Тема 2. Загальна послідовність проектування машин

Лекція 3. Необхідні умови початку проектування технічних засобів

1. Вихідні вимоги, як фактор розвитку технки

2. Структура та зміст вихідних даних

1. Необхідною умовою початку проектування машини є її включення у систему машин, що вимагає значних узгоджень на різних рівнях і у різних організаціях. Головною умовою у такому випадку вважають сумарні витрати. Вони мають бути мінімальними.

T_сум.= Т_пром.+Т_с.г. (2.1)

де Т_пром.,Т_с.г – затрати праці відповідно у промисловості та сільському господарстві.

При внесені пропозиції щодо випуску нової машини, необхідно враховувати безліч чинників, які на даний період визначають перспективу продажу машини. Тому, правильно сформована система машин дозволяє винахідникам спрямовувати свої зусилля на користь державі. У сільськогосподарському виробництві фондоозброєність ще нижча, ніж у промисловості, а має бути навпаки, тому що багато машин працює протягом року тільки кілька днів. Найбільший економічний ефект можна мати тоді, коли техніка використовується комплексно, тобто коли машини об'єднані в системи.

Система машин являє собою сукупність машин, взаємоузгоджених за технологічним процесом, техніко-економічними параметрами і продуктивністю, за допомогою яких забезпечується механізація виробничих процесів. Розробляють таку систему з урахуванням основних природно-кліматичних зон. Її постійно удосконалюють, доповнюють і змінюють на основі досягнень науки і техніки.

До системи машин належать енергетичні, транспортні, технологічні, контрольно-керуючі і кібернетичні машини. Сільськогосподарські машини є технологічними. Кожна з них виконує певний технологічний (робочий) процес, що включає одну або кілька технологічних операцій, за яких відбуваються якісні зміни матеріалу, що обробляється, його розмірів, стану, форми, фізичних і біологічнихвластивостей. Система машин розробляється провідною науково-дослідною установою.

На початку проектування машини на неї повинні бути розроблені вихідні вимоги (агротехнічні), які розробляються також провідними галузевими науково-дослідними установами (інститути, ГСКБ). До їх формування залучаються і інші спеціалісти різних установ.

Вихідні вимоги розробляються на основі науково-дослідних робіт аналогічних машин, результатів наукового прогнозування, аналізу досягнень науки і техніки у світі, вивченні патентних матеріалів та інших джерел. Складаються з таких розділів:

а) призначення;

б) місце у системі машин (вказується взамін якої машини передбачається її розробка);

в) зона застосування;

г) показники якості виконання технологічного процесу (процеси, які виконуються машиною, і показники її роботи);

д) показники якості виробу (техніко – експлуатаційні вимоги та показники, що регламентують надійність);

е) економічні вимоги (підвищення продуктивності праці, зниження прямих витрат, економічний ефект і лімітна ціна);

є) строк дії вихідних вимог;

ж) розроблювач вихідних вимог.

З удосконаленням техніки вихідні вимоги переглядаються.

Правельно складені вихідні вимоги сприяють виготовленню сільськогосподарської техніки, яка спрямовується на максимальну механізацію усії галузей сільськогосподарського виробництва, підвищення продуктивності, економічності та надійності сільськогосподарських машин, впровадженню нових, прогресивних технологічних процесів, зменшеню енергетичних матеріалів, широкому впровадженню автоматичних пристроїв.

Передують створенню вихідних вимог пошук інформації щодо розвитку техніки через винахідницку діяльність, яку слід вважати складовою проектування. Винахідництво — один із найбільш поширених і масових видів творчості, що практично доступний кожному. Інша справа, що здатність до винахідництва в одних більша, в інших — менша. Країни з високорозвиненою економікою відзначаються високою винахідницькою активністю. У нашій державі винахідницька діяльність регулюється Законом України «Про охорону прав на винаходи і корисні моделі».

