39

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методологические основы обеспечения технического состояния бытовых холодильных приборов в процессе их жизненного цикла

05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы (коммунальное хозяйство и сфера услуг)»

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Кожемяченко Александр Васильевич

Шахты 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (ГОУ ВПО ЮРГУЭС)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Першин Виктор Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Посеренин Сергей Петрович

доктор технических наук, профессор Адигамов Касьян Абдурахманович

доктор технических наук, профессор Буткевич Михаил Николаевич

Ведущая организация: «Институт экологии, ресурсосбережения и оборудования сервиса», г. Москва.

Защита состоится « 27 » ноября 2009 года в 10⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.313.01 при Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса по адресу: 346500, г. Шахты, Ростовская область, ул. Шевченко, д. 147, ауд. 2247.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.

Текст автореферата размещен на сайте ЮРГУЭС: http://www.sssu.ru

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу университета.

Автореферат разослан «___» ________2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент Куренова С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Все более широкое использование бытовых холодильных приборов (БХП) отечественного, зарубежного и совместного производств обусловлено увеличением их спроса, в связи с глобальным потеплением климата и эффективностью применения не только в быту, но и в медицине, гостиничном, ресторанном хозяйстве, торговле и других сферах.

Увеличение объемов производства и расширение многообразия типов, моделей и модификаций эксплуатируемых БХП невозможно без эффективной реализации интеграционных процессов по объединению усилий отечественных и зарубежных фирм-производителей, предприятий и организаций по проектированию, производству, сбыту и сервисному обслуживанию этих приборов. Это касается, в частности, деятельности совместных предприятий по разработке, производству, эксплуатации, ремонту и утилизации БХП, таких как NORD, INDESIT, АТЛАНТ, EVGO и др.

При реализации вышеуказанных интеграционных процессов возникает необходимость в едином методологическом обеспечении процессов управления техническим состоянием БХП в процессе их жизненного цикла (ЖЦ). Это созвучно с проблемами, решаемыми в последние годы в мировой практике с помощью СALS-технологий, нашедшими отражение в ряде правительственных документов, касающихся государственной политики России в области науки и техники.

Однако, как показал анализ исследований, направленных на повышение качества БХП (снижение энергопотребления, повышение холодопроизводительности, надежности и т.п.), в настоящее время, разработаны одноцелевые модели управления их техническим состоянием ориентированные для использования на конкретных этапах ЖЦ.

Таким образом, имеет место проблема создания методологии формирования (на этапе проектирования, например) и обеспечения (на этапах производства и ремонта, например) заданного технического состояния БХП с использованием обобщенных моделей, ориентированных на заданное качество функционирования на всех этапах их ЖЦ.

Разработка таких моделей в процессе жизненного цикла БХП связана с поиском новых методологических подходов.

Эти модели должны являться единой научно-практической базой по мониторингу, проектированию, разработке, производству, сервисному обслуживанию, эксплуатации, ремонту и утилизации конструктивных и функциональных элементов БХП. А это означает, что в основе таких моделей должна быть заложена идея подобия технического состояния бытового холодильного прибора определенного класса заданному техническому состоянию его аналога.

Актуальность работы определяется и тем, что в последние годы в практике использования БХП наметилась устойчивая тенденция интеграционных процессов в рамках интенсивно создаваемых сервисных центров, как элементов системы интегрированных экономических и информационных объединений.

Очевидно, что эффективность взаимодействия участников этих интеграционных процессов также требует создания определенной методологической базы по формированию и обеспечению технического состояния БХП.

Следовательно, разработка методологии обеспечения технического состояния БХП в процессе их ЖЦ, основанной на использовании единых моделей подобия качества функционирования аналогов, является актуальной проблемой.

Объектом исследования являются бытовые холодильные приборы, как системы, включающие конструктивные и технологические подсистемы и протекающие в них процессы тепломассопереноса.

Предметом исследования является методология формирования и обеспечения технического состояния БХП на этапах их ЖЦ.

Целью диссертационной работы является разработка методологии формирования и обеспечения технического состояния БХП в процессе ЖЦ на основе обобщенных моделей их функционирования.

Для реализации поставленной цели определены следующие задачи исследования:

- сформулировать концепцию обеспечения технического состояния БХП в процессе их ЖЦ на основе обобщенных моделей их функционирования;

- разработать и исследовать теоретические принципы создания обобщенных и частных моделей обеспечения технического состояния БХП в процессе их ЖЦ;

- разработать и исследовать обобщенные модели и методики обеспечения технического состояния подсистем БХП для различных этапов их жизненного цикла;

- провести экспериментальные исследования полученных теоретических положений методологии обеспечения технического состояния БХП; холодильный бытовой прибор технический

- разработать и внедрить систему технико-технологических инженерных решений по обеспечению технического состояния конкретных подсистем БХП;

- разработать рекомендации по использованию положений системы обеспечения технического состояния БХП на этапах их ЖЦ.

Общая характеристика методов исследования

В диссертационной работе использованы такие методы исследования, как: анализ и синтез; системный подход; методы теорий подобия и размерностей; метод подобия функционирования технических систем; методы теорий моделирования, принятия решений и прогнозирования; методы теорий алгоритмов и программирования.

