Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

огнеупорного элемента от спирали. Точка 3 является также точкой

конструктивного и технологического исполнения указанных

функций, точкой приложения конкретных ФПД и ФЭ. Например,

ФПД – практическая реализация может быть выполнена

примыканием спирали и огнеупорным материалом.

Точка 4 - узел, в котором реализуется функция передачи

воздействия массы емкости с жидкостью на стол: 4

- реализуется

функция передачи массы корпуса электроплитки на стол; 4

реализуется функция передачи массы емкости с жидкостью на стол.

ФПД – практическая реализация может быть выполнена

примыканием емкости с жидкостью и корпуса электроплитки к

столу. ФЭ: прил. п.п. 1, 2, 11 и др.

Графы Ф

) и Ф

111

) - относятся к

полифункциональному элементу Е

ФПД – практическая

реализация может быть осуществлена функцией примыканием

спирали к огнеупорному элементу и функцией передачи тепловой

энергии от спирали к огнеупорному элементу.

Граф Ф

- первый тип конструктивной ФС: Ф

- функция

передачи тепловой энергии от спирали к емкости с жидкостью

(защитный экран в данном варианте не рассматривается), ФПД –

практическая реализация может быть осуществлена передачей

тепловой энергии, ФЭ - прил. Граф Ф

- первый тип

конструктивной ФС: Ф

- функция передачи тепловой энергии от

спирали к емкости с жидкостью (защитный экран в данном

варианте не рассматривается.

§5. Морфологический анализ технического объекта

Суть его состоит в том, что в интересующем ТО выделяют

группу основных конструктивных или других признаков. Для

каждого признака выбирают альтернативные варианты, т.е.

возможные варианты его исполнения

или реализации. Комбинируя

их между собой можно получить множество различных решений.

В варианте, изложенном в табл. 7, число возможных

конструкций равно

150053455

⋅

⋅⋅

. Таблица морфологической

модели технологических принципов содержит более 3 млн.

различных технологических принципов обработки металлов.

Таблица 7

Морфологическая таблица на ТО «Нож для резания пищевых продуктов»

Альтернативные варианты

№

Признаки

1 2 3 4 5

Материал

лезвия

металл камень кость

пластмасс

луч

электро

нов

Материал

рукоятки

дерево кость

пластмасс

металл

и кожа

Форма

лезвия

прямоуголь

ник

удлиненный

прямоугольн

ик

треугольн

ик

круглая -

Безопасно

сть

хранения

открытое

лезвие

лезвие в

чехле

лезвие в

рукоятке

- -

Выполняе

мые

дополнит

ельные

функции

распиливае

т твердые

тела

открывает

бутылки

выворачив

ает

шурупы

отворачив

ает гайки

открыва

ет замок

§6. Основные закономерности проявления физического

эффекта

Анализ информации об известных физических эффектах (ФЭ)

позволил выявить следующие общие закономерности их проявления.

1. При одном воздействии на объект может проявляться

несколько результатов воздействия. Их число зависит от структуры

физического объекта. Чем менее сложен по своей структуре объект,

тем меньшее число результатов воздействия

на нем проявляется.

меняя число и состав структурных элементов, при заданном

воздействии можно получать необходимые результаты воздействия.

Поскольку от одного воздействия могут проявляться ФЭ на разных

иерархических уровнях структуры объекта, то возникают внутренние

воздействия, а результаты воздействия, как правило, коррелируют с

внутренними воздействиями.

2. Выделение структурных элементов объекта целесообразно

использовать при

физическом анализе процессов, происходящих в

отдельных объектах или в их совокупности, а также при

определении, какие ФЭ могут проявляться на известном материале и

какие результаты воздействий могут возникать.

Так, для нагревания заготовки может быть использована печь

(внешнее воздействие) или нагревание путем пропускания через нее

электрического тока (внутреннее воздействие).

3. На один объект может быть оказано несколько воздействий.

Их можно подразделить на основные и дополнительные. Основным

воздействием на объект является такое, результат от которого

представляет другое, отличное от воздействия, физическое

поле.

Дополнительное воздействие – такое, которое приводит лишь к

количественному изменению результата, получаемого от основного

воздействия. Дополнительными воздействиями могут являться

постоянно действующие воздействия, например гравитационное и

тепловое поля, а также воздействия, оказываемые объектами

окружающей среды. Например, на ФЭ возникновения магнитного

поля при протекании электрического тока, где воздействием является

электрическое поле, может

быть оказано дополнительное

воздействие, например, магнитным полем, что вызовет изменение

электрического сопротивления проводника (магниторезистивный

эффект). Дополнительные воздействия не могут вызывать данного

результата без основного воздействия.