Винахід — це технологічне (технічне) вирішення у будь-якій галузі суспільно-корисної діяльності, що відповідає вимогам патентоздатності, тобто є новим, має винахідницький рівень і придатне для використання. Винахід відповідає умовам патентоздатності, якщо він новий, має винахідницький рівень і відповідає промисловій придатності.

Винахід є новим, якщо його сутність не відома з рівня техніки. Такий рівень щодо заявленої пропозиції визнається за всіма видами інформації, загальнодоступними в Україні та за кордоном до дати пріоритету винаходу. Це означає, що до дати пріоритету заявки сутність цього або тотожного рішення не була розкрита ні в Україні, ні за кордоном для невизначеного кола осіб настільки, що стало можливим його використання. Бувають випадки, коли новатор самостійно вирішує певні задачі. Інколи виявляється, що така задача вже вирішена, але відомості про це ще не дійшли до винахідника. Винахід повинен давати нове технічне рішення, не відоме сучасному рівню техніки. Тому не може бути визнана винаходом пропозиція, описана у вітчизняній чи зарубіжній літературі або впроваджена у виробництво в Україні чи за її межами.

Не визнається винаходом пропозиція, на яку вже подано заявку або видано авторське свідоцтво чи патент. Причому не має значення, де видано авторське свідоцтво чи патент — в Україні чи за кордоном. Новизна пропозиції втрачається, коли відомості про її сутність розголошені іншим шляхом до її заявки і роблять можливим її використання третіми особами. Тому автор пропозиції, що може бути визнана винаходом, а також інші особи, які мають відношення до пропозиції, повинні уникати будь-якого розголошення змісту пропозиції до її заявки. Це має значення не лише для автора, а й для держави. У разі розголошення суті пропозиції до її заявки, хоча б і самим автором, останній втрачає право на одержання охоронного документа, оскільки держава не може гарантувати охорону такої пропозиції. У цьому випадку втрачається можливість патентування пропозиції за кордоном і вона може бути використана іноземними особами без будь-якого дозволу і без виплати винагороди за її використання.

Закон України «Про охорону прав на винаходи і корисні моделі» в ст. 6 п. 2 визначає об'єкти винаходу. Ними можуть бути:

— продукт (пристрій, речовина, штам мікроорганізму, культура

клітин рослин і тварин тощо);

— спосіб;

— застосування раніше відомого продукту чи способу за новим

призначенням.

Винаходи, промислові зразки, корисні моделі, топографії інтегральних мікросхем, раціоналізаторські пропозиції не існують якось окремо. Вони втілюються у виготовленій продукції та засобах виробництва, які застосовуються для випуску відповідної продукції. Згадане вище у патентознавстві називають "об'єкти техніки". Тому патентну чистоту продукції слід розуміти як патентну чистоту об'єктів техніки. Певна частина цієї продукції та послуг надходить у сферу зовнішньої торгівлі.

Патентна чистота — це юридична властивість об'єкта техніки, яка полягає в тому, що відповідний об'єкт може вільно використовуватися в певній країні без порушення чинних на її території патентів, які належать третім особам. Патентно чистими є такі об'єкти техніки, які не підпадають під дію чужих охоронних документів на винаходи, корисні моделі, промислові зразки, товарні знаки та інші об'єкти "промислової власності".

Те, що в нас відоме як "патентна чистота", за кордоном може мати іншу назву. У колишній НДР це йменувалося "патентна невразливість". У США патентна чистота називається "свобода від прав, що охороняються". Вважаємо, що в колишній НДР була досить вдала назва.

