Основы проектирования и конструирования (стр. 39 из 53)

ТО не оказывает отрицательного влияния на человека и окружающую среду.

Закон неравномерности развития частей системы: чем сложнее система, 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 дальнейшее развитие идет на уровне надсистемы.

Закон перехода с макроуровня на микроуровень. Развитие рабочих органов 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 означает повышение сложности технического объекта, создание технических систем, включающих все большее количество веполей.

Исследованием и формулированием законов техники кроме названных авторов занимались также Я. Дитрих [13], А.Ф. Каменев [14] и др.

Анализ работ названных выше авторов позволяет отметить следующее:

все перечисленные законы и закономерности носят чисто эмпирический характер и не содержат попыток теоретического обобщения;

перечисленные законы носят качественный характер и не позволяют дать их количественную оценку;

законы, сформулированные разными авторами сильно различаются по степени подробности изложения и глубине обобщения.

Поэтому понятна актуальность унификации требований к формулированию законов техники и необходимость повышения теоретического уровня осмысления 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 отражать очень большое число известных и возможных фактов, т.е. закон должен допускать эмпирическую проверку на существующих или специально полученных фактах, имеющих количественную или качественную форму. При этом формулировка закона должна быть настолько четкой, что два человека, независимо подбирающие и обрабатывающие фактический материал, должны получить одинаковые результаты проверки.

Формулировка закона должна не только констатировать, что где, когда происходит (т.е. упорядочивать, и сжато описывать факты) но еще по возможности отвечать на вопрос, почему так происходит.

Формулировка закона должна быть автономно независимой, т.е. к законам относятся лишь такие обобщенные высказывания, которые не могут быть логически выведены из других законов техники.

Формулировка закона техники должна учитывать взаимосвязи: техника - предмет труда, человек - техника, техника - природа, техника - общество.

Формулировка закона техники должна иметь предсказательную функцию, т.е. предсказывать новые неизвестные факты, которые могут быть достаточно очевидными, а иногда парадоксальными.

Формулировка всех законов техники должна иметь четкую определенную единую понятийную основу.

Законы техники должны основываться на реализации потребностей человека и являются по своей сущности законами целеосуществления.

Законы техники объединяются принципом сопряжения возможностей техники с возможностями человека.

Законы техники должны отражать принцип технологичности, т.е. новая конструкция должна быть такой, чтобы ее можно было осуществить при помощи существующих средств производства на основе существующей технологии.

Законы должны отражать социально-экономическую целесообразность создаваемой техники.

Законы техники могут иметь качественную или количественную формулировку.

Главная функция законов техники - быть явно полезными при решении задач анализа существующих ТО и создания новых ТО, прогнозирования развития определенного класса ТО и пр.

В соответствии с изложенными требованиями ниже сформулирован ряд законов техники. Большинство из них приводит А.И. Половинкин в работах [15, 16].

7.4. Законы развития техники

7.4.1 Закон прогрессивной эволюции техники

Действие закона прогрессивной эволюции в технике аналогично действию закона естественного отбора, который Ч. Дарвин открыл в живой природе.

Закон имеет следующую формулировку. В технических объектах с одинаковой функцией переход от поколения к поколению вызван устранением выявленного главного дефекта (дефектов), связанного, как правило, с улучшением критериев развития, и происходит при наличии необходимого научно-технического уровня и социально-экономической целесообразности следующими наиболее вероятными путями иерархического исчерпания возможностей конструкции:

а) сначала при неизменном физическом принципе действия и техническом решении улучшаются параметры ТО до приближения к глобальному экстремуму по значениям параметров;

б) после исчерпания возможностей цикла а) происходит переход к более рациональному техническому решению (структуре), после чего развитие опять идет по циклу а). Циклы а) и б) повторяются до приближения к глобальному экстремуму по структуре для данного принципа действия;

в) после исчерпания возможности циклов а) и б) происходит переход к новому физическому принципу действия, после чего развитие опять идет по циклам а) и б). Циклы а) и б) повторяются до приближения к глобальному экстремуму по принципу действия для множества известных физических эффектов.

При этом в каждом случае перехода от поколения к поколению в соответствии с частными закономерностями происходят изменения конструкции, корреляционно связанные с характером дефекта у предшествующего поколения, а из всех возможных изменений конструкции реализуется в первую очередь то, которое позволяет устранить дефект при минимальных интеллектуальных и производственных затратах, т.е. здесь проявляется принцип наименьшего действия [15, 16].

В формулировке закона использовано понятие "глобальный экстремум". Математически строгое определение этого термина дается в математической дисциплине, называемой вариационным исчислением. Смысл термина можно понять, исходя из следующего рассуждения. Функции нескольких переменных могут иметь экстремумы, соответствующие определенным комбинациям значений переменных. Это - локальные экстремумы. Очевидно, что множество локальных экстремумов позволяет выделить общий для них глобальный экстремум функции нескольких переменных.

В процессе совершенствования объекта в рамках одного физического принципа действия критерии развития обычно меняются не равномерно. В первое время после перехода от одного цикла к другому рост совершенствуемого критерия экспоненциально ускоряется, а потом затухает, что собственно, и говорит об исчерпании данного цикла. Поэтому зависимость значения критерия развития от времени

имеет S-образную форму и называется S-функцией. Иногда ее называют жизненным циклом изделия.

Интересно отметить, что такая форма жизненного цикла свойственна не только техническим объектам, но и объектам природы. Она и открыта была в 1845 г. Верхолстом при изучении кривых роста популяций живых существ.

Рост популяций в заданной среде описывается дифференциальным уравнением [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 роста народонаселения 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 физический принцип действия, заложенный Ф. Габером в основу связывания атмосферного азота с получением аммиака на катализаторе при высоком давлении, использован до предела. Создавать реакторы более высокой производительности на этом принципе не позволяют мощности современного станочного оборудования, транспортные устройства и др.

Поэтому сейчас исследуются другие принципы: микробиологическое связывание азота, плазмохимические процессы и др.

Аналогичный характер носит динамика процессов, происходящих в экономике - рост объемов производства, потребления энергоресурсов и т.д. Это демонстрирует рис.7.3.

Рис.7.3 Динамика потребления энергии в мире (млрд. т. усл. т)

Самое важное приложение закона прогрессивной эволюции заключается в построении на его основе методологии системного иерархического выбора глобально-оптимальных конструкторско-технологических решений - от выбора рациональной функциональной структуры до оптимального технического решения.

Методология ориентирована на изучение и использование всех возможных путей улучшения ТО. Если при этом решение каждой задачи будет выполняться с достаточно полным информационным обеспечением и будет находиться глобально оптимальное решение, то можно гарантировать, что создаваемый ТО по уровню будет соответствовать мировым достижениям.

Следует заметить, что для перехода к использованию нового физического принципа действия не всегда нужно ждать исчерпания ресурсов уже используемого физического принципа действия (ФПД).