Техническая система и принципы ее создания

Общие сведения о законах техники. При создании новой техники не следует ограничиваться только решением вышеизложенных задач. Они должны решаться с учетом влияния новой техники на безущербное функционирование техносферы.

Техносфера — совокупность всех функционирующих и старых, недействующих технических объектов и всех продуктов их деятельнос­ти, возникающих на земле и в космосе. Техносфера — это пространствен­но-временная система социально организованной технической формы материи — техники и управляемой ею технологической формы движения материи.

Зародившись в виде технических элементов, призванных компенсиро­вать и усилить трудовые и интеллектуальные потенции человека, техносфера постепенно формирует не только искусственную среду обитания, но и становится «Физиологической» системой общества, осуществляющей вещественно энергетический обмен с окружающим миром.Неосознанное обществом саморазвитие техносферы привело к ряду крупномасштабных негативных последствий. На протяжении всей истории человечества техносфера развивалась стихийно, будучи ограниченной лишь ресурсами биосферы.

Биосфера— оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организ­мов. Биосфера охватывает часть атмосферы, литосферы и гидросферы, которые взаимосвязаны сложными биогеохимическими циклами миграции вещества и энергии. Начальный момент этих циклов заключен в трансформации солнечной энергии растениями и синтезе биогенных веществ на Земле.

Начиная с XX века, создание новых технических систем все чаще стало приносить больше вреда и зла, чем пользы и добра (экологичес­кие бедствия и нарушения экологии, связанные с деятельностью человека). Дальнейшее стихийное развитие техносферы угрожает благо­получному существованию человека. В связи с этим в будущем должно осуществляться научно-обоснованное развитие техносферы как состав­ной части гармоничной ноосферы. Формирование гармоничной техно­сферы вызовет значительное возрастание количества объектов техничес­кого творчества и появление принципиально новых классов задач по совершенствованию и преобразованию сложных комплексов технических систем, решаемых с учетом ограничений и требований нормального существова­ния биосферы и человека.

Ноосфера — новая высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и развитием в ней человечества, которое, развивая техносферу, познавая законы природы и совершенствуя технику, стано­вится крупнейшей силой, сопоставимой по масштабам с геологическими процессами, и начинает оказывать определяющее влияние на ход процессов, протекающих в охваченной его воздействием сфере Земли и околоземном космическом пространстве. Ноосфера имеет тенденцию к постоянному расширению на Земле и в космосе. В развитии ноосферы можно выделить два этапа. Первый этап — стихийное формирование и развитие ноосферы — характеризуется хищническим отношением к природе, экологическими нарушениями и ухудшениями состояния окружающей среды, что особенно усилилось в XX в. Отрицательные последствия стихийного развития ноосферы привели к необходимости формирования гармоничной ноосферы (второй этап) — новой среды обитания человека, в которой на основе системного научного знания появляется возможность гармоничного сосуществования и симбиоза гармоничной ноосферы путем воспитания и поддержания необходи­мого уровня культуры, нравственности и совести человека и развития его творческих способностей. Под гармоничной ноосферой понимается такое взаимодействие человека и природы, которое разрешаетпротиворечия между ограниченными ресурсами биосферы и возрастающими потребностями общества в энергии и веществе. Борьба с загрязнениями окружающей среды, исправление повреждений, нанесен­ных природе бесконтрольной промышленной деятельностью, сознатель­ное управление эволюционными процессами в биологических системах приобретают сегодня особое значение. Формирование гармоничной ноосферы — главная проблема XXI в., решение которой уже началось, о чем свидетельствуют постановка и попытки решения экологических задач. Последним сопутствует появление нового широкого класса задач технического творчества — класса очень сложных задач системной твор­ческой деятельности человека, связанных с выявлением и устранением противоречий между техносферой, биосферой и человеком. Техносфера является частью ноосферы. Еще в 30-е годы В.Н. Вернадский и Тейяр де Шерден сформулировали первые представления о ноосфере. В последнее время многие отечественные и зарубежные ученые развили эти представления и считают необходимым безотлагательно формировать гармоничные управляемые ноосферы.

