Реферат: Основы проектирования и конструирования

Основы проектирования и конструирования

Конспект лекций для студентов специальности 060800

«Экономика и управление на предприятии»

Составитель: Капитонов Е.Н.

Тамбов — 2003.

1. Элементы прикладной механики1.1 Статические, кинематические и динамические основы конструированиятехнических систем

Техника ставит перед инженерами множество задач, связанных сисследованием механического движения и механического взаимодействия.

Механическим движением называют происходящее с течением времениизменение взаимного положения материальных тел в пространстве.

Под механическим взаимодействием понимают действия материальныхтел друг на друга, в результате которых происходит изменение движения этих телили изменение их формы.

За основную меру этих действий принимают величину,называемую силой.

Наука о механическом движении и взаимодействии материальныхтел называется механикой. По характеру рассматриваемых задач механика делитсяна статику, кинематику и динамику. Статика содержит учение о силах и об условияхравновесия материальных тел под действием сил.

В кинематике рассматриваются общие геометрические свойствадвижения тел.

Динамика изучает движение материальных тел под действием сил.

1.1.1 Основные понятия статики [1, с.9-17]1.1.1.1 Силы

Рассматриваемые в механике величины можно разделить наскалярные, которые полностью характеризуются их числовыми значениями, и векторные,которые помимо числового значения характеризуются еще направлением в пространстве.Сила — величина векторная и характеризуется числовым значением, направлением иточкой приложения.

Системой сил называют совокупность сил, действующих на тело.

Если линии действия всех сил лежат в одной плоскости,система тел называется плоской, в противном случае — пространственной.

Силы, линии действия которых пересекаются, называютсясходящимися.

Тело, которому из данного положения можно сообщить любое перемещениев пространстве, называется свободным.

Если одну систему сил, действующих на свободное твердоетело, можно заменить другой системой, не изменяя при этом состояния покоя илидвижения, в котором находится тело, то такие две системы сил называютсяэквивалентными.

Система сил, под действием которой свободное твердое теломожет находиться в покое, называется уравновешенной.

Если данная система сил эквивалентна одной силе, то эта силаназывается равнодействующей данной системы сил.

Силы, действующие на тело, можно разделить на внешние ивнутренние.

Внешними называются силы, которые действуют на тело состороны других тел, а внутренними — силы, с которыми части данного теладействуют друг на друга.

Сила, приложенная к телу в какой-нибудь одной его точке,называется сосредоточенной. Силы, действующие на все точки поверхности илиобъема тела называются распределенными.

С понятием силы связан ряд законов механики.

Закон параллелограмма сил

Две силы, приложенные к телу в одной точке, имеютравнодействующую, приложенную в той же точке и изображаемую диагональю параллелограмма,построенного на этих силах, как на сторонах.

Закон равенства действия и противодействия

При всяком действии одного материального тела на другоеимеет место такое же численно, но противоположное по направлениюпротиводействие.

Принцип отвердевания

Равновесие деформированного тела, находящегося под действиемданной системы сил, не нарушится, если тело считать отвердевшим (абсолютно твердым).

1.1.1.2 Связи и их реакции

Все, что ограничивает перемещение тела в пространстве,называется связью.

Тело, стремясь под действием приложенных сил осуществитьперемещение, которому препятствует связь, действует на нее с некоторой силой, называемойсилой давления на связь.

Соответственно, связь действует на тело с силой, равной помодулю и противоположной по направлению.

Эта сила называется реакцией связи. Направлена реакция связив сторону, противоположную той, куда связь не дает перемещаться телу. Определениенаправления реакции — важная задача.

1.1.1.3 Сложение сил [1, с.18-31]

Основу сложения сил составляет упомянутое выше правилопараллелограмма. Рассмотрим конкретный пример.

К стене шарнирно прикреплен кронштейн из шарнирноскрепленных между собой стержней АС и ВС, весом которых можнопренебречь. ÐВАС = 90°, ÐАВС= a. К кронштейну подвешен груз весом Р.Определить усилия в стержнях.

Решение: />, />.

1.1.1.4 Момент силы относительно точки [1, с.31-33]

Моментом силы /> относительноцентра О называется приложенный в О вектор />, модуль которого равенпроизведению модуля силы F на ее плечо h, направленный перпендикулярно плоскости, проходящейчерез О и /> в ту сторону,откуда сила F видна вращающей тело противчасовой стрелки.

1.1.1.5 Пара сил. Момент пары [1, с.33-37]

Парой сил называется система двух равных по модулю, параллельныхи направленных в противоположные стороны сил, действующих на абсолютно твердоетело.

Моментом пары сил называется вектор />, модуль которого равенпроизведению модуля одной из сил пары на ее плечо и который направлен перпендикулярноплоскости действия пары в ту сторону, откуда пара видна стремящейся повернутьтело против часовой стрелки.

1.1.1.6 Приведение системы сил к центру. Условия равновесия

Метод приведение системы сил к центру дает теорема:

Силу, приложенную к абсолютно твердому телу, можно, неизменяя оказываемого ею действия, переносить из данной точки в любую другуюточку тела, прибавляя при этом пару с моментом, равным моменту переносимой силыотносительно точки, куда сила переносится.

Следствием является возможность переноса всех точекприложения сил в один центр, что определяется теоремой о приведении системы сил:любая система сил, действующих на абсолютно твердое тело, при приведении кпроизвольно выбранному центру О заменяется одной силой R,равной главному вектору системы сил и приложенной в центре приведения О, иодной парой с моментом />,равным главному моменту системы сил относительно центра О.

Для равновесия любой системы сил необходимо и достаточно,чтобы главный вектор этой системы сил и ее главный момент относительно любогоцентра были равны нулю.

Изложенные вопросы теории позволяют находить реакции опор,без чего нельзя в дальнейшем рассчитать прочность конструкции.

При решении задач статики реакции связей всегда являются величинамизаранее неизвестными; число их зависит от числа и вида наложенных связей. Величиныреакций находятся из уравнений равновесия. Если число этих уравнений меньше,чем число реакций, такая система называется статически неопределимой. Это имеетместо при наличии лишних связей.

1.1.1.7 Трение [1, с.64-72]

При стремлении двигать одно по поверхности другого вплоскости соприкосновения тел возникает сила сопротивления их относительномускольжению, называемая силой трения скольжения. Сила трения направлена всторону, противоположную той, куда стремятся двигать тело.

/>,

где N — сила нормального давления;

f0 — статическийили динамический коэффициент трения, в зависимости от того в покое или вдвижении находилось тело в момент приложения силы.

1.1.2 Основные сведения из кинематики

Кинематикой называется раздел механики, в котором изучаютсягеометрические свойства движения тел без учета их массы и действующих на нихсил.

1.1.2.1 Способы задания движения точки

Для задания движения точки можно применять один из трехспособов: векторный, координатный, естественный.

Векторный способ.

Путь точка М движется по отношению к некоторойсистеме отсчета Oxyz. Положение этой точки вмомент времени можно определить, задав ее радиус-вектор />.,/> - переменный вектор (вектор-функция),зависящий от аргумента t (времени) />. Это равенство иопределяет закон движения точки в векторной форме. Аналитически вектор задаетсяего проекциями на координатные оси.

В декартовых координатах

/>,

где /> - единичныевекторы (орты).

Координатный способ задания движения точки. Чтобы знатьположение точки в пространстве в любой момент времени, надо знать зависимости

/>.

Это уравнения движения точки в прямоугольных декартовыхкоординатах.

Естественный способ.

Естественным (или траекторным) способом задания движенияудобно пользоваться в тех случаях, когда траектория движущейся точки известназаранее.

На траектории АВ выбирают точку О¢ за начало отсчета и измеряют от неедугу S

/>.

Это и есть закон движения точки М вдоль траектории.

1.1.2.2 Скорость и ускорение точки

Одной из основных кинематических характеристик движенияточки является векторная величина, называемая скоростью точки.

Вектор скорости точки в данный момент времени равен первойпроизводной от радиуса-вектора точки по времени

/>.

Ускорением точки называется векторная величина, характеризующаяизменение с течением времени модуля и направления скорости точки.

Вектор ускорения точки в данный момент времени равен первойпроизводной от вектора скорости или второй производной от радиуса-вектора точкипо времени

/>.

1.1.2.3 Решение задач кинематики точки

Ограничимся рассмотрением одного примера. Движение точкизадано уравнениями:

/>, />

в системе СИ (м, с). Определить траекторию, скорость иускорение точки.

Решение: Сначала исключим из уравнений t.

Для этого обе части первого уравнения умножим на 3, второго — на 4, а затем почленно вычтем из первого уравнения второе.

Получим

/>, или

Следовательно, траектория — прямая линия, проходящая черезначало координат под углом с />.

Для определения проекций скорости на оси координат беремпервые производные от исходных уравнений по времени

/>, />.

Тогда

/> м/с.

Аналогично находим вторые производные и ускорение.

/>, />, /> м/с2.

Направлены векторы /> и/> вдоль траектории. Подставляяв уравнение скорости t от 0 и более, убедимся,что при t > 1 скорость изменит направление. Естьеще движение тела — вращательное, плоскопараллельное [1, с.117-147].

1.1.3 Основные сведения из динамики

Динамикой называется раздел механики, в котором изучаетсядвижение материальных тел под действием сил. В основе динамики лежат законы, открытыеИ. Ньютоном (1687 г)

1.1.3.1 Законы динамики [1, с.181-184]

Первый закон (закон инерции): Изолированная от внешнихвоздействий материальная точка сохраняет свое состояние покоя или равномерногопрямолинейного движения до тех пор, пока приложенные силы не заставят ее изменитьэто состояние. Второй закон (основной закон динамики) устанавливает, какизменяется скорость точки при действии на нее какой-либо силы: произведениемассы материальной точки на ускорение, которое она получает под действием даннойсилы, равно по модулю этой силе, а направление ускорения совпадает с направлениемсилы />. Третий закон (законравенства действия и противодействия): Две материальные точки действуют друг надруга с силами, равными по модулю и направленными вдоль прямой, соединяющей этиточки, в противоположные стороны.

1.1.3.2 Задачи динамики

Для свободной материальной точки задачами динамики являются:зная закон движения точки, определить действующую на нее силу; зная действующиена точку силы, определить закон движения точки.

1.1.3.3 Основные виды сил, рассматриваемые в задачах динамики

Сила тяжести. Это постоянная сила />, действующая на любоетело, находящееся вблизи земной поверхности.

Под действием силы /> телопри свободном падении имеет одно и то же ускорение />,называемое ускорением свободного падения или ускорением силы тяжести />. Сила трения. Это сила тренияскольжения, модуль которой

/>,

где N — сила нормального давления; f -коэффициенттрения.

Сила тяготения. Это сила, с которой два материальных телапритягиваются друг к другу в соответствии с законом всемирного тяготения.

/>,

где f — гравитационная постоянная (f = 6,673 × 10-3 м3/кг × с2);

т1, т2 — массыматериальных точек;

r — расстояние между ними.

Сила упругости. Ее можно определить, исходя из закона Гука,согласно которому напряжение пропорционально деформации. Например, для пружины

/>,

с — коэффициент ее жесткости.

Сила вязкого трения. Это сила, действующая на тело, при егомедленном движении в вязкой среде.

/>,

где v — скорость тела; m — коэффициент сопротивления.

Сила аэро-, гидродинамического сопротивления. Сила, тожезависящая от скорости движения тела в воздухе, воде.

/>,

где r — плотностьсреды; S — площадьпроекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения; Сх — безразмерный коэффициент сопротивления.

1.1.3.4 Общие теоремы динамики [1, с. 201-219]

Одной из основных динамических характеристик движения точкиявляется количество движения. Количеством движения материальной точкиназывается векторная величина />, равнаяпроизведению массы точки на ее скорость. Для рассмотрения теорем динамикинеобходимо ввести еще одно понятие — импульс силы. Элементарным импульсом теланазывается векторная величина />, равнаяпроизведению силы /> на элементарныйпромежуток времени dt:

/>.

Направлен элементарный импульс силы вдоль линии действиясилы. Интегрированием этого выражения можно найти импульс силы за конечныйпромежуток времени t

/>.

Теорема об изменении количества движения точки. Производнаяпо времени от количества движения точки равна сумме действующих на точку сил

/>.

Это, по существу, другой вариант второго закона динамики. Изэтого равенства посредством разделения переменных и интегрирования можно получитьматематическое выражение теоремы об изменении количества движения точки

/>.

Изменение количества движения точки за некоторый промежутоквремени равно сумме импульсов всех действующих на точку сил за тот же промежутоквремени.

Эту теорему можно непосредственно использовать при решениизадач.

Пример: Точка с массой т = 2 кг движется по окружности с постоянной скоростью v = 4 м/с. Определитьимпульс действующей на точку силы за время, в течение которого точка проходитчетверть окружности.

Решение:

Строя геометрически эту разность, находим из прямоугольноготреугольника

/>.

Поскольку по условию задачи

v1 = v0,/> кг × м/с.

Работа силы. Мощность

Для характеристики действия, оказываемого силой на тело принекотором его перемещении, используют понятие о работе силы. Элементарной работойсилы />, приложенной в точке Мназывается величина (скалярная)

/>,

где Ft — проекция /> на касательную ктраектории t;

dS — модульэлементарного перемещения.

Работа силы на любом перемещении М0М1равна взятому вдоль этого перемещения интегралу от элементарной работы.

Мощностью называется величина, определяющая работу, совершаемуюв единицу времени

/>.

Отсюда, мощность равна произведению касательной составляющейсилы на скорость. Например, можно определить мощность локомотива для поезда определенноговеса.

Теорема об изменении кинетической энергии точки.

Кинетической энергией материальной точки называетсяскалярная величина />, равная половинепроизведения массы точки на квадрат ее скорости.

Теорема об ее изменении формулируется следующим образом: Изменениекинетической энергии точки при некотором ее перемещении равно алгебраическойсумме работ всех действующих на точку сил на том же перемещении.

Данная теорема позволяет, зная, как при движении точкиизменяется ее скорость, определить работу действующих сил, определить, какизменяется при движении скорость точки (вторая задача динамики).

1.1.3.5 Введение в динамику системы

Систему материальных точек или тел, движение или равновесиекоторой рассматривается, называют механической системой. Если между точками (телами)механической системы действуют силы взаимодействия, то положение или движениекаждой точки в ней зависит от положения и движения всех остальных. Классическийпример — Солнечная система, в которой все тела связаны силами взаимногопритяжения.

Действующие на механическую систему активные силы и реакциисвязей разделяют на внешние и внутренние.

Внешними называют силы, действующие на точки системы состороны точек или тел, не входящих в состав данной системы.

Внутренними называют силы, с которыми точки или тела даннойсистемы действуют друг на друга.

Внутренние силы обладают следующими свойствами:

геометрическая сумма (главный вектор) всех внутренних силсистемы равна нулю;

сумма моментов (главный момент) всех внутренних сил системыотносительно любого центра сил или оси равна нулю.

Масса системы. Центр масс.

Масса системы равна арифметической сумме масс всех точек илител, образующих систему

/>.

Распределение масс в системе определяется значениями масс ткее точек и их взаимными положениями. В целом это распределение можно охарактеризоватьнекоторыми суммарными характеристиками. Ими являются координаты центра масс,осевые моменты инерции, центробежные моменты инерции. Чтоб определить этипонятия, нужно начать с определения центра тяжести.

Центром тяжести твердого тела называется неизменно связаннаяс этим телом точка, через которую проходит линия действия равнодействующей силтяжести, действующих на частицы данного тела, при любом положении тела впространстве. Координаты центра тяжести

/>;

/>,

где xк, yк, zк — координаты точек приложения сил тяжести />,действующих на частицы тела;

Р — равнодействующая сил тяжести.

Учитывая, что

/>,/>,

из этих уравнений следует

/>;

/>.

Эта замена справедлива лишь в однородном поле тяжести, длякоторого g = const. Геометрическаяточка С, координаты которой определяются последними формулами,называется центром масс или центром инерции механической системы. Моментинерции относительно оси.

Моментом инерции тела (системы) относительно данной осиназывается скалярная величина, равная сумме произведений масс всех точек телана квадраты их расстояний от этой оси

/>.

В качестве примера приведем значения Jzдля некоторых тел.Момент инерции тонкого однородного стержня длиной l, массой М относительно оси, перпендикулярнойстержню и проходящей через ее конец

/>.

Момент инерции тонкого круглого однородного кольца радиусом R, массой М относительно оси, проходящей черезцентр кольца перпендикулярно его плоскости

/>.

Момент инерции цилиндра относительно его оси

/>.

Момент инерции сплошного шара относительно его оси

/>.

Использование приведенных выше понятий позволяет вывести длясистем теоремы динамики, некоторые из которых мы рассматривали раньше применительнок точке.

1.2 Основные понятия о важнейших свойствах конструкций технических систем: прочности,жесткости и устойчивости

Прочность, жесткость, устойчивость формы являются предметом науки,называемой сопротивлением материалов, которая является составной частью механикитвердого тела.

1.2.1 Реальный объект и расчетная схема

Исследование реального объекта начинают с выбора расчетнойсхемы (модели). Для этого, перед тем как приступить к расчету конструкции, устанавливают,что в данном случае существенно и что несущественно. Необходимо произвестисхематизацию объекта и отбросить все факторы, которые не оказываютзначительного влияния на суть задачи. Это необходимо, поскольку учет всех факторовневозможен впоследствии их неисчерпаемости.

Реальный объект, мысленно освобожденный от несущественных особенностей,называется расчетной схемой. Для одного реального объекта может существоватьнесколько расчетных схем в зависимости от требуемой точности и целей расчета.

Построение расчетной схемы начинается со схематизацииструктуры и свойств материала. Принято рассматривать все материалы как сплошнуюсреду — независимо от особенностей молекулярного строения вещества. Кроме того,среда считается однородной (несмотря на кристаллическое решение). Обычно средусчитают изотропной (кроме анизотропных пластмасс).

Вводятся упрощения в геометрию реального объекта. Основнымприемом здесь является приведение формы тела к схеме стержня. Под стержнемпонимают тело, одно из измерений которого (длина) много больше двух других. Стерженьможет иметь поперечное сечение как постоянное, так и переменное вдоль оси. Многиесложные конструкции можно рассматривать, как состоящие из стержней. Их называютстержневыми системами. Часто стержень называют брусом или балкой.

Второй типовой геометрической схемой является оболочка. Это — тело, одно измерение которого (толщина) значительно меньше двух других.

В схеме делаются упрощения и в системе сил.

Например, нагрузку от подвески с грузом, распределенную подлине l, при расчете балки можно заменить сосредоточеннойсилой G.

1.2.2 Силы внешние и внутренние

Силы являются мерилом взаимодействия тел. Если конструкциярассматривается изолированно от окружающих тел, то действие последних на конструкциюзаменяется силами, которые называются внешними. Примером сил, распределенных пообъему тела, является вес. В число внешних сил включаются и реакции связей,дополняющие систему сил до равновесной.

Взаимодействие между частями рассматриваемого объекта внутриочерченной области объекта характеризуется внутренними силами. Внутренние силывозникают не только между отдельными взаимодействующими узлами конструкции, нои между всеми сложными частицами объекта.

Например, если стержень нагружен силами Р1,Р2, …, Рп, то в нем возникают внутренниесилы, которые выявляются, если рассечь мысленно стержень сечением А надве части. Такой прием выявления внутренних сил называется методом сечений.

Так как связи между двумя половинами стержня устранены, ихнеобходимо заменить системой внутренних сил. Из статики мы знаем, что из уравненийравновесия можно найти не закон распределения внутренних сил, а лишь ихравнодействующую. Перенеся ее в центр тяжести сечения (что делается с введениемпары сил), мы получим главный вектор R и главныймомент М.

Выберем систему координат х, у, z таким образом, чтобы ось zбыла направлена нормально к плоскости сечения, а х и урасполагались в этой плоскости.

Спроектировав R и М наэти оси, получим 6 составляющих: 3 силы и 3 момента. Эти составляющиеназываются внутренними силовыми факторами в сечении стержня.

Составляющая N, направленнаяпо оси z, называется нормальной или продольнойсилой в сечении.

Силы Qx и Qy называются поперечными силами. Моментотносительно оси z (Mк)называется крутящим моментом, а моменты Мх и Му — изгибающими моментами. Названные 6 составляющих находятся из уравнений равновесиядля отсеченной части стержня.

1.2.3 Напряжения

Чтобы характеризовать закон распределения внутренних сил посечению, необходимо ввести для них числовую меру.

За нее принимается напряжение.

Рассмотрим в сечении А элементарную площадку DF вокрестности точки К.

В пределах этой площадки действует внутренняя сила DR (в другойплощадке она может быть другой).

Тогда среднее напряжение в пределах площадки DF равно

/>.

Поскольку среда непрерывна, мы можем уменьшать DF, стягиваяее в точку К. При DF ®0.

/>,

[кгс/мм2 или МПа, 1 кгс/мм2 = 9,81 МПа].

Векторная величина р представляет собой полноенапряжение в точке К в сечении А. Полное напряжение может бытьразложено на 3 составляющие: по нормали к плоскости сечения и по двум осям вплоскости сечения. Составляющая по нормали sназывается нормальным напряжением, составляющие в плоскости сечения t называются касательными напряжениями.

1.2.4 Перемещения и деформации

Абсолютно твердых тел в природе нет. Они обладают упругостью.Поэтому под действием внешних сил точки тела меняют свое положение в пространстве.Вектор, имеющий начало в точке недеформированного тела, а конец — всоответствующей точке деформированного, называется вектором полного перемещенияточки. Его проекции на оси координат называются перемещениями по осям (u, v, w).Кроме линейных существуют угловые перемещения.

Если на систему наложены связи, исключающие ее перемещение впространстве как жесткого целого, система называется кинематически неизменяемой.Именно эти системы изучает сопромат.

Для того, чтобы характеризовать интенсивность измененияформы и размеров тела, рассмотрим точки А и В на теле до и послеприложения к нему каких-то сил.

Первоначально расстояние между точками S.

В результате изменения формы тела Sувеличилось на DS.Отношение /> называют среднимудлинением на отрезке S. Приближая В к А,в пределе получим

/>,

где /> - линейнаядеформация.

Для большинства материалов это малая величина.

Кроме линейной деформации есть и понятие угловой деформации(первоначально прямого угла).

1.2.5 Закон Гука

Закон Гука определяет линейную зависимость между напряжениеми деформацией

/>,

где коэффициент пропорциональности Е являетсяфизической характеристикой конструкционного материала и называется модулемупругости (Юнга) первого рода. Он определяется экспериментально.

1.2.6 Растяжение и сжатие

Обычным является растяжение стержня силами Р,приложенными к его концам. Если воспользоваться методом сечений, то становитсяочевидным, что во всех поперечных сечениях возникают нормальные силы N = P.

Сжатие в обычных случаях отличается от растяжения лишь знакомсилы. Естественно предположить, что для однородного стержня внутренние силыраспределены по сечению равномерно.

Тогда

/> или

/>,

где F — площадь поперечного сечения стержня.

Теперь на основании закона Гука может быть определено иудлинение стержня.

Подставив в уравнение закона Гука значения t и e,получим

/>, откуда />.

1.2.7 Статически неопределимые системы при растяжении и сжатии

Если в системе имеется связей больше, чем необходимо дляобеспечения ее равновесия, то для определения внутренних сил в системеуравнений статики оказывается недостаточно. Такие системы называются статическинеопределимыми. Раскрытие статической неопределимости возможно только путемсоставления уравнений, дополняющих число уравнений статики до числанеизвестных. Эти дополнительные уравнения отражают особенности геометрическихсвязей, наложенных на деформируемые системы, и называются уравнениямиперемещений. Рассмотрим пример: Прямой однородный стержень жестко закреплен поконцам и нагружен продольной силой Р, приложенной на расстоянии однойтрети длины от верхней заделки. Величина поперечного сечения стержня F. Требуется определить напряжения, возникающие встержне. Система статически неопределима, поскольку реакции опор нельзяопределить из одного уравнения

/>.

Уравнение перемещений должно отразить тот факт, что общаядлина стержня не меняется. На сколько удлинится верхняя часть, на сколько сократитсянижняя.

/> или

/>, откуда

/>.

Решая это уравнение совместно с уравнением равновесия,находим:

/>, />, />.

1.2.8 Напряженное и деформированное состояния при растяжении и сжатии

Рассечем стержень, растягиваемый продольными силами,сечением, наклонным по отношению к поперечному под углом a. Полное напряжение на площадке сечения Р.

Равнодействующая внутренних сил в сечении должна бытьнаправлена по оси стержня и равна величине растягивающей силы s F, т.е.

/>,

где Fa — площадькосого сечения,

/>.

Таким образом, полное напряжение на наклонной площадке />.

Раскладывая это напряжение по нормали и по касательной к наклоннойплощадке, находим

/>, />.

Подставив сюда значения р, получим

/>, />.

Следовательно, даже при чистом растяжении в определенномнаправлении действуют касательные напряжения, и может иметь место сдвиг.

Наблюдения показывают, что удлинение стержня в осевомнаправлении сопровождается уменьшением его поперечных размеров, т.е. есть ипоперечная деформация.

/>, />.

При этом установлено, что в пределах применимости законаГука поперечная деформация пропорциональна продольной.

/>,

где m — безразмерныйкоэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом Пуассона.

Это — характеристика свойств материала. Для металлов m = 0,25 ¸0,35.

Таким образом, стержень, изображенный на последнем рисунке,вытянется в длину и сузится в поперечном направлении. Стороны прямоугольника АВСD соответственно изменят свою длину, прямоугольникперекосится. Анализируя происшедшую угловую деформацию можно установить величинумодуля упругости второго рода или модуля сдвига

/>.

1.2.9 Испытание материалов на растяжение и сжатие

Для решения практических задач необходимо иметь числовыехарактеристики ряда прочностных свойств материалов. Поэтому существует целыйряд устройств и методов механических испытаний.

Так, испытание стандартного образца на растяжение позволяетполучить диаграмму растяжения. На диаграмме несколько зон:

ОА — зона упругости; здесь материал подчиняется законуГука;

АВ — зона общей текучести (Р растет мало, а DLнепропорционально много); эта зона обнаруживается редко, она мала;

ВС — зона упрочнения; здесь удлинение образцасопровождается возрастанием нагрузки, но на 2 порядка более медленным, чем взоне упругих деформаций, начинает образовываться шейка — местное сужениеобразца.

В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшениемсилы, хотя среднее напряжение в поперечном сечении шейки и возрастает. Удлинениеобразца носит в этом случае местный характер, поэтому участок СD называется зоной местной текучести. В точке D — разрушение образца.

Такие испытания позволяют установить ряд механическиххарактеристик материала. Сюда, в частности, относятся следующие.

Наибольшее напряжение, до которого материал следует законуГука, называется пределом пропорциональности.

Наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточныхдеформаций, называется пределом упругости.

Напряжение, при котором происходит рост деформаций беззаметного увеличения нагрузки, называется пределом текучести.

Отношение максимальной силы, которую способен выдержатьобразец, к его начальной площади поперечного сечения называется пределом прочности.

Кроме перечисленных прочностных характеристик при испытанияхна растяжение определяют относительное удлинение при разрыве.

Способность материала без разрушения получать большие остаточныедеформации называется пластичностью. Это свойство важно для обработки металловдавлением.

Противоположным пластичности свойством является хрупкость, т.е.способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций.

Деление материалов на пластичные и хрупкие в значительноймере условно, т.к это свойство зависит от условий проведения эксперимента (Т,Р).

Одной из основных технологических операций, меняющихсвойства материала, является термообработка.

Легко контролируемым в производственных условиях свойствомявляется твердость (определяемая по глубине вдавливания при эталонной нагрузкешарика или алмазного конуса).

1.2.10 Влияние температуры и фактора времени на механические характеристикиматериала

Если испытания образцов на растяжение производить приразличных температурах образца, то можно построить зависимость свойствматериала от температуры.

Например, отмечено, что легированные стали и цветные сплавыпри повышении температуры обнаруживают монотонное возрастание d и снижение sТи sВ.

Существенным является, и влияние фактора времени (особеннодля полимеров). Изменение во времени деформаций и напряжений, возникающих внагруженной детали называется ползучестью.

Частным проявлением ползучести является рост необратимыхдеформаций при постоянном напряжении. Это явление называется последействием.

Другим проявлением ползучести является релаксация — самопроизвольноеизменение во времени напряжений при неизменной деформации.

Основными механическими характеристиками материала вусловиях ползучести являются предел длительной прочности и предел ползучести.

Пределом длительной прочности называется отношение нагрузки,при которой происходит разрушение растянутого образца через заданный промежутоквремени, к первоначальной площади сечения.

Пределом ползучести называется напряжение, при которомпластическая деформация за заданный промежуток времени достигает заданной величины.

Среди различных типов статических нагрузок особое местозанимают периодически изменяющиеся или циклические нагрузки. Прочность материаловв условиях таких нагрузок связана с понятиями выносливости или усталости материала.

Своего подхода требует анализ прочности при динамическихнагрузках. Поскольку при быстром нагружении развитие пластических деформаций затруднено,главенствующим механизмом разрушения оказывается развитие трещин, и материалобостренно воспринимает местные повышенные напряжения. Это потребовало созданияспециального метода испытания материала на чувствительность к хрупкомуразрушению — испытания на ударную вязкость.

1.2.11 Коэффициент запаса

Основным в сопромате является метод расчета конструкции понапряжениям. В этом искомый размер находят из условия

/>,

где smax — максимальное напряжение,которое может возникнуть в элементе конструкции в процессе эксплуатации; [s] — допускаемое напряжение.

Для пластичных материалов допускаемое напряжение обычнонаходят по пределу текучести

/>,

где п Т — коэффициент запаса по пределутекучести.

Для хрупких материалов [s] находят по пределу прочности

/>,

где пВ — коэффициент запаса по пределупрочности.

Выбор п осуществляют исходя из условий работы детали,ответственности, точности расчета и т.д.

1.2.12. Кручение1.2.12.1 Чистый сдвиг

Рассматривая растяжение, мы говорили о том, что, взяв вместопоперечного сечения наклонное, мы получим в плоскости сечения касательныенапряжения. Положим, что такое напряженное состояние, когда на граняхвыделенного (сечениями) элемента возникают только касательные напряжения t. Такое напряженное состояние называют чистымсдвигом. Наиболее просто чистый сдвиг можно получить нагружением пластины,захваченной в жесткие шарнирно соединенные накладки. Во всех точках пластиныбудут

/>,

где d — толщинапластины.

Другой пример — тонкостенная цилиндрическая трубка,нагруженная моментами, приложенными в торцевых плоскостях. В этом случае

/>,

где R — радиус трубы.

В результате возникают угловые деформации, связанные с t соотношением

/>, где />.

1.2.12.2 Кручение стержня с круглым поперечным сечением

Под кручением понимается такой вид нагружения, при котором впоперечных сечениях стержня возникает только крутящий момент.д.ругие силовыефакторы равны нулю. При расчете стержня на кручение решают две основные задачи.Требуется определить напряжения и найти угловые перемещения в зависимости отвнешних моментов. Механизм деформирования стержня с круглым сечениемпредставляют следующим образом: считают, что каждое поперечное сечение поддействием внешних моментов поворачивается в своей плоскости как жесткое целое. Это- гипотеза плоских сечений. Выделим из стержня двумя поперечными сечениямиэлемент dz, а из него двумя цилиндрическими поверхностямис радиусами r и r + dr выделим элементарное кольцо.

Правое торцевое сечение при кручении поворачиваетсяотносительно левого на угол dj. Образующая цилиндра АВповорачивается при этом на угол g изанимает положение АВ¢.Отрезок ВВ¢ равен с однойстороны />, а с другой /> (поскольку углы малые).Угол g представляет собой не что иное,как угол сдвига цилиндрической поверхности. Обычно обозначают />.

Эта величина называется относительным углом закручивания. Сучетом этого получаем />.

По закону Гука для сдвига />.Крутящий момент, вызывающий в кольце такие напряжения />.

Подставив сюда значение t,получим />. Интеграл /> (см4)называется полярным моментом инерции сечения Jр.

Таким образом, /> или />. Произведение /> называют жесткостьюстержня при кручении.

На основе всего изложенного решение названных выше основныхзадач при расчете на кручение выглядит следующим образом, если Мкпо длине не меняется:

/>,

где l — расстояние между сечениями, для которых определяется j.

Величина /> называетсяполярным моментом сопротивления (см3). Окончательно />.

Величины геометрических характеристик сечения Jp и Wpможно найти интегрированием. Для круглого сплошного сечения получим

/>, />.

Для кольцевого сечения

/>, />.

Аналогичные решения существуют для некруглых сечений, но ониболее сложны.

1.2.13. Геометрические характеристики плоских поперечных сечений стержня

Для решения задач, прежде всего, связанных с изгибом,возникает необходимость оперировать некоторыми геометрическими характеристикамипоперечных сечений стержня.

1.2.13.1 Статические моменты

Для некоторого поперечного сечения возьмем интегралы по всейплощади сечения

/>, />.

Первый интеграл называется статическим моментом сеченияотносительно оси х, второй — относительно оси у. При параллельномпереносе осей статический момент меняется на величину, равную произведению площадиF на расстояние между осями.

Очевидно, можно подобрать такое положение оси, при которомстатический момент относительно этой оси обращается в нуль. Такая ось называетсяцентральной. Точка пересечения центральных осей называется центром тяжестисечения.

1.2.13.2 Моменты инерции сечения

Рассмотрим еще три следующих интеграла

/>; />; />.

Первые два интеграла называется осевыми моментами инерциисечения относительно осей х и у. Третий — центробежный моментинерции относительно осей х, у. Минимальный момент инерцииполучается относительно центральной оси.

Следует отметить еще одно определение: оси, относительнокоторых центробежный момент инерции равен нулю, а осевые моменты принимаютэкстремальные значения, называются главными осями. Осевые моменты инерцииотносительно главных осей называются главными моментами инерции.

1.2.14. Изгиб

Под изгибом понимается такой вид нагружения, при котором впоперечных сечениях стержня возникают изгибающие моменты. Если изгибающиймомент в сечении является единственным силовым фактором, изгиб называетсячистым. Однако чаще всего наряду с изгибающими моментами в сечениях возникают ипоперечные силы. В этом случае изгиб называют поперечным.

Стержень, работающий в основном на изгиб, часто называютбалкой. Для расчета стержня на изгиб необходимо, прежде всего, научиться определятьзаконы изменения внутренних силовых факторов, т.е. научиться строить эпюрыизгибающих моментов и поперечных сил. Рассмотрим пример.

Дана двухшарнирная балка, на которую действует сила Р.Определить ее напряженное состояние. Анализ внутренних сил начинают сопределения полной системы внешних сил. В данном случае необходимо определитьреакции опор. Из условия равновесия:

/>;

/>.

На расстоянии z от левойопоры проведем сечение с и разделим балку мысленно на две части. Длятого, чтобы каждая из частей находилась в равновесии, в сечении снеобходимо приложить силу Q и момент Мизг.

Для их определения рассмотрим левую часть, как имеющую болеепростую нагрузку. Сумма моментов сил относительно центральной поперечной оси всечении с

/>,

отсюда

/>,

т.е. изгибающий момент в сечении является суммой моментовотносительно поперечной оси сечения всех сил, расположенных по одну сторону отэтого сечения. Меняя z от 0 до а, получимданные для построения эпюры моментов для левой половины балки

/>.

Аналогично для правой части

/>.

Эпюра Мизг является кусочно линейной и навсей длине балки расположена сверху (при построении эпюры на сжатых волокнах).Это значит, что ось изогнутой балки, называемая упругой линией, всюдунаправлена вогнутой стороной вверх, что в данном случае достаточно очевидно.

Определим поперечные силы. Из условия равновесия левой илиправой части стержня

/> или

/>.

Во всех случаях величина поперечной силы для прямого стержняравна сумме проекций на плоскость сечения всех внешних сил, лежащих по одну сторонуот сечения. Другие примеры:

/>;

/>.

Мизг достигает максимума при />

/>.

1.2.14.1 Напряжения при чистом изгибе

Чистый изгиб — это наиболее простой случай изгиба. Поддействием момента М стержень изогнется. Поскольку во всех сечениях Модинаков, изменение кривизны будет одним и тем же, т.е. ось однородного стержняпринимает форму дуги окружности. При этом поперечные сечения стержня остаютсяплоскими и только поворачиваются на некоторый угол. Это утверждение именуетсягипотезой плоских сечений.

При изгибе наружные относительно центра кривизны волокнарастягиваются, внутренние сжимаются. Следовательно, есть волокна, сохраняющиепервоначальную длину. Геометрическое место точек, удовлетворяющих условию e = 0 и, соответственно, s = 0 называется нейтральной линией сечения.Нормальные напряжения в сечении меняются от smax до smin.

Для волокна, расположенного на расстоянии у отнейтральной линии

/>.

На наиболее удаленных поверхностях

/>.

Отношение /> называетсямоментом сопротивления сечения при изгибе Wx.Таким образом,

/>.

Для стержня прямоугольного сечения со сторонами b и h

/>, />, />.

Для стержня круглого сечения

/>, />, />.

Нетрудно догадаться, что наиболее удаленные от нейтральнойлинии слои сечения более нагружены. Поэтому с целью рационального использованияметалла эти части стержня, работающего на изгиб, должны быть шире. Отсюда — появление таких профилей, как швеллер, тавр, двутавр, рельс и т.д.

1.2.14.2 Напряжения при поперечном изгибе

При чистом изгибе возникают только нормальные напряжения впоперечных сечениях. Наличие же поперечных сил вызывает появление касательныхнапряжений в плоскости сечения, что сопровождается появлением угловых деформацийg.

Величина касательных напряжений может быть определена поформуле Журавского

/>,

где Q — поперечная сила;

Sx* — статический момент относительно оси х части площади, расположеннойвыше продольного сечения, проведенного на расстоянии у от оси х (Меняяу, можно найти t по всемусечению. На наружных поверхностях Sx*= 0, поскольку площадь сечения выше /> равнанулю. Следовательно t = 0);

Jx — момент инерции сечения относительно оси х;

b — ширина сечения.

1.2.15. Прочность при циклически изменяющихся напряжениях

Есть детали (вагонная ось, долото пневмомолотка) у которыхнагрузка меняется с каждым оборотом, тактом. Это приводит к усталостным разрушениям.Такая нагрузка называется циклической. Если нагрузка за один цикл меняется от smax до smin, то

/>.

Это отношение называется коэффициентом асимметрии цикла. ПриRs= — 1 цикл называется симметричным. Циклы, имеющие одинаковые значения Rsназываются подобными.

Процесс образования трещины при переменных напряженияхсвязан с накоплением пластических деформаций. Существует специальная методика исследованияматериалов на усталость.

Накопленный опыт испытаний стальных образцов показывает, чтоесли образец не разрушился до 107 циклов, то вероятнее всего он неразрушится и при более длительном испытании. Для цветных металлов и твердыхзакаленных сталей требуется 108 циклов. Число циклов, до котороговедется испытание, называется базой испытаний.

Наибольшее значение максимального напряжения цикла, прикотором образец не разрушается до базы испытания называется пределом выносливостиsп.

Для сталей предел выносливости при изгибе составляет примернополовину от предела прочности

/> МПа;

для высокопрочных сталей

/> МПа;

для цветных металлов

/> МПа.

Аналогично испытаниям на изгиб можно определить пределвыносливости на кручение:

для обычных сталей />;

для хрупких материалов />.

Одним из основных факторов, которые необходимо учитывать припрактических расчетах на циклическую прочность, является концентрациянапряжений. Ими являются любые резкие изменения формы детали — проточки,отверстия, углы. Одно из средств снижения концентрации — галтели, скругления.

Основными показателями оценки местных напряжений уконцентраторов напряжений являются теоретические коэффициенты концентрации напряжений:

для нормальных напряжений и

для касательных напряжений.

Здесь sноми tном — напряжения,рассчитанные без учета концентрации напряжений (номинальные).

Величина теоретических коэффициентов для типовых конструкционныхэлементов приводится в справочниках. Наиболее достоверные результаты получаютна основе натурных испытаний образца.

1.2.16. Понятие об устойчивости

Под устойчивостью понимают свойство системы сохранять своесостояние при внешних воздействиях. Наиболее простой случай — потеряустойчивости центрально сжатого стержня. В этом случае целью расчета являетсяопределение предельной или критической силы, превышение которой вызовет потерюустойчивости.

1.2.17. Динамическое нагружение

Распространенным случаем динамического нагружения являетсяударная нагрузка. Точный расчет сложен. В инженерных расчетах используют коэффициентдинамичности, который показывает во сколько раз прогиб при ударе большепрогиба, возникающего при статическом приложении такой же нагрузки. В том жеотношении изменяются внутренние силы и напряжения

/>.

1.3 Элементы теории механизмов и деталей машин

В теоретической механике рассматривают материальную точку итело, как совокупность материальных точек, находящихся в покое или движении,под воздействием сил. В ТММ делается шаг к более сложным системам: механизмам имашинам.

Механизм является системой твердых тел. Поэтому механизмыимеют как весьма простое, так и достаточно сложное и разнообразное строение (структуру).

Строением механизма определяются такие его важнейшиехарактеристики, как виды осуществляемых движений, способы их преобразования,число степеней свободы. Формирование механизма, т.е. соединений отдельных егочастей в единую систему сопровождается наложением связей. Правильное ихраспределение в строении механизма в сильной степени предопределяет егонадежную эксплуатацию. Поэтому при проектировании нужно из множестваразнообразных механизмов выбрать самый подходящий и правильно подобрать его основныеструктурные элементы.

А для этого нужно знать основные виды современныхмеханизмов, их структурные характеристики, закономерности их строения. Это исоставляет предмет ТММ.

Машина представляет собой комплекс механизмов,предназначенных для выполнения технологического процесса в соответствии сзаданной программой.

1.3.1 Основные определения

Твердые тела, из которых образуется механизм, называютсязвеньями. При этом имеются в виду как абсолютно твердые, так и деформируемые игибкие тела.

Звено — либо одна деталь, либо совокупность несколькихдеталей, соединенных в одну кинематически неизменяемую систему. Звеньяразличают по конструктивным признакам (вал, шатун, поршень, зубчатое колесо) ипо характеру их движения. Например, звено, совершающее полный оборот вокругнеподвижной оси, называют кривошипом, при неполном обороте — коромыслом, звено,совершающее поступательное прямолинейное движение — ползуном и т.д. Неподвижноезвено механизма для краткости называют стойкой.

Кинематической парой называют подвижное соединение двухсоприкасающихся звеньев.

Совокупность поверхностей, линий и точек звена, входящих всоприкосновение (контакт) с другим звеном пары, называют элементом пары.

Кинематические пары во многом определяют работоспособность инадежность машины, поскольку через них передаются усилия от одного звена кдругому; в кинематических парах, вследствие относительного движения возникаеттрение, происходит износ.

Систему звеньев, образующих между собой кинематические пары,называют кинематической цепью. Различают замкнутые и незамкнутые кинематическиецепи. В замкнутой цепи каждое звено входит не менее, чем в две кинематическиепары, в незамкнутой цепи есть звенья, входящие только в одну кинематическуюпару.

Основываясь на понятии кинематической цепи, можно дать болееконкретное определение механизма: механизм — это кинематическая цепь, в составкоторой входит неподвижное звено, и число степеней свободы которой равно числуобобщенных координат, характеризующих положение цепи, относительно стойки. Так,у кривошипно-шатунного механизма взаимное положение звеньев однозначноопределяется углом поворота кривошипа j1.Это и есть обобщенная координата, и поскольку она одна, степень свободымеханизма W = 1.

Различают входные и выходные звенья механизма. Выходным называютзвено, совершающее то движение, для которого предназначен механизм. Входнымназывают звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом втребуемое движение выходного звена.

При изображении механизма различают его структурную (принципиальнуюсхему с применением условных обозначений звеньев и пар без указания их размеров)и кинематическую схему с размерами, необходимыми для кинематического расчета.

1.3.2 Классификация кинематических пар

Пару называют низшей, если элементы звеньев соприкасаютсятолько по поверхности, и высшей, если контакт только по линии или в точках (подшипникикачения и скольжения).

Кинематические пары классифицируют по числу H степеней свободы в относительном движении звеньев и почислу S условий связи (ограничений).

Так как для свободного тела в пространстве число степенейсвободы равно 6, то H и Sсвязаны соотношением H = 6 — S. При S = 0 пары не существует,а имеются два тела, двигающихся независимо друг от друга. При S = 6 кинематическая пара становится жестким соединением,т.е. одним звеном. Отсюда классификация пар — одноподвижные, 2х, 3х,4х и 5и -подвижные.

Примеры: вращательная одноподвижная (шарнир дверной);поступательная одноподвижная (спичечный коробок); цилиндрическая двухподвижная(шток в сальнике); сферическая трехподвижная (плечевой сустав).

1.3.3 Виды механизмов и их структурные схемы

Различают механизмы с низшими и высшими кинематическими парами,плоские и пространственные. Наиболее распространенные механизмы с высшимипарами — кулачковые, зубчатые, фрикционные, мальтийские и храповые; с низшими — рычажные, клиновые и винтовые.

1.3.4 Структурный анализ и синтез механизмов. Влияние избыточных связей наработоспособность и надежность машин

Важнейшей задачей структурного анализа при конструированиимашин является выявление и устранение избыточных связей в кинематических цепяхмеханизма или сведение их к минимуму. Механизм с избыточными связями нельзясобрать без деформирования звеньев при существенных допусках на размеры этихзвеньев.

Поэтому такие механизмы требуют повышенной точности изготовления.При недостаточной точности изготовления механизма с избыточными связями трениев кинематических парах может сильно увеличиваться и привести к заклиниваниюзвеньев. С этой точки зрения избыточные связи в механизмах нежелательны. Однаков ряде случаев приходится сознательно проектировать статически неопределимыемеханизмы с избыточными связями.

Выше в качестве примера показан коленчатый валчетырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Он образует с подшипником Аодноподвижную вращательную пару, что вполне достаточно с точки зрения кинематикиданного механизма с одной степенью свободы (W =1). Однако, учитывая большую длину вала и значительные силы, нагружающие его,приходится добавлять подшипники А¢и А², иначе система будетнеработоспособной из-за недостаточной прочности и жесткости. Если этивращательные пары двухподвижные цилиндрические, то помимо 5иосновных связей будет наложено /> добавочныхсвязей; при этом потребуется высокая точность изготовления (расточка отверстийстойки и проточка шеек вала с одного установа) для обеспечения соосности всехтрех опор, иначе вал будет сильно деформироваться, что приведет к недопустимобольшим напряжениям.

В общем случае оптимальное решение следует искать, учитываяналичие необходимого технологического оборудования, стоимость изготовления, требуемыйресурс работы и надежность машины. Мы ограничимся здесь этим примером.

Чтобы конструкции кинематической пары были работоспособнымии надежными в эксплуатации, предъявляют определенные требования к размерам,форме и относительному положению ее элементов. Это выражается в указаниипределов отклонений от номинальных размеров и формы.

При разработке конструкций дополнительные элементы кинематическихпар вводят для того, чтобы уменьшить давление и износ контактируемых поверхностейза счет перераспределения реактивных сил.

Особое внимание уделяется уменьшению деформаций поддействием заданных сил путем установки дополнительных подшипников.

Схему кинематической пары, отражающей только необходимоечисло геометрических связей, соответствующее виду пары, называют основной (а).

Схему кинематической пары, отражающей как необходимые, так иизбыточные локальные (дополнительные) связи, называют действительной (б).Дополнительные связи вносят статическую неопределенность. Число дополнительныхсвязей в реальной конструкции пары называют степенью статическойнеопределимости кинематической пары.

Негативное влияние дополнительной опоры можнокомпенсировать, например, установкой сферических подшипников, допускающихнекоторый перекос оси, и т.д.

Применение конструкций с дополнительными связями между элементамикинематической пары возможно при достаточной жесткости звеньев и особенностойки (корпуса, станины, рамы). Деформация звеньев при воздействии нагрузок недолжна приводить к заклиниванию элементов кинематических пар или их повышенномуизнашиванию. Механизмы, которые удовлетворяют требованиям приспособляемости кдеформации звеньев, надежности, долговечности и технологичности конструкции,обладают оптимальной структурой.

1.3.5 Кинематические характеристики механизмов

Основным назначением механизма является выполнениенеобходимых движений, которые описываются посредством его кинематических характеристик.К ним относятся траектория точек, координаты точек и звеньев механизма и преждевсего его обобщенные координаты, перемещения точек и звеньев, их скорости иускорения. К числу кинематических характеристик относятся и такие, которые независят от закона движения начальных звеньев, а определяются только строениеммеханизма, размерами его звеньев и в общем случае зависят от обобщенныхкоординат.

Это функции положения, аналоги скоростей или передаточныефункции, аналоги ускорений точек и звеньев механизма.

По кинематическим характеристикам конструктор делает вывод отом, насколько успешно выполнен выбор структурной схемы и определение размеровзвеньев. Следовательно, для создания механизма наилучшим образом отвечающегопоставленным требованиям, надо знать методы определения кинематическиххарактеристик механизма. Это достаточно сложные математические задачи, которыемы рассматривать не будем. Отметим лишь, что широкое распространение получилиграфические методы кинематического исследования механизмов, позволяющиеопределить положения звеньев, скорости и ускорения точек и звеньев. Графическиеметоды включают в себя построение планов механизма, планов скоростей иускорений.

Планы механизма.

Изображение кинематической схемы механизма в выбранноммасштабе, соответствующее положению начального звена называется планоммеханизма. При этом входное звено вычерчивается в ряде положений и для этихположений входного звена указываются положения остальных звеньев.

На плане механизма в случае необходимости можно построитьтраектории, описываемые любой точкой того или иного звена, положение которогоуже найдено.

Планы скоростей и ускорений.

Планом скоростей механизма называют чертеж, на которомизображены в виде отрезков векторы, равные по модулю и по направлению скоростямразличных точек звеньев механизма в данный момент. План скоростей для механизмаявляется совокупностью нескольких планов скоростей для отдельных звеньев, укоторых полюса планов Р являются общей точкой — полюсом плана скоростеймеханизма.

Чертеж, на котором изображены в виде отрезков векторы,равные по модулю и направлению ускорениям различных точек звеньев механизма вданный момент, называют планом ускорений механизма. Для того, чтобы был понятенсмысл записанных определений, рассмотрим в качестве иллюстрации планы скоростейи ускорений начального звена механизма — наиболее простой случай, посколькуначальное звено обычно совершает простое движение: вращательное (кривошип) илипоступательное (поршень).

Имеется начальное звено механизма АВ, вращающееся соскоростью w1 относительнооси А. Берем момент, когда АВ заняло положение с обобщеннойкоординатой j1 относительнооси х. Скорость точки В перпендикулярна прямой АВ исоответствует (в масштабе) vB. Аналогичнодля точек С и D, в которых мы хотимузнать скорость, на лежащих на АВ. Для того, чтобы получить планскоростей, нужно векторы скоростей />, />, /> перенести в общий полюс Р.При этом будет соблюдаться подобие треугольников: D BCD ~ D bcd. Онибудут повернуты друг относительно друга на 90°в направлении w1. Следовательно,зная скорость точки В, пользуясь подобием треугольников, построенных наплане скоростей, можно графически найти скорость точек, не лежащих на АВ.

Для сложных случаев, определения кинематическиххарактеристик звеньев аналитическим путем сегодня широко применяется ЭВМ.

1.3.6. Силы, действующие в механизмах и способы их определения

Силы и пары сил (моменты), приложенные к механизму машины,можно разделить на следующие группы. Движущие силы и моменты, совершающиеположительную работу за время своего действия или за один цикл, если ониизменяются периодически. Эти силы и моменты приложены к звеньям механизма,которые называются ведущими.

Силы и моменты сопротивления, совершающие отрицательную работуза время своего действия или один цикл. Эти силы и моменты делятся, во-первых,на силы и моменты полезного сопротивления, которые совершают требуемую отмашины работу и приложены к ведомым звеньям, и, во-вторых, на силы и моментысопротивления среды (газа, жидкости), в которой движутся звенья механизма. Силысопротивления среды обычно малы по сравнению с другими силами и в ТММ неучитываются (на практике часто их учет необходим).

