3.3. Основна стадія науково-дослідного процесу

Основні стадія науково-дослідного процесу, як і початкова, включає декілька етапів (рис. 3.5).

При проведенні досліджень за технічними напрямками створення нової інформації, як правило відбувається в результаті розробки нових або удосконалених схем технологічних процесів і (або) обладнання для їх здійснення. Дані процеси і (або) обладнання повинні бути більш ефективними, ніж відомі, що розглядались на попередній стадії. Порівняння запропонованих та відомих схем здійснюється спочатку теоретично за визначеними важливими критеріями (матеріало- та енергоємністю, раціональністю структури, складністю конструкції, експлуатації, обслуговування та ремонту, надійністю та продуктивністю роботи, якістю продукції, що виготовляється за допомогою запропонованих процесів та обладнання). Далі проводиться й експериментальна перевірка ефективності, при цьому, як правило на базі наявного обладнання, створюється дослідний зразок розробленої установки, визначається програма експериментів, підбираються необхідні для здійснення досліджень оснащення, пристрої та прилади, установлюються оптимальні режими роботи експериментального обладнання, при яких, наприклад витрати енергії є помірними, продуктивність реалізованих процесів – максимальною, а якість виготовленої продукції - найвищою. Експериментальні значення вказаних показників зіставляються з величинами відповідних параметрів, що забезпечуються при використанні інших відомих процесів та обладнання.

Виявлені при проведенні досліджень недоліки створеного обладнання враховуються при формулюванні вимог до розглядуваних процесів та обладнання з метою створення їх структурних схем.

Якщо рекомендується використання однієї з багатьох конкуруючих пропозицій, виконується порівняльний розрахунок ефекту й витрат за кожним варіантом (показники порівняння див. даний розділ вище) і обирається той, що забезпечує найкращі показники. Розробляючи таке економічне обґрунтування пропозицій, звертають увагу на такі два положення.

1. Поряд із прямим ефектом використання пропозицій враховують і побічний ефект. Наприклад, впровадження нового технологічного процесу чи нових машин і механізмів може скоротити чисельність планових працівників підприємства.

2. Окрім ефекту у грошовому вираженні слід взяти до уваги й додаткові якісні та кількісні показники, що забезпечують перевагу пропонованих процесів і (або) обладнання. До таких показників можуть бути віднесені: забезпечення у випадку впровадження розробок ліквідації чи мінімізації важкої людської праці, зменшення негативних впливів на людину та навколишнє середовище (агресивних газів, високих або низьких температур, вологості, тиску, виробничих вібрацій та шуму), поліпшення психологічного клімату на виробництві, зовнішнього вигляду обладнання.

Об’єднувати вказані показники з економічним ефектом не представляється можливим, оскільки вони виражаються в різних одиницях, у зв’язку із чим, кінцеве рішення повинно бути прийнято тільки на основі експертних оцінок широкого кола компетентних осіб. Таким чином, дослідник повинен у максимально конкретній формі з повною об'єктивністю виявити переваги та недоліки розроблених ним варіантів схем і вибрати серед них найбільш раціональні.

На основі цих схем з врахуванням ряду обґрунтованих припущень і спрощень, розробляються динамічні та математичні моделі.

Динамічні моделі електромеханічних та гідромеханічних систем являють собою сукупність зведених інерційних та пружних елементів, а також елементів в’язкого та сухого тертя, об’єднаних механічними передавальними структурами, яка із задовільною для проектних розрахунків точністю відображують саму систему та динамічні процеси, що в ній відбуваються під час функціонування.

Математичні моделі, наприклад, обладнання з гідроприводом представляють у вигляді системи диференціальних нелінійних рівнянь руху мас його основних елементів та рівнянь витрат робочої рідини, що проходить через порожнини і гідролінії установки.

Якщо число рівнянь математичної моделі виявляється занадто великим і вони не розв’язуються з використанням чисельних методів, робочий цикл обладнання за можливістю потрібно розділити у часі на етапи, для кожного з яких розробити свою, вже більш просту динамічну та математичну модель. Ще одна можливість спрощення вихідних моделей – розділення досліджуваного обладнання на підсистеми і окреме моделювання кожної з них. У випадках, коли описані способи спрощення не допомагають або є неприйнятними, потрібно вводити додаткові вихідні припущення і з врахуванням останніх переробляти динамічні та математичні моделі. Правда при цьому знижується точність динамічного та математичного аналізу системи і за результатами подальшої експериментальної перевірки модель може виявитись неадекватною реальному зразку.