2. Роботи із створення нових сільгоспмашин проводяться згідно з планами науково-дослідних (НДР) і дослідно-конструкторських (ДКР) робіт. Плани складаються з урахуванням сучасних досягнень науки, техніки і виробництва. Науку характеризують такі тенденції: перетворення її в безпосередньо продуктивну силу, розширення сфери застосування, прискорений розвиток, випереджаючий розвиток відносно техніки і виробництва, “математизація” і автоматизація процесів наукових досліджень. Тенденції, що характеризують техніку: використання досягнень науки, збільшення номенклатури і ускладнення конструкції об’єкта, автоматизація робочих процесів, порівняно швидка змінюваність об’єктів. Тенденції, що характеризують виробництво: динамічність, ускладнення виробництва, диференціація виробничих процесів, їх комплексна механізація та автоматизація.

Стадіями НДР у загальному випадку є: технічне завдання на проведення НДР, технічна пропозиція щодо НДР, теоретичні та експериментальні дослідження, оформлення результатів НДР та їх здача замовнику.

Стадії та етапи ДКР при плануванні ті самі, що й при проектуванні (технічне завдання, технічна пропозиція, ескізний проект, технічний проект, робоча документація), вони доповнюються строками виготовлення макетів, дослідних зразків, проведенням випробувань та доробкою технічної документації. Вихідні дані складаються з розділів.

Природно-кліматичні зони. Характеризуються назвою, площею, рельєфом, метеорологічними умовами, співвідношенням оброблюваних культур, середньою площею полів, довжиною гонів, типом ґрунту, відстанями внутрішньогосподарських перевезень, врожайністю культур і продуктивністю тваринництва.

Технологічні процеси сільськогосподарського виробництва. У кожній зоні застосовуються свої типові технологічні процеси одержання сільськогосподарської продукції, які характеризуються певним переліком операцій, обсягом робіт на кожній операції, вимогами агро- і зоотехнічної науки щодо кожної операції, календарним строком виконання кожної операції та нормою внесення (витрачання) сільськогосподарських матеріалів або кількістю продукту, що вивозиться.

Властивість оброблюваних матеріалів. Збираються дані про фізико-механічні властивості матеріалів, властивості, що проявляються під дією робочих органів машини, і властивості, що їх набувають після обробки.

Техніка. Вихідні дані подаються у вигляді відомостей про машини-аналоги (вже застосовувані аналогічні машини); про машини, що взаємодіють з проектованою машиною, і про різноманітні технічні рішення, що мають відношення до проектованої машини.

Виробництво сільськогосподарських машин. Вказується підприємство, що буде виготовляти машину. Особливості виробництва машин на даному підприємстві слід врахувати для того, щоб зменшити затрати праці на виготовлення машин.

Експлуатація. Умови експлуатації машин залежать від природно-кліматичних зон. При збиранні вихідних даних з питань експлуатації машин слід враховувати досвід використання машин-аналогів у цих зонах, наявність технічної бази для обслуговування та ремонту машин, організацію руху агрегатів у полі, забезпечення агрегатів експлуатаційними матеріалами і транспортом, кваліфікацію обслуговуючого персоналу, а також вимоги техніки безпеки та промислової гігієни.

Наука. При використанні результатів наукових досліджень у першу чергу становлять інтерес результати експериментальних і теоретичних досліджень об’єктів розробки та наявність математичних моделей, що описують умови експлуатації, властивості оброблюваних матеріалів, функціонування робочих органів, механізмів і машин як системи, а також результати досліджень силового навантаження елементів конструкції, кінематичного аналізу механізмів машин, їх розрахунок на міцність.

Лекція 4. Роль досліджень у проектуванні сільськогосподарської техніки

1. Прогнозування технічних рішень

2. Тренд і його екстрополяція

1. Класифікація прогнозів. В основу класифікації науково-технічних прогнозів як інструмента управління розвитком науки і техніки покладена ідея, що витікає з прийнятого визначення прогнозу на основі комплексу взаємозв’язаних оцінок: цілей, шляхів їх досягнення і потреб в ресурсах. Кожен з типів прогнозів є фактично результатом спеціального етапу прогнозних робіт, що використовують свої специфічні методи.