Силы тяжести подвижных звеньев и силы упругости пружин. На отдельныхучастках движения механизма эти силы могут совершать как положительную, так иотрицательную работу. Однако за полный кинематический цикл работа этих силравна нулю, т.к точки их приложения движутся циклически.

Силы и моменты, приложенные к корпусу машины (к стойке) извне.К ним помимо силы тяжести корпуса относятся реакция основания (фундамента) машинына ее корпус и многие другие силы (ветер и т.д.). Все эти силы и моменты,поскольку они приложены к неподвижному звену, работы не совершают.

Силы взаимодействия между звеньями механизма, т.е. силы,действующие в его кинематических парах. Эти силы согласно 3му законуНьютона всегда взаимообратны. Их нормальные составляющие работы не совершают, акасательные составляющие, т.е. силы трения совершают отрицательную работу.

Силы и моменты первых трех групп относятся к категорииактивных. Обычно они известны или могут быть оценены. Все эти силы и моменты приложеныизвне и поэтому являются внешними. К числу внешних относятся силы и моменты 4ойгруппы, но не все они являются активными.

Силы 5ой группы для механизма в целом являютсявнутренними. Эти силы являются реакциями на действие активных сил.

Наибольшее влияние на закон движения механизма оказываютдвижущие силы и моменты, а также силы и моменты сопротивления. Их физическаяприрода, величина и характер действия определяются рабочим процессом машины, вкоторой использован данный механизм. В большинстве случаев эти силы и моментыне остаются постоянными, а изменяют свою величину при изменении положениязвеньев механизма или их скорости. Эти функциональные зависимости,представленные графически, массивом чисел или аналитически, называютсямеханическими характеристиками и при решении задач считаются известными.

Пример: зависимость М от скорости — маховик.

Пример: зависимости силы от перемещения — давление надно поршня в ДВС — чем ниже поршень, тем меньше давление газа в цилиндре, т.к помере движения поршня газ расширяется.

Таким образом, расчет механизма требует увязки действующихсил и параметров движения механизма, что в целом приводит к созданию динамическоймодели машинного агрегата. Такой анализ является сложной задачей ТММ.

Достаточное знакомство с кинематикой, статикой, динамикойточки, т ела, а затем механизма, знакомство с общими представлениями опрочности и жесткости позволяет перейти от абстрактных схем к конкретным машиностроительнымконструкциям, изучаемым в курсе «Детали машин».

1.3.7. Типовые детали машин

Любая машина, любой механизм состоят из деталей. Детальявляется такой частью машины, которую изготовляют без сборочных операций. Деталимогут быть простыми (гайка, шайба, шпонка) или сложными (коленчатый вал, корпусредуктора, станина). Детали (частично или полностью) объединяют в узлы. Узелпредставляет собой законченную сборочную единицу, состоящую из ряда деталей,объединяемых общим функциональным назначением узла (подшипник, муфта, редуктор).Сложные узлы могут включать несколько простых узлов (подузлов). Например,редуктор включает валы с насажанными зубчатыми колесами.

Среди большого разнообразия деталей и узлов машин можновыделить такие, которые встречаются почти во всех машинах (болты, валы, муфты ит.д.). Эти детали и узлы называются деталями (узлами) общего назначения. Они иявляются предметом изучения в курсе Деталей машин.

Поскольку в курсе технологии машиностроения предстоитизучать технологию изготовления типовых деталей, то остановимся на определениинекоторых из них.

1.3.7.1. Валы и оси

Деталь, на которую насажены вращающиеся чести машины,реально осуществляющая геометрическую ось вращения этих частей, называется осьюили валом.

Ось предназначена лишь для поддержания вращающихся деталей. Осимогут быть неподвижными относительно машины, либо вращаться вместе снасаженными на них деталями. В любом случае ось воспринимает лишь изгибающиенагрузки от усилий, действующих на вращающиеся части машин.

Вал, в отличие от оси, не только поддерживает вращающиесядетали, но и передает крутящий момент. Вследствие этого валы оказываются нагруженнымине только изгибающими усилиями, но и крутящим моментом.

Крутящий момент связан с передаваемой мощностью и числомоборотов вала соотношением

/>, [Н × м],

где N — мощность, кВт;

n — число оборотов вала, об/мин.

По форме геометрической оси вала различают: прямые валы иколенчатые валы. Коленчатые валы обычно считают не типовой, а специальнойконструкцией. Прямые валы могут быть гладкими, если имеют постоянный диаметр повсей длине, или ступенчатыми.

Особую группу составляют валы с изменяющейся формойгеометрической оси — гибкие валы.

Опорные участки осей и валов называются цапфами. Взависимости от системы нагружения, направление опорных реакций может бытьрадиальным и осевым.

Цапфы, воспринимающие опорные реакции радиального направления,называются шипами, если они являются концевыми, или шейками, если онирасположены на удалении от конца вала.

Цапфы, воспринимающие осевые опорные реакции, называютсяпятами. Одна и та же конструктивная задача может быть решена как с помощьювала, так и оси.

а — барабан насажен на неподвижную ось, зубчатое колесодля приведения вала во вращение закреплено на барабане; б — барабанзакреплен на вращающейся оси; в — барабан закреплен на валу, зубчатоеколесо тоже, вращающий момент с зубчатого колеса на барабан передается валом.

В случае "а" ось испытывает одностороннийизгиб, в случае "б" нагрузка на ось — знакопеременная, поэтомудиаметр оси должен быть больше. Но зато в варианте "б" легчедоступ к подшипникам. Достоинством варианта "в" являетсясвободный доступ к узлам трения, насадка зубчатого колеса на вал, а не набарабан упрощает конструкцию.

Диаметры посадочных мест осей и валов выбираютсястандартные, что обеспечивает возможность использования стандартногоизмерительного инструмента и стандартных подшипников. Свободные размерывыбираются из ряда предпочтительных чисел.

Переход на ступенчатом валу с одного диаметра на другойосуществляется не резко, а с помощью галтели с целью уменьшения усталостныхнапряжений, возникающих при знакопеременной нагрузке.

Существенное снижение массы вала или оси при незначительномуменьшении момента сопротивления может быть достигнуто при использовании пологовала. Оси и валы — ответственные детали, обязательно подлежащие расчету напрочность. Ось считают на изгиб. Вал, помимо изгиба, проверяют на критическоечисло оборотов. В некоторых случаях помимо прочности требуется проверка вала нажесткость.

Поскольку валы и оси являются достаточно нагруженнымиэлементами конструкции, для их изготовления используют материалы повышеннойпрочности. Так, если машина изготовлена из черных металлов, вал или осьизготавливают из стали 45, в нержавеющих стальных конструкциях — из 3Х13 и т.д.Следует заметить, что указанные марки сталей способны подвергаться закалке идругим методам термообработки.

Особую конструкцию представляют собою гибкие валы,применяемые для передачи движения между деталями, если в процессе работыизменяются относительное расположение их осей вращения. Пример: использованиевибратора в бетонных работах.

Распространенной конструкцией является гибкий вал, состоящийиз ряда последовательно навитых друг на друга слоев стальной проволоки. Первыйот центра слой навивается на центральную проволоку — сердечник, который можетбыть затем извлечен из вала, либо оставлен внутри его. Конструктивно гибкий валпохож на многозаходную, многослойную винтовую пружину кручения с плотноприлегающими друг к другу витками и слоями. Смежные слои имеют противоположныенаправления навивки. Направление вращения вала должно быть таким, чтобыпружина, образующая внешний слой, закручивалась, а не раскручивалась.

1.3.7.2. Опоры скольжения

Назначение опор — направлять движение обслуживаемых ими осейи валов и воспринимать действующие на эти детали усилия.

В зависимости от рода трения между поверхностями опорыделятся на опоры трения скольжения и трения качения.

Опоры, нагружаемые через шейку или шип вала, называютсяподшипниками, опоры, нагружаемые осевыми силами через пяту, называются подпятниками.

Качество работы подшипников скольжения в значительной мереопределяется условиями трения скольжения. Различают трение скольжения сухое, полусухое,граничное и жидкостное. Сухое трение имеет место между двумя идеально чистымиповерхностями, при отсутствии какого-либо вещества между ними. Коэффициенттрения при этом максимален. Такие условия можно получить только в лабораторныхусловиях. В реальных условиях между поверхностями всегда есть тоните пленкигаза, влаги и жира. Трение в присутствии таких пленок называется полусухим. Хотятолщина пленки составляет всего несколько ангстрем, она заметно снижаеткоэффициент трения.

Граничное трение происходит в присутствии искусственновведенной прослойки смазочного вещества толщиной 0,1 — 0,5 мкм. Коэффициент тренияпри этом еще меньше.

По мере увеличения толщины масляного слоя уменьшаетсястепень влияния твердой поверхности на молекулы масла. Один слой масла начинаетскользить по другому и сопротивление начинает определяться вязкостью масла. Такоетрение называется жидкостным и является наиболее желательным, посколькуполностью исключает непосредственное соприкосновение опорных поверхностей. Нодля его осуществления необходимо создать условия, предотвращающие выдавливаниесмазки из зазора между поверхностями.

Подшипники и подпятники скольжения изготавливаются изантифрикционных материалов: чугуна, бронзы, баббита (сплав из олова, свинца,сурьмы и др.). Хорошим антифрикционным материалом является фторопласт, но из-занизкой теплопроводности его приходится наносить на основу из пористой бронзы. Удобныграфитовые подшипники, поскольку они обладают свойством самосмазывания и не нуждаютсяв смазочном масле. В текстильном оборудовании широко применяются подшипники изпрессованной древесины, поскольку жировая смазка может оставить пятна на тканипри случайном попадании, а деревянные подшипники работают на водяной смазке.

Конструктивно узел подшипника представляет собой стальнойили чугунный корпус — сплошной или с отъемной крышкой, внутри которогонаходится вкладыш из антифрикционного материала. Предусматриваются отверстия иканавки для подачи масла в зазор между вкладышем и цапфой вала.

Одним из методов подачи масла является установка на корпусепресс-масленки или штауфера.

1.3.7.3. Опоры качения

Опора качения состоит из корпуса, похожего на корпус опорыскольжения, в который вместо кольцевого вкладыша из антифрикционного материалавставлен подшипник качения.

По характеру воспринимаемой нагрузки подшипники каченияподразделяются на радиальные, радиально-упорные, упорные.

Радиальные подшипники воспринимают от вала нагрузку,перпендикулярную оси вращения. Осевая нагрузка может носить случайный характери по величине не должна превышать 10% от радиальной.

Упорный подшипник воспринимает только нагрузку, действующуювдоль оси вращения. Радиально-упорный подшипник воспринимает и ту, и другуюнагрузки.

По виду тела качения подшипники делятся на шариковые,роликовые и игольчатые, при этом шарикоподшипники могут быть одно — идвухрядные.

Принцип устройства рассмотрим на примере самого простогооднорядного радиального шарикоподшипника. Он состоит из следующих элементов:внутреннее кольцо, которое насаживается на цапфу вала; наружное кольцо, котороезапрессовывается в корпус подшипника; шарики — тела качения, которыевоспринимают нагрузку и обеспечивают трение качения при вращении внутреннегокольца относительно наружного; сепаратор, который обеспечивает равномерноераспределение шариков в зазоре между наружным и внутренним кольцами.

1.3.7.4. Пружины и рессоры

Пружины и рессоры выполняют в машинах роль упругих элементов.Воспринимая работу внешних сил, они преобразуют ее в работу упругой деформацииматериала, из которого они изготовлены.

Пружины выполняют в машинах следующие функции:

Силовой элемент, обеспечивающий действие определенных усилийна заданном участке. Пример: пружина предохранительного клапана.

Амортизатор. Воспринимая мгновенную энергию удара, такаяпружина возвращает ее в виде энергии упругих колебаний.

Движитель механизма. Это заводные пружины часов, приборов,игрушечных автомобилей и пр.

Различают следующие основные типы пружин: винтовые,спиральные, тарельчатые, кольцевые. Кроме того, существуют разнообразныепружины специального назначения, например, пружина Бурдона в манометрах.

Винтовые пружины получаются навивкой проволоки на оправку требуемойформы. По виду нагружения различают винтовые пружины растяжения, воспринимающиепродольную осевую нагрузку, которая растягивает пружину; пружины сжатия,воспринимающие продольную осевую нагрузку, которая сжимает пружину; пружиныкручения, на которые нагрузка передается в виде крутящего момента относительно осипружины.

По форме винтовые пружины могут быть цилиндрические; фасонные(конические, бочкообразные и др.); специальных форм (например, призматические).

По форме поперечного сечения витка пружины могут быть свитками круглого сечения или прямоугольного сечения.

Материалом для пружин могут служить высокоуглеродистые стали(65), марганцовистые (65Г), кремнистые (60С2). Для агрессивных сред применяютбронзовые пружины. Индекс пружин, т.е. />.

Пружины сжатия навиваются так называемой открытой навивкой,обеспечивающей определенный зазор между витками. Пружины растяжения имеютоткрытый зазор между витками. Пружины растяжения имеют закрытые витки, плотноприлегающие друг к другу.

Фасонные пружины чаще всего используются в качестве пружинсжатия. Основная особенность этих пружин — различные диаметры навивки соседнихвитков. Это вызывает и различную их деформацию — ведь чем больше диаметр виткапри одном диаметре проволоки, из которой навита пружина, тем меньше егожесткость.

При некотором значении сжимающего усилия Р виток снаибольшим диаметром оказывается поджатым своей торцевой поверхностью к поверхностиопоры и выключается из работы. Затем включается следующий по диаметру виток и т.д.Следовательно, по мере возрастания нагрузки меняется число работающих витков идиаметр пружины. Это обстоятельство позволяет подобрать профиль пружины,обеспечивающий любую заданную закономерность изменения характеристики пружины.

Пружины качения воспринимают нагрузку в виде крутящегомомента. Затрачиваемая работа преобразуется в работу упругого поворота витков относительнопродольной оси пружины.

Спиральные пружины (например, в часах) нагружаются крутящиммоментом. В процессе работы пружина, постепенно разворачиваясь, сообщаетвращение барабану (валику), с которым скреплен ее конец.

Тарельчатые пружины состоят из набора дисков, имеющих формуусеченных конусов. Стандарт предусматривает такие пружины диаметром от 28 до300 мм.

Расчет их сложен. Поэтому при подборе их пользуютсятаблицами, приведенными в ГОСТе 3057-90. Величина деформации пружины зависит отчисла взятых конических элементов.

Кольцевые пружины (клинчатые) состоят из набора колецспециального профиля. При нагружении крайних колец по периметру наружные кольцанадвигаются на внутренние, в результате чего первые растягиваются, а вторые растягиваются.При этом уменьшается общая высота пружины. После того, как внешняя нагрузкаудалена, внутренние силы упругости вновь раздвигают кольца.

Рессоры применяются главным образом в амортизационныхустройствах транспортных машин, а также в некоторых конструкциях кузнечногооборудования.

Рессора представляет собой набранную из стальных полос балкуравного сопротивления изгибу. С целью уменьшения напряжений листам придаютизогнутую форму.

1.3.7.5. Предохранители от перегрузки

В машинах предохранителями от перегрузки называют детали имеханизмы, контролирующие усилие или крутящий момент с тем, чтобы при достиженииэтим параметром определенного, заранее установленного, значения, предотвратитьвозможность его дальнейшего возрастания.

Конструкции предохранителей можно классифицировать следующимобразом:

Ломающиеся предохранители: со срезным штифтом; со срезнойпластиной; с разрывным болтом; с продавливаемой чашкой и т.д.;

Фрикционные предохранители: дисковые, конусные и т.д.;

Пружинные предохранители: пружинные; пружинно-зубчатые; кулачковые;штифтовые; шариковые; роликовые; рычажные и др. .

По способу восстановления разомкнутой силовой цепипредохранители могут быть с автоматическим повторным включением; с ручным возвратом;с восстановлением путем замены разрушенного элемента.

1.3.7.6. Станины, плиты, коробки и другие корпусные детали

Названные детали и узлы обычно объединяют общим названием корпусныедетали. Эти детали составляют значительную часть массы машины, например, встанках 70-90%. Отсюда понятно, что борьба за снижение массы машины взначительной мере определяется тем, насколько удачно конструктор выбралматериал, форму и размеры именно этих деталей.

Позднее мы будем говорить о так называемом идеальном техническомрешении, тогда придется вернуться к этой мысли.

К неподвижным корпусным деталям, помимо вынесенных взаголовок, относятся также основания, фундаментные плиты, колонны, стойки, кронштейны,кожухи, крышки. Есть и подвижные корпусные детали: столы, суппорты, ползуны и т.д.

Для большинства корпусных деталей характерна работа вусловиях сложного напряженного состояния. Расчет усложняется тем, что частотребуется сложная форма детали, наличие окон, полостей. Например, станина токарногостанка должна быть не только несущей конструкцией, но она должна обеспечитьсвободное падение и уборку стружки. В других случаях наличие проемов в стенкахдиктуется необходимостью разместить внутри корпусных деталей различныемеханизмы и агрегаты. Для увеличения жесткости конструкций в корпусных деталяхшироко применяются перегородки и ребра. Все это затрудняет точный расчеткорпусных деталей. Для ряда из них существуют приближенные расчетные схемы, восновном, следующих четырех вариантов:

а) детали, как брусья коробчатого сечения;

б) детали, рассматриваемые как рамы;

в) детали, рассматриваемые как пластины;

г) детали, рассматриваемые как коробки (например, корпусаредукторов).

Очень часто, учитывая коробчатый и рамный характерконструкций, что обеспечивает высокую прочность на изгиб, толщину стеноквыбирают минимально допустимой, исходя из технологических соображений, в частности,исходя из возможности отливки литых деталей.

Чрезвычайно широкое применение во всех машинах и аппаратахимеют стандартные крепежные детали: болты, винты, гайки, шайбы, шпильки, штифты,шплинты, а также шпонки.

Ограничимся здесь кратким определением этих терминов,приводимым в энциклопедических справочниках.

Болт — крепежная деталь, обычно стержень с шестигранной иликвадратной головкой и внешней резьбой для навинчивания гайки.

Винт — крепежная деталь в виде стержня с головкой, имеющейшлиц под отвертку, и внешней резьбой.

Гайка — деталь с внутренней резьбой, образующая с болтом иливинтом болтовое соединение, винтовую пару.

Шайба — диск с отверстием. Подкладывается обычно под гайку,головку болта для увеличения опорной поверхности, защиты поверхности детали отзадиров при затягивании гайки, для предотвращения самоотвинчивания гайки (пружиннаяшайба).

Шпилька — крепежная деталь, стержень с резьбой на обоихконцах, один из которых ввертывается в основную деталь, а другой пропускается черезотверстие в закрепляемой детали и на него навинчивается гайка. В других случаяхдетали скрепляются шпилькой, на оба конца которой навинчиваются гайки.

Штифт — цилиндрический или конический стержень длянеподвижного соединения деталей или для фиксации их при сборке.

Шплинт — круглый сложенный пополам стержень для соединенияслабонагруженных деталей, а также для предотвращения самоотвинчивания гаек. Шплинтвставляют в отверстие, а затем выступающие концы отгибают в стороны.

Шпонка — деталь призматической, клинообразной или другойформы, устанавливаемая в пазах двух соприкасающихся деталей и предотвращающаяих относительный поворот или сдвиг.

1.3.8. Соединения деталей машин

Связи между деталями в машине могут быть подвижными (шарнир)и неподвижными — резьбовые, сварные, шпоночные и т.д. Неподвижные связи называютсоединениями. Различают соединения разъемные (резьбовые, штифтовые, клиновые,шпоночные, шлицевые) и неразъемные — сварные, клеевые, заклепочные, прессовые.

1.3.8.1. Резьбовые соединения

Резьбы могут быть цилиндрические и конические в зависимостиот того, на какой поверхности они нарезаны. По профилю резьбы их разделяют натреугольные, прямоугольные, трапецеидальные, круглые. По направлению винтовойлинии различают правую и левую резьбы.

Резьба может быть одно — и многозаходной. Все крепежныерезьбы — однозаходные.

Резьбы характеризуются следующими геометрическимипараметрами:

d — наружный диаметр резьбы;

d1 — внутреннийдиаметр резьбы;

d2 — среднийдиаметр резьбы (там, где ширина выступа равна ширине впадины);

h — рабочая высота профиля, по которой соприкасаются витки болта и гайки;

s — шаг резьбы.

Основные типы крепежный резьбовых деталей: болты (с гайкой),винты, шпильки. Основным преимуществом болтового соединения является отсутствиенеобходимости нарезания резьбы в соединяемых деталях.

В конструкциях машин необходимо предохранять гайки отсамоотворачивания, вследствие вибрации и т.д. Это делают следующими способами: спомощью контргайки, пружинной шайбы; применением натяга в резьбе; жесткимсоединением гайки с болтом посредством шплинта или проволоки; шайбой, отогнутойна грань гайки или прихваткой сваркой.

Болты, винты, шпильки, гайки, шайбы стандартизованы. Условияпрочности резьбы:

по напряжениям смятия

/>,

где z — число витков резьбы в гайке (/>);

Р — сила, действующая на резьбу (растягивающая болт);

по напряжениям среза

/> - для болта;

/> - для гайки.

Для треугольной резьбы К = 0,8; для прямоугольной — К= 0,5. Тело болта считают на растяжение />.Иногда болт стоит в отверстии детали без зазора (призонный болт). Тогда онпроверяется на срез

/>,

где i — число плоскостей среза.

Определение необходимой силы затяга болтов Р зависитот условий работы соединения, в котором установлены болты (zв,фланцевое соединение корпуса и крышки аппарата).

1.3.8.2. Заклепочные соединения

Некогда широко распространенный вид неразъемного соединениясегодня почти полностью вытеснен сваркой. Применяется в медной аппаратуре, судостроении,мостостроении, в рамах автотранспорта.

Заклепочные соединения подразделяются на прочные (вметаллоконструкциях), прочноплотные (в резервуарах высокого давления), плотные(в резервуарах с небольшим давлением). Заклепки считают на срез.

1.3.8.3. Сварные соединения

Сегодня это самый распространенный вид неразъемногосоединения. Существуют десятки разновидностей сварки. Более подробно о нихбудет идти речь в курсе основ технологии. Здесь ограничимся упоминанием о некоторыхнаиболее важных видах сварки.

Электродуговая сварка основана на использовании теплаэлектрической дуги для расплавления металла соединяемых деталей. Чтобы при этомпредохранить металл в ванне от окисления, применяют специальную обмазкуэлектродов, либо ведут сварку под слоем флюса, либо в среде защитных газов.

При электрошлаковой сварке источником нагрева служит тепло,выделяющееся при прохождении тока через шлаковую ванну от электрода к изделию. Этасварка предназначена для соединения деталей большой толщины.

Контактная сварка основана на использовании повышенногоомического сопротивления в стыке деталей. По методу осуществления может быть точечной,роликовой.

В последнее время распространяется плазменная сварка. Длясоединения миниатюрных ответственных элементов используют лазерную сварку, атакже сварку электронным лучом в вакууме.

При расчете сварных конструкций используют зависимости,изученные в сопромате, но вводятся коэффициенты ослабления сварного шва,величина которых зависит от способа осуществления сварки.

1.3.8.4. Соединения пайкой и склеиванием

Пайка — метод неразъемного соединения деталей, при которомплавится только припой, а металл соединяемых деталей остается твердым. Пайкашироко применяется в медной аппаратуре, в радиоаппаратуре. Применяют твердые имягкие припои.

Склеивание применяется в машиностроении, в авиации (стабилизатор).Конструктивно паянные и клееные соединения выполняются примерно одинаково — внахлестку.

1.3.8.5. Клеммовые соединения

Клеммовые соединения применяют для закрепления деталей навалах и осях, цилиндрических колоннах, кронштейнах и т.д.

По конструкции различают два типа клеммовых соединений: соступицей, имеющей прорезь и с разъемной ступицей. При соединении деталей спомощью клемм используют силы трения, которые возникают от затяжек болтов.

1.3.8.6. Шпоночные, зубчатые (шлицевые) и профильные соединения

Шпонки служат для закрепления деталей на валах с передачейкрутящего момента. Клиновые шпонки посажены с зазором по боковым граням ипередает Мкр за счет сил трения вследствие запрессовкишпонки.

Призматические шпонки посажены плотно по боковым граням иработают на срез и смятие. Сегментная шпонка является разновидностьюпризматической и работает так же.

Если нужно передать большой крутящий момент и при этом неотжимать вал в сторону от центральной оси соединения, применяют шлицевое соединение.Разумеется, нагрузка не распределяется равномерно по всем шлицам. Поэтому насмятие (основной расчет) соединение считают по формуле:

/>,

где К » 0,7 ¸ 0,8 — коэффициент, учитывающийнеравномерность распределения усилий между зубьями;

z — число зубьев;

h — высота поверхности контакта зубьев;

l — рабочаядлина зубьев;

rср — среднийрадиус поверхности контакта;

Т — момент.

В отличие от шпонок шлицы могут иметь не толькопрямоугольный профиль, но также эвольвентный или треугольный.

Профильное (бесшпоночное) соединение.

Профильным соединением называется такое, у которого втулкасажается не на круглую поверхность вала. Такие соединения рассчитываютприближенно по напряжениям смятия, возникающим на рабочих гранях.

1.3.8.7. Соединения деталей посредством посадок с гарантированным натягом (прессовыесоединения)

Натягом d называютотрицательную разность диаметров отверстия и вала. После сборки вследствиеупругих и пластических деформаций диаметр посадочных поверхностей отверстия ивала становится одинаковым. При этом на поверхностях посадки возникает удельноедавление Р и соответствующие им силы трения.

Нагрузочная способность прессового соединения, прежде всего,зависит от величины натяга. Эта величина регламентируется стандартом допусков ипосадок. Более подробно о нем будет речь в Основах технологии. Сборкусоединения с натягом выполняют прессованием, нагревом втулки или охлаждениемвала. Условия прочности соединения при нагружении осевой силой S:

/>,

где р — давление на поверхности контакта;

d, l — соответственно диаметр и длина шейки вала, на которуюнасажена втулка;

f — коэффициент трения скольжения.

Условия прочности при нагружении крутящим моментом:

/>.

При этом Р нужно находить из уравнения совместностидеформаций

/>,

где dр — расчетный натяг;

/>; />,

где Е1, Е2 — модулиупругости материалов вала и втулки;

m1, m2 — коэффициенты Пуассонаматериалов вала и втулки.

Разновидность соединения — соединение посадкой на конус сзатяжкой гайкой.

1.3.9. Механические передачи

Механической передачей называют механизм, которыйпреобразует параметры движения двигателя при передаче рабочим органам машины.

Основные характеристики передач:

мощность N1 навходе и N2 на выходе;

быстроходность (частота вращения);

коэффициент полезного действия;

передаточное отношение.

1.3.9.1. Ременные передачи

Передача состоит из двух шкивов и ремня. Нагрузка передаетсясилами трения, возникающими между шкивами и ремнем.

Преимущества: передача движения на довольно значительноерасстояние, плавность и бесшумность работы, предохранение механизмов от резкихколебаний нагрузки вследствие упругости ремня, от перегрузки вследствие егопроскальзывания, простота конструкции и обслуживания.

Недостатки: довольно крупные габариты, проскальзывание ремня.

Основные критерии работоспособности: тяговая способность,определяемая силой трения между ремнем и шкивом; долговечность ремня.

Расчет ременной передачи заключается в определении размеровшкивов, обеспечивающих заданное передаточное отношение, размеров ремня, сил и напряженийв ведущей и ведомой ветвях ремня.

При расчете КПД принимают для плоскоременных передач h = 0,97, для клиноременных — h = 0,96.

В передачах применяют следующие типы плоских ремней: кожаные(дорогие), прорезиненные, хлопчатобумажные (менее долговечные), шерстяные (лучшепереносят резкие колебания нагрузки), пленочные из пластмасс (прочные,быстроходные).

1.3.9.2. Фрикционные передачи

Работа фрикционной передачи основана на использовании силтрения, которые возникают в месте контакта двух тел вращения под действием сжимающихсил Q.

Существуют фрикционные передачи с регулируемым и нерегулируемымпередаточным отношением, с нерегулируемым — редко.

Фрикционные вариаторы применяют как в кинематических, так ив силовых передачах в тех случаях, когда требуется бесступенчатое регулированиескорости.

Описываемые передачи могут быть нескольких типов:

фрикционная передача с гладкими коническими валками

фрикционная передача с гладкими цилиндрическими валками

лобовой вариатор

вариатор с раздвижными конусами

торовый вариатор

дисковый вариатор

Здесь момент передается за счет трения между набором ведущихи ведомых дисков. Решающее значение для вариаторов имеет проблема скольжения. Различаюттри вида скольжения.

Буксование наступает при перегрузках. При буксовании ведомыйкаток останавливается, а ведущий скользит по нему, вызывая местный износ и задирповерхности.

Упругое скольжение связано с упругими деформациями в зонеконтакта. Равенство окружных скоростей наблюдается только в точках на линииконтакта. А из-за сплющивания упругого тела контакт идет не по линии, а по площади.В остальных точках, кроме указанных, идет скольжение.

Геометрическое скольжение связано с неравенством скоростейна площадке контакта у ведущего и ведомого катков.

1.3.9.3. Зубчатые передачи

Это самый распространенный тип передач. По расположению осейвалов различают: передачи с параллельными осями и с цилиндрическими зубчатымиколесами внешнего и внутреннего зацепления; передачи с пересекающимися осями сконическими колесами; передачи с перекрещивающимися осями — коническиегипоидные, червячные. По расположению зубьев на колесах различают: прямозубые,косозубые, включая шевронные, и с круговым зубом.

Основные преимущества:

высокая нагрузочная способность и, следовательно, малые габариты;

большая долговечность и надежность работы;

высокий КПД;

постоянство передаточного отношения;

возможность применения в широком диапазоне скоростей, мощностей,передаточных отношений.

Недостатки: повышенные требования к точности изготовления,шум при больших скоростях, высокая жесткость, не позволяющая компенсировать динамическиенагрузки.

Расчет на прочность прямозубых и косозубых цилиндрическихпередач стандартизован (ГОСТ 21354-75). Мы не будем его здесь рассматривать. Некоторыеданные см [2, с.183-191]. Расчет конических зубчатых передач [2, с. 191-198].

Особенности планетарных передач.

Планетарными называют передачи, включающие в себя зубчатыеколеса с перемещающимися осями.

Достоинства планетарных передач:

широкие кинематические возможности, благодаря чему передачуможно использовать как редуктор с постоянным передаточным отношением, каккоробку скоростей с i, изменяемым за счетторможения различных звеньев, как дифференциальный механизм;

компактность и малая масса;

получение больших i в однойступени;

малая нагрузка на опоры, т.к симметрично расположенные сателлитыуравновешивают силы.

Недостаток — повышенные требования к точности изготовления имонтажа.

Передаточное отношение

/>.

Передачи с зацеплением Новикова

Наиболее распространенный вид зацепления в зубчатыхпередачах — эвольвентное, обеспечивающее контакт между зубьями по линии. В 1954г. М.Л. Новиков предложил зубчатое зацепление с круговыми профилями зубьев.Здесь контакт по поверхности. Следовательно, резко снижается удельное давлениена зуб при том же крутящем моменте.

Эти передачи сейчас стандартизованы. Распространениесдерживается дефицитом специального режущего инструмента, связанным со сложностьюисходного контура инструмента (ГОСТ 14186-69). Другим недостатком зацепленияявляется повышенная чувствительность к изменению межосевого расстояния.

Волновые механические передачи

Волновая передача основана на преобразовании параметровдвижения за счет волнового деформирования одного из звеньев механизма. Принципзапатентовал в 1944 г. Московитин для фрикционной передачи и в 1959 г. Массером(США) для зубчатой передачи с механическим генератором. Принцип ясен изрисунка, где F — гибкоеколесо, С — жесткое колесо, Н — волновой генератор.

Жесткое колесо имеет внутренние, а гибкое (пластмассовое) наружныезубья. Гибкое колесо деформируют так, что в точках В между вершинамизубьев образуется радиальный зазор, а в А зубья зацепляются на полную рабочуювысоту.

Если гибкое колесо имеет на 1 зуб меньше, чем жесткое, за 1оборот генератора вращающееся колесо повернется на 1 шаг между зубьями. А вообще

/>.

Установлено, что основными критериями работоспособностиволновых передач являются: прочность гибкого колеса; прочность подшипников генератора;жесткость генератора и жесткого колеса; износ зубьев. Сегодня известно большоечисло разновидностей волновых передач.

Применение этих передач определяется следующимидостоинствами:

большое передаточное отношение;

большое число зубьев в одновременном зацеплении (на разнуювысоту); отсюда высокая нагрузочная способность при малых габаритах;

сравнительно высокая кинематическая точность;

малые скорости скольжения в зацеплении, отсюда малый износ,высокий КПД;

малые нагрузки на валы и опоры вследствие симметричностиконструкции;

возможность передачи движения через герметичную стенку;

малая инерционность;

возможность использования передачи в качестве дифференциаладля сложения двух движений.

Винтовые и гипоидные передачи

Эти передачи для перекрещивающихся валов применяются сравнительноредко.

Винтовая передача осуществляется цилиндрическими косозубымиколесами. При перекрестном расположении осей зубья имеют точечный контакт. Поэтомудаже при сравнительно небольших нагрузках происходит быстрый износ и заедание. Этотнедостаток и привел к созданию гипоидных передач, где конические колеса имеюткосые или прямолинейные зубья, обеспечивая линейный контакт.

1.3.9.4. Червячные передачи

Здесь оси перекрещиваются под углом 90°. Ведущим является червяк с винтовойнерезкой, ведомым — колесо, обработанное так, чтобы оно частично охватывалочервяк, с нарезанными зубьями.

Поскольку за один оборот червяка колесо повернется на угол,охватывающий число зубьев колеса, равное числу заходов червяка, то в червячнойпередаче можно получить большое передаточное отношение. Кроме этогопреимущества следует отметить плавность зацепления и бесшумность работы,возможность самоторможения.

Недостатки: сравнительно низкий КПД, повышенный износ и склонностьк заеданию; необходимость применения для колес дорогих антифрикционныхматериалов (бронза); повышенные требования к точности сборки.

Повышенный износ и заедание червячных передач связаны сбольшими скоростями скольжения и неблагоприятным направлением скольжения относительнолиний контакта.

Расчет червячной передачи осуществляют по напряжениям изгибаи контактным напряжениям.

Вследствие относительно невысокого КПД значительная частьэнергии привода переходит в редукторе в тепло. Поэтому приходиться расчетом проверятьотвод тепла и при необходимости увеличивать поверхность охлаждения устройствомна корпусе ребер, устраивать обдув вентилятором с целью искусственногоохлаждения.

Глобоидные передачи.

Кроме цилиндрических червяков иногда их выполняютглобоидными. Соответственно, витки червяка образуются на глобоиде. Это повышаетнагрузочную -способность в 1,5-2 раза по сравнению с обычными червячнымипередачами. Повышение нагрузочной способности объясняется одновременнымзацеплением большого числа зубьев и благоприятным расположением линий контакта.Расчетные данные для таких передач предусмотрены ГОСТ 9369-66.

1.3.9.5. Цепные передачи

Цепная передача основана на зацеплении цепи и звездочек. Принципзацепления, а не трения, а также повышенная прочность стальной цепи посравнению с ремнем позволяет передавать цепью, при прочих равных условиях,значительно большие нагрузки. Отсутствие скольжения и буксования обеспечиваетпостоянство, возможность работы при значительных кратковременных перегрузках. Принципзацепления не требует предварительного натяжения цепи, в связи, с чемуменьшается нагрузка на валы и опоры. Угол охвата звездочки цепью не имееттакого решающего значения, как охват шкива ремнем. Поэтому цепные передачимогут надежно работать при малых межосевых расстояниях и больших передаточныхотношениях, а также передавать мощность от одного ведущего вала несколькимведомым.

Недостатки: цепь состоит из звеньев, поэтому охватываетзвездочку не по окружности, а по многоугольнику, что приводит к усиленномуизносу шарниров цепи, шуму и дополнительным динамическим нагрузкам. Затрудненныйподвод смазки к шарнирам сокращает срок службы передачи.

1.3.9.6. Передача винт-гайка

Это передача служит для преобразования вращательногодвижения в поступательное (пример — суппорт). При простой и компактнойконструкции передача позволяет получить большой выигрыш в силе (домкрат,винтовой пресс) или осуществлять медленное и точное перемещение. Основной недостатокпередачи — низкий КПД.

1.3.10. Муфты

Муфтами в технике называют устройства, которые служат длясоединения концов валов, стержней, труб, электрических проводов и т.д. В ДМрассматривают муфты, применяемые для соединения валов. О разнообразииприменяемых муфт можно судить по следующей схеме их классификации.

К глухим относятся втулочная (втулка, заштифтованная наконцах соединяемых валов), фланцевая — две полумуфты, скрепленные по фланцамболтами; продольносвертная.

К компенсирующим жестким относятся: кулачково-дисковая,зубчатая. К упругим: муфта с цилиндрическими пружинами; зубчато-пружинная илисо змеевидными пружинами; с резиновой звездочкой; МУВП; с упругой оболочкой.

Примеры некоторых конструкций:

продольно-свертная муфта;

муфта кулачковая;

муфта упругая втулочно-пальцевая;

муфта фрикционная.

Литература к теме 1

1. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики, изд.10. — М.: Высшаяшкола, 1986. — 416с.

2. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов, изд.9. — М.: Наука, 1986. — 512с.

3. Теория механизмов и машин: учебное пособие для вузов. — М.: Высшаяшкола, 1987.

4. Иванов М.Н. Детали машин. — М.: Высшая школа, 1984.

5. Раздаточный материал к курсу лекций по дисциплине «Машины иоборудование» для студентов специальности 060800 «Экономика и управлениена предприятии». — Тамбов, 2002.

2. Конструирование, его задачи. Качество технического объекта

Согласно традиционному определению, конструировать — этозначит строить механизмы, машины, сооружения с выполнением их проектов и расчетов.

Изменения в технологии создания новых технических объектов,повышение их сложности, переход к проектированию систем, создание новойпроектно-конструкторской техники и т.д. привели к появлению новых определений,которые будет возможно рассмотреть позднее.

Основной задачей конструирования в любой отраслимашиностроения является создание агрегата, наиболее полно отвечающегопотребностям народного хозяйства, дающего наибольший экономический эффект иобладающего наиболее высокими технико-экономическим показателями, т.е. агрегатавысокого качества.

2.1 Понятие о качестве продукции

Целью любого производственного процесса является получениепродукции высокого качества.

Под качеством продукции подразумевают совокупность еесвойств, обеспечивающую удовлетворение требований потребителей и конкурентоспособностьпродукции в условиях рыночных отношений.

Качество — разностороннее понятие. Оно, вообще говоря,определяется не только техническим уровнем непосредственно самого техническогообъекта, но зависит от организационных, технических, экономических особенностейпредприятия — изготовителя.

Поэтому, говоря о качестве, нередко подразумевают под нимкомплекс, по крайней мере, из четырех групп понятий:

техническое понятие о качестве, в которое входит техническийуровень выпускаемой продукции, полнота удовлетворения запросов по номенклатуреизделий, технический уровень производства, осуществляющего выпуск даннойпродукции, оперативность и масштабы внедрения передового опыта в производстве;

эстетическое понятие о качестве, включающее в себя какэстетический уровень выпускаемой продукции, так и соответствие требованиям промышленнойэстетики самого производства;

экономическое понятие о качестве, характеризуемоерациональным географическим размещением предприятия, производительностью труда,рентабельностью производства, уровнем организации производства, соответствиемцены изделия и его потребительской стоимостью и т.д.;

юридическое понятие о качестве, включающее точностьсоблюдения договорных обязательств.

В настоящих разработках рассматриваются лишь показателихарактеризующие непосредственно сам технический объект, являющийся продуктомпроизводственного процесса. При этом следует заметить, что существующиепоказатели и характеристики не равнозначны по своей важности. Ряд этихпоказателей расценивается как критерий развития технических объектов.

Прежде чем рассматривать конкретные показатели, остановимсяна определении этого понятия.

2.2 Критерии развития технических объектов

Среди параметров и показателей, характеризующих любой техническийобъект, всегда имеются такие, которые на протяжении длительного времени имеюттенденцию монотонного изменения или тенденцию поддержания на определенномуровне при достижении своего предела. Эти показатели всеми осознаются как мерасовершенства и прогрессивности, и они оказывают сильное влияние на развитие отдельныхклассов технических объектов и техники в целом.

Такие параметры и показатели называют критериями развитиятехнических объектов. Об их важности можно судить по тому факту, что техническийпрогресс в области любых технических объектов обычно заключается в улучшенииодних критериев без ухудшения (во всяком случае, без значительного ухудшения) других.При формировании системы критериев развития должен удовлетворяться ряд условий.

условие измеримости: за критерий развития может быть приняттолько такой параметр технического объекта, который допускает возможность количественнойоценки по одной из шкал измерений.

условие сопоставимости: критерий развития должен иметь такуюразмерность, которая позволяет сопоставлять технические объекты разных времен истран.

условие исключения: за критерии развития могут быть принятытолько такие параметры технического объекта, которые в первую очередьхарактеризуют его эффективность и оказывают определяющее влияние.

условие минимальности и независимости вся совокупность критериевразвития должна содержать только такие критерии, которые не могут бытьлогически выведены из других критериев и не могут быть их прямым следствием.

Оценка технического уровня и качества изделия осуществляетсяпутем сопоставительного (сравнительного) анализа в следующем порядке:

выбирается базовое изделие (идеальный вариант, аналог илипрототип);

выявляются численные значения основных технико-экологическихпоказателей оцениваемого и базового изделий;

рассчитываются уровни относительных показателей техническогоуровня и качества;

рассчитывается величина обобщенных показателей техническогоуровня и качества изделий.

Следует отметить, что главное условие сравнения оцениваемогои базового изделия — сопоставимость элементов изделий, идентичность функциональногоназначения.

В качестве базового изделия для сопоставления выбираютнаилучший, реальный образец данного вида и типоразмера изделий, имеющийся в мировойпрактике. Он может быть как отечественным, так и зарубежным и именуетсяаналогом. Иногда при решении задач по модернизации изделий данного вида вкачестве базового изделия принимают изделие — прототип которогосовершенствуется путем устранения имеющихся недостатков.

В отдельных случаях в качестве базового изделия может бытьпринято оборудование будущего — идеальный вариант. Показатели, характеризующиеидеальный вариант по техническому уровню и качеству рассчитываются исходя иззаконов развития техники данного вида по критериям развития.

При оценке технического уровня и качества изделий значенияосновного размерного параметра (производительность, рабочая поверхность, полезныйобъем и т.д.) не должны отличаться от такового для базового изделия более чемна 20%.

С учетом изложенного, рассмотрим показатели, характеризующиекачество и технический уровень технических объектов.

2.3 Показатели технического уровня и качества технических объектов,применяемые в химическом машиностроении

Группа 1 Показатели назначения.

Производительность машины, аппарата (кг/час, т/сут., т/год,м3/ч и т.д.).

Полный или рабочий объем — для аппаратов, назначение которыхопределяется их объем (м3).

Установленная мощность (кВт).

Давление, напор (МПа, м вод. ст. и т.д.).

Скорость обработки объекта, давления, вращения и т.д. (м/сек,об/сек).

Масса технического объекта (кг).

Габаритные размеры технического объекта (м).

Площадь, занимаемая техническим объектом (м2).

Площадь рабочей поверхности технического объекта: площадь теплообмена,площадь фильтрации (м2).

Выход готового продукта (за вычетом потерь),%.

Степень превращения вещества в техническом объекте или эффективностьобработки сырья (%).

Показатели первой группы, вообще говоря, критериями развитияне являются и имеют тройное назначение:

во-первых, они являются исходными характеристиками,на основе которых производится расчет критериев развития, предусмотренных впоследующих группах показателей;

во-вторых, они позволяют судить о степенисоответствия данного технического объекта по своим характеристикам требованиямконкретного потребителя;

в-третьих, учитывая, что по мере исторического развитиятехнических объектов наблюдается стойкая тенденция к росту. Следовательно,сопоставляя соответствующие характеристики с лучшими мировыми достижениями,можно косвенно судить о техническом совершенстве машины или аппарата. Поэтомунекоторые авторы, в частности А.И. Половинкин, называют показатели первойгруппы критериями (производительность и т.д.).

Группа 2 Показатели надежности.

Наработка на отказ (ч).

Установленный ресурс или срок службы до капитального ремонта(ч, мес., лет).

Срок службы до списания (ч, мес., лет).

Срок службы до списания является нормируемым показателемнадежности, определяемым проектантом по формуле:

/>/>

где /> - ресурс докапитального ремонта (ч);

/> - целесообразноеколичество капитальных ремонтов технического объекта за весь период его эксплуатации;

/> - количестворабочих дней в году (т.е. без праздничных дней);

/> - коэффициентиспользования оборудования. Для непрерывного режима эксплуатации /> = 1.

Назначенный ресурс между операциями восстановления:

а) между операциями технического обслуживания;

б) между текущими ремонтами (ч).

Суммарная трудоемкость технического обслуживания за время эксплуатациитехнического объекта (ч).

Суммарная продолжительность плановых ремонтов (ч):

/>,

где /> - средняяпродолжительность одного капитального ремонта;

/> - средняяпродолжительность одного текущего ремонта;

/> - количествотекущих ремонтов, планируемых за срок службы технического объекта.

Коэффициент технического использования.

В соответствии с ГОСТ 13377-75 коэффициент техническогоиспользования представляет собою отношение:

/>,

где /> - наработка завесь планируемый срок службы машины, аппарата;

/> - суммарнаяпродолжительность операций технического обслуживания помимо продолжительностиплановых текущих и капитальных ремонтов/>.

Коэффициент технического использования является критериемразвития, позволяющим судить о техническом совершенстве машины, аппарата.

Гарантийный срок работы (ч).

Гарантийный срок работы, как правило, указывается в паспортетехнического объекта и выбирается в пределах между минимальным сроком, обеспечивающимконкурентоспособность технического объекта, и наработкой на отказ.

Группа 3 Показатели экономического использования сырья,материалов, топлива, энергии и других ресурсов.

Удельный расход в эксплуатации:

а) пара (кг/ед. главного параметра);

б) воды (м2/ед. главного параметра);

в) сжатого воздуха (м3/ед. главного параметра);

г) тепловой энергии (квт-ч. /ед. главного параметра);

д) электроэнергии (квт-ч. /ед. главного параметра);

е) топлива (кг/ед. главного параметра).

Удельная площадь, занимаемая техническим объектом (м2/ед.главного параметра).

3.2а Производительность в расчете на единицу занимаемойплощади или съем продукции с кв. метра площади, занимаемой техническим объектом(кг/ч/м2; шт/ч/м2).

Коэффициент полезного действия.

КПД является важнейшим критерием развития техническихобъектов, осуществляющих механические, гидромеханические, аэродинамические процессы,и характеризует эффективность использования энергии:

/>,

где /> - полезноиспользованная энергия;

/> - всязатраченная энергия.

Значительно более проблематичной является оценкаэффективности аппаратов для теплообменных, массообменных и химических процессов.Краткий обзор методов оценки энергетической оценки теплообменных аппаратов и переченьлитературы, посвященной этому вопросу приведен в работе [2].

Анализ методов расчета КПД для массообменных аппаратовсодержится в книге В.В. Кафарова Основы массопередачи.

По мнению А.Н. Плановского, применительно к колонной массообменнойаппаратуре эффективность аппарата более ярко характеризуется таким показателем,как съем продукции с/м3 объема аппарата.

Компактность:

а) величина поверхности теплообмена, фильтрации,приходящееся на единицу объема аппарата;

б) плотность упаковки, т.е. количество элементов техническойсистемы в единице ее объема.

Важность этого показателя постоянно возрастает в связи снепрерывным увеличением сложности технических объектов в процессе техническогопрогресса. Ниже этот вопрос рассмотрен более подробно.

Коэффициент автоматизации — численно равен отношению количествауправляющих операций, выполняемых непосредственно только техническим объектом,к общему числу управляющих операций, выполняемых суммарно техническим объектоми человеком.

Коэффициент механизации.

Показатель определяется как отношение числа механизированныхтехнологических операций по изготовлению продукции с помощью оцениваемойтехнической системы к суммарному числу механизированных и ручных операций.

Интегральный экономический показатель качества.

/>,

где /> - экономическийэффект;

/> - затраты напроизводство технического объекта;

/> - затраты наэксплуатацию.

Группа 4 Эргономические показатели.

Гигиенические:

а) степень соответствия температуры на рабочем местенормальным условиям (балл);

б) степень соответствия давления на рабочем месте нормальнымусловиям (балл);

в) степень соответствия влажности на рабочем местенормальным условиям (балл).

Антропометрические:

а) соответствие изделия требованиям к рабочей позе, зонамдостигаемости, физическим усилиям (балл);

б) соответствие изделия требованиям к объему, скорости иточности рабочих движений человека (балл).

Физиологические:

а) соответствие изделия зрительным возможностям человека (балл);

б) соответствие изделия осязательным возможностям человека (балл);

в) соответствие изделия слуховым возможностям человека (балл).

Психологические:

а) соответствие изделия возможностям человека к восприятию ипереработке информации (балл);

б) соответствие изделия требованиям к формированию навыковпо эксплуатации технического объекта (балл).

Значения эргономических показателей определяются методомэкспертных оценок.

Группа 5 Эстетические показатели.

Информационная выразительность (балл).

Рациональность формы (балл).

Рациональность цветового решения (балл).

Степень соответствия моде, стилю, традициям (балл).

Совершенство производственного исполнения и стабильность товарноговида (балл).

Показатели определяются методом экспертных оценок.

Группа 6 Показатели технологичности.

Удельная масса изделия (кг/ед. главного параметра).

Коэффициент использования материалов

/>,

где /> - масса изделия;

/> - массаизрасходованных материалов.

Это критерий, которому свойственно монотонное возрастание помере технического прогресса в области технологии машиностроения, стремление кпредельному значению

/>.

Удельная трудоемкость изготовления (норма ч/ед. главного параметра)

/>,

где /> - суммарнаятрудоемкость проектирования, изготовления изделия;

/> - главный параметризделия.

Удельная энергоемкость изготовления (квт-ч/ед. главногопараметра).

Группа 7 Показатели стандартизации и унификации.

Коэффициент применяемости (%):

/>,

где п — количество типоразмеров деталей в изделии;

п0 — количество наименований (позиций вспецификации) оригинальных деталей в изделии.

Коэффициент повторяемости:

/>,

где /> - количестводеталей в изделии.

При расчете коэффициентов применяемости и повторяемостиколичество крепежных деталей в изделии (болты, гайки, шайбы, шпильки, шплинты ит.д.) не учитывается.

Коэффициент унификации:

/>,

где /> - количествостандартных деталей в изделии;

/> - количествопокупных деталей (узлов) в изделии;

/> - количестводеталей (узлов), заимствованных из других изделий.

Группа 8 Патентно-правовые показатели.

Показатель патентной защиты — показатель характеризуетналичие в изделии составных частей, защищенных патентами. Показатель определяетсяколичеством охранных документов, выданных на изделие и его элементы.

Показатель патентной чистоты.

Этот показатель характеризует возможность беспрепятственнойреализации изделия за счет отсутствия в нем составных частей, подпадающих поддействие охранных документов в стране предполагаемого сбыта. Показательопределяется в результате выполнения патентного обзора.

Группа 9 Показатели безопасности

9.1 а) Уровни звуковой мощности в октавных полосах частотили звукового давления в октавных полосах частот (ДБ).

9.1 б) Корректированный уровень звуковой мощности илиэквивалентный уровень звука (ДБА).

9.1 в) Уровень шумовых характеристик по отношению кдопустимым предельным значениям. (ГОСТ 12.1 003-83 ССБТ).

9.2 а) Логарифмические уровни вибростойкости в октавныхполосах частот (ДБ).

9.2 б) Уровень вибрационных характеристик по отношению кдопустимым предельным значениям. (ГОСТ 12.1 012-78 ССБТ).

Категория взрывобезопасности, диктуемая условиямиэксплуатации технического объекта.

Группа 10 Показатели транспортабельности.

Степень соответствия массы изделия нормативной грузоподъемноститранспортных средств.

Трудоемкость подготовки изделия к транспортировке (н-ч).