Достоверность результатов исследования обеспечивается: использованием в качестве теоретической и методологической базы диссертационного исследования фундаментальных трудов отечественных и зарубежных авторов: в области теорий подобия, размерностей и моделирования (Кирпичев М.В., Веников В.А., Гухман А.А., Алабужев П.Н., Седов Л.И., Северцев Н.А., Першин В.А.); в области обобщенного анализа (Зайцев А.А.); в области CALS-технологий (Судов Е.В., Левин А.И.); в области взаимозаменяемости, стандартизации и технических решений (Якушев А.И., Ляндом Ю.Н.); в области холодильной техники (Розенфельд Л.М., Цырлин Б.Л., Якобсон В.Б., Оносовский В.В., Кошкин Н.Н., Сакун И.А., Данилова Г.Н., Бадылькес И.С., Чистяков Ф.М., Быков А.В., Пластинин П.И., Иванов Б.А., Вейнберг Б.С., Планк Р., Гюнтер Е., Посеренин С.П., Левкин В.В., Петросов С.П.); использованием современных теоретических и экспериментальных методов исследований, оборудования и приборов, применением персональных компьютеров и пакета специальных и прикладных программ; апробацией теоретических выводов и методических рекомендаций на научных конференциях различного уровня, в том числе международных, а также в 9 опубликованных работах по списку изданий, рекомендованных ВАК РФ; достаточной сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований.

Экспериментальная апробация выдвинутых теоретических положений и моделей выполнялась с использованием экспериментальных стендов, методов и средств исследований, защищенных авторскими свидетельствами СССР и патентами Российской Федерации.

На защиту выносятся:

- классификация БХП;

- концепция обеспечения технического состояния БХП в процессе ЖЦ на основе обобщенных моделей их функционирования;

- теоретические положения создания обобщенных моделей для обеспечения технического состояния БХП;

- основные положения метода подобия технического состояния подсистем БХП;

- математические модели подобия тепломассопереноса подсистем БХП, обеспечивающие возможность принятия технико-технологических решений по обеспечению технического состояния БХП;

- модели принятия технико-технологических решений по обеспечению технического состояния БХП;

- технические средства и стенды для обеспечения экспериментальных исследований;

- результаты исследований влияния эксплуатационных факторов на техническое состояние подсистем БКХП;

- результаты производственных испытаний и внедрение комплекса технико-технологических мероприятий по обеспечению технического состояния БХП.

Научная новизна диссертационной работы заключается в создании комплекса теоретических компонентов предложенной методологии обеспечения технического состояния БМП, включающей:

- теоретические положения создания обобщенных моделей, как аналитической основы объективного принятия решений по обеспечению технического состояния БХП;

- основные положения метода подобия технического состояния подсистем БХП;

- математические модели подобия процессов тепломассопереноса в

подсистемах БХП, позволяющие формировать, исследовать и принимать технико-технологические решения по управлению техническим состоянием БХП;

- методики и исследования подсистем БХП на основе метода подобия их технического состояния.

Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в том, что в ней:

- предложены структурно-функциональные модели, математические модели функционирования подсистем БХП, модели принятия решений по обеспечению их технического состояния;

- разработаны рекомендации, позволяющие эмпирически, на основе рассчитанного критерия качества функционирования аналогов БХП, принимать инженерные и управленческие решения по способам и средствам управления техническим состоянием БХП, достигать сохранения или изменения технического состояния на конкретных этапах их ЖЦ;

- сформулированы основные принципы и положения методик моделей обеспечения технического состояния БХП, которые могут быть использованы проектными организациями, на производстве и в сфере сервиса, а также при подготовке специалистов различного уровня для предприятий сферы сервиса;

- разработаны технические средства для исследования, диагностики и ремонта БХП, защищенные авторскими свидетельствами СССР № 1143946, № 1305510, № 1040294, № 1215762, № 1377541, № 1677461 и патентами РФ № 2015464, № 2354899;

- разработаны алгоритмы и программы для обеспечения технического состояния БХП при проектировании, диагностике и ремонте БХП, защищенные свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ

№ 2008612338;

- результаты диссертационной работы использованы при подготовке двух кандидатских диссертаций по специальности 05.02.13 и 5 учебно-методических пособий для студентов специальности 150408 «Бытовые машины и приборы», включая, в том числе, с грифом Минобразования РФ;

- результаты диссертационной работы реализованы в курсах «Бытовые машины и приборы», «Проектирование бытовых машин и приборов», «Диагностика бытовых машин и приборов», «Ремонт, техническое фирменное обслуживание бытовой холодильной техники» (5 актов внедрения в учебный процесс).

Внедрение результатов исследования

1. Установка для сбора и регенерации хладона по а.с. СССР №1696822 внедрена на предприятии ОАО «Иней» г.Сочи и применяется при ремон-те герметичных агрегатов бытовых компрессионных холодильных приборов.

2. Устройство холодильного агрегата бытового компрессионного холодильника по патенту РФ № 2162576 внедрено на предприятии ООО НПО «Супротек» г.Ростов-на-Дону.

3. Установка для очистки внутренних полостей агрегатов бытовых холодильников по а.с. СССР № 1651056, внедрена на предприятии ЗАО «Прогресс» г.Шахты и применяется при ремонте герметичных агрегатов бытовых компрессионных холодильных приборов.

4. Стенд для зарядки абсорбционного холодильного аппарата по а.с. СССР №1670305 внедрен на предприятии ООО «Горизонт», г. Шахты и применяется при ремонте абсорбционного холодильного аппарата.

5. Абсорбционно-диффузионный холодильный агрегат по а.с.СССР №1196625 внедрен на предприятие ООО «Горизонт»,г. Шахты.

6. Установка для сбора и регенерации хладона по а.с СССР №1696822 внедрена на предприятие ЗАО «Прогресс», г. Шахты и применяется для экономии холодильного агента.

