Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общество и научно-техническое развитие. Учебное пособие для студентов вузов
.pdf
Деталь
уф
Экономичность
Прочность
Жесткость
Износостой-
кость
Коррозионная
стойкость
Валы, подшипники,
ты
м
Валы и оси
Подшипники
Муфты
Основные понятия
Узел
Виброустойчивость
Теплостойкость
Соединения
Резьбовые
Заклепочные
Шпоночные,
зубатые и др.
Основная идея: одновременно
обеспечить надежность
и экономичность
Надежность
Основные разделы
Механические
передачи
Зубчатые
Червячные
Фрикционные
и др.
Ðèñ. 19.2. Внутренняя взаимосвязь отдельных свойств деталей машин
и связей различных разделов «Деталей машин» между собой
Фактически каждый из параметров надежности, представленный
на схеме, выходит на какую-либо определенную техническую или
технологическую науку. Поясним сказанное: износостойкость — это,
безусловно, один из основных показателей работоспособности каждой детали или инструмента (любой из нас воспринимает это просто на уровне обыденного сознания) — выходит на такую отдельную научную дисциплину, как триботехника (наука о трении), которая вырабатывает и общие и конкретные рекомендации применительно к данному материалу и деталям, сделанным из него, соот-
111
ветственно. В этом случае теоретические модели «Деталей машин»
оказываются во вполне диалектической зависимости от теоретических разработок других наук, для которых сами детали машин выступают как поставщик эмпирического материала. С другой стороны, теоретические разработки триботехники образуют «питательную
среду» для теоретических обобщений в других технических и технологических науках, и в частности в «Деталях машин».
Из приведенной схемы следует, что внутренняя сущность такого
предмета, как «Детали машин», отражена во взаимосвязи основных
понятий, которые отличают эту науку от других технических и технологических наук. Поскольку основная идея и основные понятия
взаимовлияют друг на друга, то на схеме они соединены взаимонаправленными стрелками.
Экономические факторы в целом выходят за рамки предметной
области деталей машин и должны рассматриваться как ее межпредметная составляющая. Стоит отметить, что, хотя для «Деталей машин», так же как и для всех технических и технологических наук,
экономический фактор не абсолютен, в большинстве ситуаций он
может иметь решающее значение.
Дорогая, но надежная деталь будет оправданно включена в конструкцию космического корабля или самолета, но в силу высокой стоимости ее не поставят на трактор.
Факторы же, связанные с обеспечением надежности, присутствуют всегда, и именно они являются причиной, порождающей многочисленные взаимосвязи деталей машин с другими науками, как
техническими и технологическими, так и естественно-научными
(физика твердого тела, химия) и математическими.
Тестологическое знание. Следующим важным видом знания в
технических и технологических науках является тестологическое
знание. Оно основано на положениях такой науки, как метрология.
Эта наука об измерениях, единицах измерений, стандартах, эталонах, средствах измерения. В тестологическое знание входит также
описание приборов и принципов их действия, а также результатов
измерений, полученных в ходе испытания различных элементов
технической или технологической системы. Важнейшим разделом
метрологии является квалиметрия. Ее предмет — качество технических систем в целом. При этом основной упор делается не на основных и производных показателях качества продукта, а на комплексных его показателях. С этих позиций становится понятным
разделение, скажем, между архитектурой и строительными технологиями, поскольку для последних важна именно комплексность показателей, иначе трудно говорить о качественном строительстве.
112
Для одних технологических процессов крайне важно получение
комплексных показателей, а для других — достижение единичных:
не важно, как и по каким принципам сконструирован в целом двигатель автомобиля, установившего рекордную скорость, главное,
что он сумел ее развить. При этом ключевую роль играет измерение
контрольных величин. Под измерением понимают «сравнение неизвестного с известным». На примере метрологии также отчетливо
видна связь технических наук с логико-матема-тическим знанием.