Трудоемкость послетранспортной подготовки изделия к монтажуи эксплуатации (н-ч).

Группа 11 Экологические показатели

Удельный выброс отходов в атмосферу (кг/ч/ед. главного параметра).

Удельный выброс отходов в гидросферу (кг/ч/ед. главного параметра).

Удельный выброс отходов в литосферу (кг/ч/ед. главногопараметра).

Относительная концентрация выбросов в атмосферу, гидросферу,литосферу по компонентам:

/>,

где /> - фактическаяконцентрация;

ПДК — предельно допустимая концентрация компонента.

2.4 Выбор главного параметра

При расчете ряда перечисленных выше показателей техническогоуровня и качества технических объектов требуется использовать главный параметрэтих объектов. Что же требуется выбрать в качестве этого главного параметра? Дляправильного ответа на этот вопрос полезно рассмотреть несколько различныхситуаций.

Если технический объект имеет определеннуюпроизводительность, то в качестве главного параметра выбираетсяпроизводительность машины, аппарата, установки, технологической линии.

Если назначение аппарата определяется его объектом (хранение,транспортировка продукта), то в качестве главного параметра выбирается объемаппарата.

Если технологический процесс может осуществляться вемкостных аппаратах при разных давлениях (в разных схемах), то при сравненииэффективности за главный параметр может быть принято произведение объема аппаратана рабочее давление.

Если технический объект не имеет определенной производительностивследствие переменного состава продукции (различные виды резинотехническихизделий, изготавливаемые на вулканизационных прессах, разные детали из разныхконструкционных материалов, обрабатываемые на металлорежущих станках и т.д.), вкачестве главного параметра может быть выбрана определяющая конструктивнаяхарактеристика машины: высота центров токарно-винторезного станка, диаметрпланшайбы карусельного станка, площадь стала продольно-строгального станка,диаметр шнека экструдера или листовой машины и т.д.

В аппаратах и машинах, производительность которых в решающейстепени зависит от рабочей поверхности (поверхность теплообмена в теплообменныхаппаратах, поверхность фильтрации в фильтрах) главным параметром будет величинаэтой поверхности.

2.5 Технический прогресс и сложность технических объектов

А.И. Половинкин, Б.С. Флейшман и др. попыталисьпроанализировать динамику роста сложности технических объектов на всемисторическом пути развития техники и прогнозировать появление новых классовтехнических систем в будущем.

Для оценки сложности была использованатеоретикомножественная концепция, согласно которой сложность системыопределяется количеством входящих в эту систему элементов.

Результаты анализа приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1

Эволюция сложности технических объектов

Этап Уровень сложности Среднее количество элементов, №

Время возникновения, t

1 а) Сложные предметы 10 15-10 тысячелетие до н.э. б) Превращающиеся предметы, меняющие свойства при термообработке 1

7 тысячелетие до

н.э.

2 Простые системы элементов

10-102

1000 лет назад 3 Простые системы механизмов

10-103

ХV — ХIХ века 4 Простые системы машин

104

ХХ в. 5 Автоматические системы, однозначно реагирующие на ограниченный набор внешних воздействий

104-105

ХХ в. 6 а) Сложные системы с массовым случайным взаимодействием элементов

104-107

ХХ в. б) Сложные решающие системы

104-109

середина ХХ в. в) Самоорганизующиеся, превращающиеся сложные системы, имеющие гибкие критерии различения сигналов и гибкие реакции на внешние воздействия

108-1010

конец ХХ в.

Построенная по данным таблицы 2.1 функциональная зависимостьсложности технических объектов от времени их появления представляет собою крутовосходящую экспоненту, экстраполяция которой позволяет ожидать дальнейшегобыстрого роста сложности техники. Поэтому А.И. Половинкин прогнозируетпоявление в перспективе еще двух классов технических систем:

самоорганизующиеся предвидящие сложные системы, способные кросту, развитию, содержащие 108-1030 элементов;

парадоксальные (перевоплощающиеся) системы, способные управлятьпространством и временем, изменять космические формы своего бытия, содержащие1030-10200 элементов.

Не ставя перед собой задачу оценки обоснованности указанногоуровня сложности прогнозируемых систем, отметим лишь, что, по расчетам американскогоученого У. Эшби, вся видимая часть Вселенной содержит 1073 атомов.

В.С. Поликарпов, ссылаясь на данные Д. Рорвика, считает, чтовсе вещество Вселенной в пересчете на атомы водорода составляет 1078атомов. Таким образом, создание парадоксальной системы, соответствующей прогнозуА.И. Половинкина, потребовало бы уничтожения Вселенной.

Но вернемся к земным масштабам. Рассмотрим теоретическидостижимую сложность и размеры технических объектов применительно к электронным,и механическим системам. Масса Земли составляет 5976×1021кг.

Наиболее компактными размерами, обеспечивающими получение самыхсложных технических систем, обладают сегодня большие интегральные схемы. В 1см3полупроводникового кристалла, являющегося носителем такой схемы, размещается 104элементов. Самым распространенным химическим элементом на Земле, используемым вкачестве полупроводника, является кремний, содержание которого составляет 15,2%массы планеты, или 908,35×1021кг.Учитывая, что плотность кремния 2330 кг/м3, нетрудно подсчитать,что, использовав весь кремний, имеющийся на Земле, можно было бы получатьэлектронную систему, содержащую 3,9×1030элементов. Объем такой электронной системы составит 3,9×1020м3, что составляет около 10%объема земного шара.

Необходимо оговориться, что теоретически можно представитьсебе более высокую плотность упаковки элементов, Природа дает нам такой пример.Человеческий мозг содержит в 1 см3 107 элементов (нейронов).Таким образом, работы по микроминиатюризации в области электроники имеютперспективу.

В этом случае можно представить перспективную возможностьполучения электронных систем с числом элементов порядка 1030элементов, не оказывающую заметного влияния на поведение нашей планеты в Космосе.

Характеристики некоторых механических систем приведены втаблице 2.2

Таблица 2.2

Характеристики механических систем

Технический объект

Объем, ТО

(по габаритным размерам) V, cм3

Масса ТО G, кг

Количество элементов,

Плотность упаковки,

Удельная масса,

часы «Луч» 0,46 51

102

часы «Молния» 4,7 51 11 Ретурный цилиндр пресса вулканизационного

5,5×103

24 31

5,6×10-3

4,3 Главный цилиндр пресса вулканизационного

7,9×104

351 29

3,6×10-4

4,4 Пресс вулканизационный 100´250´ГЭ

4,8×105

1433 195

4×10-6

Из таблицы 2.2 следуют выводы:

Даже в самых компактных механических системах плотность упаковкиниже, чем в электронных системах, как минимум, на 2-3 порядка.

В более крупных механических системах плотность упаковкиниже, чем в более мелких за счет увеличения размеров и массы несущих и силовыхэлементов.

К этому следует добавить, что рост размеров механическихсистем не безграничен, поскольку, как справедливо утверждали еще древние греки,«человек есть мера всех вещей», а размеры человека достаточно стабильны.

Значительное повышение сложности технических объектовпроисходит за счет создания электронно-механических систем с целью обеспечениявыполнения более сложных функций техническим объектом и повышения уровня автоматизацииего функционирования.

Основным материалом, из которого изготавливаютсямеханические технические объекты, являются сплавы на основе железа. Массажелеза, которое содержит Земля, 2067,7×1021кг.

С учетом приведенных выше данных можно подсчитать, чтопредельная сложность механической системы, которую можно создать в земных условияхбез тяжелых последствий космического характера — это (1-2) ×1019 элементов.

Электронно-механическая система может иметь число элементовв диапазоне 1019 — 1030 элементов. Таким образом, прогнозА.И. Половинкина в части возможности в перспективе создания парадоксальныхсистем, по видимому не выполним. Наличие предела сложности технических систем,очевидно, будет оказывать все большее тормозящее влияние на техническийпрогресс по мере приближения к этому пределу.

Следует заметить, что наряду с техническими трудностями,возрастающими по мере усложнения технических систем и увеличения их масштабов,появляются тормозящие факторы экономического, экологического, политическогохарактера. Так, фактором политического характера стало международное соглашениео запрещении ядерных испытаний. Другой пример — программы ПРО (противоракетнойобороны). В 1968 г. американский инженер П. Глазер представил техническуюразработку проекта космической электростанции, запускаемой на геостационарнуюорбиту. Масса такой станции мощностью 5 ГВТ составляет 18000Т, ориентировочнаястоимость ее сооружения — до 35 млрд. долларов (дешевле, чем программа «Аполлон»,завершившаяся высадкой человека на Луне). Конечно, осуществление такого проектатребует решения многих технических задач, требует международного сотрудничества.Но одной из главных проблем является экологическая, связанная с передачейэнергии с электростанции на Землю с помощью СВЧ-пучка, что неминуемо скажетсяна качестве радиосвязи, а в какой-то зоне может воздействовать на центральнуюнервную систему людей.

Анализируя динамику информационных процессов, известный американскийспециалист в области информатики Дерек де Солла Прайс пришел к выводу, чточерез жизнь одного поколения прогресс науки остановится. Это тоже могло быстать тормозящим фактором в развитии техники. Правда, с выводом Прайса трудносогласиться. Он противоречит сформулированному Ф. Энгельсом закону ускорениятемпов развития науки, который гласит: «Наука растет, по меньшей мере, стакой же быстротой, как и население; население растет пропорциональночисленности последнего поколения, наука движется вперед пропорционально массезнаний, унаследованных ею от предшествующего поколения».

Поскольку прекращение прогресса в науке при современном еезначении привело бы к прекращению прогресса и в технике, вывод Прайса вступаетв противоречие и с открытым К. Марксом законом постоянного развития техники,согласно которому техника развивается постоянно, только исключительные событиямогут на некоторое время затормозить ее развитие.

По видимому, более правильно говорить не о грядущемпрекращении прогресса науки и техники, а о замедлении этого процесса, чтоозначает завершение начавшейся в 40х годах ХХ в. Научно — техническойреволюции и переход к очередному эволюционному этапу развития науки и техники.

Вот к таким серьезным выводам, на уровне философскогообобщения, приводит анализ критерия сложности техники.

2.6 Прогнозирование значений показателей технического уровня проектируемойновой техники

Оценка показателей качества и, в частности, критериевразвития полезна не только при определении технического уровня того или иногоуже существующего технического объекта.

Еще не так давно в отечественном химическом машиностроениибыло принято конструировать новую технику, закладывая в проектное заданиехарактеристики, соответствующие лучшим мировым образцам аналогичной техники.

Цикл основания производства новых машин от начала ихпроектирования до выпуска первой серии длится, как правило, несколько лет.

За это время некогда лучшие мировые образцы успеваютморально устареть и получается, что только что освоенная в производстве новаямашина оказывается морально устаревшей, едва выйдя за воротазавода-изготовителя. Следовательно, для создания техники мирового уровня в проектномзадании должны быть заложены не показатели уже существующих машин, даже лучших,а те значения, которых могут достигнуть эти показатели через несколько лет. Дляэтого нужно уметь прогнозировать значения показателей образцов техники, которыееще не существуют, но которые можно ожидать, изучив, как меняется тот или инойпоказатель по мере совершенствования данного вида техники на протяжениидлительного периода времени.

В качестве примера в таблице 2.3 приведена динамикамаксимальной производительности колонн синтеза аммиака за время от ихизобретения в 1910 г. до наших дней.

Таблица 2.3

Максимальная производительность колонн синтеза аммиака

Год Производительность, т/сут. Год Производительность, т/сут. 1911 0,025 1966 170 1012 1 1970 200 1913 30 1980 1360 1944 40 1995 1650 1959 93

На рисунке приведен график, построенный по данным таблицы 2.3Из него видно, что сначала мощность колонн возрастало экспоненциально, затемдля дальнейшего увеличения производительности стало требоваться все большевремени и творческих усилий. Экспоненциальная функция превратилась влогистическую кривую (S — функции),экстраполяция которой позволяет прогнозировать с той или иной степенью точностине 5-10 лет вперед.

Прогнозирование показателей посредством экстраполяции функции,называемое статистическим прогнозированием, является наиболее старым ираспространенным, но далеко не единственным методом прогнозирования.

Проблеме прогнозирования посвящена обширная литература.

Определенную сложность при прогнозировании показателей проектируемоготехнического объекта представляет сбор данных по показателям аналогичныхтехнических объектов прошлых лет выпуска за достаточно длительный период,разных стран.

Для этого требуется изучение литературы, использованиематериалов технических архивов заводов-изготовителей и т.д. Кроме того,правильная интерпретация паспортных данных технического объекта обычно требуетзнания технических особенностей его использования. Покажем это на примере гидравлическихвулканизационных четырехэтажных рамных прессов с электрическим нагревом плит,которые с 1963 г. выпускаются заводом «Тамбовполимермаш». Техническиехарактеристики этих прессов приведены в таблице 2.4

Таблица 2.4

Техническиеданные четырехэтажных рамных гидравлических вулканизационных прессов с электрическимнагревом плит, с плитами 600´600мм

/>Модель

пресса

Показатель

ВП

9024

160-600-Э4 250-600-Э4 250-600-4Э 250-600-4Э 250-600-4Э 250-600-4Э 250-600-4Э 250-600-4Э Год выпуска 1963 1974 1974 1980 1983 1987 1988 1990 1992 Усилие, МН 1,6 1,6 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 Мощность электронагревателей, кВт 12 15 18 15 20 35,9 20 37,5 37,5 Мощность привода насоса, кВт 2,8 5,2 5,2 7,5 8,5 - 7,5 4 4 Длина пресса, мм 1820 1988 1988 1895 1850 1850 1850 1850 1850 Ширина пресса, мм 2400 1420 1420 1420 1120 1120 1120 1120 1120 Высота пресса, мм 2600 2618 2618 2618 2675 2675 2675 2675 2675 Масса пресса, кг 4690 3600 4300 4250 4250 3794 3970 3800 4220 Расстояние между плитами, мм 120 125 125 125 125 125 125 125 125

Максимальная температура плит, оС

200 200 200 200 250 200 250 250 Время смыкания плит, с 8,5 12 12 12 12 12 12 12 Время размыкания плит, с 8,5 5 5 5-10 6 5-10 5-10 Продолжительность вулканизации, мин. 2-60 2-60 2-60 2-60 2-60 2-60 2-60 2-60 2-60

Давление на плиту, кг/см2

44,5 44,5 70 70 70 70 70 70 70

Приведенные в таблице 2.4 данные позволяют рассчитать рядкритериев, характеризующих технический уровень пресса.

Удельная материалоемкость:

/>,

где М — масса пресса, кг;

p — усилие, развиваемое прессом, кН;

q — расстояние между плитами, м;

b и l — соответственно ширина и длина плиты, м;

п — количество этажей у пресса.

Результаты расчета критерия материалоемкости приведены нижев таблице 2.5 Динамика показателя говорит о наличии тенденции к снижениюудельной металлоемкости прессов. Снижение материалоемкости вулканизационныхпрессов за последние двадцать лет достигнуто, благодаря двум мерам: переходу наиспользование в приводе насоса электродвигателей новой серии и изготовлениюсварной рамы пресса из листа толщиной 24 мм вместо 25 мм.

Замена электродвигателя явилась следствиемнаучно-технического прогресса в электротехнической промышленности. Отсутствиетеоретической проработки узла привода непосредственно разработчиками прессов доказываетсядостаточно бессистемным варьированием мощностью привода, что видно из таблицы 2.4

Сегодня нет экспериментального материала, позволяющегооценить перспективы дальнейшего облегчения рамы пресса. Дело в том, что лимитирующимфактором является не прочность рамы, расчет которой достаточно разработан, ажесткость, величина которой влияет на толщину выпрессовки. В настоящее времянет данных, позволяющих четко установить допустимый минимум жесткости рамы и,соответственно минимальные толщины ее элементов.

Сложность заключается в том, что величина выпрессовкизависит не только от жесткости рамы, но также от величины удельного давления наплиту, точности дозирования резиновой смеси в форму, состава смеси, размероврезинового изделия.

Поэтому гарантировать сохранение темпов снижения удельнойматериалоемкости затруднительно.

Критерий производительности пресса определяют по формуле:

/>,

где z — количество циклов, выполняемых прессом в течение часа.

/>,

где /> -продолжительность одного цикла, с

/>=/>+/>,

где /> - время смыканияплит, с;

/> -продолжительность тепловой обработки изделия (нагрева и вулканизации), с;

/> - времяразмыкания плит, с;

/> - времяперезарядки, с.

Продолжительность тепловой обработки изделия /> зависит от составарезиновой смеси, размеров изделия, температуры плит. Как следует из табл.2.4,она может варьироваться в пределах от 120 до 3600 с. Соответственно, вопределенных пределах будет варьироваться и критерий производительности.

Продолжительность перезарядки зависит от наличия иконструкции перезарядчика, конструкции пресс-форм, размеров РТИ и, соответственно,количества изготавливаемых за один цикл изделий. При ручной перезарядке потехнологии, принятой на Тамбовском заводе асбестовых и резинотехнических изделий,средняя полная продолжительность перезарядки составляет 15 минут.

Критерий электроемкости (модификация удельного расходаэлектроэнергии) можно рассчитать как отношение суммарной установленной мощностипривода насоса и электронагревателей к критерию производительности

/>.

Результаты расчета перечисленных критериев приведены в табл.2.5

Таблица 5

Критерии развитиягидравлических вулканизационных прессов с электрообогревом плит

Модель

пресса

Год

выпуска

Критерий

материалоемкости, кг/м3 МН

Критерий

производительности МН×м3

Критерий

электроемкости,

кВт/МН×м3

ВП9024М 1963

0,17×105

0,958-0,218 15,4-67,8 160-600-Э4 1974

0,175×105

0,999-0,228 20,2-88,6 250-600-Э4 1974

0,095×105

1,56-0,356 14,87-65,16 250-600-4Э 1980

0,094×105

1,56-0,356 14,4-63,2 250-600-4Э 1983

0,094×105

1,457-0,356 19,56-80,2 250-600-4Э 1987

0,084×105

1,56-0,356 23-100,8 250-600-4Э 1988

0,088×105

- - 250-600-4Э 1990

0,084×105

1,457-0,356 28,48-116,5 250-600-4Э 1992

0,094×105

1,457-0,356 28,48-116,5

Данные таблицы 2.5, в частности, ее последнего столбика,трудно комментировать, не зная технологии процесса вулканизации резины. Дело втом, что повышение мощности электронагревателей плит вызвано необходимостьюповышения температуры вулканизации. Известно, что повышение температурывулканизации (когда состав резины допускает такую возможность) на 10 градусовувеличивает скорость процесса вдвое. Таким образом, рост расхода энергии вединицу времени приводит к более быстрому росту производительности машины.

Таким образом, анализ критериев развития техническогообъекта позволяет:

оценить технический уровень данного объекта;

лучше понять особенности технологии эксплуатациитехнического объекта;

понять тенденции и направления совершенствованиятехнического объекта и прогнозировать темпы этого совершенствования.

Литература к теме 2

1. Показатели технического уровня икачества изделий химического машиностроения. Методические разработки длястудентов специальностей 060800, 170500, 330200 Сост. Капитонов Е.Н., Таров В.П.- Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2001. — 27с.

3. Описание ТО на основе системного подхода3.1 Некоторые основные понятия техники

Результатами инженерного творчества являются новые болеесовершенные технические объекты и технологии.

Техническим объектом называется созданное человеком, реальносуществующее устройство, предназначенное для удовлетворения определенной потребности.

Любой из элементов устройства (агрегат, блок, узел, деталь) тожеявляется техническим объектом, т.е. можно говорить об иерархии технических объектов.Отсюда понятие системы, подсистемы, надсистемы.

Обработка вещества, энергии или сигналов представляет собойвыполнение с помощью ТО некоторой четко определенной последовательности операций.

В связи с этим технологией называют способ, метод илипрограмму преобразования вещества, энергии или информационных сигналов из заданногоначального состояния в заданное конечное состояние с помощью определенных ТО.

3.2 Описание ТО. Методы декомпозиции

Каждый ТО может быть представлен описаниями, которые по мерепроработки ТО становится все более детальными и полными. Эти описания характеризуютсяследующими свойствами:

каждое последующее описание является более детальным посравнению с предыдущим;

каждое последующее описание включает в себя предыдущее.

Таким образом, можно говорить об иерархии описаний.

3.2.1 Потребность

Самое первое описание — потребность (человека) или функцияТО. Это краткое описание назначения ТО или цели его создания, которое должновключать следующую информацию: наименование действия (Д); объект илипредмет обработки, на который направлено это действие (G);особые условия и ограничения (Н).

Суть можно понять из следующих примеров.

ТО Д G H мельница размалывает зерно на муку выпарной аппарат выпаривает морскую воду для получения пресной воды термометр измеряет температуру среды - путепровод обеспечивает движение автомобиля через препятствие транспортер перемещает груз - грузовой автомобиль перевозит груз - поезд перевозит груз - самолет перевозит груз - теплоход перевозит груз - телега перевозит груз -

Примеры, приведенные в таблице, показывают, что уже напервом, самом поверхностном этапе анализа ТО выявляется необходимость творческогоподхода, поскольку одна и та же функция может осуществляться с помощью различныхТО.

Это относится к любой технологической задаче. Пресную водуиз соленой помимо выпаривания в аппаратах самых различных конструкций с последующейконденсацией образующегося пара, можно получить вымораживанием илиэлектродиализом; измельчать твердые материалы можно в мельницах различныхконструкций, в дробилках, пневматических измельчителях и т.д.

Резать стальные заготовки из листа можно на гильотинныхножницах, автогенной резкой, электродуговой резкой, струей плазмы и т.д.

Поэтому уже выполнение первого этапа анализа ТО заставляетзадумываться о выборе первоначально нескольких прототипов для последующего анализа.

3.1.2 Техническая функция

На втором этапе описания определяется техническая функция,которая в дополнение к описанной выше потребности включает физическую операцию(физическое превращение, преобразование), с помощью которой реализуетсяпотребность.

Описание физической операции формализовано можно представитьсостоящим их трех компонент

/>,

где АТ — входной поток вещества, энергииили сигналов, т.е. их исходные состояния;

СТ — их выходной поток, т.е. конечноесостояние;

Е — наименование операции Коллера по превращению АТв СТ.

Здесь необходимо остановиться на понятии операции Коллера. В1976 г. немецкий ученый Коллер предложил 12 пар операций (Половинкин добавил кнам еще 2), которые по его мнению, позволяют описывать ФО (физические операции)любого ТО или его элемента независимо от их физического принципа действия. Этоудобно, в частности, для математического моделирования.

Например, аналоговые ЭВМ, используя математическую аналогиюнекоторых процессов (на которую указывает общность операций Коллера), позволяетмоделировать процессы. Так, гидравлическое сопротивление при движении воды втрубе выражается законом Дарси-Вайсбаха

/>.

Сопротивление при протекании электрического тока попроводнику выражается законом Ома

/>,

где r — удельноесопротивление;

l и F — длина и площадь поперечного сечения проводника.

Подобие позволяет вести электромоделирование по АЦМ вместоэкспериментов с жидкостью.

Оба процесса определяются одной операцией Коллера — «проведение».

Вот эти операции.

Излучение — поглощение. Излучение связано систочником энергии, в том числе природным, поглощение — со стоком.

Проводимость — изолирование. Для возникновенияпотока, кроме наличия источника и стока, требуется, чтобы между ними былопроводящее пространство.

Сбор — рассеяние. Операция «сбор» служитдля того, чтобы поток энергии, вещества и сигналов, распространяющийся по всемнаправлениям, заставить протекать в одном направлении или сфокусироваться водной точке. Пример: патрубок, через который вытекает жидкость иземкости. Рассеяние — обратная операция. Пример: барботер, распылитель.

Проведение — непроведение. Операция «проведение»обеспечивает движение сконцентрированного потока по заданному пути с помощьютехнических средств (ZB, трубопровод), т.е. этодвижение, ограниченное связями. Непроведение — свободное движение, при которомТО не оказывает никакого влияния на естественное направление распространенияпотока (струя воды из крана, световой луч).

Преобразование — обратное преобразование. Этонаиболее распространенные основные операции, обеспечивающие изменение свойствэнергии, вещества и сигналов. Сюда относится преобразование одного вида энергиив другой, изменение агрегатного состояния вещества, изменение проводимости, магнитныхсвойств и т.д.

Увеличение — уменьшение. Примеры ТО: зубчатыепередачи, вентили, задвижки и т.д.

Изменение направления — изменение направления. Здесьмогут быть одинаковые ТО с проведением (5).

Выравнивание — колебание. Ресивер выравнивает пульсирующийпоток, пульсатор, вибратор — наоборот.

Связь — прерывание. ТО — задвижки, соединительныемуфты и т.д.

Соединение — разъединение. Примеры реализацииопераций «соединение»: смесители, насосы (соединяющие энергию ивещество). Примеры реализации операции «разъединение»: сепараторы,центрифуги, ректификаторы, фильтры. Примеры показывают, что указанные операцииотносятся к неоднородным потокам (ZB, разные компоненты смеси).

Объединение — разъединение. Здесь речь идет ободнородных потоках энергии, вещества и сигналов. Пример: тройники наводопроводах, электросети.

Накопление — выдача. Пример: для потоковэнергии — механические, гидравлические, пневматические, электрические итепловые аккумуляторы; для веществ — резервуары, газовые баллоны, бункеры и т.п.;для сигналов — перфокарты, магнитные ленты и диски, фотопленки и т.д.

Отображение — обратное отображение. Отображение — когда реальный поток энергии, вещества, сигналов получает информационноеотображение в графическом, числовом и другом визуальном виде. Обратное отображение- когда задано числовое или графическое значение, а на выходе реальный поток.

Фиксирование — расфиксирование. Фиксирование связанос уменьшением числа степеней свободы движения ТО. Расфиксирование — увеличениечисла степеней свободы.

Иногда не удается однозначно подобрать операцию Коллера,тогда можно даватьи свое подходящее наименование. Это не приносит роковых последствий.

Примеры описания физических операций (ФО)

ТО

АТ

СТ

мельница зерно + механическая энергия соединение мука выпарной аппарат раствор + тепловая энергия соединение и преобразование вторичный пар и упаренный раствор центрифуга суспензия + механическая энергия разъединение осадок и фугат светильник электрический ток преобразование световой поток 3.2.3 Функциональная структура

Следующий, более высокий уровень описания ТО, — функциональная структура (ФС).

Большинство ТО состоит из нескольких элементов (агрегатов,узлов, деталей), каждый из которых выполняет определенную функцию и реализует определеннуюфизическую операцию. Между элементами имеются два вида связей и соответственнодва вида их структурной организации. Во-первых, элементы имеют определенныефункциональные связи друг с другом, которые образуют конструктивнуюфункциональную структуру.

Кроме функциональных связей между элементами ТО имеются ещепотоковые связи, поскольку элементы, реализуя определенные физические операции,образуют поток преобразуемых или превращаемых веществ, энергии, сигналов.

Взаимосвязанный набор физических операций, реализующий определенныйпоток преобразований вещества, энергии или сигналов, называется потоковойфункциональной структурой.

Конструктивная и потоковая функциональные структуры взаимнодополняют друг друга.

При конструировании они помогают решать такие задачи, какисключение или добавление отдельных элементов, их объединение в один и т.д.

3.2.4 Построение конструктивной функциональной структуры

В основу анализа функций ТО положен тот факт, что любой ТОможет быть разделен на несколько функциональных элементов, каждый из которыхимеет минимальное число (не менее одной) определенных функций. Элементом можетбыть агрегат, блок, деталь или часть детали.

При изучении объекта, который нужно усовершенствовать,необходимо в первую очередь уточнить следующее:

какие функции выполняет каждый элемент ТО и как элементыфункционально связаны между собой;

какие физические операции (преобразования) выполняет каждыйэлемент и как они взаимосвязаны между собой;

на основе каких физико-технических эффектов работает каждыйэлемент ТО и как они взаимосвязаны между собой.

После выяснения этих вопросов появляется четкоепредставление об устройстве ТО с функциональной и физической точек зрения.

Изделие и его элемент представляют собой удобную для анализадвухуровневую систему. Но в сложных ТО элемент сам может рассматриваться каксистема из элементов более низкого уровня и так до получения неделимогоэлемента, попытка деления которого приведет к получению элементов, не имеющихсамостоятельной функции или с одинаковыми функциями.

Вообще говоря, существуют банки данных по характеристикамнаиболее распространенных функциональных элементов.

Фрагмент таких данных представлен в следующей таблице.

класс

функциональных элементов

вид ТО, в котором могут присутствовать функциональные элементы описание функции элемента

Несущие

элементы

любой многоэлементный ТО Определяют форму ТО и взаимное расположение его элементов Двигатели ТО с механическим движением Преобразуют исходный вид энергии в механическую Движители ТО, обеспечивающие движение объекта Преобразуют работу двигателя в работу по преодолению сопротивления среды движению объекта

Элементы

передачи

ТО с рабочим органом, выполняющим движение Передача движения и моментов с одновременным преобразованием скоростей, моментов, сил, их направлений Элементы формирования объемов и потоков ТО с объемами жидких, газообразных, сыпучих веществ Хранят или транспортируют жидкость, газ, сыпучую среду

Одновременно с разделением ТО на элементы выделяют элементыокружающей среды, с которыми данный ТО находится во взаимодействии и которыепоэтому влияют на конструкцию ТО. Сюда относятся объекты, воспринимающиедействие ТО (обрабатываемый с помощью ТО материал), подводимая к ТО энергия,управляющие сигналы, отравляемая среда, излучения и т.д.

Среди выделенных элементов ТО при конструировании особоевнимание уделяют главным элементам. К ним относятся рабочие органы ТО и другиеэлементы, которые непосредственно взаимодействуют с предметом обработки идругими объектами окружающей среды.

При выделении главных элементов нужно иметь в виду следующиеих свойства:

функция главных элементов, как правило, совпадает с функциейТО или в решающей мере зависит от функции ТО;

объекты окружающей среды (ОС) для главных элементов обычносовпадают с объектами, на которые направлено действие ТО.

Примеры главных элементов объектов окружающей среды

ТО ОС

Главный

элемент

Функция главного элемента Шариковая авторучка Бумага Шариковый узел Образует на бумаге видимый след Шнековый смеситель Компоненты смеси Шнеки Транспортируют и смешивают компоненты Щековая дробилка Материал, подлежащий дроблению Щеки Раздавливает материал Двигатель внутреннего сгорания Двигатель внутреннего сгорания

Поршни и

цилиндры

Вращает вал

После выявления элементов ТО и их функций можно построитьконструктивную функциональную структуру ТО. Она представляет собой ориентированныйграф, вершинами которого являются наименования элементов ТО и объектов ОС, аребрами — функции элементов.

При построении ФС сначала изображают вершины: верхний горизонтальныйряд — объекты ОС, ниже — элементы ТО. После этого строят направленные ребраграфа. Ребра выходят из вершин-элементов, чьи функции они описывают, азаканчиваются в вершинах-элементах, работу которых они обеспечивают, или ввершинах-объектах ОС, взаимодействующих с рассматриваемым элементом. Из каждойвершины элемента выходит столько ребер, сколько функций имеет элемент. Простыеребра начинаются в одной вершине и заканчиваются в другой. Но некоторыеэлементы ТО обеспечивают соединение или взаимодействие между несколькимиэлементами и объектами ОС. В этом случае ребро имеет один выход и нескольковходов, соединенных между собой так называемой U-вершиной.Чтобы было понятно сказанное выше, рассмотрим пример построения графа дляшарикоподшипника.

Шарикоподшипник, как известно, предназначен для снижениятрения (момента вращения) между втулкой вращающейся детали и неподвижной осью. Втулкаи ось в данном случае являются объектами окружающей среды.

Разбивка шарикоподшипника на элементы с определением ихфункций дает следующий результат.

Элемент Функция обозначение наименование обозначение описание

Е0

шарики

Ф0

снижают момент вращения втулки (V1) вокруг оси (V2)

Е1

наружное кольцо

Ф1

обеспечивает качение втулки по шарикам

Е2

внутреннее кольцо

Ф2

обеспечивает качение шариков по оси колеса

Е3

сепаратор

Ф3

обеспечивает равное удаление шариков друг от друга

Из таблицы видно, что главным элементом являются шарики,функция которых совпадает с функцией всего подшипника.

Конструктивная ФС имеет следующий вид.

Подобная схема позволяет искать пути совершенствованияконструкции. Например, шарики выполняют свою функцию и без колец. Пример:игольчатый подшипник.

3.2.5 Построение потоковой функциональной структуры

В этом случае компоненты ОС считают источником входящих в ТОпотоков или стоком выходящих из ТО потоков. Конструктивные элементы ТО нумеруютпо возможности в том порядке, в каком поток проходит через эти элементы.

Выше говорилось о том, что поток возникает как следствиеопределенных физических операций, преобразующих вещество, энергию или информацию.Поэтому перед построением потоковой ФС целесообразно составить таблицуэлементов ОС и ТО с указанием этих физических операций.

Приведем такую таблицу для бытовой электроплитки, стоящей настоле и предназначенной для нагревания емкости (кастрюли) с водой.

Основная ФО электроплитки — преобразование электрическойэнергии в тепловую, т.е. АТ — электрический ток; Е — преобразование; СТ — тепло.

Таблица.

№ элемента и объекта ОС Наименование элемента и объекта ОС ФО

Вход АТ

№ источника Операция Коллера

Выход СТ

№ приемника 0-1 Электрическое напряжение - - - - - 0-2 Емкость с жидкостью тепловая энергия 3 поглощение - - 0-3 Стол - - - - - 1 Разъем

1. электрическое напряжение

2. перемещение

0-1 связь — прерывание

1. электронапряжение

2. его отсутствие

2 2 Провод электрическое напряжение 1 проведение и преобразование электрический ток 3 3 Спираль электрический ток 2 преобразование тепловая энергия

0-2

4 Огнеупорный элемент

тепловая энергия

электрическое напряжение

уменьшение

изолирование

тепловая энергия

электрическое напряжение

0-3

5 Корпус

вес ТО

степень свободы

перемещения = 4

0-2

проведение

уменьшение

сила реакции стола

степень свободы перемещения = 0

0-3

По данным таблицы может быть построена конкретизированнаяили абстрагированная потоковая ФС.

Эта схема позволяет проанализировать эффективность потоков,например, в данном случае использование тепловой энергии.

Следует заметить, что для реализации одной и той жепотребности может существовать несколько альтернативных физических операций. Так,нагревание емкости с жидкостью помимо электроплитки может осуществляться на газовойплите, на плите, обогреваемой пламенем от сжигаемых дров, угля и пр., на костреи т.д. Поэтому для выбора эффективного решения задачи может потребоватьсясоставление потоковых функциональных структур для нескольких прототипов. В этомслучае нужно выбрать наиболее эффективную из них. Реализация ФО происходит наоснове одного или нескольких физико-технических эффектов. Подфизико-техническими эффектами понимают различные приложения физических законов,закономерностей и следствий из них, физические эффекты и явления, которые могутбыть использованы в технических устройствах.

В обобщенном виде описание физико-технического эффектасостоит из 3х компонент: А ®В ® С, где А — входной поток вещества, энергии или сигналов; С — выходной поток; В — физический объект, обеспечивающий преобразование А в С.

Если это сравнить с данным ранее описанием физическойоперации, то виден шаг вперед в области конкретизации решения задачи. Вместооперации Коллера, символизирующей преобразование А в С,появляется более конкретный физический объект.

В качестве иллюстрации рассмотрим некоторые примерыфизико-технических эффектов.

физико-технический эффект А В С Закон Гука сила твердое тело

линейная

деформация

Закон Джоуля-Ленца электрический ток проводник теплота Пьезоэлектрический эффект

деформация

(сила)

пъезокристалл электрическое поле

Конечно, держать в голове все законы физики, химии, механикидостаточно сложно. Поэтому полезно иметь фонд физико-технических эффектов. Примертакого фонда, включающего 120 ФТЭ, приведен в книге А.И. Половинкина «Основыинженерного творчества». Можно рекомендовать и книгу Т.И. Трофимова Физика:400 основных законов и формул. Справочник. — М.: Высшая школа, 1993., а такжеОсновные формулы физики / Под ред.Д. Мензела. — М.: Изд-во инженернойлитературы, 1957. — 657с. Подбор ФТЭ для каждой физической операции позволяетперейти к следующему шагу конкретизации задачи — построению физическогопринципа действия.

3.2.6 Построение физического принципа действия (ФПД)

Под ФПД понимают ориентированный граф, вершинами которого являютсянаименования физических объектов В, а ребрами входные А и выходныеС потоки вещества, энергии и сигналов. Таким образом, во многих случаяхФПД можно построить с помощью потоковой ФС путем замены наименований элементовили физических операций на наименования объектов В.

Прежде чем приступить к построению ФПД, введем понятие элементарнойфизической операции. Это такая ФО, которая может быть реализована с помощьюодного физико-технического эффекта. Далее работа выполняется в следующемпорядке. Рассмотрим его на примере электроплитки, для которой уже рассмотрелипотоковую ФС.

Строят абстрагированную потоковую ФС. В этом случае разъемможно рассматривать просто как два проводника обеспечивающие связь и прерываниецепи; провод после разъема — это проводник, обеспечивающий проведения тока кнагревателю (спирали); спираль — проводник, обеспечивающий преобразованиеэлектрической энергии в тепловую; огнеупорный элемент — твердое тело,уменьшающее поток тепловой энергии в ненужном направлении и обеспечивающееэлектрическую изоляцию; емкость с жидкостью — обеспечивает поглощение тепловойэнергии; корпус — твердое тело, обеспечивающее равновесие силы тяжести плитки иреакции стола.

Проводят анализ потоковой ФС и выявляют сложные ФО, которыереализуются с помощью нескольких ФТЭ.

Для узлов ТО, имеющих сложные ФО, строят потоковую ФС, состоящуютолько из элементарных ФО и таблицу описания ФО. Это не всегда удается сделать,тогда оставляют сложную ФО, реализуемую комплексным ФТЭ.

Для каждой элементарной ФО составляют таблицу описания ФТЭ.

№ элементарной ФО и ФТЭ Компоненты описания ФТЭ Наименование ФТЭ А В С 1

электрическое напряжение

перемещение

два проводника

электрическое напряжение

0 или 1

эффект соединения — разъединения электрической цепи 2 электрическое напряжение проводник электрический ток закон Ома 3 электрический ток проводник

тепловая

энергия

закон Джоуля-Ленца 4а

тепловая энергия (температура Т1)

твердое тело

тепловая энергия

(Т1 < Т2)

закон теплопроводности Фурье 4б

электрическое напряжение

U ¹ 0

изолятор

электрическое напряжение

U = 0

электроизоляционный эффект 5

сила тяжести Р

твердое тело

сила реакции

R = — P

эффект равновесия сил 0-2 тепловая энергия

жидкость

(температура Т1)

тепловая энергия

(температура жидкости

Т2 > Т1)

закон теплопроводности Фурье

На основе потоковой ФС и приведенной таблицы изображают ФПД.

Эта схема ФПД, по существу представляет собой принципиальнуюсхему ТО, в которой упрощенно-идеализовано показаны основные конструктивныеэлементы, обеспечивающие реализацию ФПД, и указаны направления потоков иосновные физические величины, характеризующие используемые физико-техническиеэффекты. Принципиальная схема облегчает последующую разработку техническогорешения. ТР может быть описано с любой степенью детализации. Это как быбезразмерное описание ТО, которое может иметь самые различные реализации попараметрам.

Заключительной стадией разработки ТО является созданиепроекта, в котором указываются значения всех параметров, разрабатываютсярабочие чертежи и другая конструкторская документация.

Ясно, что выбор функциональных структур, ФПД, техническихрешений — это задачи многовариантные. В каждом случае нужно выбирать наиболееэффективный вариант.

Литература к теме 3

6. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. — М.: Машиностроение,1988. — 368с.

7. Автоматизация поискового конструирования. Под ред.А.И. Половинкина. — М.:Радио и связь, 1981. — 344с.

8. Техническое творчество: теория, методология, практика. Энциклопедическийсловарь-справочник. Под ред.А.И. Половинкина, В.В. Попова. — М.: НПО «Информсистема»,1995. — 408с.

4. Требования, предъявляемые к техническим объектам

При разработке технического объекта необходимо учитыватьтребования, которым должен удовлетворять проектируемый объект.

В 1950 г. немецкий инженер Ф. Кессельринг предпринял попыткусобрать все требования, которые ставят перед собой конструкторы, с тем, чтобы вкачестве декомпозиции процесса проектирования, т.е. разделения сложной задачина ряд более простых, превратить проектирование в процесс последовательногоудовлетворения одного требования за другим — подобно школьной задаче в несколькихдействиях.

Список Ф. Кессельринга включал более 700 требований. Это былнеполный список, сегодня известно более 2500 требований.

Кессельрингу не удалось решить поставленную задачу,поскольку многие требования противоречат друг другу. Например, требованиеповышения уровня автоматизации технического объекта противоречат требованию всемерногоупрощения конструкции и т.д.

Таким образом, в каждом случае конструктор должен решать,какое требование следует удовлетворять, а каким следует пренебречь.

Тем не менее, существование списка требований и егопополнение чрезвычайно полезно, поскольку заставляет обратить внимание на тестороны объекта, которые подчас кажутся банальными, а на деле упускаются.

Ниже приведены некоторые примеры требований:

подчинять конструирование задаче увеличения экономическогоэффекта, определяемого в первую очередь полезной отдачей машины, ее долговечностьюи стоимостью эксплуатационных расходов за весь период использования машины;

добиваться максимального повышения полезной отдачи путемувеличения производительности машины и объема выполняемых ею операций;

добиваться всемерного снижения расходов на эксплуатацию машинуменьшением энергопотребления, стоимости обслуживанияи ремонта;

увеличивать степень автоматизации машин с целью увеличенияпроизводительности, повышения качества продукции и сокращения затрат на рабочую силу;

увеличить долговечность машин;

обеспечивать длительный моральный срок службы, закладывая вмашины высокие исходные параметры и предусматривая резервы развития и совершенствованиямашин;

закладывать в машины предпосылки интенсификации их использованияповышением универсальности и надежности;

предусматривать возможность создания производных машин смаксимальным использованием конструктивных элементов базовой машины;

стремиться к сокращению числа типоразмеров машин;

стремиться к устранению капитальных ремонтов за счет наличиясменных частей;

последовательно выдерживать принцип агрегатности;

исключать необходимость подбора и пригонки деталей при сборке,обеспечивая их взаимозаменяемость;

исключить операции выверки, регулировки деталей и узлов поместу; предусматривать в конструкции, фиксирующие элементы, обеспечивающие правильнуюустановку деталей и узлов при сборке;

обеспечивать вас окую прочность деталей за счет придания имрациональных форм, применения материалов повышенной прочности, введения упрочняющейобработки;

в машины, узлы и механизмы, работающие при циклических идинамических нагрузках, вводить упругие элементы, смягчающие колебания нагрузки;

делать машины неприхотливыми к уходу, устранять необходимостьпериодической регулировки и т.д.;

предупреждать возможность перенапряжения машины, для чеговводить автоматические регуляторы, предохранительные и предельные устройства,исключающие возможность эксплуатации машины на опасных режимах;

исключать возможность неправильной сборки деталей и узлов,нуждающихся в точной взаимной координации, введением блокировки;

заменять периодическую смазку непрерывной автоматической;

избегать открытых механизмов и передач;

обеспечить надежную страховку резьбовых соединений от самоотверачивания;

предупреждать коррозию деталей;

стремиться к минимальному весу машин и минимальной металлоемкости.

На этом пункте стоит остановиться особо. Целый ряд фактовговорит о том, что в части металлоемкости конструкции мы еще сильно отстаем вряде отраслей машиностроения от развитых капиталистических стран.

Так, материалоемкость экскаватора ЭО-6121 на 9 тонн вышеэкскаватора фирмы Поклейн (ФРГ), башенный кран КБ-405-2 на 26 тонн тяжелееаналога, выпускаемого фирмой Рейнер (ФРГ),металлоемкость трактора T-130М выше американского аналога Д-7Р на 730 кг.

У «Камаза» на 1 т грузоподъемности приходится 877 кг собственного веса, а у «Магируса» (ФРГ) — 557 кг / 1 т.

На перевозку избытка собственного веса «Камаз» перерасходуетна 1 машину 3 т/год.

Далее переходим к следующим:

всемерно упрощать конструкцию машин;

заменять, где это возможно, механизмы с прямолинейным возвратно-поступательнымдвижением механизмами с вращательным движением;

обеспечивать максимальную технологичность деталей и узлов;

сокращать объем механической обработки, предусматривая изготовлениезаготовок с формой, приближающейся к окончательной форме изделия;

осуществлять максимальную унификацию элементов в применениенормализованных деталей;

экономить дорогостояще и дефицитные материалы;

придавать машине простые и гладкие внешние формы, облегчающиесодержание машины в опрятном состоянии;

соблюдать требования технической эстетики;

делать доступными и удобными для осмотра узлы, нуждающиеся впериодической проверке;

обеспечивать безопасность эксплуатации агрегата;

непрерывно совершенствовать конструкцию машин, находящихся всерийном производстве;

при проектировании новых конструкций проверять все элементыновизны экспериментов;

шире использовать опытисполненных конструкций, опыт смежных, а в нужных случаях и отдаленныхпо профилю отраслей машиностроения.

Разумное сочетание требований достигается оптимизациейконструкции. В некоторых случаях задачи оптимизации решаются достаточно просто.В других случаях решением таких задач приходится заниматься целыми институтами.

Изложенные требования не являются разрозненными, никак несвязанными друг с другом случайными рекомендациями. Они являются отражениемвоздействия современной НТР на технику. В работе «НТР и преимущества социализма»,[Мысль, 1975] отмечается: «Обобщение тенденции развития техники и научныхразработок дает возможность отметить следующие особенности создаваемых рабочихмашин:

А. В области использования сил природы — все большееиспользование физических, химических, биологических процессов, переход к комплекснойтехнологии, новый видам движения материи, высоких и низких потенциалов (давлений,температур и т.п.).

Б. В области конструкционных и организационно-техническихформ — повышение единичной мощности, интеграция процессов в одном органе, ростпрочности связей, обеспечение динамичности конструкций, широкое использованиеискусственных материалов, интеграция машин во все большие системы-линии,участки, узлы, комплексы. Развитие динамичности достигается повышениемстандартизации, унификации, универсализации, блочности и агрегатирования. Этадинамичность отражает многообразие функций техники. Прогресс же стандартизации,агрегатирования характеризует единство техники на естественнонаучной основе.

В. В области принципов воздействия на предмет труда — максимально возможное, прямое использование сил природы, тенденция к изменениюфундаментальных основ перерабатываемых веществ и получение конечного продукта.

Литература к теме 4

1. Орлов П.И. Основыконструирования: Справочно-методическое пособие. В 2х кн. — М.: Машиностроение,1988.

5. Эволюция процессов конструирования

Первоначально орудия производства изготовлялисьремесленниками. Конструирование как профессия появилось лишь после того, кактехнические объекты стали достаточно большими и сложными.

Поэтому эволюцию процесса создания новой техники нужнорассматривать, начиная с ремесленного производства.

Среди старых кустарей и ремесленников редко встречаласьтакие, которые помимо обладания профессиональным мастерством, были еще и грамотны.Поэтому огромную ценность представляет книга одного из них — Джоржа Стэрта»Колесная мастерская", в которой дан очерк тележного производства XIXв. Достаточно нескольких цитат, чтобы понять те скрытые причины и процессы,которые управляют действиями кустаря. Начнем с описания точной подгонки форм кусловиям эксплуатации. "… мы удивительно точно знали особые нужды нашихсоседей. Изготовляя телегу или тачку, водовозку или плуг, или что-нибудь еще,мы выбирали такие размеры, такие формы кривых (а почти каждая деревянная детальбыла изогнутой), чтобы они соответствовали особенностям почвы на той или инойферме, крутизне того или иного холма, темпераменту того или иного клиента идаже его пристрастиям при выборе лошадей".

Далее Стэрт рассуждает о том, зачем колесам телеги придаетсяразвал и чашеобразная форма.

«Какой смысл в развале и чашеобразности колес? К стыдусвоему, я должен признаться, что этот вопрос мучил меня много лет даже послетого, как я убедился в многочисленных преимуществах этой странной формы и втом, что колеса без развала могут не пройти и мили…»

Стэрт обсуждает много вариантов ответа на поставленныйвопрос.

Вряд ли Стэрт отыскал все причины чашеобразности колес, атакже множества прочих изгибов, дуг и скруглений, из которых состоит повозка. Длянаших целей достаточно отметить, что форма каждой детали в повозке определяетсяне одной, а многими причинами и что изделие в целом возникает в результатетонкой отладки целого с оптимальным использованием каждой его части. Заметимтакже, что когда кустарь воспроизводит или изменяет какую-либо форму, он едвали точно отдает себе отчет, почему поступает именно так, а не иначе; он знаетлишь, как ему следует это сделать.

Говоря о том, почему колеса имеют всегда одни и те жеразмеры, Стэрт замечает:

«По сути дела, сама необходимость определила линииповозки, которая не должна быть не слишком высокой, ни слишком низкой; не однопоколение фермеров экспериментировало, чтобы отыскать эти невидимые линии, а колесникинаучились заставлять каждую телегу катиться в соответствии с ними.

Здесь, как в капле воды,отразились все те условия, благодаря которым телега стала красивой — такой же красивой, как скрипка или лодка. Необходимость определила законыпостроения каждой детали и десятками способов заставила добитьсясогласованности.

Тележник был вынужден во всем сохранять верность этимзаконам, всегда знать, каким требованиям должны удовлетворять колеса, оглобли,оси, кузов телеги, все ее детали. Нужно отметить особый характер этих знаний. Ихне найти ни в одной книге. Они не научны. Я не встречал никого, кто мог бы похвастать,что знает тележное производство не только эмпирически. Я сам — типичный томупример. Я знал, что задние колеса должны быть высотой пять футов и два дюйма, апередние — четыре фута и два дюйма, что „боковины“ нужно резать изчетырехдюймовой сердцевины лучшего дуба и т.д. Это я знал, и чем дальше, темуверенней, но я редко знал, почему. То же и большинство ремесленников. Весьсвод их знаний представлял собой путанную сеть деревенских предрассудков,некоторые основания которых были известны в одной местности, а другие — вдругой и т.д.

В крестьянском дворе, в пивной, на рынке все снова и сновазаводился разговор о тех или иных деталях; приобретенные знания сводилисьвоедино в деревенской кузнице или мастерской ремесленника. Возчики, кузнецы, фермеры,колесники — тысячи ремесленников из века в век передавали своим детям илиподмастерьям те крупицы понимания, что им удалось собрать. Но по большей частипонимание деталей было весьма туманным, а весь свод знаний был чем-то таинственным,частью народной мудрости, он принадлежал коллективно всем людям, но ни однаотдельная личность никогда не владела им целиком».

Приведенные цитаты позволяют отметить следующиехарактеристики ремесленного производства:

Ремесленник не вычерчивает эскиз своего изделия, — а часто ипросто не в состоянии сделать это и не может удовлетворительно объяснить,почему он принимает то или иное решение.

Изменение формы кустарного изделия происходит в результатебесчисленных неудач и успехов в процессе многовекового поиска методом проб иошибок. Этот медленный и дорогостоящий последовательный поиск «невидимыхлиний» удачной конструкции может в конечной итоге привести к удивительноточно уравновешенному изделию, которое в очень высокой степени удовлетворяетпотребителя.

Хранилищем всей важной информации, собранной в ходе эволюциипромысла, является в первую очередь сама форма изделия, которая остаетсяпостоянной и изменяется только для исправления ошибок и при возникновении новыхпотребностей.

Другими словами, вопрос изменения конструкции решаются не науровне изделия в целом, а на уровне отдельных компонентов этого изделия.

Принципиальная разница между эволюцией форм в кустарных промыслахи принятым сегодня способом разработки формы для изделий машинного производствапутем создания чертежей в определенном масштабе заключается в том, что здесьпоиск методом проб и ошибок отдален от производства, что эксперименты иизменения проводятся на масштабном чертеже, а не на самом изделии.

В результате:

Стало возможным задавать размеры изделия до егоизготовления, а это позволило разделить труд по изготовлению отдельных частейизделия между несколькими исполнителями.

