vsmприведена к одной пиле:
для круглопильного станка Ц8Д8 – ранг R= 1;
Vsm= VsZ/1000 = 60 ×8 = 480 м/мин;
для лесопильной рамы 2Р50-3 – ранг R= 2;
Vsm = S2xnZ/1000 = 75 ×360 ×10/1000 = 270 м /мин;
для ленточнопильного станка ЛБЛ-150 – ранг R= 3; Vsm= 90 м/мин.
Критерий К3 –выход пиломатериалов. Предпочтение вариантов связано с толщиной пилы станка. Чем тоньше пила, тем меньше образуется опилок и тем больше выход пиломатериалов.
Критерий К4 –надежность, безотказность в работе. О надежности работы станка будем судить по безотказной работе пилы (возможные отказы – обрыв полотна пилы, потеря плоского напряженного состояния).
Критерий К5 –металлоемкость. Считаем, что самым легким станком будет ленточнопильный, ему присвоим ранг 1.
Сравнение вариантов ведем попарно по принципу Парето. Согласно принципу Парето первый вариант решения предпочтительнее второго, если ранги первого решения по всем критериям не хуже соответствующих рангов второго решения.
Попарное сравнение вариантов показало, что эквивалентных и заведомо плохих вариантов станков нет. Все варианты можно отнести к эффективным решениям.
Поиск единичного, наилучшего решения. Для выбора наилучшего варианта необходимо дополнительно знать весовой коэффициент Кsдля каждого критерия. Значения коэффициентов находятся экспертной комиссией на основании личных предпочтений каждого из экспертов. Оптимальное решение находится минимизацией суммы эффективных вариантов (табл. 24):
<img width=«112» height=«27» src=«ref-1_132690803-245.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029">.
Таблица 24
Оптимизация вариантов
Варианты
Критерии
<img width=«48» height=«25» src=«ref-1_132691048-154.coolpic» v:shapes="_x0000_i1030">
К1
К2
К3
К4
К5
Р
2/1
2/0,4
2/1
1/0,4
3/0,9
3,7
Л
1/0,5
3/0,6
1/0,5
2/0,8
1/0,3
2,7
Ц
3/1,5
1/0,2
3/1,5
3/1,2
2/0,6
5,0
Кs
0,5
0,2
0,5
0,4
0,3
Лучший вариант – ленточнопильный станок.
продолжение
--PAGE_BREAK--Контрольные вопросы
1. При каких условиях возможно решение задачи оптимизации?
2. Поясните содержание концепции принятия решений при оптимизации.
3. Что такое ранжирование? Какова процедура его выполнения?
4. Приведите пример ранжирования.
5. Как осуществляется оценка вариантов по принципу Парето?
6. Как найти наилучший вариант решения задачи?
20. Технико-экономическое обоснование проектного решения
Любая приближенная оценка разрабатываемого технического решения лучше, чем отсутствие оценки
(Из книги Евланова Л.Г. «Теория и практика применения решений»)
Каждое техническое решение, закладываемое в разрабатываемый объект, влечет за собой определенные затраты в изготовлении, эксплуатации и последующей утилизации и поэтому должно быть экономически оправданным.
Уже в начальной стадии проектирования разработчик имеет дело с вариантами решения задачи. Хорошо бы дать качественную и количественную оценки каждого из этих вариантов. Однако в начале проектирования конструктор не располагает достаточными данными для количественной оценки критериев. Значения критериев можно сосчитать только лишь при детальной проработке интересующего варианта конструкции, на что будет потрачено время и материальные ресурсы. В связи с этим выбор варианта производят по методике, изложенной выше.
Ниже разобран пример решения задачи.
20.1. Задача
Пусть темой проекта будет разработка линии для сращивания короткомерных пиломатериалов по длине. Информационные исследования уже выполнены и представлены на рис. 12 и 14. Опираясь на них, надо выбрать прототип с целью его улучшения. Это ответственная задача, так как прототип формирует сущность проектного решения. Если прототип будет выбран неудачно, то и проектное решение будет слабым.
