Лекция 7. Инженерная деятельность и техническое творчество

1. Особенности и виды инженерной деятельности.

2. Структура и основные этапы инженерного творчества. Особенности инженерного

решения технических проблем.

3. Особенности синергетического подхода к системному исследованию и проектированию.

1. Научно-техническое творчество проявляется не только в получении научного знания, но и в его материализации и техническом использо­вании. И чем ближе научно-техническая идея к своей матери­альной реализации, тем большую значимость приобретает инженерная деятельность. Именно на по­следней ступени движения от науки к производству – на ста­дии разработки технического объекта – отчетливо проявляется сращивание познавательной деятельности ученых и преобра­зовательной дея­тельности инженеров. Поэтому инженерное использование знаний представляет собой неотъемлемое звено цикла научно-исследовательского процесса. Инженер превращается в человека, который за­нимается наукой, осмысливает ее достижения с целью их практического применения.

В эпоху научно-технической революции связи научного и инженерно-технического творчества на­столько усили­ваются, что иногда их трудно отделить друг от дру­га. Воплощая научные идеи, откры­тия и догадки, инженерно-техническое твор­чество становится специфической формой познания, по­скольку в процессе его самого, а затем и практическом использовании его результатов нередко рас­крываются новые свойства и закономерности природы. Чаще всего это происходит при создании, изучении и практическом исполь­зовании сложных технических объектов, когда обнаруживаются такие явления, которые не нашли по­ка еще своего адекватного теоретического обоснования. К таким явлениям можно отнести, к примеру, электрическую дугу, совершающую издавна (уже около двухсот лет) победное шествие в технике фактически без поддерж­ки фундаментальной теории.

Подобные прикладные исследования, существенно расширяющие наши знания о сложных явлениях и процессах, имеют достаточно высокую значи­мость для науки. Примером может служить обнаруже­ние в процессе практиче­ского использования электрической дуги в технических системах определен­ных закономерностей переноса металла в аргоновой дуге, где существует кри­тический ток перехода крупнокапельного переноса металла в струйный. Нала­гая на дугу импульсы тока, амплитуда которых превосходит такой критический ток, мы получаем управляемый перенос металла (отрыв от электрода капли каждым таким импульсом). Указанный эффект послужил основанием для разработки техноло­гических процессов импульсно-дуговой сварки и их широкого приме­нения.

Качественное изменение характера инже­нерной деятельности приводят к выделению в ней в каче­стве самостоятельных направлений таких ее видов, как исследовательская, проектно-конструкторская, технологическая и эксплуатационная. Соответственно различаются инже­неры-исследователи, инже­неры-конструкторы, инженеры-проектировщики, инжене­ры-технологи и инженеры-эксплуатацион-ники. Известный специалист в облас­ти философии техники И.А. Негодаев так определяет их специ­фику: «Появле­ние инженеров-исследователей обусловлено прежде всего тем, что современ­ное науч­ное познание, его методология, методика, а следовательно, и результа­ты все в боль­шей степени опре­деляются его технической оснащенностью. По­этому без них становится невозмож­ным проведение, например, современных экспериментов, требующих сложнейших технических уста­новок и точнейших приборов. Однако инженеры-исследователи работают не только в научной, но и в производственной сфере. В этом случае предметами их исследований стано­вятся содержание, меха­низмы функциониро­вания и функциональные возмож­ности технических объектов, а их целью – нахож­дение законов или оптималь­ных способов взаимодействия природных сил с целью их использования в процессе создания и эксплуатации технических систем. На пути к достижению ука­занной цели инже­нер-исследователь, исходя из функционального назначения технического устройства и отвлекаясь при этом от его конст­рукторских харак­теристик, создает схему этого устройства, обращая внимание, пре­жде всего, на его содержание и принцип действия. Тем самым он стремится ответить на во­прос: почему и как будет работать данный технический объект?