Прогноз першого типу, що спирається на пізнання тенденції і закономірності, на накопичений досвід конкретних наук, покликаний виявити і сформулювати нові можливості і перспективні напрямки науково-технічного розвитку. Цей тип прогнозу в науковій прогностиці називається дослідницьким прогнозом. Його найбільш важкою і відповідальною, частіше за всього заключною фазою є оцінка гіпотетичної результативності, чи значимості можливих варіантів розвитку. Отримані таким чином відомості є суттєвою частиною формованої за участю наукової прогностики концепції майбутнього науки і техніки.

Другий тип наукового прогнозу називається програмним прогнозом. Він походить з пізнаних суспільних потреб, тенденцій і закономірностей науково-технічного розвитку, а також даних, що отримані з дослідницького прогнозу. Він покликаний надати цим знанням прикладного характеру: сформулювати програму можливих шляхів, заходів і умов для досягнення цілей і розв’язку задач розвитку науки і техніки. Сформулювавши гіпотезу про перспективні для даних умов можливостей взаємного впливу різноманітних факторів, програмний прогноз (частіше за всього на своїй заключній стадії) прагне дати оцінку гіпотетичних строків і черговості досягнення різних можливих цілей. Тим самим програмний прогноз завершує почату на етапі дослідницького прогнозу формування можливостей розвитку.

Організаційний прогноз базується на знаннях і уявленнях про загальні закономірності і тенденції розвитку науки (як організаційної системи), в тому числі отриманих вищезгаданими типами прогнозів. Він походить з уявлень про наявні економічні ресурси і накопиченому науковому потенціалі. Організаційний прогноз покликаний сформулювати обґрунтовану гіпотезу відносно обсягів і складу ресурсів, які потрібні для того, щоб тими чи іншими шляхами досягти тих чи інших цілей. Поняття ресурс трактується не тільки в сенсі: час, гроші, люди, а також у випадку необхідності, і як комплекс організаційних і соціально-економічних основ ефективної реалізації прогнозованого складу ресурсів. Зазвичай найбільш складною і відповідальною фазою є оцінка гіпотетичних розмірів необхідної фінансової підтримки різноманітних програм досліджень і розробок.

Виступаючи в комплексі, охарактеризовані вище три етапи прогнозування взаємно доповнюють один одного. Офіційно вважається, що «прогнозування – це робота над різноманітними сценаріями майбутнього. Таким чином, воно відштовхується від даного, досліджує прикмети майбутніх тенденцій, що народжуються, і розглядає сучасні рішення на предмет їх можливих наслідків». В залежності від того, на який термін в майбутнє робляться прогнози, вони мають різний характер. Життя, успіхи наук, можливостей і потреб практики вносять в них кожен день суттєві корективи. Роблячи, на основі аналізу інформації про минуле і сучасне, висновки про майбутнє, прогнозист не може врахувати багато суттєвих факторів, які виникнуть і будуть впливати на розвиток прогнозованого процесу в майбутньому. При цьому відомо, що чим більше вдається вирішити проблем, тим більша кількість нових задач виникає перед дослідниками.

Сучасні методи науково-технічного прогнозування. Методом прогнозування називається «спосіб дослідження об’єкта прогнозування, що спрямований на розробку прогнозу». На основі методів прогнозування будується методика прогнозування, тобто сукупність методів і правил розробки прогнозів для конкретних об’єктів.

Джерелами інформації про майбутнє, що лежать в основі прогнозування, є: заснована на досвіді, аналогії оцінка шляхів розвитку і перспектив прогнозованого явища; екстраполяція відомих тенденцій; модель стану явища в майбутньому, заснована на врахуванні зміни (бажаної чи очікуваної) тих показників, перспективи розвитку яких досить відомі. Відповідно можливі три основних класи методів прогнозування в соціальній сфері (використовуються як взаємодоповнюючі):

1) опитування населення/експертів з метою впорядкування, об’єктивізації суб’єктивних оцінок прогнозного характеру;

2) екстраполяція і інтерполяція – побудова динамічних рядів розвитку показників прогнозованого процесу;

3) моделювання – побудова пошукових і нормативних моделей з врахуванням ймовірної чи бажаної зміни прогнозованого явища на основі наявних даних про масштаб і напрямок змін.