Улучшая прототип, надо подготовить множество альтернативных вариантов решения задачи с тем, чтобы из них выбрать наилучшее решение. Алгоритм разработки проектного решения можно представить схемой (рис.36) [14, 43].
1. Описание проблемной ситуации. В деревообрабатывающем цехе образуются кусковые отходы сухих пиломатериалов длиной 100… 300 мм. Объем отходов – 2 м3 в смену. Сейчас эти отходы не находят применения и сжигаются. Цех несет убытки.
Для разрешения проблемной ситуации кусковые отходы древесины можно склеивать по длине на зубчатые шипы. Так, по крайней мере, делается в мировой практике.
Этому мешает отсутствие необходимого оборудования. Существующие линии, например фирмы Dimter, позволяют склеивать пиломатериалы длиной только 220...1000 мм или 300...2000 мм. Эти линии имеют большую производительность и значительные габариты (ширина их 5 м, а длина 15 м). Линии не пригодны для работы в небольших цехах – они занимают большую производственную площадь, и их невозможно загрузить по производительности.
Решение проблемы позволит дополнительно получить около 1,7 м3 пиломатериалов в смену по одному цеху.
2. Описаниефункции технического объекта. Обобщенное описание: линия должна обеспечить нарезание зубчатых шипов на обоих торцах заготовок немерной длины, нанесение клея на шипы, сборку и продольное прессование склеиваемых заготовок. Получаемая на выходе бесконечная лента пиломатериала должна раскраиваться на заданный размер по длине.
Количественное описание: размеры склеиваемых заготовок, мм: длина 100...300, ширина 50...150, толщина 25...50, производительность – 2 м3 кусковых отходов в смену.
3. Выбор прототипа и составление списка требований к нему. На основании имеющейся обобщенной информации (см. рис.12 и 14) можно сделать вывод, что наиболее перспективными являются те линии сращивания пиломатериалов по длине, в которых заготовки складываются в пакет формы «брус» для нарезания зубчатых шипов и нанесения клея, а затем поштучно подаются на сборку и продольное сжатие в продольный пресс.
<img width=«361» height=«568» src=«ref-1_132691202-9862.coolpic» v:shapes="_x0000_s1606 _x0000_s1410 _x0000_s1411 _x0000_s1412 _x0000_s1413 _x0000_s1547 _x0000_s1545 _x0000_s1388 _x0000_s1414 _x0000_s1415 _x0000_s1416 _x0000_s1417 _x0000_s1418 _x0000_s1419 _x0000_s1420 _x0000_s1421 _x0000_s1422 _x0000_s1423 _x0000_s1424 _x0000_s1425 _x0000_s1426 _x0000_s1427 _x0000_s1428 _x0000_s1429 _x0000_s1430 _x0000_s1431 _x0000_s1569 _x0000_s1549 _x0000_s1548 _x0000_s1389 _x0000_s1550 _x0000_s1551 _x0000_s1552 _x0000_s1553 _x0000_s1554 _x0000_s1555 _x0000_s1556 _x0000_s1557 _x0000_s1558 _x0000_s1406 _x0000_s1407 _x0000_s1408 _x0000_s1409 _x0000_s1560 _x0000_s1561 _x0000_s1562 _x0000_s1563 _x0000_s1564 _x0000_s1565 _x0000_s1570 _x0000_s1571 _x0000_s1572 _x0000_s1573 _x0000_s1574 _x0000_s1575 _x0000_s1576 _x0000_s1577 _x0000_s1578 _x0000_s1579 _x0000_s1580 _x0000_s1581 _x0000_s1582 _x0000_s1583 _x0000_s1584 _x0000_s1585 _x0000_s1586 _x0000_s1587 _x0000_s1588 _x0000_s1589 _x0000_s1590 _x0000_s1591 _x0000_s1592 _x0000_s1593 _x0000_s1594 _x0000_s1595 _x0000_s1596 _x0000_s1597 _x0000_s1598 _x0000_s1599 _x0000_s1600 _x0000_s1601 _x0000_s1602 _x0000_s1603 _x0000_s1604 _x0000_s1605">
Известна линия сращивания пиломатериалов по длине, включающая ленточный реверсивный конвейер 1, смонтированный на вертикальной оси, с возможностью поворачиваться к упору 2 и пилофрезерному узлу 3 с клеенаносящим устройством 4, смонтированными на суппорте 5 (рис. 37, а). За ленточным конвейером расположен механизм поштучной выдачи 6 заготовок, продольный пресс 7 с подающим конвейером и тормозной колодкой 8, а также торцовочный станок 9.