4. На одном объекте могут проявляться несколько ФЭ. Если

какое-либо воздействие приводит к новому результату воздействия,

то налицо проявление на одном объекте двух разных ФЭ

. Эта

особенность является основой для многофункционального

использования элементов объектов техники. Любые два ФЭ или

более, проявляющиеся на одном объекте, оказывают влияние друг на

друга. Это влияние объясняется участием структурных элементов

объекта в проявлении обоих ФЭ.

5. Значение результата воздействия может регулироваться и

обуславливается следующими факторами: количественным

изменением воздействия, введением дополнительных воздействий

введением еще одного основного воздействия, изменением

структуры объекта, изменением параметров объекта. При

постоянстве условий воздействия и свойств объекта проявляются

одни и те же результаты воздействия, одни и те же значения их

параметров. Эта закономерность обусловлена стабильностью

структуры объекта, на который оказывает воздействие, и

стабильностью свойств элементов его структуры. Эта

закономерность

выполняется для малого объекта, выделенного из

массивного.

§7. Критерий развитиятехнических систем

Критерий развития технического объекта (ТО) - (¥) -

параметр или показатель, характеризующий ТО и на протяжении

длительного времени имеющий тенденцию поддержания на

определенном уровне при достижении своего предела. Любой ТО,

как правило, имеет несколько критериев развития.

Определим значения дифференциальных и интегральных

критериев развития с учетом обозначенных ранее условий и

требований.

Критерий развития

ТО (¥) зависит от пяти

соответствующих критериев - К

; К

э.

при выполнении

ранее рассмотренных условий и требований ПП - У

,; У

; У

ис

; У

;

м.н.

. Эту зависимость запишем в виде:

¥ = f(К

; К

п.э.

) .

Ň(У

,; У

; У

ис

; У

м.н.

)

Для того, чтобы получить численные значения

коэффициентов проанализируем каждый из них.

Коэффициент К

- зависит соответственно от трех

коэффициентов К

пр

; К

точ

; К

над

и условий их выполнения. В

символах это будет в виде:

= Á(К

пр

; К

точ

; К

над

Ň (У

,; У

; У

ис

; У

м.н.

)

Функциональный критерий характеризует:

производительность, точность и надежность.

Здесь производительность, в основе которой лежит основное

свойство ТС (ТО) – непрерывность процесса изготовления,

начиная от надмолекулы неделимого элемента и кончая последней

стадии изготовления – приемки заказчиком является основным.

Поэтому и условием выполнения этого критерия является условие

измеримости по шкале отношений, например отношение

параметра времени,

необходимого для изготовления ТС.

Функциональный (К

)

Критерий

производи

тельности

(К

пр

)

Критерий

механизации

(К

)

Критерий

автоматиза

ции (К

)

Критерий

непрерывнос

ти процесса

обработки

(К

НО

)

Критерий

потока

информации

(К

П.М.

)

Критерий

точности

(К

)

Критерий

попадания

в цель (К

)

Критерий

обработки

материала и

вещества

(К

М.В.

)

Критерий

потока

энергии

(К

П.Э.

)

Критерий

надежности

Критерий

безотказности

(К

)

Критерий

долговечности

(К

)

Критерий

сохранности

(К

)

Критерий

ремонтопри

годности

(К

)

Критерий производительности может быть вычислен или

измерен. Он характеризуется в виде: времени (t), объема (V),

грузоподъемности (G), скорости (v), расхода (Q) и т. д. Например:

для электробритвы К

п.э.

= 1/Т

ср.,

чел/ ч,

для чайника К

п.ч.

= V/Т, л/ч,

для грузового автомобиля К

п.а.

= G·V

ср.,

т- км/ч,

где Т

ср.,

- среднее время бритья

одного человека данной

электробритвой, ч; V – объем чайника, л; Т – время нагрева воды

до кипения, ч; G – грузоподъемность автомобиля, т; V

ср.

– средняя

рабочая скорость автомобиля, км/ч.

Критерий производительности зависит от ряда параметров,

определенным образом влияющих на производительность труда.

