Применение ЭВМ в технологии переработки полимеров

материального мира как техника. Поэтому общесистемные закономерности применимы и для технических систем.

Приведем формулировку некоторых законов и закономерностей, отражающих строение и эволюцию ТМ, впервые сформулированных в [19]. Наиболее важными являются два закона - закон гармонического соотношения и закон корреляции параметров технического объекта

Закон гармонического соотношения параметров технического объекта или закон гармонического

соотношения компонентов.

Технический материал, удовлетворительно выдерживающий эксплуатационные воздействия и имеющий удовлетворительную технологичность при наилучших значениях основных параметров эффективности, имеет значения концентраций компонентов достаточно близкие или совпадающие с глобально оптимальным соотношением концентраций.

Как видно, гармоническое соотношение компонентов отождествляется с глобально оптимальным соотношением. К такому соотношению приводят многочисленные корректировки состава материала в процессе его доработки. Практически все материалы, созданные в лаборатории, подвергаются изменению в процессе производственного освоения, а также в процессе производства материала.

Этот процесс осуществляется в результате многочисленных компромиссов между технологичностью, экономичностью и требованиями к эксплуатационным качествам материала. Процесс такой эволюции материала можно сократить при использовании многокритериальных (интегральных, комплексных) показателей качества материала, учитывающих все требования к материалу с учетом их значимости. Одной из известных многокритериальных оценок качества является обобщенная функция желательности

61

(функция Харингтона) [33].

Для большинства материалов одной физико-химической природы (для резин и пластмасс - это совпадение полимерного связующего) можно использовать соотношение:

где Yri- гармоническое значение дозировки компонента; хi - критерий качества материала; а - коэффициент пропорциональности.

С понятием гармонического соотношения имеет определенную связь понятие целостности систем. Целостность характеризуется новыми интегральными качествами, не свойственными отдельным элементам системы. Так, свойства резины не могут быть сведены к свойствам каучука и других ингредиентов, поскольку они образуют единую физико- химическую структуру принципиально иного типа, не реализуемую без взаимодействия основных компонентов. А.А. Богданов определял организованность целостных систем следующим образом: «Под организованностью понимается свойство целого быть больше суммы своих частей. Чем более целое разнится от суммы своих частей, тем более оно организовано».

Свойство целостности связано с целью (конечным результатом, потребностью), для выполнения которой предназначена система, так как цель, в том числе заданная неявно, является системообразующим фактором.

Оптимально спроектированная система, в том числе материал с оптимальной структурой и оптимальным составом, должна удовлетворять также следующему определению системы, данному П. К. Анохиным: «Системой можно назвать только такой комплекс избирательно вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие и взаимоотношение принимают

62

характер взаимодействия компонентов на получение фокусированного полезного результата» [34].

Закон корреляции параметров однородного ряда

технических объектов или закон соответствия составов.

В одном классе технических материалов (имеющих связующее одной природы и выполняющих одинаковые функции) дозировки компонентов связаны определенными соотношениями.

Количественно эти соотношения могут быть выражены зависимостями:

yi=aixi+bi или yi=aixi2+bixi+ci

По-видимому, соответствие закона будет тем больше, чем лучше у каждого ТМ гармоническое соотношение компонентов. Практическая значимость закона состоит в том, что он позволяет предсказывать изменение концентраций компонентов при изменении показателей качества материала.

Своеобразным следствием этого закона является закономерность корреляции физико-механических показателей материалов. Так, у резин обнаружена корреляция, по крайней мере, в 10 парах физико-механических показателей. Это позволяет сократить количество определяемых показателей и по ограниченному числу показателей рассчитывать остальные.

Следует заметить, что указанная закономерность, как и большинство других общетехнических закономерностей, носит вероятностный, статистический характер. Статистические закономерности указывают, прежде всего, на основную тенденцию развития, на преобладание одних взаимосвязей, взаимозависимостей в некотором множестве объектов над другими.

