Определение и обоснование методов оптимизации механических систем

9. Цой, П.В. Методы расчета задач тепломассопереноса / П.В. Цой. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 416 с.

10. Кудинов, В.А. Аналитические решения задач тепломассопереноса и термоупругости для многослойных конструкций / В.А. Кудинов, Э.М. Карташов, В.В. Калашников. - М.: Высш. шк., 2005. - 430 с.

--------♦-----------

УДК 621 (07) Б.К. Гусев, В.В. Пеленко, А.М. Ширшиков

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

На основе аналитического обзора работ по исследованию расфасовочноупаковочной техники показано, что ее совершенствование осуществляется, как правило, эвристическими методами, а выбор направлений исследования проводится на базе статистического анализа качества функционирования.

После проведения сравнительного анализа народнохозяйственных, конструктивных и динамических критериев впервые сделана попытка обоснования использования научного принципа оптимизации механических систем по удельному действию для рассматриваемого оборудования.

В настоящее время во всех странах большое внимание придается разработке и созданию высокопроизводительных машин для фасовки и упаковки всевозможных товаров с использованием различного вида упаковочных материалов (полиэтиленовая пленка, бумага, алюминиевая фольга и т.д.). Использование данного оборудования позволяет резко увеличить производительность труда работников торговли, увеличить прибыль и рентабельность предприятий торговли, уменьшить потери товаров, сократить время обслуживания покупателей.

Модернизация расфасовочно-упаковочных машин на основе оптимизации режимов их работы, повышения надежности за счет совершенствования методов расчета и конструирования будет иметь существенное значение.

Несмотря на широкие возможности автоматизации технологических процессов, выпускаемое расфасовочно-упаковочное оборудование имеет относительно низкую надежность. Это можно объяснить отсутствием строго научных подходов в вопросах совершенствования техники. Причиной данного положения можно назвать тот факт, что в практике конструирования в основе совершенствования лежат, как правило, эвристические методы. Большинство работ, посвященных исследованию данного класса оборудования, основывается на общепринятых подходах, которые базируются на накопленном многолетнем опыте конструкторов и исследователей.

При этом часто объект и номенклатура параметров совершенствования выбирается на основе сформировавшейся сферы научных интересов автора или материалах статистических исследований.

Но, несмотря на то, какой бы механизм был принят за объект исследования (кулисный механизм, пневмовакуумная система, система объемного дозирования и т.п.), какие бы параметры были приняты за предмет рассмотрения (производительность, долговечность, безотказность, ремонтопригодность и другие комплексные показатели), первопричиной недостаточно высокого качества узлов и механизмов рассматриваемого оборудования является их динамическое несовершенство.

Таким образом, исходным источником информации об объекте и направлениях исследования по совершенствованию оборудования пищевой промышленности должна быть математическая модель динамики функционирования этого объекта, а также система уравнений, описывающая удельные затраты по выбранным критериям действия.

Теоретическое обоснование

Совершенство - характеристика механической системы, определяющая совокупность критериев (производительность, себестоимость, надежность и др.) и естественно изменяющаяся с развитием производительных сил и производственных отношений науки и технологии. В зависимости от конкретной задачи необходимо отобрать определенные критерии. Совершенствование - это улучшение критериев применительно к заданным условиям.

Как было сказано выше, в основе совершенствования техники (в практике конструирования) используются, как правило, эвристические подходы, которые основываются на интуиции и накопленном опыте конструкторов. Совершенствование механических систем такими методами не несет в себе закономернонаучного характера и не гарантирует исследователям обеспечения приоритетного повышения наиболее значимого критерия с одновременным увеличением всех других значимых показателей совершенства машины.

За основу данного подхода может быть принята интуиция, вероятностные аспекты процесса мышления, эвристическое поисковое конструирование. Также могут быть использованы методы теории изобретательских задач: метод проб и ошибок; метод фокальных объектов; морфологический анализ; мозговой штурм; метод контрольных вопросов; синектика и пр. Научность перечисленных методологий касается лишь частных вопросов более или менее гарантированного охвата перечисленными теориями всего перечня возможных решений, из которых и выбирается наиболее рациональное.

Одним из строго научных подходов к вопросам совершенствования техники является принцип минимизации удельных механических затрат, который является отражением фундаментального принципа наименьшего действия. К техническим системам этот принцип был применен одним из первых А. Зоммерфель-дом, который в более поздних своих работах получил название «динамическое совершенствование механических систем по удельным действиям». Особый интерес для рассматриваемого круга вопросов имеют работы Б.Е. Горского.

Основными видами совершенствования механических систем в настоящее время являются: кинематическое и динамическое. В первом случае улучшается качество выполнения операции при неизменных затратах механических средств, а во втором - уменьшаются удельные затраты механических средств при том же качестве выполняемой операции.

При динамическом совершенствовании механических систем по удельным действиям целевой функцией является их минимизация. При этом уменьшаются удельные денежные затраты, силы инерции, непроизводственные затраты работы, импульса сил, энергии, времени воздействия связей, ведущих к износу, и как следствие, повышается надежность системы. Удельные действия прежде всего целесообразно применять при решении задач поискового конструирования. Сюда можно отнести: выбор принципа действия системы; ее техническое решение; оптимизация параметров. Решение этих задач обеспечивается принятием наименьшего значения главного ключевого удельного действия, определяемого функцией цели системы.

