III. Закон гомологических рядов

Гипотеза о законе гомологических рядов в технике была сформули­ рована по аналогии с законом гомологических рядов И.И. Вавилова, отно­ сящимся к живой природе. Суть биологического закона заключается в том, что у близких видов, принадлежащих одному роду, имеет место уди­ вительный параллелизм одинаковых признаков. Вавилов дал следующую формулировку закона: «Виды и роды, генетически близкие, характеризу­ ются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильно­ стью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть на­ хождение параллельных форм и для других видов и родов. Чем ближе ге­ нетически расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сход­ ство в рядах их изменчивости. Целые семейства характеризуются опреде­ ленным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, со­ ставляющие семейство».

Для перенесения закона гомологических рядов в технику необходи­ мо было определить факторы, которые играют роль генотипа, т.е. как ге­ нотип в живой природе определяет видовые, родовые и другие признаки, так и в технике необходимо выделить факторы, обусловливающие харак­ терные признаки ТО. К таким факторам относятся компоненты описания функции, принципа действия и условий работы технического объекта, ка­ ждая из которых оказывает существенное влияние на техническое реше­

ние (структуру) ТО.

Гипотеза о законе гомологических рядов технического объекта име­ ет следующую формулировку: «ТО с близкими функциями, принципами действия и характеристиками условий работы имеют частично совпадаю­

Число совпадающих наборов признаков к будет тем больше, чем больше совпадающих компонентов описания функций, принципов дейст­ вия и условий работы. При этом имеют место корреляционные связи меж­ ду определенными компонентами и признаками.

IV. Закон расширения множества потребностей-функций

Этот закон имеет отношение к развитию техники в целом, а не от­ дельной фирмы, отрасли или страны. Уже давно известен закон возвыше­

Спрос на техническую систему, даже после разработки новых более эффективных систем, не всегда падает до нуля, о чем свидетельствует ниспадающий участок кривой на рис. 5.2 (увядание). Морально устарев­ шее оборудование, машины будут использоваться некоторое время и в дальнейшем, хотя в сокращающемся масштабе. Так, например, специали­ зированные сельскохозяйственные машины не могут полностью вытес­ нить трактор и комбайн.

V. Закон прогрессивной эволюции техники

Действие закона прогрессивной эволюции в мире техники аналогич­ но действию закона естественного отбора Дарвина в живой природе. Он отвечает на вопросы, почему происходит переход от предшествующе­ го поколения технического объекта к следующему улучшенному поколе­ нию; при каких условиях, когда и какие структурные изменения происхо­ дят при переходе от поколения к поколению. Закон прогрессивной эволю­ ции техники имеет следующую формулировку.

В техническом объекте с одинаковой функцией переход от поколе­ ния к поколению вызван устранением выявленного главного дефекта (де­ фектов), связанного, как правило, с улучшением критериев развития, и происходит при наличии необходимого научно-технического уровня и со­ циально-экономической целесообразности следующими наиболее вероят­ ными путями иерархического исчерпания возможностей конструкции:

а) 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 бо­ лее рациональному техническому решению (структуре), после чего разви­ тие опять идет по циклу а. Циклы а и б повторяются до приближения к гло­ бальному экстремуму по структуре для данного принципа действия. При этом значения критериев развития К, как правило, изменяются в соот­ ветствии с функцией вида

в) после исчерпания возможностей циклов а и б происходит переход к более рациональному физическому принципу действия, после чего раз­ витие опять идет по циклам аи б . Циклы а—*в повторяются до приближе­

ния к глобальному экстремуму по принципу действия для множества из­ вестных физических эффектов.

При этом в каждом случае перехода от поколения к поколению в соответствии с частными закономерностями происходят изменения кон­ струкции, корреляционно связанные с характером дефекта у предшест­ вующего поколения, а из всех возможных изменений конструкции реа­ лизуется в первую очередь то, которое дает необходимое или сущест­ венное устранение дефекта при минимальных интеллектуальных и про­ изводственных затратах.

В формуле (5.2) приняты следующие обозначения: L, a, b, Р - коэф­ фициенты, определяемые по статистическим данным; t -время. Вид функ­ ции (5.2), называемой 5-функцией, показан на рис. 5.3.