7. Бытовой холодильник по а.с СССР №1211546, внедрен на предприятии ООО «Новое время» и характеризуется снижением удельного энергопотребления на 22-24%.

8. Стенд для диагностики технического состояния терморегуляторов бытовых холодильников по патенту РФ №2015464 внедрен на предприятии «Ремесленная палата» г. Краснодар.

9. Стенд для зарядки абсорбционного холодильного аппарата по а.с. СССР №1670305 внедрен на предприятие ООО «Горизонт», г. Шахты и применяется при ремонте абсорбционного холодильного аппарата.

10. Стенд для испытаний генератора абсорбционно-диффузионного бытового холодильника по а.с. СССР №1377541 внедрен на предприятие ООО «Горизонт», г. Шахты.

11. Способ очистки внутренних полостей герметичного агрегата бытового холодильника по а.с. СССР №1143946 внедрен на предприятие «Ремесленная палата», г. Краснодар.

12. Абсорбционный диффузионный холодильных агрегат по а.с. СССР №1196625 внедрен на предприятие ООО «Новое время» г. Краснодар, характеризуется низким уровнем удельного энергопотребления.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и получили положительную оценку на научно-технических конференциях: аспирантов и молодых ученых ЦНИИбыт по экономическим, техническим и химическим аспектам бытового обслуживания населения (г. Москва, 1985 г.); Республиканской научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в сфере услуг» (г. Уфа, 1986 г.); областной научно-технической конференции («Проблемы разработки средств диагностики и контроля бытовой РЭА, технологических комплексов, узлов и деталей сложной бытовой техники» (г. Тольятти, 1987 г.); выездной сессии Секции энергетики машиностроения и процессов управления РАН (г. Ессентуки, 2005 г.); международных конференциях «Проблемы легкой и пищевой промышленности» (Украина, г. Луганск, 2005 г., г. Ливадия, 2006 г., 2008 г., г. Феодосия, 2007 г.); третьей Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2000 г.); межвузовских конференциях ЮРГУЭС (г. Шахты 1986-2008 г.г.), научно-технических семинарах МДНТП, г. Москва (1988, 1990 г.г.); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов МТИ Минбыта РСФСР (1983-1986 г.г.).

Отдельные разделы работы выполнялись в рамках госбюджетных программ и планов НИР ЮРГУЭС с предприятиями сервиса: ОАО «Росбытсервис» г. Ростов-на-Дону, ОАО «Башбыттехника» (Республика Башкотарстан, г. Уфа); ОАО «Краснодарбыттехника», г. Краснодар, ОАО «Ставропольбыттехника», г. Ставрополь, госбюджетной НИР ЮРГУЭС 2.1.2/2808 «Разработка научных основ повышения энергетической эффективности бытовых холодильных приборов»; НИР ВГ-1.08 «Формирование научно-исследовательского комплекса ЮРГУЭС в области CALS-технологий»; доложены и обсуждены на расширенном заседании кафедры «Машины и аппараты бытового назначения» ЮРГУЭС (2009 г.) с приглашением ведущих ученых кафедр: «Прикладная механика и проектирование машин», «Энергетика и безопасность жизнедеятельности», «Математика», «Физика» и др.

Материалы диссертации опубликованы в 152 печатных работах, в том числе 3 монографиях, 5 учебных пособиях, 122 статьях, 7 научных работах опубликовано по списку изданий, рекомендованных ВАК. По результатам исследований получены 21 авторское свидетельство СССР и 2 патента РФ, 1 свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Личное участие автора в получении результатов

Основные результаты работы получены автором самостоятельно. Определена цель исследования, проведен обзор и анализ публикаций по теме и поставлены задачи, выбраны методы исследований. Разработаны теоретические принципы использования метода подобия функционирования технических систем при создании математических моделей, позволяющих формировать, исследовать и принимать технико-технологические решения по управлению техническим состоянием БХП; обоснована классификация малых холодильных машин с учетом БХП как подкласса, для которых разработаны структурно-функциональные и математические модели подобия функционирования их подсистем, алгоритмы и программы управления их техническим состоянием; разработана методика оценки работоспособности герметичного агрегата бытового компрессионного холодильного прибора в условиях воздействия эксплуатационных факторов; разработаны и внедрены стенды для теплоэнергетических испытаний хладоновых компрессоров и герметичных агрегатов; разработаны и внедрены стенды для диагностики проходимости фильтр-осушителей, дефектации смазочного масла для хладоновых компрессоров, технологии сбора и регенерации хладагентов, технологии использования металлополимерных соединений при ремонте подсистем БХП на примере испарителя. Проведена экспериментальная проверка эффективности полученных теоретических положений, направленных на совершенствование формирования и обеспечения технического состояния БХП в процессе их ЖЦ. Разработаны новые главы учебных дисциплин «Диагностика бытовых машин и приборов», «Фирменное техническое обслуживание и ремонт бытовых холодильных приборов», «Методы и средства диагностики бытовых машин и приборов» для студентов специальности 150408 «Бытовые машины и приборы».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, содержащего 183 наименований и приложений. Объем диссертации составляет 328 страниц текста, включает 64 рисунка и 26 таблиц. Приложения содержат 28 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы ее цель и задачи, выбраны объект и предмет исследования, показана научная новизна и практическая значимость, обоснована достоверность исследований, приведены результаты апробации работы и основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе выполнен системный анализ отечественного и зарубежного опыта в области исследований, производства и эксплуатации малых холодильных машин (МХМ), занимающих в холодильной технике одно из ведущих мест. На основании анализа сформулированы цели и задачи диссертационного исследования.