Потрібно також повністю розробити теорію пропонованих процесів і (або) обладнання (описати механізм процесів, навести фактори та параметри, від яких залежіть їх ефективність, розробити аналітичні залежності, що установлюють зв’язок між заданими початковими та кінцевими параметрами виготовлюваних за допомогою створених процесів і (або) обладнання виробів та їх робочими параметрами).

Після цього переходять до реалізації наступної групи етапів основної стадії наукової роботи, а саме до виконання досліджень об’єкта із застосуванням теоретичних і емпіричних методів. При цьому спрощені рівняння математичної моделі розв’язуються з використанням комп’ютерної техніки і пакетів прикладних програм MatLab, MathCAD з одержанням графічних залежностей між основними параметрами виробів та робочими параметрами розроблених процесів і (або) обладнання. За результатами аналізу цих залежностей потрібно зробити висновки.

Основна експериментальна частина дослідження передбачає розробку реальної установки, яка являтиме собою прототип, розробленої на одному з попередніх етапів схеми.

Загалом будь-яке експериментальне дослідження, незалежно від його різновиду, — це, так би мовити, дослідження в дослідженні, і воно має кілька стадій, схожих зі стадіями науково-дослідного процесу в цілому.

Передує плануванню і проведенню експерименту робота з літературою. Це дає змогу уникнути повторення вже проведених дослідів, використовувати сучасні методи, підвищити рівень експериментів, окреслити реальний план досліджень. Для цього вивчають спеціальну літературу (наприклад, реферативні журнали, каталоги та ін.) і складають повний список публікацій з цього питання. Літературу опрацьовують згідно з таким списком і готують реферати за кожною публікацією, де зазначають мету і зміст дослідження, коротко описують його методику, роблять висновки і посилання на джерела.

Реферати на кожну публікацію зазвичай пишуть на окремих стандартних аркушах, щоб у подальшому використати їх для складання огляду літератури, в якому систематизують прочитані джерела, узагальнюють і порівнюють дані вже проведених експериментів, виявляють позитивні й негативні сторони методики і результатів досліджень.

На основі огляду літератури визначають експерименти, що раніше не були описані, і готують методику експерименту

Під методикою експерименту розуміють сукупність методів і прийомів, за допомогою яких буде вирішено завдання дослідження. Вона встановлює послідовність проведення спостережень і вимірювань, вибір або створення необхідних для розроблення теми дослідження приладів, пристроїв, обладнання, машин, апаратів, стендів, тощо.

Потрібно також додати, що вимірювання є основним складником кожного експерименту. Від ретельності їх проведення і подальших розрахунків залежать результати будь-якого експерименту.

Зазвичай процес контролюється за допомогою пристроїв, що виміряють початкові, поточні та кінцеві параметри. За цільовим призначенням засоби контролю можна умовно поділити на дві групи: ті, що показують, і ті, що записують показники процесу. При цьому пристрої першої групи, як правило, досить прості за будовою та в експлуатації, однак часто не дозволяють вимірювати параметри процесу в динаміці. Будова пристроїв контролю із записом показників набагато складніша. До них відносяться різні датчики, осцилографи, перетворювачі, джерела живлення, підсилювачі та інша апаратура, за допомогою якої можна стежити за зміною параметрів у часі. Тому для короткотермінових досліджень рекомендують використовувати засоби контролю першої групи, а для довготермінових — засоби другої групи.

При виборі контрольно-вимірювальної апаратури потрібно враховувати вимогу про те, що її сумарна похибка не повинна перевищувати допустимої похибки експерименту.

В ряді випадків процес вимірювання передбачає порівняння отриманої величини з величиною відомою, прийнятою за одиницю (еталон). Вимірювання можуть бути прямими, непрямими, сукупними та спільними.

У прямих вимірюваннях шукані (вимірювані) величини визначають у результаті безпосереднього відліку показників за приладами (наприклад, вимірювання температури термометром, вимірювання довжини за допомогою лінійки та ін.).