Последние десятилетия объективно и с нарастающей остротой требуют создания интеллектуальных и других специальных средств повышения производительности и эффективности инженерно-технического творчества. Каковы главные причины появления и возрастания актуальности этой потребности?

Во-первых, имеет место ускоряющий рост числа задач технического творчества. В связи с этим в середине XX века естественный творческий потенциал перестал справляться с нарастающим количеством задач.

Во-вторых, в начале XX века произошла потеря целостности представления отдельного человека (ученого, специалиста, работника учреждений) о мире техники — техносфере. Это привело к невоз­можности прогнозирования отрицательных последствий ее развития. В связи с этим произошло и закрепилось крупное нарушение этики специалистов — создатели новой техники просто перестали системно изучать эти последствия. Поэтому все чаще стали появляться ситуации, когда создаваемое новое техническое благо вызывает эквивалентные или несоизмеримо большие отрицательные воздействия на человека и общество. Это проблемы экологии, гидроэнергетики, ядерной энергетики, газовых и нефтяных трубопроводов и др.

В-третьих, без цельности представления о техносфере невозможно решать новый класс несоизмеримо более сложных задач инженерного творчества, связанных с проектированием гармоничной управляемой ноосферы города, региона, страны и планеты.

В-четвертых, возрастание конкуренции на международном рынке, связанной с производством и сбытом новых изделий и технологий.

Все указанные причины, вызывающие создание и развитие новых интеллектуальных средств инженерного творчества, приведут к тому, что в ближайшие десятилетия эти средства станут самым перспективным и дорогим видом вооружения.

Это подтверждается следующим:

1 В последнее время возникли актуальные, и можно сказать, опасные
проблемы и вопросы, связанные с развитием техники, которые пока «игнорирует и не замечает» традиционная наука. Ответы на эти вопросы
могут быть получены в направлении разработки и применения теории
проектирования новой техники и ее главной части — законов и закономерностей строения, функционирования и развития техники.

2 Сегодня уже имеется достаточный научный задел по законо­-
мерности техники и разработанным на их основе подходам и методам,
которые эффективно можно использовать при проектировании новых
поколений техники и конкурентоспособных изделий.

Приведем основные понятия и подходы проектирования и создания новой техники их технологического воплощения.

Технический объект (ТО). Каждый ТО имеет определенную функцию, обеспечивающую реализацию соответствующей потребности. К ТО относятся отдельные машины, аппараты, приборы, сооружения, ручные орудия, производственная спецодежда и другие устройства, выполняющие определенные функции по преобразованию, хранению или транспорти­рованию вещества (материальных объектов неживой или живой при­роды), энергии или информации. К ТО также относится любой элемент (агрегат, блок, узел, сборочная единица, деталь и т. п.), входящий и машину, аппарат, прибор и т. д., а также любой из комплексов функцио­нально взаимосвязанных машин, аппаратов, приборов и т. д. в виде системы машин, технологической линии, цеха и т. п.

Как синоним понятия «технический объект» в литературе часто используют понятие «техническая система».

Технология— это способ, метод или программа преобразования вещества, энергии или информации из заданного начального состояния с помощью определенных ТО. Можно сказать, что технология — это способ применения определенных ТО. Разнообразие технологий так велико, как и разнообразие ТО. Существуют технологии добычи нефти, изготовления крепежа, технологии проектирования определенных ТО и т. п.

Технические функции и удовлетворяемые потребности. Функция, реализуемая техническим объектом (ТО), или техническая функция, отражает и описывает его назначение. Описание технической функции должно отвечать на вопросы:

1) Какое действие производит ТО?

2) На какой объект (предмет труда) направлено это действие?

3) При каких особых условиях и ограничениях выполняется это действие?

4) Какой результат получается в результате производственного действия?

Исходя из этих требований, техническую функцию можно описать следующей формулой:

Ф = (D,G,R,H)(3.1)

где D — описание действия производимого ТО и приводящего к желае­мому результату, т. е. к удовлетворению (реализации) определенной потребности;

G — описание объекта (предмета труда), на который направлено действие D;

R — описание особых условий и ограничений (если такие существуют), при которых выполняется действие;

Н — результат производственного действия.

