Введение
Как отмечено в [1-3], на вновь создаваемых локомотивах имеются выходы из строя различных узлов колесно-моторного блока. Использование привода с интеграцией ТЭД и осевого редуктора (например, электровоз 2ЭС10) снижает технологичность изготовления привода, повышает требования к точности обработки деталей и трудоемкость ремонта. Сложность поиска рациональных решений привода состоит в том, что САПР используют модели, не обеспечивающие распознавание технических решений, и процесс поиска конструктивных аналогов остается субъективным. В [4; 5] описаны методы проектирования с применением алгоритмических (согласно классификации [6]) моделей процесса проектирования. Однако эмпирический характер указанных методов не дает однозначных критериев выбора наилучшего алгоритма решения задачи, а сами алгоритмы создавались в расчете на их неавтоматизированное использование. Таким образом, проблема состоит в отсутствии эффективной модели, позволяющей распознавать и классифицировать разные технические решения. Один из вариантов решения указанной проблемы приведен в статье.
Анализ известных методов
В [7] предложена концепция, согласно которой техническое решение можно формально представить пятеркой
|
|
|
Здесь множество 
– состав системы, где 
– внутренние элементы 
, множество 
– окружающая среда (надсистема), где 
– внешние элементы , множество 
– все n-арные соотношения на элементах (внутренняя структура системы ), а множества 
и 
– все n-арные соотношения между элементами множеств 
и R (структура связи взаимодействия систем со средой).
 |
Модель технического решения (в данном случае тягового привода) является системой из множеств описаний реальных объектов множества. Отображение
считается гомоморфным отображением множества реальных объектов 
на множество их описаний , если имеет тот же состав, что и множество 
. Отображение системы 
на систему 
считается заданным, если задана пятерка отображений: 
; 
; 
; 
; 
. Таким образом, можно создавать математические модели конструкции, представляющие собой наборы связанных друг с другом элементов, входящих в библиотеки известных решений. К примеру, резинокордную муфту [8] (рис. 1) можно представить как систему из подконструкций «Резинокордный элемент», «Наружный фланец», «Внутренний фланец», «Нажимное кольцо», «Проставочное кольцо», «Болт», «Дистанционная втулка», «Гайка», соединенных с другими конструкциями и друг с другом.
|
Рис. 1. Разбиение на подконструкции резинокордной муфты тягового привода: |
 |
Основной недостаток метода [7] состоит в том, что совершенствование прототипа ведется путем эмпирического анализа тенденций развития, которые не всегда могут отражать развитие потребностей в данном техническом решении, возможностей технологии производства, а также противоречий требований к узлу или детали. Предложенные в [7] характеристики создаваемых решений по признакам «банальности» и «экзотичности», деления их на «сильные» и «слабые» основаны на степени внешних отличий и не отражают новизны как степени недостатка информации, требуемой для разработки конструкции. Еще одним недостатком метода [7] является то, что эволюция технических решений рассматривается как некий независимый от конструктора процесс, подчиненный эмпирически исследуемым закономерностям. Такой подход может привести к абсолютизации эмпирических трендов в изменении конструкции, принимаемых за некую объективную неизбежность, и, как результат, к ошибочным решениям. Так, в 80-х годах считалось, что тяговый привод с опорно-осевым подвешиванием двигателя бесперспективен, однако до настоящего времени он продолжает широко применяться на транспорте.
Предлагаемая модель
Как утверждается в [6; 7], объектная модель технической системы основана на классификациях технических систем. Ранее авторами была предложена классификация тяговых приводов рельсового подвижного состава [8]; в [9] авторы разработали метод синтеза классификаций на базе предложенной ими матрицы синтеза технических решений [10]. Отсюда следует, что объектная модель, или, иначе, модель, описывающая структуру объектов, из которых состоит система, их атрибуты, операции, взаимосвязи с другими объектами и соответствующая прагматике разрабатываемой системы [11], должна использовать алгоритмическую модель феномена проектирования как основу классификации и увеличить степень автоматизации проектирования путем стандартизации элементов и комплектующих изделий. Для достижения данной цели в общем случае объектная модель тягового привода локомотива состоит из двух частей. Первая включает в себя иерархию множеств описаний тягового привода для разной степени его схематизации, а вторая - библиотеку в виде множества описаний типовых объектов, представленных в форме иерархической структуры функционального взаимодействия между элементами (И-графа). На уровне определения функциональных элементов привода осуществляется поиск подобных объектов в библиотеке с помощью матриц мер сходства. После определения близких прототипов производится поиск в библиотеке данных о прототипах для выяснения недостатков последних, после чего выполняется поиск решения без недостатков и проектирование элементов конструкции на базе нового решения.