Чрезвычайно важным и интересным является вопрос взаимодействия ТМ и ТО в плане получения новых технических решений. До XVII века крайне малый выбор ТМ, в основном натуральных, обусловливал преимущественно конструкторский

63

путь развития машиностроения. В 60-х годах XVII столетия П. Эйлер сделал важный вывод, что машины следует изучать не в состоянии покоя, а в движении. Одним из следствий этого было отыскание и применение новых материалов, облегчающих взаимные перемещения деталей и узлов машин, прежде всего смазок, герметизирующих, антифрикционных, теплозащитных и виброзащитных материалов. Начиная с 20-х годов XX века, происходит взрывоопасное увеличение числа ТМ. Наряду с требованиями по расширению диапазона работоспособности и эффективности машин это привело, во-первых, к определяющему воздействию ТМ на конструктивные особенности машин, во-вторых, к объективной необходимости расширения ассортимента ТМ. Поэтому можно выделить закономерности влияния ТМ на технические объекты:

Влияния ТМ на характеристики и конструкцию технического объекта. Применение в техническом объекте новых ТМ приводит к улучшению эксплуатационных характеристик технического объекта как через улучшение характеристик комплектующих деталей, так и через улучшение конструкции. Применение новых ТМ (по сравнению с применяемыми в данной конструкции) приводит к изменению конструкции, а в случае применения ТМ с принципиально новыми функциональными свойствами и - к изменению технического решения и принципа действия технического объекта.

Так, использование металлокорда привело к появлению радиальной конструкции автопокрышки; использование полупроводников изменило конструкцию и принцип действия преобразователей, появление напряженного железобетона изменило конструкцию зданий; разработка самосмазывающихся материалов позволила во многих случаях использовать подшипники скольжения вместо более сложных подшипников качения.

64

Говоря о применении в машиностроении следует указать, что легкая перерабатываемость полимеров в детали сложной формы позволяет отказаться во многих случаях от сборочных конструкций; использование полимерных клеев позволяет отказаться от резьбовых и сварочных соединений. Видно, что новые материалы существенно влияют и на технологию и сборки изделий.

Необходимо отметить, что существует тенденция к увеличению разнообразия применяемых материалов в технических объектах, несмотря на противоборствующую тенденцию к сокращению «ассортиментного» набора комплектующих элементов в изделиях, вызванную экономическими соображениями.

Примером проявления закономерности влияния ТМ на показатели качества технического объекта является зависимость потерь на качение грузовых шин различных марок от упруго- гистерезисных свойств протекторных шин (рис. 3.1) [35].

Рис. 3.1. Зависимость потерь на качение грузовых шин марок 1,2,3 от упруго- гистерезисных свойств протекторных резин.

Интересным проявлением корреляции свойств технических объектов (ТО) является корреляция основной эксплуатационной характеристики ТО от комплекса показателей

65

ТМ. Так, А.Г. Шварцем и др. [36] на основании результатов испытаний 40 партий шин различных типоразмеров получено уравнение регрессии:

где J — индекс упруго-прочностных свойств резины, А - относительная износостойкость, М, П, Р - соответственно, условное напряжение при 300% удлинения, условная прочность при растяжении и сопротивление раздиру протекторной резины; М0, П0, Р0 - аналогичные показатели эталонной резины;

Во взаимном влиянии находится возрастание разнообразия технических объектов и возрастание разнообразия технических материалов. В тесной диалектической связи с этим законом

находится и закон расширения множества потребностей-

функций. Впервые этот закон сформулирован К. Марксом. Суммирование высказываний К. Маркса по этому вопросу приведено в работе [32] в следующей формулировке закона.

«Когда возникает потребность, которая уже не может быть удовлетворена» старыми техническими средствами, когда удовлетворение потребности дает прибавочную стоимость и «когда материальные условия ее решения уже имеются налицо или, по крайней мере, находятся в процессе становлениям, тогда неизбежно создают (изобретают) новые технические сродства, удовлетворяющие эту потребность. Удовлетворенная первая потребность, действие удовлетворения и уже приобретенное орудие удовлетворения ведут к новым потребностям, и это порождение новых потребностей является первым историческим актом в создании новых технических средств. Уточненная формулировка закона возрастания потребностей- функций дается в [37].

66

Втехносфере мира, страны или отрасли число качественно

иколичественно отличающихся потребностей-функций возрастает по экспоненциальному закону:

где t - время; а - коэффициент развития за счет: появления принципиально новых потребностей - функций, удовлетворяемых с помощью впервые созданных (пионерных) технических систем и технологий; расширения применения существующих и новых технических систем, технологий, материалов, комплектующих изделий, физических, химических и биологических эффектов; появления новых потребностей (под действием природных, личностных, социально-экономических, политических и других внешних факторов, легко удовлетворяемых с помощью существующей техники); длительного сохранения в техносфере вновь появляющихся потребностей - функций.