Отмечено, что значительный вклад в развитие теории, создания и исследования малых холодильных машин внесли отечественные и зарубежные ученые Л.М.Розенфельд, Б.Л.Цырлин, В.В.Оносовский, В.Б.Якобсон, Р.Планк, Е.Кавалка, И.И.Виденов и др.

На основании анализа выявлено, что МХМ классифицируются по ряду признаков. Но при этом в классификации отсутствует такой подкласс малых холодильных машин, как бытовые холодильные приборы (БХП), которые по прогнозу мировых производителей в ХХI веке будут самыми распространенными среди этого класса.

В классификации БХП отсутствуют такие признаки, как принцип получения холода, подразделение по видам рабочих тел, включая озонобезопасные хладагенты, различие в схемах герметичных агрегатов, признак многообразия вариантов шкафов, разделение по схемам управления режимами работы.

Отмечено, что среди широкого спектра типов, моделей и модификаций БХП особое место занимают бытовые холодильные приборы компрессионного типа (БКХП). Их производство и реализация в России и за рубежом достигает 95% от всех видов БХП, которые нашли широкое распространение вследствие низкого энергопотребления, высокой надежности, при больших полезных объемах и более низких эксплуатационных температурах.

Обзор научно-технической литературы в этой области показал, что вопросам совершенствования технического уровня БКХП посвящено значительное число работ (В.Б.Якобсон, Н.Н.Кошкин, И.С.Бадылькес, Б.С.Вейнберг, А.И.Набережных, В.В.Левкин, С.П.Посеренин, С.П.Петросов и др.). Вместе с тем эти работы носят частный характер решения конкретных вопросов повышения показателей качества отдельных подсистем холодильной машины, что требует обобщения их результатов и дальнейшей проработки.

Кроме этого, увеличение спроса на БХП приводит к интенсивному развитию интеграционных процессов в России и за рубежом в области их проектирования, производства, сбыта, сервисного обслуживания и утилизации.

Развитие интеграции в области технической, технологической и информационной поддержки в этом вопросе насущно требует применения идей CALS-технологий, обеспечивающих возможность обеспечения технического состояния БХП на всех этапах их жизненного цикла.

Следовательно, имеет место проблема создания методологии обеспечения технического состояния БХП с использованием обобщенных моделей, ориентированных на заданное качество технического состояния на различных этапах их жизненного цикла. При этом обеспечение технического состояния БХП рекомендовано реализовать в научном, техническом, технологическом и информационных направлениях на каждом отдельном этапе их жизненного цикла на единой методологической основе.

Вторая глава посвящена разработке теоретических принципов создания системы обеспечения технического состояния БХП в процессе их ЖЦ.

В основе теоретических принципов метода создания системы обеспечения технического состояния заложен метод подобия технического состояния БХП (ПТС БХП), базирующийся на основе метода подобия функционирования технических систем (ПФТС).

На основе этого положения установлено, что система обеспечения технического состояния БХП должна включать: структурно-функциональные модели; математические модели подобия технического состояния их подсистем; модели принятия решений в составе алгоритмов и компьютерных программ. При этом рекомендуется использовать методы анализа размерностей, методы регрессионного анализа, экспертных оценок.

Сформированы принципы синтеза критериев и индикаторов подобия технического состояния БХП, как обобщенных параметров их технического состояния. Установлено, что к критериям технического состояния БХП относятся частные (определяющие и обобщенные) критерии, индикаторы и инварианты подобия технического состояния.

Получены математические модели для условий подобия технического состояния подсистем БХП и их аналогов с последовательным и параллельным объединением их подсистем.

Установлены необходимые и достаточные условия подобия технического состояния БХП, к которым отнесены: функциональное и размерное соответствие комплексов параметров задающих и возмущающих (управляющих) воздействий подсистем БХП их соответствующим выходным характеристикам; подобие технического состояния подсистем их аналогу (в частном случае самой подсистеме или ее заданному техническому состоянию); подобие технического состояния исследуемой системы БХП техническому состоянию ее аналога; условия однозначности аналога и исследуемой системы БХП; наличие целевой модели подобия технического состояния системы, соответствующей конкретной задаче исследования технического состояния БХП на определенном этапе ЖЦ.

Основным принципом формирования моделей технического состояния БХП является необходимость учета в критериальных выражениях этих моделей выходных характеристик (y_i) (например, давление и температура хладагента) подсистем БХП, всех существенных для описания i-х подсистем входных параметров (х_i) (например, пусковой ток и напряжение), возмущающих и управляющих воздействий (S_к) (например, температура окружающего воздуха), структурных и технологических параметров (z_i) (например, диаметр, длина, удельная теплоемкость, плотность хладагента) и времени (ф) (например, продолжительность холодильного цикла) (рисунок 1).

Рисунок 1 Последовательное соединение обеспечивающей и реализующей подсистем

Сформулировано четыре условия подобия технического состояния БХП. Так, при последовательном объединении подсистем через связь , т.е. по цепочке: «выход обеспечивающей подсистемы - задающее воздействие на входе реализующей подсистемы» в любой момент времени в процессе функционирования и взаимодействия подсистем значения и размерности выходных характеристик обеспечивающей подсистемы должны соответствовать размерностям и значениям входных параметров (или для связи - s_ij) реализующей подсистемы, которые обеспечивают и определяют состав и область допустимых значений ее выходных характеристик y_i. Таким образом, должно соблюдаться условие функционального соответствия объединяемых в систему подсистем:

, (1)

где квадратные скобки обозначают символ размерности, а стрелка () - символ соответствия. Это первое условие подобия технического состояния систем рассматриваемого вида - одной и той же подсистемы на разных этапах ее жизненного цикла или технических состояний подсистем-аналогов различных холодильных приборов одного и того же класса на конкретном этапе их ЖЦ.