Проведем краткий обзор критериев совершенства техники.

Анализ критериев совершенства механических систем

Основными критериями, по которым оцениваются системы, являются их народнохозяйственные, конструктивные и динамические характеристики.

Народнохозяйственные критерии

Основными народнохозяйственными критериями являются критерии качества продукции и критерии надежности.

Наиболее общим критерием качества принят интегральный показатель качества продукции, представляющий удельные денежные затраты на единицу эффекта.

Ки = (Зс + Зэ)/П,

где Зс, Зэ - суммарные затраты на создание и эксплуатацию продукции;

П - суммарный полезный эффект от эксплуатации или потребления продукции.

Комплексный критерий надежности - коэффициент готовности устанавливает вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых объект не применяется по назначению. Выраженный через обратный коэффициент готовности критерий надежности имеет вид

1 / Кг = (То + Тв) / То,

где То - наработка на отказ;

Тв - среднее время восстановления.

Указанные критерии вычисляются на основании статистических данных с предыдущей эксплуатации объекта, не делимы по его узлам и деталям и не представлены в функциях параметров объекта. Поэтому для оптимизации проектируемых объектов они не применяются.

Конструктивные критерии

Конструктивные критерии механических систем подразделяются на позиционные и интегральные.

Позиционные критерии характеризуют систему в определенный момент цикла, а интегральный - за конечный промежуток времени. К позиционным критериям можно отнести геометрию масс, габаритные размеры, мощность, максимальную нагрузку и др.

Использование перечисленных критериев с целью выбора рационального технического решения системы и его оптимизации затруднено из-за их многообразия. Рациональные варианты системы по различным критериям могут получаться принципиально разными, так как при оптимизации системы критерии изменяются в разных направлениях и выделить среди них главный практически не удается.

К интегральным критериям относят производительность, быстродействие, затраты энергии, коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент динамичности, средние значения кинематических и динамических характеристик и др. Они различны по содержанию и применяются по усмотрению пользователя. Между конструктивными и народнохозяйственными критериями прямой связи не обнаружено.

Динамические критерии

Для оптимизации механических систем различными исследователями предложен следующий ряд динамических критериев, которые отличаются друг от друга своим содержанием. В данную группу критериев входят: затраты энергии; производительность; силовой режим; затухание в кратчайшее время переходных процессов, рассеяние энергии; характеристики напряженного состояния и виброизоляции; управление с минимальной силой; импульс управляющего воздействия; быстродействие; затраты сырья и электроэнергии; мощность; долговечность; стабильность; надежность; среднее ускорение ведомого звена; среднеквадратичное за период значение динамической мощности; усилия в звеньях и собственные частоты колебания; уровень вибрации; динамическое поведение системы; вес; удельная мощность; КПД; отсутствие вынужденных колебаний; отклонение от установившихся вынужденных колебаний; уравновешивание сил инерции; выравнивание моментов на ведущем звене; минимизация реакций в кинематических парах; коэффициенты неравномерности движения; давление кулачка на толкатель в кулачковом механизме; инварианты подобия сил крутящего момента, мощности; угол давления; изгибающая сила ведомого.

С развитием теории многокритериальной оптимизации механических систем появились комплексные, обобщающие критерии, полученные путем «свертывания» нескольких критериев в один. В этой связи широкое применение получил метод Соболя-Статникова, который по существу является методом постановки и решения задач по определению допустимого и паретовского множества решений, их неформального анализа и выявления оптимального варианта проектируемой механической системы. Этот метод позволяет учитывать столько критериев, сколько считается необходимым для полной оптимизации системы. Таким образом, данный метод также носит субъективный характер и не обеспечивает полноты объективной оценки степени совершенства техники.

Обзор литературных материалов показывает многочисленность и разнообразние номенклатуры динамических критериев механических систем, куда входят и обобщенные критерии. Однако только с появлением работ А. Зоммерфельда и Б.Е. Горского были предложены универсальные динамические критерии, которые могут быть использованы взамен основных народнохозяйственных критериев.

Литература

1. Горский, Б.Е. Выбор ключевого критерия оптимизации механической системы / Б.Е. Горский, А.С. Гох-

лернер // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1987. - №2. - С. 109-112.

2. Горский, Б.Е. О совершенствовании механических систем / Б.Е. Горский // Прикладная механика. - 1973.

- Т. 9. - Вып. 4. - С. 97-103.

3. Горский, Б.Е. Использование инженерного опыта для оптимального проектирования и эксплуатации механических систем / Б.Е. Горский // Вест. машиностроения. - 1991. - №4. - С. 74-80.

4. Зоммерфельд, А. Механика / А. Зоммерфельд. - М.: Изд-во иностр. литер., 1947. - 392 с.

5. Соболь, ИМ. Выбор оптимальных параметров в задачах с многими критериями / И.М. Соболь, Р.Б. Статников. - М.: Наука, 1981. - 110 с.

---------♦-----------