Системная модель Поршневого компрессора

Вид материала

Содержание

Рисунок 1 – Структурная схема поршневого компрессора
Рисунок 2 - Основные цели проектирования системы уравновешивания
Рисунок 3 – Контекстная диаграмма САПР СУПК
Список литературы

Подобный материал:

УДК 621.512 : 004.057.2

системная модель Поршневого компрессора

В.Г. Концевич, канд. техн. наук, С.М. Ващенко

СумГУ

Деятельность предприятий в условиях рыночных отношений требует постоянного обновления ассортимента выпускаемой конкурентоспособной продукции. Основные факторы, определяющие конкурентоспособность продукции в течение ее всего жизненного цикла (ЖЦ) [1, 2]:

повышение качества;
полное соответствие требованиям конкретного заказчика;
снижение себестоимости;
уменьшение времени выхода на рынок.

Основным фактором, позволяющим осуществлять выпуск высококачественной продукции, является внедрение на производстве современных информационных технологий, а для машиностроительного производства, в частности, - систем автоматизированного проектирования (САПР).

Опыт последних десятилетий показывает, что для создаваемых сложных систем, к которым относятся интеллектуальные САПР (ИСАПР) [3, 4], эффективный проект может быть разработан только на основе системного подхода, в рамках которого любая система рассматривается как метасистема, состоящая из комплекса подсистем (систем нижнего уровня), элементов (атомарные системы) и связей между ними. Применение системного подхода позволяет не только выделить отдельные элементы и определить связи между ними, но и учесть их влияние друг на друга. Такой подход позволяет изучать компрессор не как набор отдельных компонентов, а как единое целое, в котором даже самые незначительные элементы системы не будут выпущены из внимания конструктора, если он сознательно не делает вывода об их игнорировании (из-за незначительного влияния на систему).

Системный подход в компрессоростроении обеспечивает рассматрение метасистемы – поршневого компрессора – как комплекса отдельных подсистем, например: система газораспределения, система уравновешивания (СУПК), привод компрессора и др. [5] Каждую из подсистем компрессора, в свою очередь, можно рассматривать как отдельную систему. Таким образом, постепенное детальное рассмотрение каждой из подсистем всех уровней позволит построить структурную схему поршневого компрессора (рис. 1).

Основываясь на опыте ведущих предприятий компрессоростроения (ОАО «Сумское МНПО им. Фрунзе», ВНИИкомпрессормаш и др.), можно считать, что одной из основных подсистем поршневого компрессора является механизм уравновешивания, который и принят в качестве объекта дальнейших исследований [5].

Представление интеллектуальной САПР в виде зависимости

S = {Ind, Prp, Atr, Inp, Out, Str} (1)

позволяет достаточно точно определить цели системы (Рrp); входы системы (Inp); выходы системы (Out); общесистемные характеристики (Atr); структуру системы (Str); обозначение системы (Ind) [6].

Входы (Inp) и выходы (Out) системы определяются ее функциональным назначением. Функциональное назначение проектируемой системы уравновешивания состоит в разработке моделей проектируемых деталей (противовесов, элемента, который является накопителем механической энергии), а также соответствующей конструкторской документации.

Поэтому входами проектируемой САПР механизмов уравновешивания являются параметры системы, перечисленные в техническом задании на проектирование. В качестве выходных параметров системы приняты следующие:

точное определение положения центра масс механизма уравновешивания;
определение массогабаритных характеристик противовесов и элемента, который является накопителем механической энергии;
уменьшение количества противовесов за счет изменения конструкции детали, являющейся накопителем механической энергии;
профилирование противовесов с учетом точного расположения центра масс.

Рисунок 1 – Структурная схема поршневого компрессора

Одним из недостатков традиционного подхода к проектированию инженерных систем является неверный выбор глобальной и промежуточных целей (Рrp). Как показывает опыт применения системного подхода в машиностроении, в качестве целей принимают такие характеристики, как трудоемкость, длительность цикла процесса, а также качество изделий. В свою очередь, обеспечение высокого качества выпускаемого оборудования в настоящее время невозможно без соблюдения требований Международного стандарта качества ISO 9000. Сертификация системы качества предприятия доказывает его способность выпускать действительно высококачественную продукцию. Эффект от сертификации предприятий очевиден. Внедрение систем качества значительно повышает качество производимой продукции, а также престиж и доверие к предприятию как на региональном, так, что немаловажно, и на мировом рынке. При этом следует помнить, что в стандарте одним из условий его внедрения на предприятии указано наличие системы электронного документооборота, и в том числе системы автоматизированного проектирования.

На основании вышеприведенного анализа для рассматриваемой системы САПР ПК глобальная цель определена как повышение качества проектируемого поршневого компрессора, что позволит достичь высокого уровня разработок, соответствующих лучшим мировым образцам.