Что касается форм технических объектов, то они являются результатом деятельности инженера-кон­структора. Технический объект может выполнять свое функциональное назначение, лишь обладая определенной формой, учиты­вающей не только природные законы его функционирования, но и соци­ально-технические требования, нормы и правила. К таким требованиям, в частности, относятся габа­ритные размеры, вес, стандартные входы и выходы, энергетиче­ские характеристики, условия работы, правила безопасности и т.д. В совокуп­ности с принципом действия технического объекта эти требова­ния определяют его форму, т.е. конструкцию. В определенной степени абстрагируясь от законов функ­ционирования технического объекта, найденных инженером-исследователем, инженер-конструктор основное внимание уделяет именно его конструкции. В его задачу входит поиск оптимального сочета­ния конструктив­ных элементов технического устройства с учетом воздействия на него факторов внеш­ней среды. Инженер-конструктор, таким образом, отвечает на вопрос: ка­кой должна быть форма (конструкция) технического объекта?

Инженер-проектировщик абстрагируется от принципа действия элемен­тов проектируемой системы, ограничиваясь лишь ее входными и выходными параметрами и конструктивными характеристиками. Он отвечает на вопрос: из чего состоит и как работает техническая система в целом? Его деятель­ность направлена главным образом на связи отдельных элементов технических систем, а не на сами эти элементы. В качестве элементов здесь выступают кон­структивно оформленные, законченные и уже готовые технические объекты, способные самостоятельно выполнять отдельные функции. К примеру, при проектировании систем управления такими элементами являются не разрозненные детали, а от­дельные приборы, способные воспринять информацию и пре­образовать ее в форму, удоб­ную для пере­дачи по линии связи в центр управ­ления.

Для практической реализации технического объекта необходимо ответить на вопрос: как его изгото­вить? Эту задачу решает инженер-технолог. Предме­том его деятельности является разработка способа, т.е. технологического про­цесса изготовления технического объекта. В функции инженера-технолога вхо­дят также выбор технологического оборудования, рациональная организация взаимодействия людей и техники в процессе производства, повышение эффек­тивности использования техники и т.п.

При этом важно подчеркнуть, что теоретические разработки и проектиро­вание технических объек­тов нельзя смешивать с типовым инженерным конст­руированием по заданным техническим предпи­саниям. Для признания проектно-конструкторских и проектно-технологических разработок научными необ­ходимы, как минимум, два обязательных условия: во-первых, техническое решение должно быть действительно принци­пиально новым, а не просто конструктивным; во-вторых, для получения необ­ходимых для проектирования расчет­ных схем должна быть разработана соответствующая модель.

При рассмотрении различных моделей явлений (процессов), механизмов, систем и других техниче­ских объектов необходимым фактором отнесения их к области научно-технического знания является их эвристичность и возможность экстраполяции.

Деятельность инженера-эксплуатационника направлена прежде всего на практическое использова­ние созданного технического объекта и не лишена творчества. В частности, наблюдая и изучая, как рабо­тает технический объект в различных конкретных условиях, можно увидеть не только его конст­руктив­ные недостатки и границы технологической применимости, но и обнаружить ранее неизвестные эф­фекты, требующие научной проработки».

2. Одной из важнейших элементов инженерной деятельно­сти является творчество. Конечно, всем ви­дам че­ловеческой деятельности в той или иной степени творчество присуще. Но если говорить об инженерной деятельности, призван­ной творить новую технику, создавая тем самым вторую (искусст­венную) форму объективной реальности, то творчество следует признать ее имманент­ным качеством.

Творчество инженера имеет определенную структуру и определяемые этой структурой этапы разви­тия. Структурными элементами инженерного творчества, в том числе в его научно-техническом ас­пекте, являются:

- отражение и осмысление технической потребности как проблемы тех­нического прогресса;

- вынашивание новой технической идеи;

- разработка идеальной модели технического объекта;

- конструирование ‒ переход от идеальной модели к созданию нового технического устройства на основе математических и технических расчетов;

- создание нового промышленного образца;

- исследование его эксплуатационных характеристик и соответствующая корректировка (совершен­ствование) самого технического объекта или же его технологического использования.

Что касается этапов технического творчества, то их обычно определяют следующим образом.