Два останніх класи методів є найбільш точними. Метод опитування швидше є загальнонауковим. В прогнозуванні використовуються також методи: аналогії, індукції і дедукції, статистичні, економічні, соціологічні та ін. Типова методика прогнозування включає наступні етапи:

1) передпрогнозна орієнтація (визначення об’єкта, предмета, проблеми, мети, задач, часу випередження, робочих гіпотез, методів, структури, організації дослідження);

2) збір даних прогнозованого фону (тобто таких, що впливають на розвиток об’єкта по непрофільних, суміжних галузях прогнозування);

3) побудова вихідної(базової) моделі (тобто системи показників, параметрів, що відображають характер і структуру об’єкта);

4) пошуковий прогноз (проекція в майбутнє вихідної моделі за тенденцією, що спостерігається, з врахуванням факторів прогнозного фону);

5) нормативний прогноз (проекція вихідної моделі в майбутнє у відповідності з заданими цілями і нормами по заданих критеріях);

6) оцінка степені вірогідності і уточнення прогностичних моделей;

7) вироблення рекомендацій.

Наукова прогностика нараховує на даний час декілька різноманітних за рівнем, масштабам і наукової обґрунтованості методів і прийомів прогнозування науково-технічного розвитку. Головні напрямки, в яких іде розвиток методичного забезпечення прогнозних робіт, становлять:

- поглиблену теоретичну і прикладну розробку декількох груп методик, що відповідають вимогам різних об’єктів і різноманітних видів прогнозів;

- розробку і реалізацію на практиці системних способів і процедур використання різноманітних методичних прийомів в ході одного конкретного прогнозного дослідження;

- пошук шляхів і способів алгоритмізації методик і розробка комп’ютерних програм для їх реалізації.

Прогнозування технічних рішень. Прогнозувати – значить предрікати, передбачати з певним ступенем точності. Прогнозування – дослідницький процес, у результаті якого одержують ймовірні дані про майбутній стан прогнозованого об’єкта.

При розробці нової техніки прогнозування необхідне, оскільки багато часу йде на проектування, налагодження виробництва кожної машини, і за цей час машина не повинна застарівати. З іншого боку, машина працює довгий час, протягом якого можуть змінюватись умови експлуатації, властивості оброблюваних і конструкційних матеріалів, технологічні процеси. Все це потрібно ретельно і глибоко осмислити, спрогнозувати, передбачити, щоб надійно забезпечити конкурентоздатність і довговічність машини.

Залежність економії і витрат від часу на втілення нової машини зображена на графіку (рис. 4.1). Після того, як розроблена документація на виготовлення машини проходить певний строк, який використовується для підготовки і налагодження її виробництва. При цьому економія Е від виробництва даної машини зростає за рахунок обґрунтованого підходу до вибору обладнання, приладдя, інструментів, матеріалів. Відповідно витрати В зменшуються. Але це відбувається до певного періоду, який називається часом випередження ТВ між початком випуску Т_пв продукції та її затвердженням Т_затв, тобто

ТВ = Т_пв – Т_затв. (4.1)

Рис. 4.1. Залежність економії Е і витрат В від часу ТВ

Якщо час випередження затягується, тобто затримується процес випуску нової, кращої від попередньої машини, яка може дати економічний ефект, то починається зворотній процес, при якому економія починає зменшуватись, а витрати збільшуватись. Оптимальний час випередження ТВ_opt відповідає оптимальній різниці між Е і В, тобто (Е – В)_opt. Якщо (Е – В) по ТВ і прирівняти до нуля, тобто d[(Е – В)]/dТВ = 0, то можемо знайти ТВ_opt, і далі підставивши його у (Е – В) знаходимо (Е – В)_opt.