Условие подобия технического состояния подсистем для рассматриваемой системы должно включать постоянство параметрического состава и значений соответственных критериев подобия технического состояния:



, (2)

а также равенство единице соответственных комплексов масштабов изменения независимых параметров, входящих в эти критериальные выражения:

(3)

В выражениях (2) и (3) (формы записи частных критериев и индикаторов подобия) р_i и С_i - соответственно, символы обозначений критерия и масштаба изменения i-ых величин.

Совокупность выражений (2) и (3) - это есть второе условие подобия технического состояния систем рассматриваемого вида.

Аналогично обоснованы третье и четвертое условия подобия технического состояния БХП: третье условие - подобие технического состояние бытового холодильного прибора, как комплекса подсистем; четвертое условие - подобие технического состояния системы-оригинала и системы-аналога.

Разработаны структурно-функциональные, математические модели подобия технического состояния подсистем БХП, а также модели принятия решений при управлении их техническим состоянием.

Бытовой холодильный прибор структурно представляется, как система, состоящая из подсистем высшего уровня (ВУ) и низшего уровня (НУ), объединяемых функциональными связями «выход-вход». К подсистемам ВУ, например, в бытовом компрессионном холодильном приборе (БКХП) отнесены: хладоновый компрессор, конденсатор, испаритель, капиллярная трубка, фильтр-осушитель, приборы автоматики. К подсистемам НУ - шкаф, рабочие вещества, окружающая среда, трубопроводы.

Наиболее сложной подсистемой в БКХП является «хладоновый компрессор», которая представлена в виде подсистем НУ: «компрессор», «электродвигатель», «рабочие вещества», «кожух», «окружающая среда».

Структурно-функциональные модели устанавливают в БХП состав подсистем i-го уровня, входящих в систему j-го типа бытового холодильного прибора и определяют в зависимости от поставленной задачи исследования составы внутренних параметров выходных характеристик, входных, возмущающих и управляющих воздействий, а также функциональные зависимости, определяющие тот или иной исследуемый процесс в подсистеме холодильного прибора.

Математические модели подобия технического состояния подсистем БХП включают: функциональные зависимости (таблица 1) выходных

Т а б л и ц а 1

Система функциональных зависимостей выходных характеристик от определяющих их параметров в подсистемах БКХП

Подсис темы БКХП	Процесс	Функциональная зависимость
Конденсатор	массоперенос
	теплоперенос
Испаритель	массоперенос
	теплоперенос
Фильтр осушитель	массоперенос
	теплоперенос
Капиллярная трубка	массоперенос
	теплоперенос
Компрессор	массоперенос
	теплоперенос
Электродвиг.	преобразование энергии

параметров подсистем от определяющих их состояние параметров, показателей; частные и обобщенные индикаторы подобия технического состояния подсистем; условия однозначности и соответствующие базы данных значений параметров аналога для данного типа холодильных приборов; численные значения критериев подобия технического состояния подсистем; обобщенные критериальные выражения.

В приведенных выше функциональных зависимостях приняты следующие обозначения для i-х подсистем: Р_i - давление рабочих веществ; Т_i - температура рабочих веществ, поверхностей подсистем, окружающего воздуха; G_i - расход рабочих веществ; d_i - диаметр; у_i - коэффициент поверхностного натяжения вещества; p_i - плотность вещества; м_i - коэффициент динамической вязкости вещества; щ_i - скорость движения вещества; н_i - коэффициент кинематической вязкости вещества; л_i - коэффициент теплопроводности; L_i - длина; д_i - толщина; S_i - шаг ребер, труб; в_i - коэффициент объемного расширения; q_Fi - плотность теплового потока; Q_i - холодопроизводительность; б_i - коэффициент теплоотдачи; F_i - площадь; m_i - масса; ф - время; q_v - удельная массовая холодопроизводительность; х_i - удельный объем; С_р - теплоемкость; ДТ_i - разность температур; К_i - коэффициент теплопередачи; r_i - теплота парообразования; а_i - коэффициент температуропроводности; ДР_i - разность давлений; г_i - концентрация вещества; l_яч - размер ячеек фильтрующей сетки; Х_2кт - паросодержание вещества; л_п - коэффициент подачи; з_i - к.п.д; D_ц - диаметр цилиндра; S_п - ход поршня; z - число цилиндров; Х - сухость вещества; С - относительный мертвый объем; V_ч - часовой объем, описываемый поршнем; - коэффициент рабочего времени; Д_i - зазор; h_i - высота подъема клапана; I_i - ток; U_i - напряжение; М_i - момент; R_i - сопротивление; cos ц - коэффициент мощности; е_э - электрический коэффициент; f - частота электрического тока; д - плотность электрического тока.

В качестве примера приведена методика формирования и исследования составных частей математической модели технического состояния подсистемы «конденсатор» БКХП, которая включает две подсистемы низшего уровня: «рабочее вещество» и «змеевик конденсатора», взаимодействующие с подсистемой «внешняя окружающая среда».

Получены частные выражения и численные значения критериев подобия технического состояния процесса массопереноса в подсистеме «конденсатор».