В данной формулировке используется обобщенное понятие «потребность-функция», так как понятия «потребность» и «функция» совпадают по содержанию. Отличаются они тем, что понятие потребности связано с человеком, поставившим задачу реализации этой потребности, а понятие функции связано с техническим объектом, реализующим эту потребность.

Рассмотрение функций ТМ в историческом плане показывает их существенное и непрерывное возрастание: от простых конструкционных функций в примитивных орудиях и сооружениях до сложных функций проводимости или изоляции различных форм движения материи (электрической, магнитной, акустической), аккумулирования и отражения энергии, преобразования одного вида энергии в другой, выполнения различных биологических функций при имплантации в организм и т. д.

67

Крайне интересно просматривать развертывающуюся во времени цепь взаимодействий технических материалов и технических объектов: стимулирование потребностями техники новых ТМ, упрощение конструкции при появлении более эффективных ТМ (например, сверхвысокопроводящие керамики упрощают конструкции токопроводов ускорителей части), усложнение конструкции за счет функциональных систем, невозможных без расширения ассортимента ТМ и т. д.

Одновременно с ростом числа потребностей - функций и количества ТМ происходит эволюция составов и структуры материалов, приводящая к повышению эффективности ТМ и расширению областей их применения.

Понятие эволюции, примененное вначале к живым организмам и историческим процессам в человеческом обществе, получило в настоящее время распространение практически во всех областях науки и техники. Особенно следует отметить фундаментальные работы И. Пригожина по эволюции термодинамических и физико-химических систем [38]. А. Богданов в качестве движущей силы эволюции или всеобщего регулирующего механизма выделяет подбор (естественный отбор в природе и искусственный отбор, осуществляемый с помощью человека). 13 результате подбора уничтожается или изменяется все, что ухудшает функционирование системы в изменяющихся условиях. А. Богданов различает два вида подбора - консервативный и прогрессивный. При консервативном подборе речь идет о сохранении или уничтожении систем объектов, материалов. Так, из технических конструкций по мере их совершенствования или при осложнении условий эксплуатации выводятся малоэффективные ТМ и используются новые, более эффективные. Отбор может вестись по соображениям экономии, санитарным требованиям, экологическим причинам. При прогрессивном подборе существование систем обеспечивается

68

посредством развития их организации (структуры) - включением новых элементов и связей, улучшающих функционирование системы, и исключения тех элементов и связей, которые ухудшают функционирование системы, уменьшают ее устойчивость.

Применительно к материалам закон прогрессивной эволюции технических систем может быть сформулирован следующим образом.

В технических материалах с одинаковой функцией переход к новым типам материалов вызван потребностью улучшения критериев эффективности и происходит следующими наиболее вероятными путями:

А. При неизменном связующем, одинаковом наборе компонентов, неизменной фазой и надмолекулярной структуре корректируются количественные соотношения компонентов до приближения к глобальному экстремуму по значениям параметров.

В. После исчерпания цикла А происходит переход к другому составу компонентов или к другой фазовой и надмолекулярной структуре, создаваемой технологическими приемами при сохранении примененного ранее связующего (цикл физико-химической модификации).

С. После исчерпания циклов А-В происходит переход к другому типу связующего с соответствующим изменением компонентного состава. При этом, как правило, происходит резкое улучшение критериев эффективности.

Д. После исчерпания циклов А-В-С происходит переход к использованию другого класса материалов (например, переход к композитам, или замена полимеров металлами, керамикой).

При переходе к каждому новому материалу из всех возможных вариантов реализуется тот, который при удовлетворяющих требованиям критериях эффективности имеет минимальные производственные затраты и наилучшую

69

технологичность.

Стадия А - это стадия параметрической оптимизации, стадия В - стадия выбора нового технического решения, стадия С - стадия выбора нового принципа создания материала, стадия Д - выход в другую предметную область материаловедения.

При выполнении цикла А-В рост критериев эффективности происходит обычно в соответствии с S- функцией [39]:

где К - критерий эффективности; t - время, в течение которого ведутся разработки; L, а, b, β — коэффициенты.

S-функция может быть также описана белее простыми формулами:

Рассмотрим особенности S-функиии развития (рис. 3.2).

Рис. 3.2. S -образная кривая развития

70