Первый этап – критическое осмысление существующего положения ве­щей на базе эксперименталь­ных или эксплуатационных (если технический объ­ект уже существует, но нуждается в серьезной дора­ботке) материалов и форми­рование тем самым проблемной ситуации. Результатом этого является фор­му­лировка конкретной технической задачи, которая может служить основой даль­нейших творческих поисков.

Второй этап – «вынашивание и рождение» новой технической идеи в ре­зультате перехода в новое качество при решении конкретной технической зада­чи. Это еще не техническое изобретение и не иде­альная модель нового, но уже выход за рамки непосредственно данного. С этой целью применяется набор ме­тодов поиска нового. При этом рациональные методы, составляющие логиче­скую основу процесса, не исключают, а напротив, предполагают проявление фантазии и интуиции при рождении технической идеи.

Третий этап – этап разработки идеальной модели как результата схемати­зации новой технической идеи, как структурной и функциональной схемы бу­дущего технического объекта. В идеальной модели учитывается необходимость ее последующей материализации, создания будущего объекта в чувст­венно воспринимаемой форме. На этом этапе происходит процесс продумывания, обоснования и созда­ния образца будущего технического объекта.

Четвертый этап – этап конструирования, перехода от идеальной модели к реальным разработкам. Ре­зультаты конструирования выражаются в эскизном и техническом проектах, рабочих чертежах или в модельно-макетном воплоще­нии. Начинается разрешение противоречий между материальным и иде­альным, теорией и практикой. Происходит движение от изобретения в его идеальной форме до рабо­чих чертежей и спецификаций и далее - до действующих моде­лей, экспериментальных и производст­венных образцов.

Пятый этап – этап воплощения изобретения в новом техническом объек­те. Этот этап складывается из ряда стадий. На начальной его стадии создается экспериментальный образец, который предостав­ляет возможность на основе данных экспериментов сделать доработку и доводку конструкторско-техноло­гических разработок. Затем для испытаний объекта в промышленных условиях создается его промыш­ленный образец. И, наконец, новая техника и технология запускается в серийное или массовое произ­водство. На этом этапе завершается процесс разрешения противоречий между теорией и практи­кой, но одновременно возникают новые технические задачи, новые противоречия.

Как видим, все этапы инженерной деятельности пронизаны творчеством. Творческий характер дея­тельности инженера проявляется прежде всего в том, что он сознательно формирует цель своей дея­тельности на основе осмысления технических потребностей производства и общества в целом, т.е. его деятель­ность является целеполагающей.

Творческая деятельность инженера, которая ведет к изобретениям, резко отличается от повседнев­ных производственных будней, где однажды найден­ное техническое решение лишь многократно вос­производится.

Возникает вопрос, с которым часто сталкиваются молодые ученые, аспи­ранты и соискатели о взаи­мосвязи изобретений и патентов с научным содержа­нием диссертационных работ, в частности, с их научной новизной.

Изобретения и патенты представляют собой решение технической про­блемы (вопроса), тоже тре­бующие определенной новизны, однако, сами по себе они, как правило, не составляют научного содер­жания работы, хотя и могут включать ее элементы. Вместе с тем, если они основываются на научном зна­нии, то являются важным заключительным элементом, практическим выхо­дом работы, отражаю­щим ее инженерную завершенность. В этом плане изо­бретения и патенты придают работе большую ценность и практическую значи­мость.

Изобретение - это акт сознания, который оставляет позади себя старую действительность и творит новую. Недаром наличие патентов на изобретения ВАК признает в качестве важнейших свидетельств новизны технических реше­ний.

В своей тенденции изобретение противоположно природе как искусст­венное естественному. Поло­жение об открытиях, изобретениях и рационализа­торских предложениях фиксирует, что изобретением признается новое и обла­дающее существенными отличиями техническое решение задачи в любой об­ласти народного хозяйства, социального и культурного строительства, обороны страны, дающее поло­жительный эффект.