Для пояснения изложенного метода рассмотрим пример распознавания сходных технических решений для резинокордной муфты, изображенной на рис. 1. В таблице описаны признаки условного проектируемого варианта муфты и ряда известных конструкций. На рис. 2а представлены списки видов на основе описаний признаков, где 1 – наличие признака, 0 – его отсутствие для данного варианта муфты.
Таблица 1
Признаки вариантов резинокордной муфты
|
|
R1 Проект |
R2 ТЭ125 |
R3 ЭП1 |
R4 CENTA-DISC-C |
R5 ТЭП150 |
R6 2ТЭ121 |
R7 ДЭЛ-02 |
|
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
S10
S11
S12 |
Цельный РКЭ -
Цельный фланец -
РКЭ па- раллельны -
Плоские торцы РКЭ -
Торцовое крепление -
Гладкие болты - |
-
Разрезной РКЭ -
Составной фланец РКЭ па- раллельны -
Плоские торцы РКЭ -
Торцовое крепление -
Гладкие болты - |
Цельный РКЭ -
Цельный фланец -
РКЭ па- раллельны -
Плоские торцы РКЭ -
-
Крепление посредине Гладкие болты - |
Цельный РКЭ -
Цельный фланец -
-
РКЭ пос- ледовател. -
Зубчатые торцы РКЭ Торцовое крепление -
Гладкие болты - |
-
Разрезной РКЭ -
Составной фланец РКЭ па- раллельны -
Плоские торцы РКЭ -
Торцовое крепление -
-
Болты с поясками |
Цельный РКЭ -
Цельный фланец -
РКЭ па- раллельны -
Плоские торцы РКЭ -
Торцовое крепление -
Гладкие болты - |
-
Разрезной РКЭ -
Составной фланец РКЭ па- раллельны -
Плоские торцы РКЭ -
Торцовое крепление -
Гладкие болты - |
Пусть мера сходства представляет собой неотрицательную вещественную функцию 
(2)
где 
- число общих видов в описаниях 
и 
, 
и 
- число видов в описаниях и . Допустим, что 
– описание проектируемой муфты, 
– описания найденных аналогов, 
– признаки объектов (таблица). По данным таблицы составляем видовые списки (рис. 2а).
Пусть множества , - количество признаков i-го и j-го вариантов в видовых списках, множество 
- количество признаков, одновременно имеющихся у i-го и j-го вариантов. Отсюда мера включения множества признаков i-го варианта в j-й
(3)
а мера включения множества признаков j-го варианта в i-й
(4)
В соответствии с (3) и (4) вычисляем значения элементов матрицы мер включения (рис. 2б) в процентах, округляя результат до целых чисел.
Элемент матрицы мер пересечения (рис. 2в) в i-й строке и j-м столбце есть , отсюда 
. Элементы матрицы мер сходства (рис. 2г) определены по формуле (2).
Для вариантов R1 и R2 число видов в описаниях признаков m(R1)=6, m(R2)=6, 
. Тогда
(2-я строка, 1-й столбец матрицы на рис. 2б),
(1-я строка, 2-й столбец матрицы на рис. 2б). Соответственно в матрице на рис. 2в 1-я строка m(R1)=6; 2-я строка, 1-й столбец ; 2-я строка, 2-й столбец m(R2)=6 и т.п., а в матрице на рис. 2г
(1-я строка, 1-й столбец матрицы на рис. 2г).
Из матрицы мер сходства (рис. 2г) следует, что максимальное значение в столбце прототипа R1, равное 100, соответствует строке прототипа R6. Это значит, что близкой к проектируемому объекту оказывается муфта тепловоза 2ТЭ121, которая используется в качестве прототипа. В рассмотренном примере число видов в описаниях всех признаков получилось одинаковым и равным 6, но в общем случае эта величина будет различна для разных вариантов конструкции.