Возникшее с появлением масштабных чертежей разделение трудадало возможность увеличить размеры изделий (необходимость изготовления крупныхизделий, требующих одновременного труда нескольких рабочих, собственно ипривела к появлению чертежей в первую очередь в судостроении и строительству) итемы их изготовления. Для этого приходится заранее задавать такие размеры,которые ремесленник не стал бы фиксировать, обеспечивая себе возможностьманеврирования при взаимной пригонке изделия и частей, при внесении тонкихизменений в соответствии с конкретными потребностями данного клиента. Поэтомуразделение труда влечет за собой потерю индивидуальности изделия.

Естественно, теперь основная часть трудностей и радостейтворчества уходит из производственной сферы и становится уделом тех, ктоизготовляет чертежи. Проектно-конструкторские работы выделяются в особую профессию.Этот происходивший некогда переход кустарного промысла к проектированию вомногом сходен с происходящим ныне переходом от проектирования к проектнымисследованиям.

Когда геометрические аспекты производства были сведены вчертеж, у проектировщика появилось гораздо более обширное «полепредставления», чем было у ремесленника. Конструктор может видеть всеизделие целиком, манипулировать им, и ничто — ни неполнота сведений, ни боязньдорогостоящей переделки самого изделия — уже не мешает ему вносить в конструкциюдаже принципиальные изменения.

Таким образом, появилась объективная возможность решатьвопросы изменения конструкции не на уровне отдельных компонентов изделия, а науровне изделия в целом.

Но при этом важно отметить следующее: над чертежомодновременно может работать только один человек, и все ситуации, которым должнаудовлетворять конструкция, приходится держать в одной голове.

Из-за этого на ранних стадиях проектирования чертежнымспособом работу ведет всего один человек, — ведущий конструктор илируководитель группы.

Только после того, как ведущему конструктору удалосьсформулировать критические подпроблемы данном задачи и найти (на уровненабросков, эскизов) удовлетворительное решение этих подпроблем, можнораспределить работу между несколькими исполнителями.

В последнее время разработан целый ряд новых методов,предназначенных в первую очередь как раз для преодоления этого недостаткатрадиционных методов проектирования — невозможности привлечения многих умов крешению задачи на самом важном этапе проектирования.

Необходимость широкого распространения этих новых методовстала особенно актуальной и наглядной сегодня в связи с бурным развитием теориисистем.

Под системой понимают объективное единство закономерносвязанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе.Подробнее вопросы систем и системного подхода рассматриваются в следующей теме.

Ограничимся здесь лишь следующими замечаниями. Об общности понятиясистемы и широте применения теорий систем можно судить по следующемувысказыванию крупнейшего специалиста в области теории систем профессораМесаровича: «Я не знаю, что такое система, потому что не знаю ничего, чтоне было бы системой».

На основе теории систем родился так называемый системныйподход к решению различных проблем, в том числе, к проектированию и системныйанализ.

Системный подход в проектировании проявляется в расширениипроцесса проектирования за счет включения в него помимо вопросов созданияизделия также и задач проектирования систем (т.е. связей и отношений междуизделиями).

Чтобы это было понятнее, рассмотрим один пример.

Традиционным методом получения SO2в производстве серной кислоты был обжиг серного колчедана. Проектирование науровне изделий приводило к постоянному усовершенствованию печей для этогообжига. С точки зрения только процесса получения SO2колчедан наиболее подходящее сырье. Однако, рассматривая проблему шире, вчастности, в рамках экологической системы, мы сталкиваемся с вопросомутилизации огарка, который сегодня засоряет огромные территории вокруг сернокислотныхзаводов. Отсюда понятно, почему сегодня заводы переходят на использование болеедорогой серы вместо серного колчедана, что приводит и к использованию совсемдругих типов печей.

Включение в процесс проектирования задач проектированиясистем приводит к добавлению к иерархии предметов, относящихся к традиционнойсфере деятельности проектировщика, еще одной ступени — уровня систем.

Если же еще более расширять объем понятия «проектирование»,включив в него политические и социальные аспекты поведения потребителей, связанныес отношениями между системами, обнаружится наличие еще одной, четвертойступени, — уровня общественных групп, или «социальной сферы».

Увеличение (с двух до четырех) количества иерархическихступеней, открытых для проектирования, означает резкое повышение его сложности.Такое расширение сферы проектирования по меньшей мере равноценно совершенномуранее переходу от кустарного промысла к чертежному способу проектирования.

Теперь задача проектирования состоит по существу в измененииокружающей нас искусственной сферы. Это, безусловно, затрагивает политическуюсферу.

Говоря о реальных условиях современного проектирования,можно отметить ряд конкретных дополнительных осложнений, которые не встречалисьпроектировщикам раньше

Внешние осложнения:

Перенес технических решений, т.е. планомерный поиск в отдаленныхотраслях технологии таких изобретений и разработок, которые позволяют решать даннуюзадачу проектирования.

Возможность возникновения побочных эффектов при использованиинового разрабатываемого изделия, которую необходимо прогнозировать на раннейстадии проектирования, когда еще можно с их учетом изменить конструкцию изделияи организацию системы (например, шум реактивных самолетов).

Применение единых отраслевых, национальных и международныхстандартов для обеспечения совместимости изделий взаимодействующих систем, (например,вилки электроприборов).

Внутренние осложнения:

Постоянный рост капиталовложений,необходимых для получения существенного экономического эффекта от новойконструкции, в результате которого стоимость ошибки проектировщика возрастаетнастолько, что каждый проект должен быть удачным с первого раза.

Крайняя сложность определения рациональной последовательностипринятия решений, когда поток новых потребностей, новых технологическихпроцессов и новых идей непрерывно изменяет систему отношений между параметрамирешения.

Все изложенное говорит о том, что современная ситуациярасширила существовавшее ранее понятие проектирования.

Вот некоторые из современных определений:

Азимов: «Проектирование — это принятие решений вусловиях неопределенности с тяжелыми последствиями в случае ошибки».

Букер: «моделирование предполагаемых действий до ихосуществления, повторяемое до тех пор, пока не появится полная уверенность вконечном результате».

Филден: «техническое конструирование — этоиспользование научных принципов, технической информации и воображения дляопределения механической структуры машины или системы предназначенной длявыполнения заранее заданных функций с наибольшей экономичностью и эффективностью».

Ризуик: «творческая деятельность, которая вызывает кжизни нечто новое и полезное, чего ранее не существовало».

ГОСТ 22487-77: Проектирование — это процесс становленияописания, необходимого для создания еще не существующего объекта, который осуществляетсяпреобразованием первичного описания (технического задания), оптимизациейзаданных характеристик объекта и алгоритма его функционирования, устранениемнекорректности первичного описания детализируемого объекта на различных языкахдля различных этапов проектирования.

Чтобы покончить с определением проектирования как областиинтеллектуальной деятельности человека, рассмотрим соотношение между проектированием,искусством, наукой в целом и математикой в частности.

Проектирование — это сложный вид деятельности, в которомуспех зависит от правильного сочетания остальных трех названных средствпознания. Основное его отличие связано с временными отношениями. Деятели искусстваи науки имеет дело с физическим миром в том виде, в каком он существует внастоящее время. Математики оперируют с абстрактными отношениями, не зависящимиот календарного времени. Проектировщики же всегда вынуждены рассматривать какреальность то, что существует лишь в воображаемом будущем.

В этом — различие. А сходство заключается в следующем. Преждечем предсказывать будущее, разработчик должен в достаточной мере знать настоящее,а для этого он должен обладать свойствами ученого: скептицизмом, умениемпоставить эксперимент и проанализировать его результаты.

Подход художника необходим разработчику на том этапе, когдав лабиринте альтернатив приходится отыскивать тропинку, ведущую к новому инепротиворечивому построению, которое могло бы лечь в основу решения.

При этом нужно иметь какой-нибудь податливый материал илианалог, который позволял бы, поспевая за течением мысли, передавать форму решения.Обычно таким материалом служат эскизы. Все чаще для быстрой проверки вариантовгеометрии применяются ЭВМ с дисплеями, работающие в режиме диалога с оператором-разработчиком.

Метод математика, манипулирующего абстрактными символами, годитсядля проектировщика лишь на том этапе, когда задача стабилизировалась, когда дляразрешения противоречия между целью и средствами уже не требуется изменитьисходные посылки. Но самая сложная часть разработки — это как раз поиск решенияпутем изменения формулировки задачи. Поэтому можно сказать, что математикаполезна в основном только для оптимизации решения после того, как задача ужеопределилась.

Если задачу проектирования можно сформулировать в математическихсимволах, ее решение может быть получено автоматически на ЭВМ, без участиячеловека, т.е. методами САПР.

Здесь необходимо заметить следующее. Экономический эффект,получаемый ныне от внедрения САПР, значительно превышает ту сумму, которую даетускорение проектирования и, соответственно, сокращения штата проектировщиков. Основнуюдолю этого эффекта составляет результат оптимизации конструкции.

Решение крупных нетривиальных проектных задач, в том числена уровне систем, с приближением к оптимальным решениям — вот областьприменения новых методов.

Полученное оригинальное решение может в дальнейшем статьосновой для САПР — при необходимости использовать аналогичные конструктивныерешения и методы расчета в других изделиях.

Новые взгляды на проектирование выдвигают и новые требованияк проектировщику и к организации работы.

Несомненно, что нужны проектировщики и организаторы широкогопрофиля, творческое мышление которых базировалось бы на глубоких теоретическихи практических знаниях об изменениях на всех уровнях, от общественных движенийдо конструкции деталей. Точно так же нам нужны и новые методы, которыеобеспечивали бы достаточный объем информации для принятия решений на каждом изэтих уровней.

Вот об этих новых методах и пойдет речь дальше.

Нужно заметить, что объектом новых методов является нестолько проектирование в общепринятом смысле этого слова, сколько мыслительнаядеятельность, предшествующая выполнению чертежей и проектов.

Все эти методы направлены на то, чтобы заставитьпроектировщика «думать вслух», позволить другим людям ознакомиться спроцессами мышления, которые до сих пор протекали у него в голове,объектировать процесс проектирования. В одних случаях это достигается с помощьюслов, в других — в форме математических символов, но почти всегда используетсякакая-нибудь схема, позволяющая разделить задачу проектирования на части и указатьвзаимные связи между этими частями.

Естественно, что в основе всегда лежит стремление добитьсябольшого контроля над процессом проектирования, особенно на уровне систем. Основноепреимущество такого обдумывания проекта «в открытую» заключается втом, что другие люди, например, потребители, могут следитьза происходящими событиями и участвовать в них, сообщая проектировщику тесведения и оценки, которые выходят за пределы его знаний и опыта.

Основная слабость любого метода проектирования, в том числеи новых методов, заключается в трудности управления стратегией при решениинетривиальных задач проектирования, а также в тех случаях, когда над однимпроектом работает много людей. (Паркинсон: «верблюд — это коллективносконструированная лошадь»)

Литература к теме 5

1. Джонс Дж.К. Методы проектирования.- М.: Мир, 1986. — 326с.

6. Системный подход в технике

В современном обществе системные представления достиглитакого уровня, что мысль о полезности и важности системного подхода к решениювозникающих в практической деятельности проблем стала, привычной. Широкораспространилось понимание того, что наши успехи связаны с тем, насколькосистемно мы подходим к решению проблем, а наши неудачи вызваны отступлениями отсистемности.

Системность мышления не является проектом ХХ века. Человеческаяпрактика системна по своей природе. Всякое наше осознанное действие преследуетопределенную цель. Во всяком действии легко увидеть его составные части, болеемелкие действия. При этом легко убедиться, что эти составные части должнывыполняться не в произвольном порядке, а в определенной их последовательности. Этои есть определенная, подчиненная цели взаимосвязанность составных частей,которая является признаком системности.

Системность мышления вытекает из системности мира. Современныенаучные данные позволяют говорить о мире как о бесконечной иерархическойсистеме систем, находящихся в развитии, на разных уровнях системной иерархии [1].

Однако, несмотря на врожденную системность мышления человекаи системность мира, системные представления в науке и технике получилиразвитие, в основном, в XX веке. Одной из предпосылок развития системногоподхода в современной науке является бурный рост количества информации. Преодолениепротиворечия между ростом количества информации и ограниченными возможностямиее усвоения может быть достигнуто с помощью системной реорганизации знания [2].

Аналогично и в технике необходимость использования системногоподхода, системных исследований связана с непрерывным усложнением техники исоответственным ростом количества информации, которую необходимо перерабатыватьдля обеспечения дальнейшего технического прогресса. О степени этого усложненияможно судить на основе краткого обзора эволюции орудий труда.

6.1. Эволюция орудий труда

Качественный анализ истории развития техники позволяетвыделить следующие этапы этого развития.

Первым этапом, очевидно, является использование человекомдля облегчения своего труда простейших приспособлений — таких, как палки, камни,топоры, ножи, копья и т.д. Несмотря на примитивность этих орудий и выполняемыхими функций, во взаимоотношениях человека с ними, по существу, уже былазаложена программа их дальнейшего развития. Ведь больше шансов для выживаниябыло у тех, кто обладал лучшими орудиями.

Вторым этапом развития орудий труда принято считатьизобретение человеком механизмов. Механизмы обладали значительно более широкимифункциями, поскольку они были уже способны выполнять отдельные операциисозидательного процесса. Новым, по сравнению с первым этапом, было то, что с ихпомощью появилась возможность трансформировать физические усилия человека. Примерамитаких механизмов являются рычаг, ворот и т.д.

Третий этап развития техники характеризуется созданиемкачественно нового вида орудий труда — машин. Машиной называется комплексмеханизмов, предназначенный для выполнения заданной работы.

По назначению машины подразделяются на преобразователиэнергии — двигатели, преобразователи движения — передаточные механизмы, рабочиемашины. Машины, как вид орудий труда, явились чрезвычайно важным фактором вэволюции системы: человек — орудия труда. Их качественные показатели обусловилибурный рост производительности труда и эффективности функционирования этойсистемы в целом.

Дальнейшее усовершенствование конструкции машин, расширениеи усложнение их функций позволили комбинировать из них системы, способныеперерабатывать сырье по полному циклу — до получения готового продукта.

Таким образом, четвертый этап развития техникихарактеризуется созданием систем машин, что позволило еще более повыситьпроизводительность труда, интенсифицировать процесс производства.

На этом этапе развития орудий труда особенно усложняютсяфункции людей, управляющих такими системами. Следствием этого стало появлениеустройств, позволяющих автоматически поддерживать заданные параметры отдельныхопераций, осуществляемых машинами, изменяющих, таким образом, характеруправляющих функций человека.

Следовательно, пятый этап развития техники характеризуетсяформированием новой совокупности орудий труда — автоматических систем машин.

Шестой этап характеризуется широким внедрением ЭВМ в технологию,управление и планирование производства, т.е. является этапом кибернетизации.

Следует заметить, что приведенное деление процесса эволюциитехники на этапы незначительно отличается от периодизации, принятой в историитехники, гае в основу периодизации положен, прежде всего, основной видиспользуемых энергетических ресурсов, Однако для анализа последовательного усложнениятехники принятая здесь периодизация ее эволюции удобна.

Г.Н. Поворов, А.И. Половинкин [3], Б.С. Флейшман [4] попыталисьввести перечисленные выше этапы в хронологические рамки, дать количественнуюоценку сложности технических объектов и прогнозировать появление новых классовсистем в будущем.

Обобщенные результаты их исследований приведены в табл.6.1,в которой использована для оценки сложности так называемаятеоретико-множественная концепция [1], т.е. сложность системы определяетсяколичеством входящих в эту систему элементов.

По мнения А.И. Половинкина [3], кроме количества входящих всистему элементов необходимо учитывать также трудоемкость их изготовления, ремонтаи т.д., то есть наряду сосложностью системы в целом, учитывать сложность составляющих ее элементов.

Таблица 6.1

Эволюция сложности технических и естественных объектов исистем

Этап Уровень сложности

Вербальная

характеристика

Приблиз кол-во классов ТО Среднее число элементов (деталей)

Время

возник-новения

Примеры технических объектов и систем Примеры естест-венных объектов 1.

Простые

предметы

Одноэлементные орудия

2600 — 100 тыс. лет назад

40-19 тыс. лет до н.э.

Галечные орудия, рубило Речная галька 1а.

Сложные

предметы

Составные орудия из жестко соединенных деталей 50 10 15-10 тысячелетие до н.э. Вкладышевые орудия, ткани Паутина 1б. Превращающиеся предметы Предметы, меняющие физические свойства при термическом и др. воздействии 1 7 тысячелетие до н.э. Обожженная керамическая посуда Горная смола 2.

Простые

системы

элементов

Механизмы 100 10-100 1000 лет назад Ворот 3.

Простые

системы

механизмов

Машины и устройства с детерминированным взаимодействием элементов

10-103

XV XIX в. в. Станки и др. машины Скелеты высших животных 4.

Простые

системы

машин

Системы, обеспечивающие полный цикл переработки сырья 50000

104

ХХ в. Станки «Обрабатывающий центр» 5. Автоматические системы Системы, однозначно реагирующие на ограниченный набор внешних воздействий. Внутренняя организация приспособлена к переходу в равновесное состояние при выводе из него.

104-105

ХХ в. Атомные часы Солнечная система 6а.

Сложные

системы

Системы с массовым случайным взаимодействием элементов.

104-107

ХХ в. Автоматическая телефонная станция 6б.

Сложные

решающие

системы

Системы, имеющие постоянные критерии различения сигналов и постоянные реакции на широкие классы внешних воздействий.

104-109

середина ХХ в.

Радар,

МЭСМ (6000 ламп) — 1951 г.

Аппарат зрения 6в.

Самоорганизующиеся,

превращающиеся сложные

системы

Системы, имеющие гибкие критерии различения сигналов и гибкие реакции на внешние воздействия, приспосабливающиеся к заранее неизвестным сигналам.

104-1010

Конец ХХ в.

Кибернетические устройства на основе микроэлектроники (106 элементов на одном чипе, в 2000 г. — 109 элементов) или 1011 в ЭВМ

Простейшие

организмы

6г. Самоорганизующиеся предвидящие сложные системы Системы, способные к росту, развитию. Сложность их поведения начинает превосходить сложность воздействия на них индифферентного внешнего мира.

108-1030

Человек 7.

Парадоксальные

системы (перевоплощающиеся)

Системы столь обширные и сложные, что они способны управлять -пространством и временем, изменять космические формы своего бытия.

1030-10200

Логику подобных предложений нетрудно понять при взгляде натабл.6.1. Так, превращающиеся одноэлементные предметы, в частности, обожженнаякерамическая посуда, появились в более поздний исторический период и,по-видимому, были технологически более сложными, чем сложные многоэлементныепредметы.

Помимо технологической сложности теоретико-множественная концепцияне учитывает и функциональную сложность систем, которая, например, в химическойаппаратуре и биологических объектах, в отличие от механических систем, являетсяопределяющей.

В качестве иллюстрации в табл.6.2 приведено количестводеталей в некоторых видах химической аппаратуры.

При оценке сложности приведенных в табл.6.2 аппаратов наоснове теоретико-множественной концепции получится, что контактные аппаратыменее сложны, чем теплообменники. Однако функционально дело обстоит наоборот.

Помимо процессов теплообмена, свойственных кактеплообменным, так и контактным аппаратам, в последних одновременно протекаютпроцессы массообмена (диффузия реагентов к поверхности катализатора, абсорбцияна ней, десорбция продуктов реакции, их диффузия от катализатора) и собственнохимические превращения.

Таблица 6.2

Сложность некоторых химических аппаратов

Аппарат Количество деталей Мерник неупаренной пульпы производства аммофоса 213 Холодильник кожухотрубчатый ОСТ 26-291-78 480 Теплообменник спиральный 3577 Теплообменник синтез-газа производства аммиака 5233 Абсорбционная башня производства нитрита натрия 672 Скоростной аммонизатор-испаритель 500 Контактный аппарат производства нитрита натрия 543 Контактный аппарат ВК-100-У-01 для поглощения сернистых соединений в производстве аммиака 2500

По мнению А.К. Хазена [5], еще серьезнее выглядит проблемаоценки сложности природных биологических объектов. Вот, что он пишет по этомуповоду.

Все живое на земле имеет своей основой серию простейшихэлементов — аминокислот, которую составляют в большинстве случаев двадцать из болеечем сотни известных химии аминокислот. Эти аминокислоты способны образовыватьбольшое разнообразие соединений, в частности, белковых, которые признаны наукойосновными строительными материалами живого.

Простейшая бактерия — кишечная палочка — содержит 3000различных белков. В организме человека содержится 5 × 106 различных белков. Полтора миллионаизвестных видов живых организмов содержат 1012 различных белков.

Кроме аминокислот существует еще один вид элементов живого — восемь мононуклеатидов, из которых образуются нуклиновые кислоты. Их количествов кишечной палочке — около 103, а для всех видов живого 1010.

Автору представляется, что кажущиеся почти непреодолимымитрудности в анализе приведенных примеров связаны здесь, прежде всего, с нарушениемсамого принципа системных исследований — рассмотрения объекта как элементасистемы, относящейся к следующему, более высокому, иерархическому уровню, и каксистемы элементов следующего, более низкого иерархического уровня.

Отсюда вытекает определение элемента технической системы: подэлементом технической системы понимается ее часть, предназначенная для выполненияопределенных функций и неделимая на составные части при заданном уровнерассмотрения [6].

В примерах, приведенных А.М. Хазеном, между системой «человек»с одной стороны и аминокислотами и нуклеиновыми кислотами с другой пропущенонесколько иерархических уровней. Врач, исследующий больного, почти никогда недоходит до уровня белковых структур системы «человек» в целом. Взависимости от жалоб больного он старается выделить систему следующегоиерархического уровня: нервную, пищеварения, кровообращения и пр., а затем ищетбольной орган этой системы и т.д.

Вот это ограничение ближайшими иерархическими уровнями свойственнодля системного исследования природных и технических объектов. В результатесолнечная система оценивается как система менее сложная, чем простейшиеорганизмы, живущие на земле.

Аналогичное положение наблюдается и в технике. Например,отделение синтеза и дистилляции карбамида содержит 149 технических объектов иимеет сложность более низкую, чем один из этих 149 объектов — колонна синтезакарбамида. Это не вызывает особых трудностей в процессе проектирования: проектированиеколонны синтеза карбамида будет вестись группой специалистов с учетом входов ивыходов, диктуемых системой более высокого уровня, а проектирование цеха будутвести другие специалисты, рассматривая колонну как «черный ящик» определенныхгабаритов с заданными входами и выходами.

Такой подход существенно облегчает задачу исследователя,проектировщика, конструктора, давая им метод декомпозиции сложной задачи. Конечноэто не избавляет нас от всех сложных проблем.

Для объектов живой природы это можно проиллюстрировать еще однимпримером из книги А.М. Хазена [5].

Нейроны, очевидно, могут рассматриваться как элементы,непосредственно слагающие нервную систему. У муравья их 200, у пчелы 500-900, учеловека — десятки миллиардов. Эти данные позволяют количественно сравниватьсложность нервной системы живых организмов.

Приведенные выше рассуждения позволяют сделать вывод одопустимости оценки сложности технических систем на основетеоретико-множественной концепции. Поэтому для иллюстрации концепции сложноститехнических систем можно использовать примеры, приведенные в табл.6.1.

Заканчивая обзор эволюции технических объектов, необходимоотметить, что данные табл.6.1 не позволяют прогнозировать время появлениясамоорганизующихся и парадоксальных систем. Дело в том, что функция, выражающаязависимость сложности технические объектов от времени их появленияаппроксимируется гиперболой с почти взаимно перпендикулярными лучами и появлениясистем с числом элементов 1020 и более, согласно экстраполяции, можноожидать в очень короткое время, опережающее самые оптимистические прогнозыписателей-фантастов.

Однако У. Эшби, ссылаясь на известные астрономическиерасчеты, определил число атомов в видимой части Вселенной примерно в 1073[7]. Следовательно, для реального построения парадоксальной системы во Вселеннойможет попросту не найтись нужного количества строительного материала. Поэтомупредставляется сомнительной сама возможность реального построения парадоксальныхсистем.

Можно ожидать, что гиперболическая зависимость возрастаниясложности технических объектов от времени на каком-то этапе развития перейдет влогистическую функцию (S-функцию), как это свойственно для эволюционныхпроцессов. И лишь когда наметится начало второго перегиба S-функции, появитсявозможность прогнозирования времени появления систем высшего уровня сложности сдостаточной степенью вероятности. Пока остается неразрешимой интереснаяпроблема, какой предельной сложности техники в принципе способна достигнутьчеловеческая цивилизация.

Нужно сказать, что теоретико-множественная концепция — неединственный метод числовой оценки сложности систем. Кроме нее существуют также:

логическая концепция, основанная на анализе свойств отношений,характеризующих систему;

теоретико-информационная концепция, связывающая сложностьсип темы с ее энтропией;

статистическая концепция, характеризующая сложность черезмеру различимости распределений вероятностей;

алгоритмическая концепция, определяющая сложность как длинуалгоритма воссоздания системы;

вычислительная концепция, привязывающая алгоритмическуюсложность к средствам вычислений [1, 2].

Читателям, желающим более подробно ознакомиться с проблемамиопределения сложности систем, можно рекомендовать серьезные монографии Дж. Касти[8] и И. Пригожина [9]. Отдельные стороны этой проблемы рассмотрены в работах [1,2, 10].

Завершая обзор эволюции орудий труда, отметим, чторассмотренный материал базировался на интуитивном понимании, что такое система,системное исследование и т.д. Теперь необходимо дать более строгие определенияприменяемым терминам, начиная с моделей, поскольку моделирование является основнымметодом системных исследований.

6.2. Модели и моделирование

Первоначальное представление о модели сложилось еще вантичной практике.

Современный повышенный интерес к модельной проблематике обусловлентой ролью, которую методы моделирования, особенно математического, приобрели всовременных научных исследованиях. Он стимулируется и прогрессирующейсложностью общественной практики.

Не останавливаясь на истории и эволюции модельныхпредставлений, приведем современное определение моделирования и,соответственно, модели [11].

Моделирование — это метод практического или теоретическогоопосредованного исследования объекта на некоторой промежуточной системе, которая:

находится в некотором объективном соответствии с познаваемымобъектом;

способна в процессе ее исследования замещать в рядеотношений сам изучаемый объект;

в конечном итоге дает информацию о самом интересующем насобъекте;

может быть естественной или искусственной (вещественной илизнаковой).

Промежуточная система, удовлетворяющая указанным условиям, называетсямоделью.

Другими словами, модель есть создаваемый с цель получения и(или) хранения информация специфический объект (в форме мысленного образа, описаниязнаковыми средствами либо материальной системы), отражающий свойства,характеристики и связи объекта-оригинала произвольной природы, существенные длязадачи, решаемой субъектом.

Справедливости ради нужно отметить, что приведенноеопределение модели — далеко не единственное, встречающееся в литературе. Читателей,интересующихся проблемой множественности определений модели, адресуем к работе[13], содержащей анализ данного вопроса. В настоящей же работе автор ограничитсяопределением, приведенным выше.

Непосредственно из структуры данного определения вытекают следующиеобщие свойства моделей.

Модель представляет собой четырехкомпонентную конструкцию. Приэтом ее компонентами являются: субъект; задача, решаемая субъектом; объект-оригинали язык описания или способ материального воспроизведения модели.

Каждому материальному объекту соответствует бесчисленноемножество в равной мере адекватных, но различных по существу моделей, связанныхс разными задачами.

Паре «задача-объект» тоже соответствует множествомоделей, содержащих одну и ту же информация, но в разной форме ее представления- вербальной, табличной, графической, в виде формулы, алгоритма, программы дляЭВМ и т.д.

Модель всегда является лишь относительным, приближеннымподобием объекта-оригинала и в информационном отношении принципиально беднееего.

В принципе три основные формы представления модели — концептуальная(мысленная), знаковая и материальная с информационной точки зрения равноценна,на практике переход от концептуальной к материальной или знаковой, в большейили меньшей мере формализованной модели всегда связан с обогащением модели, сполучением некоторой дополнительной информации об объекте.

Условия и требования задачи, решаемой субъектом, в основномопределяют ограничения и допущения, которые явно или неявно фигурируют впроцессе построения любой модели. Эти ограничения и допущения являются органическойсоставной частью модели.

Любая модель, независимо от природы задачи и объекта, представляетсобой информационное образование, поскольку модель имеет смысл лишь какисточник, носитель и средство воспроизведения информации об объекте.

Частным, но весьма важным является случай, когда рольобъекта моделирования играет не фрагмент реального мира, рассматриваемый непосредственно,а некий идеальный конструкт, т.е. по сути дела другая модель, созданная ранее ипрактически достоверная.

Так, научные законы представляют собой фундамент дляконкретных расчетных и проектных инженерных моделей.

Подобное вторичное, а в общем случае n-кратное моделированиеосуществляется главным образом теоретическими методами с последующей проверкойполучаемых результатов экспериментам. При n-кратном моделировании имеютместо два обязательных условия. Во-первых, исходная «объектообразная»модель представляет собой практически достоверное обобщенное описание объектаили класса объектов реального мира. Во-вторых, во вторичную и все последующиепроизводные модели автоматически входят допущения и ограничения, содержащиеся висходной и промежуточных моделях [12].

Как указывалось выше, число объектов и процессов, а такжечисло отображающих их моделей для многообразия возможных решаемых задач — бесконечно.Поэтому классификация моделей эквивалентна классификации окружающих насобъектов на огромном множестве возможных задач, и попытки такой классификации,как правило, отражает лишь отдельные аспекты исследований.

Однако представляется возможным выделить некоторые принципыклассификации моделей. Модели можно классифицировать по объектам моделирования(агрегат, элемент, система и т.д.), по целям моделирования (анализ, синтез), посредствам (физические, математические и т.д.), методам (стохастические,детерминированные и т.д.) и способам конкретного представления объектов (аналитические,графические и т.д.), а также по методам проведения анализа (экспериментальный,аналитический и т.д.) [6]. Некоторые примеры классификации моделей можно найтив работах [1, 11, 12].

На Рис.6.1 приведена упрощенная классификация моделей поформе представления информации, заимствованная из работы А.В. Ильичева [6] (с небольшимиизменениями).

Базируясь на этом рисунке, кратко охарактеризуем некоторыеосновные методы моделирования технических систем.

Материальное воспроизведение натуры предполагаетисследование объекта на физических моделях, при котором изучаемый объектвоспроизводится с сохранением его физической природы, либо используются другиеаналогичные физические явления. При этом модель называется изоморфной, если еесвойства тождественны свойствам изучаемой реальной системы. Сложностьсовременных систем обычно не позволяет строить их изоморфные модели.

Частный случай материального моделирования — натурныеиспытания.

При аналоговом моделировании изучают не исследуемое явление,а явление другой физической природы, которое описывается математическимисоотношениями, эквивалентными относительно получаемых результатов исследуемомуявлению.

Идеальное воспроизведение — это описание объектаопределенными символами, либо на естественном языке. В зависимости от степениформализованности идеальных моделей они подразделяется на знаковые и интуитивные.

Интуитивные модели является неформализуемыми, а знаковыемогут быть как частично, так и вполне формализуемыми.

Еще недавно [12] к неформализуемым интуитивным моделямотносился единственный тип моделей — концептуальные модели, т.е. системы представленийоб объекте-оригинале, сложившиеся в человеческом мозгу. Исходным материалом приформировании такой модели являются не только непосредственные результатыотражения в сознании свойств и характеристик объекта-оригинала, но итеоретический багаж субъекта, опыт, аналогия, логические выводы, интуиция. Синтезвсех этих компонентов в единый идеальный образ осуществляется только вмыслительных процессах [12].

В последнее время для неформализуемых задач важное значенийприобретают методы интуитивного (эвристического) моделирования: метод сценария,операционная игра, мысленный эксперимент [6].

Разработка сценария используется при анализе проблем (особенносоциотехнических), в которых искомое решение должно определить реальное будущеетечение событий. В таких случаях альтернативами являются различные воображаемые,но правдоподобные последовательности действий и вытекающих из них событий,которые могут произойти в будущем с исследуемой системой. Этипоследовательности имеют общее начало (настоящее состояние), но затем возможныесостояния различаются все сильнее, что приводит к проблеме выбора. Такиегипотетические альтернативные описания того, что может произойти в будущем, иназывают сценариями. Такие сценарии-альтернативы представляют ценность, еслиони являются не просто плодом фантазии, а представляют логически обоснованнуюмодель будущего. В составлении таких моделей накоплен определенный опыт,выработаны свои приемы. Например, рекомендуется разрабатывать «верхний»и «нижний» сценарии — крайние случаи, между которыми может находитьсявозможное будущее. Такой прием позволяет отчасти компенсировать или явновыразить неопределенности, связанные с прогнозированием будущего. Иногдаполезно включать в сценарий воображаемый активно противодействующий элемент,моделируя тем самым наихудший случай. Кроме того, рекомендуется неразрабатывать детально (как ненадежные) сценарии, слишком чувствительные кнебольшим отклонениям на ранних стадиях. Важными этапами сознания сценариевявляются; составление перечня факторов, влияющих на ход событий, со специальнымвыделением лиц, контролирующих эти факторы; выделение аспектов борьбы с такимифакторами, как некомпетентность, недисциплинированность, бюрократизм; учетналичных ресурсов и т.д. [1].

Операционные деловые игры представляют собой моделирование реальныхситуаций, в процессе которого участники игры ведут себя так, будто они вреальности выполняют порученную им роль. Эти игры, родившиеся в военных кругах(штабные игры и маневры, работа на тренажерах), находят сегодня применение дляэкспериментального генерирования альтернатив, особенно в слабо формализованныхситуациях.

Важную роль в деловых играх кроме участников играютконтрольно-арбитражные группы, управляющие моделью, регистрирующие ход игры и обобщающиеее результаты [1].

Разновидностью частично формализованных моделей является вербальная.Вербальная или словесная модель представляет собой описание системы наестественном языке. Она может быть достаточно подробной и содержать большоеколичество информации. Однако, являясь описательной, она допускаетнеоднозначность трактовки, на ней трудно проследить присущие системезакономерности. Поэтому вербальные модели обычно используются на ранних стадияхизучения системы. В то же время вербальные модели являются частичноформализованными, т.е. более жесткими, чек концептуальные, поскольку они в тойили иной степени подчиняются ограничениям формально-нормативного характера. Например,функция объекта может быть описана с помощью операции Коллера [14], текстовыематериалы должны быть оформлены с соблюдением соответствующих стандартов и т.д.

Частично формализованными являются и графические модели. Онивоспроизводят средствами графики свойства и характеристики объекта-оригинала,которые не могут наблюдаться визуально. К числу подобных моделей относятсяграфики, диаграммы и схемы, представляющие и обобщающие данные наблюдений иэкспериментов.

Графической моделью является и чертеж технического объекта,в котором соединяются формализованные элементы, определяемые стандартами,законами техники, и неформализованные, творческие элементы, определяемые подчасиндивидуальными творческими способностями автора.

Вполне формализованными являются математические модели. Математическаямодель — это совокупность математических (символических) объектов к отношениймежду ними. Математическое отношение — это правило, связывающее два или болеематематических объекта. Отношение, устанавливающее связь одного или несколькихобъектов (операнд) с другим объектам или множеством объектов" называетсяматематической операцией.

Необходимо заметить, что математические модели теории системвесьма специфичны. Традиционные (конструктивные) модели — такие какдифференциальные и интегральные уравнения, модели массового обслуживания и т.д.представляют собой алгоритм вычисления значения одних переменных по известнымзначениям других переменных. Очи ориентированы на экспериментальные данные итребуют выполнения довольно сильных ограничений. Это сужает класс явлений,описываемый конструктивными моделями.

Системные модели, напротив, обладая слабой математическойструктурой и, вследствие этого, возможностью описывать самые общие понятия иявления, недоступные в силу своей сложности детальному исследованию. Поэтомусистемные модели в значительной мере сочетают общность вербальных и строгостьконструктивных моделей, занимая между ними промежуточное положение [15].

Как видно на Рис.6.1, математические модели имеют триосновных разновидности: имитационные, аналитические и алгоритмические.

Рис.6.1 Классификация моделей

Имитационные модели воспроизводят в виде специального моделирующегоалгоритма, как правило, реализуемого на ЭВМ, формализованный процессфункционирования технической системы. Влияние на течение процесса случайныхфакторов имитируется при помощи случайных чисел с заданными или выработанными входе моделирования вероятностными характеристиками [6].

Группа аналитических математических моделей чрезвычайнообширна и разнообразна. Она включает в себя множество абстрактных математическихобъектов вместе с операциями, определенными над этими объектами: все видыфункциональных зависимостей, алгебраические и дифференциальные уравнения,векторы и векторные пространства, матричные формы, тензоры и т.д. Вместе с темпринадлежность модели к этой группе предполагает, что не только описаниеобъекта моделирования, но весь процесс его исследования осуществляетсяаналитическими методами, т.е. в общем виде, а не численно.

Невозможность или просто излишняя сложность аналитическогорешения модельной задачи означает необходимость перейти к численным методам математическогоисследования с использованием ЭВМ и соответственно преобразовать аналитическуюматематическую модель в алгоритмическую (численную).

Группа алгоритмических моделей, получаемых в результатепреобразования из аналитических форм, либо синтезируемых непосредственно, представляетсобой наиболее универсальное средство математического моделирования. Единственнымпрактически важным ограничением здесь является размерность модельной задачи,которая должна соответствовать возможностям используемой ЭВМ.

Алгоритмические модели практически допускают решение любых модельныхзадач, но только в численной форме. При этом каждый прогон дает информацию ободном конкретном состоянии объекта. Для того, чтобы исследовать объект приразличных значениях параметров, начальных и граничных условий, внешнихвоздействий и т.п., необходимо столько повторений вычислительного процесса,сколько точек, характеризующих возможные состояния объекта, необходимо получить.Поэтому реализация численной алгоритмической модели требует значительнобольшего объема вычислительной работы, чем любая аналитическая модель,позволяющая исследовать свойства и характеристики объекта в общем виде, т.е. сразуво всех возможных состояниях.

Все многообразие моделируемых процессов, исходя из того, чтоони протекают в пространстве и времени, можно разделить на четыре класса: процессы,переменные во времени (нестационарные), процессы, не меняющиеся во времени (стационарные);процессы, в ходе которых их параметры изменяются в пространстве; процессы безпространственного изменения параметров. Поскольку математические моделиявляются отражением соответствующих объектов, то для них характерны те жеклассы. Таким образом, можно говорить о четырех классах математических моделей:

модели, неизменные во времени — статические модели;

модели, переменные во времени — динамические модели;

модели, неизменные в пространстве — модели с сосредоточеннымипараметрами;

модели, изменяющиеся в пространстве — модели с распределеннымипараметрами.

Статические модели отражают работу объекта в стационарныхусловиях. Поэтому математическое описание в этих моделях не включает время какпеременную и состоит из алгебраических уравнений — для объектов с сосредоточеннымипараметрами, либо из дифференциальных уравнений — для объектов сраспределенными параметрами.

Динамические модели отражают изменение объекта во времени. Поэтомуматематическое описание таких моделей обязательно включает производную повремени.

Для моделей с сосредоточенными параметрами характернопостоянство переменных в пространстве. В этом случае математическое описаниевключает алгебраические уравнения для стационарных процессов, либо дифференциальныеуравнения первого порядка для нестационарных процессов.

Модели с распределенными параметрами используются, еслиосновные переменные процесса изменяются как во времени, так и в пространстве. Вэтом случае математическое описание включает дифференциальные уравнения в частныхпроизводных.

В случае стационарных процессов с одной пространственнойпеременной можно в описании использовать обыкновенные дифференциальныеуравнения [6].

Вполне формализованными являются и информационные модели,весьма многочисленные и разнообразные по характеру решаемых задач: информационно-поисковыесистемы, банки данных, АСУ и пр.

Общей особенностью информационных моделей являются относительнонесложные, главным образом, логического характера алгоритмы — такие как поиск ивыборка данных по некоторым признакам, всевозможные сортировки данных и т.д. [12]

Заканчивая обзор моделей, заметим, что любая модель, ккакому бы классу она ни относилась, должна быть адекватной достигаемой ею цели.Адекватность модели означает, что предъявляемые к модели требования по полнотеотражения свойств объекта-оригинала, точности и истинности выполнены в тоймере, которая достаточна для достижения цели [1].

Следует заметить, что рассмотренные выше классы моделейотносятся к детерминированным явлениям (процессам, объектам), когда определенномувходному воздействию на произвольную систему соответствует столь жеопределенный и устойчивый при многократных повторениях результат (выходнаяреакция).

Однако в окружающем нас мире наблюдается изобилие явлений стохастическихили случайных, при которых каждое конкретное изменение состояния объекта необусловлено очевидными причинами и непредсказуемо. Такие явления встречаются виграх (бросание монеты или костей); в сфере массовых антропометрических исоциально-статистических исследований и т.д.

В технике вероятностные исследования сказались особенноактуальными в области теории связи, радиотехники и теории автоматическогоуправления.

Это потребовало создания особого класса моделей — вероятностно — статистических. Сегодня динамико-статистическое моделированиепредставляет собой чрезвычайно широкую в смысле используемых методов и практическибезграничную по спектру конкретных приложений относительно самостоятельнуюобласть научных знаний, которая неуклонно приобретает все большее значение.

Опыт показывает, что по мере роста сложности систем удельныйвес действующих в них случайных факторов возрастает, что требует соответствующегов них развития класса динамико-статистических моделей. По-видимому, в этом однаиз причин, давших основание авторам работы [17] утверждать: «Несмотря нато, что моделям, моделированию и различным его видам посвящена обширнаялитература как философско-методологическая, так и специальная, несмотря также,на то, что в настоящее время вряд ли найдется сколько-нибудь серьезноеисследование, в котором не использовались понятия модели и моделирования, — намвсе же представляется, что до сих пор нет полной ясности и единого пониманиятого, что такое модель и что может дать в научном исследовании моделирование, атакже каково его взаимоотношение с остальными методами научного исследования».

На этом мы закончим знакомство с разновидностями моделей. Авторне ставит своей целью исчерпывающий обзор моделей моделирования, что являетсяпредметом изучения соответствующих специальных дисциплин. Задачей настоящегообзора является лишь знакомство с моделями как средством системногоисследования. Студентов, желающих более глубоко ознакомиться с моделями,моделированием, отошлем к литературе [1, 12, 11, 16, 18 — 21].

6.3. Системы, их свойства. Классификация систем6.3.1 Определение и свойства систем

Существует несколько десятков определений системы, чтосвязано с различной природой объектов, изучавшихся тем или иным исследователем,с различием задач исследования и т.д.

Такое разнообразие определений понятно: ведь определение — это языковая модель системы, а причины многообразия моделей рассматривалисьвыше.

Анализ тридцати пяти определений при необходимости можнонайти в работах А.И. Уемова [2] и В.Н. Садовского [22]. Автору представляетсядостаточно выразительным следующее определение: Система есть совокупностьвзаимосвязанных элементов, обособленная от среды и взаимодействующая с ней какцелое [1].

В качестве элементов системы могут выступать предметы,явления, а также знания о природе и обществе.

Системы обладают следующими важнейшими свойствами [15].

1). Система есть, прежде всего, совокупность элементов. Другимисловами, любая система представляет собою непустое множество элементов, содержащеекак минимум два элемента, находящихся между собой в определенных отношениях,связях.

2). Наличие существенных связей между элементами и (или) ихсвойствами, превосходящих по мощности связи этих элементов с элементами, не входящимив данную систему.

Заметим, что эти элементы, не входящие в данную систему, ноизменение признаков которых влияет на систему, либо признаки которых изменяютсявследствие поведения системы, составляют окружение системы.

3). Наличие определенной внутренней организации системы, чтопроявляется в снижении ее энтропии (степени неопределенности, неорганизованности)Н (S) по сравнению с энтропией системоформирующих факторов Н(Г), определяющих возможность создания (выделения) системы. К числуфакторов Г относят, в частности, количество элементов nS,включаемых в систему, количество существенных связей n* (S),которыми может облагать элемент, характеристики пространства и времени, вкоторых может находиться и существовать элемент и его связи.

Тогда рассматриваемое свойство определяется выражением H(S) < H (Г).

4). Существование интегративных качеств, т.е. качеств,присущих системе в целом, но не свойственных ни одному из ее элементов вотдельности. Это свойство называется эмерджентностью систем.

6.3.2 Классификация систем

Крупнейший американский специалист в области теории систем М.Месарович однажды заявил, что он не может сказать, что такое система, посколькуне знает ничего, что не было бы системой. Действительно, все материальныеобъекты представляют собой системы из атомов, а атомы являются системами болеенизкого иерархического уровня, состоящими из ядра и обращающихся вокруг негоэлектронов, ядро-система еще более низкого иерархического уровня и т.д. Системнойструктурой обладают знания. Закономерно, системный характер имеют явления,происходящие в природе и обществе.

Таким образом, в окружающем нас мире в зависимости отрешаемых задач может быть выделено бесконечное множество систем. Стремлениекак-то упорядочить это бесконечное множество систем приводит к необходимостиклассифицировать системы по тем или иным признакам классификации. Так, в работе[1] приведена классификация систем по их происхождению, по описания переменных,по типу операторов систем, по способу управления системой.

Поскольку целью настоящего пособия является знакомство ссистемным подходом к задачам проектирования технических объектов, и в нем нерассматриваются конкретные задачи системных исследований в науке, организацииуправления системами и пр., ограничимся рассмотрением классификации систем поих происхождению, приведенной на Рис.6.2 и скомпилированной по данным работ [1]и [3]. Естественные системы в круг дальнейшего рассмотрения не входят. Поэтомуразделение этих систем на подклассы ниже второго иерархического уровня на Рис.6.2не предусмотрено.

В качестве примеров подклассов смешанных систем приведеныэргономические системы, представляющие собой комплекс: машина-оператор (человек);биотехнические системы, т.е. системы, в которые входят живые организмы итехнические устройства; организационные системы, состоящие из людскихколлективов, оснащенных необходимыми по роду деятельности техническимисредствами; автоматизированными системами, в которых некоторые управляющиевоздействия осуществляют технические устройства, а некоторые — человек, и т.д.

В качестве примеров подклассов второго иерархического уровняискусственных систем приведены химические, технические и общественные системы. Делениена подклассы более низкого иерархического уровня приведено только длятехнических систем, которые собственно и будут интересовать нас в дальнейшем.

Приведенные выше рассуждения позволяют сделать вывод, чтообъект любой природы может быть представлен как система и как элемент системыболее высокого иерархического уровня. Следовательно, любой объект можно изучатьметодами теории систем, математический аппарат которой базируется на теориимножеств. Поэтому полезно ознакомиться с некоторыми терминами и основополагающимиопределениями теории систем.

6.3.3 Цель и задачи теории систем

Не останавливаясь на подробностях истории развития системныхпредставлений, заметим, что их оформление в теорию систем активно происходит,начиная с 1938 года, когда австрийский естествоиспытатель Людвиг фон Берталанфиопубликовал ее основные положения.

Целью теории систем является разработка единогоабстрактно-математического аппарата для исследования систем самых различныхтипов и назначения.

В отличие от специальных дисциплин, рассматривающих, восновном, причинно-следственные связи между немногими переменными, описывающимипредмет исследования, в общей теории систем на первый план выдвигается проблемацелостного рассмотрения, предусматривающая вскрытие всего многообразия связей иотношений, присущих системе.

Основными задачами теории систем являются:

разработка единого формального метода описания систем любойприрода как целостного образования;

построение обобщенных моделей систем и процессов их функционирования;

изучение внутренней организации систем на уровне структуры,как правило, иерархической;

исследование процессов передачи информации и управления;

выявление условий устойчивости, управляемости, наблюдаемостисистем.

На основе теории систем сформированы такие категориисистемных исследований как системный подход и системный анализ. Определениеэтих категорий будет дано позднее — после рассмотрения основных характеристиксистем и методов оценки эффективности систем.

6.3.4 Исходные предпосылки для построения модели системы

Рассмотрим систему как объект, взаимодействующий сокружающей средой, т.е. открытую систему. Взаимодействие системы со средойпроисходит во времени и пространстве.

Ресурсы, поступающие в систему и выводимые из нее, называютсоответственно входными x (t) и выходными y (t) воздействиями.Если x (t) и y (t) не материальные потоки, асообщения, несущие информацию, их называют входными и выходными сигналами. Входныеи выходные воздействия связаны между собой.

Рис.6.3 Процесс функционирования динамической системы

Но в общем случае знания x (t) недостаточнодля предсказания величины y (t), поскольку последняя кроме входногоВоздействия зависит и от состояния системы. Состоянием системы называетсясовокупность характеристик системы, знание которых позволяет определять ееповедение в ближайшем будущем. Процесс функционирования системы имеетдинамический характер.

Поэтому в разные моменты времени система находится вразличных состояниях. В общем случае выходное воздействие y (t) вмомент времени t определяется как состоянием и входным воздействием вмомент t, так и всеми предшествовавшими состояниями и входнымивоздействиями, т.е. предысторией.

Однако для широкого класса систем предыстория поведения неимеет существенного значения. Такие системы называются системами без последействия.Для них текущее выходное воздействие y (t) может быть предсказанопо текущему входному воздействию x (t) и состоянию z (t).В этом случае процесс функционирования динамической системы S (t)можно представить соответствующим Рис.6.3. Системы с предысторией в настоящемпособии не рассматриваются.

Как сказано выше, состояние системы в определенном интервалевремени Т меняется. Поэтому, рассматривая не фиксированный моментвремени t, входящий в рассматриваемый интервал Т (t Î Т), а весь интервал T,можно говорить о множестве состояний z. Так, двухполюсное реле в разныемоменты времени t Î Tможет иметь либо разомкнутый контакт (состояние z1), либозамкнутый (состояние z2). В этом случае имеется множествосостояний

z = {z1, z2}.

Здесь множество z является скалярной величиной. Вболее сложных случаях состояние системы описывается вектором, который можетбыть задан своими компонентами.

Тогда поведение систем удобно описывать в пространствесостояний, определяемом как произведение множеств возможных значений компонентоввектора состояний:

z = z1… zn,

где zi — множество возможных значений i-тойкомпоненты вектора состояний z.

Поскольку состояние системы определяется совокупностьюхарактеристик системы, очевидно, нужно дать определение основным из этих характеристик.

6.3.5 Основные характеристики систем

Управляемость.

Управляемость — это свойство системы достигать желаемой цепиуправления при тех ограниченных ресурсах управления, которыми располагаетданная система в реальных условиях эксплуатации.

Наблюдаемость и измеримость

Эти два понятия тесно связаны между собой. Поэтомунаблюдаемость можно определить следующим образом: если множества выходныхвоздействий y = (y1, y2,… yr)измеримы и выбраны так, что по y можно определить любую координату ziв пространстве состояний, то система наблюдаема.

Понятие наблюдаемости используется не только в теориисистем, но имеет важнейшее значение и для науки в целом, поскольку на немоснована возможность проверки тех или иных претендующих на научность результатов.Имеется безусловный и четкий критерий, называемый принципом наблюдаемости,разграничивающий научные и ненаучные подходы к описанию действительности: любоеутверждение, не допускающее проверки (экспериментальной или с помощьюлогических мысленно реализуемых, опытов) является ненаучным. В философии этотпринцип получил название бритвы Оккама — по имени сформулировавшего егоанглийского философа. Так, утверждение о существовании высшего разума, бога илипараллельного нашему не взаимодействующего с нами мира является ненаучным,поскольку этот другой мир не наблюдаем, и данное утверждение не может бытьпроверено.

Однако необходимо подчеркнуть, что слова ненаучный иантинаучный — не синонимы. Новые открытия, накопление статистических материалови т.д. могут дать основание для превращения ненаучного утверждения в доказанныйнаукой факт.

В то же время антинаучное утверждение может бытьопровергнуто научно доказанными фактами. Так, антинаучной являетсягеоцентрическая система мироздания Птолемея.

Устойчивость и надежность.

Устойчивость системы во времени является необходимымкачеством, без которого теряют смысл все ее другие проявления. Различают двавида устойчивости: вещественно-энергетическую и структурно-функциональную. Первыйвид устойчивости связан с постоянством вещественного состава и энергетическогобаланса системы, второй — с постоянством структуры системы и неизменностью еереакции на одни и те же внешние воздействия.