<img width=«400» height=«252» src=«ref-1_132701064-4008.coolpic» v:shapes="_x0000_s1662 _x0000_s1660 _x0000_s1661">
Список требований. Улучшенная линия должна обеспечить:
– обработку кусковых отходов древесины размерами, мм: длиной 100...300; шириной 50...150 и толщиной 25...50;
– образование на линии минимума новых древесных отходов;
– снижение энергоемкости пресса;
– уменьшение габаритов;
– производительность линии около 2 м3 в смену.
4. Список недостатков прототипа. Прототип имеет следующие недостатки:
а) на линии невозможно обработать заготовки длиной 100 мм, так как их трудно сбазировать и зафиксировать на конвейере, а затем передать пакет на следующий конвейер. Это объясняется тем, что радиус барабанов, на которые надета лента конвейера, соизмерим с длиной заготовки;
б) шипы на переднем и заднем торцах заготовок нарезаются зеркально, в результате чего после склеивания боковая кромка ленты получается ступенчатой, уходящей в отход при последующей обработке (рис. 37, б);
в) линия имеет большие габаритные размеры и занимает большую производственную площадь;
г) пресс слишком энергоемок.
Указанные недостатки можно ранжировать (расставить по важности) следующим образом: а, б, г, в.
5. Формулировка задачи.
Дано: Линия для склеивания пиломатериалов по длине на зубчатые шипы включает шипорезный станок с поворотным на вертикальной оси конвейером, упором и механизмом резания на суппорте и продольный пресс с конвейером и тормозной колодкой.
Список требований (изложить кратко): длина заготовок 100...300 мм, количество новых отходов, энергоемкость и габариты линии свести к минимуму, производительность – 2 м3 в смену.
Список недостатков прототипа (изложить кратко): невозможно обработать короткие заготовки, образуется много новых отходов, пресс энергоемок, большие габариты линии.
Требуется изменить прототип и устранить его недостатки при заданных ограничениях.
продолжение
--PAGE_BREAK--20.2.Преобразование задачи
При решении сложную задачу делят на несколько простых. Количество простых задач равно количеству недостатков. Для каждой простой задачи формулируется техническое противоречие, и подбираются приемы решения.
Недостаток 1– невозможно на ленточном конвейере сбазировать и закрепить пакет из коротких заготовок для механической обработки. Обычный способ устранения недостатка (СУ) – уменьшить радиус барабана конвейера. Для идеального случая радиус барабана должен равняться нулю. Нежелательный эффект (НЭ–2), который при этом возникнет – при радиусе барабана, равном нулю, лента конвейера не сможет перемещаться. Технические противоречия: ТП–1 – если радиус барабана конвейера уменьшить до нуля, то короткие заготовки хорошо базируются и фиксируются на конвейере, но лента конвейера не может двигаться (конвейер становится неработоспособным); ТП–2 – если радиус барабана не уменьшать, то конвейер работоспособен, но на нем невозможно сбазировать и зафиксировать короткие заготовки для нарезания шипов. При базировании заготовки с помощью ленты конвейера должны упереться торцами в упор.
Подберем эвристические приемы (см. приложение 1).