Они представляют собой как бы частные функциональные

критерии, к ним относятся:

1. скорость обработки объектов (число оборотов или

операций в единицу времени, скорость движения рабочих органов

машины, протекание химических процессов и т.

п.);

2. физические и химические параметры (температура,

давление напряжение и др.), определенным образом влияющие на

интенсивность обработки объекта (предмета обработки);

3. степень механизации труда;

4. степень автоматизации труда;

5. непрерывность процесса обработки.

Критерий точности включает следующие частные критерии:

точность измерения, точность попадания в цель, точность

обработки материала и вещества, точность обработки энергии

точность обработки потока информации.

Критерий надежности включает частные критерии:

безотказность, долговечность, сохраняемость, ремонтопригодность.

Частные критерии степени механизации и автоматизации,

непрерывности процесса обработки, вероятности безотказной

работы, ремонтопригодности определены так, чтобы они

изменялись от 0 до 1, их возрастание связано с улучшением

критерия.

Критерий производительности, точности и надежности

представляют собой монотонно возрастающие функции.

Актуальность

и вес этих критериев всегда выше по сравнению с

другими группами критериев.

Технологический критерий должен обеспечивать

всестороннюю экономию живого труда при трансформировании

надмолекулы в техническую систему. Сюда должны входить

показатели: технологические возможности использования

материалов и расчленение ТС до уровня неделимого элемента.

Технологический критерий развития К

зависит

соответственно от четырех коэффициентов К

ти.

; К

те.

; К

и.м.

, К

условий их выполнения. В символах это будет в виде:

= À(К

т.и.

; К

т.в.

; К

г.р.

Ň (У

,; У

; У

ис

; У

м.н.

)

Технологические (K

)

Критерий

трудоемкости

изготовления

ТО (К

т.и.

)

Критери

технологи-

ческих

возможно-

стей (K

т.в.

)

Критерий

использовани

я материала

и.м.

)

Критерий

расчленен

ия

Группа технологических критериев главным образом

обеспечивает всестороннюю экономию живого труда при

изготовлении ТС (ТО) и подготовке их к эксплуатации. Критерий

проявляет свое действие и влияние по отношению к любому

классу ТС. Все подчиненные критерии для К

относятся к

монотонно возрастающим функциям на отрезке [ 0;1] при

выполнении всех указанных условий и требований. При выборе

критерия развития ТС особое условие накладывается на

критические параметры материалов, поэтому в данном случае

необходимо руководствоваться коэффициентом использования

материалов К

над

. Поэтому при выборе численного значения К

необходимо определить , хотя бы приближенно коэффициент

полезного действия (КПД) ТС, так как критерий К

над

по

содержанию, характеру и диапазону изменения близок к

энергетическому КПД.

Критерий технологических возможностей должен отражать

принципиальную возможность переработки материала в изделие.

Он определяется в виде:

2211

ннус

ннннуусс

вт

АААА

АКАКАКАК

+++

⋅

+⋅

•=

1, если А

н3

= 0;

где ε = К

, К

н1,

н2

- весовые коэффициенты,

0, если А

н3

> 0;

например, К

=1; К

= 0,5; К

н1

= 0, 2; К

н2

= 0.01); А

, А

н1

н2 -

соответственно число стандартных, унифицированных,

оригинальных элементов, не вызывающих затруднений при

изготовлении, вызывающих значительные, но преодолимые

затруднения и вызывающих принципиальные, пока непреодолимые

затруднения.

Значения К

т.в.

находятся в интервале |0; 1|. Улучшение

критерия связано с возрастанием его значения, однако его все же

нельзя отнести к монотонно возрастающим функциям.

Критерий использования материалов рассчитывают по

следующей формуле:

∑

⋅

ми

qК

где i = 1, 2, … - номера используемых различных материалов;

–масса готовой i - ого материала, используемого в ТО; K

весовой коэффициент i - ого материала, например, K

= С

/С

; С

–

стоимость единицы массы i - ого материала, С

– стоимость

единицы массы основного материала; p

- масса i - ого материала,

израсходованного на изготовление элементов ТО; m – число

деталей в ТО.

Критерий К

и.м.

монотонно убывает и принимает значения в

интервале [0; 1]. Иногда может быть скачкообразное возрастание,

связанное с переходом на новые технологии или более дешевые

материалы.