Під час непрямих вимірювань безпосередньо контролюють параметр, що функціонально пов'язаний з вимірюваною величиною, тоді як остання визначається шляхом розрахунку за спеціальною формулою з підстановкою до неї виміряного параметру.

Невідомі величини у сукупних вимірюваннях визначають при розв’язанні системи рівнянь, в які також підставляються значення певних параметрів, знайдених за допомогою прямих вимірювань.

У спільних вимірюваннях два або декілька різних параметрів вимірюють одночасно для установлення взаємозалежності між ними.

Зазвичай у дослідницькій роботі головним чином використовують сукупні та спільні вимірювання.

Кожне вимірювання, як ретельно би його не виконували, супроводжується деякими помилками (похибками), обумовленими недосконалістю методів вимірювання та конструкції приладів. До того ж іноді дослідник недостатньо враховує вплив умов довколишнього середовища.

Розрізняють три класи вимірювань за ступенем точності.

1. Особливо точні — еталонні вимірювання з максимально можливою точністю. Здійснюються під час перевірок зразкових приладів.

2. Високоточні — похибка яких не повинна перевищувати заданих значень. Прилади цього класу використовують для контролю точності робочих приладів, а також у деяких найвідповідальніших експериментах.

3. Технічні — звичайні експериментальні вимірювання, у яких похибка визначається особливостями засобів контролю, але також не повинна бути більшою допустимої величини.

У практичних розрахунках розрізняють два види похибок: абсолютну та відносну.

Абсолютна похибка А_а — це різниця між виміряним А_в (визначеним в результаті контролю) та дійсним A_д значенням цієї ж самої величини (установленим шляхом розрахунку або за допомогою еталонного приладу).

Таким чином

Похибка приладу, взята з протилежним знаком, називається поправкою. Для визначення дійсного значення вимірюваної величини необхідно до показання приладу додати поправку (алгебраїчне додавання).

Відносна похибка — це відношення абсолютної похибки до дійсного значення, виражене у відсотках. Обчислюється за формулою

Відносна приведена похибка — це відношення абсолютної похибки до різниці між максимальним А_mах та мінімальним A_min значеннями шкали приладу, виражене у відсотках

Найбільшу допустиму відносну похибку називають класом точності приладу, який зазначається на його шкалі. Дослідник повинен бути ознайомлений з вимірювальними приладами, які випускають вітчизняні та закордонні виробники. Необхідну інформацію про лабораторні прилади та пристрої, необхідні для проведення експериментів (їх технічні характеристики, виробників, вартість) можна одержати у мережі Інтернет.

Загалом для визначення показників, що характеризують явище чи процес, слід намагатись застосовувати найновіші методи дослідження та найсучасніше лабораторне обладнання. Однак останнє, за його відсутністю у лабораторії закладу, де виконується робота, може виявитись неприйнятно дорогим. У зв’язку із цим, дослідник має враховувати також оснащеність лабораторії та загальний обсяг коштів, виділених на проведення експериментів. В ряді випадків більш раціональним, ніж застосування сучасних і дорогих у реалізації методів, може виявитись розробка методу самим експериментатором. Але будь-які методи, обрані для визначення дослідних показників, повинні бути апробовані та освоєні ще до початку проведення експерименту.

Під час виконання практичних робіт їх методика може корегуватися та удосконалюватися. Всі методичні рішення, що ухвалюються під час підготовки та проведення експерименту, потрібно фіксувати. Це робиться у формі інструкцій за окремими методами, об'єктами, етапами дослідження. Вказані матеріали періодично переглядають, особливо на початковій стадії виконання робіт, коли виявляється найбільша кількість помилок.

Під час відбору методів дослідження треба потурбуватися не тільки про точність і надійність даних, а й про простоту й доступність виконання окремих дослідів та експерименту в цілому.

Важливий етап підготовки експерименту — складання робочого плану його виконання, в якому наводять інформацію про:

- мету і задачі експериментів;

- стадії та етапи роботи з визначенням їх змісту, об'єктів, послідовності, методів і техніки дослідження, контрольованих параметрів, допустимих похибок їх вимірювання, а також термінів виконання кожного етапу;

- розподілення роботи між виконавцями;

- форма представлення результатів (звіт, стаття, доповідь та ін.).