ЭП1 – 1.4. Перейти от криволинейных частей к прямолинейным.
ЭП2 – 3.1. Изменить традиционную ориентацию объекта в пространстве: горизонтальное положение на вертикальное.
ЭП3 – 7.12. Выделить в объекте самый нужный элемент и усилить его или улучшить условия его работы.
Использовать стандарты 1.1.1, 1.1.3 (см. п. 7.2).
Недостаток 2– из-за зеркального нарезания шипов на заготовках боковые кромки склеенной ленты получаются ступенчатыми, из-за чего образуются новые отходы.
СУ – при перебазировании пакета для нарезания шипов с другой стороны заготовок пакет надо сдвинуть вбок на половину шага шипов. НЭ–2 – усложняется кинематика устройства базирования пакета. Технические противоречия: ТП–1 – если пакет заготовок сдвинуть вбок на полшага шипов, то боковая кромка склеенной ленты будет плоской, и количество отходов при последующей обработке будет сведено к минимуму, но усложняется кинематика устройства для базирования; ТП–2 – если пакет вбок не сдвигать, то кинематика механизма базирования не усложняется, но объем отходов при последующей обработке увеличивается.
Для решения воспользуемся стандартом 1.1.3.
ЭП1 – 5.11. Разделить объект на части, способные перемещаться относительно друг друга.
Недостаток 3– пресс слишком энергоемок.
СУ – исследования показывают, что усилие прессования зубчатых шипов можно снизить, если статическое усилие сжатия заменить усилием ударного или вибрационного действия. НЭ–2 – существенно усложняется конструкция тормозного устройства. Технические противоречия: ТП–1 – если тормозное усилие пресса выполнить ударным, то снижается усилие прессования, но усложняется конструкция тормозного устройства; ТП–2 – если тормозное усилие сохранить обычным, то конструкция тормоза не усложняется, но усилие сжатия шипов велико.
ЭП1 – 5.7. Разделить объект на две части – тяжелую и легкую, передвигать только легкую часть.
ЭП2 – 5.14. Компенсировать действие массы объекта соединением его с объектом, обладающим подъемной силой.
Использовать стандарты 1.1.3, 1.1.7.
Недостаток 4– большие габаритные размеры.
СУ – заготовки с нарезанными шипами подавать в пресс непосредственно из пакета с позиции нарезания шипов. НЭ–2 – уменьшается производительность. Технические противоречия : ТП–1– если заготовки подавать в пресс из пакета с позиции нарезания шипов, то уменьшаются габариты линии, но убывает ее производительность; ТП–2 – если при загрузке пресса заготовки подавать не из пакета, то производительность линии не уменьшается, но увеличиваются ее габаритные размеры.
Поскольку по условию задачи производительность линии требуется снизить, то можно считать, что данное техническое противоречие не обостренное. Недостаток 4 можно устранить обычным способом: подавать заготовки в пресс непосредственно из пакета.
продолжение
--PAGE_BREAK--20.3. Поиск новых идей решения
На данном этапе необходимо найти новые идеи решения поочередно всех задач.
Устранение недостатка 1. С целью базирования и фиксации пакета заготовок для нарезания шипов можно применить:
1) стол с направляющей линейкой и прижимом, пакет прижимать к упору и разворачивать вручную;
2) то же, но вместо стола использовать трубу прямоугольного поперечного сечения;
3) из ЭП2– 3.1 и стандарта 1.1.1 следует, что нужно использовать для базирования и перемещения пакета имеющееся даровое поле – гравитационное. Это можно сделать, если горизонтальное (традиционное) положение пакета при базировании и нарезании шипов заменить на вертикальное положение.
Используя стандарт 1.1.3, решаем, что стол или трубу следует закрепить на горизонтальном валу с целью разворота стола на 180°с помощью, например, пневмоцилиндра.