Устойчивость же структуры при переменном вещественномсоставе называют надежностью. В технических системах изменение вещественного составаобусловлено обычно колебаниями параметров внешней среды и надежность естьсвойство системы поддерживать в этик условиях режим функционирования в заданныхпределах. Следует заметить, что в технических системах увеличение сложностисопровождается резким уменьшением надежности, что свидетельствует онесовершенстве их организации.

Упорядоченность и структура.

Система является, прежде всего, множеством взаимосвязанныхэлементов. Взаимосвязь элементов проявляется в упорядоченности их отношений исвязей. При этом под упорядоченностью понимают ограничение многообразия за счетналичия в системе определенной организованности, которая являетсяколичественной характеристикой упорядоченности. Мера организованности:

/>,

где H (Г) — максимально возможная степеньнеопределенности в системе, соответствующая отсутствию какой-либоупорядоченности системоформирующих факторов Г; Н (S) — энтропия системы.

Если система детерминирована, т.е. все связи и отношения вней жестко фиксированы, то Н (S) = 0 и R = Rmax= 1. Если же Н (S) = Н (Г), то организованностьсистемы R = 0.

Другой характеристикой упорядоченности является структура. Структуруопределяют как совокупность устойчивых отношений и связей системы или как ееинвариантный (неизменный во времени) аспект. В некотором смысле понятиеструктуры противоположно понятию функционирования системы. Функционированиепроявляется как непрерывная смена состояний система во времени, структура жепредставляет собою множество свойств системы, не изменяющихся в процессефункционирования.

В то же время изучение структуры помогает понять, какимобразом и почему именно так функционирует данная система. Это возможно потому,что структура определяет способ, каким элемента системы связаны между собой иподчинены общей цели. Только выявление структуры позволяет зафиксироватьсистему как целостный объект.

Для описания структур принято использовать графическиемодели: блок-схемы и графы.

Блок-схема состоит из отдельных блоков, связанных междусобой в логическом порядке. Каждый блок отражает какое-нибудь ясно различимоефункциональное преобразование. Например, блок-схема алгоритма расчета на ЭВМотображает последовательность выполнения вычислительных операций.

Проблема выделения отдельных блоков совпадает с общейпроблемой декомпозиции, т.е. разбиения системы на подсистемы и элементы. Декомпозициясистемы зависит от целей исследования и может осуществляться различными путями.В соответствии с этим для одной и той же системы может быть разработанонесколько вариантов блок-схем.

Графы строятся как совокупность вершин (элементов системы) иребер (функциональных связей между элементами). При исследовании и проектированиитехнических систем с помощью ориентированных графов (т.е. графов снаправленными ребрами) изображают конструктивные и потоковые функциональныеструктуры [14].

Принципы построения функциональных структур технических объектоврассматриваются в последующих главах курса «Основы проектирования им конструирования»не включенных в настоящее пособие.

Для систем управления существуют характеристики, которыеможно использовать в качестве критериев для оценки структур.

Одна из них — структурная связность

/>,

где п* — число связей;

п — число элементов структуры.

Вторая — структурная гибкость

/>,

где РК — вероятность того, что системабудет решать задачу К;

DК = 1 — еслисистема в состоянии решить эту задачу;

DК = 0 — еслисистема не в состоянии решать задачу К.

Таким образом, структурная гибкость g характеризует степень приспособленности, структуры к изменяющимсяусловиям внешней среды.

Третья характеристика — структурная сложность.

/>,

где п — общее число элементов в системе;

п* — общее число связей в системе;

Р — число уровней иерархии;

r — разнообразиеэлементов;

r* — разнообразиесвязей между элементами.

В настоящее время нет единого мнения о виде оператора h.

Четвертой характеристикой является неэффективность структуры

/>,

где V1 — мераструктурной неэффективности, обусловленной тем обстоятельством, что из-задецентрализации управления структура допускает оптимизацию локальных целейподсистем в ущерб глобальной цели системы в целом;

V2 — характеризуетнеэффективность структуры, обусловленную недостаточной связностью, в результатечего подсистемы, не имея точной информации о фактических значениях управляющихвоздействий других подсистем, вынуждены заменять их расчетными значениями;

V3 — характеризуетнеэффективность обусловленную тем, что наилучшие решения не могут бытьреализованы из-за неблагоприятной структуры системы.

Перечисленные критерии представляется полезными в сфереуправления. Например, в системе государственного управления они позволяют сделатьвывод о том, что оптимальное управление в рамках региона не совпадает сусловиями оптимальных решений в масштабе государстве в целом. Следовательно,оптимальный результат организации государственного управления — это компромиссмежду общегосударственными и региональными интересами.

Методы анализа, синтеза и оптимизации структур составляютсущество развивающейся в настоящее время теории структур. Предметом теорииструктур являются только инвариантные аспекты системы, т.е., вообще говоря,важные вопросы динамики развития и функционирования систем остаются запределами теории структур. Но такие существенные для практики вопросы, какопределение полезности, качества, эффективности системы, определяются, преждевсего, статикой системы и, следовательно, входят в компетенцию теории структур.

6.3.6. Декомпозиция и агрегирование в анализе систем

Изучение структуры системы и связей между ее элементамисоздают возможность декомпозиции задачи. Декомпозиция заключается в расчленениисложного целого на все менее сложные части, которые легче исследовать и вконечном счете проектировать, если речь идет с технической системе. Однако однолишь расчленение системы на части нарушает ее целостность, лишает Системуэмерджентных свойств, т.е. свойств которыми обладает только система в целом, ноне обладает ни один ее элемент в отдельности.

Поэтому успех аналитического метода состоит не только и нестолько в расчленении сложного целого наиболее простые части, а в том, что,будучи соединенными надлежащим образом, это части снова образуют единое целое. Этоагрегирование частей в целом является конечным этапом анализа, поскольку лишьпосле этого можно объяснить целое через его части — в виде структуры целого.

Именно внутренняя целостность системы приводит к появлениюколичественно новых свойств, которых не могло существовать без объединениячастей в целое. Важность этого факта хорошо определил кибернетик У. Эшби, показав,что у системы тем больше возможностей в выборе поведения, чем сильнее степеньсогласованности поведения ее частей.

6.3.7. Эффективность систем

Всякая искусственная система создается для удовлетворенияобщественных потребностей. Степень соответствия системы поставленным целямназывается ее эффективностью. Одна система лучше другой, если она лучше приспособленак достижению поставленных перед ней целей.

В общем случае эффективность системы Е зависит от еесостояния z, параметров множества входных воздействия х и цели АS

/> (6.1)

Функционал (6.1) называется критерием эффективности. Взависимости от того, можно ли найти оператор q,задающий численное значение эффективности, различают качественные иколичественные цели. Качественная цель заключается в стремлении удовлетворитьнекоторому содержательному условию, например, «выиграть войну». Соответствующиекачественным целям критерии могут принимать только два значения: 1 — еслиусловие выполнено, или 0 — в противном случае.

Количественно измеримая цель задается как стремление кувеличению значения критерия эффективности, т.е. цель:

/> (3.2)

Количественно измеримые цели позволяют оптимизироватьпроцесс функционирования или построения системы, дать рекомендации по оптимальномууправлению. В этом смысле количественные цели, безусловно, болеепредпочтительны и конструктивны. Качественные же цели обычно не обладаютстепенью определенности, достаточной для построения математической модели. Поэтомупо мере расширения знаний — о системе качественно сформулированные цели следуетстремиться заменить количественно измеримыми.

Вид критерия эффективности зависит от специфики конкретнойсистемы и поэтому может быть самым различным.

В качестве примеров рассмотрим несколько наиболееупотребительных видов критерия эффективности.

Пример 1. Целью предприятия является получениемаксимальной прибыли.

В этом случае критерий эффективности имеет вид:

где Сi и Vi — цена и количествовыпускаемых изделий i-го типа;

Cj и Wj — стоимость иколичество используемого материала (ресурса) j-готипа (в процессе производства изделий i-го типа).

Пример 2. Целью является достижение максимальнойнадежности системы, состоящей из т последовательно соединенных подсистем.

Критерий эффективности:

/>,

где Рi — вероятность отказа подсистемы.

6.3.8. Проблема многокритериальности

Если эффективность системы возможно оценить только по одномукритерию, то не возникает принципиальных трудностей, препятствующих выборулучшей системы или оптимизации. Чем больше Е, тем эффективнее система.

Однако в реальных задачах возможность оценки эффективностисистемы по одному критерию является скорее исключением, чем правилом. Многокритериальностьреальных задач связана не только с множественностью целей, но и с тем, что однуцель редко удается выразить одним критерием. Это особенно наглядно видно напримере технических систем, где накоплен солидный опыт по оценке ихэффективности и качества.

Начнем с того, что еще в 1950 г. немецкий инженер Ф. Кессельрингпопытался сформулировать требования, обеспечивающие качество техническихобъектов. Таких требований в его списке оказалось 700. В дальнейшем списокувеличился в 3 раза. Однако не все требования были равнозначны, многие из нихпротиворечили друг другу. Поэтому использовать их в качестве критериев оценкинельзя.

В книге А. Половинкина [14] изложены принципы, которым должныудовлетворять критерии развития техники, приведена их классификация и примерывыбора конкретных критериев в зависимости мости от класса технических объектов.

Учитывая, что каждый критерий характеризует какую-то однусторону технического объекта (есть критерии функциональные, технические, экономические,эргономические), проблема многокритериальности сохраняет свою актуальность. Существуетдостаточно много методов оценки эффективности системы по нескольким критериям. Рассмотримнекоторые из них.

6.3.8.1. Методы справедливого компромисса

Пусть система S оценивается по двум критериям q1и q2, изменение которых в зависимости от конструктивных параметров показано на Рис.6.4. Имеетсятри варианта системы: S (e1);S (e2); S (e3) со значениями критериев q1iи q2i, где i — номер варианта системы (i= />). Требуется выбрать лучшийвариант системы.

Рис.6.4 Динамика критериев q1, q2,характеризующих систему S (ei)

Из Рис.6.4 видно, что вариант S (e3) явно лучше, чем вариант S(e1), поскольку q13> q11 и q23 > q21.

Сложнее сравнить варианты S (e2) и S (e3),поскольку S (e2) лучшепо критерию q1, но хуже, чем S (e3) по критерию q2.

Поэтому решение о выборе варианта можно принять только наоснове определенного компромисса. Введем понятие относительной уступки по i-мукритерию

/> (6.3)

где qi0 — максимальное значениекритерия qi для сравниваемых вариантов.

Так, при сравнении вариантов S (e2) и S (e3) для e2 максимальным будет q1, а для e3 — q2. Лучшимсчитается вариант, отказ от которого в пользу другого варианта приведет кнаибольшей величине относительной уступки. Такой выбор является вполнеестественным, поскольку позволяет меньше потерять за счет снижения величиныодного критерия, чем приобретается за счет повышения значения другого критерия.

Разумеется, этот вывод справедлив при условии равнозначностикритериев по их важности. Проиллюстрируем использование выражения (6.3) насравнении вариантов S (e2)и S (e3). При отказеот S (e2) в пользу S(e3) уменьшается значение q1.

Соответствующая уступка составляет:

/>. (6.4)

При отказе от S (e3)в пользу S (e2) уменьшаетсязначение критерия q2, т.е. уступка идет по этому критерию:

/>. (6.5)

При l2> l1, предпочтениеследует отдать варианту S (e3).Если описанный метод применить для сравнения проектируемой системы с заданнымэталоном, то можно оценить степень совершенства этой системы, например, посравнению с лучшими достижениями мировой практики.

6.3.8.2. Ранжировка системы на основе анализа отношений строгого доминирования

Рассмотрим две системы S1 и S2,которые характеризуются соответственно векторами критериев q1= (q11, q12… q1n)и q2 = (q21, q22… q2n).

Будем считать, что S1 строго лучше, чем S2(S1 Ø S2),если для всех i = /> выполняютсянеравенства q1i ³q2i, причем хотя бы для одного i неравенствоявляется строгим. Отношения, обозначаемые Øи ¾, называются отношениямистрогого доминирования, поскольку они имеют место только в том случае, если однасистема превосходит другую по всем критериям.

Использование отношений строгого доминирования в большинствеслучаев не решает проблемы многокритериальности. Для иллюстрации вернемся к Рис.6.4.Здесь очевиден вывод, что S3 ØS1, поскольку q23 > q21и q13 > q11.

Однако между S1 и S2, атакже между S2 и S3 отношения строгого доминированияне существует. Отношения строгого доминирования полезны, поскольку они,во-первых, служат основой для более тонких методов ранжировки, а во-вторых,позволяют сузить круг систем, среди которых ведется поиск лучшей. Так, в данномслучае исключается из дальнейшего рассмотрения система S1.

Остающиеся после исключения S1 системы S2и S3 образуют множество Парето. Множеством Парето называетсятакая группа объектов, в которой невозможно, переходя от одного объекта кдругому, улучшать значение одного критерия, не ухудшая при этом другого. МножествоПарето имеет и ряд других названий: множестве неулучшаемых решений; эффективноемножество решения; множество несравнимых решений; область компромиссов [24].

Для объектов, входящих во множество Парето, установитьстрогое доминирование невозможно, поэтому и приходится применять методы компромиссов.

6.3.8.3. Использование принципа относительного доминирования

Стремление к полной упорядоченности множества систем Siпривело к идее иерархизации критериев по степени важности. Согласно принципу относительногодоминирования все критерии разбиваются на группу наиболее важных q1,…qt и наименее важных qt+1,… qn.Если по всем критериям первой группы система S1 превосходитсистему S2, то считают, что S1 лучше, чем S2,независимо от соотношений критериев второй группы.

В частном случае, когда из множества критериев qiвыбирается один важнейший, мы приходим к оценке систем по главному критерию, т.е.переходим от многокритериальной задачи к однокритериальной.

6.3.8.4. Интегральные критерии эффективности

Трудности оценки систем по набору критериев привели к идеесвертывания вектора критериев q = (q1, q2,…qn) в некоторую функцию

/>, (6.6)

которая может служить оценкой эффективности системы. Критерииqi в этом случае называют частными критериями эффективности,а функцию E — интегральным критерием эффективности.

Построение интегрального критерия, как в метод оценки поглавному критерию, позволяет свести многокритериальную задачу к однокритериальной,но обладает большей гибкостью и точностью за счет возможности учета значимостичастных критериев. Последнее обстоятельство является принципиальным и объясняеттот факт, что в большинстве практических случаев проблему многокритериальноерешают с помощью интегрального критерия.

Вид функции (6.6) может быть самым различным, но наибольшеераспространение получили следующие два:

мультипликативный интегральный критерий

/>; (6.7)

аддитивный интегральный критерий

/>, (6.8)

где ri — весовые коэффициенты, учитывающиеважности частных критериев.

Таким образом, ri определяет степеньвлияния i-го частного критерия на эффективность системы в целом.

Мультипликативный интегральный критерий обладает следующимсвойством: при обращении в нуль хотя бы одного частного критерия и интегральныйкритерий принимает значение Е = 0. Поэтому использование критерия (6.7) удобнодля оценки систем, у которых невыполнение заданных требований по любомучастному критерий недопустимо. Например, если система состоит из несколькихпоследовательно соединенных блоков, то отказ любого из них приводит к отказувсей системы.

Другим достоинством мультипликативного критерия является егонечувствительность к выбору единиц измерения.

Еще одним достоинством мультипликативного критерия являетсятот факт, что при одинаковых важностях частных критериев, когда ri= 1 для всех i = />,критерий (6.7) дает ранжировку систем в соответствии с принципом справедливогокомпромисса. Это легко проиллюстрировать, вернувшись к системам S (e2) и S (e3) на Рис.6.4. Интегральныемультипликативные критерии для этих систем при ri = 1 примутвид

/>, (6.9)

/>. (6.10)

Условием ранжировки является сопоставление

/>. (6.11)

Подставив в (6.11) значения Е2 и Е3с учетом, что q22 = q23 — Dq2 согласно (6.4), и q13= q12 — Dq1согласно (6.5), получим

/>.

Разделив обе части полученного неравенства на q12× q23, вычтя поединице и поменяв знаки, получим

/>. (6.12)

Сравнение (6.12) с (6.4) и (6.5) позволяет установить, чтолевая и правая части неравенства (6.12) представляют собой относительныеуступки l2 и l1, вычисленные по методусправедливого компромисса.

Когда важности частных критериев существенно различаются иточное определение их весовых коэффициентов затруднительно, мультипликативныйкритерий утрачивает свои преимуществапо сравнению с аддитивным критерием.

Аддитивный критерий (6.6) позволяет легко измерять вкладкаждого частного критерия qi в суммарную оценку эффективностисистемы и обладает свойством компенсации недостатком одних характеристиксистемы за счет преимуществ других характеристик в очень широких пределах: даженулевые значения некоторых критериев можноскомпенсировать большими значениями других критериев.

В отличие от мультипликативного аддитивный критерий требуетнормирования частных критериев для приведения их к одинаковой размерности. Аддитивныекритерии просты, обладает естественной физической интерпретацией. Поэтому онишироко используются для решения практических, задач.

Разновидностью аддитивного интегрального критерия можносчитать матрицу цели-средства [24].

Этот прием концентрирует внимание разработчика навзаимосвязи возможных альтернатив и соответствующих многофакторных исходов. Этивзаимосвязи отражаются в двумерной таблице (матрице), примерок которой можетслужить табл.6.3. В ее столбцах перечислены цели или частные критерии качестваисходов, в строках — средства достижения этих целей, возможные альтернативныерешения. В клетках таблицы (на пересечениях столбцов и строк) разработчикпроставляет оценки степени достижения каждой из целей (значения частныхкритериев качества, оцененных, например, по пятибалльной шкале) для каждой изальтернатив.

Таблица 6.3

Сценка альтернативных вариантов двигателя автомобиля

Средства: альтернативные двигатели автомобиля Цели высокая топливная экономичность низкая токсичность малый шум высокая удельная мощность низкая себе стоимость Карбюраторный 4 2 3 4 5 Дизель 5 3 2 3 4 На сжиженном природном газе 3 4 3 3 4 Двухвальный газотурбинный 1 5 3 4 2 Паровой 1 5 5 3 1 Электрический с аккумулятором 3 5 5 1 1 Гибридный: маломощный дизель + аккумулятор + электродвигатель 3 4 4 2 2

Матрица позволяет наглядно сопоставить возможные решениязадачи, хотя в некоторой степени отражает субъективность оценок разработчика.

Вообще говоря, существует еще один вид интегральногокритерия — метрический интегральный критерий. Однако он представляет собойрезультат сравнения анализируемой системы с системой-эталоном, попытка вычислениязначений частных критериев для которой обычно вызывает серьезные затруднения. Поэтомуметрический интегральный критерий не получил широкого распространения. Принеобходимости с ним можно ознакомиться по работе [15], широко используемой внастоящей главе.

Построение интегрального критерия любого вида требует впервую очередь определения весовых коэффициентов при частных критериях с учетомих различного влияния на эффективность системы.

Наиболее распространено использование для этого определенияметода экспертных оценок.

Метод экспертных оценок нашел сегодня широкоераспространение при решении многих вопросов развития техники и экономики. Оншироко освещен в печати, в частности, в работах [1, 15]. Поэтому в настоящемпособия автор ограничится этими литературными ссылками.

6.3.9. Измерительные шкалы

Одним из условий, которым должны удовлетворять показатели,выбираемые в качестве критериев эффективности систем, является их измеримость [14].Каждый критерий, так или иначе, отражает цель построения и функционированиясистемы.

Разные цели могут иметь различную степень измеримости. Лучшевсего поддаются измерению технические и экономические цели. Цели, характеризующиепсихологические или этические аспекты деятельности человека, оценить значительносложнее.

Нормально можно классифицировать цели по уровням измеримостив зависимости от того, выполняется ли для измеряемых величин свойства тождества,рангового порядка (упорядоченности) и аддитивности. Эти свойства определяютсядевятью аксиомами, перечисленными ниже.

Аксиомы тождества

1. Либо А = В, либо А ¹ В.

2. Если А = В, то В = А.

3. Если А = В и В = С, то А= С.

Аксиомы рангового порядка (упорядоченности)

4. Если А > В, то В < А (аксиомаантисимметричности).

5. Если А > В и В > С, то А> С (аксиома транзитивности).

Аксиомы аддитивности

6. Если А = Р и В > 0, то А +В > Р.

7. А + В = В + А.

8. Если А = Р и В = С, то А+ В = Р + С.

9. (А + В) + С = А + (В +С).

Перечисленные аксиомы позволяют выделить четыре основныхуровня изменения целей: шкалы наименований, порядка, интервалов и отношений.

6.3.9.1. Шкалы наименований

Эта простейшая шкала является, по существу, качественной. Присвоениечисленного индекса в шкале наименований — это просто способ классифицировать иразличать объекты. Примером такой шкалы является список группы студентов. Длячисел в шкале наименований выполняются только аксиомы тождества.

6.3.9.2. Порядковые (ранговые) шкалы

Для измерений в этой шкале справедливы аксиомы тождества ирангового порядка. Эта шкала позволяет ввести отношение «больше-меньше»,которое обладает свойствами антисимметричности (аксиома 4) и транзитивности (аксиома5). Так, если системы пронумеровать в порядке возрастания их предпочтительности,то более высокий номер будет соответствовать более предпочтительной системе.

Ранговые оценки могут быть даны не только в числовыхтерминах, но и в других символах. Например, знания в учебном заведенииоцениваются отметками: отлично, хорошо, удовлетворительно, неудовлетворительно.Цифровые эквиваленты этих отметок называются баллами, а ранговая шкала оценкизнаний соответственно называется балльной.

Различают два вида балльных оценок. В одном случае измерениепроизводится путем сопоставления с некоторыми общепринятыми эталонами. Пример — оценка спортивными судьями выступлений фигуристов на льду. Поскольку эталоныдля такой оценки весьма точно охарактеризованы, индивидуальные оценки экспертовобычно близки друг к другу, что повышает степень доверия к ним.

Балльная оценка второго вида производится при условииотсутствия общепринятых эталонов. При этом существование такого эталона можетбыть вообще нереальным или бессмысленным. Пример — экспертная оценка гастрономических,свойств различных блюд. В этом случае оценки экспертов могут сильноразличаться, что снижает степень доверия к ним.

6.3.9.3. Шкалы интервалов

В ранговых шкалах кет строго фиксированного начала отсчета ипостоянства интервалов между соседними значениями шкалы. Действительно, есливзять в качестве примера балльную оценку знаний в вузе, то нельзя ведьутверждать, что интервал между оценками 4 и 3, равен интервалу между оценками 3и 2. Они различны как по количеству оцениваемой информации, так и попоследствиям. Если же множество допустимых преобразований порядковой шкалыограничить линейными функциями вида

/>,

где К1 — фиксированное начало отсчета;

К2 > 0 — масштаб измерения, тополучится новая шкала — интервальная.

Примерами шкал интервалов могут быть шкалы Цельсия иФаренгейта для измерения температуры. Эти шкалы различается выбором начала отсчета,но приводятся друг к другу с помощью линейных преобразований.

Шкалы интервалов не обладают свойством аддитивности и,следовательно, к ним не применимы арифметические действия. Но эти шкалы в отличиеот ранговых позволяют сравнивать между собой разности (интервалы) междуоценками. Кроме того, они допускают выполнение ряда статистических процедур.

6.3.9.4. Шкалы отношений

При измерении физических величин, у которых существуетестественное начало отсчета, применяют шкалы отношений. Примерами таких величинмогут быть вес, длина, электрическое сопротивление и т.д. Для шкал отношенийсправедливы все аксиомы: тождества, рангового порядка, аддитивности. В шкалеотношений допустимы все арифметические и статистические операции.

6.3.9.5. Многомерные шкалы

Кроме четырех основных типов шкал, названных выше,существуют многомерные шкалы, каждая из которых состоит из нескольких простых измерительныхшкал, например, кг/м3. При этом могут быть случаи, когда многомернаяшкала включает величины, измеряемые в простых шкалах разного уровня. Использованиевеличин, измеряемых в многомерных шкалах, вызывает затруднения в расчетеинтегральных критериев. Например, сложно определить эффективность системы,использование которой должно принести социально-экономический эффект.

Многолетние попытки преодолеть эти сложности привели ксозданию ряда теорий ценности, в частности, экономической теории ценности, психологическойтеории ценности, казуистической теории ценностей и др., которые пока не удалосьобъединить в общую теорию ценностей.

Это серьезная самостоятельная наука и автор ограничиваетсялишь ссылкой на работу Холла [15], в которой содержится краткое описание различныхметодов определения меры полезности, а также на работу [1], в которой содержатсянекоторые новые представления в области измеримости величин.

6.4. Выбор альтернатив

Целью анализа технических систем является ихсовершенствование или создание новых технических объектов на основе наиболееэффективных вариантов решения. Проектирование технической системы всегдаявляется многовариантной задачей, связанной с необходимостью сравнительной оценкиальтернативных решений. Следовательно, этапом, предшествующим анализу, должнобыть накопление этих вариантов решения, выбор альтернатив.

В настоящее время известно достаточно большое количествометодов поиска технических решений и имеется обширная литература по этому вопросу.Поэтому ограничимся здесь упоминанием наиболее употребительных из этих методовс соответствующими ссылками на литературу.

6.4.1 Метод эвристических приемов

Опытный разработчик или исследователь, помня результатысделанных прежде попыток, знает немало частных рекомендаций, относящихся к разработкетех или иных решений. Эти знания не образуют единой картины, большинствоподобных рекомендаций не имеет строгого доказательства. Такие знания не могутпретендовать на то, чтобы называться, алгоритмами, но могут быть полезны в тойили иной конкретной области, сужая круг поиска идей.

Первое учение об эвристических методах было разработано ещеСократом (469 — 399 г. г. до н. э). Этой проблемой занимались Архимед (287 — 212 г. г. до н. э), Галилей, Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт, Лейбниц и многиедругие великие ученые разных лет.

Исторический обзор проблемы позволяет сделать следующиевыводы.

Не все задачи, выдвигаемые наукой и техникой, можно решать спомощью имеющихся средств и методов логики и математики, так как эти задачитребуют открытий и изобретений нового.

Для решения многих проблем, которые нельзя решить логически,можно предложить методические правила и рекомендации, которые не с гарантиейведут к цели, но значительно повышают вероятность успеха и эффективность работы.Они называется эвристическими методами.

Не может быть всеобщего и универсального, применяемого в неизменяемомвиде во всех случаях подхода.

Рекомендуется пользоваться набором эвристических методовособенно оправдавших себя при решении творческих проблем.

Основываясь на этих выводах, в 40-е и 50-е г. г. XX в. былисобраны приемы, которые используют опытные конструкторы и исследователи, чтообеспечило методологическую базу для работы менее опытных специалистов.

В настоящее время в области эвристических методов работыведутся в следующих основных направлениях.

Сбор и систематизация эвристических методов, приведение их квиду, удобному для широкого использования инженерами и исследователями

Разработка программ, реализующих эвристические методы в автоматическомрежиме.

Создание диалоговых систем, с помощью которых исследовательи инженер эвристическими методами решают свои проблемы в непосредственномвзаимодействии с ЭВМ.

6.4.2 Метод морфологического ящика

В 1942 г. был впервые использован для решения практическихзадач метод морфологического ящика, разработанный американским астрономом швейцарскогопроисхождения Ф. Цвикки. Проектирование по этому методу выполняется в два этапа:

Морфологический анализ объекта.

Синтез объекта.

На этапе морфологического анализа разработчик, внимательноизучая набор функции, которые должен, выполнять объект, и анализируя существующиепрототипы, старается осознать морфологию, общее строение проектируемогообъекта, изучить существующие функциональные элементы, которые могут бытьиспользованы для осуществления требуемых функций. Пусть, например, объектомпроектирования является комплекс устройств, обеспечивающих запускавтомобильного двигателя в холодное время года.

Изучение ситуации показывает, что морфологию объектаопределяют три ключевые функции, выполнение которых объект должен обеспечить.

Функция 1. Обеспечить наличие носителя тепловой энергии дляпрогрева двигателя.

Функция 2. Обеспечить доставку этого носителя к двигателю.

Функция 3. Обеспечить источник энергии для прокруткидвигателя при запуске.

Функциональные элементы, способные обеспечить выполнение перечисленныхфункций, приведены в табл.6.4.

Таблица 6.4

Функциональныеэлементы комплекса для запуска двигателя автомобиля

Функции Функция 1 Функция 2 Функция 3

Функциональные

элементы

Горячая вода

Пар

Газовая горелка

Паяльная лампа

Горячий воздух

Шланг

Емкость

Аккумулятор

Выпрямитель

Работающий двигатель другого автомобиля

Буксир для прокрутки двигателя

Заводная рукоятка

Комбинируя различные способы реализации каждой функции,можно синтезировать 60 вариантов сочетаний функциональных элементов. Столбец, соответствующийкаждой функции, является осью морфологического ящика. Количество осей взависимости от сложности проектируемого объекта может быть различным. Так, припроектировании ракетной системы, при котором впервые был применен методморфологического ящика, было выделено 17 осей и отобрано для анализа 37000вариантов сочетаний.

Группу списков, аналогичных табл.6.4, Ф. Цвикки назвалморфологическим ящиком, подчеркивая этим названием, что в такой группе списков,как в ящике хранятся все мыслимые в рамках данной задачи варианты объекта. Послесоставления морфологического ящика производится оценка возможных вариантов.

Основная цель применения морфологического ящика не столько вокончательном выборе наилучшего варианта, сколько в нахождении всех возможныхвариантов решения и отсеве явно неудачных вариантов. Перспективные вариантырешения затем подвергаются более тщательному рассмотрению, в частности, наоснове системного анализа. Результаты анализа позволяют перейти к синтезу наиболееперспективного варианта.

6.4.3 Мозговой штурм

В 1953 г. американский психолог А. Осборн предложилусовершенствовать известный с древнейших времен метод «проб и ошибок»за счет коллективного выдвижения альтернатив решения задачи.

Мозговой штурм обычно используется на начальных стадияхпоиска решения, когда степень новизны задачи еще настолько велика, что разработчикне может достаточно четко представить себе ни структуры проектируемой системы,ни средств, обещающих решение задачи.

Основные положения мозгового штурма заключаются в следующем:

Набирается группа из 5-7 человек желательно различных профессийили, хотя бы отличающихся характерами, кругом интересов.

Перед группой ставится задача, которую нужно решить, и предлагаетсявысказывать идеи, предложения, без доказательств с регламентом на высказывание — одна минута.

До сведения участников штурма доводится мысль, что нужноиметь много возможных альтернатив решения задачи, поощряется подхватывание иразвитие идей, высказанных другими участниками.

Запрещается всякая критика чужих предложений, даже молчаливаяскептической улыбкой.

Все предложения, даже шутливые, абсурдные протоколируются.

После сеанса штурма группа анализа решений рассматривает всепредложения, отбирая из них те, которые заслуживают более детального изучения.

Перечисленные правила достаточно обоснованы. Различиеучастников штурма по профессиональной подготовке повышает вероятность преодолениятрудностей, кажущихся непреодолимыми для инженеров одной специальности.

Разделение процессов генерирования идей и их анализа связанос тем, что генерирование новых решений легче дается людям, обладающим особымсостоянием психики: раскованностью мышления, полетом фантазии, некоторой даженесерьезностью, легкостью мысли. Именно такие люди обычно соответствуют понятиютворческой личности.

Для анализа решений нужны черты характера, по существу,противоположные: четкость, алгоритмичность, придирчивость. Аналитический характермышления, в отличие от творческого, свойственен большинству людей.

Критические замечания особенно чувствительны для людей створческим складом мышления. Они вызывают отрицательные эмоции и, как следствие,резко уменьшают поток идей.

Кроме обычного мозгового штурма, Описанного выше, есть ещенекоторые его разновидности. Так, при обратном мозговом штурме ведется поиск неновых решений, а недостатков уже существующей системы. Знание этих недостатковсужает направление поиска путей совершенствования этой системы.

При двойном мозговом штурме после 30/45-минутного сеансаустраивается перерыв на сутки, чтобы участники штурма обдумали задачу и ужевысказанные идеи, а на следующий день сеанс штурма повторяется.

Универсальность метода мозгового штурма позволяет с егопомощью рассматривать почти любую проблему в сфере человеческой деятельности. Помимотехнических проблем это могут быть задачи из области организации производства,сферы обслуживания, бизнеса, экономики, социологии, военных операций и т.д.

6.4.4 Синектика

Один из путей совершенствования мозгового штурма — использование для его проведения специально натренированных людей, постояннонакапливающих опыт решения задач этим методом.

В 1960 г. американский исследователь Уильям Гордон с этойцелью основал изобретательскую фирму «Синектикс». Применяемый методпоиска технических решений он назвал синектикой, что переводится как «совмещениеразнородных элементов». Синектические группы занимались поиском новых решенийпосредством мозгового штурма, синтезируя при этом идеи с помощью четырех видованалогии.

Прямая аналогия: рассматриваемый объект сравнивается с болееили менее аналогичным объектом из другой отрасли техники или с объектом изживой природы и даже из художественной литературы.

Личностная аналогия или эмпатия: решающий задачу человекмысленно представляет себя объектом проектирования, пытаясь ответить на вопрос,как бы он себя вел, являясь этим объектом, каковы были бы его трудности и т.д. Переводпроблемы из отвлеченной в сугубо личностную часто сильно мобилизует мыслительныепроцессы.

Символическая аналогия: в качестве такой аналогии могутвыступать афоризм, поэтические метафоры я сравнения. Например, символической аналогиейшлифовального круга является «точная шероховатость».

Фантастическая аналогия: предположить сказочное исчезновениекакого-либо из существенных мешающих факторов, предположить помощь каких-либосверхъестественных существ в выполнении не получающейся операции. Несмотря накажущуюся абсурдность таких предложений, в них есть рациональное зерно: заменаслишком сложней задачи ее более простым частным случаем, когда вместо некоторыхпеременных подставлены какие-либо удобные константы, например, нули. В такойболее реалистической форме эту рекомендацию высказывал математик Д. Пойа: успешнорешенные несколько более простых частных случаев задачи могут привести ккаким-то обобщениям и натолкнуть на мысль об общем решении всей задачи уже безупрощающих предположений.

Фантазию надо развивать систематически путем специальныхупражнений. Одна из немногих попыток в этом направлении была предпринятапрофессором Стенфордского университета Джоном Арнольдом. По его методупредлагается решать изобретательские задачи в условиях воображаемой планетыАрктур IV. Эта придуманная планета отличается довольносвоеобразными условиями: температура на ее поверхности в среднем на 100° ниже, чем на Земле; атмосфера состоит изметана, моря — из аммиака; сила тяжести в 10 раз больше земной; разумныесущества похожи на птиц… Нужно преодолеть немало психологических барьеров,чтобы придумать, например, автомобиль или дом для условий Арктура IV. Регулярно решая подобные задачи, слушатели профессораАрнольда постепенно развивают умение преодолевать психологические барьеры [15].

Этот метод узок. В СССР разработан и внедряется курсразвития творческого воображения. В этот курс входит обучение фантограммам,тренировка в их составлен6ии и использовании. Фантограмма — это таблица, наодной оси которой записаны меняющиеся характеристики объекта, а на другой — главные приемы изменения. Богатство фантазии в значительной мере определяетсяобилием накопленных комбинаций, которые, в сущности, и составляют фантограмму. Дотренировки мозг хранит лишь разрозненные осколки таких комбинаций.

Ход синектического заседания обязательно записываетсямагнитофоном, затем запись тщательно изучается с целью совершенствованиятактики решения.

Последовательность решения такова:

а) Проблема, как она задана — формулировка проблемы, даннаядирективной организацией.

б) Очищение от очевидных решений — дискуссия, в ходе которойчлены группы выясняют свои взгляды на очевидные решения, которые едва ли дадутнечто большее, чем просто сочетание существующих решений (этот этап напоминаетмозговой штурм).

в) Превращение необычного в привычное — поиск аналогий, позволяющихвыразить заданную проблему в терминах, хорошо знакомых членам группы по опытуих работы.

г) Проблема как она принята — определяют главные трудности ипротиворечия, препятствующие решению проблемы.

д) Наводящие вопросы — председательствующий предлагает датьрешение, пользуясь одним из типов аналогии. Члены группы в свободной манерепроигрывают каждый наводящий вопрос. Если аналогии становятся слишкомабстрактными, дискуссия направляется в русло «проблемы, как она понятна».Когда появляется перспективная идея, ее развивают словесно до того момента,когда члены группы смогут изготовить и опробовать грубые прототипы устройства.

Члены группы испытывают большой духовный подъем, когдадостигается решение проблемы, но после этого ощущают физическое изнеможение.

Метод используется для решения крупных проблем. В последнеевремя за рубежом появились попытки применения его к решению не только технических,но и некоторых социальных проблем, например, «как распределить государственныесредства в области градостроительства».

Но следует иметь в виду, что синектика может бытьиспользована только на промежуточных этапах проектирования, т.е. дляисследования проблемы, реальность которой уже была предварительно доказана (например,проблема создания герметичной застежки для скафандра космонавта), и дляполучения решения, которое будет внедряться другими людьми.

Этот метод имеет своей целью ликвидировать серьезныенесоответствия во внутренней структуре существующих решений.

Синектика — наиболее сильное из того, что есть в зарубежныхстранах в области методики изобретательства. Но возможности синектики весьма ограничены.Она осталась механическим набором приемов, оторванных от изучения объективныхзакономерностей развития техники.

6.4.5 Метод обобщенной цели

Метод может быть полезен, когда поиск решения поставленнойзадачи зашел в тупик: ни один из найденные вариантов решения не является удовлетворительным.В этом случае полезно поставить возрос: зачем требуется решать эту задачу? Какойболее общей цели должно служить ее решение? Не исключено, что эту более общуюцель удастся достичь совсем другим способом.

Суть метода можно понять из следующего примера. Инженерыдолго бились над разработкой насоса и эффективной системой сопел, создающих движениеводы во всем объеме трюма траулера, транспортирующего живую рыбу. В застойныхзонах рыба переставала двигаться и в результате за несколько дней пути теряласвои вкусовые качества. Узнавший о проблеме ихтиолог порекомендовал пустить втрюм хищную рыбу. В присутствии хищницы рыба не успокаивалась ни в одном уголкетрюма и необходимость в мощной турбулизирующей системе отпала.

6.4.6 Поэтапное улучшение объекта

В математике существует прием решения задач, которыйсформулировал математик Д. Пойа. Согласно этому приему, необходимо сначаларешить задачу, может быть, очень нерациональными, неизящными методами, но обязательнодо конца. После решения наступает совсем иное понимание задачи, иное видениевсей ситуации, и это позволяет длинное, тяжеловесное решение задачи заменитьболее коротким и изящным. Аналогичные приемы хорошо работают в любых областяхконструирования. Сначала создается сложная, громоздкая неэффективная система,однако способная выполнять заданные функции.

После этого систему начинают совершенствовать иоптимизировать. Так удается быстрее достигнуть конечного результата, чем припопытке сразу найти хорошее решение, не имея прототипа. Усовершенствоватьобъект помогают следующие вопросы, которые сформулировал Мэтчетт: каким образом,каждую часть объекта можно исключить; объединить с другими; унифицировать; перенести;модифицировать, упростить?

6.4.7 АРИЗ Альтшуллера

Советский исследователь Г.С. Альтшуллер, изучив около 40тысяч изобретений, в основном в области механических приспособлений, выделил 40приемов, применение которые позволяет решать большинство задач в указаннойобласти. Выяснилось, что различные изобретатели, сами того не сознавая,пользуются ограниченным числом приемов для решения огромного числа совершенноразличных задач. Вот некоторые примеры приемов, которые удалось выделить Г.С. Альтшуллеру:

Принцип вынесения. Отделить от объекта мешающую часть.

Принцип местного качества. Перейти от однородной структурыобъекта к неоднородной; разные части объекта должны выполнять различные функции;каждая часть объекта должна находиться в условиях, наиболее благоприятных дляее работы. Пример: первые пневматические шины, выполненные в виде надутойрезиновой трубки, вскоре потеряли свою однородность-функцию герметизации взялана себя тонкая камера, растягивающую нагрузку приняли нити корда, а сцепление сдорогой обеспечивает резиновый протектор с рисунком.

Принцип предварительного действия. Заранее выполнить требуемоедействие, хотя бы частично. Пример: бетон хорошо работает на сжатие и плохо — на растяжение. Работающие на растяжение элементы бетонных конструкцийпредварительно сжимают залитой в бетон натянутой стальной арматурой. Если силапредварительного сжатия большие рабочих растягивающих усилий, то бетон будетработать только на сжатие.

Принцип «наоборот». Вместо действия,напрашивающегося по условию задачи, осуществить обратное действие: сделатьдвижущуюся часть объекта или среды неподвижной и наоборот. Пример: в свое времяна пищевых предприятиях было предложено вместо раскалывания скорлупы ореховмеханическим давлением снаружи, выдерживать их в камере со сжатым воздухом. Прирезком сбросе давления в камере проникший внутрь ореха через поры сжатый воздухразрывает скорлупу, не повреждая мякоть.

Принцип непрерывности полезного действия. Вести работу непрерывно,чтобы все части объекта работали все время; устранить холостые ходы. Пример: роторныймногоковшовый экскаватор с ленточным транспортером вместо обычногоодноковшового.

Малое общее число приемов позволило Г.С. Альтшуллерупредложить методику планомерного поиска решения изобретательских задач: просматриваясписок приемов, решать, как каждый прием мог бы помочь разрешению четкосформулированного технического противоречия. Эта методика вошла в состав болееширокой процедуры технического творчества, названной автором АРИЗ — Алгоритмрешения изобретательских задач.

Позднее автор расширил свою методику и назвал ее ТРИЗ — Теориярешения изобретательских задач.

АРИЗ по используемому принципу близок к поиску решения с помощьюморфологического ящика. Разница заключается в том, что морфологический ящик — это грамматика структуры объекта (какой фрагмент с каким может быть соединен),а АРИЗ — это грамматика процесса поиска решения (что после чего можнопопробовать предпринять). Второе отличие заключается в том, что морфологическийящик каждый разработчик строит сам применительно к конкретному проектируемомуобъекту в процессе познания его морфологии, а Г.С. Альтшуллер предлагаетконструктору уже готовый разработанный алгоритм, хотя я допускающий дополнениесписка возможных действий.

6.4.8 Метод «Дельфы»

Метод разработал и опубликовал в 1964 г. американский ученыйХелмер, работавший в корпорации РЭНД. Этот метод можно рассматривать какпоследовательность итеративных циклов мозгового штурма, при котором делаетсяпопытка избежать вмешательства психологических факторов, способных снизитьэффективность штурма. Опрос проводится в письменном виде. При этом опрашиваемыеэксперты могут быть разобщены территориально. Основная идея метода состоит втом, что критика благотворно влияет на эксперта, если она психологически несвязана с персональной конфронтацией. Поэтому, если проводить оценку в несколькотуров, сообщая после каждого его полные итоги и сохраняя анонимностьучастников, то эксперты склонны не только критиковать, но и прислушиваться ккритике, относящейся к ним лично. Благодаря письменной форме контакта снижаетсявлияние таких факторов, как внушение или приспособление к мнению большинства.

Все это приводит к тому, что обычно для решения задачиоказывается достаточно следующих четырех этапов:

Рассылка анкет, сбор оценок, их обобщенное представление суказанием разброса мнений.

Сообщение итогов участникам опроса с просьбой дать объясненияпричин индивидуального отклонения от средней оценки первой итерации.

Сообщение участникам всех объяснений и запрос контраргументовна них.

Сообщение возражений и запрос новых оценок альтернатив, еслиэксперт пожелает их изменить. Подведение окончательного итога.

Метод «Дельфы» применим для рассмотрения крупныхпроблем общего плана. Например, корпорация РЭНД изучала этим методом следующиепроблемы:

научные прорывы, которые можно ожидать в ближайшие десятилетия;

рост населения;

развитие автоматизации;

исследование космоса;

вероятность и предотвращение войны;

будущие системы оружия.

Для решения шести перечисленных проблем были созданысоответственно 6 комитетов.

6.4.9 Метод контрольных вопросов (контрольные перечни)

Чтобы как-то упорядочить перебор вариантов, можно составитьсписки наводящих вопросов. Такой метод называется методом контрольных вопросов.

В США наибольшее распространение получил список вопросов А. Осборна.В этом списке девять групп вопросов, например: «Что можно в техническомобъекте уменьшить?» или «Что можно в техническом объекте перевернуть?».Каждая группа вопросов содержит подвопросы. Например, вопрос «Что можноуменьшить?» включает подвопросы: можно ли что-нибудь уплотнить, сжать,сгустить, конденсировать или применить способ миниатюризации? укоротить? сузить?отделить? раздробить?

Один из наиболее полных и удачных списков принадлежитанглийскому изобретателю Т. Эйлоарту. Вот некоторые пункты этого списка: «Набросатьфантастические биологические, экономические и др. аналоги… Установить варианты,зависимости, возможные связи, логические совпадения… Узнать мнение некоторыхсовершенно неосведомленных в данном деле людей… В воображении залезть внутрьмеханизма…».

В сущности, каждый вопрос — это проба (или серия проб). Составляясписки, их авторы, естественно, отбирают из изобретательского опыта относительносильные вопросы. Однако отбор ведет без исследования внутренней механикиизобретательства. Поэтому списки указывают, что делать, и не объясняют, как этоделать. Как, например, проследить возможные связи, если их очень много? Какпостроить аналогию или в воображении залезть внутрь механизма, чтобы этодействительно навело на решение задачи?

Метод контрольных вопросов помогает в какой-то мере уменьшитьпсихологическую инерцию и только.

Разумно ответить, что цель этого метода: датьпроектировщикам сведения о требованиях, которые были признаны релевантными ваналогичных ситуациях.

Для того, чтобы лучше понять метод, рассмотрим переченьконтрольных вопросов, составленных при проверке качества и надежности конструкциидеталей авиационных двигателей:

1. Оценка конструкции.

Какова цель введения нового устройства?

Это новая проблема?

Имеется ли устройство, которое можно использовать всуществующем виде или с соответствующей модификацией?

Каковы существующие официальные нормативы?

Имеется ли полезная релевантная информация других проектныхколлективов?

Не является ли это просто усовершенствованием существующегоустройства?

Каковы в этом случае новые требования?

Не следует ли воспользоваться этой возможностью для введениятакже других изменений?

Если предполагается модифицировать существующее устройство,то каковы новые условия эксплуатации по сравнению с теми, для которых оно былопервоначально создано?

2. Консультации по специальным проблемам.

Обсуждались ли специальные аспекты проблемы савиаконструктором, инженерами по прочности, специалистами по системамобслуживания по инженерным программам снижения стоимости изделий, поаэродинамике, по надежности, по проектированию оснастки, по безопасности и т.д.

Передана ли вся релевантная информация экспертам?

Может ли что-то быть неправильно понято?

Правильно ли поняты советы экспертов?

3. Соответствие стандартам.

Соответствует ли проект стандартам?

Имеются ли другие проектные требования?

4. Напряжения.

Каковы основные напряжения в конструкции?

Имеются ли в соединениях консольные детали, способныевызвать вибрацию?

Будет ли тепловое расширение вызывать напряжения? Учтены ливременные напряжения, возникающие в результате увеличения температуры?

Если конструкция разрушится, то в каком месте?

5. Изготовление деталей.

Какова технология производства деталей?

Можно ли ее упростить?

Может ли использоваться имеющаяся оснастка?

Оправдано ли применение деталей, трудно поддающихсямеханической обработке или использование дорогостоящих материалов?

Можно ли применять автоматическую, полностью контролируемуюсварку?

6. Сборка.

Стыкуются ли детали?

Возможно ли неправильное соединение трубопроводов?

Возможна ли неправильная установка односторонних клапанов?

Можно ли путем контроля проверить правильность и точностьсборки?

Например, если опорный подшипник установлен неправильно,можно ли обнаружить это визуально без его демонтажа?

Предусмотрены ли там, где это необходимо, специальные инструкции?

7. Демонтаж.

Предусмотрены ли простые экстракторы?

Учтено ли влияние коррозии и нагара?

Не вызывает ли затруднений заедание резьбы и т.п.?

Не возникнет ли авария из-за деформации или износа?

Можно ли выполнить частичный или полный осмотр и ремонтданного узла без демонтажа других узлов и без риска уронить в них детали илиинструменты?

8. Обслуживание и ремонт.

Будет ли обеспечен к узлу доступ после его монтажа?

Не требуется ли подъемное приспособление и предусмотрены лидля него места доступа?

Можно ли заменить узел без регулировки и без стендовыхиспытаний?

Учтена ли возможность ношения оператором арктической одеждыи толстых перчаток?

Достаточно ли прочен узел, чтобы механик мог опереться нанего ногой или рукой?

Не может ли слабое крепление обтекателя быть лишь повидимости прочным?

Нужно ли уменьшить корродирование и износ?

Нужны ли бороскопические отверстия?

9. Анализ дефектов.

Может ли небольшой дефект привести к серьезному отказу?

Не может ли отвернуться гайка или срезаться головка заклепкии попасть во впускное сопло?

Может ли механизм управления заклинить из-за попадания внего инородного тела?

Как может система выйти из строя, что на это укажет и каковыбудут результаты?

Может ли она выйти из строя, не создавая опасности для людей?

10. Опасность возгорания.

Что может загореться?

Возможна ли утечка масла или топлива?

Можно ли обнаружить возгорание?

Можно ли отключить подачу топлива?

Имеется ли источник возгорания?

Повредит ли вынужденная посадка на фюзеляже систему подачитоплива или масла?

11. Зазоры.

Можно ли увеличить зазоры, не ухудшая качества конструкции?

Приведут ли накопленные ошибки в допусках и производственныеошибки к отказам?

Насколько зазор будет уменьшен при:

а) временном дифференциальном расширении?

б) нормальных рабочих напряжениях?

в) высоких гравитационных нагрузках?

12. Коррозия.

Находятся ли разнородные металлы в контакте друг с другом вусловиях влажности?

Подвергается ли материал коррозии при рабочих напряжениях итемпературах?

Будет ли защитное покрытие разрушаться при эксплуатации илисборке; при использовании гаечных ключей и т.д.?

Можно ли повреждение участка исправить во время эксплуатации?

Имеются ли карманы, в которых может накапливаться влага?

Возможно ли интергранулярное проникновение плакировочногослоя при нормальных рабочих температурах или при температурах, возникающих в случаенебольших повреждений?

13. Термообработка.

Учтены ли полностью все условия эксплуатации?

Не превышает ли температура закалки максимально допустимуютемпературу?

Достаточен ли запас прочности, чтобы противостоять местнымконцентрациям напряжений?

14. Исследование стандартного оборудования.

Имеются ли стандартные спецификации?

Можно ли использовать оборудование должным образом?

Проведены ли консультации с поставщиком?

Хорошо ли читается шильдик с инструкцией на оборудовании?

Возможен ли доступ к оборудованию после его установки?

15. Восстановление и ремонт.

Можно ли восстановить дорогостоящие детали при их износе илиполомке?

Есть ли место для установки вкладышей с резьбой?

Можно ли подвергнуть повторной механической обработке дорогостоящиедетали, чтобы подогнать их к дешевым деталям с заниженными или завышеннымиразмерами?

16. Человеческие факторы.

Могут ли инструкции неправильно поняты?

Есть ли достаточно места для работы?

Используются ли токсичные материалы?

Требуются ли специальные навыки?

Осуществляются ли регулировки достаточно естественным ипрочным образом?

17. Специальные электротехнические требования.

Могут ли ненадежный контакт или поломки, генерируемые однойсистемой, вызвать опасную активизацию другой?

Когда штекерные соединения разомкнуты, может ли в них накапливатьсягрязь или влага?

Достаточно ли хорошо закреплены провода и защищены ли они отперетирания?

Не могут ли быть повреждены провода при обслуживании?

Достаточно ли они защищены от активных жидкостей?

Требуется пайка?

18. Холод на земле или в воздухе.

Могут ли дифференциальные сжатия вызвать блокировкууправления, например, топливной системой?

Не закроет ли лед вентиляционные отверстия?

Не может ли снег попасть в электрооборудование?