предельное значение критерия развития К,пред

Используемое в формулировке закона понятие «научно-технический уровень» имеет отношение к стране, отрасли и определенному моменту времени. Понятие включает используемые технические объекты, техноло­ гии, источники энергии, материалы и вещества, информацию об исполь­ зуемых в прошлые времена, а также о новых (пока не реализованных) ТО, технологиях, источниках энергии, материалах и веществах; информацию о физико-технических эффектах, которые используются или могут быть ис­ пользованы в технике и т.п.

Социально-экономическая целесообразность создания и использова­ ния технических объектов указывает на то, что, во-первых, их изготовле­

ние и практическое использование экономически возможно и выгодно, вовторых, не ухудшает антропологических критериев развития техники. Та­ ким образом, суть закона состоит в том, что в технических объектах с оди­ наковой функцией каждый переход от поколения к поколению вызван уст­ ранением возникшего главного дефекта (дефектов), связанного с улучшением какого-либо критерия (показателя) развития при наличии оп­ ределенных технико-экономических условий. Если же рассматривать все переходы от поколения к поколению, т.е. всю историю конструктивной эволюции определенного класса техники, то можно наблюдать следующие закономерности иерархического исчерпания возможностей конструктор­ ско-технологических решений на трех уровнях (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Иерархическое исчерпание возмож ност ей

конст рукт орско-т ехнологических реш ений

Сначала на 1-м уровне улучшаются параметры используемого ТР. Когда изменение параметров мало что дает, изменения осуществляют на 2 -м уровне путем перехода к более эффективному техническому решению (ТР) без изменения физического принципа действия (ПД). Затем, при ис­ черпании параметров, переходят на новое, более прогрессивное ТР. Ука­ занные циклы на 1-м - 2-м уровнях происходят до тех пор, пока в рамках используемого принципа действия уже не находят новых технических ре­ шений, обеспечивающих улучшение интересующих показателей. После этого наступает революционное изменение на 3-м уровне - переход на но­ вый, более прогрессивный принцип действия и т.д. При этом в каждом случае перехода от поколения к поколению действуют весьма определен­

ные частные закономерности изменения конструкций, которые с большой вероятностью конкретизируют направление и характер изменения техни­ ческого объекта в следующем поколении.

Следует иметь в виду, что в законе прогрессивной эволюции иерар­ хическое исчерпание конструкции не действует формально: «Пока не бу­ дут достигнуты глобально оптимальные параметры, не может произойти переход к новому техническому решению, или пока не будут исчерпаны возможности наилучшего ТО (в рамках определенного принципа дейст­ вия), не может произойти переход к новому принципу действия». Законо­ мерность иерархического исчерпания конструкции действует при соблю­ дении следующего условия: если при наличии необходимого научнотехнического потенциала переход к новому техническому решению или принципу действия обеспечивает получение дополнительной эффективно­ сти, существенно превышающей дополнительные интеллектуальные и производственные затраты на его реализацию.

Для некоторых классов ТО в будущем, по-видимому, станут более частыми случаи указанных скачков к новым техническим решениям или принципу действия без исчерпания возможностей предыдущих. Этому способствует создание мощных систем автоматизированного проектиро­ вания, включающих подсистемы поискового конструирования с выбором глобально оптимальных решений. При этом циклы а; а-^б\ а -^ б ^ в будут происходить в основном с использованием компьютерных технологий, а автоматизированные системы научных исследований и гибкие автомати­ зированные производства позволяют без чрезмерных затрат производить доводку и изготовление нового поколения ТО, значительно отличающего­ ся от предыдущего. В этих случаях, можно сказать, закон будет использо­ ваться для ускорения развития техники.

Прогнозирование с помощью З'-функции позволяет установить, на­ сколько недоиспользованы возможности применяемого принципа действия. Если эти возможности имеют значительные резервы (точка А на рис. 5.3), то на основе прогнозирования можно сформулировать реальное задание на улучшение интересующих главных показателей. Если же прогноз покажет, что возможности принципа действия практически исчерпаны (точка В на рис. 5.3), то будет сделан обоснованный вывод о необходимости перехода

на новый физический принцип действия. В связи с этим возникает задание на поиск и разработку более перспективного принципа действия.