Прогнозування може бути коротко-, середньо- і довготерміновим.

При короткотерміновому прогнозуванні оцінюється перспективний рівень розвитку конструкції створюваної машини, розрахований на 5…10 років.

При середньо- і довготерміновому прогнозуванні визначається значущість наявних відкриттів і винаходів, аналізується та розробляється технічна стратегія. Розраховані вони на 20…30 років.

При прогнозуванні встановлюються: функціональне призначення машини, основні техніко-економічні показники, потреба в машинах і план випуску, використання нових матеріалів і заготовок, застосування нових технологічних процесів виготовлення, потреба в обладнанні й технологічній оснастці та інші питання.

Короткотермінове прогнозування в основному базується на методі екстраполяції; середньо- та довготермінове – часто на методі експертних оцінок. Такий метод зручний, коли відсутня систематизована інформація про минуле та коли розвиток техніки залежить від рішень, що приймають спеціалісти і експерти.

Метод експертних оцінок полягає в тому, що враховується думка кожного спеціаліста чи експерта про напрямок розвитку конструкції даної машини. Потім усі міркування узагальнюються. Можливе також застосування методу моделювання (в основному це математичне моделювання).

На відміну від інтерполяції, яка полягає в тому, що відшукуються проміжні значення величин за рядом їх відомих значень, екстраполяція являє собою відшукування значень величини за межами інтервалу знаходження її відомих значень. Вона може бути числовою або графічною.

При прогнозуванні аналізується тенденція розвитку конструкції, під якою слід розуміти закономірність зміни залежної змінної від незалежної в статичному чи функціональному значенні. Як незалежна змінна при прогнозуванні найчастіше виступає час.

2. Застосовуючи метод екстраполяції для прогнозування, знаходимо спочатку тренд, а потім екстраполюємо його. Тренд – це не цілком точна графічна залежність залежної змінної від незалежної; він характеризує довготривалу тенденцію зміни явища при прогнозуванні. На практиці використовується лінійний тренд, степенева функція та експоненціальний. Частинним випадком степеневої функції є квадратична парабола.

Рис. 4.2. Приклад тренду та його екстраполяції

Як приклад, на рис. 4.2 показано тренд у вигляді квадратичної параболи. На ньому на осі абсцис відкладене час (десятиріччя), а на осі ординат – прогнозований показник (у даному випадку питома пропускна здатність зернозбирального комбайна q, кг/м·с, тобто пропускна здатність, що припадає на 1 м ширини молотарки). Точки на тренді – значення q машинах, що серійно випускались у період з 1960 по 2010 рр. Плавна крива АВС в зоні розміщення точок – це середня закономірність зміни q за роками, що зображена графічно; штрихова крива CD, яка є продовженням плавної кривої АВС, - результат графічної екстраполяції, застосованої у даному випадку для того, щоб прослідкувати закономірність зміни q в роки, наступні за 2000 р.

Крива CD побудована з припущенням, що в роки наступні за 2000 р. закономірність зміни q не переміниться. Очевидно, чим менше CD в порівнянні з АВС, тим більше ймовірно, що значення показника, який прогнозується по кривій CD, підтвердиться.

Коли необхідно спрогнозувати показник при умові зміни тенденції з криволінійної на прямолінійну, починаючи з певної характерної точки x₀, визначаємо рівняння дотичної до кривої У_Д в даній характерній точці за формулою:

У_Д = f(x₀) + f '(x₀)(x – x₀). (4.2)

За допомогою цієї дотичної можемо визначити значення показника як в майбутньому, так і у минулому за умови прямолінійності тренду.

Питання для самоконтролю

1. Які тенденції характеризують науку?

2. Дати структуру та зміст вихідних даних.

3. Що таке прогнозування?

4. Які є методи прогнозувань?

5. Що таке тренд та його екстраполяція.