Затем в конструкции муфты определяется подконструкция, отличающая ее от прототипа, и для нее аналогичным образом производится поиск прототипа-подконструкции. Таким образом можно автоматизированно генерировать подсказки типовых решений, решая проблему поиска элементов в каталогах (например, в [4; 5]).
|
|
|
|
а) |
б)
|
|
|
|
|
в) |
г) |
Рис. 2. Видовые списки и матрицы мер: а - видовые списки; б - матрица мер включения;
в - матрица мер пересечения; г - матрица мер сходства
Использование объектной модели для устранения недостатков конструкции
С прототипом в БД связывается справочная текстовая и графическая информация об опыте освоения производством и эксплуатации с описанием выявленных недостатков, возникавших проблем, данных исследований и т.п. Известно, что основной проблемой муфты тепловоза 2ТЭ121 является то, что ее несущая способность ограничена, а при сборке муфты возникали дефекты, вызванные нарушением технологии затяжки болтов крепления, что приводило к ослаблениям болтов в эксплуатации и разрывам резинокордных элементов. Таким образом, предложенная объектная модель позволяет заблаговременно прогнозировать возможные недостатки конструкции и искать пути решения проблем с помощью алгоритмических методов поиска.
Рассмотрим пример решения указанной выше проблемы. Будем исходить из необходимости повысить надежность муфты в эксплуатации и увеличить ее несущую способность. Стоит учитывать противоречивые требования объекта исследования: обеспечение требуемого усилия затяжки болтов при монтаже муфты, с одной стороны, и технологическая простота ее монтажа - с другой. Это требование обусловлено тем, что болты одновременно выполняют функции деталей, обеспечивающих предварительную деформацию резиновых элементов и деталей крепления муфты к фланцам. В случае, когда эти функции будут выполнять различные детали, конструкция будет являться непротиворечивой (рис. 3).
Рис. 2. Предложенная конструкция резинокордной муфты:
1 – фланец на валу ТЭД; 2 – фланец на валу редуктора; 3 – наружный фланец муфты;
4 – внутренний фланец муфты; 5 – резинокордные элементы;
6 – болты наружного фланца; 7 – болты внутреннего фланца;
8 – шлицы; 9 – болт крепления муфты к фланцу на валу ТЭД;
10 – болт крепления муфты к фланцу на валу редуктора
Крутящий момент передается за счет сил трения между резинокордными элементами и фланцами муфты, а также торцевыми шлицами внутреннего фланца и болтовым соединением внешнего фланца. Торцевые шлицы на внутреннем фланце и дополнительное болтовое соединение на внутреннем и наружном фланцах позволяют производить затяжку резинокордных элементов и проверку несущей способности муфты до монтажа с тяговым приводом, что снижает вероятность выхода из строя в процессе эксплуатации. В связи с этим обеспечивается возможность автоматизации процесса затяжки [12]. Конструкция муфты защищена патентом РФ на изобретение № 2527254 [13], а ее модификация с центрирующим пояском для фланца 4 - патентом РФ на полезную модель № 166918 [14].
Дальнейшим развитием конструкции резинокордной муфты является разрешение противоречия между необходимостью повышения несущей способности муфты и ограничениями по условиям проскальзывания нажимных колец по муфте; при этом лимитирующими оказываются внутренние бортовые зоны резинокордных элементов. Известно, что при разработке муфты для тепловоза 2ТЭ121 были использованы параметры углового перекоса муфт для завышенной величины вертикального перемещения буксы. В связи с этим предложено для повышения величины передаваемых муфтой нагрузок площади поверхностей внутренней и внешней бортовых зон резинокордного элемента выполнять равными друг другу, а диаметры болтов, соединяющих внешние и внутренние прижимные кольца соответственно с внешним и внутренним фланцами, выполнять обратно пропорциональными средним диаметрам бортовых зон, на которых расположены болты. Усовершенствованная конструкция резинокордного элемента защищена патентами РФ на полезную модель № 157519 и 173560 [16; 17].
Выводы
1. В результате анализа известных методов моделирования новых технических решений механической части тягового привода локомотива установлено, что их основным недостатком является использование формально-эмпирических тенденций для прогнозирования путей дальнейшего развития конструкции.
2. Разработана улучшенная объектная модель технического решения, представляющая собой иерархию множеств описаний при разной степени схематизации технического решения и библиотеку описаний типовых объектов в виде иерархической структуры функционального взаимодействия между элементами (И-графа). Модель дает возможность автоматизировать поиск подобных решений в виде типовых конструкций из библиотеки описаний путем определения матриц мер сходства. Данная модель позволяет уменьшить количество ошибок проектирования путем создания новой конструкции на базе изученных и технологически отработанных аналогов и устранения недостатков прототипов.
3. Применение предложенной объектной модели позволило получить новые патентоспособные решения резинокордной муфты тягового привода. Получены патент на изобретение и три патента на полезные модели.