Измерение происходит под влиянием множества случайных и
неслучайных аддитивных (прибавляемых) и мультипликативных
(умножаемых) факторов, точный учет которых невозможен, а результат совместного воздействия непредсказуем. Именно поэтому
основной постулат метрологии — отсчет — является случайным
числом. Математическая модель измерения по шкале сравнения
имеет вид
[Q] + U,
/=+qQV
ãäå q — результат измерения (числовое значение величины Q); Q —
значение измеряемой величины; V — масса тары (например при взвешивании); U — слагаемая от аддитивного воздействия
× [Q] – U × [Q] – V.
Q = q
При однократном измерении
Qi = q
ãäå q
× [Q] — результат измерения (однократного); ε
i
× [Q] + ε
i
,
I
– U’ × [Q] – V —
I =
суммарная поправка.
Значение измеряемой величины при многократном измерении
Q·n = 1/n Σ Q
i1.
Главными функциональными задачами блока тестологического
знания выступают следующие.
1. Описание программ, макетов и определений, применяемых
для моделирования проекта и осуществления как математического,
так и реального эксперимента.
2. Описание стандартов и ГОСТов, которым должны соответствовать измерения, параметры свойств и описаний элементов рассматриваемой конструкции узла, агрегата, машины или технологического процесса.
3. Сравнение характеристик технического изделия и технологического процесса или материала с имеющимися стандартными образцами и нормативными документами.
1
Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебник для вузов.
2-е изд. СПб.: Питер, 2006. С. 203—205.
113
Последние два пункта начинают действовать только тогда, когда
от теоретической модели переходят к натурному образцу или опытному производству.
Модельно-проективное знание. Модельно-проективное знание
представляет особый вид технико-технологического знания: значительная его часть может быть отнесена к его теоретическому уровню, но в целом (по задачам и функциям) это отдельный блок технико-технологического знания.
В технических науках модельно-проективное познание выступает как проектная деятельность по созданию моделей будущих устройств, узлов, машин, механизмов. Оно имеет специальную семиотическую форму выражения знания, включающую в себя представления и описания следующих компонентов:
• чертежи, схемы, эскизы, технические рисунки;
• проектная документация, включающая технологические инст-
рукции (ТР) и др.
При этом в специальной литературе различают документацию,
относящуюся к принципиально возможному (эскизный проект) или
окончательному (технический проект) решению.
В качестве математического инструмента, помогающего графической реализации предлагаемой модели, выступает такая наука,
как начертательная геометрия.
В технологических науках модельно-проективное знание реализуется в деятельности по созданию моделей будущих материалов и
процессов их получения. Эта деятельность ведет к получению ожидаемого или желаемого результата.
Компоненты модельно-проективного знания в технологических
науках:
• описание процессов через формулы, схемы получения на вы-
ходе требуемого результата;
• проектная документация, описывающая отдельные этапы (фа-
зы) становления процесса в единое целое;
• проектная документация по организации соответствующего
рода деятельности (организационно-производственной), соответствующих технологических процессов и контроля их выполнения.
Для современного модельно-проективного знания в технике и
технологии важнейшим средством и компонентом стали компьютерные технологии. Таким образом, модельно проективное знание
представляет в системе технико-технологического знания отдельный блок, в котором теоретическое знание играет ключевую роль.
Ясно, что этот блок знания непосредственно связан не только с онтологическим, но и с теоретическим знанием.
114
Теоретическое знание. Специфика теоретического знания как уровня научного знания в технико-технологических науках выражается в
том, что оно включает в свой состав теоретическое знание из разных
областей науки. При этом теоретическое технико-технологическое
знание, аккумулируя в себе потенциал как естественных, так и социально-гуманитарных и экономических наук, создает свои (часто весьма оригинальные) научно-методологические подходы к решению самых разнообразных задач. Кроме того, в технических и технологических науках существуют свои теории, которые описывают поведение
сложных технических объектов и систем и не могут быть сведены к
логическим, физико-математическим или каким-либо другим конкретно-научным теориям. Примеры таких теорий: теория непотопляемости судна, теория коррозионного растрескивания высокопрочных
материалов, теория термической обработки металлов и др.