Достаточен ли размер трубопроводов маслосистемы?

Не будет ли в каких-нибудь трубопроводах скапливаться вода ипревращаться в лед?

Не может ли лед блокировать систему управления?

19. Материалы.

Известна ли стоимость материала?

Легко ли он поддается ковке, литью, холодной обработке,сварке и т.д.?

Легко ли его достать?

Не стратегический ли это материал?

Каковы его механические свойства?

Какова теплоемкость?

Каковы антикоррозионные свойства? и т.п.

20. Сравнение с другими конструкциями.

Сравним ли данную конструкцию с существующими?

Легче ли данная конструкция?

Более ли она надежна?

Дешевле ли она? и т.д.

21. Соответствие современным требованиям.

Проверено ли, не изменились ли проектные требования иусловия окружающей среды с того времени, когда началась работа над проектом?

Не появились ли новые информационные материалы?

Характер приведенных вопросов показывает, что в данномслучае метод контрольных перечней применяется, когда основные проектные решенияразработаны и осуществляется окончательная доводка конструкции.

Выше перечислены лишь наиболее употребительные методы поискаальтернатив. Более подробно эти и другие методы изложены в книге Дж. Джонса [30].

6.5. Системный подход и системный анализ

В соотношении двух терминов, вынесенных в заголовок, внастоящее время нет единства.

Некоторые авторы считают термины «системный подход»и «системный анализ» синонимами.

Ф.И. Перегудов и Ф.П. Тарасенко [1], рассматривают системныйподход в качестве начального, предшествующего формализации задачи, этапа системногоанализа, а сам системный анализ определяют как прикладную науку, нацеленную навыяснение причин реальных сложностей, возникших перед коллективом, занимающимсяразрешением определенной сложной проблемы, и на выработку вариантов устраненияэтих сложностей.

По мнению И.В. Блауберга и Э.Г. Юдина [39] более общимпонятием является, наоборот, системный подход, а системный, анализ связан сболее частными, в том числе формализованными методами и процедурами.

Автор берет за основу эту последнюю концепцию с тем, чтобысохранить преемственность терминологии с появившимся в последнее время кибернетическимподходом.

6.5.1. Определение системного подхода и системного анализа

Системный подход заключается в рассмотрении изучаемогообъекта или процесса не только как самостоятельной системы, но и как элемента некоторойсистемы более высокого иерархического уровня, в прослеживании как можнобольшего числа связей, отборе существенных факторов и их оценке.

Суть системного подхода можно проиллюстрировать простым примером.Токарно-винторезный станок является системой. Но в то же время он являетсяэлементом технологической линии, производственного участка, цеха. Высшимдостижением в области универсальных токарно-винторезных станков как системыявляется создание станков с числовым программным управлением, которыеобеспечивают высокую производительность и качество выполнения работы. Однако,рассматривая этот станок как элемент системы более высокого иерархическогоуровня, нетрудно убедиться, что он будет эффективен только в условиях крупногосовременного производства, где экономически оправдано содержание программистов,наладчиков, операторов. В мелкой ремонтной мастерской, где достаточно иметьнередко всего один токарный станок, ЧПУ себя не окупит. Следовательно,специализация отечественного станкостроения только на выпуске станков с ЧПУбыла бы ошибкой.

Основными принципами системного подхода являются принципы целостности,сложности и организованности.

Принцип целостности предполагает исследование некоторогоконкретного объекта, частично обособленного от других объектов и имеющего специфическиезакономерности функционирования и развития. Вместе с тем при использованииэтого принципа необходимо проанализировать связи исследуемого объекта с другими.

В соответствии с принципом сложности внутренние процессыобъектов должны рассматриваться комплексной зависимости, как от внешних, так иот внутренних факторов.

Принцип организованности системного подхода основывается нарезультатах анализа структурной упорядоченности исследуемых объектов.

При разработке крупных технических проектов системный подходпозволяет подчинить решение технических задач требованиям экономическим, социальными т.д. Тем самым системный подход способствует усилению взаимосвязи техническихи общественных наук.

Системный анализ представляет собою методологию исследованияс помощью аппарата теории систем сложных и труднодоступных свойств объектов иявлений, которые в принципе невозможно исследовать непосредственным наблюдениемобъекта.

Методы системного анализа направлены на выдвижение различныхвариантов решения задачи (альтернатив) при наличии некоторой неопределенности вусловиях этой задачи. Здесь уместно отметить, что любая конструкторская задачавсегда содержит неопределенность. В противном случае вместо оригинальнойконструкции конструктор получит старое решение.

Выбор варианта решения осуществляется на основе научногоисследования, личного опыта разработчик, его интуиции, с учетомтехнико-экономического обоснования каждой альтернативы.

Основной процедурой системного анализа являетсяматематическое моделирование. Поэтому применение системного анализа втехнических науках сопровождается их математизацией.

Применение системного подхода и системного анализа ввопросах проектирование, создания, испытания и эксплуатации сложных системназывается системотехникой.

6.5.2. Различие, проектных решений при традиционном и системном подходах

Рассмотрим этот вопрос на примере сернокислотногопроизводства.

Процесс производства серной кислоты обычно включаетследующие основные этапы:

сжигание серного колчедана (пирита) в печи с образованием дымовыхгазов с содержанием около 12% SO2;

окисление диоксида серы SO2 в контактном аппаратепо реакции

/>; (6.13)

абсорбция серного ангидрида SO3 слабой серкойкислотой с получением концентрированной кислоты.

Описанная схема имеет следующие серьезные недостатки.

Отходом первого этапа процесса является пиритный огарок, которыйсодержит до 60% железа, но не мог быть использован в доменном производствеиз-за содержания не выгоревшей до конца серы.

Неполное окисление диоксида серы, который остается в отходящихгазах и наносит сильнейший вред природе, замедляя в десятки раз скорость фотолизав растениях.

Необходимость строительства мощных газоочистных сооружений.

Системный подход, требующий анализа не только внутренних, нои внешних связей, заставляет еще в процессе разработки технологической схемы,придти к следующим результатам.

Движущей силой химического процесса является разность междуравновесной и рабочей концентрациями продукта в реакционной массе. Продуктомстадии контактирования является серный ангидрид SO3. После стадииабсорбции его рабочая концентрация в газовой смеси уменьшается. Следовательно,если после абсорбции оставшуюся газовую смесь снова отправить наконтактирование, то еще часть so2,превратится в SO3, который можно вновь абсорбировать. Такпоявилась схема производства серной кислоты с двойным контактированием идвойной абсорбцией.

Из уравнения реакции (6.13) видно, что в процессе контактированияиз трех молей исходных газов образуются два моля продукта. В этом случае,согласно правилу Ле-Шателье, повышение рабочего давления в контактном аппаратеприводит к сдвигу равновесия вправо, т.е. в сторону более полного окисления SO2в SO3.

Следовательно, появилась вторая альтернатива-проведениепроцесса контактирования под избыточным давлением.

Обе названные альтернативы нашли применение в промышленности.

Внедрение в черной металлургии метода получения металла изокатышей позволило организовать извлечение из пиритного огарка железа, селена инекоторого количества серебра.

Следствием применения системного подхода к разработкесернокислотного производства явилось:

повышение выхода продукта из тонны сырья;

значительное снижение требуемой мощности газоочистных сооружений;

резкое снижение количества твердых отходов;

дополнительное получение полезных продуктов.

6.5.3. Кибернетический подход к проектированию

Следует заметить, что системный подход сегодня не являетсяпоследним словом в технике. Проектирование ракетно-космической техники базируетсяна кибернетическом подходе.

Согласно современной концепции, метод сознания новой техникидолжен включать в себя не только системный подход, но и эволюционный, и управленческийподход, что в сумме и составляет кибернетический подход.

Важнейшим положением кибернетического подхода к исследуемыхобъектам является представление о их непостоянстве, требующее эволюционногоповода к их рассмотрению, базирующегося на одном из важнейших принципов диалектики- принципе историзма.

Управленческий подход находит на практике выражение впрограммно-целевом подходе, предлагающем выбор целей и средств, реализуемых вопределенной временной последовательности, обеспечивающей планомерноедостижение этих целей за счет программного управления адекватными средствами.

Если научным фундаментом системного подхода является общаятеория систем, то научным фундаментом кибернетического подхода следует считатьтеоретическую кибернетику.

Кибернетический подход включает предусмотренный теориейсистем бионический принцип (заимствование идей из мира окружающей природы).

Важным принципом кибернетического подхода следует считать иопределенный алгоритм его реализации:

Установление актуальных, программных целей, формирование ипостановка задач по их достижению.

Выбор для достижения этих целей объектов и средств в формесистем соответствующей им сложности.

Определение характерного для этих систем окружения в течениевсего периода их существования.

Изучение предыстории, состояния и возможных направленийразвития выбранной системы, ее окружения и процессов их взаимодействия.

Установление параметров, определяющих качество этой системы,а также формирование программных уровней полного качества системы, учитывающегокак степень достижения поставленных целей с их использованием, так и связанныхс этим затрат.

Организация замкнутых контуров управления качеством системыдля целенаправленного перевода ее из существующего в намеченное состояние.

Моделирование и максимальная формализация системы, окруженияи всех, имеющих к ним отношение объектов, процессов и факторов на основематематического и вычислительного обеспечения теоретически кибернетики.

Реализация процессов управления качеством системы на основеиспользования всей необходимой информации, циркулирующей по каналам прямой иобратной связи [40].

Литература к теме 6

9. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. — М.: Высшаяшкола, 1989. — 367с.

10. Уемов А.И. Системный подход и общая теория систем. — М.: Мысль, 1972. — 272с.

11. Половинкин А.И. Законы строения и развития техники (постановка проблемыи гипотезы). — Волгоград: Изд. Волгоградского политехнического института, 1985.- 202с.

12. Флейшман Б.С. Технический прогресс и теория сложных систем. В об. Проблемыметодологии системного исследования. — М.: Мысль, 1970.

13. Хазен А.М. О возможном и невозможном в науке. — М.: Наука, 1988. — 384с.

14. Ильичев А.В. Эффективность проектируемой техники. Основы анализа. — М.: Машиностроение,1991. — 336с.

15. Ракитов А.И. Философские проблемы науки. Системный подход. — М.: Мысль,1977. — 270с.

16. Касти Дж. Большие системы: связность, сложность и катастрофы. — М.: Мир,1982. — 216с.

17. Пригожин И.Р. От существующего к возникающему: время и сложность вфизических науках. — М.: Наука, 1985. — 327с.

18. Юдин Д.В., Юдин А.Д. Число и мысль. — М.: Знание, 1985. — Вып.8.

19. Мамедов Н.М. Моделирование и синтез знаний. — Баку: Элм, 1979. — 97с.

20. Неуймин Я.Г. Модели в науке и технике. — Л.: Наука, 1984. — 186с.

21. Уемов А.И. Логические основы метода моделирования. — М.: Мысль, 1971. — 311с.

22. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. — М.: Машиностроение,1988. — 366с.

23. Брук В.И., Николаев В.М. Начала общей теории систем. — Л.: СЗПИ, 1977.

24. Кафаров В.В., Глебов М.В. Математическое моделирование основныхпроцессов химических производств. — М.: Высшая школа, 1991. — 399с.

25. Гаазе-Рапопорт Г.Г., Поспелов Д.А. Проблемы науки и техническогопрогресса. — М.: Наука, 1987. — 288с.

26. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. — М.: Наука, 1978. — 399с.

27. Снапелев Ю.М., Старосельский В.А. Моделирование и управление в сложныхсистемах. — М.: Советское радио, 1974. — 264с.

28. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем — искусство и наука. — М.: Мир,1978. — 418с.

29. Шрейдер Ю.А., Шаров А.А. Системы и модели. — М.: Радио и связь, 1982. — 152с.

30. Садовский В.Н. Основания общей теории систем. Логико-методологическийанализ. — М.: Наука, 1974. — 279с.

31. Хубка В. Теория технических систем. — М.: Мир, 1987. — 208с.

32. Потемкин И.С. Метода поиска технических решений. — М.: МЭИ, 1989. — 62с.

33. Холл А. Опыт методологии для системотехники. — М.: Советское радио, 1975.- 447с.

34. Буш Г.Я. Рождение изобретательских идей. — Рига: Лиесма, 1976. — 126с.

35. Буш Г.Я. Основы эвристики для изобретателей, ч.1 и 2. — Рига: Зинатне,1977.

36. Мюллер И. Эвристические методы в инженерных разработках. — М.: Радио исвязь, 1984. — 144с.

37. Диксон Дж. Проектирование систем: изобретательство, анализ и принятиерешений. — М.: Мир, 1969. — 440с.

38. Джонс Дж.К. Методы проектирования. — М.: Мир, 1986. — 326с.

39. Методы поиска новых технических решений. Под ред.А.И. Половинкина. — Йошкар-Ола: Марийское кн. изд-во, 1976. — 186с.

40. Одрин В.М., Картавов С.С. Морфологический анализ систем. Построениеморфологических таблиц. — Киев: Наукова думка, 1977.

41. Одрин В.М. Метод морфологического анализа технических систем. — М.: ВНИИПИ,1989. — 312с.

42. Буш Г.Я. Аналогия и техническое творчество. — Рига: Лиесма, 1981.

43. Альтшуллер Г.С. Найти идею: введение в теорию решения изобретательскихзадач. — Новосибирск: Наука, 1986. — 209с.

44. Альтшуллер Г.С. Творчестве как точная наука: теория решения изобретательскихзадач. — М.: Советское радио, 1979. — 184с.

45. Альтшуллер Г.С., Злотин Б.Я. Зусман А.В. Теория и практика решения изобретательскихзадач. Метод. рекоменд. — Кишинев, 1989. — 125с.

46. Янг Э. Прогнозирование научно-технического прогресса. — М.: Прогресс,1974.

47. Блауберг А.В., Юдин Э.Г. Становление и сущность системного подхода. — М.:Наука, 1973. — 272с.

48. Автономов В.Н. Создание современной техники. Основы теории и практики. — М.: Машиностроение, 1991. — 304с.

49. Проблемы управления интеллектуальной деятельностью. — Тбилиси, 1974.

50. Амосов Н.И. и др. Автоматы и разумное поведение. — Киев, 1973.

51. Рейтман У. Познание и мышление. — М., 1968.

52. Поникаров В.С. Наука и мистицизм в ХХ в. — М.: Мысль, 1990. — 219с.

53. Богданов А.А. Тектология. Всеобщая организационная наука. — М., 1989.

54. Капитонов Е.Н. Системный подход в технике. Учебное пособие. — Тамбов: Изд-воТГТУ, 1996. — 62с.

7. Законы развития и строения техники

Сегодня существует около тридцати определений слова «техника».Одно из наиболее удачных определений дал И.Я. Конфедаратов: «Техника естьсовокупность средств труда, созданных на основе познания законов природы длятого, чтобы, направляя энергию природы на ее вещество, производить материальныеблага и защищать свою страну» [1].

Таким образом, для создания новой техники необходимо знаниезаконов природы и, как будет показано ниже, законов общества и техники.

А, прежде всего, необходимо дать определение самой категории«закон».

7.1. Определение закона

Наиболее развернутое определение понятия «закон» предложилЛ.А. Друянов [2]. По его мнению, любой объективный, т.е. не зависящий от воли исознания людей, закон имеет следующие две характерные черты:

Всякий объективный закон носит необходимый характер, закономернаясвязь всегда является в то же время необходимой связью, которая, в отличие отслучайной связи, при наличии определенных условий неизбежно должна иметь место.

Важнейшей чертой всякого объективного закона является еговсеобщность. Объективный закон относится не к отдельному объекту, а к совокупностиобъектов, составляющих определенный класс, вид, множество, определяя характерих функционирования и развития.

Поскольку всякий закон носит необходимый и всеобщийхарактер, поскольку он осуществляется всегда и везде, когда и где для этогоимеются сходные объекты к соответствующие условия, постольку, следовательно, закономерныесвязи будут устойчивыми, стабильными, повторяющимися.

Отсюда следует, что закон — это необходимое, существенное,устойчивое, повторяющееся отношение (связь) между явлениями в природе и обществе.

Из всего разнообразия объектов в окружающей нас среде можноориентировочно выделить четыре более или менее равновеликих по распространенностикласса объектов. Это — объекты неживой природы, объекты «живой природы»(биологические), совершенно особое сообщество мыслящих существ — люди ирезультат их разумной деятельности, класс искусственных объектов — техника.

Накопленные людьми знания позволяют сказать, чтозакономерность существования неживой природы определяется законами физики,химии и наук, развивающихся на их основе; закономерность существования живой природыопределяется законами биологических наук.

Существование человеческого общества не вписывается вбиологические закономерности и определяется законами жизни и развития общества.Конечно, на человеческое общество распространяются основные законы биологии: размножение,приспособление к среде, обмен веществ, закон наследственности и т.д.

Однако, как заметил Д. Льюис, эволюция человека больше неявляется биологической эволюцией и прежние формы изменчивости и борьбы за выживаниеимеют для него ограниченное, второстепенное значение. Основной движущей силойизменения становится формирование людьми своей материальной жизни, ее уровня,за счет производства средств к жизни и воспроизводства самого человека.

Таким образом, в общественных отношениях действуют как естественные,так и производственные факторы. Специфические законы общества органическисливаются с общими законами природы, придают им новое качественное содержание. Подвлиянием таких факторов, как труд, производство, распределение, обменпродуктами труда, потребление, языковое общение, сознание и т.д. органическаяформа движения материи сбросила свою животную специфику и приобрела качественноболее высокую социальную форму своего проявления [3]. Аналогично природе иобществу, должны существовать законы техники, неразрывно связанные с законамиприроды, как это следует из определения техники, столь же неразрывно связанныес законами развития общества, поскольку цель создания техники — удовлетворениезапросов общества, и в то же время законы объективные, т.е. присущие самойтехнике и не зависящие от воли людей.

Все законы природы, безусловно, являются объективными и независят от воли человека.

Например, пропорциональность между деформациями и напряжениями,действующими в металлической детали, существует независимо от того, знаем мызакон Гука или нет. В человеческом обществе, наряду с объективными законами егоразвития, действуют также юридические законы и законы морали.

Под юридическим законом подразумевают нормативный правовойакт, изданный высшим органом государственной власти в установленном порядке,регулирующий основные общественные отношения и обладающий высшей юридическойсилой.

Юридические законы могут существенно различаться в различныхстранах.

Эти законы оказывают некоторое влияние на развитие техники,что находит свое выражение, например, в стандартах.

Законы морали представляют собой совокупность принципов инорм поведения, характерных для представителей того или иного общества или социальнойгруппы.

В отличие от правовых норм, на страже соблюдения которыхстоят органы государства, соблюдение нравственных норм обеспечивается силой общественноговоздействия.

Юридические законы и законы морали не являются результатомпроизвольной, не обусловленной объективными требованиями, деятельности людей.

Важнейшая особенность социальной деятельности людей состоитв том, что в процессе этой деятельности наряду с естественными возникают новые«искусственные» материально-производственные факторы, к которымотносятся производительные силы и производственные отношения, составляющие всовокупности способ производства материальных благ; идеологическая надстройка; материальныеблага, созданные в результате труда.

Эти искусственные факторы явились закономерным результатом активногоприспособления людей к условиям естественной среды [3].

Возникнув же в результате трудовой деятельности человека,они превратились в активный фактор формирования всей человеческой структуры,привели к возникновению общественно-экономических формаций, каждая из которыхсоздает свой механизм самозащиты в виде формирования соответствующего права иморали. Таким образом, в социальной жизни содержатся естественные основы.

Настоящая работа, посвящена рассмотрению лишь объективныхзаконов, определяющих строение и развитие техники.

Следует заметить, что по сфере действия различают триосновные группы законов.

Специфические или частные законы. Примером может служитьзакон сложения скоростей изучаемый в механике.

Законы, общие дм больших групп явлений. Примером являетсязакон естественного отбора, действующий в живой природе. Аналог этого закона — закон прогрессивной эволюции — действует в области техники

Всеобщие или универсальные законы. К этой группе относятсязаконы диалектики:

закон единства и борьбы противоположностей;

закон отрицания отрицания;

закон перехода количества в качество.

Сюда же относится универсальные законы экологии:

все связано со всем;

природа знает лучше;

ничто не дается даром;

все должно куда-то даваться.

К всеобщим законам, очевидно, следует отнести и принципнаименьшего действия, который Ферма определил следующим образом: Природа действуетнаиболее легкими и доступными путями.

Лейбниц, пожалуй, более точен в своем определении: устройствоприроды должно проявляться как максимум добра (полезного эффекта) и минимумдействия во всех процессах. Особенно глубоко этот принцип разработан ввариационном исчислении, где известен как принцип Гамильтона-Остроградского.

Всеобщим законом следует считать и второе началотермодинамики, т.е. закон монотонного возрастания энтропии при протекании любыхпроцессов во Вселенной.Л. Больцман предложил следующуювероятностно-статистическую формулировку второго начала термодинамики: «Изменение,которое может произойти само собой, есть переход от менее вероятного состоянияк более вероятному состоянию» [Неуймин Я.Г. Модели в науке и технике. — Л.:Наука, 1984. — 189с.]. (Энтропия — мера вероятности пребывания системы в денномсостоянии. Числено определяется как отношение количества теплоты, сообщенногосистеме или отведенного от нее, к термодинамической температуре системы)

По утверждению В.Е. Хаина [24], с которым согласен и автор,основные принципы системного анализа — иерархия систем, их эмерджентныесвойства, принцип обратной связи — имеют значение, равное законам диалектики, ислужит их естественным дополнением. То же относится к выдвинутой И.Р. Пригожиным[25] концепции самоорганизации, саморазвития открытых неравновесных систем. Ведьк этой категории относятся все системы, обменивающиеся веществом, энергией,информацией с внешней средой, т.е. все объекты живой природы и вся техника.

Очевидно, требует объяснения использованное выше понятие«Эмерджентные свойства». Этот термин обозначает, что система можетобладать свойствами, возникающими только в самой этой системе, и не присущимини одному из входящих в систему элементов. Всеобщими являются законы сохранения:

закон сохранения и превращения энергий;

закон сохранения массы.

Приведенные примеры всеобщих законов дают достаточное у представлениеоб этой категории.

Между общими и частными законами существует диалектическаявзаимосвязь: общие законы действуют через частные, а частные представляют собойпроявление общих законов, носят объективный характер, существуют независимо отсознания людей.

Частные законы изучаются частными естественными,техническими и общественными науками. Использование частных законов в техникеочевидно: каждый элемент любого технического объекта осуществляет тот или инойфизический принцип действия. Таким образом, на уровне частных законов необходимостьвыделения каких-то особых законов развития техники не является очевидной.

Универсальные законы составляют основу мировоззрения и распространяютсяв равной мере, как на природные, так и на технические объекты.

С примерами проявления, в частности, закона единства иборьбы противоположностей в химической технике можно ознакомиться в работе [4].

Таким образом, общие законы развития техники относятся ковторой группе объективных законов. Сам факт существования таких законов сегодняможно считать общепризнанным. Это отмечает Ю.С. Мелещенко [5]: «Техникаобразует специфический, относительно самостоятельный класс общественныхявлений, что, в свою очередь позволяет ставить вопрос о существовании соответствующегоспецифического класса законов и закономерностей, которые свойственны технике ине относятся к другим общественным явлениям». Аналогичные точки зрениявысказывали Г.И. Шеменев, В.И. Белозерцев [6] и другие философы, занимавшиесяпроблемами техникознания.

Однако здесь есть предмет для размышления. Оченьпродолжительный каменный век, когда не существовало связей между весьмаудаленными друг от друга народами, в частности, жившими на разных континентах,не существовало науки как средства теоретического осмысления действительности,характеризуется поразительным единообразием орудий труда.

На чем же основывается это единство строения различныхклассов технических объектов?

По мнению В.И. Белозерцева [7], общность технических средствопределяется общностью свойств, сил и законов природы, лежащих в основетехники, общностью закономерностей развития материального производства и зависящихот него условий социальной жизни, общностью биологических и социальныхпотребностей человека, орудием удовлетворения которых служит техника, общностьювытекающих из всех факторов требований к функциям технических средств и их формам,общностью развития человеческого познания, принципов и закономерностейтехнического творчества.

Таким образом, первоосновой является закон природы. Вприроде, в естественных условиях этот закон действует, как указывалось выше,безотносительно к тому, знают его люди или нет. Однако для того, чтобы создатьискусственное творение — технику, базирующуюся на том или ином законе природы,человек должен познать этот закон и научиться использовать его в своихинтересах. Отсюда следует, что законы техники вторичны по отношению к законамприроды и проистекают из законов природы.

Развитие техники, появление сложных искусственныхтехнических систем приводит к проявлению и таких законов техники, которые неимеют аналогов в природе.

Таковы две особенности законов техники, которые подтверждаютобъективность их существования.

Отметим в заключение, что все законы техники делятся назаконы строения техники или структурные законы, которые выражают существеннуюсвязь между расположенными в пространстве элементами и не отражают возможнойтенденции развития технического объекта, и законы развития техники, выражающиетенденцию, направленность или порядок следования событий во времени (например,последовательный рост КПД, единичной мощности технического объекта (ТО) и т.д.).

7.2. Эволюция представлений о всеобщей связи явлений в развитии природы иобщества

Существуют многочисленные публикации, посвященные изучению историиоткрытия людьми естественных законов, действующих в природе и обществе. Вчастности, можно отметить работу В.Н. Панибратова [1]. Поэтому в настоящейработе упоминаются лишь отдельные этапы, оставившие заметный след в этойистории.

Исторически первой формой отражения всеобщей связи явленийбыла мифология.

Мифы — это произведения народной фантазии, представляющиесобой наивную попытку объяснить реальный мир, окружающий человека.

В мифологическом мировоззрении мышление первобытногочеловека пытается построить воображаемую картину природы, аналогичную тому обществу,в котором он живет; Как отмечал советский философ Ф. X. Кессиди [9], вмифосознании нет ничего определенного, устойчивого, ограниченного иоформленного… Мифологическое воображение игнорирует реальные причинные связи,не различает природное и человеческое, естественное и сверхъестественное,чувственное и сверхчувственное, смешивает фантастическое с реально существующим,желаемое с действительным.

Тем не менее, чисто эмпирическое, интуитивное использованиезаконов природы в создании техники уже имело место. Так, появление дубины вруках охотника или воина, по существу было олицетворением закона Ньютона, согласнокоторому сила (удара в данном случае) равна произведению массы на ускорение. Массаувеличивалась за счет дубины, ускорение — за счет увеличения радиуса движенияцентра массы вследствие определенной длины дубины.

Идеи античной мифологии нашли отражение в произведенияхдревнегреческих поэтов Гесиода и Гомера.

Гесиод, живший в 8 в. до н.э., самый древний поэт Греции,имя которого дошло до наших дней, высказал мысль, что «И от темной земли,и от Тартара, скрытого в мраке, и от бесплодной пучины морской, и от звездногонеба все залегают один за другим и концы, и начала...» Это, по существу,идея о едином всеобщем первоначале, которая, под названием АРХЭ стала конституирующейидеей зарождающейся философии.

Гомер высказал представление о господстве судьбы или «мойры»,как он ее назвал. Это было, по существу, зарождением понятия необходимости,которое в последующем явилось предпосылкой идеи закономерности в природе.

Следует заметить, что в неразрывной связи с мифологиейвозникла и религия, с помощью которой люди тоже пытаются осмыслить мир и собственноесуществование.

Следующий шаг в осмыслении окружающего нас мира был сделан вVI — IV веках до н.э. в учении пифагорейцев, которые впервые высказали идею всеобщейзакономерности вселенной, подчиняющейся строго определенным математическимзаконам.

Это не привело к торжеству науки — на смену мифологии пришлапифагорейская мистика чисел.

Поэтому узловым пунктом в формировании идеи закономерностипринято считать не учение пифагорейцев, а учение Гераклита о логосе (V век до н.э). Под логосом Гераклит понимал универсальную осмысленность, ритм и соразмерностьбытия.

Демокриту принадлежит следующее утверждение: «Необходимознать, что смерть — всеобщий закон, что борьба и есть справедливость, что всевозникает в борьбе по непреложному закону необходимости». Таким образом,ему удалось очень близко подойти к пониманию одного из законов диалектики, открытогона много веков позднее.

Анализируя все сказанное выше, можно утверждать, что вантичной греческой философии идея закономерности приобрела значительную определенность.

С наступлением времени христианства для идеи естественногозакона не остается места. Упоминания о законах природы исчезают. Один из отцовцеркви Августин Блаженный (354 — 430 г. г) объявил всеобщим законом волю бога,которая целиком свободна и недоступна ни познанию, ни какому бы то ни быловнешнему влиянию, так что, например, судьба человеческой души в загробном миреопределяется богом независимо от хорошего или дурного поведения человека [8].

Первым из средневековых мыслителей обращается к термину«закон природы» известный теолог ХIII в. Фома Аквинский. По егоопределению «закон природы» есть не что иное, как внушенный нам богомумственный свет, посредством которого мы, знаем, как надо вести себя и как надожитъ" [8]. Общее понятие закона тождественно в учении Фомы понятиюдиктата, предписания, веления. Разум, существующий в божественном духе, Фома называет«вечным законом»; и этот же разум, «так как он всем управляет…содержит в себе законы природы».

По мере развития капитализма и буржуазной государственностиконцепция христианского бога-самодержца, произвольно манипулирующего природнымиявлениями, постепенно сходит со сцены. Под законами природы начинают пониматьобщие и внутренние необходимые связи и отношения самих вещей и явлений природы.

Происходит становление особой гносеологической формы — закона науки как универсальной формы теоретического отражения действительности.Усложнение техники и технологии, диктуемая законами конкуренции необходимостьих максимально эффективного использования и постоянного совершенствованияпотребовали нового уровня теоретического знания.

Эмпиризм уже не обеспечивал нужных решений. Для анализарезультатов опыта и даже самой его постановки были необходимы руководящиенаучные положения: требовалось знание, которые сочетало бы в себе достоинства ивсеобщности, и конкретности, которое обладало бы и объясняющей, и прогностической,и эвристической способностями. В самой науке по мере ее развития складываетсянеобходимость в создании обобщающих теорий. Таков круг оснований, породившихклассическую науку, а вместе с нею и научный закон.

Первые положения, названные впоследствии законами науки,встречаются в трудах И. Кеплера и Г. Галилея (XVI — XVII в).

Начало широкому употреблению понятия «закон природы»в науке нового времени положено Р. Декартом (1596 — 1650 г. г). Он говорит озаконах природы как о «вторичных» (после бога) причинах всех видимыхнами движений. Согласно Декарту, важнейшими атрибутами закона природы являютсянеизменность и вечность, благодаря чему его познание позволяет априори «предсказывать»действия по их причинам.

Для XVII — XVIII в. в. характерно широкое применение понятиязакона в социально-политических теориях. По аналогии с естествознанием, позволившим,благодаря открытию законов природы, рационализировать многие сферы практическойдеятельности, мыслители этого времени стремятся открыть «естественныезаконы» человеческой природы, и общежития, с тем, чтобы рационализироватьобщественное устройство.

Так, Т. Гоббс (1588-1679), развивая идеологическую доктринуранней буржуазии — теорию естественного права, кладет в ее основу понятие естественногозакона.

Согласно Гоббсу, человек как часть природы, как материальноетело подчинен ее всеобщему закону — стремлению к самосохранению. Однако вобществе на пути осуществления этого закона встает специфическое свойствочеловеческого рода — взаимная агрессивность индивидов. Разрешение возникающегопротиворечия достигается благодаря разумности человека. Разум предписываетчеловеку определенные правила общежития, которые Гоббс и называет естественнымизаконами. (Здесь закон — веление, предписание).

Французские философы-материалисты XVII — XVIII в. в. пришлик правильному решению вопроса об источнике закономерности природных явлений. СогласноЖ. Мелье «все существующее в природе может создаваться естественнымизаконами движения и путем сочетания, комбинации и модификации частей материи»[1].

П. Гольбах (1723 — 1789 г. г) обратил внимание наструктурность и системность. Структурность и системность, по его мнению,являются атрибутами как всей природы в целом, так и каждой из ее частей. Системностьприроды реализуется в форме существования всеобщих ее законов, а системностьчастей — в форме специфических законов. Отдельные «системы существ зависятот общей системы, от великого целого». В то же время «всякая вещьможет действовать и двигаться только определенным образом, т.е. согласнозаконам, зависящим от ее собственной сущности, собственного сочетания исобственной природы». Отсюда — необходимость взаимосвязи общих и специфическихзаконов.

Большой вклад в развитие категории «закон» внесГегель. Едва ли не главной его заслугой в этом вопросе является раскрытиеэволюции научного познания от простейших эмпирических законов к теоретическим. Нов контексте настоящего изложения следует отметить, что Гегель постоянно подчеркиваянесовершенство законов, открываемых эмпирическим естествознанием, поскольку они«не содержат в себе доказательства своей необходимости». Учтем этопри последующем рассмотрении законов развития техники.

Важный шаг сделал Л. Фейербах, который с последовательноматериалистических позиций отстаивал объективность законов природы, их первичностьи определяющую роль по отношению к сознанию.

В трудах К. Маркса и Ф. Энгельса концепция закона получаетновое содержание. Это связано, в частности, с открытием К. Марксом особого типаобъективных законов — законов общественного развития.

Именно в этой области особенно четко видно, что любой конкретныйзакон зависит в своем возникновении и существовании от определенных материальныхусловий. Сначала он существует поэтому лишь как и возможность только сизменением условий переходит в действительное существование «Движущая силасоциальной анархии производства, — говорит Ф. Энгельс, характеризуя буржуазнуюэкономику, — превращает возможность бесконечного усовершенствования машин… впринудительный закон для каждого отдельного промышленного капиталиста, в закон,повелевающий ему беспрерывно совершенствовать свои машины под страхом гибели. Считаяэто недостатком капитализма, И.В. Сталин выдвинул тезис об отсутствииморального старения техники при социализме. Действительно, монополизацияпроизводства техники с одной стороны, высокая степень изоляции от капиталистическогомира с другой, ликвидировали конкуренцию и это, в конечном счете, привело котставанию СССР от Западного мира во многих мирных областях техники. И это неисключение. Япония, пытавшаяся в прошлые века жить изолированно от мира, тожерасплачивалась за это технической отсталостью. Интенсивные меры, предпринятыеею, начиная с 20-х г. г. нашего столетия, по укреплению деловых международныхконтактов помогли Японии выдвинуться в число передовых в техническом отношениистран мира.

Заметим, что приведенное выше высказывание Ф. Энгельса обусовершенствовании техники базируется исключительно на понятиях объективносуществующих законов природы и законов общественного развития.

Ему не потребовалось вводить новую категорию — законыразвития техники.

Классики марксизма выдвинули и обосновали положение обисторичности законов природы и общества. Демонстрируя необходимость историческогоподхода, а также диалектическое единство необходимости и случайности, Энгельс вкачестве образца научного подхода приводит теорию Дарвина, революционностькоторой состоит в новом понимании вида. Если раньше вид представлялся вкачестве неизменной, абсолютно устойчивой формы, безразличной к случайнымвнутривидовым различиям, то суть дарвиновской концепции состоит, прежде всего,в истолковании вида, как изменяющегося, развивающегося на базе этихслучайностей, в понимании его как внутренне противоречивого единствапротивоположных тенденций наследования и изменения признаков. Тем самымизучение видов как предмет биологии превращается в исследование их истории, ихотносительной необходимости, пробивающейся через массу случайностей ивыступающей как их внутренний закон.

Указанная историчность законов нашла отражение в определениизакона, данном в „Философской энциклопедии“: „Закон… необходимая,внутренне присущая природа явлений реального мира тенденция изменения,движения, развития, определяющая общие этапы и формы процесса становления исамоорганизации, конкретных развивающихся систем явлений природы, общества идуховной культуры человечества“.К. Маркс, посвятивший несколько летизучению истории и теорий машин, дал формулировку некоторых законов техники.

Его формулировки носят лишь качественный характер. Позднееэти законы получили математическую аппроксимацию и дальнейшее развитие, в частности,в работах А.И. Половинкина, но, тем не менее, заслуги К. Маркса в открытиизаконов техники нельзя недооценивать. Ниже приводятся данные К. Марксомформулировки открытых им законов техники [10].

К. Маркс сформулировал закон возникновения и возрастанияпотребностей-функций, т.е. тех потребностей, которые реализуются с помощью новыхтехнических средств. Формулировка К. Маркса такова.

Когда возникает потребность, которая уже не может бытьудовлетворена старыми техническими средствами, когда удовлетворение потребностидает прибавочную стоимость и когда материальные условия ее решения уже имеютсяналицо или, по крайней мере, находятся в процессе становления, тогда неизбежносоздают (изобретают) новые технические средства, удовлетворяющие эту потребность.Удовлетворенная первая потребность, действие удовлетворения и уже приобретенноеорудие удовлетворения ведут к новым потребностям, и это порождение новыхпотребностей является первым историческим актом в создании новых техническихсредств.

К. Марксу принадлежит открытие закона постоянного развитиятехники, согласно которому техника развивается постоянно, только исключительныесобытия могут на некоторое время затормозить ее развитие. При этом военнаятехника развивается быстрее, чем техника мирного применения.

Изучая проблемы развития общества и экономики, благодаря комплексномурассмотрению развития средств производства и мировой техносферы, Маркссформулировал два закона развития техносферы:

Закон ускоренного развития средств производства:

Разделение труда неизбежно влечет за собой еще большееразделение труда, применение машин — более широкое применение машин, производствов крупном масштабе — производство в еще более крупном масштабе, поскольку, чембольше разделение труда, концентрация технических средств и масштабыпроизводства в одном месте, тем ниже себестоимость производимой продукции.

Этот закон действовал в докапиталистических формациях,действует и ныне.

Закон развития техносферы.

Технический прогресс одной отрасли техники (или одногокласса технических объектов) вызывает потребность прогрессивного развитиядругих отраслей (классов ТО), которые связаны с первой и имеют более низкий техническийуровень и относительно низкую производительность труда.

Например, развитие радиоэлектроники потребовало болееглубокой очистки полупроводниковых материалов.

К. Маркс сформулировал также некоторые закономерностиразвития техники.

Закономерность сохранения и преодоления старых форм. Первыеобразцы принципиально новых по конструкции машин сохраняют формы старых,заменяемых ими орудий и только с дальнейшим развитием… и накоплениемпрактического опыта форма машины начинает всецело определяться принципамимеханики и потому совершенно освобождается от старинной формы того орудия,которое превращается в машину.

Закономерность создания машин. Многие машины создаются путемпреобразования ручного орудия, в результате которого рабочий орган (инструмент)при сохранении старой функции и формы увеличивается в размерах и становится неорудием человека, а орудием машины, имеющей двигатель. Так, например, на сменулопате приходит экскаватор.

Закономерность создания машины, связанная со специализациейтехники. Мануфактурный период упрощает, улучшает и разнообразит рабочие инструментыпутем приспособления их к исключительным особым функциям частичных рабочих. Темсамым он создает одну из материальных предпосылок машины, которая представляетсобою комбинацию многих простых инструментов.

Закономерность исторического развития технических объектов. Простыеорудия, накопление орудий, сложные орудия, приведение в действие сложногоорудия одним двигателем — руками человека, приведение этих инструментов вдействие силами природы; машина, система машин, имеющая автоматическидействующий двигатель.

Переходя к современному этапу эволюции представлений озаконах техники, следует заметить, что существенный вклад в этот вопрос внес Ю.С.Мелещенко [5], отметивший следующие закономерные тенденции в развитии техники:

постоянное расширение ассортимента природных материалов,применяемых в технике;

создание новых материалов;

постоянное совершенствование свойств применяемых материалов;

постоянное снижение удельного расхода материалов в техническихобъектах;

использование новых физических, химических и биологическихпринципов действия;

использование все более глубинных и мощных источников энергии;

постоянный рост интенсивности применяемых процессов за счетповышения таких параметров как давление, температура, скорость, напряжение и т.д.;

постоянное возрастание целенаправленности использованияэнергетических и др. ресурсов, повышение КПД;

углубление дифференциации и специализации средств труда итехнических систем, их элементов;

последовательное усложнение технических объектов и их интеграцияв органически соединенные комплексы;

повышение уровня механизации и автоматизации трудовых процессов.

Оригинальное исследование провел С.А. Семенов [11], которыйна основе изучения техники каменного века сумел выявить и сформулировать законыразвития техники, не потерявшие значения и сегодня:

рост механической мощности и КПД орудий, расширение источниковэнергии;

увеличение скорости движения;

повышение точности и прецизионности;

автоматизация орудий труда;

дифференциация орудий труда;

специализация и расширение производства;

усложнение орудий:

упрощение орудий;

появление новых конструкционных материалов;

появление новых технологий;

устойчивое сохранение и использование старых орудий труданаряду с новыми, более совершенными.

Г.С. Альтшуллер [12], работая над созданием теории решенияизобретательских задач, открыл еще ряд законов техники, к которым относятся следующие.

Закон условий принципиальной жизнеспособности техническойсистемы.

Условиями принципиальной жизнеспособности ТС являются:

наличие и минимальная работоспособность основных частей системы;

сквозной проход энергии по всем частям системы;

согласование ритмики (частоты колебаний, периодичности) всехчастей системы.

Закон увеличения степени идеальности системы. Развитие всехсистем идет в направлении увеличения степени идеальности, т.е. приближения кидеальному техническому решению. При этом техническое решение считаетсяидеальным, если оно имеет одно или несколько из следующих свойств:

размеры ТО приближаются или совпадают с размерами обрабатываемогоили транспортируемого объекта, а чистая масса ТО намного меньше массы обрабатываемогообъекта;

масса и размеры ТО или его главных функциональных элементовприближаются к нулю, а в предельном случае равны нулю (когда устройства вообщенет, но необходимая функция выполняется);

время обработки объекта приближается к нулю или равно нулю;

КПД приближается к единице или равен единице, а расход энергииприближается к нулю или равен нулю;

ТО функционирует бесконечно длительное время без ремонта иостановок;

ТО функционирует без человека или при его минимальном участии;

ТО не оказывает отрицательного влияния на человека и окружающуюсреду.

Закон неравномерности развития частей системы: чем сложнеесистема, тем не равномернее развитие ее частей.

Закон перехода в надсистему. Исчерпав возможности развития,система включается в надсистему в качестве одного из се элементов; при этом дальнейшееразвитие идет на уровне надсистемы.

Закон перехода с макроуровня на микроуровень. Развитие рабочихорганов системы идет сначала на макро-, а затем на микроуровне.

Закон увеличения степени вепольности.

Под веполем автор понимает минимальную техническую систему,состоящую из трех элементов: обрабатываемого вещества, обрабатывающего вещества(инструмента) и поля. Таким образом, увеличение степени вепольности означаетповышение сложности технического объекта, создание технических систем,включающих все большее количество веполей.

Исследованием и формулированием законов техники кроменазванных авторов занимались также Я. Дитрих [13], А.Ф. Каменев [14] и др.

Анализ работ названных выше авторов позволяет отметитьследующее:

все перечисленные законы и закономерности носят чисто эмпирическийхарактер и не содержат попыток теоретического обобщения;

перечисленные законы носят качественный характер и не позволяютдать их количественную оценку;

законы, сформулированные разными авторами сильно различаютсяпо степени подробности изложения и глубине обобщения.

Поэтому понятна актуальность унификации требований кформулированию законов техники и необходимость повышения теоретического уровняосмысления законов техники.

Выполнение этих задач взял на себя А.И. Половинкин [15, 16],результаты работы которого изложены ниже.

7.3. Требования к отбору и формулировке законов техники

А.И. Половинкин [16] предложил следующие общие требования,которым должны удовлетворять законы техники.

Формулировка закона должна быть по форме лаконичной, простой,изящной, а по содержанию отвечать определениям закона [3, 2].

Формулировка закона техники должна быть обобщенной и отражатьочень большое число известных и возможных фактов, т.е. закон должен допускатьэмпирическую проверку на существующих или специально полученных фактах, имеющихколичественную или качественную форму. При этом формулировка закона должна бытьнастолько четкой, что два человека, независимо подбирающие и обрабатывающие фактическийматериал, должны получить одинаковые результаты проверки.

Формулировка закона должна не только констатировать, чтогде, когда происходит (т.е. упорядочивать, и сжато описывать факты) но еще повозможности отвечать на вопрос, почему так происходит.

Формулировка закона должна быть автономно независимой, т.е. кзаконам относятся лишь такие обобщенные высказывания, которые не могут быть логическивыведены из других законов техники.

Формулировка закона техники должна учитывать взаимосвязи: техника- предмет труда, человек — техника, техника — природа, техника — общество.

Формулировка закона техники должна иметь предсказательнуюфункцию, т.е. предсказывать новые неизвестные факты, которые могут быть достаточноочевидными, а иногда парадоксальными.

Формулировка всех законов техники должна иметь четкую определеннуюединую понятийную основу.

Законы техники должны основываться на реализации потребностейчеловека и являются по своей сущности законами целеосуществления.

Законы техники объединяются принципом сопряжения возможностейтехники с возможностями человека.

Законы техники должны отражать принцип технологичности, т.е.новая конструкция должна быть такой, чтобы ее можно было осуществить при помощисуществующих средств производства на основе существующей технологии.

Законы должны отражать социально-экономическую целесообразностьсоздаваемой техники.

Законы техники могут иметь качественную или количественнуюформулировку.

Главная функция законов техники — быть явно полезными прирешении задач анализа существующих ТО и создания новых ТО, прогнозирования развитияопределенного класса ТО и пр.

В соответствии с изложенными требованиями ниже сформулированряд законов техники. Большинство из них приводит А.И. Половинкин в работах [15,16].

7.4. Законы развития техники7.4.1 Закон прогрессивной эволюции техники

Действие закона прогрессивной эволюции в технике аналогичнодействию закона естественного отбора, который Ч. Дарвин открыл в живой природе.

Закон имеет следующую формулировку. В технических объектах содинаковой функцией переход от поколения к поколению вызван устранениемвыявленного главного дефекта (дефектов), связанного, как правило, с улучшениемкритериев развития, и происходит при наличии необходимого научно-техническогоуровня и социально-экономической целесообразности следующими наиболеевероятными путями иерархического исчерпания возможностей конструкции:

а) сначала при неизменном физическом принципе действия итехническом решении улучшаются параметры ТО до приближения к глобальномуэкстремуму по значениям параметров;

б) после исчерпания возможностей цикла а) происходит переходк более рациональному техническому решению (структуре), после чего развитиеопять идет по циклу а). Циклы а) и б) повторяются до приближения к глобальномуэкстремуму по структуре для данного принципа действия;

в) после исчерпания возможности циклов а) и б) происходитпереход к новому физическому принципу действия, после чего развитие опять идетпо циклам а) и б). Циклы а) и б) повторяются до приближения к глобальномуэкстремуму по принципу действия для множества известных физических эффектов.

При этом в каждом случае перехода от поколения к поколению всоответствии с частными закономерностями происходят изменения конструкции,корреляционно связанные с характером дефекта у предшествующего поколения, а извсех возможных изменений конструкции реализуется в первую очередь то, котороепозволяет устранить дефект при минимальных интеллектуальных и производственныхзатратах, т.е. здесь проявляется принцип наименьшего действия [15, 16].

В формулировке закона использовано понятие „глобальныйэкстремум“. Математически строгое определение этого термина дается вматематической дисциплине, называемой вариационным исчислением. Смысл терминаможно понять, исходя из следующего рассуждения. Функции нескольких переменныхмогут иметь экстремумы, соответствующие определенным комбинациям значенийпеременных. Это — локальные экстремумы. Очевидно, что множество локальныхэкстремумов позволяет выделить общий для них глобальный экстремум функциинескольких переменных.

В процессе совершенствования объекта в рамках одногофизического принципа действия критерии развития обычно меняются не равномерно. Впервое время после перехода от одного цикла к другому рост совершенствуемогокритерия экспоненциально ускоряется, а потом затухает, что собственно, иговорит об исчерпании данного цикла. Поэтому зависимость значения критерияразвития от времени /> имеет S-образнуюформу и называется S-функцией. Иногда ее называют жизненным циклом изделия.

Интересно отметить, что такая форма жизненного цикласвойственна не только техническим объектам, но и объектам природы. Она иоткрыта была в 1845 г. Верхолстом при изучении кривых роста популяций живых существ.

Рост популяций в заданной среде описывается дифференциальнымуравнением [23]:

/>,

где К — коэффициент, характеризующий рождаемость; D — коэффициент, характеризующий смертность; N — коэффициент,характеризующий способность поддерживать популяцию.

Рис.7.1 Рост народонаселения на земле

В качестве примера на рис.7.1 приведена кривая ростанародонаселения на земном шаре с 1850 г., с учетом прогноза до 2075 г.

Рис.7.2 Динамика производительности колонн синтеза аммиака.

На рис.7.2 показана динамика, за период с 1910 г. до 1990 г.,производительности колонн синтеза аммиака. Из рис.7.2 следует, что физическийпринцип действия, заложенный Ф. Габером в основу связывания атмосферного азотас получением аммиака на катализаторе при высоком давлении, использован допредела. Создавать реакторы более высокой производительности на этом принципене позволяют мощности современного станочного оборудования, транспортныеустройства и др.

Поэтому сейчас исследуются другие принципы: микробиологическоесвязывание азота, плазмохимические процессы и др.

Аналогичный характер носит динамика процессов, происходящихв экономике — рост объемов производства, потребления энергоресурсов и т.д. Этодемонстрирует рис.7.3.

Рис.7.3 Динамика потребления энергии в мире (млрд. т. усл. т)

Самое важное приложение закона прогрессивной эволюциизаключается в построении на его основе методологии системного иерархического выбораглобально-оптимальных конструкторско-технологических решений — от выборарациональной функциональной структуры до оптимального технического решения.

Методология ориентирована на изучение и использование всехвозможных путей улучшения ТО. Если при этом решение каждой задачи будет выполнятьсяс достаточно полным информационным обеспечением и будет находиться глобальнооптимальное решение, то можно гарантировать, что создаваемый ТО по уровню будетсоответствовать мировым достижениям.

Следует заметить, что для перехода к использованию новогофизического принципа действия не всегда нужно ждать исчерпания ресурсов ужеиспользуемого физического принципа действия (ФПД).

Если при наличии необходимого научно-технического потенциалапереход к новому техническому решению или принципу действия обеспечиваетполучение дополнительной эффективности, существенно превышающей дополнительныеинтеллектуальные и производственные затраты, то может произойти скачок к новомутехническому решению или принципу действия и без исчерпания возможностейсовершенствования старого технического решения. Нередко это приводит кпараллельному развитию выполнения одинаковых функций на основе разных ФПД. Например:получение электроэнергии на тепловых и атомных электростанциях; совершенствованиетепловозов и электровозов; строительство кирпичных и панельных жилых домов.

Большое практическое значение в рамках рассматриваемогозакона имеет изучение закономерности изменения критериев развития на протяжениииспользования одного принципа действия, т.е. изучение S-функций.

Это позволяет установить, насколько недоиспользованывозможности реализованного в техническом объекте ФПД, Если эти возможностиимеют значительные резервы, на основе прогнозирования, базирующегося на экстраполяцииS-функции, можно сформулировать конкретное задание на улучшение основныхпоказателей ТО.

Если же анализпоказывает, что возможности применяемого принципа действия практически исчерпаны,делается вывод о необходимости поиска нового ФПД.

Для осуществления экстраполяции S-функции удобнее иметь неграфик или таблицу, а аналитическую аппроксимацию функции.

Известно несколько методов аналитического описания S-функции[17]:

логистическая функция или кривая Перля-Рица

/>;

запаздывающая логистическая функция

/>;

63-процентная функция

/>;

формула Гомпертца

/>;

формула Джонсена

/>;

квадратичная логистическая функция

/>.

В перечисленных выражениях K,b, c — константы, t — время. Недостатком этих формул является их „жесткость“, обусловленнаяналичием трех констант, что снижает точность аппроксимации.

А.И. Попов и Е.Н. Капитонов в результате компьютерногоанализа достаточно значительного количества статистических данных получилиуравнение:

/>, (7.1)

где К — коэффициент, характеризующий интервализменения у между двумя перегибами S-функции; b — коэффициент,характеризующий продолжительность временного интервала (т.е. измененияаргумента t) между двумя перегибамиS-функции; с — коэффициент, соответствующий времени появления первогоперегиба S-функции; D — коэффициент, характеризующий исходное значениефункции у.