Формула (3.1) позволяет также описывать техническую функцию на количественном уровне. Для этого ее компонентам D, Е, Н придают необходимые количественные характеристики. Например, грузовой автомобиль перевозит со скоростью до 60 км/ч, насыпные грузы массой до 3000 кг по проселочной дороге.

Формула (3.1) дает предельно сжатое и достаточно полное описание функции, удобное для восприятия человеком и для компьютерной обработки.

Любая техническая функция, как правило, связана с реализацией определенной потребности. При этом содержания описаний функции и потребности совпадают, т. е. для описания потребности можно также использовать формулу (3.1). Различие между функцией и потребностью состоит в том, что понятие потребности всегда связано с человеком, поставившем задачу реализации потребности, а понятие функций — с техническим объектом, реализующим эту потребность.

Следует отметить, что наряду с чисто функциональным описанием технической функции по формуле (3.1) существует функционально-физическое описание функции. Последнее отличается тем, что в до­полнение к описанию по формуле (3.1) дается описание физической операции, с помощью которой реализуется функция по этой формуле. Описание физическойоперации формализовано можно представить состоящим из трех компонентов.

Q = (Am, Е, Cm) или структурно

Am -> Е -> Cm,

где Am, Cm — соответственно входной или выходной поток (фактор) вещества, энергии или информации;

Е — наименование операции Коллера по превращению Am в Ст.

Это описание отвечает на вопросы «что» (Am), «как» (E), «во что» (Cm) преобразуется с помощью данного ТО.

Критерии эффективности — это показатели ТО, характеризующие качественную и (или) количественную меру его полезности и совершен­ства, а также прогрессивного развития. К критериям эффективности в первую очередь относятся: производительность; удельные материало­емкость, расход топлива и энергии; надежность и долговечность; степень механизации и автоматизации; безопасность; эргономичность; эстетич­ность; экономичность и др.

Для каждого класса ТО существует набор важнейших критериев эффективности. При этом у ТО, имеющих различные функции, многие критерии эффективности по наименованиям совпадают, что указывает на возможность полезных заимствований конструкторских решений даже у отдельных ТО.

Критерии эффективности часто называют еще потребительскими качествами ТО, которые, как и критерии эффективности, являются основными характеристиками для определения технического уровня и конкурентоспособности ТО.

Структура (внутренние факторы) технического объекта и уровни ее описания. Структура ТО обычно имеет четыре уровня описания, иерархическая соподчиненность которых следующая:

1) описание функциональной структуры;

2) описание принципа действия;

3) описание технического решения;

4) описание значений параметров.

Иерархическая соподчиненность уровней характеризуется двумя свойствами:

· каждый последующий уровень описания является более детальным и более полно характеризует ТО по сравнению с предыдущим уровнем;

· каждое последующее описание включает предыдущее.

Рассмотрим кратко каждый уровень.

Функциональная структура(ФС) представляет собой наиболее абстрактное описание ТО. Ее можно представить в виде ориентированного графа, вершинами которого являются наименования эле­ментов ТО, а ребрами — функции элементов или (и) потоки вещества, энергии и информации, передаваемые от одного элемента к другому.

Техническое решение (ТР) представляет собой конструктивное оформление ФС. Описание ТР обычно дается в виде перечня элементов их взаимосвязей и взаимного расположения, способов соединения между элементами и последовательности их взаимодействия, особенностей конструктивного исполнения элементов по форме, материалу, соотношению важнейших параметров и т. п. Поскольку каждый элемент ТО может быть тоже разделен на свои элементы и указанным образом описан, то ТР технического объекта может быть описано с любой степенью детализации. Описание ТР по уровню и характеру соответствует описанию патентов.

Описание параметров. Техническое решение представляет собой безразмерное описание ТО, который может иметь самые различные значения размерных и физических параметров. Данный уровень описания обеспечивает привязку ТО к конкретным требованиям и условиям.