Образуя единство с онтологическим и модельно проективным
знанием, теоретическое знание выступает в виде самостоятельного
блока, находящегося в постоянном взаимодействии с другими блоками. Прежде всего это относится к эмпирическому знанию. Скажем об их связи несколько позже, а сейчас приведем ряд простых
примеров, поясняющих специфику теоретического знания в технических и технологических науках.
Известно, что во многих технических устройствах, предназначенных для транспортировки сыпучих грузов, используются каскадные и винтовые спуски (рис. 19.3). Последние хорошо известны
по спиральным горкам в детских городках и аквапарках. При определении параметров такого технического устройства используется
несложный математический аппарат, однако в конечную формулу,
определяющую скорость движения (V), входит экспериментально
определяемая величина — коэффициент трения f. Эта величина —
достаточно сложная техническая характеристика, на которую действует большое количество разнообразных факторов.
а
Ðèñ. 19.3. Виды транспортировочных спусков: а) каскадный, б) винтовой
115
б
Поэтому, анализируя технические возможности этой конструкции, мы должны располагать данными, полученными опытным путем в результате значительного количества технических экспериментов, без которых формула определения скорости движения груза: V = (g•R (sin – f•cosβ))
1/2
(ãäå g — ускорение свободного падения, а R — радиус кривизны траектории спуска по борту) будет неэффективна
1
.
В технологических науках теоретическое научное знание играет
не меньшую роль, чем в технических. В то же время роль эта часто
менее заметна. Технологические науки (часто в большей степени,
чем технические) связаны с такими научными областями, как химия
и биология, поскольку именно они используются в производстве
многих материалов и изделий. При этом соответствующие положения этих наук становятся теоретической основой знания в соответствующей технологической науке. Приведем в качестве примера процесс покрытия стальных изделий оксидными пленками в целях придания им красивого внешнего вида. Этот процесс уже несколько столетий известен как «воронение». Для того чтобы не только объяснить, что происходит с материалами при проведении этого процесса,
но и понять, какие параметры в нем надо изменить для получения
конкретного результата, необходимо было установить химизм этой
технологии. Процесс состоит из нескольких стадий:
1) растворение железа в щелочи с образованием соли: Fe→Na
FeÎ2;
2
2) дальнейшее окисление соли: Na2Fe О2→Na2Fe2О2;
3) взаимодействие солей с различной степенью окисления с об-
разованием магнитного оксида: Na2FeО2 + Na2Fe 2О2→Fe3О4;
4) гидролиз окисленной соли: Na2Fe2О2 + (m + 1) H2O→→
Fe2O3·m H2O;
5) частичная дегидратация гидрата оксида железа: Fe2O3·m H2O→
Fe2O3·(m – n) H2O.
Именно последний продукт и является «вороненым» покрытием, качество которого зависит от ряда не только химических, но и
технологических параметров. Любое отклонение от этих параметров
может привести к браку.
Приведем также несколько примеров использования фундаментальных открытий естествознания в технике и технологии
2
.
• На основе эффекта Вавилова—Черенкова (Нобелевская пре-
мия по физике) был создан способ, позволяющий диагностировать патологии зрения.
1
Андриенков В.В., Егоров В.В., Логинов В.В. Транспортные машины легкой про-
мышленности. М.: Колосс, 2005. С. 148—153.
2
Дикарев В.И. Справочник изобретателя. СПб.: Лань, 2001. (Сер. «Учебники для
вузов»).
116
• На основе ультразвукового капиллярного эффекта (Открытие
¹ 109 Реестра открытий) был создан способ пропитки пористых тел жидкостями и расплавами.
• На основе закона Джоуля—Ленца был создан способ получе-
ния цементного клинкера, включающий пропускание электрического тока при спекании.