Одним из способов повышения качества компрессорной продукции является снижение показателей виброакустических характеристик. Вибрации компрессора и фундамента возникают за счет действия неуравновешенных сил инерции и моментов этих сил. Их следует ограничивать, поскольку на вибрации расходуется энергия привода (до 5%).[5] Оборудование, вибрация которого превышает заранее определенные допустимые пределы, не допускается к эксплуатации. Результатом вибрации могут стать опасные дополнительные напряжения в трубопроводах. Вибрации компрессора могут вызывать ослабление крепежных соединений, затруднять применение контрольно-измерительной аппаратуры. К тому же вибрации негативно сказываются на здоровье обслуживающего персонала. [5] Достигнуть поставленной задачи можно за счет динамического уравновешивания.

К целям разработки САПР системы уравновешивания поршневого компрессора (САПР СУПК) можно отнести:

улучшение виброакустических характеристик поршневого компрессора за счет более точного определения центра движущихся масс и учета этих данных при определении основных параметров компрессорной установки;
разработку электронной модели СУПК;
сокращение сроков конструкторско-технологической подготовки производства;
уменьшение затрат на заводские испытания (рис.2).

В настоящее время на рынке программных продуктов имеется большое количество различных CAD/CAE систем, большинство из которых базируется на принципах геометрического моделирования, обеспечивающих автоматизацию только либо расчетных, либо чертежно-графических работ. Поэтому процесс проектирования на основе таких систем заключается в простом переносе изображения с листа бумаги на дисплей монитора, а, следовательно, не осуществляется автоматизированное проектирование, в результате которого конструктор получает не просто математическую или геометрическую модель компрессора, набор чертежей или иную конструкторско-технологическую документацию, но полноценную электронную модель. ИСАПР позволит создавать динамические пространственные модели, отражающие полную структуру изделия, его взаимодействие с оборудованием, инструментом и исполнителями на всех этапах ЖЦ изделия [7].

Рисунок 2 - Основные цели проектирования системы уравновешивания

Реализация такого подхода к разработке ИСАПР требует четкой детализации структуры изделия до уровня конструктивно-технологических элементов, их идентификации и выбора рациональной системы условных обозначений для различных классов элементов. При этом изделие представляется в виде динамического объекта, изменяющего свою структуру и геометрию согласно техническому заданию. Выполнение этих требований при разработке ИСАПР поршневого компрессора в целом, а также САПР СУПК, в частности, позволяет сформулировать требования к информативности моделей изделия, организовать информационный обмен в процессе конструкторско-технологической подготовки производства, обеспечить непрерывность поддержки жизненного цикла изделия. Такой подход требует применения системных методов проектирования.

Учитывая тот факт, что компрессорное оборудование относится к изделиям средней сложности и сложным изделиям, а номенклатура выпускаемых однотипных компрессоров достаточно велика, то наиболее целесообразным видится применение системного подхода к организации процесса проектирования на базе CALS-методологии, т.к. она обеспечивает проецирование реальных процессов на ту виртуальную информационную среду, в которой информация существует только в электронном виде, а производственные процессы реализуются в виде компьютерных систем.

В основе CALS лежат интегрированная информационная среда (комплекс единых информационных моделей), стандартизация способов доступа к информации и их адекватная трактовка, обеспечение безопасности информации, а также вопросы совместного использования информации.

Каждый этап проектирования разбивается на внутреннее и внешнее проектирование. Внутреннее проектирование начинается с выбора одного из типов (альтернативы) объекта и определения его структуры (состава подсистемы). В этом случае можно предусмотреть наличие систем принятия и поддержки решений по выбору того или иного варианта (поисковое проектирование). Заканчивается внутреннее проектирование определением основных значений параметров. Такая же процедура проводится на уровне каждой из подсистем.

В методике проектирования современных систем основным является объектный подход. При этом необходимо выделить и сгруппировать по уровням функциональные, конструкторские и технологические элементы (объекты), входящие в состав моделируемой системы уравновешивания. При моделировании каждого из таких элементов необходимо определить основные характеристики, которые отражают разнообразие возможных вариантов выполнения данного объекта (например, базы данных серийных или унифицированных деталей; базы знаний, основанные на опыте конструкторских бюро предприятия) [8].

Опираясь на данные, полученные при декомпозиции, необходимо проанализировать задачи, стоящие перед конструктором в процессе проектирования, построить функциональную модель (стандарт IDEF0), а затем и информационную модель (стандарт IDEF1X). Используемые при таком подходе структурные элементы получаются путем анализа объекта проектирования – системы уравновешивания - и его декомпозиции.