Следует заметить, что прогнозирование по S-функции,называемое иначе статистическим прогнозированием, является наиболее старым и распространенным,но далеко не единственным методом прогнозирования.

Проблеме прогнозирования посвящена обширная литература, изкоторой упомянем, в частности, работы [17,18].

7.4.2 Закон стадийного развития техники (открыт С.С. Товмасяном)

Этот закон [16] отражает изменения, происходящие в процессеисторического развития как отдельных классов ТО, так и техники в целом.

Его можно сформулировать следующим образом. ТО,предназначенные для обработки материалов, имеют четыре стадии развития,связанные с реализацией четырех фундаментальных функций, (см. законсоответствия между функцией и структурой):

на первой стадии ТО реализует только технологическую функцию,стальное делает человек;

на второй стадии развития ТО реализует технологическую иэнергетическую функции;

на третьей стадии добавляется функция управления;

на четвертой стадии добавляется функция планирования.

Переход к каждой очередной стадии происходит при исчерпанииприродных возможностей человека по дальнейшему увеличению производительности идр. качественных показателей, а также при наличии необходимогонаучно-технического уровня и социально-экономической целесообразности.

Хронологические рамки осуществления перечисленных стадий вмировой технике приведены в табл.7.1.

Таблица 7.1

Стадия развития техники

Выполняемая

функция

Начало стадии Каменный век XVIII век

Середина

XX века

Конец

XX века

Технологическая ТО ТО ТО ТО Энергетическая человек ТО ТО ТО Управления человек человек ТО ТО Планирования человек человек человек ТО

Практическое использование закона стадийного развитиясвязано с получением в процессе исследования технического объекта ответов на следующиевопросы:

На какой стадии развития находится изучаемый техническийобъект?

Ограничивают ли возможности человека существенное улучшениеосновных показателей ТО?

Имеются ли необходимые научно-технические возможности дляперехода на следующую стадию?

Имеется ли социально-экономическая целесообразность переходана следующую стадию [15, 16] ?

Следует обратить внимание на тот интересный факт, что, чембольше функций передается от человека к технике, тем глубже инженер должензнать эргономику — науку о физических и психический возможностях человека.

Из закона стадийного развития техники вытекают две важныезакономерности:

Каждая стадия развития техники, как правило, имеет двапериода развития: сначала основная фундаментальная функция реализуется с помощьюуниверсального технического средства, затем происходит дифференциация испециализация технических средств. Так, на первой стадии развития техники былпройден путь от общего рубила до 500 разновидностей одних только молотков; навторой стадии от мускульной энергии пришли к современному разнообразиюисточников энергии; на третьей — от универсальной ЭВМ к специализированным ЭВМи микропроцессорам.

При этом на каждой новой стадии резко возрастаетотносительное разнообразие технических объектов и область их применения в связис появлением широких возможностей конструктивного изменения и приспособленияподсистемы, реализующей очередную фундаментальную функцию, и комбинированияэтой подсистемы с различными вариантами других подсистем технического объекта.

Чем большее число фундаментальных функций реализовано спомощью технических средств, тем меньше ограничений накладывают естественныевозможности человека, тем больше возможностей открывается для совершенствованиятехнического объекта и тем выше темпы технического прогресса.

В качестве иллюстрации на рис.7.4 показана динамикарегистрации изобретений в СССР в период с 1925 г. по 1992 годы.

Рис.7.4 Динамика изобретательства в СССР

7.4.3 Закон расширения множества потребностей-функций

Для открытия новых направлений развития техники важнопредусмотреть появление новых потребностей в обществе. В этом отношении полезензакон расширения множества потребностей-функций. Выше приводилась формулировкаэтого закона, данная К. Марсом.

Современная формулировка звучит следующим образом.

При наличии необходимого потенциала исоциально-экономической целесообразности возникшая новая потребностьудовлетворяется с помощью впервые созданных технических средств; при этомвозникает новая функция, которая затем существует до тех пор, пока еереализация будет обеспечивать сохранение и улучшение жизни людей. Число такихпотребностей-функций монотонно возрастает по экспоненциальному закону

/>,

где Р0 — число потребностей-функций кмоменту t = 0; a — эмпирический коэффициент; t- время в годах [15, 16].

Полезно отметить, что трудом ряда ученых (А. Маслов и др.) удалосьустановить приоритет потребностей, который позволяет судить о направленияхразвития техники.

А. Вечные потребности, значимость которых всегда остается неизменновысокой:

Обеспечение пищей.

Обеспечение жильем.

Обеспечение одеждой.

Обеспечение оборонной техникой.

Защита от преступных нападений.

Защита от природных катастроф.

Защита от болезней и болевых ощущений.

В. Вечные потребности, значимость которых сильно возросла вXX в:

Защита от больших искусственных катастроф и локальных аварийв промышленности, на транспорте и т.д.

Получение новой информации, сбор, хранение, обработка и передачаинформации.

Красота окружающей среды.

Обеспечение индивидуально и общественно полезного досугалюдей.

С. Новые потребности, возникшие во второй половине XX в. ипо значимости близкие к вечным.

Защита от глобального уничтожения человечества.

Обеспечение нормальной пресной водой.

Обеспечение нормальным воздухом.

Обеспечение нормальных условий сна.

Все это обобщенные первичные потребности, которые имеют многоуровневоеиерархическое разделение на частные первичные потребности. Они, в свою очередь,вызывают вторичные потребности 1-го уровня в производстве ТО, далее 2-ойуровень и т.д.

7.4.4 Закон относительного постоянства

Этот закон можно сформулировать следующим образом: несуществует изделий, не имеющих отклонений относительно некоторого материальногообразца. Ошибкой считается лишь превышение допустимого отклонения.

Для конструктора и изготовителя этот закон имеет важноезначение, поскольку он представляет собою основу определения границ допускаемыхизменений материального комплекса с позиций эффективности технических средств.

В машиностроении оценка допускаемых отклонений отноминальных параметров, является предметом изучения отдельной научнойдисциплины „Основ взаимозаменяемости“. Здесь учитывается, с однойстороны, возможность применяемого технического оборудования обеспечить ту илииную точность выполнения операции, с другой стороны, возможность ТО, изготовленногос определенными отклонениями от номинальных характеристик, выполнять заданныефункции.

Чтобы предвидеть отклонения свойств изделий, необходимопонимать, что производство представляет собою стохастический процесс. Стохастическийили случайный процесс является результатом действия множества элементов сослучайными свойствами — элементов, которые однако можно описать не случайнымобразом, а на основе теорий вероятностей.

Доступный пример стохастического процесса — поведениестудентов. Оно носит случайный характер. Пример — очередность выхода изаудитории после звонка. Длительное наблюдение позволит предсказать некоторую вероятностьэтой очередности [16].

Допуски и посадки, определяемые в соответствии с закономотносительного постоянства, лежат в основе стандартизации типовых деталей и инструмента,применяемого в различных отраслях производства. Научно-технический прогрессспособствует повышению точности процессов и изделий. Поэтому действие законасвязано с развитием техники.

7.4.5 Закон возрастания разнообразия технических объектов

Разнообразие технических объектов, составляющих техносферумира, страны или отрасли, а также разнообразие отдельного класса техническихобъектов, имеющих одинаковую обобщенную функцию, в связи с необходимостьюнаиболее полного удовлетворения человеческих потребностей, обеспечения наиболеевысоких темпов повышения производительности труда и улучшения других критериевпрогрессивного развития техники со временем монотонно и ускоренно возрастает поэкспоненциальному графику

/>,

где N0 — количество разновидностейтехнических объектов, составляющих техносферу в целом или отдельный класс ТО, вмомент, принятый за начало отсчета; Nt- то же через время t после началаотсчета; t — время (в годах); k — эмпирический коэффициент.

Возрастание происходит за счет появления новыхпотребностей-функций, качественной и количественной специализации функций, атакже за счет дифференциации технических объектов, выполняющих качественно иколичественно одинаковую функцию, но имеющих различия по конструкции.

Это — эмпирической закон, выведенный на основе большогостатистического материала. В качестве иллюстрации в табл.7.2 приведены данныепо количеству моделей легковых, включая гоночные, спортивные и рекордные, игрузовых, включая седельные тягачи и самосвалы, автомобилей.

Эти данные, заимствованные из работы [20], подтверждаютускоренный рост разнообразия выпускаемых ТО.

Нарушения общей тенденции, приходящиеся на годы гражданскойвойны, последовавшей после Октябрьской революции 1917 г., и на годы ВеликойОтечественной войны (1941 — 1945) легко объяснимы. Выпуск бронетехники и специальныхмашин военного назначения в табл.7.2 не учтен.

Возрастание разнообразия технических объектов, как иобъектов природных, не может происходить безгранично. Вспомним, например, чтовсе многообразие и многоцветие природы слагается из химических элементов,которых, немногим более сотни. Поэтому, наряду с законом возрастания разнообразиятехнических объектов, в природе и технике действует излагаемый ниже законограниченного разнообразия.

Таблица 7.2

Количествомоделей автомобилей, выпускаемых отечественными автозаводами в 1896 — 1983 г. г.

Годы Количество выпускаемых моделей легковые автомобили грузовые автомобили 1896 — 1900 2 1900 — 1910 10 4 1911 — 1917 13 4 1922 — 1932 5 8 1933 — 1941 20 36 1941 — 1945 6 5 1946 — 1956 53 40 1957 — 1969 74 67 1970 — 1982 38 68 7.4.6 закон ограниченногомногообразия

Применительно к технике закон может быть сформулирован следующимобразом.

Многообразие, являющееся необходимым условием существованияединства сложных технических средств и способов их действия, должно иметь границы.

Правда, известно, что увеличение различий междухарактеристиками изделий объективно обусловлено требованием ихобщественно-технической адекватности в непрерывно усложняющемся мире, гдедействует закон возрастания разнообразия технических объектов.

Но, с другой стороны, чем шире используется данноетехническое средство, тем в большей мере приобретает значение законограниченного разнообразия. Пример — изготовление разными заводами телевизоровс унифицированными схемами.

Закон проявляет себя в унификации и стандартизации.

7.4.7 Закон возрастания сложности технических объектов

Качественную историческую картину возрастания сложности ТОописал К. Маркс. Об этом шла речь выше. Ориентировочную количественную картинудает табл.7.3.

Таблица 7.3

Возрастание сложности ТО

Время Приближенное число классов ТО Среднее число деталей в наиболее сложных ТО 100 000 лет назад 5 1 10 000 лет назад 50 10 1000 лет назад 1000 100 Настоящее время 50000 10000

Несколько более подробную градацию ТО по сложности спрогнозом на будущее дал Г.Н. Поворов [16], см. табл.7.4.

Таблица 7.4

Сложность систем по Г.Н. Поворову

Уровень сложности Примеры ТО 1. Простые предметы Одноэлементные орудия раннего каменного века (рубило и др.). 2. Превращающиеся предметы Использование огня при изготовлении керамической посуды. 3. Сложные предметы Составные орудия из жестко соединенных деталей (ткани). 4. Простые системы

Машины и устройства с числом элементов 10 ¸ 103 и определенным детерминированным их взаимодействием (машины XV — XVI в. в)

5. Сложные системы

Технические системы с числом элементов 104 ¸ 107 и выше с массовым случайным их взаимодействием, например АТС.

6. Превращающиеся системы

Системы, способные к росту, развитию, самоорганизации. Число элементов 108 ¸ 1030.

7. Парадоксальные системы

Системы столь обширные и сложные, что они способны управлять пространством и временем, и изменять космические формы своего бытия. Число элементов 1030 ¸ 10200.

А.Н. Половинкин [16] предпринял попытку вывестиуниверсальный показатель сложности.

Показатель сложности S определяется положительным числом,большее значение которого соответствует более сложному ТО.

Анализ показывает, что интегральный показатель S имеет двефункциональные связи:

/>, (7.2)

/>, (7.3)

где Y = (y1, y2…yn) — кортеж, каждая компонента которого представляет собоюпрактически важный показатель, на который может оказать существенное негативноевлияние возрастание сложности ТО.

X = (x1, x2… xm)–

кортеж, каждая компонента которого представляет собоюпараметр сложности, изменение которого влияет на S, и, соответственно,на компоненты Y.

Отметим, что кортеж — это упорядоченный набор из nэлементов, называемых его компонентами или координатами. Наиболее естественнойинтерпретацией кортежа является вектор n-мерного пространства илиупорядоченная совокупность его координат.

Посредством кортежа удобно характеризовать объекты,описываемые при помощи п независимых друг от друга признаков.

Компоненты Y:

у1 — трудоемкость разработки ТО;

y2 — трудоемкость изготовления, сборки,отладки ТО;

y3 — трудоемкость эксплуатации и обслуживания;

y4 — трудоемкость ремонтных работ;

y5 — трудоемкость обучения специалистов.

Компоненты X:

x1 — число деталей в ТО;

x2 — число соединений между деталями;

x3 — число различных материалов и веществ,используемых при изготовлении ТО;

x4 — суммарное число входов и выходовпотоков вещества, энергии, информационных сигналов;

x5 — число физических, химических ибиологических эффектов, используемых в ТО;

x6 — средняя относительная точностьизготовления деталей, к которым предъявляются наиболее высокие требования;

x7 — относительная точность главныхфункциональных показателей ТО.

Представляется целесообразным дать обобщенную формулу,показателя сложности:

/>.

Отсюда формулировка закона:

Сложность технических объектов с одинаковой функцией, равнаяпоказателю

в силу действия факторов стадийного развития техники ипрогрессивной конструктивной эволюции технических объектов от поколения кпоколению монотонно и ускоренно возрастает.

Следствием возрастания сложности ТО, характеризуемойпоказателем S, является возрастание трудоемкости изготовления иэксплуатации ТО, характеризуемое показателем Y. Для количественнойоценки динамики Y зависимость (7.2) должна быть конкретизирована длякаждого класса ТО.

7.4.8 Закон убывающей полезности

Этот закон является общим, действующим как в живой природе,так и в технике.

В живой природе он проявляется в снижении работоспособностистареющего организма, в снижении урожайности плодоносящих растений и т.д.

В технике закон проявляется как в области еесовершенствования, так и в области эксплуатации технического объекта. Он можетбыть сформулирован следующим образом.

Затраты на совершенствование технического объекта в пределаходного физического принципа действия по мере исчерпания резервов ФПД приносятвсе меньший эффект.

По мере старения технического объекта, находящегося вэксплуатации, частота его отказов возрастает, а расходы на восстановлениерастут, пока не достигнут размеров получаемого от восстановления эффекта.

Следовательно, существует срок службы ТО, после котороговосстановление и дальнейшая эксплуатация ТО становятся нецелесообразными.

7.5. Законы строения техники

Рассмотренные выше законы характеризовали общие тенденции вразвитии техники.

Не менее важное значение имеют законы, определяющие строениетехники, ее композицию. Слово „композиция“ означает сложение,сочетание, составление, т.е. композиция предопределяет

структурное и пластическое решение формы промышленныхизделий.

Средствами композиции являются пропорциональность,масштабность, ритм, модуль, масса, симметрия и асимметрия и др. [22].

Удалось сформулировать ряд законов строения техники,позволяющих оптимизировать использование средств композиции.

7.5.1. Закон соответствия между функцией и структурой

Соответствие между функцией и структурой на протяжении вековизучали философы и биолога на примерах живой природы. Благодаря наличию этогосоответствия, биологи научились по отдельным костям воспроизводить скелет, а поскелету — внешний вид живого существа, которого они никогда не видели.

Такое же соответствие обнаруживается и в правильноспроектированном техническом объекте. Поэтому можно сформулировать следующий закон[15, 16].

Каждый элемент технического объекта выполняет хотя бы однуфункцию по обеспечению функционирования всего объекта. Поэтому исключениеэлемента приводит к ухудшению какого-либо показателя ТО или прекращению егофункционирования вообще. Совокупность всех таких соответствий в техническомобъекте представляет собой функциональную структуру, изображаемую в видеориентированного графа, который отражает системную целостность ТО исоответствие между его функцией и структурой (конструкцией).

Следует заметить, что графом называется схема, на которойкружками или прямоугольниками обозначены элементы технического объекта, которыеа этом случае называются вершинами графа, а функциональные связи междуэлементами изображаются линиями, соединяющими соответствующие вершины. Этилинии называются ребрами графа. Если на ребрах стрелками указан порядокпрохождения вершин, граф называется ориентированным. Приведенное определениеявляется упрощенным и может быть использовано лишь при построениифункциональных структур. Строгое определение при необходимости можно найти вкниге А.А. Зыкова [19].

Закон соответствия между функцией и структурой лежит воснове построения функциональных структур конкретных ТО, а также обобщенныхфункциональных структур широких классов ТО.

Так, например, обрабатывающие (технологические) машинысостоят из четырех подсистем (элементов) S1, S2,S3, S4, реализующих соответственно четырефундаментальных функции:

Ф1 — технологическая функция — обеспечивает превращение исходного сырья а0в конечный продукт Ак;

Ф2 — энергетическая функция — превращаетвещество (топливо) или извне полученную энергию W0в конечныйвид энергии Wк, необходимый для реализации функции Ф1;

Ф3 — функция управления — осуществляетуправляющие воздействия u1, u2 наподсистемы S1, S2 в соответствии с заданнойпрограммой Q и полученной информацией и10,и20о количестве и качестве выработанных конечногопродукта Aк и конечной энергии Wк;

Ф4 — функция планирования — собирает (получает)информацию Q0о произведенном продукте Ак исопоставляет с программой Q, качественные и количественныехарактеристики конечного продукта.

В соответствии с изложенным обобщенная функциональнаяструктура технологической машины выглядит, как показано на рис.7.5.

Эта обобщенная структура при необходимости может бытьконкретизирована для отдельного класса технических объектов, отдельных конкретныхТО.

Анализ функций различных ТО позволяет накапливать иформировать базы данных по формализованным описаниям функций элементов ТО и функциональнымструктурам ТО. Фрагмент такой базы данных приведен в табл.7.5. Подобные базыданных могут быть эффективно использованы в различных методах поисковогоПроектирования и конструирования, при проведении функционально-стоимостногоанализа ТО и технологий, при построении информационно-поисковых систем дляподдержки проектно-конструкторской деятельности [15].

Рис.7.5 Обобщенная функциональная структура технологическоймашины

Таблица 7.5

Фрагмент базы данных по функциональным элементам

Класс ФЭ

Вид ТО, в котором могут

присутствовать ФЭ

Описание функции ФЭ Несущие элементы Любой многоэлементный ТО, для которого функционально необходимо определенное взаимное положение элементов. Задает форму ТО и взаимное расположение его элементов в пространстве. Двигатели ТО, выполняющие механическое движение. Преобразуют исходный вид энергии в механическую. Элементы передачи ТО с рабочим органом, выполняющим движение по определенному циклу. Передают на расстояние движение или статические силы и моменты с одновременным преобразованием скоростей, моментов, сил и их направлений, включая замену их видов, законов движения. Элементы управления ТО, функционирование которых связано с заданными изменениями каких-либо параметров. Собирают информацию, вырабатывают управляющее воздействие, передают его исполнительным органам. Элементы формирования объемов и потоков ТО с подвижными или неподвижными объемами жидких, газообразных, сыпучих веществ. Хранят или транспортируют жидкость, газ, сыпучий материал.

Наличие базы данных требует поддержания ее, т.е. сохраненияна современном уровне, что предохраняет от устаревших решений. Разумеется, базаданных используется с помощью ЭВМ.

Закон соответствия между функцией и структурой используетсяв методах поиска новых эффективных технических решений. Этому способствуют двезакономерности, вытекающие из закона.

Закономерность многозначного соответствия между функцией иструктурой.

Любая функция может иметь множество структур (конструкций),реализующих эту функцию. И наоборот, одна и та же структура может выполнятьболее одной функции.

Эта закономерность, по существу, является теоретическимобоснованием метода поиска новых технических решений, который называется морфологическиманализом и синтезом.

Проиллюстрировать закономерность можно следующими примерами.Одну и ту же функцию по перемещению грузов можно выполнять с помощью ручнойтележки, транспортера, автомобиля, поезда, самолета.

Один и тот же электродвигатель, движущий электричку нагоризонтальном участке пути или на подъеме, выполняет функцию генератора придвижении электрички под уклон под действием собственной массы и подпитывает электроэнергиейконтактную сеть.

Закономерность минимизации компоновочных затрат.

У ТО функциональные элементы, осуществляющие определенные преобразованияпотоков вещества, энергии или сигналов, располагаются в пространстве поотношению друг к другу таким образом, что компоновочные затраты имеютминимальное значение, т.е.:

/>,

где qi, j — стоимость каналов передачивещества, энергии или сигналов между элементами ai и aj,Сh — отдельные составляющие части компоновочных затрат, вчастности; С1 — стоимость несущего элемента ТО (каркас, рама,станина); С2 — стоимость элементов защиты ТО (кожух, корпус,футляр); С3 — затраты, зависящие от габаритных размеров ТО (место,занимаемое в цехе, на складе, на транспорте); C4 — затраты насборку, монтаж, отладку ТО.

Стоимость основных функциональных элементов ТО в сумму компоновочныхзатрат не входит.

Здесь дана обобщенная формулировка закономерности. Дляреального использования в оптимизационных расчетах ее нужно привязать к конкретномуклассу ТО, что позволит уточнить набор функциональных элементов, их устойчивыхсвойств и конструктивных признаков.

В целом можно заметить, что чем сложнееобъемно-пространственная структура промышленного изделия, тем большее значениедля достижения гармонии приобретает последовательное развитие принципа,соответствия между функцией и структурой.

7.5.2. Законы корреляции параметров технических объектов7.5.2.1 Закон гармоничного соотношения параметров ТО

Любой ТО имеет вполне определенное техническое решение,которое характеризуется набором основных параметров. Среди параметров, как правило,имеется главный (высота центров токарного станка и т.п.). Главный параметр чащевсего относится к главному функциональному элементу.

Следовательно, техническое решение можно описать набором параметров(х, у1, у2… уп),где х — главный параметр; y1 — параметры, зависящие отх.

Например, производительность, мощность привода, габаритныеразмеры, масса. Поскольку параметры y1 зависят от х,то существует набор функций:

/>. (7.4)

Для конкретного ТО набор функций (7.4) можно представитьчерез линейные формы: />.

Например, для однорядного радиального шарикоподшипника: x — внутренний параметр; y1 — толщина внутреннего кольца; y2 — ширина подшипника; y3 — внешний диаметр подшипника; у4 — толщина внешнего кольца; y5 — диаметр шариков; y6 — расстояние между шариками; y7 — глубина канавки в кольцахдля качения шариков.

Для заданного значения x существуют такие значения yiг,для которых любое другое значение yi приводит к ухудшению ТО.Указанное значение уiг называется гармоничнымсоотношением параметров.

С математической точки зрения гармоническое соотношениепараметров соответствует глобальному экстремуму — глобально оптимальному значениюпараметров yi по определенному критерию качества илинабору критериев (х, y1г, y2г…ynг).

Очевидно, есть какие-то допустимые соотношения параметров,отклоняющиеся от глобально оптимальных, но сохраняющие работоспособность ТО.

Среднее отклонение допустимых параметров от глобальнооптимальных

/>.

Закон может быть сформулирован следующим образом. Любой техническийобъект, нормально реализующий свою функцию, имеет значения параметров (х,у1… yn) достаточно близкие илисовпадающие с гармоничным соотношением параметров (x, y1г…ynг) или yiг = aiг× x (i = 1,2… n).

Раньше, когда технические решения отрабатывались веками,гармонические решения находили эмпирически вследствие многих проб и ошибок. Современноевозрастание сложности ТО и сокращение сроков разработки приводит к возрастаниюсреднего отклонения /> в рамкахдопустимого интервала. ЭВМ, системы математического моделирования позволяютприблизиться к /> = 0.

Закону гармонического соотношения параметров подчиняется, повидимому, любой нормально работающий ТО. Следует только иметь в виду, чтосоотношения, справедливы только для фиксированных значений главного параметра х.Для другого значения х появится другое значение коэффициента ai[15, 16].

Следует заметить, что закон оптимального соотношенияпараметров справедлив для всех организованных систем, действуя и в мире живойприроды. Иллюстрацией его действия является золотое сечение. Золотым сечениемотрезка называется его деление на две неравные части таким образом, чтобыотношение длины всего отрезка к длине его, большей части равнялось отношениюбольшей части к меньшей.

С древних времен этот принцип позволял получать приятные дляглаза соотношения в строительстве. Птолемей еще во 2 веке до н.э. обратил внимание,что человеческая фигура и, соответственно, скульптура воспринимаются стройными,приятными для глаза, если отношение длины верхней половины тела (до пояса) книжней равно 8/13.

Леонардо да Винчи назвал это явление законом золотогосечения. Уже в XX в. французский архитектор Ле Карбюзье заметил, что принципзолотого сечения хорош лишь для плоских изображений. Для объемных фигур требуетсяоптимальное соотношение трех величин. Примером такого соотношения, которое ЛеКарбюзье назвал золотым вурфом, является 113: 70: 43 [21].

7.5.2.2.3акон корреляции параметров однородного ряда ТО

К однородному ряду технических объектов относят такие ТО,которые имеют одинаковую функцию, одинаковые условия работы в смысле взаимодействияс обрабатываемым объектом и окружающей средой, одинаковое техническое решение иотличаются только значениями главного параметра.

В стандартизации такой ряд называют параметрическим рядом (подшипников,болтов, насосов и т.д.).

Практика показала, что соотношения параметров ТО однородногоряда с достаточной для практики точностью можно выразить простыми линейнымизависимостями y = a ×x + b.

Это обнаружил в середине XIX в. немецкий ученый Редтенбахер.Только следует учитывать, что каждый параметр yi, имея свои коэффициенты aiи bi по-разному изменяется при изменении х.

При этом важно обратить внимание на факт, замеченныйпрофессором А.И. Сидоровым в начале XX в.: „Если мы даже для современныхдеталей, несмотря, на всю сложность и разнообразие влияний, построим такие зависимости,то найдем везде почти точно зависимость весьма простую, именно по закону прямойлинии, выражаемую всегда уравнением вида y = a × x + b, причем постоянныйчлен b никогда не бывает нулем, а всегда более нуля… Это обстоятельствовесьма важно, т.к оно показывает нам, что все размеры деталей растут не прямопропорционально главному размеру, начиная с нуля, что было бы при b = 0,а медленнее, стало быть, чем меньше главный размер или, все равно, чем меньшемашина, которой принадлежит деталь, тем размеры ее, и что для нас особенноинтересно, толщины стенок и т.п. делаются сравнительно больше, нежели в большихмашинах и вещах… Этот чрезвычайно важный результат отчасти объясняет нам,почему большие изделия и целые машины выходят по сравнению с малыми того жерода гораздо легче и дешевле“. Базирующийся на рассматриваемом законе,способ относительных размеров находит приложение в стандартизации. Окончательнаяформулировка закона звучит так. Однородный ряд технических объектов S1,S2… Sn, имеющих одинаковые функции итехническое решение, отображаемое набором параметров (x, y1…yn) и отличающихся только значениями главного параметра xj,связан между собой соотношениями y1 = ai × xj + bi(i = 1,2… n; j = 1,2… k).

Закону более полно соответствуют однородные ряды болеепростых ТО. Сложные ТО (станки, автомобили) меньше подчиняются этому закону,поскольку в них имеют место существенные отличия в технических решенияхэлементов.

Это — более общий закон, чем закон гармоническогосоотношения, поскольку у него коэффициенты ai и biне зависят от главного параметра [16].

7.5.3. Закон гомологических рядов

В живой природе известен закон гомологических рядов Н.И. Вавилова,суть которого заключается в том, что у близких видов, принадлежащих одномуроду, имеет место удивительный параллелизм одинаковых признаков. Закон Вавиловаформулируется следующим образом: „Виды и роды, генетически близкие,характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такойправильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидетьнахождение параллельных форм и у других видов и родов. Чем ближе генетическирасположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах ихизменчивости“.

Закон Вавилова играет в биологии ту же роль, что и законМенделеева в химии. Поиски новых форм, видов, родов на основе закона гомологическихрядов становятся направленными, поскольку можно заранее предсказать строениееще не открытых видов и родов.

Для перенесения закона гомологических рядов в областьтехники необходимо определить факторы, которые играют роль генотипа, т.е. подобнотому, как генотип в живой природе определяет видовые, родовые и др. признаки,так и в технике необходимо выделить факторы, обусловливающие характерныепризнаки технических объектов. К таким факторам относятся компоненты описанияфункции, принципа действия и условий работы ТО, каждая из которых оказываетсущественное влияние на структуру (конструкцию) ТО. Тогда закон можносформулировать следующим образом [15].

ТО с близкими функциями, принципами действия ихарактеристиками условий работы имеют частично совпадающие наборы варьируемыхконструктивных признаков P1,… Рk,принимающих одинаковые значения.

Число совпадающих наборов признаков будет тем больше, чембольше совпадающих компонентов описания функций, принципов действия и условийработы. При этом имеют место корреляционные связи между определенными компонентамии признаками [15].

7.5.4. Законы симметрии технических объектов

Симметрия — одно из наиболее ярких свойств композиции, в нейнаглядно проявляется принцип организации формы.

Симметричным называется такой предмет, который состоит изгеометрически и физически равных частей, должным образом расположенных относительнодруг друга.

Под геометрическим равенством элементов подразумеваетсясовместимое равенство или конгруэнтность, либо отраженное равенство или зеркальность.Под физическим равенством — равенство физических свойств.

Примером конгруэнтности является осевая симметрия. Осьсимметрии — это линия, при полном обороте вокруг которой фигура несколько разприходит в совмещение сама с собой. Количество таких совмещений при полномобороте называется порядком оси; угол поворота, при котором фигура совмещаетсяс ней самой, называется элементарным углом поворота. Осевую симметрию принятообозначать порядком оси. Так, трехлопастной гребной судовой винт имеет порядок п= 3. В целом порядок осевой симметрии может меняться в пределах п = 1 ¸ ¥.

Асимметричная фигура обладает бесконечным множеством осей первогопорядка, поскольку при повороте на 350° совместится сама с собой. Порядок (¥) имеет сплошной диск, поскольку онсовмещается сам с собой при любом угле поворота.

Фигура может иметь не ось, а плоскость симметрии, т.е. воображаемуюплоскость, которая делит фигуру на две зеркально равные половины. Этот видсимметрии условно обозначают буквой т. Такая симметрия свойственна живыморганизмам, многим видам техники, геометрическим фигурам. Иногда ее называютдвусторонней симметрией.

Во многих случаях фигура может обладать как плоскостью, таки осью симметрии. Такой симметрией обладают, например, квадрат, правильныйшестиугольник и др. Такая симметрия условно обозначается (т × п).

С учетом упомянутых здесь теоретических положений могут бытьсформулированы два закона симметрии технических объектов.

7.5.4.1 Закон двусторонней симметрии

Любой технический объект, который испытывает действиепотоков среды (в виде вещества или энергии), находящихся под углом друг кдругу, имеет симметрию (т), а плоскость симметрии параллельнанаправлению векторов действия потоков [15].

Примерами технических объектов, иллюстрирующих этот закон,являются транспортные средства: самолет, судно, автомобиль, ракета и др.

7.5.4.2 Закон осевой симметрия

А. Любой ТО, который испытывает существенноеоднонаправленное действие среды в виде потока вещества или энергии, имеетсимметрию (п) или (п ×т) с осью симметрии, параллельной действию среды. Пример: гребной винт.

Б. Любой ТО, который испытывает существенное вертикальноедействие силы тяжести и плоскопараллельное горизонтальное действие среды (равновероятноеили равномерно распределенное со всех сторон), имеет симметрию (п) или (п× т) с вертикальной осьюсимметрии. Пример: ротор водяной турбины ГЭС.

В. Любой ТО, который испытывает существенное равновероятноеили равномерно распределенное со всех сторон (снаружи или изнутри) плоскопараллельноедействие среды, имеет симметрию (п) или (п × т) с осью симметрии,перпендикулярной действию среды [15]. Пример: вертикальный автоклав.

7.5.5. Закон статичности и динамичности формы

Закон может быть сформулирован следующим образом:

Равенство или нюанс отношений величин по трем координатам пространствахарактеризует относительную статичность формы. Контраст в отношениях создаетдинамику в направлении преобладающей величины. Еще одно условие динамичности — односторонняя направленность формы [22].

Отметим, что под контрастом в композиции понимаютзначительное различие в размерах, массе, форме, цвете, направлении, материале.

Нюанс — незначительное различие. Классический примерстатической формы — квадрат.

Примеры движения (динамики) в сторону преобладающего размеравстречаются в изобилии, как в технике, так и в живой природе.

В технике — это различные транспортные средства: автомобиль,теплоход, поезд и т.д. В природе — рыба, любое животное, перемещающееся на четырехконечностях и т.д.

Однако необходимо заметить, что и в природе, и в техникеесть очень серьезные исключения из этого закона, заслуживающие специального рассмотрения.

В природе — это, прежде всего, человек, перемещающийся вобычной среде Пребывания не параллельно, а перпендикулярно направлению своей наибольшейоси. В воде он движется в соответствии с законом.

В технике существуют относительно тихоходные транспортныесамолеты, у которых размах крыльев больше длины корпуса. Впрочем, указанноепротиворечие в технике исчезает, если учесть следствие, вытекающее из закона: телопри движении в сплошной среде стремится приобрести ориентацию, обеспечивающуюминимальное сопротивление среды.

Классическим примером исключения из закона является шар,который имеет одинаковые размеры по всем осям координат, и, тем не менее,является динамичным телом. Отсюда напрашивается замечание, дополняющее закон,что статичным является тело, ограниченное плоскими, а не криволинейными гранями.

Что касается человека, то специфика его движения историческисложилась в связи с необходимостью освободить руки для выполнения трудовыхопераций, в том числе в процессе перемещения в пространстве.

7.5.6. Закон масштабности

Масштабностью называют соразмерность частей и целого, атакже соизмеримость предмета с человеком и предметами окружающей среды.

Закон масштабности — одни из древнейших законов, постигнутыхчеловеком.

»Человек есть мера всех вещей" — эта формулировкавыбита на мраморе Дельфийского храма, построенного в Древней Греции два споловиной тысячелетия назад;

В природе масштабность проявляется в том, что с увеличениемабсолютных размеров развивающегося организма, размеры его отдельных частейотносительно целого изменяются. Так, размер головы маленького ребенка составляетодну четвертую часть длины тела, а у взрослого человека — лишь одну восьмую. Аналогичноеявление наблюдается и в технике применительно к техническим объектам разногоразмера.

Так, маленький и большой станки имеют одинаковые по размерамкнопки и рычаги управления, поскольку последние должны оставаться соразмернымичеловеку. Это настолько привычно для нас, что маленький станок, у которого всеэлементы будут уменьшены пропорционально уменьшению габаритов станка посравнению с большим, будет восприниматься как уменьшенный макет большого станка,а не как самостоятельный ТО.

Другим примером могут служить дверцы и фары больших ималеньких автомашин и т.д.

Изложенные выше законы далеко не исчерпывают общие принципысоздания техники. Работа по осмыслению закономерного характера развития техническихсистем находится в начале своего пути. И здесь есть обширное поле деятельностидля тех, кого привлекает изучение окружающей нас техносферы.

Литература к теме 7

55. Шухардин С.В. Основы истории техники. Опыт разработки теоретических иметодологических проблем. — М.: АН СССР, 1961. — 278с.

56. Друянов Л.А. Законы природы и их познание. — М.: Просвещение, 1982. — 112с.

57. Ковалев А.М. Общество и законы его развития. — М.: Изд. МГУ, 1975. — 416с.

58. Капитонов Е.Н. Отражение противоречий научно-технического прогресса приподготовке конструкторов химической техники. В сб. «Формирование научногомировоззрения в учебном процессе». — Тамбов: ТГПИ, 1986. — С.95-103.

59. Мелещенко Ю.С. Техника и закономерности ее развития. — Л.: Лениздат,1970. — 246с.

60. Белозерцев В.И., Сазонов Я.В. Философские проблемы развития техническихнаук. — Саратов: изд. Саратовского гос. ун-та, 1983. — 143с.

61. Белозерцев В.И. Проблемы технического творчества как вида духовногопроизводства. — Ульяновск: Приволжское кн. изд., 1970.

62. Панибратов В.Н. Категория «закон». Проблемы истории и объективно-диалектическогосодержания. — Л.: Наука, 1980. — 128с.

63. Кессиди Ф. X. От мифа к логосу. (Становление греческой философии). — М.:Мысль, 1972. — 312с.

64. Кузин А.А.К. Маркс и проблемы техники. — М.: Наука, 1968. — 112с.

65. Семенов С.А. Развитие техники в каменном веке. — Л.: Наука, 1968. — 361с.

66. Альтшуллер Т.С. Творчество как точная наука. — М.: Советское радио, 1979.- 184с.

67. Дитрих Я. Проектирование и конструирование. Системный подход. — М.: Мир,1981. — 454с.

68. Каменев А.Ф. Технические системы: закономерности развития. — Л.: Машиностроение,1985. — 216с.

69. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. — М.: Машиностроение,1988. — 368с.

70. Половинкин А.И. Законы строения и развития техники (постановка проблемыи гипотезы). — Волгоград: изд. Волгоградского политехнического института, 1985.- 202с.

71. Хауштейн Г.Д. Методы прогнозирования в социалистической экономике. — М: Прогресс,1971. — 398с.

72. Гмошинский В.Г. Инженерное прогнозирование. — М: Энергоиздат, 1982. — 207с.

73. Зыков А.А. Основы теории графов. — М.: Наука, 1987. — 380с.

74. Шугуров Л.М., Ширшов В.П. Автомобили страны Советов. — М.: ДОСААФ, 1983.- 128с.

75. Сонин А.С. Постижение совершенства: симметрия, асимметрия, диссимметрия,антисимметрия. — М.: Знание, 1987. — 203с.

76. Сомов Ю.С. Композиция в технике. — М.: Машиностроение, 1987. — 288с.

77. Пригожин И.Р. От существующего к возникающему: время и сложность вфизических науках. — М.: Наука, 1985. — 327с.

78. Хаин В.Е. Размышления естествоиспытателя, ж. «Природа», 1994,№ 1, С.60-63.

79. Никалис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах: отдиссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. — М.: Мир, 1979. — 512с.

8. Методы конструирования

Исходным материалом (заданием) для выполненияпроектно-конструкторских работ могут служить:

техническое задание планирующей организации;

техническое предложение инициативной группы;

научно-исследовательская работа или созданный на ее основеопытный образец;

изобретение;

зарубежный образец.

Дальнейший процесс работы над проектом зависит от выбраннойразработчиком стратегии проектирования.

Под стратегией здесь понимается последовательность действий,выполняемых проектировщиком с целью преобразования исходного технического заданияв готовый проект.

В идеале заданная стратегия должна быть линейной, т.е. состоятьиз цепочки последовательных действий, в которой каждое действие зависит от исходапредыдущего, но не зависит от результата последующих действий.

Если после получения результатов на одной из стадийприходится возвращаться к одному из предыдущих этапов, стратегия становитсяциклической.

Когда действия проектировщика по отдельным этапам не зависятодно от другого, может иметь место разветвленная стратегия с параллельнымиэтапами, позволяющими увеличить количество людей, одновременно работающих надзадачей. В этом случае полезно планировать работу в виде сетевого графика.

Пример последовательности работы в соответствие с линейнойстратегией приведен на блок-схеме процесса проектирования.

Рассмотрим несколько подробнее перечисленные этапы. Итак,первый этап — уяснение цели.

Цель может определяться заданием или вытекать из характераработы (например, разработка патентуемого изделия). В любом случае первым этапомпроектирования процесса является четкое определение цели, которая должна бытьдостигнута, или требование, которое должно быть удовлетворено.

Уясняя цель, конструктор должен, прежде всего, внимательноизучить исходные материалы. При их изучении важно правильно выбрать параметрыпроектируемой машины.

Для этого, в частности, конструктор должен знать патентнуюлитературу и быть в курсе всех поисковых и перспективных работ, проводимых в научно-исследовательскихинститутах данной отрасли машиностроения.

Это — один из самых трудных этапов проектного исследования. Дляего выполнения создан комплекс специальных методов, который одновременно позволяетвыполнить и второй этап проектирования — выбор пути решения задачи.

Характеризуя все эти методы в целом, следует заметить, чтоих объектом является не столько проектирование, сколько мыслительная деятельность,предшествующая выполнению чертежей и проектов.

Поэтому основа новых методов в значительной мере покоится надостижениях психологии. Это — стык психологии и технических наук.

Знакомясь с этими методами, необходимо учитывать, что ниодин из них не существует сегодня в полностью завершенном виде, и при решениилюбой задачи проектирования необходимо определенное сочетание логики и интуиции.

Интуиция базируется на соответствующем опыте работы. Какправило, поиск интуитивного решения требует времени на осознание и преобразованиев уме образов, изображающих структуру задачи в целом. В течение длительных ивнешне бесплодных поисков решения проектировщик может неожиданно найти новыйспособ структурирования задачи, позволяющей разрешить конфликты. Это событие,которое иногда называют творческим, дает возможность преобразовать сложнуюзадачу в простую (Рассмотреть пример с А.Н. Туполевым — о крышке люка, которуюдолжно вырвать в полете).

Выполнение этапа уяснения цели и постановки задачи зависитот того, есть ли прототип проектируемого изделия, либо требуется разработка принципиальноновых технологических решений, не имеющих прототипов. Может быть поставленазадача поиска новых технических решений как задач математическогопрограммирования (автоматизированный поиск оптимальных технических решений).

Мы ограничимся здесь рассмотрением наиболее простой задачи,когда имеется прототип конструкции. В этом случае постановка задачи осуществляетсяпоследовательно посредством выполнения следующих операций.

Операция 1. Описание проблемной ситуации. Это ответ на такиевопросы:

а) В чем состоит проблемная ситуация и какова ее предыстория?

б) Что требуется сделать для устранения проблемной ситуации,т.е. какую потребность нужно удовлетворить?

в) Что мешает достижению цели?

г) Что дает решение задачи людям, народному хозяйству?

Операция 2. Описание функции (назначения) ТО. Мы это делаем,рассматривая построение функциональной структуры.

Операция 3. Выбор прототипа и составление списка требований.В качестве прототипа выбирают лучшие мировые образцы в ведущем классе ТО. Дляэтого используют патентные обзоры за последние 5-10 лет, каталоги выставок и т.д.По прототипу определяют список требований (с учетом эволюции критериев развития).

Иногда при выборе прототипа удается найти подходящее готовоерешение. Однако при наличии времени почти всегда есть возможность улучшитьнайденное решение.

Операция 4. Составление списка недостатков прототипа. Подсписком недостатков прототипа имеют в виду перечень требующих улучшения критериев,показателей с их количественной оценкой (увеличение производительности,скорости, мощности).

При составлении этого списка полезно изучить конструктивнуюэволюцию рассматриваемых ТО, использовать обратную мозговую атаку (о которойречь пойдет дальше).

Полученный список недостатков упорядочивается по степениважности их устранения.

Операция 5. Предварительная формулировка задачи. Обобщаютсярезультаты предыдущих операций с разделением результатов на «дано» и«требуется».

Дано: а) качественное и количественное (когда возможно) описаниефункции и ограничений на ее реализацию;

б) перечень и описание возможных прототипов, и спискитребований к ним;

в) списки недостатков прототипов.

Требуется: найти техническое решение, так меняющее прототип,чтобы реализовалась интересующая функция и уменьшились или ликвидировались недостатки,присущие прототипу.

Далее идут операции по уточнению постановки задачи.

Операция 6. Анализ функций прототипа и построение улучшеннойконструктивной функциональной структуры.

Для этого после построения конструктивной функциональнойструктуры прототипа ищут ответ на вопросы:

а) Какие можно ввести новые функциональные элементы дляустранения недостатков прототипа?

б) Какие элементы можно исключить с передачей их функцийдругим элементам (или вообще)?

в) Для каких элементов, имеющих несколько функций, целесообразноразделение функций с введением дополнительных элементов?

На основании ответов на эти вопросы строят улучшеннуюструктуру.

Операция 7. Анализ функций вышестоящей по иерархии системы.

Почти всегда данную систему можно представить как элементдругой, более сложной технической системы.

При анализе:

Выделяют эту вышестоящую по иерархии систему.

Описывают функции всех элементов, входящих в эту систему, истроят ее конструктивную функциональную структуру.

Выясняют, можно ли выполнить функцию рассматриваемого ТОпутем внесения изменений в смежные объекты; нельзя ли какому-либо смежномуобъекту частично или полностью передать выполнение функций рассматриваемого ТО;что мешает внесению необходимых изменений и нельзя устранить мешающие факторы.

По аналогии с операцией 5 сформулировать задачу внесения измененийв смежные объекты. Провести сравнение эффективности первоначальной задачи иизменения смежных объектов. Если последнее эффективней, проработать этотвариант по операциям 1 — 6.

Операция 8. Выявление причин возникновения недостатков (выявленныхв операции 4). Цель — попытаться ответить на вопрос: можно ли полностью иличастично избавиться от недостатка, исключив причину его возникновения?

Операция 9. Выявление и анализ противоречий развития. Сутьпротиворечий развития обычно заключается в том, что попытка улучшить какой-то показательмашины приводит к ухудшению другого показателя.

При выполнении данной операции выполняют следующие процедуры.

Из списка недостатков прототипа (см операцию 4) выбирают недостатки,связанные с количественными показателями, относящимися, в первую очередь, ккритериям развития ТО.

При рассмотрении этих показателей ищут ответ на вопросы:

какой показатель ТО существенно ухудшается при улучшениирассматриваемого показателя;

какие факторы (константы, стандарты) ограничивают улучшениежелаемого показателя.

Строят график зависимости ухудшаемого показателя от улучшаемого.

Операция 10. Уточнение списка прототипов и формированиеидеального технического решения.

Проведенный выше анализ расширяет представление о задаче итребованиях к прототипу. Поэтому иногда приходится возвращаться к выбору прототипа.

Кроме того, полезно сформулировать идеальное техническоерешение (идеальная машина), учитывающее главную магистраль развития (эволюции) ТЭ.

Идеальное техническое решение полностью или частичнообладает следующими свойствами:

Размеры ТО приближаются или совпадают с размерами обрабатываемогоили транспортируемого объекта, а масса ТО намного меньше массы обрабатываемогообъекта.

В ИТР масса и размеры ТО или его главных функциональныхэлементов приближаются к нулю или равны нулю (когда устройства вообще нет, анеобходимая функция выполняется).

В ИТР время обработки объекта приближается к нулю или равнонулю.

КПД приближается к единице, а расход энергии — к нулю.

Все части ТО все время выполняют полезную работу в полнуюмеру своих расчетных возможностей.

ТО функционирует бесконечно долго без ремонта и остановок.

ТО функционирует без человека или при его минимальном участии.

ТО не оказывает отрицательного влияния на человека и окружающуюсреду.

Конечно, достаточное приближение к ИТР требует большой долифантазии, но, тем не менее, это сужает направление поиска реальных решений.

Операция 11. Улучшение других показателей ТО. При разработкеновой модели или нового поколения ТО стремятся не только устранить главные видимыенедостатки, выявленные в операции 4, но и усовершенствовать весь комплекссущественных показателей. Поэтому по отношению к выбранным прототипам стараютсянайти ответ на вопросы: Какие еще можно устранить недостатки в прототипе? Какиепоказатели могут быть дополнительно улучшены и на сколько?

Операция 12. Уточненная постановка задачи. Формулированиезадачи уточняется за счет включения в исходные данные следующих выявленных впроцессе анализа вопросов:

качественное и количественное описание функции ТО;

перечень и краткое описание прототипов, к которым могут бытьотнесены улучшенные функциональные структуры и ИТР, и списки основных требованийк прототипам;

списки главных недостатков прототипов с указанием причинвозникновения недостатков;

списки дополнительных недостатков и показателей, которые желательноулучшить;

формулировка противоречий развития прототипов.

Отличие описанного метода уяснения задачи от традиционногоможно показать на примере.

Сформулировать задачи создания нового способа производствасерной кислоты, который не будет вредно влиять на окружающую среду.

Характеристика ситуации функционирования объекта.

а) Период функционирования объекта — несколько десятилетий.

б) Характер загрязнений при традиционном способепроизводства — огарок (не используется), SO2,SO3.

в) Причины загрязнений.

Огарок содержит серу. Поэтому использовать его в доменномпроцессе нецелесообразно.

SO2 содержится вотходящих газах из-за неполного контактирования SO2в SO3.

SO2 и SO3выбрасываются в атмосферу из-за неполной их абсорбции и становятся причинойкислотных дождей.

Характерные условия, которым должен отвечать объект.

а) Требования к объекту.

Ликвидация загрязнения почвы огарком.

Снижение вредных газовых выбросов в 10 раз, т.е. должноулавливаться 99,99% всех вредных выбросов.

б) Сроки выполнения работы и допустимая стоимость, т.е. наличныересурсы.

в) Главные цели (невыполнение которых может значительноухудшить проект).

Это самая ответственная часть работы, в которой используетсявся наличная информация.

Вначале намечаются возможные варианты, определяющие «пространствоманеврирования» проектировщика.

Такими вариантами могут быть:

использование чистой серы, вместо серного колчедана;

использование огарка для получения окатышей;

проведение контактирования при высоком давлении;

проведение двойного контактирования;

проведение двойной абсорбции.

Обеспечение совместимости условий, характеризующих главныезадачи друг с другом и с имеющейся информацией.

Не рассматривая все подробно, отметим, что несовместимым сналичной информацией является контактирование под высоким давлением в связи сотсутствием в СССР производства мощных компрессоров для агрессивных газов типа SO2 и SO3. Такимобразом, выявились конкретные задачи, требующие дальнейшей разработки.

Формулирование задачи облегчается применением ряда методов.

Поиск литературы

Цель: отыскать опубликованную информацию, полезную длябудущих проектных решений.

План действия:

Определим цели, для которых разыскивается информация.

Определить виды изданий, в которых может публиковаться достовернаяинформация, пригодная для указанных целей.

Выбрать наиболее подходящие общепринятые методы поискалитературы.

Свести стоимость поиска литературы к минимальной, предусмотреввремя на задержки в выдаче информации и непрерывно оценивая как выбор источниковинформации, так и пригодность собранных данных.

Поддерживать точную и полную картотеку признанных полезнымидокументов.

Составить и постоянно обновлять небольшую библиотеку длябыстрого отыскания нужной информации

При определении целей могут встречаться разные ситуации.

Например: целью может быть изучение состояния вопроса вобласти знания, уже изученной другими специалистами, а может понадобиться выбратьпримеры из широкой области, в которой информация до сих пор отрывочна и несистематизирована. Это влияет на следующий этап.

Определить виды изданий.

В первой из указанных выше ситуаций полезно сосредоточитьвнимание на обзорных статьях, монографиях и учебниках, избегая оригинальных журнальныхпубликаций и популярных статей.

Во второй ситуации необходимо искать теоретические,технические и популярные публикации любого типа по проблеме, более широкой, чемвыполняемая задача.

При этом необходимо учитывать наличие информационного шума (проиллюстрироватьэто понятие, например, уравнением Кутателадзе для расчета длины хода испарителяс экономайзерной зоной).

Выбрать наиболее подходящие методы поиска литературы.

Существуют следующие стандартные способы выявления необходимыхпубликаций.

а) Обращение к энциклопедическим словарям;

б) Использование библиотечных каталогов;

в) Консультации с библиографом или сотрудникамиинформационных служб;

г) Консультации с экспертами;

д) Обращение к реферативным журналам;

е) Использование механизированных или автоматизированныхключевых указателей;

ж) Консультации у исследователя, который по характеру своейработы мог уже собрать разыскиваемые публикации;

з) Просмотр периодической литературы. При этом следуетучесть важность правильного доведения цели поиска до библиографа;

и) Использование Интернета.

Важно отметить, что современные механизированные системы поискамогут обеспечить полноту поиска до 90% и точность до 50%. Ручной поиск даетзначительно более низкие результаты.