Естественно, что подобное перечисление можно продолжать
практически до бесконечности.
Из приведенных примеров следует, что теоретическая база технических и технологических наук весьма разнообразна и находится
в постоянном развитии и взаимодействии с опытными разработками, входящими в блок эмпирического научного знания технических
и технологических наук.
Эмпирическое знание. Эмпирический уровень знания занимает
во всех технико-технологических науках большое место. Наиболее
важное значение оно имеет при проверке теоретического знания.
Например, для деталей машин — это проверка теоретических предпосылок относительно конкретного узла, соединения или передачи,
т.е. для основных теоретических разделов данной науки. Человек,
который далек от этой классической технической науки, возможно,
воспримет данное утверждение вполне спокойно, рассматривая его
в контексте предлагаемой системы взаимосвязей различных уровней технического знания. Однако практически любой бывший студент технического вуза, не специализировавшийся в данной области, заявит примерно следующее: «Какие еще опыты необходимо
ставить в деталях машин, где все модели давно разработаны и примерные расчеты нашли свое отражение в справочных таблицах и
компьютерных программах?» На самом деле это в корне неверно и
отражает лишь психологический аспект восприятия научной информации различными людьми.
Человек, который не является полностью дилетантом, а до некоторой степени знаком с основными положениями какой-либо
научной области, может в своих суждениях о ней допускать большие ошибки. Причем эти ошибки могут быть даже значительнее,
чем те, которые сделает человек, ничего конкретного об этой науке
не знающий. Имеет место своего рода эффект «кажущейся компетентности». Применительно ко многим техническим наукам он достаточно распространен. Это происходит потому, что многим людям
в силу условий их повседневной жизни кажется, что они достаточно осведомлены в различных технических вопросах, поскольку постоянно находятся в контакте с самыми разнообразными техническими устройствами. Человек же, который вообще «ничего не понимает во всякой механике», скорее всего, просто откажется от каких-либо оценок, чувствуя собственную некомпетентность.
117
Для деталей машин эмпирическая составляющая не утрачивает своей актуальности, поскольку для любого из разделов этой
науки постоянно «находится работа». Это происходит потому,
что, с одной стороны, постоянно появляются новые материалы,
а с другой — изменяются условия, в которых работают те или
иные машины и механизмы. Соответственно возникает необходимость постоянной корректировки уже известных знаний для
конкретных условий, что, в свою очередь, не может не порождать новые эмпирические исследования.
Другой пример. Эмпирическое знание в технологических науках
вообще и в металловедении и технологии термической обработки в
частности — самая обширная составляющая относительно количества документально зафиксированного материала: техническая документация, протоколы испытаний и опытов и т.д. Все основные
понятия этой науки (закалка, отпуск, отжиг, нормализация и ряд
других) — понятия, пришедшие из опыта. Более того, у человека,
связанного с производством или являющегося лишь потребителем
продукции, подвергшейся термической обработке, может сложиться
превратное мнение о том, что «вся наука» здесь «подогнана» под
эмпирическое знание. Однако это не так. Хотя опытные факты и
послужили основой для построения многих теоретических моделей,
но одновременно они и разрушили еще большее число теоретических построений и гипотез в этой области.
Диалектика взаимодействия теоретического и эмпирического в
термической обработке металла проявляется на нескольких уровнях. Во-первых, не зная химического состава и структуры данного
металла (сплава), невозможно даже предположить, ухудшит или
улучшит термическая обработка свойства материала. Во-вторых, все
выводы, которые будут сделаны после получения данных об этих
свойствах, не могут быть полностью отнесены к теоретическим или
эмпирическим, поскольку представляют их синтез. В-третьих, эмпирическое требует проверки при переходе к обработке (термообработке) деталей из того же материала, но имеющих другие параметры (масштабный фактор) или предварительно повергнутых другой
обработке, повлиявшей на структуру материала. Такая проверка невозможна без привлечения теоретических знаний. В качестве примера рассмотрим процесс закалки.