На практике это необходимо рассматривать в совокупности

со стандартизацией и унификацией. Особенность этого показателя

в том, что для улучшения каких – то факторов ТС приходится

ухудшать технологические возможности. Так,

при создании

композиционного материала приходится заведомо ухудшать

коэффициент использования наполнителя др. Поэтому показатель

технологических возможностей равен отношению массы изделия к

массе израсходованных материалов. Иначе, характер и диапазон

изменения параметра полезного использования материалов по

своему содержанию близок к энергетическому коэффициенту

полезного действия.

Технология экономического использования материалов

проявила себя еще 40 тыс. лет тому

назад, когда более

совершенные каменные орудия стали в значительно большем

количестве изготавливать кремния, агата и других нешироко

распространенных и находящихся в ограниченных количествах

минералов. Почти каждую техническую систему можно выполнить

из существенно меньшего числа элементов (узлов, деталей), чем он

сделан на самом деле. То же можно сказать и о материалах.

Почти

каждая деталь, каждый вспомогательный материал (флюс для

сварки, припой и т. д.) могут быть выполнены из более дешевого

материала (композиционного материала). Для этого сложную ТС

следует расчленить на элементы.

Экономический критерий развития (К

) зависит

соответственно от четырех коэффициентов К

р.м..

; К

р.э.

; К

з.и.о

; К

г.р.

условий их выполнения. В символах это будет в виде:

= À(К

р.м..

; К

р.э.

; К

з.и.о

; К

г.р.

) .

Ň (У

,; У

; У

ис

; У

м.н.

)

Экономические

Критерий

расхода

материалов

Р.М.

)

Критерий

расхода

энергии

Р.Э.

)

Критерий затрат на

информационное

обеспечение (K

И.О.

)

Критерий

габаритных

размеров

Г.Б.

)

Критерий расчленения К

- это оптимальное расчленение ТС,

которое значительно упрощает технологию разработки, доводки,

изготовления, ремонта и модернизации изделий. Критерий

имеет отношение к любому классу ТО, которые состоят более чем

из одного элемента.

Для определения экономического критерия К

также как и

технологического критерия К

необходимо определить, хотя бы

приближенно коэффициент полезного действия (КПД) ТС, так как

критерий К

над

. по содержанию, характеру и диапазону изменения

близок к энергетическому КПД. К

является монотонно

убывающей функцией на отрезке [ 0;1].

Экономические критерии развития. В теории безопасности

при рассмотрении техники, обеспечивающей средства

индивидуальной и коллективной защиты, ТС, опасных производств

и др., экономические критерии развития представляют собой

монотонно убывающую функцию в интервале [0;1].

Однако

критерий может иметь скачки, когда дополнительные затраты S

связаны с переходом на принципиально новую перспективную

технику, которая сразу не дает опережающего повышения

эффективности ТО.

Критерий расхода материала

можно определить из

отношения:

= G/Q , т. е. представляет собой удельную массу

материалов на единицу получаемой эффективности, при значениях:

G – масса технической системы; Q - показатель эффективности.

Критерий расхода материалов является одним из самых

древних. Актуальность его на протяжении всей истории техники

всегда была и остается весьма высокой и неизменной. Критерий

, как правило, представляет собой убывающую функцию при

условии, что сопоставление различных поколений ТО ведется по

одному показателю эффективности. различных поколений.

Основные, широко используемые способы абсолютного снижения

материалов следующие:

− - преобразование формы;

− - преобразование структуры;

− - преобразование в пространстве;

− - преобразование во времени;

− - преобразование материала и вещества;

− - приемы дифференциации;

− - количественные изменения;

− - преобразование по аналогии;

− - повышение технологичности.

Критерий расхода энергии. Существует и действует критерий

расхода энергии

: К

= W/Q,

где W – полная затрата энергии

за время эксплуатации ТО; Q -

показатель эффективности.

Можно использовать также модификацию критерия расхода

энергии, называемую

коэффициентом полезного действия: К

/ W. Здесь W

– полезная работа (энергия). Актуальность этого

критерия на протяжении всей истории техники была и остается

высокой и неизменной.

Критерий затрат на информационное обеспечение. В

настоящее время затраты на подготовку и обработку информации

становятся сопоставимыми с затратами на материалы и энергию.

Критерий затрат на информационное обеспечение можно записать

в виде:

и.. о.

= S/Q,

где S – затраты на подготовку и обработку информации,

включающие стоимость или эксплуатацию вычислительной

техники, разработку (или аренду) программного и

информационного обеспечения и т. д.