В то же время следует отличать изобретение от научного открытия. Изо­бретение есть создание чело­веком того, что прежде не существовало, открытие же - это обнаружение того, что существует незави­симо от сознания человека. Открытие можно определить как обнаружение новых объектов действи­тельности и получение знаний о них. Однако абсолютно строгой грани между изобре­тением и откры­тием все же провести нельзя в силу того, что они оба являются результатом одного мыслитель­ного процесса субъекта.

При этом в одних случаях открытие создает объективную базу для тех­нических изобретений. Так, открытие свойств электричества привело к изобре­тению электродвигателя. В других, напротив, в изо­бретенном объекте впослед­ствии открывают нечто новое, что ранее было неизвестно. Так, например, изобретение громоотвода позволило в свое время открыть электрическую природу молнии.

Процесс изобретательства проходит определенные этапы: постановка проблемы, ее анализ и реше­ние. Наличие их выступает своеобразным критерием оценки новизны в процессе развития техниче­ского творчества.

Возникающие на том или ином отдельном производстве, в той или иной технической отрасли или в обществе в целом технические проблемы ставят перед инженерами определенные технические задачи. Так, например, «энергети­ческий голод» определяет задачу нахождения и практического использова­ния новых источников энергии. Противоречие между возникшими техническими задачами и возмож­ностью их решения существующими техническими средст­вами порождает техническую проблему создания соответствующих техниче­ских устройств. При этом инженер должен так сформулировать конкретную техническую задачу, чтобы в ней, как бы в виде «предчувствия», содержалась конкретная техническая идея решения этой задачи. Через сложный, порой до­вольно длительный, трудный и про­тиворечивый процесс проектирования, а за­тем конструирования техническая проблема получает свое инженерное решение.

Инженерное решение ‒ это решение практических технических проблем, имеющее творческий ха­рактер, реализуемое не только на определенных техни­ческих образцах, но и в масштабах обществен­ного производства. Оно научно обосновано и учитывает накопленный производственный опыт. В про­цессе вы­работки инженерного решения в полной мере проявляется и реализуется твор­ческий потен­циал инженера, его деятельность имеет ярко выраженный новаторский характер. Но здесь инженер должен разумно сочетать смелый полет своей мысли с холодным и здравым практиче­ским расчетом, с существующими нормами и стандартами.

В инженерном творчестве, как правило, существует два подхода к моде­лированию новой техники в процессе ее создания. Первый имеет дело только с техническими объектами и пренебрегает челове­ком, человеко-машинные от­ношения в лучшем случае отходят на задний план. При втором подходе исход­ным моментом модели является не техническое устройство, а процесс преобра­зования веществ и сил природы для удовлетворения человеческих потребно­стей. В этом случае моделируется система «чело­век – техника – производст­венная среда». В этой системе человеческие и технические носители функ­ций взаимодействуют при исполнении общей функции.

3. Начиная с 70-х годов ХХ в. широкое признание и распространение получила синергетика – теория развития самоорганизующихся открытых систем. Ее основные принципы и основанный на их исполь­зовании методологический подход к исследованию таких систем рассмотрен нами в первой части курса «История и философия науки». Здесь же отметим, что синергетический подход активно исполь­зуется и в технических науках, особенно при изучении происходящих в них физико-химических про­цессов, что исключительно важно в плане минимизации отрицательных последствий этих процессов при проектировании и конструировании технических систем и получения необходимого энерго- и материалосберегающего эффекта. В качестве примера такого использования можно привести приме­нение синергетических моделей в трибологии.

Трибологией называется научная дисциплина, изучающая трение и процессы его сопровождающие. Название этой дисциплины образовано от греческих слов «трибос» – трение и «логос» – наука. Тради­ционно, в сферу трибологии включают проблемы трения, изнашивания и смазки. Специфика триболо­гии состоит в том, что это междисциплинарное научное направление. Здесь пересекаются интересы физики, химии, материаловедения и ряда инженерных дисциплин. Актуальность трибологических исследований обусловлена тем, что потери средств от трения и износа в развитых странах достигают 4–5% национального дохода, а преодоление сопротивления трения поглощает во всем мире 20–25% вырабатываемой за год энергии. Проведенный Международным Советом по трибологии анализ показал, что эксплуатационные рас­ходы, затраты на ремонт и запасные части в несколько раз превышают затраты на изготовление новой техники.