Внешние факторы. К внешним факторам относятся явления и воздействия внешней среды, которая влияет на строение, функцио­нирование и развитие ТО. При проектировании новой техники внеш­ние факторы показывают существенное влияние на структуру и критерии эффективности ТО. Чаще всего действуют следующие факторы:

- природные: географическое положений, климатические, гидрологические, почвенно-грунтовые условия, биологическая среда, запасы сырьевых и энергетических ресурсов и др.;

- научно-технический уровень: наличие знаний фундаментальных наук, технический уровень мировой техники и ТО, с которыми взаимодействует интересующий нас ТО, имеющиеся технологические возмож­ности и др.

- искусственные потоки вещества, энергии и информации, с которыми проектируемый ТО находится в функциональном или вынуж­денном взаимодействии;

- личностные: уровень общей культуры, нравственности, образова­ния и профессиональной подготовки людей, занимающихся созданием, производством и эксплуатацией новой техники;

- социально-экономические и политические; действующие экономи­ческие отношения, наличие неудовлетворительных потребностей, социально-экономическая целесообразность реализации потребностей, наступление энергетического кризиса, действующая политика экспорта импорта, завоевание рынка по определенной продукции, подготовка к войне в специфических условиях и др. Каждый класс ТО для каждого момента исторического времени имеет достаточно четкий состав внешних факторов.

Задачи новых проектно-конструкторских решений.Весьма часто встречаются следующие шесть типов иерархических соподчиненных задач выбора или изобретения новых решений в виде.

1) актуальной потребности,

2) состава потребительских качеств;

3) функциональной структуры;

4) принципа действия;

5) технического решения;

6) соотношения параметров в ТО.

В каждом из указанных новых решений осуществляется устранение определенных недостатков, противоречий развития или улучшение определенных критериев эффективности.

Список требований. На ряду с потребительскими качествами каждый проектируемый ТО имеет список внешних и внутренних требований (условий и ограничений), выполнение которых обеспечивает реализацию необходимых потребительских качеств. К таким требованиям относятся, например, условия прочности элементов, соблюдение нормативных температурных режимов, функциональная и конструктивная совмести­мость и стыковка элементов ТО и одного ТО с другим, защита от агрессивной химической внешней среды и т. д.

По отношению к каждому ТО существует понятие необходимого и достаточного целостного списка требований. Невыполнение любого требования из этого списка ухудшает хотя бы одно из потребительских качеств или ТО становятся неработоспособными. Для различных уровней задач выбор проектно-конструкторских решений существует свой необходимый и достаточный список требований. Искусство и мастерство проектирования новой техники в первую очередь заключается в умении составить необходимый и достаточный список требований, в котором значение отдельных требований были бы конкуренто­способными и технически реализуемыми.

Недостатки технических объектов и противоречия развития. Недостатки (дефекты) — это вредные и нежелательные свойства, которые выявляются у технического объекта (ТО) сразу после начала производ­ства и спустя некоторое время, недостатки обычно связаны с ухудшением потребительских качеств, показателей технического уровня и конку­рентоспособности по сравнению с требуемыми и желательными. Причи­ны недостатков чаще всего заключаются в неучете некоторых требова­ний (из необходимого достаточного списка) во время проектирования и в повышении технического уровня таких изделий на международном рынке, которое произошло после начала производства и ТО.

При проектировании новых ТО, целью которого обычно бывает устранение недостатков в существующих ТО, часто возникают противо­речия развития. Эти противоречия возникают тогда, когда при поиске улучшенных проектно-конструкторских решений недостатков или, ухудшение одних потребительских качеств и показателей вызывает недопустимые или нежелательные ухудшения других показа­телей.

Противоречие развития разрешается путем нахождения таких новых проектно-конструкторских решений, в которых достигнуто улучшение актуальных и других показателей и при этом не ухудшаются или ухудшаются незначительно другие показатели.

Моделирование и оценка проектно-конструкторских решений.Потребность моделирования и оценки проектно-конструкторских решений (ПКР) возникает при необходимости получения ответов на следующие вопросы?