Свести стоимость поиска литературы к минимуму. Очень легкоутратить контроль за поиском литературы («утонуть в ней»). Поэтомурекомендуется придерживаться следующих рекомендаций:

а) наметить дату, к которой поиск литературы должен бытьзавершен;

б) предусмотреть возможные задержки в выдаче документов изотдаленных источников информации;

в) свести до минимума количество источников, отобрав напервом этапе только наиболее перспективные;

г) на основании мнения экспертов сократить длинные перечнидокументов, получаемые от библиографов;

д) при отсутствии какого-либо иного метода отбора следуетруководствоваться репутацией автора и издания, а также качеством изложения вопросав данном документе (привести пример с изложением теории подобия А.А. Гухманом иМ.В. Кирпичевым);

е) в самом начале поиска ознакомиться с некоторымиматериалами из каждого источника и сделать вывод об их пригодности для решенияданной проблемы (часто название обещает больше, чем дает содержание);

ж) следует помнить, что, хорошо усвоив характер проблемы,можно за несколько минут извлечь релевантную информацию из обширного документа.Поэтому поиску литературы должно предшествовать тщательное обдумываниепроектной ситуации.

Последующие этапы работы могут быть понятны бездополнительных комментариев.

Следующий этап: выявление визуальных несоответствий.

Цель: определить направления, по которым должен идти поисксовершенствования художественно-конструкторского решения.

Метод применим, когда основные принципы конструкции уже выявились,или когда идет речь о модернизации существующих изделий.

План действий:

изучить образцы или фотографии существующих изделий;

определить очевидные несоответствия и противоречия в компоновкеи назначении деталей конструкции;

определить причины этих несоответствий и доказать целесообразностьизменения художественно-конструкторского решения;

предусмотреть пути ликвидации несоответствий и способы приведенияконструкции в соответствие с условиями эксплуатации.

Поскольку применение этого метода в основном, касаетсядизайнеров и требует близости к изобретательному искусству, более подробнорассматривать этот метод не будем. При необходимости его описание можно найти вкниге Д.К. Джонса «Инженерное и художественное конструирование. Современныеметоды проектного анализа». — М.: Мир, 1976.

Интервьюирование потребителей.

Цель: собрать информацию, известную только потребителямданного изделия, например, применительно к химическому оборудованию, аппаратчикам.

План действий:

Выявить ситуации потребления (использования) изделия.

Побуждать потребителей к описанию и демонстрации любых аспектових деятельности, которые они считают важными.

Направить беседу на обсуждение тех аспектов деятельности, потребителя,которые имеют непосредственное отношение к исследуемой ситуации.

Зафиксировать во время интервью или сразу после него как основные,так и побочные выводы.

Получить замечания потребителей (если это целесообразно) относительновыводов, сделанных на основании интервью.

При организации интервью полезно использовать опыт,накопленный в нашей стране в процессе социологических исследований.

Перед интервью полезно составить вопросники, чтобы интервьюирующийпомнил об основных спорных аспектах проекта, но не целесообразно проводитьопрос так, чтобы потребитель понял, что лишь немногие аспекты его работыпредставляют интерес.

Цель интервью — заставить потребителей спонтанновысказываться о тех аспектах их работы, которыми они наиболее озабочены. К ниммогут относиться и такие аспекты, о которых сам интервьюирующий не подозревает,хотя они имеют самое непосредственное отношение к формулированию проектныхзадач (Пример с дешевой мебелью на крейсерах 1905 г).

Часто конструкторам требуется информация о таких аспектахрабочего процесса, над которыми потребители не имеют оснований серьезно задумываться,т.к им удалось приспособиться к оборудованию. Если интервьюирующийобнаруживает, что над некоторыми интересующими его аспектами потребительспециально не задумывался, необходимо в беседе вновь сосредоточить внимание натом, что потребитель считает важным. Ведь очень легко потерять довериепотребителя, если настойчиво продолжать разговор о том, что тот считаеттривиальным или не имеющим отношения к делу.

Анкетный опрос.

Анкетный опрос проводится с целью собрать полезнуюинформацию среди многочисленной группы потребителей, которую затруднительно охватитьустным опросом. Это полезно, например, при совершенствовании товаров народногопотребления.

План действия:

Определить проектные решения, на которые могут повлиять ответына вопросы анкеты.

Охарактеризовать виды информации, имеющие важное значениедля принятия проектных решений.

Определить категории лиц, располагающих необходимыми видамиинформации.

Провести предварительные исследования, чтобы получить представлениео знаниях потенциальных участников анкетного опроса (например, интервьюированиемпотребителей).

Составить пробную анкету, отвечающую как процедуре опроса,так и конкретной проектной ситуации.

Распространить пробную анкету для проверки вопросов, вариативностиответов и метода их анализа.

Отобрать наиболее подходящий контингент лиц, располагающих необходимойинформацией.

Собрать ответы на анкету лично или по почте.

Извлечь из ответов данные, наиболее полезные для проектировщиков.

При использовании этого метода необходимо учесть следующиезамечания.

На мнение потребителей нельзя полагаться, пока у них нетопыта обращения с новым изделием, т.е. не нужно задавать вопросов о предполагаемыхновшествах.

Предварительные интервью полезны в том, что они даютвозможность исключить из опроса те категории лиц, опыт которых, как показалиинтервью, не имеет особой ценности. К тому же проектировщик не должен приступатьк работе по проектированию до тех пор, пока не осознает, насколько далеко отреальности его представление о действительных мыслях потребителей.

При составлении анкет следует придерживаться следующих принципов:

а) спрашивать лишь минимум информации, необходимый дляданного случая;

б) вопросы должны формулироваться так, чтобы на них можнобыло ответить однозначно — «да» или «нет», или простоцифру, или ответить как-то иначе, но столь же определенно и точно;

в) вопросы должны формулироваться так, чтобы ответы былиискренними и неуклончивыми (т.е. не задевать самолюбия опрашиваемого);

г) в вопросах не должно быть неуместного любопытства;

д) количество вопросов должно быть таким, чтобы заполнениеанкеты не отнимало слишком много времени. Так, если предполагается, что опрашиваемыйдолжен заполнять анкету непосредственно на своем рабочем месте, «междуделом», то заполнение ее не должно отнимать более 10-15 минут, иначе анкетабудет отодвинута в сторону на неопределенное время.

Пробные анкеты позволяют оценить трудоемкость их заполненияи уточнить круг интервьюируемых. На стадии пробного анкетирования отбрасываетсяи методика извлечения полезных данных из анкет (В качестве примера — анкетированиестудентов во «Введении в специальность»).

Исследование поведения потребителей

Цель: Исследовать модели поведения потенциальныхпотребителей нового изделия и предсказать их предельные характеристики.

Это, по существу, эргономическое исследование или «исследованиечеловеческих факторов». Многие из этих факторов не могут быть выявлены врезультате интервью или анкетирования, вследствие автоматизма их выполнения.

Например, обычный ключ от замка все расценивают только каксредство отпирания двери. Наблюдения же показывают, что, повернув ключ, людииспользуют его же, чтобы толкнуть дверь или потянуть ее на себя. А ведь формаручки ключа для этого неудобна (Показать, как мы обычно учитываем эргономику).

План действий:

Прежде чем приступить к разработке новой конструкции, проконсультироватьсяс опытными и неопытными потребителями аналогичного оборудования и провестисоответствующие наблюдения (Здесь используется интервьюирование).

Проанализировать систему «человек — машина» дляопределения задач, возможностей потребителя и художественно-конструкторскихтребований к тем деталям конструкций, которые находятся в непосредственномвзаимодействии с потребителем.

Изучить путем наблюдения или моделирования особенно важныеаспекты поведения как малоискушенных, так и опытных потребителей изделия.

Зафиксировать предельные значения, повышение которых приведетк невозможности выполнения потребителем необходимых операций без возникновенияошибок, поломок и неудобств.

Для выполнения второго этапа используются специальные методы«Системотехника» и «Проектирование систем „человек — машина“,которые мы рассмотрим несколько позднее.

На третьем этапе сомнения относительно приемлемости новогооборудования для потребителя можно попытаться разрешить одним из трех способов:с помощью контролируемых экспериментов, использованием абстрактных моделейповедения человека и путем „системных“ экспериментов.

Принцип контролируемых экспериментов состоит в том, что влабораторных условиях создается ситуация, при которой может изменяться однапеременная (например, скорость работы) и измеряется ее влияние на другую переменную(например, на количество совершенных ошибок), в то время как все другиепеременные остаются жестко зафиксированными. При этом традиционные методынаучного эксперимента следует дополнять специальными статистическими методами,чтобы учесть широкую вариабельность деятельности человека.

Здесь нужна осторожность, поведение в лабораторных условияхможет отличаться от поведения того же человека в производственных условиях, гдедействует много побочных факторов.

Например, измерения влияния размера шкалы прибора наточность считывания в лаборатории показали, что размеры традиционных шкал больше,чем в 2 раза превышают необходимые размеры. Можно было бы уменьшить размерыпультов и приборных панелей. Однако до сих пор во всем мире имеются сомнения ввозможности перенести этот лабораторный результат в производственные условия.

В некоторых случаях вместо человека удается использовать егомодель. Например, использование модели в испытаниях автомобилей в аварийных ситуациях.

Третий способ — системные эксперименты — ставит задачей непоиск общих и не контролирование индивидуальных переменных, а последовательноевведение в реальную систему „человек — машина“ или исключение из неегрубых ограничений. Результаты будут отражать ответы системы на эти ограничения,что поможет внести ясность в основные вопросы, связанные с данной системой(т.е. системный эксперимент в данном случае — эксперимент с системой).

Поскольку требуется только основная и притом довольноприближенная информация, компоненты машин в моделируемой системе могут бытьвесьма условными и стоить значительно дешевле, чем детально отработанныйобразец. Системные испытания представляют собой метод, имеющий самостоятельноезначение, и мы рассмотрим его следующим.

Поскольку „Исследование поведения потребителей“ являетсяэргономическим методом, здесь уместно охарактеризовать принципы эргономики как»проектной" дисциплины:

а) Устойчивые навыки приобретаются в результате того, чточеловек привыкает выполнять все операции, кроме главных, неосознанно, автоматически;поэтому мнения проектировщиков и потребителей, касающиеся их выполнения, могутбыть ошибочными. Следовательно, очень полезно проводить наблюдения наддействиями потребителей.

б) Наблюдение за ошибками начинающих операторов и измерениевремени обучения являются источниками ценной информации и служат чувствительнымкритерием оценки соответствия конструкции требованиям потребителя.

в) Контролируемые эксперименты начинают давать общезначимыерезультаты, но нужен специалист для их интерпретации. Лишь немногие результатытаких экспериментов удалось превратить в достаточно простые модели.

г) Системные эксперименты часто бывают необходимы длярешения главных проектных вопросов относительно конкретной системы «человек- машина» с достаточной степенью достоверности.

Необходимо понимать, что без тщательных измерений почти невозможноопределить пределы способностей человека выполнять те или иные действия, а безнаблюдения за его деятельностью, которое должно предшествовать проектированию,нельзя правильно учесть все аспекты, связанные с человеческими факторами. Ведьприспособляемость человека к неблагоприятным условиям настолько велика, чтостоимость этой адаптации не учитывается людьми, принимающими проектные решения.Но нет сомнений в том, что огромная стоимость несчастных случаев; выработкинавыков, которые быстро устаревают; стрессов современной жизни — может бытьзначительно уменьшена путем систематических исследований требованийпотребителей и внесения в конструкцию необходимых изменений.

Системные испытания.

Цель: Определить действия, способные привести к желательнымизменениям сложной проектной ситуации.

Системные испытания имеют преимущество перед использованиемотдельных моделей или частных вычислений в тех случаях, когда имеются сомненияотносительно правильности установления причин и следствий в реальной ситуации ихарактера их взаимодействия. Они полезны также в случаях, когда имеющие моделине могут учесть все важные взаимосвязи причин и следствий, которые характерны дляданной ситуации, т.е. для выяснения вопросов, не поддающихся моделированию. Норезультаты системных испытаний применимы только к данной ситуации.

План действий:

Определить характеристики данной проектной ситуации, не соответствующиежелаемому.

Определить источники резких изменений поведения в рамкахданной ситуации.

Ввести существенные ограничения в источники вариабельностиили снять их, зарегистрировав результаты их влияния на характеристики ситуации,не отвечающие желаемому. Зарегистрировать такие их явления на другие характеристикиданной проектной ситуации.

Выбрать наиболее перспективные и наименее опасные из изученныхограничений и использовать их для планирования и достижения желаемых изменений.

Чтобы названный план действий был понятен, рассмотрим простейшийпример.

Предположим, нам требуется найти наиболее близкие коптимальным размеры аудиторной доски. Такая задача может иметь практическоезначение при организации массового производства, когда лишний десяток сантиметроввысоты доски приводит к большому перерасходу материала.

Интересующими нас характеристиками являются высоты верхнегои нижнего края доски, оптимальное расположение которых зависит от роста лекторов,их почерка, характера графического материла и даже от того, тесен или свободенкостюм на лекторе. Ясно, что построить аналитическую модель, учитывая все этиэлементы невозможно.

В данном случае ограничения снимают тем, что изготовляетсяэкспериментальная доска от пола до высоты 255-260 см и шириной во всю стену. Затемприглашаются по очереди разные лекторы разных специальностей, которые излагаютконкретные материалы с использованием этой доски. Использованное поле доскитщательно измеряется, фотографируется, после чего проводится статистическаяобработка собранных результатов. Отсекается по 5% крайних значений.

Основным недостатком системных испытаний является то, чтоони могут касаться только существенных последствий и не чувствительны к незначительнымэффектам.

Накопление и свертывание данных.

Цель: Построить и представить в визуальной форме моделиповедения человека, от которых зависят критические проектные решения.

Накопление и свертывание данных, недоступныхнепосредственному восприятию, применяются в тех случаях, когда местонахождение,физический объем и временной масштаб ситуации проектирования далеки от того,что проектировщики способны охватить, опираясь на свою память или непосредственноечувственное восприятие; примерами могут служить отдаленные потребители, крупныетранспортные системы, распространение малых трещин, быстрые действияквалифицированных операторов и т.д.

Накопление данных может осуществляться с помощью специальныхвидов киносъемки, магнитных записей и пр.

Сбор и анализ данных в этом случае осложняется тем, что накаждую единицу собранной полезной информации приходится множество абсолютнобесполезных сведений. Выбор полезной информации и представляет собою «свертывание»данных.

Таким образом, план действий представляется следующим:

Выявить неопределенности, имеющие критическое значение дляуспеха или неудачи проектных решений в рассматриваемом диапазоне (Примеры: состояниеи действие пилота в момент преодоления звукового барьера, обтекание водойподводного крыла при движении судна на подводных крыльях).

Определить, до какой степени следует сократить неопределенности,имеющие критическое значение.

Определить время и имеющиеся возможности для сокращениянеопределенностей, имеющих критическое значение.

Просмотреть существующие методы накопления и свертыванияданных, отмечая в каждом случае точность, скорость и стоимость обработки данных,а также типы вопросов, на которые может быть дан ответ.

Выбрать методы накопления и свертывания данных, совместимыес изложенными требованиями и друг с другом.

Непрерывно проверять релевантность промежуточных результатови неопределенностей, имеющих критическое значение, и при необходимости корректироватьметодику.

Перечисленные приемы позволяют выполнить и второй этапприведенной блок-схемы процесса проектирования. Для выполнения этапа «Формированиеидеи» используют морфологический анализ и синтез, метод обобщенной цели,метод поэтапного улучшения объекта АРИЗ и другие методы, ряд которых рассмотренв теме: «Системный подход в технике».

После того, как сформированы конкретные идеи, наступает этапинженерного анализа. Этот этап включает следующие операции:

описание более конкретной технической задачи;

разработка плана;

построение модели аналитической или экспериментальной;

применение физических принципов (т.е. по существу, созданиесистемы расчета ТО);

вычисления;

проверка;

оценка;

оптимизация.

После проведения инженерного анализа выполняется этапконкретизации решения, т.е. разработка проекта эскизного, технического,рабочего.

Рабочий этап, включающий чертежи всех элементов конструкцийсо всеми размерами, техническими требованиями и технология изготовления ТО идутв производство.

Завершением разработки проекта не заканчивается работаконструктора. В течение всего производственного процесса он курирует работу,решая в необходимых случаях вопросы замены конструкционного материала, возможностииспользования деталей, в которых допущены отклонения размеров от указанных вчертеже, внося изменения в проект в соответствии с принятыми рационализаторскимипредложениями и т.д.

Курирование проекта со стороны разработчиков продолжается ина этапе сбыта и эксплуатации ТО. Ведь только на этом этапе можно выявитьбыстро изнашивающиеся детали, оценить срок их службы и т.д.

9. Основы САПР9.1. Актуальные задачи по повышению конкурентоспособности промышленногопроизводства. Определение сапр

Успеха на мировом рынке можно добиться, лишь обеспечиввыполнение следующих задач:

ускорение темпов обновления выпускаемой продукции, что в частности,в машиностроении, требует значительного сокращения сроков выполненияпроектно-конструкторских работ;

повышение технического уровня продукции за счет использованияоптимальных технических решений;

максимальное использование новейшей научно-технической информациии технологии ее изготовления.

Все указанные задачи можно успешно решать, лишь используяЭВМ, и, в частности, в проектных работах, применяя САПР.

Под автоматизацией проектирования понимают такой способпроектирования, при котором все проектные операции и процедуры или их часть осуществляетсяпосредством взаимодействия человека и ЭВМ.

Использование ЭВМ, по данным А.В. Алферова [1], припроектировании станочных приспособлений повышает производительность труда конструкторовв 5-10 раз. Это же подтверждают данные Рурского университета (ФРГ), согласнокоторым машинное выполнение рабочего чертежа детали производится в 10 разбыстрее, чем в ручную, а стоимость работы уменьшается в 2 раза [2].

Оптимизация конструктивных решений в ряде случаев вообщеневозможна без применения ЭВМ. В этом нетрудно убедиться, рассмотрев нижеследующиепростейшие примеры.

Заметим предварительно, что любая проектно-конструкторскаязадача имеет, как правило, множество решений, одно из которых может оказаться болееэкономичным или эффективным по сравнению со всеми остальными решениями. Этотвариант и является оптимальным.

Пример 1. Требуется спроектировать цилиндрическийсварной сосуд с плоскими днищами, имеющий объем V, и работающий податмосферным давлением. Варьируя в широких пределах значениями диаметра сосуда Dпри граничном условии V = const можно получить целый ряд значений высотыили длины сосуда из соотношения

/> (рис.9.1).

Однако расход материала на изготовление сосуда будетразличным.

Приняв в качестве критерия оптимизации материалоемкостьсосуда и применив метод дифференцирования для поиска экстремума функции однойпеременной, можно получить:

/>, (9.1)

где Dопт — оптимальный диаметр сосуда; S1 и S2 — толщины соответственнокорпуса сосуда и его днищ.

Решение рассмотренной задачи не требует применения ЭВМ.

Пример 2. Определить основные размеры сварного цилиндрическогососуда с плоскими днищем и крышкой, работающего под атмосферным давлением. Крышкаустанавливается на сосуде с помощью фланцевого соединения (рис.9.2).

Рис.9.1 Сварной цилиндрический Рис.9.2 Цилиндрическийсварной емкостной аппарат емкостной аппарат с отъемной крышкой.

Наличие фланцев на корпусе аппарата существенно уменьшаетвеличину его оптимального диаметра, поскольку фланец имеет более значительнуютолщину, чем стенки и в нем сконцентрирована основная часть массы сосуда.

Значительно усложняется расчет оптимальных размеров сосуда всилу следующих обстоятельств

Фланцы стандартизованы (ОСТ 26-01-54-77) по дискретному рядувнутренних диаметров, следовательно, изменение металлоемкости и диаметра сосудане является непрерывной функцией и оптимум ее нельзя искать дифференцированием.Это можно сделать методом итерации, то есть многократным повторением расчетадля разных диаметров сосуда, предусмотренных стандартом. А это уже задача дляЭВМ.

В стандарте предусмотрены все размеры фланца и его масса. Следовательно,металлоемкость должна выражаться не в объемных единицах, как выше, а в единицахмассы.

В некоторых случаях корпус аппарата и фланцы изготовляют изразных материалов. Например, на медных аппаратах устанавливают стальные фланцы.Следовательно, вместо металлоемкости в этом случае нужно использовать стоимостьзатраченного материала.

Таким образом, при изготовлении фланцев, корпуса и крышек,аппарата из одного и того же конструкционного материала критерий оптимизацииимеет вид

/>, (9.2)

где Gi — массовая металлоемкость аппаратапри диаметре Di;

g — плотностьконструкционного материала;

n — количество корпусных фланцевых соединений напрочность;

Gфi — масса фланца,соответствующего диаметру Di.

В случае изготовления фланцев и корпуса аппарата из разныхматериалов критерий оптимизации примет вид:

/>, (9.3)

где qк — стоимость металла в изделии длякорпуса, днища и крышки (руб. /кг);

qф — стоимость металла в изделии дляматериала фланцев.

Задачей оптимизации для критериев (9.2) и (9.3) являетсяминимизация этих критериев:

Блок-схема алгоритма решения этой задачи приведена на рис.9.3.

Рис.9.3 Блок-схема алгоритма решения задачи (пример 2)

Пример 3. На площадке, ограниченной координатами от X*до Х* и Y* до Y*установлены 4 насоса (рис.9.4). Требуется поставить общий сборник так, чтобысуммарная длина трубопроводов, идущих от насосов к сборнику была минимальной. Такимобразом, критерием оптимизации является длина трубопроводов.

Цель оптимизации — минимизировать длину трубопроводов.

Рис.9.4 Схема расположения сборника жидкости и насосов (пример3)

Варьируемые параметры — координаты расположения сборника X0и Y0. Координаты расположения насосов:

1 — X1, Y1;

2 — X2, Y2;

3 — Х3, Y3;

4 — X4, Y4.

Длина трубопроводов, соединяющих насос со сборником, всоответствии с теоремой Пифагора:

/>;

/>.

Суммарная длина трубопроводов />.Задача оптимизации может быть записана в виде:

/>.

Координаты насосов X1, X2,X3, X4, Y1, Y2,Y3, Y4 являются фиксированными переменными.

Координаты сборника варьируются в пределах

/>; />.

Дополнительных условий нет. Следовательно, эта задача набезусловный экстремум.

Эта задача, как и предыдущая, решается методом итерации. Сборники насосы рассматривают как готовые объекты, характеристики которых заложены вбазу данных, а результат решения может быть выдан в виде планировки цеха.

Задачи, подобные примерам 2 и 3, решаются с помощью ЭВМ.

Но наилучшей формой организации процесса проектированияявляется применение систем автоматизированного проектирования (САПР), то естькомплекса средств автоматизация проектирования, взаимосвязанного с подразделениямипроектной организации и выполняющего автоматизированное проектирование [4].

9.2. Специфика проектнойдеятельности и виды проектных ситуаций

Проектная деятельность имеет ряд специфических особенностей:

Продуктом проектной деятельности является упорядоченная совокупностьсведений, служащих знаковой моделью объекта, в момент проектирования еще несуществующего.

Процедуры проектирования реального объекта, соответствуютпреобразованию его исходного описания в некотором конечном пространстве.

Способы преобразования информации при проектировании нельзявыразить в виде математических соотношений, то есть невозможно построить строгуюматематическую модель такого процесса преобразования.

В с вязи со сложностью проектируемых объектов на каждом этаперазработки в процесс вовлекаются различные специалисты, что придает проектированиюхарактер коллективной деятельности.

Проектируемый объект входит в упорядоченную иерархию объектови, с одной стороны, выступает как элемент системы более высокого уровня, а сдругой — как система объектов более низкого уровня.

В соответствии с этим процесс проектирования можно разделитьна два этапа: внешнего (объект как элемент системы более высокого ранга) и внутреннегопроектирования (объект — система элементов более низкого ранга).

Проектирование, как правило, имеет итерационный многовариантныйхарактер.

Для проектного творчества характерна декомпозиция — разбиениеобщей задачи на составные части.

При решении проектных задач можно выделить следующиепроектные ситуации:

Проектируемый объект может быть скомпонован из готовыхэлементов и блоков. При этом имеются наибольшие возможности применения ЭВМ дляавтоматизации процедур документирования, хранения архивов, решения задач компоновкиобъекта из готовых элементов и т.д.

Для проектирования объекта нет полного набора компонентов,но существуют аналогичные, из которых изменением параметров можно получитьнедостающие. В данном случае ЭВМ используется для анализа и оценки вариантовпостроения компонентов, выбора их оптимальных параметров, компоновки идеталировки и т.д.

Не существует аналогичных элементов, но известны принципы ихпостроения. Применение ЭВМ в этом случае возможно при использовании математическихмоделей, соответствующих используемым принципам.

Принципы построения элементов объекта не известны. Проектированиеопирается на результаты проводимых фундаментальных и прикладных исследованийЭВМ в этом случае применяется для моделирования различных процессов и явлений,обработки данных и управления модельными и натурными испытаниями и пр.

Возрастание сложности проектируемых объектов привело кформированию концепции и методологии автоматизации проектирования, в которыхмоделирование является одним из основных методов обеспечения проектных работ. Поэтомуможно сказать, что САПР основана на регулярном применении современныхматематических методов и средств вычислительной техники в процессе принятияпроектных решений, в организации и управлении проектированием [4].

9.3. Виды САПР

Различают следующие четыре вида САПР.

Уникальные САПР, имеющие межотраслевой характер и создаваемыедля решения крупнейших народнохозяйственных задач. Эти сверхбольшие системыпредставляют собой сети ЭВМ и вычислительных центров. В рамках таких системвозможно существенное наращивание вычислительных мощностей, созданиемежотраслевых банков данных и т.п. [4].

Универсальные САПР отраслевого назначения с системой коллективногопользования, обеспечивающие проектирование всей номенклатуры техническихизделий отрасли. Такие САПР обычно строятся по двухуровневому иерархическомупринципу: на первом уровне — мощная ЭВМ с большим объемом памяти и высокимбыстродействием; на втором — периферийные ЭВМ, обслуживающие отдельныетерминалы, устройства, абонентские пульты. Годовой объем проектнойдокументации, создаваемый такой САПР, достигает 100 тысяч документов.

Специализированные САПР проектной организации, представляющиесобой также системы коллективного пользования, но ориентированные на выполнениенаиболее массовых проектных работ по конкретным изделиям и реализованные на ЭВМсерии ЕС или СМ.

С помощью таких систем проектировщик получает возможность использоватьэффективные математические модели, методы моделирования и оптимизации на всехосновных стадиях проектирования заданного объекта. Ниже в качестве примерабудет рассмотрена структура одной из таких САПР.

Индивидуальные САПР, реализованные на мини — и микроЭВМ,предназначенные для выполнения отдельных видов инженерных расчетов и проектныхработ. К этому виду САПР можно отнести и Автоматизированные Рабочие Места (АРМы),построенные на мини-ЭВМ. Ниже в качестве иллюстрации будет дано краткоеописание АРМ «Автограф — 840».

Любая система автоматизированного проектированияпредставляет собой организационно-технический комплекс, состоящий из большогоколичества взаимосвязанных и взаимодействующих компонентов. Основной функциейСАПР является автоматизированное проектирование технических объектов и ихсоставных частей на основе применения математических и других моделей, автоматизированныхпроектных процедур и средств вычислительной техники.

Интегрированная САПР выполняет проектирование объекта от первичногоописания до выдачи проекта, содержащего весь необходимый комплекс документации.

САПР является самостоятельной системой на предприятии (отделСАПР, бюро САПР). Но она может быть связана с подсистемами и банками данныхдругих автоматизированных систем предприятия иди даже других организаций ипредприятий: с автоматизированной системой научных исследований (АСНИ),обеспечивающей получение и обработку математических моделей для различныхобъектов и процессов; с автоматизированной системой управления (АСУ),организующей проектирование и распределение ресурсов на проектные работы; савтоматизированной системой управления производством (АСУП), для которогопредназначен проектируемый объект, как предмет производства. Научно-техническийуровень САПР во многом определяется этими связями, их полнотой и интенсивностью.Связи осуществляются по телефонному, кабельному каналам связи. Перспективной внастоящее время является разработка системы спутниковой связи САПР, расположенныхв различных регионах страны, с мощными централизованными банками данных.

САПР следует рассматривать как постоянно развивающуюся (эволюционную)систему. Здесь наблюдается определенная аналогия между сложными техническими ибиологическими системами.

Одним из проявлений этого развития является передача опыта иинтуиции проектировщика машинной среде. При этом в ЭВМ создается определеннаямодель процесса проектирования, а сам человек под воздействиеминформационно-программной среды САПР повышает свой интеллектуальный уровень.

В соответствии с ГОСТ 23501.0-79 любая САПР должна иметь следующиевиды базового обеспечения: методическое, программное, техническое, информационноеи организационное.

Компоненты этих видов обеспечения приведены в табл.9.1 [5].

Таблица 9.1

Основные компоненты САПР

Виды базовых обеспечений Компоненты Основы построения Методическое (математическое и лингвистическое) Теории, методы, способы, математические модели, алгоритмы, терминология, нормативы, алгоритмические и специальные языки, обеспечивающие методологию проектирования в САПР. Перспективные методы проектирования, эффективные математические модели проектируемых объектов и их элементов, применение методов многовариантного проектирования и оптимизации. Программное Общесистемные и прикладные программы и эксплуатационные документы, предназначенные для получения проектных решений. Адаптируемость к различным конфигурациям ЭВМ и их операционным системам, модульность построения, обеспечения мультипрограммной работы, режим диалога, режим разделения времени. Техническое Устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства, обеспечивающие функционирование САПР. Серийные средства вычислительной техники общего назначения и другие современные технические средства. Информационное Базы данных и системы управления базой данных (СУБД), образующие в комплексе автоматизированные банки данных (АБД). Возможность логической структуризации данных по формальным признакам, гибкость организации и открытость структуры, защита данных. Организационное Правила и приказы, регламентирующие права, обязанности и функции участников разработки и эксплуатации САПР: проектировщиков-пользователей САПР, программистов, операторов ЭВМ и внешних устройств, операторов банка данных (группы поддержки банка данных) и администратора САПР. Прогрессивные методы организации проектирования, современные методы планирования и материального стимулирования.

Более подробно виды обеспечения САПР, их структурарассмотрена в работе [6].

САПР отличается от обычной системы проектирования тем, что вней с помощью ЭВМ частично или полностью автоматизированы процедуры подготовкии обработки информации, выбора принципов действия технических объектов ипринятия решения, выполнения расчетно-вычислительных работ, проектированиядокументации.

Система автоматизированного проектирования в сравнении собычной характеризуется рядом свойств, обусловленных широким применением ЭВМ: модифицированнойорганизационной структурой, специализацией разработчиков по выполняемым видамработ (а не по типам разрабатываемых изделий), полной механизацией иавтоматизацией рутинных операций, широким использованием технических средствпроектирования, высоким профессиональным уровнем проектировщиков-пользователейСАПР, ориентацией на наиболее творческие процедуры генерации вариантов решенияи гипотез [5].

9.4. Этапы проектирования. Структура сапр9.4.1 Алгоритмы проектирования

Последовательность процесса проектирования, вообще говоря,может различаться даже для одного и того же класса объектов. Причинами этогомогут быть: исторический опыт и традиции" сложившиеся в проектной организации;наличие или отсутствие прототипа; установленные сроки и финансовые ресурсы и др.

Некоторые распространенные логические схемы процессовпроектирования приведены в книгах Дж. Джонса [7], Дж. Диксона. [8], А.И. Половинкина[9]. На рис.9.5 приведена типовая логическая схема традиционного не автоматизированногопроектирования, заимствованная из [5].

Сущность задачи может быть выражена в техническом заданиинедостаточно четко. Например, задание «спроектировать установку для опресненияморской воды» может быть выполнено с использованием процессов испарения иконденсации, либо с помощью вымораживания, либо посредством электродиализа.

Поэтому необходим этап уточнения задачи, определениянаправления поиска. Сегодня существует достаточно большой выбор методов поискановых технических решений. Далее в выбранных перспективных направленияхпроводится поиск решения. Некоторые из них были рассмотрены в предыдущих темах.

На основе выбранного решения разрабатывается эскизный проекти проводится инженерный анализ, который включает описание конкретного техническогорешения, моделирование, применение физических принципов, вычисления, проверку,оценку, оптимизацию [8]. По результатам оценки принимается решение о разработкетехнического проекта на основе выбранного варианта или о возвращении к поискунового варианта решения. В случае положительной оценки решения ведетсяразработка технического проекта и рабочих чертежей опытного или головногообразца. После изготовления этого образца и его стендовых или промышленных (дляголовного образца) испытаний осуществляют корректировку техническойдокументации и ее утверждение для запуска технического объекта в серийноепроизводство.

Рис.9.5 Логическая схема традиционного неавтоматизированногопроектирования.

Рис.9.6 Структурная схема итерационного алгоритма процессапроектирования при декомпозиции процесса по уровням описания.

В данном случае декомпозиция была проведена по стадиямпроектирования (эскизный, технический, рабочий проект). На каждом этапе происходитуточнение моделей, углубление анализа и, как следствие, приближение объекта кзаданным в техническом задании характеристикам.

Декомпозиция может производиться и по уровням описания [9]. Тогдавыделяет следующие уровни декомпозиции: системный — наиболее общее описаниеназначения объекта и его связей с учетом тех изменений, которые объект внесет вокружающую среду; архитектурный — описание структуры объекта; функциональный — описание законов функционирования подсистем объекта; конструктивный — детальноеописание всех элементов системы.

При таком виде декомпозиции структурная схема итерационногоалгоритма процесса проектирования приобретает вид, показанный на рис.5.6, нооднотипность и инвариантность используемых процедур проектирования сохраняется.(Инвариантность процедуры — ее неизменность при изменении условий проведения, вданном случае — при изменении алгоритма проектирования).

При автоматизированном проектировании технология процессапроектирования в значительной мере определяется структурой и мощностью САПР.

9.4.2 Подсистемы САПР

Основными структурными звеньями САПР являются подсистемы. ПодсистемойСАПР называют выделенную по некоторым признакам часть САПР, обеспечивающуювыполнение некоторой законченной проектной процедуры с получениемсоответствующих проектных решений и проектных документов. Базовые этапы ипроцедуры проектирования реализуются следующими подсистемами преобразованияинформации, входящими в состав САПР любого масштаба (рис.9.7).

9.4.2.1 Информационная подсистема

Основная задача этой подсистемы состоит в сборе, хранении,поиске, упорядочении, пополнении, выдаче всей необходимой для обеспечения процессапроектирования информации. Применение ЭВМ позволяет создавать базу данных каксовокупность упорядоченных комплексных сведений о проектируемом объекте,включающих: мировой научно-технический уровень, фиксируемый в виде публикаций,описаний открытий и изобретений; фонд методов генерации вариантов решения,включая синтез новых принципов действия, с библиотекой физических эффектов; методойпроектирования, представляющие собой формализованный коллективный опыт специалистовв данной области; описания параметров и характеристик проектируемого объекта,его моделей для различных стадий проектирования; архив, хранилище накопленногов системе опыта в виде уже имеющихся решений как всей задачи в целом, так и ееотдельных фрагментов; описания типовых элементов, комплектующих изделий,материалов; руководящие и справочные данные, нормативны, стандарты, положения идругие данные, регламентирующие процесс проектирования.

Рис.9.7 Схема взаимодействия базовых подсистем САПР ипользователя.

Имеется система управления базой данных, регулирующаямеханизм доступа к ним (запись, объединение, старание или выдачу информации) взависимости от запросов и их приоритетов, машинных ресурсов и т.д.

Построение базы данных — сложный и трудоемкий процесс, определяющийво многом эффективность функционирования всей САПР. База данных со своейсистемой управления образует банк данных.

Информационная подсистема постоянно пополняется новымиданными и очищается от устаревших. Этим занимается специальная группа специалистов,называемая группой поддержки банка данных.

Наличие в САПР информационной подсистемы позволяет иметь безызбыточную,полную, достаточную и актуальную информацию о проекте.

Важной характеристикой САПР является степень ее информационнойсвязи с окружающей средой. Система называется статической, если в процессепроектирования не требуется информация о текущем состоянии внешней среды вданный момент времени и динамической, если при функционировании системанепрерывно потребляет такую информацию из источников, находящихся вне САПР [5].

9.4.2.2 Подсистема поиска решений технической задачи

Разработка вариантов решения технической задачисоответствует творческому этапу проектирования, при реализации которогопроектировщик использует все свои знания и умение. Поэтому автоматизациярешения этой задачи является одним из важнейших направлений в проблемеискусственного интеллекта. Трудность моделирования интеллектуальной деятельностипородили у ряда специалистов сомнения в возможности использования ЭВМ наначальных творческих этапах проектирования. Однако имеющийся опыт показывает,что программы, построенные на основе существующих методов поиска новых техническихрешений (метод эвристических приемов, дерево целей, морфологический анализ исинтез и др.) способны сформировать технические решения на уровне изобретений,совершенствующих известное устройство, способ или вещество [12].

Подсистема помогает проектировщику в решении двух классовзадач: в поиске новых принципов действия технических объектов и поискевариантов решения при известных принципах действия. Подсистема содержит различныеметодики поиска решения технических задач. Многие творческие задачи неподдаются полной формализации. В этом случае решение принимает человек врезультате человеко-машинного диалога. Подобные методы автоматизированнойгенерации решений повышают интеллектуальные способности и творческую активностьпроектировщиков.

Учитывая важность рассматриваемой подсистемы, ворганизационной структуре САПР желательно предусматривать группу специалистов вобласти эвристики, пополняющей подсистему новыми алгоритмами творчества, учитывающимикак особенности характера и структуры решаемых задач, так и особенностипсихической деятельности человека [5].

9.4.2.3 Подсистема инженерного анализа

Основное назначение подсистемы — выполнение всехвычислительных работ, связанных с детализацией выбранного варианта решенияпроектной задачи. Автоматизация вычислений позволяет использовать более сложныемодели объектов и более мощные вычислительные методы, что значительноприближает показатели модели к действительным показателям объекта. Арсеналвычислительных методов постоянно пополняется, многие инженерные задачистимулируют разработку новых подходов и методов, новых критериев и алгоритмов.

При выборе параметров объекта возможно использованиеразличных видов моделей, к которым относятся:

а — Аналитические (детерминированные — непрерывные идискретные, стохастические), причем этапам эскизного, технического, рабочегопроектирования соответствуют свои модели;

и — Имитационные, если объект отличается неопределенностьюфункционирования Такие модели воспроизводят процесс функционирования проектируемогообъекта, а оценка различных вариантов решения при варьировании управляющимипеременными позволяет найти наиболее приемлемый из них;

э — Эвристические и игровые модели, когда объектхарактеризуется неопределенностью функционирования и не установлены значенияего параметров. В этом случае используется интуитивный выбор решения в условияхнеполной информации.

В процессе проектирования рассмотренные модели используютсяв обратном порядке: от самых общих до наиболее точных.

Поскольку методика проектирования постоянно уточняется имодифицируется то структура САПР должна допускать возможность изменения отдельныхчастей системы без изменения остальных составляющих или с их минимальнымиизменениями, этим требованиям наиболее полно отвечают функциональные структурыинтегрированных САПР. Такие системы характеризуются модульным принципомпостроением математического обеспечения, наличием встроенных операционныхсистем и набором альтернативных проектных процедур и их оценок на различныхэтапах процесса проектирования [5].

9.4.2.4 Подсистема ведения и изготовления документации

Подсистема предназначена для изготовления и выдачи проектныхдокументов (чертежей, технических описаний, схем, графиков, таблиц), необходимыхдля создания объекта проектирования и позволяет, таким образом,автоматизировать наиболее трудоемкую, однообразную и утомительную рутиннуюработу. Автоматизация этих процессов позволяет резко сократить затраты труда ивремени, а также сравнительно легко обеспечить внесение изменений во все частипроектной документации.

Автоматическое изготовление документации осуществляется спомощью чертежных автоматов и графопостроителей, устройств микрофильмирования,репродуцирования и т.д.

Этой подсистемой осуществляется компоновка документов, т.е. разбиениеего на страницы стандартного формата, размещение графических символов на полестраницы, соединение их линиями.

Рассмотренные подсистемы составляют основу технологииавтоматизированного проектирования технических объектов. Эту технологию проектированияприменяет проектировщик, которому достаточно знать правила записи техническогозадания на проектирование с помощью специальных языков описания объекта идиректив управления системой, чтобы инициировать процесс обработки иотображения информации в САПР. Специальные диалоговые средства (дисплеи, АРМы) позволяютему оперативно получать промежуточные результаты в процессе решения задачи ииметь возможность влиять на ход ее решения, не прерывая вычислительногопроцесса.

В САПР имеются и другие подсистемы, которые в общем случаеподразделяются на объективно-ориентированные, осуществляющие разработку тогоили иного объекта на определенной стадии проектирования С например,конструирования деталей объекта, технологического проектирования), и инвариантныеили объектно-независимые подсистемы, которые осуществляют функции управления иобработки информации, не зависящие от особенностей проектируемого объекта (диалоговыхпроцедур, численного анализа, оптимизации, информационно-поисковых процедур,ввода-вывода графической информации).

Некоторые из этих подсистем описаны ниже при рассмотрениипримеров промышленных САПР.

Подсистемы и компоненты САПР соединяются и взаимодействуютдруг с другом под управлением операционной программы проектирования,отображающей логическую схему построения проекта, в соответствии с директивойпользователей системы. Подвергаясь воздействию проектных процедур, модельпроекта развивается, накапливая и структурируя поступающую все более детальнуюпроектную информацию таким образом, чтобы в любой момент представить ее враспоряжение конструктора или какой-либо из программ системы. Такойорганизацией системы достигается обеспечение единства модели проекта на всехстадиях процесса проектирования. Наличие общего для всех программ образапроектируемого объекта существенно отличает САПР от простого объединенияразрозненных программ, каждая из которых требует специфического описания данныхо проекте.

9.4.3 Принципы построения САПР

При создании и развитии САПР применяются основные общесистемныепринципы:

включения, предусматривающий согласование параметров ивозможностей конкретной САПР с системой более высокого иерархического уровня;

системного единства" обеспечиваемый тесными связямивсех подсистем САПР;

развития, предусматривающий наращивание и совершенствованиекомпонентов САПР и связей между ними;

комплексности, обеспечивающий связность проектирования отдельныхэлементов и всего объекта в целом на всех стадиях проектирования, т.е. своеобразныйконвейер проектирования;

информационного единства, требующий использования в подсистемахСАПР установленных соответствующими нормативными документамипроблемно-ориентированных входных языков, языков программирования, способов представленияинформации, терминов, символов и т.д.;

совместимости, обеспечивающий совместное функционированиевсех подсистем САПР при сохранении открытой структуры системы в целом;

инвариантности, требующей чтобы подсистема и компонента сапр были по возможности универсальнымиили типовыми, т.е. инвариантными к проектируемым объектам и отраслевойспецифике;

моральной живучести, предполагающий наличие в САПР средствнастройки на ограниченный, но достаточно представительный класс технических базпроектирования.

Система должна легко адаптироваться к этим базам. Предусматриваетсятри уровня настройки системы: системный, процедурный и параметрический. Насистемном уровне осуществляется смена общесистемных программ, например, связанныхс переходом на новые физические принципы реализации проектируемого объекта. Процедурныйуровень используется при переходе на новый класс объектов проектирования иобеспечивает замену отдельных блоков в программных модулях входного описанияобъекта, инженерного анализа, документирования. На параметрическом уровнепроизводится настройка системы внутри некоторого класса проектируемых объектов[5].

9.5. Примеры промышленных сапр9.5.1. Система автоматизированного проектирования предприятий химическойпромышленности (САПРХИМ)

Более десяти лет в Государственном институте азотнойпромышленности и промышленности органического синтеза (ГИАП) функционирует системаавтоматизированного проектирования предприятий химической промышленности. Дляее создания существовал целый ряд предпосылок. Одна из них — чрезвычайновысокая стоимость проекта при традиционных методах проектирования — до трехпроцентов стоимости объекта (на Западе 10-12%). При этом создание программ дляавтоматизации отдельных проектных операций, не объединенных в САПР, позволяетавтоматизировать лишь 15-20% объема проектных работ.

Второй предпосылкой является длительность процессатрадиционного проектирования.

Задание на проектирование выдается в несколько этапов. Сначалавыдается предварительное задание. После начальной проработки этого задания появляетсяуточненное задание. Затем следует согласование задания с целым рядом инстанций.

Вследствие этой этапности в процессе проработки проектавозникают изменения в задании. Это — источник ошибок в проектах, которыеприходится исправлять. Поэтому проектирование всегда является итерационным процессом.Уже это делает целесообразным использование ЭВМ.

Проект требует решения экологических задач. Экологическиерасчеты в ручную не реализуются. Длительность традиционного проектирования истроительство от начала планирования до выпуска первой продукции составляет вРоссии 10 — 12 лет.

Сегодня это, строго говоря, недопустимо. Получается, чтотолько что вошедшее в эксплуатацию предприятие содержит проектные решения 15 — 18-илетней давности, учитывая, что, начиная проектирование, проектировщики брали неновейшие, а проверенные решения.

Создание САПР позволяет сократить сроки проектирования и повыситьего качество.

Одной из предпосылок создания САПР является разное повышениеуровня математизации проектирования. В частности в САПРХИМ предусмотреноавтоматизированное решение задач, которые можно классифицировать следующимобразом.

Расчеты аппаратов.

Балансовые расчеты схемы производства. Здесь требуется решениесистем линейных уравнений высокого порядка, а в расчетах кинетики процессов исистем нелинейных уравнений.

Расчеты оборудования на прочность, ветровую и сейсмическуюнагрузку.

Расчеты трубопроводов. Следует иметь в виду, что разветвленныйтрубопровод представляет собой статически неопределимую систему с несколькимисотнями неизвестных. Требуется решение как линейных, так и нелинейных уравнений.

Расчет КИП и автоматики. В этом случае требуется решение системнелинейных дифференциальных уравнений, уравнений в частных производных.

Задачи оптимизации. Здесь широко распространены задачи линейного,нелинейного, динамического программирования.

Информационно-логические задачи — поиск и выбор решения,подбор оборудования, аналогов.

Геометрические задачи — компоновка размещения оборудования,трассировка трубопроводов.

Создание САПР такого масштаба — длительная многолетняяработа. Поэтому ее подсистемы вводятся в эксплуатацию поочередно, система постояннорасширяется и развивается. Объединение раздельно создаваемых подсистем в единуюсистему обеспечивается на уровне использования общих технических средств,общего методического, программного и организационного обеспечения.

Разработка системы начата в 1974 г. В 1980 г., когда быларазработана общая структура САПРХИМ, предусматривались следующие подсистемы, назначениекоторых легко определяется по их наименованию, взятому из традиционноупотребляемой проектировщиками терминологии:

1. Экономика;

2. Генеральный план;

3. Аппаратурно-технологическое проектирование;

4. Трубопроводы;

5. Изоляция;

6. Автоматизация;

7. Строительное проектирование;

8. Электротехника;

9. Сантехника;

10. Теплоснабжение;

11. Экология,

12. Организация строительства; 13. Проектно-заказнаядокументация; 14. Холодоснабжение; 15. Компоненты конструктивных расчетов,отдельных узлов и аппаратов.

Каждая из подсистем в свою очередь состоит из несколькихкомпонентов. Например, в подсистему «Экономика» входят: технико-экономическиеобоснования, технико-экономические расчеты на стадиях технического и рабочегопроектов, сводные сметно-финансовые расчеты и библиотека технико-экономическихпоказателей производств отрасли.

В подсистему «Автоматизация» входят: проектированиелокальной автоматизации, проектирование систем АСУТП, проектирование системАСУП.

В связи с тем, что в подсистеме работают десятки, а иногда исотни программ и подсистема постоянно модифицируется, развиваясь вглубь ивширь, расширяя свои функциональные возможности и класс решаемых задач, системаПроектируется таким образом, чтобы изменения и дополнения, вносимые в нее, ненарушали бы общей работоспособности и требовали минимальных затрат на ееподдержание.

Рис.9.8 Структурная схема САПРХИМ

В 1984 г. функционирующая САПРХИМ имела структуру,показанную на рис.9.8. Подсистемы высшего иерархического уровня соответствуютобычным составным частям проекта промышленного предприятия. Подсистемы болеенизких иерархических уровней на рис.9.8 приведены только для технологическойчасти, которая наиболее разработана и соответствует профилю студентов, длякоторых предназначено настоящее пособие. Ниже приводятся краткие характеристикиотдельных подсистем и модулей, приведенных на рис.9.8.

Технологическая часть состоит из пяти подсистем следующегоиерархического уровня.

САПРАЗОТ — система, обеспечивающая выполнениетехнологической части проекта азотных производств, которая, в свою очередь,делится на три подсистемы: АСТР, ФИЗХИМ, СПЛАЙНЫ.

АСТР — автоматизированная система технологических расчетов. Онасодержит около 100 программ и предусматривает решение систем нелинейныхуравнений, оптимизацию, печать результатов.

ФИЗХИМ — система расчета физико-химических свойств веществдля азотной промышленности. Она позволяет вычислить основные свойства индивидуальныхгазов (углеводородов и газов основной неорганической химии) и их смесей при давленияхот 1 до 300 атм (0,1 — 30 МПа) и температурах от 0 до 1200°С. Предусмотренавозможность расширения-круга веществ и свойств. Система ФИЗХИМ состоит из трехосновных частей: банка физико-химических констант, библиотеки программ расчетаотдельных физико-химических свойств, обслуживающих программ.

СПЛАЙНЫ. Для обработки информации о поверхности изделия наЭВМ должна быть сформулирована математическая модель этой поверхности. Этосравнительно нетрудно сделать, когда сложная поверхность может быть разбита наэлементы, каждый из которых представляет собой простейший геометрический объект:круговой цилиндр или конус, сферу или участок плоскости, ограниченный обрезкамипрямых или дугами конических сечений. В тех случаях, когда поверхности необразуются простейшими элементами, приходится искать иные решения.

Английское слово spline переводится как «упругая рейка».Такую рейку используют в качестве гибкого лекала при вычерчивании плоскихкривых по опорным точкам. Форма осевой линии рейки на участке между двумя соседнимиопорами описывается в прямоугольных координатах уравнением равновесия

/>. (4)

Здесь левая часть уравнения является выражением кривизныкривой, а правая — изгибающий момент. Момент на соседнем участке кривой можетиметь иную зависимость от координаты X и кривизна соответственно будетиной.

Но поскольку каждая опора является одновременно концомпредшествующего участка и началом последующего, значение момента в опоре являетсяграничным условием для обоих участков.

Таким образом, на стыках действует условие сопряжения,обеспечивающее правильную стыковку соседних участков. Описание формы кривой накаждое участке имеет одну и ту же структуру и различается только значениямичисловых констант.

Абстрагируясь от равновесной формы рейки, приходим к понятиюфункции с кусочной структурой и повторяющемся на каждом звене строением, но сразличными значениями параметров. Такие функции и их обобщения на случайнескольких переменных получили название сплайн-функций или просто сплайнов.

В более низких иерархических уровнях подсистемы САПРАЗОТимеет библиотека общетехнологических модулей «Технолог», а далеемодули азотных производств: «аммиак», «метанол», «азотнаякислота», «капролактам».

Перечисленные моду ли особенно наглядно показывают возможностидальнейшего расширения САПРХИМ, поскольку они далеко не исчерпываютноменклатуру производств, объединяемых в рамках одного предприятияазотнотукового профиля. В порядке иллюстрации в табл.9.2 приведена номенклатурапроизводств некоторых комбинатов, заводов, производственных объединений иакционерных обществ указанного профиля.

САПРСВОД — подсистема того же иерархического уровня, что иСАПРАЗОТ. Эта подсистема обеспечивает автоматизированное составление комплектующихспецификаций.

еще рефераты

Еще работы по промышленности, производству

Реферат по промышленности, производству

Основы проектирования и эксплуатации технологического оборудования транспортных предприятий

25 Июня 2015

Реферат по промышленности, производству

Основы проектирования ленточного конвейера

25 Июня 2015

Реферат по промышленности, производству

Основы разработки, внедрения и подготовки производства гибких производственных систем

31 Августа 2013

Реферат по промышленности, производству

Основы расчёта оболочек

24 Июня 2015