При этом в качестве независимых параметров приняты G_а (массовая производительность агрегата); Т_вх (температура хладагента на входе в конденсатор); у_х (коэффициент поверхностного натяжения хладагента); L_к (длина змеевика конденсатора).

С учетом функциональной зависимости выходной характеристики от определяющих ее параметров (таблица 1) обобщенная математическая модель процесса массопереноса в подсистеме «конденсатор» включает:

- частные выражения для критериев подобия технического состояния процесса массопереноса подсистемы «конденсатор»:

(4)

.

- численные значения р_i критериев, рассчитанные путем подстановки в (4) условий однозначности подсистемы-аналога (таблица 2).

(5)

Т а б л и ц а 2

Условия однозначности процесса массопереноса подсистемы-аналога «конденсатор»

Параметр	Услов- ное обоз- начение	Размер- ность	Значение по аналогу	Основные единицы измерения
				М	Т	L	Q
1	2	3	4	5	6	7	8
Давление конденсации	Рк	Па	1,36·106	1	-2	-1	0
Температура конденсации	Тк	К	328	0	0	0	1
Массовая производительность агрегата	Gа		1,62·10-3	1	-1	0	0
Температура окружающего воздуха	То.в.	К	305	0	0	0	1
Внутренний диаметр трубы конденсатора	dвн	м	0,005	0	0	1	0
Коэффициент поверхностного натяжения хладона	ух		0,01	1	-2	0	0
Плотность хладона	сх		1210	1	0	-3	0
Давление хладона на входе в конденсатор	Рвх	Па	1,36·106	1	-2	-1	0
Давление хладона на выходе из конденсатора	Рвых	Па	1,03·106	1	-2	-1	0
Коэффициент динамической вязкости хладона	мх		0,2·10-6	1	-1	-1	0
Коэффициент кинематической вязкости хладона	нх		0,18·10-6	0	-1	2	0
Скорость движения хладона в конденсаторе	щх		4,5	0	-1	1	0
Коэффициент теплопроводности хладона	лх		0,06	1	-3	0	-1
Длина змеевика конденсатора	Lк		5,3	0	0	1	0

- обобщенный критерий подобия технического состояния процесса массопереноса подсистемы «конденсатор», сформированный с учетом влияния и принципа коммуникативности, используемого для аналогичных случаев в теории подобия:

(6)

- частные индикаторы подобия, т.е. масштабы, изменения параметров исследуемого процесса массопереноса в подсистеме «конденсатор» по отношению к соответствующим параметрам процесса, полученные из зависимости (4) путем деления соответствующих выражений для частных критериев подобия исследуемой подсистемы и ее аналога:

;

(7)

- обобщенное критериальное выражение для выходной характеристики , полученное путем совместного решения уравнений (4), (5) и (6):

(8)

- обобщенный индикатор подобия технического состояния процесса массопереноса в подсистеме «конденсатор», полученный путем отношения (деления) выражения (6) для реальной и базовой подсистем «конденсатор»:

(9)

При этом численные значения левой части уравнения (6), т.е. численные значения критериев подобия технического состояния процесса массопереноса в подсистеме «конденсатор», принимали постоянными, равными для аналога и реального конденсатора:

или

В итоге создана обобщенная математическая модель процесса массопереноса в подсистеме «конденсатор», включающая выражения (4-9).

Аналогично были получены обобщенные математические модели процессов массотеплопереноса для подсистем: «испаритель», «фильтр-осушитель», «капиллярная трубка», «хладоновый компрессор» БКХП и процесса теплопереноса для подсистемы «конденсатор».

Система обобщенных критериальных выражений выходных характеристик подсистем БКХП представлена в таблице 3.

Таблица 3

Система обобщенных критериальных выражений выходных характеристик подсистем бытовых компрессионных холодильных приборов

Подсистема	Процесс и его условное обозначение	Обобщенное критериальное выражение
1	2	3
Конденсатор	массоперенос (А)
	теплоперенос (Б)
Испаритель	массоперенос (В) теплоперенос (Г)
Фильтр-осушитель	массоперенос (Д)
	теплоперенос (Е)
Капиллярная трубка	массоперенос (Ж)
	теплоперенос (З)
Компрессор	массоперенос (И)
	теплоперенос (К)
Электродвигатель	преобразование энергии (Л)

В третьей главе рассмотрены теоретические принципы методологии обеспечения технического состояния бытовых холодильных приборов на этапах их жизненного цикла.

На основании разработанного метода подобия технического состояния БХП предложены следующие методологические задачи его реализации: формирование цели исследования и целевых функций системы БХП; вербальное и структурное описание исследуемого бытового холодильного прибора; выбор БХП-аналога для исследования подобия технического состояния БХП-оригинала; определение функциональных зависимостей (математических моделей), определяющих техническое состояние исследуемого бытового холодильного прибора; определение условий однозначности БХП-аналога и БХП-оригинала; формирование математических моделей критериальных комплексов для определяемых и определяющих критериев подобия технического состояния исследуемого бытового холодильного прибора; определение номинальных и граничных значений критериев подобия технического состояния подсистем БХП-аналога; формирование общих математических моделей подобия технического состояния бытового холодильного прибора по его выходным целевым характеристикам; формирование частных математических моделей подобия технического состояния бытового холодильного прибора для целевых критериальных функций, соответствующих прикладным задачам исследования БХП-оригинала; установление областей определения параметров-аргументов (их номинальных и граничных значений) БХП-оригинала, входящих в целевые критериальные зависимости для исследуемых функций; разработка алгоритмов и программ принятия решений для требуемых этапов жизненного цикла БХП-оригинала; вычисление искомых значений целевых критериальных функций; проверка условий подобия технического состояния БХП-оригинала.