1) соответствует ли данное ПКР конкретному требованию или всему списку требований?

2) какой из двух альтернативных вариантов ПКР лучше по определен­ному показателю и по всей совокупности показателей, устанавливающих технический уровень и конкурентоспособность ТО.

Наиболее распространены три типа моделей и соответствующих способов моделирования: 1) мысленное, или интуитивное, моделиро­вание, когда специалист дает свои экспертные оценки данного ПКР; 2) математическое моделирование, когда ответы на указанные вопросы даются с помощью расчетных формул решения систем уравнений и реализации различных математических моделей на ЭВМ; 3) физическое моделирование, связанное с материальной реализацией ПКР в умень­шенном или увеличенном масштабе и проведением испытаний физи­ческой модели ПКР.

На практике часто используются такие комбинации различных моделей: интуитивное и математическое моделирование, что теперь часто реализуется в диалоге с ЭВМ, математическое и физическое моделирование, например, в виде аналого-цифрового комплекса.

В соответствии с иерархией задач выбора ПКР (выбор потреби­тельских качеств, функциональной структуры, принципа действия, технического решения, параметров) существует соответствующая иерар­хия математических и физических моделей ПКР.

Поколение и модель технических объектов. Новые технические объекты (ТО) условно разделяют на новые поколения ТО и новые модели ТО.

Новое поколение имеет значительно большие различия по сравне­нию со своим прототипом, чем новая модель.

Новое поколение ТО обычно отличается функциональной структу­рой, принципом действия или сильными различиями в техническом решении. Новое поколение как правило, имеет значительно лучшие потребительские качества и реализуется в виде несколько различаю­щихся моделей ТО. Новые модели ТО имеют отношение к определен­ному своему поколению ТО и основные признаки этого поколения. Модели ТО отличаются друг от друга конструктивным исполнением на уровне параметров и признаков технического решения, которые обеспе­чивают некоторое улучшение потребительских качеств.

Законы и закономерности техники. Здесь имеются в виду законы и закономерности техники, сформированные на естественнонаучном, количественном уровне аналогично законам и закономерностям, изучаемым в биологии, физике, химии.

Законы и закономерности техники отражают и определяют для отдельных классов ТО и фиксированных моментов времени или в зависимости от исторического времени объективно существующие, устойчивые, детерминированно или статически повторяющиеся при наличии определенных условий существенные закономерные связи и отношения между потребностями (функциями ТО), критериями эф­фективности, признаками структуры и внешними факторами.

Различие между законами и закономерностями техники условное и нечеткое.

Законы по сравнению с закономерностями отражают наиболее важ­ные и фундаментальные связи и отношения, которые проявляются в любом ТО или в очень широком классе разнообразных по функциям иструктуре технических объектов.

Для понимания техники недостаточно технических знаний, мало ипонимания технологии. Нужны знания законов техники и их приме­нения (философия техники) потому, что техника не только удовлетво­ряет потребности, но и формирует их.

Творческая деятельность в области техники. Интенсификация научно-технического прогресса все чаще требует от профессиональной деятельности человека решения задач анализа и принятия решений в системах управления и распределения функций между человеком и техникой (техническими средствами), включая ЭВМ.

Техника — это созданные человеком материальные средства, используемые им в раз­личных областях деятельности с целью удовлетворения материальных и духовных потребностей, являющихся движущими силами развития техники, источником же развития служат противоречия (внутренние и внешние).

Технические средства (системы) представляют собой целостные материальные объекты, которые, располагаясь между обществом, человеком и природой, строятся, функционируют и развиваются в социально-природной окружающей среде, взаимодействуя с ней и между собой. Изучение опыта создания эффективных технических систем (ТС) и оригинальных решений инженерных задач позволило систематизировать использованные методы и приемы, увидеть в них определенные законо­мерности. Этот очень ценный опыт человечества по совершенствованию ТС положен в основу разработок, позволяющих обучать творческой деятельности в области техники.