Устранение недостатка 2. Для смещения пакета заготовок вбок на половину шага зубчатых шипов можно предложить следующие варианты:
1) направляющую линейку стола смещать вбок между регулируемыми упорами пневмоцилиндром;
2) по стандарту 1.1.3, предлагается следующий вариант: если вал стола (трубы) снабдить парой винт-гайка, то при повороте вала на 180°стол сместится вбок на половину шага резьбы винта.
Устранение недостатка 3. Для снижения энергоемкости пресса можно применить ударную или вибрационную тормозную нагрузку. Предлагаются следующие варианты:
1) применить маховик с приводом, вращающийся навстречу подаче заготовок в пресс и кратковременно соприкасающийся с заготовками;
2) согласно стандарту 1.1.7 маховик должен соприкасаться с легкой промежуточной деталью, взаимодействующей с заготовками и выполненной из износостойкого материала.
Устранение недостатка 4: подавать заготовки в пресс непосредственно из пакета, расположенного горизонтально.
Итак, по задаче создано 8 вариантов разрешения технических противоречий. Проведем их анализ.
20.4. Анализ полученных вариантов идей
Анализ вариантов проводится с целью определения их совместимости в разрабатываемой технической системе и возможности нежелательных влияний на другие части системы (табл. 25).
Таблица 25
Анализ последствий использования новых технических решений
Вариант 1. Стол с направляющей линейкой и прижимом:
Ручной труд
Можно обрабатывать детали
Вариант 2. Стол в виде трубы прямоугольного сечения:
Ручной труд, неудобно обслуживать
Можно обработать короткие детали
Вариант 3. Стол (труба) на поворотном валу:
Ручная загрузка пакета
Позволяет базировать, фиксировать и перевертывать пакет
Вариант 4. Направляющая линейка, смещаемая вбок:
Усложняет конструкцию
Позволяет правильно базировать
Вариант 5. Вал снабдить парой винт-гайка:
Позволяет правильно базировать
Вариант 6. Маховик с приводом в контакте с заготовками:
Подгорание древесины
Уплотняет шиповое соединение
Вариант 7. Маховик в контакте с промежуточной деталью, контактирующей с заготовками в прессе:
Нет
Уплотняет шиповое соединение
Вариант 8. Стол (трубу) фиксировать горизонтально для подачи заготовок в пресс:
Нет
Упрощает загрузку пресса
продолжение
--PAGE_BREAK--20.5. Синтез работоспособных технических решений
Из вариантов идей, анализ которых приведен в табл. 25, попытаемся составить несколько вариантов проектных решений задачи. Цель этого этапа – составить как можно больше работоспособных вариантов системы.
При разработке вариантов проектных решений широко пользуются методом инверсии. В устройствах иногда бывает выгодно поменять узлы (детали) ролями, например, перемещаемый узел сделать неподвижным, ведущую деталь сделать ведомой. Целесообразно бывает инверсировать формы деталей, например, наружный конус заменить внутренним, выпуклую поверхность – вогнутой [48]. Каждый раз конструкция при этом приобретает новые свойства.
<img width=«385» height=«229» src=«ref-1_132705072-3448.coolpic» v:shapes="_x0000_s1792 _x0000_s1790 _x0000_s1791">
Вариант 1. Линия включает суппорт 1 с фрезой 2, столом 3 и устройством для нанесения клея (рис. 38). Над столом смонтирован вал 4, соединенный с кассетой 5 для заготовок в виде трубы прямоугольного поперечного сечения. Пресс содержит подающие вальцы 6, тормозную колодку 7, взаимодействующую с заготовкой и расположенную между упорами, ограничивающими ее ход. Маховик 8 с приводом может кратковременно взаимодействовать с колодкой. Вал 4 имеет винтовую нарезку, взаимодействующую с гайкой. За прессом смонтировано пильное устройство 9.