Изложены методологические принципы формирования технического состояния БХП на этапе их проектирования на основе использования метода подобия технического состояния, включающие следующие этапы:

Первый этап - формирование облика функционирования системы БХП. Под обликом функционирования системы БХП понимается вербальное и формализованное описание состава и процессов функционирования системы и ее отдельных подсистем, элементов. На данном этапе может быть определено несколько вариантов функционально подобных систем, но задачи формирования их облика остаются одними и теми же для всех вариантов.

При этом используются различные базы данных.

Второй этап - формирование критериев, моделей и условий функционирования системы БХП.

Третий этап - сравнительный анализ вариантов аналогичных по функциональному назначению подсистем. Сравнение, очевидно, может выполняться не только по конструкторско-технологическим параметрам, но и по критериям надежности, экономической эффективности.

Четвертый этап - отработка окончательного варианта системы до заданного уровня элементов. При этом решаются некоторые или все этапы, рассмотренные ранее для системы БХП в целом.

Пятый этап - окончательное формирование облика системы. По результатам этого этапа должны быть разработаны базы данных по отдельным подсистемам и системе в целом, а также сформировано техническое задание на проектирование подсистем БХП.

Представлена методика программного обеспечения принятия технических решений при формировании технического состояния БХП на стадии их проектирования. Программное обеспечение включает базы данных с характеристиками объекта работы программы (1 этап). Основным объектом работы программы (первого этапа) являются параметры подсистемы. Вторым основным этапом является работа с расчетными модулями и с подпрограммами. Приведены блок-схема расчета проектируемых значений параметров БХП, компонентная структура программы, порядок работы с ней и получение отчета, дающего возможность сравнения исходных, идеальных, действительных и номинальных значений параметров БХП.

Рассмотрены теоретические принципы конструкторско-технологического обеспечения технического состояния БХП на этапах производственных процессов и их модернизации. Отмечено, что в материальном производстве целевые системы типа «предмет труда-средства труда-продукт труда» представляют собой сложные системы.

В целом бытовой холодильный прибор, как продукция, и входящие в него подсистемы низшего уровня Пi, характеризуются (рисунок 2):



Рисунок 2 Структурная модель подсистемы П-продукция

выходными параметрами и показателями качества функционирования (например, температура в низкотемпературном отделении) j - индекс параметра, показателя, ; i - индекс элементарной i - й подсистемы; входными параметрами, показателями технического состояния (например, потребляемое напряжение электродвигателем хладонового компрессора), ; структурными (конструктивными, физическими) внутренними параметрами (например, длина змеевика конденсатора), и входными параметрами возмущающих воздействий (например, температура окружающего воздуха), . В общем виде модель функционирования подсистемы П может быть представлена в виде:

(10)

где - знак соответствия; индексы при аргументах указывают на их j - ый порядковый номер и принадлежность их к y_i - ой выходной характеристике функционирования подсистемы.

При наличии в подсистеме БХП П_i-х подсистем низшего уровня с взаимными наложенными связями на аргументы и функции y_ij модель (10), естественно, усложняется.

Средство труда в системе типа «предмет труда - средство труда -продукт труда» представляет собой совокупность технологии (технологический процесс или их множество) и средств технологии (технологическое оборудование, например, сварочное, заправочное или их множество) - т.е. совокупность подсистем С (средств) и подсистем Т (технологий), используемых при производстве и модернизации БХП. Предмет труда представляет собой объект технологии - подсистему О. По аналогии с подсистемой П подсистемы С, Т и О характеризуются множествами выходных (y), входных (x), возмущающих(s) и внутренних, структурных (z) параметров, показателей. Модели функционирования каждой из этих подсистем в отдельности описываются по аналогии с подсистемой П.

В сложной системе “средство - технология - объект технологии - продукция” параметры и показатели каждой из подсистем объединены между собой функциональными связями, а отдельные множества параметров, показателей являются общими для групп подсистем, что позволяет реализовать в них прямые и обратные связи между ее подсистемами (рисунок 3). Анализ составов множеств параметров, показателей системы позволил установить связи и соотношения между ними. Так, прямые связи очевидны между множествами, объединенными соотношениями:

; ; .

Рисунок 3 Структурная модель функционирования системы «средства - технология - объект технологии - продукция»

Представленные соотношения между множествами нестрогие. Возможные неравенства (включения) между ними могут иметь место при избыточности составов параметров одних множеств по отношению к составам параметров других множеств или при наличии в составах отдельных множеств, например , появления параметров случайных воздействий, помех.

Функционирование системы «средство-технология-объект технологии-продукция» с заданными составом и значениями выходных характеристик возможно при наличии обратных связей. Главная обратная (отрицательная) связь формируется путем сравнения действительных состава и значений множества выходных характеристик функционирования продукции с заданными множествами . Результат сравнения , преобразованный корректирующим органом (КО₁ и КО₂), поступает в качестве возмущающих воздействий в состав множеств и . Дополнительная обратная связь формируется путем сравнения действительных состава и значений множества выходных параметров объекта технологии с заданными составом и значениями параметров этого множества . Результат сравнения , преобразованный корректирующим органом (КО₃), поступает в качестве возмущающих воздействий в состав множеств .

