2.6. Основы методики экспериментального исследования

Эксперимент – один из наиболее важных, а в ряде случаев и наиболее трудоемкий этап научного исследования. В зависимости от сложности изучаемого процесса или явления и заданных сроков выполнения работы цели экспериментального исследования могут быть различными. В ряде случаев цель экспериментального исследования – установление физической природы явления, механизма изучаемого процесса, выявление соответствующих закономерностей, познание которых при соответствующих абстрактных обобщениях – основа для разработки соответствующей математической модели, построения теории. В таких случаях говорят о постановке поисковых экспериментов. Целью эксперимента может быть оценка правильности принятых при теоретическом исследовании допущений, установление точности и области применения теоретических разработок, поиск решения поставленной задачи при отсутствии теоретических разработок. Прибегают к этому, когда такое решение представляется единственно возможным. Трудоемкость таких экспериментальных исследований наиболее высокая.

Эксперимент – это научно поставленный опыт, цель которого изучение явления в точно учитываемых условиях с применением комплекса разнообразного оборудования и измерительных средств. В зависимости от условий проведения исследования различают лабораторные, полевые и производственные (эксплуатационные) эксперименты.

Лабораторные эксперименты проводят в случаях, когда необходимы высокая воспроизводимость условий постановки опытов, исключение влияния различного рода случайных воздействий и помех, получение достаточно точных результатов при малом числе опытов. Такого рода эксперименты в большинстве случаев проводят с моделями машин, рабочих органов, сред.

Полевые эксперименты, как правило, проводят с натурными образцами машин для оценки их основных параметров, определяющих техническую характеристику машин. Такого рода эксперименты приближаются к реальным условиям эксплуатации машин, однако не полностью воспроизводят их.

Производственные (эксплуатационные) эксперименты проводят путем инструментальных наблюдений без вмешательства в реально протекающие процессы, без изменения их условий. Такие эксперименты служат для оценки эксплуатационных свойств изучаемых объектов. Производственные эксперименты наиболее длительны и трудоемки.

Методика эксперимента – это совокупность положений, определяющих постановку и последовательность выполнения исследований. Она включает в себя следующие основные этапы: формулировку целей и задач, выбор объекта исследований и условий постановки опытов, разработку программы экспериментов и последовательности их проведения, выбор необходимого оборудования и измерительных средств с учетом требуемой точности получения результатов, постановку опытов, обработку и анализ полученных данных.

Один из наиболее важных этапов – выбор целей и задач эксперимента. Основанием этому служат выводы по результатам анализа состояния вопроса по теме исследования, предположения об изучаемых закономерностях исследуемого процесса или явления, результаты теоретических разработок. Помимо целей и задач методика эксперимента содержит выбор объекта исследования, условий постановки опытов, числа варьируемых факторов, обоснование принятых средств измерений и используемого оборудования, программы эксперимента, описание последовательности проведе­ния опытов, обработки и анализа результатов. В соответствии с целями эксперимента объект исследования может изучаться на моделях либо на натурных установках и машинах, в искусственно созданиях или реальных средах, что и определяет условия постановки опытов.

Варьируемые факторы выбирают исходя из анализа степени влияния тех или иных параметров на исследуемый процесс.

В соответствии с условиями опытов, выбранными факторами, характером изучаемого процесса, явления подбирают оборудование, измерительные средства. Под оборудованием понимают различного рода установки, стенды, приспособления для монтажа измерительных средств. При выборе средств измерений весьма важный вопрос – их точность. Чем выше точность принятых средств измерений, тем меньше число опытов и ниже трудоемкость исследования.

Программой эксперимента устанавливается число опытов, их повторность. При небольшом числе факторов (не более двух-трех) возможна постановка классического эксперимента. В этом случае последовательно изучают процесс в зависимости от какого-либо одного фактора при постоянных остальных. Затем осуществляют постановку опытов при другом переменном факторе и т.д. Число опытов в этом случае определяется количеством варьируемых факторов, числом уровней, на которых устанавливаются значения каждого фактора, и повторностью опытов. Повторность опытов – минимальное количество измерений при данных значениях факторов, определяемое заданной точностью и надежностью результатов измерений. При большом числе варьируемых факторов программу эксперимента целесообразно устанавливать в соответствии с теорией математического планирования эксперимента, что существенно сокращает трудоемкость исследования.

В методике проведения эксперимента необходимо описать характер и последовательность операций, осуществляемых при постановке опытов, способы контроля условий эксперимента. Здесь же разрабатываются формы регистрации и учета информации, полученной в результате эксперимента.

Методика эксперимента содержит описание используемых методов обработки и анализа опытных данных, сопоставление их с результатами теоретических разработок.