Одной из задач подготовки специалистов (будущих менеджеров, создателей или эксплуатационников техники) — развитие у обучающихся творческого инженерно-технического мышления. Специалист такой направленности обязан владеть навыками творческого решения инже­нерных задач, должен уметь поставить проблему, определить цель и задачи ее решения, найти способ решения являющийся новым и пере­довым, уметь изложить и защитить решение.

Здесь предпринята попытка обобщения и системати­зации сведений по активизации инженерного творчества, изложения основ лишь некоторых методов решения технических задач; о том как человек придумывает новые идеи и технические решения. Не безынтересно знать и то, почему отдельные идеи рождаются слишком поздно, а иные — преждевременно, т. к. не могут быть реализованы на текущем уровне развития техники.

Анализируя опыт своего развития, человечество сумело частично систематизировать те методы и приемы, с помощью которых удавалось и удается активизировать процесс рождения идей. Более того, опыт активизации технического творчества позволил перейти к новой стадии рождения идей, которую следует рассматривать как технологию (как процесс) обучения людей выработке идей технического характера. Некоторые технологии решения задач технического характера дают настолько поразительные результаты, что их последователи создают школы обучения изобретательству, создают компьютерные программы, способствующие решению технических задач (ТЗ). На поиски решения ТЗ может уйти различное время. У одного — месяц, у другого — годы, третьего — жизнь. Сокращению сроков разработки новых идей и решений служат принципы творческой деятельности и методы решения технических задач.

Для творческой деятельности характерны три вида последова­тельностей операций: логические, интуитивные и эвристические.

Логические — математически однозначно определены. Их можно корректно описать, составить алгоритм решения, использовать ЭВМ. Эти операции гарантируют получение определенного результата.

Интуитивная последовательность действий представляет собой комплекс неразделимых операций, выполнение которых не может объяснить даже сам творец. Еще не выяснены механизмы, с помощью которых человек приходит к ярким идеям. Однако общепризнанно, что в этом процессе используются аналогии, ассоциации, стрессы. Вершиной интуиции является озарение. Общеизвестно, что «озарения неохотно посещают лентяев». Многие исследователи утверждают, что необходимыми компонентами являются:

- эмоциональный момент (настрой, настойчивость, большое желание решить задачу);

- научное предвидение (знание законов природы);

- умение «делать руками» (личный опыт).

Вопросы для самоконтроля

1 Раскройте суть понятий «техносфера», «ноосфера», «биосфера».

2 Как вы понимаете суть проблемы необходимости сосуществования и симбиоза между биосферой, техносферой и человеком?

3 В чем суть технических функций, реализуемых техническим объектом?

4 Какими параметрами характеризуются технические объекты?

5 Как моделируются проектно-конструкторские решения при разработке технических объектов?

6 В чем суть законов и закономерностей техники?

7 В чем суть творческой деятельности в области техники?

Глава 4 РАСЧЕТ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

Основной причиной выхода из строя колес и зубчатых передач является повреждение зубчатых венцов колес в результате изнашивания активных поверхностей зубьев или их поломки. Изнашивание активных поверхностей происходит в основном от контактных напряжений (контактный износ) в закрытых, хорошо смазываемых жидкими маслами, передачах и от трения — в открытых, периодически смазываемых. Поломка зубьев возникает от значительных перегрузок ударного действия или от переменных напряжений изгиба (усталостный излом), действующий длительный период (число циклов N_Σ ≥ 4·10⁶).

Для предупреждения преждевременного выхода из строя зубчатых колёс от износа и поломки зубьев необходимо проводить расчёт зубьев на контактную прочность активных поверхностей и на прочность зубьев при изгибе.

Расчет на контактную прочность является основным, так как он в определенной мере способствует предупрежде­нию разрушения не только от контактного износа, но и от воздействий других видов повреждений, вызывающих отказ.

Ниже приведена методика расчета зубчатых передач, базирующаяся на рекомендации ГОСТ 21354–87, но с некоторыми упрощениями, не нарушающими логичности и сути упомянутого стандарта и обеспечиваю­щими достаточную точность инженерных расчетов.