Это тем более важно, что суммарное действие закона прогрессивной конструктивной эволюции даже за короткое обозримое время часто при­ водит к поразительным результатам. Так, например, только за 50 лет с 1910-х до 1950-х годов XX века удалось облегчить дизель-мотор в 250 раз при сохранении одной и той же мощности; расход металла на 1 л.с. мощ­ ности двигателя уменьшился в 80 раз; паросиловые установки на электро­ станциях облегчены в 25 раз и т.д. Исследования прогрессивной конст­ руктивной эволюции отдельных классов ТО позволят не только объяснить такие удивительные результаты, а главное - извлечь в полной мере, обоб­ щить и использовать в последующем ценный инженерный опыт.

Закон прогрессивной эволюции представляется полезным использо­ вать на начальных стадиях проектирования новых поколений технических объектов при выполнении работ по анализу и осмысливанию истории тех­ ники, прогнозированию развития техники.

VI. Закон соответствия между функцией и структурой

Суть закона заключается в том, что в правильно спроектированном техническом объекте каждый элемент от сложных узлов до простых дета­ лей, каждый его конструктивный признак имеют вполне определенную функцию (назначение) по обеспечению работы ТО. И если лишить такой ТО какого-либо элемента или признака, то он либо перестанет работать (выполнять свою функцию), либо ухудшит показатели своей работы. В связи с этим у правильно спроектированных технических объектов нет «лишних деталей».

Эта суть соответствия между функцией и структурой лежит в основе всей познавательной деятельности, связанной с анализом и изучением су­ ществующих технических объектов и всей проектно-конструкторской деятельности по созданию новых ТО. Закон соответствия между функци­ ей и структурой ТО имеет следующую формулировку: «Каждый элемент технического объекта или его конструктивный признак имеют хотя бы одну функцию по обеспечению реализации функции ТО, т.е. исключение элемента или признака приводит к ухудшению какого-либо показателя ТО или прекращению выполнения им своей функции».

Совокупность всех таких соответствий в техническом объекте пред­ ставляет собой функциональную структуру в виде ориентированного гра­ фа, который отражает системную целостность ТО и соответствие между его функцией и структурой (конструкцией). Выражение закона соответст­ вия между функцией и структурой в количественной форме обеспечивает, во-первых, формализованное описание функций элементов через компо­ ненты D, G, Н, которые могут иметь также количественные характеристи­ ки, во-вторых, представление функциональной структуры ТО в виде ори­ ентированного графа, у которого вершинами являются элементы ТО, а ребрами могут быть функции элементов по обеспечению работы других элементов или (и) потоки вещества, энергии или сигналов, передаваемых между элементами.

На основе закона соответствия между функцией и структурой разра­ ботаны методики построения функциональных структур конкретных ТО. Эти методики используются в различных подходах и методах проектирова­ ния. Данный закон имеет несколько практически важных следствий - зако­ номерностей, отражающих обобщенные функциональные структуры широ­ ких классов ТО. Изложим эти закономерности применительно к обрабаты­ вающим (технологическим) машинам (оборудованию).

Закономерности функционального строения обрабатывающих (технологических) машин. Технические объекты или соответствующие че­ ловеко-машинные системы, предназначенные для обработки материального предмета труда, состоят из четырех подсистем (элементов) S\, S2, S3, S4 (рис. 5.5), реализующих соответственно четыре фундаментальные функции:

Ф1- технологическая функция - обеспечивает превращение исход­ ного материала (сырья) Ао в конечный продукт Ак;

Фг - энергетическая функция - превращает вещество или извне по­ лученную энергию Wo в конечный вид энергии WK, необходимый для реа­ лизации функции Фь'

Фз - функция управления - осуществляет управляющие воздействия U\, U2 на подсистемы Si, S2 в соответствии с заданной программой Q и по­ лученной информацией [Д , £Д о количестве и качестве выработанного конечного продукта Ак и конечной энергии WK;

Ф 4 - функция планирования - собирает (получает) информацию Q0 о произведенном конечном продукте Ак и определяет потребные Q качест­ венные и количественные характеристики конечного продукта.