На цьому етапі дослідник повинен також перевірити забезпеченість подальшої роботи всім необхідним, щоб на відсутні предмети своєчасно подати заявку, зазначити можливі заміни обладнання. Якщо робота може бути виконана за допомогою стандартного та наявного обладнання, дослідник повинен взяти участь у його підборі. За необхідності використання нестандартного обладнання потрібно встановити зв'язок з проектувальниками, конструкторами, виробниками. Досліднику необхідно за можливістю і самому долучитись до процесу проектування, бо саме йому найкраще відомі ті вимоги, яким повинен відповідати результат.

Після цього настає черга підготовки об'єкта дослідження. Це досить відповідальна й трудомістка операція. Іноді вона потребує попереднього або пробного дослідження як попереднього етапу глибоких і масштабних експериментів. Потреба в цьому виникає особливо в тих випадках, коли необхідна додаткова інформація про предмет і об'єкт досліджень, а також при уточненні або корегуваннях гіпотези і завдань, удосконаленні методики тощо.

Проведення виробничих експериментів пов'язано з вивченням заводських або фабричних технологічних процесів, виробничого середовища тощо. Для досконалішого ознайомлення з ними можуть бути проведені додаткові дослідження з отриманням даних, що не містяться в наявній технологічній або конструкторській документації про об'єкт. Крім того, для підготовки промислового об'єкта необхідно згідно з методикою проведення експерименту оснастити його дослідним устаткуванням, визначити та обладнати точки контролю параметрів, механізувати та, якщо можливо, автоматизувати експериментальні роботи, домовитися про регламент проведення досліджень, а також про технічну допомогу.

Під час вивчення явища або процесу в лабораторних і напіввиробничих умовах виникає потреба у виготовленні фізичної моделі об'єкта - стенду. Наприклад, лабораторний експеримент, спрямований на оптимізацію тої чи іншої технології, потребує виготовлення устаткування, що моделює розглядуваний процес. Дане устаткування за своїм зовнішнім виглядом може бути зовсім не схоже на виробниче обладнання, але воно повинно достатньо повно моделювати технологічний процес. При створенні стенду обов’язково укладається перелік параметрів досліджуваного об’єкту, які він має відображувати із заданою точністю. Експерименти з реальними прототипами дають змогу з високим рівнем достовірності отримати узагальнений дослідний матеріал для створення та удосконалення серійних промислових зразків обладнання.

Для проведення експерименту необхідно створити сприятливі умови праці. Зокрема, забезпечити: зручне розміщення приладів і пристроїв; належне освітлення; доступ свіжого повітря; зручне місце для ведення записів, за можливістю подалі від джерел вібрацій, шуму, агресивних газів, вологості й високої температури.

До початку основного експерименту доцільно провести пробні досліди з метою:

- ознайомлення експериментатора з роботою, практичного оволодіння ним методикою та методами визначення заданих показників;

- перевірки функціонування елементів устаткування та апаратури;

- визначення періодів часу, необхідних для вимірювання окремих параметрів;

- оцінювання можливих помилок при визначенні заданих параметрів, що буде враховано в основному експерименті і дасть можливість виявити головні фактори і джерела похибок.

Інколи вже в процесі проведення експерименту, виконується перевірка відповідності експериментальних даних розрахунковим, тобто установлюється ступінь адекватності математичної моделі та реального зразка з метою корегування прийнятих припущень та моделі.

Програма експериментів має обов’язково включати одержання дослідних залежностей між основними параметрами виробу та параметрами робочих режимів установки. При цьому параметри регулювання та настройки реального обладнання мають бути такими самими, що приймались у теоретичній частині дослідження під час одержання розрахункових графічних залежностей. Останні необхідно порівняти із відповідними експериментальними графіками з обчисленням максимальних відхилень розрахованих та дослідних значень робочих параметрів розглядуваних процесів і (або) обладнання. У результаті теоретико-експериментального аналізу можуть виникнути три випадки.

1. Встановлена повна чи достатньо повна відповідність математичної моделі та реального зразка. При цьому отриманий матеріал досліджень, сформульовані вище гіпотези та припущення перетворюють і представляють таким чином, щоб вони утворювали зв’язані і доведені теоретичні положення, теорію.