Целью процесса закалки является придание материалу большей
прочности и твердости за счет быстрого охлаждения. В основе этого
одного из самых распространенных технологических процессов лежит практическое наблюдение эффекта, заключающегося в том, что
если раскаленную металлическую пластину резко охладить, то будет
именно так. Первоначально это обнаружили применительно к мед-
118
ным сплавам, затем перенесли и на сплавы железа. Без данного
процесса не была бы получена сталь, поскольку основная структурная составляющая стали образуется именно в результате процесса закалки. Эта составляющая называется мартенситом и придает стали именно тот комплекс свойств, который сделал железоуглеродистый сплав главным металлом человечества с момента его
появления и до наших дней. К таким свойствам относятся прочность, твердость, упругость, пластичность при относительно невысокой стоимости. Хотя в ХХ в. другие материалы несколько потеснили сталь как конструкционный материал, но по-прежнему
этот металл — основа современной техногенной цивилизации.
Естественно, что, не имея возможности изучить структуру металла ввиду несовершенства органолептических методов (других до
появления микроскопа просто не существовало), люди пытались
связать свои впечатления от того, что фиксировали при закалке их
органы чувств, с общими представлениями о природе окружающего
мира. Поскольку результаты получались далеко не всегда сопоставимыми, то все, что делали средневековые кузнецы с железом, получая из него сталь, приобрело значительный налет мистики.
Эмпирическое знание при этом возводилось в абсолют и становилось частью ритуала. (Недаром фигура кузнеца в мифах, легендах
и сказках различных народов имеет налет волшебства.) При этом
такое эмпирическое знание оказывалось даже тормозом для дальнейшего развития теоретического знания. Поясним сказанное.
Для того чтобы проводить процесс закалки и осуществить превращение железа, содержащего до 2,14% углерода, в сталь, деталь
должна быть предварительно нагрета до определенной температуры,
что обеспечивает структурную однородность (весь металл превращается в твердый раствор углерода в железе — аустенит). Но температура этого превращения сильно зависит от содержания углерода и
имеет достаточно сложную нелинейную зависимость. Не умея проводить количественный анализ на углерод и точно измерять температуру раскаленного металла, металлурги долгое время полагались
на магические ритуалы, а также на практические сведения о том,
что металл, выплавленный из руды разных месторождений и различными способами, требует «неодинакового обращения». Но и все
это не спасало от брака.
Лишь взаимодействие практики со все более развивающимся
теоретическим знанием помогло понять суть происходящего при
нагреве и охлаждении металла с разными скоростями и превратить
разнородный набор эмпирических данных во вполне оформленную
систему, сочетающую в себе «эмпирику» и теорию и позволяющую
давать обоснованные практические рекомендации, приводящие к
119
предсказуемому результату, т.е. вывести термическую обработку на
уровень технологической науки.
Особенностью эмпирического знания в технико-технологических науках является необходимость выражения информации в виде схем и графиков (рис. 19.4 и 19.5).
Ðèñ. 19.4. График начала влияния содержания углерода (С,%)
на температуру структурного превращения при закалке
Поскольку экспериментальные результаты зависят от множества
факторов, то все подобные зависимости обладают достаточно
большим разбросом полученных значений. На рис. 4 представлены
начало (кривая М
) и конец (кривая Мк) структурного превраще-
í
ния стали в процессе закалки в зависимости от содержания углерода (С,%). Даже не будучи специалистом, можно видеть, что заштрихованная зона, отвечающая промежуточному состоянию, определяется по согласованным, усредненным данным. С другой стороны,
для практических нужд зависимости должны иметь четко выраженный характер, чтобы их можно было применять, гарантируя необходимое качество продукции. Поэтому строятся зависимости, подобные показанной на рис. 5 и дающие возможность ориентироваться в осуществлении реальных технологических процессов.
В данном случае это подбор режима термической обработки для
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]