Необходимо отметить существенное различие между парами трения в технике и живой природе. Особенностью функционирования узлов трения в живых системах является постоянное самовосста­новление, что позволяет сохранять работоспособность длительное время. На твердой кости располага­ется мягкий хрящ, на поверхности которого имеется тонкая подвижная полимерная пленка. Сопря­женная поверхность имеет такую же структуру. В процессе работы сустава, за счет использования процессов обмена веществ (подача энергии и вещества в пару трения осуществляется извне) происхо­дит возникновение и регенерация смазочного материала между трущимися поверхностями. Последнее явление можно квалифицировать как процесс самоорганизации.

При трении твердых тел в технических системах в определенные периоды их работы также могут наблюдаться явления самоорганизации. В середине 50-х годов при исследовании технического со­стояния самолета ИЛ-28 Д.Н. Гаркунов и И.В. Крагельский обнаружили явление самопроизвольного образования тонкой пленки меди на трущихся поверхностях деталей тяжелонагруженных пар трения сталь-бронза, смазываемых спиртоглицериновой смесью. Пленка меди толщиной 1÷2 мкм в процессе трения покрывала как бронзу, так и сталь. Она резко снижала интенсивность изнашивания поверхно­стей и уменьшала силу трения примерно в 10 раз. Подобное явление было также обнаружено в парах сталь-сталь узлов трения компрессора бытового холодильника при смазывании масляно-фреоновой смесью. Это явление получило название эффекта избирательного переноса при трении (эффект безыз­носности).

Для теоретического исследования явлений самоорганизации при внешнем трении твердых тел при­меняются идеи и методы, используемые при исследовании диссипативных структур³. Пара трения рассматривается при этом как открытая термодинамическая система, в которой постоянно происходит перекачка механической энергии. При подаче энергии в систему трения часть ее рассеивается, а дру­гая часть преобразуется в тепло. Рассматриваемая система отвечает следующим требованиям, предъявляемым к самоорганизующимся системам:

– незамкнутость (уже упоминавшийся обмен с окружающей средой энергией и веществом);

– неустойчивость (система находится в далеком от равновесия состоянии и поддерживается в этом состоянии за счет потоков вещества и энергии, что приводит к появлению некоей общей струк­туры, несмотря на непрекращающиеся потоки и изменение компонентов);

– нелинейность (вдали от равновесия потоковые процессы в системе взаимосвязаны через много­численные петли обратной связи, а соответствующие математические уравнения нелинейны);

– динамическая иерархичность (основной принцип прохождения системой точек бифуркации⁴ – возникновение нового качества системы за счет перестройки на нижележащем структурном уровне).

Для открытых систем с диссипативным образованием структур потоки должны превосходить неко­торое критическое значение, для того чтобы в системе могло начаться образование структуры. Следо­вательно, диссипативная самоорганизация может рассматриваться как «сверхкритическое» явление. Например при трении бронзы по стали в среде глицерина и соответствующих условиях в интервале 10–25 минут вначале происходит рост силы трения (в связи с увеличением износа), а уже затем наблюдается эффект избирательного переноса с низкими значениями силы трения и износа.

Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что эволюция самооргани­зующихся трибосистем характеризуется скачкообразным изменением их триботехнических и физико-химических свойств, что отражает этапы прохождения системой точек бифуркации.

Одним из способов активизации процессов самоорганизации при трении является введение ком­плексообразующих соединений, например медьсодержащих веществ, так как медь – активный ком­плексообразователь.

По аналогии с рассмотренным выше в модели брюсселятора⁵ механизмом, в самоорганизующихся трибосистемах были теоретически предсказаны, а затем экспериментально обнаружены колебательные трибохимические реакции трибокоординации и трибовосстановительного распада координационных соединений.

Медную защитную пленку, образующуюся в процессе трения, называют сервовитной (от латин­ского servo witte – спасать жизнь). При деформировании сервовитная пленка не разрушается. Она воспринимает нагрузки, покрывая шероховатости поверхностей трения стальных деталей.