CALS-методология основывается на семействе стандартов ISO 10303 (STEP), применение которых позволяет разработать нормализованную объектную модель (информационную модель) объекта проектирования - системы уравновешивания ПК. [9] Начальный этап моделирования – построение функциональной модели - включает:

построение диаграммы верхнего уровня и ее обобщение;
определение объекта, цели и точки зрения модели СУПК, а также ограничений, накладываемых на объект.

Функциональная модель СУПК должна представлять собой иерархическую совокупность диаграмм, созданных на основе четко сформулированной цели, единственного субъекта моделирования и одной точки зрения.

Цель модели – это ее конкретное назначение, вытекающее из формального определения модели, позволяющего получить полное, точное и адекватное описание моделируемой системы. В соответствии с функциональным назначением САПР одной из целей разрабатываемой модели САПР СУПК было определено в конечном итоге получение электронной модели механизма движения (трехмерной, твердотельной) для точного определения расположения центра масс, расчета противовесов и данных для последующих виброакустических расчетов (рис. 2).

В соответствии с IDEF0 процесс моделирования начинается с разработки контекстной диаграммы, т. е. определения контекста как наиболее абстрактного уровня описания и системы в целом и ее взаимодействия с окружающим миром. В контекст модели обязательно входит определение субъекта с точки зрения автора. Для разрабатываемой модели СУПК была принята точка зрения главного конструктора проекта. Поэтому субъектом моделирования была определена система автоматизированного проектирования механизма движения и уравновешивания поршневого компрессора.

Точка зрения и цель моделирования позволяют задать область моделирования как основы построения модели. При определении области учитывалась широта (все сборочные единицы и детали механизма движения) и глубина (получение параметрических моделей с соответствующими конструктивными и прочностными расчетами). Остальные подсистемы ПК рассматриваются как внешняя среда [10].

Контекстная диаграмма представляет собой общее описание САПР СУПК и ее взаимодействие с внешней средой. Изображенный на ней блок показывает единственную (основную) функцию САПР (рис. 3).

Рисунок 3 – Контекстная диаграмма САПР СУПК

На следующем этапе разработки модели предполагается произвести декомпозицию данной концептуальной диаграммы и построить диаграммы более низких уровней доминирования[10]. В процессе декомпозиции будет произведена детализация блоков/функций и связанных с ним дуг. Таким образом, цель декомпозиции заключается в составлении описания, представляющего структурное разделение родительского блока на меньшие и более частные функции. При проведении декомпозиции будет составлен список данных и список функций, произведено объединение функции в блоки и на основании списка данных будут сформированы взаимосвязи между блоками. В результате будет получено иерархическое дерево функциональных диаграмм, полностью описывающих моделируемую систему САПР СУПК.

SUMMARY

The Article is dedicated to using modern information technology (in particular CALS-methodologies) for development computer aided design (CAD system) reciprocating compressor. Using the system approach has allowed to build the system model of the reciprocating compressor, consisting of separate interconnected subsystems. One of the main subsystems is a reciprocating compressor balancing system. In accordance with standard IDEF0 is built contextual diagram CAD reciprocating compressor balancing system’s, is determined to purposes and problems of the designing CAD system, width and depth of the area of modeling.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Норенков И. П., Кузьмик П. К. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2002. - 320 с.
Концевич В.Г. Использование CALS-методологии при разработке САПР поршневых компрессоров // Тезисы докладов 3-й Межд. конф. «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM – 2003)». – М.: Институт проблем управления РАН, 2003. – С.12-13.
Рыбаков А. В., Евдокимов С. А., Краснов А. А. Создание систем автоматизации поддержки инженерных решений//Автоматизация проектирования. – 1997. - №5. - С. 44-51.
Девятков В.В. Системы искусственного интеллекта. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. - 352 с.
Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Теория и расчет. - 2-е издание, перераб. и доп. – М. Колос. 2000.- Т.1. - 456 с.
Евгенев Г.Б. Системология инженерных знаний. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 376 с.
Концевич В.Г. Применение методологии SADT для структурного анализа и проектирования САПР поршневых компрессоров // Тези доповідей 1-ї Міжн. наук.-техн. конф. «Машинобудування та металообробка – 2003». – Кіровоград: КДТУ, 2003. - С. 105-107.
Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2002. - 336 с.
Ващенко С.М. Значение стандарта STEP для организации обмена данными при конструкторско-технологической подготовке производства поршневых компрессоров // Тези доповідей 1-ї Міжн. наук.-техн. конф. «Машинобудування та металообробка – 2003». – Кіровоград: КДТУ, 2003. - С. 31-32.
Концевич В.Г., Ващенко С.М. Использование методологии IDEF при проектирвоании САПР механизма движения и уравновешивания поршневого компрессора // Тезисы докладов 3-й Межд. конф. «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM – 2003)». – М.: Институт проблем управления РАН, 2003. – С.39-41.