В зависимости от выполняемых функций

Основы функционального анализа технических систем

Наиболее распространенным классом задач инженерного творчества являются задачи, в которых требуется улучшить из­вестный технический объект (устройство, процесс, вещество) путем введения в него определенных изменений. Такой объект называют прототипом для разрабатываемой улучшенной моде­ли. С целью получения достаточно полного представления об устройстве прототипа как технической системы осуществляют его функциональный анализ. Функциональный анализ техниче­ских систем позволяет получить достаточно полное представ­ление об устройстве технической системы с функциональной точки зрения. В ходе анализа стремятся установить, каков состав элементов техниче­ской системы, какие технические функции выполняют выде­ленные элементы системы, как они функционально связаны между собой. Ответы на эти вопросы в значительной степени облегчают в дальнейшем поиск наиболее эффективного нового технического решения при усовершенствовании рассматривае­мой технической системы.

Классификация элементов технических систем

в зависимости от выполняемых функций

В основу функционального анализа положен принцип выделения и рассмотрения структур с двухуровневой иерархи­ей, согласно которой любую техническую систему можно раз­делить на элементы, каждый из которых имеет не менее одной определенной функции по обеспечению работы технической системы или других ее элементов. При этом рассматриваемая система представляет собой верхний уровень, а выделенные функциональные эле­менты – нижний. В случае более детального анализа каждый из выделенных элементов нижнего уровня рассматривается как самостоятельная система, которая также может быть раз­делена на несколько функциональных элементов и т. д.

Разделение технической системы на элементы является одной из важных операций в функциональном анализе. Правильному и однозначному разделению технической системы на функциональные элементы во многом способствует классификация элементов в зависимости от выполняемых ими функций. Эта классификация включает в себя сле­дующие группы функциональных элементов, инвариантных для большинства областей техники:

1) исходные;

2) несущие;

3) элементы связи;

4) элементы передачи;

5) двигатели;

6) элементы управления;

7) элементы гашения скоростей и ускорений;

8) элементы формирования потоков и объемов;

9) движители.

Исходные – это элементы, непосредственно взаимодейст­вующие с объектами, на которые направлено действие технической системы. К ним относятся рабочие органы машин, датчики приборов, регистри­рующие состояние технической системы, например, ковш экскаватора, лопа­сти гребного винта, шлифовальный круг станка и т. д. Во многих системах функции исходных элементов частично или полностью совпадают с функцией самой технической системы.

Несущие элементы обеспечивают определенную форму технических систем, определенное расположение или движение элементов в пространстве. К этим элементам относятся балки, каркасы, рамы, корпуса, станины и т. п.

Элементы связи обеспечивают определенную степень свободы движения одних элементов относительно других. Это необходимые для реализации связей отверстия в несущих и дру­гих элементах, разъемные и неразъемные неподвижные соединения (болтовые, винтовые, шлицевые, сварные, паяные и др.), различные кинематические пары (подшипники, подпятники шар­ниры и т. п.), муфты и другие элементы, ограничивающие число степеней свободы движения элементов в системах.

Элементы передачи служат для передачи на расстояние механической энергии, движения, статических сил и моментов с одновременным преобразованием или изменением видов и зако­нов движения, моментов, сил и их направлений. Это гибкие валы зубчатые, ременные, фрикционные и другие передачи, а также винтовые, реечные, кривошипно-шатунные механизмы.

Двигатели обеспечивают получение необходимой мощ­ности в результате преобразования заданного вида энергии в механическую энергию. К ним относятся паровые машины и турбины, двигатели внутреннего сгорания, электродвигате­ли, инерционные и пружинные механизмы и др.

Элементы управления – это элементы, выполняющие сбор, хранение и обработку информации с целью формирова­ния информации об управляющем воздействии и передачи ее исполнительным органам. К ним относятся датчики измерения электрических, акустических и других сигналов, ЭВМ, реле и другие устройства.

Элементы гашения скоростей и ускорений обеспечи­вают уменьшение скорости движения, амплитуды колебаний технических объектов, твердых тел, газообразных, жидких, сыпучих веществ и их смесей. Это различные амортизаторы, тормоза, гасители и т. п.

Элементы формирования объемов и потоков служат для хранения, транспортировки необходимых по величине и форме объемов газообразных, жидких, пастообразных или сыпучих веществ и их смесей. К таким элементам относятся различные баки, баллоны, бункеры, емкости, лотки, трубопроводы.

Движители обеспечивают преобразование энергии дви­гателя или другого источника энергии в работу по преодолению сопротивления движению технической системы или обрабаты­ваемых тел (твердых, жидких, пастообразных и др.). Это дви­жители различных транспортных средств (колеса, гусеницы, гребные винты и т. д.), шнеки, ленты транспортеров, толкатели.

Приведенная классификация элементов технических систем позволяет во многих случаях правильно определить функцию того или иного элемента системы. В затруднительных случаях можно воспользоваться правилом исключения, суть которого заключается в следующем. По отношению к рассматриваемому элементу задается вопрос: «Если исключить этот элемент, то какие отрицательные последствия появятся в работе других элементов или самой технической системе?» Действия по предотвращению выявленных таким образом отрицательных последствий и пред­ставляют собой функцию рассматриваемого элемента.