2. Експериментальні дані лише частково відповідають розрахунковим залежностям, а на деяких ділянках істотно розходяться з ними. У цьому випадку систему припущень, динамічну та математичну моделі доопрацьовують таким чином, щоб вони забезпечували належний збіг експериментальних та розрахункових даних. Інколи в подібних ситуаціях, у зв’язку із можливими змінами у конструкції або принципі дії дослідної установки – прототипу, доводиться йти на додаткові експерименти та повторну перевірку адекватності.

3. Гіпотеза або модель не підтверджується експериментом. Тоді їх критично аналізують і повністю переглядають. Потім проводять нові експериментальні дослідження з урахуванням нової робочої гіпотези. Негативні результати наукової роботи зазвичай не відкидають, у багатьох випадках вони допомагають отримати правильні уявлення про об'єкти, явища та процеси.

Після виконаного аналізу ухвалюють остаточне рішення, яке формулюють у вигляді висновків, пропозицій чи рекомендацій. Дана частина роботи потребує залучення до її виконання дослідника високої кваліфікації, оскільки необхідно стисло, чітко, науково виокремити нове й суттєве, що є результатом дослідження, дати йому вичерпну оцінку, визначити шляхи подальших досліджень. За однією темою не рекомендується складати багато висновків (не більше ніж 5—10). Якщо ж окрім основних висновків, що відповідають меті та задачам дослідження, можна зробити ще й інші, їх формулюють окремо, щоб не відволікати від конкретної відповіді на основне завдання теми. Усі висновки доцільно поділити на дві групи: наукові та практичні.

Висновки та рекомендації, зроблені на підставі дослідження гіпотез та моделей, які пройшли експериментальну перевірку та необхідне корегування, оприлюднюють у вигляді доповідей та повідомлень на семінарах й конференціях. За наслідками дослідження окремих питань готують публікації статей у фахових виданнях.

Далі на підставі математичних моделей можна розробляти методику інженерного проектного розрахунку пропонованих процесів і (або) обладнання із установленням аналітичних залежностей між заданими початковими (кінцевими) параметрами виробів, робочими параметрами досліджуваних процесів та конструктивними параметрами обладнання для їх реалізації. Дана методика дозволить розраховувати оптимальні конструктивні параметри установок для реалізації на них найбільш ефективних робочих режимів з одержанням при максимальній продуктивності заданих якісних та кількісних характеристик оброблюваних виробів.

Крім цього, на завершальних етапах основної стадії дослідження потрібно розробити перспективні схеми пропонованих процесів і (або) обладнання з врахуванням того, в яких галузях і в яких масштабах їх передбачається застосовувати. До уваги тут беруться не лише сучасні умови галузі, а й можливі зміни ситуації у найближчому майбутньому. В цьому досліднику може допомогти проведений раніше історичний аналіз стану питання. Наприклад, у випадку розробки обладнання для харчової або переробної промисловості, для яких характерні значні обсяги виробництва, у роботі потрібно навести схеми потокових технологічних комплексів, що реалізують пропоновані процеси та принципи і у повністю автоматичному режимі, з великою продуктивністю забезпечують одержання якісної конкурентноздатної продукції. Наводяться також конкретні рекомендації щодо практичного впровадження розроблених процесів і (або) обладнання, вимоги та умови його експлуатації та обслуговування. Завершується основна стадія дослідження формулюванням загальних висновків.

Описані вище теоретичні та експериментальні дослідження виконуються згідно із його попередньо складеними програмою, методикою та робочим планом.

Формулювання остаточних висновків і рекомендацій здійснюється з урахуванням всіх, виявлених в ході роботи змін, доповнень, уточнень та ін.

Перш ніж робити висновки — стисле викладення отриманих результатів — дослідник повинен ще раз перевірити завершеність кожної окремої частини роботи та доказовість аргументації в цілому. Лише після цього слід формулювати висновки по суті порушеної проблеми, побічних і другорядних питань і питань практичного значення, використання отриманих результатів.

Висновки рекомендується формулювати ретельно, точно, не переобтяжуючи їх цифровими даними та додатковими окремими викладками. В цілому висновки повинні полегшувати читачеві оцінювання та використання результатів дослідження, а для самого виконавця слугують засобом самоперевірки. Як висновки, так й пропозиції можуть мати і позитивний, і негативний характер (наприклад, відмова від методики планування окремих показників, що використовувалася раніше).