При работе линии пачку заготовок немерной длины загружают в кассету. Заготовки падают на стол, и торцы их выравниваются. После этого заготовки зажимают прижимом. Включают суппорт, шипы нарезаются и смазываются клеем. Кассету с помощью вала поворачивают на 180о над столом, при этом винтовая нарезка вала смещает кассету вбок. Нарезают шипы на противоположных торцах заготовок. Кассету ставят в горизонтальное положение, и заготовки поштучно подают в пресс. Маховик ударной нагрузкой упрессовывает шипы. Образуется непрерывная склеенная лента, которую распиливают по длине пильным устройством 9.
Вариант 2. Решение отличается от варианта 1 тем, что заготовки вручную базируют по направляющей линейке и крепят на столе каретки, которую вручную перемещают относительно фрезы и клеенаносящих дисков. Стол с помощью эксцентриков может подниматься на половину шага шипов. После нарезания шипов заготовки вручную подают в пресс.
Вариант 3. Решение отличается от варианта 2 тем, что в прессе маховик кратковременно взаимодействует непосредственно с заготовкой.
Вариант 4. Решение отличается от варианта 2 тем, что стол каретки выполнен ступенчатым, причем одна ступенька выше другой на половину шага шипов.
Вариант 5. Решение отличается от варианта 4 тем, что стол выполнен плоским, но для поднятия пакета заготовок на половину шага шипов под пакет кладут прокладку.
Предложенные варианты представляют собою область допустимых решений.
20.6. Оценка вариантов и выбор решения
На этом этапе сначала уточняется область эффективных решений, а затем выбирается окончательный вариант решения задачи, рекомендуемый для дальнейшей конструкторской проработки.
Будем считать, что достижение удачного результата обеспечивают следующие критерии:
А1– увеличение надежности работы линии;
А2– снижение энергопотребления;
А3–повышение уровня автоматизации;
А4– точность и стабильность базирования;
А5– простота и удобство наладки станка;
А6– простота системы управления.
Варианты Yiи критерии Аjзанесем в табл. 26 и произведем ранжирование вариантов.
Таблица 26
Ранжирование вариантов решений
Решения
Критерии
А1
А2
А3
А4
А5
А6
Y1
1
1
1
1
1
2
Y2
2
1
2
2
1
1
Y3
2
1
2
2
1
1
Y4
3
1
2
2
1
1
Y5
4
1
2
3
1
1
Сравнивая варианты попарно в соответствии с принципом Парето, отметим, что вариант Y2предпочтительнее вариантов Y3, Y4, Y5, так как каждый его ранг не хуже соответствующих рангов указанных вариантов. Вариант Y1 имеет ранги более высокие, чем вариант Y2, за исключением рангов по критерию А6. Отсюда следует, что в область эффективных решений входят только варианты Y1, Y2.
Для выбора наилучшего решения нужны дополнительные сведения по весу критериев. Если такие сведения получить трудно, то решение можно принять волевым путем. Из таблицы видно, что более предпочтительно выглядит вариант Y1. Его и принимаем за наилучшее решение.
Если все-таки вес критериев можно установить, то сведения об эффективных вариантах и весе критериев надо занести в табл. 27
Таблица 27
Выбор наилучшего решения
Решения
Критерии
<img width=«42» height=«36» src=«ref-1_132690640-163.coolpic» v:shapes="_x0000_i1032">
А1
А2
А3
А4
А5
А6
Y1
1/0,3
1/1
1/0,1
1/1
1/0,8
2/1
4,2
Y2
2/0,6
1/1
2/0,2
2/2
1/0,8
1/0,5
5,1
Вес
0,3
1
0,1
1
0,8
0,5
Наилучшее решение соответствует варианту Y1, так как для него значение <img width=«42» height=«36» src=«ref-1_132690640-163.coolpic» v:shapes="_x0000_i1033"> меньше, чем для второго варианта.
Итак, вариант проектного решения по теме выбран. Это вариант 1. Далее следует провести подробное описание предлагаемого варианта со ссылками на позиции схемы. На этом технико-экономическое обоснование проектного решения заканчивается.
продолжение
--PAGE_BREAK--