Разработаны теоретические принципы методики конструкторско-технологического обеспечения технического состояния БХП на этапе их технической эксплуатации. С целью системного анализа процесса формирования и обеспечения технического состояния БХП в диссертации обоснованно предложено использовать обобщенные критериальные выражения, обобщенные индикаторы подобия.

В качестве примера представлены: для подсистемы «капиллярная трубка» БКХП обобщенные критериальные выражения по выходным характеристикам процесса теплопереноса и процесса массопереноса

(11)

(12)

В выражениях (11) и (12) константы представляют собой номинальные значения обобщенных критериев подобия технического состояния подсистемы «капиллярная трубка» по параметрам и , т.е. и .

Обобщенные критерии подобия технического состояния выходных характеристик подсистемы «капиллярная трубка» для процессов тепломассопереноса

(13)

(14)

В этих выражениях:

- соответственно частные критерии подобия: длины капиллярной трубки, плотности жидкого хладагента, кинематической вязкости хладагента, коэффициента поверхностного натяжения, коэффициента местного сопротивления, наружного диаметра капиллярной трубки, коэффициента теплопроводности хладагента, давления конденсации, давления кипения, давления на входе в капиллярную трубку, удельного объема хладагента, скорости истечения хладагента, динамической вязкости хладагента, температуры на выходе из капиллярной трубки, коэффициента теплопередачи меди, температуры окружающего воздуха, паросодержания рабочего тела на выходе из капиллярной трубки, теплоемкости меди, температуры на входе в капиллярную трубку, площади теплопередающей поверхности капиллярной трубки, температуры кипения, плотности теплового потока.

С целью системного анализа процесса формирования и обеспечения технического состояния БХП в диссертации обоснованно предложено использовать обобщенные критериальные выражения подобия технического состояния типа (табл.3), которые по существу представляют собой обобщенные критерии подобия, записанные в параметрической форме.

Обобщенные индикаторы подобия подсистемы «капиллярная трубка» БКХП по выходным характеристикам процесса теплопереноса и процесса массопереноса, которые представляют собой отношения значений параметров по выражениям (11) и (12) соответственно для подсистем оригинала и аналога:

(15)

(16)

В общем случае выражения (15) и (16) могут иметь несколько областей существования, определяющих по существу сущность теоретических принципов конструкторско-технологического обеспечения технического состояния БХП на этапе технической эксплуатации (на одном из этапов жизненного цикла).

Эти области существования, с учетом (15) и (16), определяются выражениями:

(17)

Теоретические принципы; обеспечения технического состояния БХП на этапе технической эксплуатации (на одном из этапов жизненного цикла) с учетом этих выражений формулируется следующим образом:

- первый принцип - принцип сохранения технического состояния БХП, математическое представление которого определяется выражением типа (по выходной характеристике , );

- второй принцип: 1 = const - принцип детерминированного изменения технического состояния БХП;

- третий принцип: 1 = var - принцип обеспечения технического состояния БХП при стохастическом изменении параметров его подсистем;

- четвертый принцип - принцип определения соответствия действительных значений параметров БХП их нормативным значениям, т.е. С_i = const.

Можно утверждать, что сформулированные выше теоретические принципы реализуются на таких этапах технической эксплуатации БХП, как:

- модернизация (принцип второй), при решении вопросов взаимозаменяемости;

- создание новых конструкций и технологий (принцип третий);

- диагностика (принцип третий);

- параметрические исследования (принцип четвертый).

В четвертой главе представлены результаты разработки системы конструкторских и технологических решений для обеспечения технического состояния БХП на этапах их жизненного цикла. При этом за методологическую основу был принят метод подобия технического состояния БХП и разработанный алгоритм формирования и использования эвристических моделей, состоящий из трех блоков (рисунок 4, 5, 6).

Методология эвристического формирования конструкторского или технического решения базируется на обобщенных моделях подобия технического состояния подсистем БХП. В частности, использованы обобщенные и частные критериальное выражения и индикаторы подобия. Их анализ позволяет с учетом известных видов (типов) конструктивных или функциональных элементов и характеризующих их параметров сформировать состав определяющих параметров, воздействие на которые позволяет решить задачу.

Использование баз данных, в определенной исследуемой области холодильной техники и технологии позволяет принимать значение заведомо известных параметров конкретных подсистем БХП, выполнять анализ известных способов воздействия на БХП и изменять искомые параметры. При этом уточняются конструктивные или технологические параметры процессов и величина их воздействий.

Сравнение возможностей и эффективности известных способов с требуемой эффективностью технического решения, позволяет принимать, видоизменять или отвергать какой-либо из этих способов. При этом случай, когда принимается один из способов, относится к разряду тривиальных и далее не рассматривается. Когда отвергают все известные конструкции или способы, принимается новый или существенно отличающийся от известных способов (конструкций). При этом, следует иметь в виду, что способ (конструкция) состоит из операций (элементов) (рисунок 4).

Рисунок 4 Блок описания технической задачи

Затем в соответствии с технологической последовательностью операций способа (способов) подбираются варианты средств для реализации этих операций. При этом учитываются предварительные значения определяющих параметров, показателей технологических операций. Далее варианты средств подвергаются проектной и конструкторской проработке и окончательному оформлению совместно с технологическими способами (рисунок 5).

Рисунок 5 Блок выбора вариантов средств для реализации способов

После определения способа (например, способ и средства регенерации хладагентов БХП), устанавливают последовательность технологических операций и параметры технологических режимов по реализации. Далее формируется технологическая последовательность выполнения операций и предварительно назначаются ориентировочно параметры, показатели технологических режимов (рисунок 6).

...