Исследование процессов самоорганизации при трении открывает возможности использования в машиностроительном производстве и эксплуатации машин безызносных самоорганизующихся узлов трения, создание которых является стратегической задачей триботехники XXI века.

В природе встречаются чаще всего два основных типа необратимых процессов: 1) образование струк­тур в зоне равновесия при специальных внутренних и внешних условиях, причем открытость систем, нелинейность внутренней динамики и сверхкритические значения принадлежат к внешним парамет­рам системы; 2) разрушение структуры вблизи термодинамического равновесия как общее свойство системы при произвольных условиях. Применительно к процессам, происходящим в зоне трения – это избирательный перенос и водородное изнашивание. Оба явления могут быть рассмотрены как проти­воположно действующие необратимые процессы: первое как процесс структурообразования при спе­циальных внутренних и внешних условиях; второе – как процесс разрушения структуры вблизи рав­новесного состояния в системах с металлическими элементами пары трения под воздействием обыч­ных условий.

Своим появлением водородное изнашивание обязано интенсивному выделению водорода из сма­зочных материалов, окружающей газовой среды и неметаллических пар трения в результате трибохи­мических реакций. В результате трения происходит адсорбция⁶ водорода, его диффузия в поверхност­ные слои и концентрация на некоторой глубине от поверхности. Разрушение поверхностного слоя, насыщенного водородом, происходит в результате образования большого количества трещин по всей зоне деформирования.

В настоящее время теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены закономерности влияния температуры и температурного градиента на диффузионные процессы. В случае металлопо­лимерной пары трения показано, что изменение в стальном образце концентрации диффузионного водорода, образующегося из продуктов трибодеструкции полимера, существенно нелинейно и зада­ется величиной и направлением температурного градиента. При этом наибольшая концентрация водо­рода в стальном образце наблюдается в области максимальных температур.

Обнаружена также взаимосвязь трибоэлектрических и диффузионных процессов с механизмом водород­ного изнашивания металлополимерных трибосопряжений. В частности, установлено, что увеличение температурного градиента и отрицательного потенциала на металле приводит к снижению износо­стойкости, как полимера, так и металла за счет интенсивного наводораживания, что приводит к так называемому водородному износу.

Открытие водородного износа было решающим шагом в понимании механизма изнашивания ме­таллов при трении в углеводородных средах или в контакте с углеводородсодержащими полимерами, что позволило установить причины и разработать эффективные средства защиты металлов от износа.

Другим направлением реализации синергетических подходов в трибологии является использование фрактальной⁷ геометрии для описания моделей разрушения поверхностного слоя при трении. Вопрос о применении фрактальных кривых при описании процессов разрушения неоднократно обсуждался в литературе. Фракталы используются для численного моделирования процессов образования трещин, были сделаны попытки переформулировать основы классической механики хрупкого разрушения на языке фрактальных трещин. Фрактальная модель квазихрупких трещин дала возможность построить более четкий механизм связи особенностей микроструктуры разрушения с его макроскопическими характеристиками.

Кроме геометрии поверхности хрупкого разрушения, в качестве примера фрактального агрегата может быть рассмотрено изменение дислокационной структуры материала при возрастающем уровне нагрузки (переход от однородной дислокационной структуры к ячеистой).

В результате комплексных исследований износостойкости и долговечности конструкционных мате­риалов и покрытий при различных видах изнашивания было установлено существование, по крайней мере, четырех масштабных уровней внешнего нагружения и эрозии, подчиняющихся закономерно­стям фрактальной механики разрушения и дробной размерности, изменяющейся по правилу геомет­рической прогрессии. Ступенчатое изменение фрактального параметра в уравнении изнашивания связано с изменениями условий на контакте и с соответствующим дискретным изменением коэффи­циента жесткости напряженного состояния изнашиваемой поверхности. Установленная фундамен­тальная закономерность справедлива для большинства структурно-энергетических моделей долговеч­ности материалов и различных технических средств.