1.2. Закономерности развития технических объектов

Существует соподчинение ТО различных уровней. Так как любой технический объект состоит из элементов, то его можно рассматривать в трех направлениях:

1.как целое (систему),

2.как часть более общей системы (подсистему)

3.как совокупность более мелких частей, элементов, подсистем (надсистему).

Это позволяет упростить изучение и преобразование даже очень сложных систем, не упустив ничего существенного.

Для более полного рассмотрения системы необходимо представить ее в прошлом, настоящем и будущем. Это дает возможность увидеть взаимосвязь изменяемых элементов технического объекта (рис. 1).

Прошлое Настоящее Будущее

(предшествующий этап) (текущий этап) (последующий этап)

Надсистема

(НС)

НС

НС

Техническая система (ТС)

ТС

ТС

Подсистема

(ПС)

ПС

ПС

Рис. 1. Системный подход

Машины и станки, являющиеся элементами технологической линии или цеха, могут быть разделены на агрегаты или блоки, которые в свою очередь состоят из узлов и деталей. Почти у любого ТО существует надсистема, т.е. другой ТО, в который он функционально включается или входит как отдельный элемент.

Пример диалектической связи между элементами металлорежущего станка показан на рис.2.

Прошлое Настоящее Будущее

(предшествующий этап) (текущий этап) (последующий этап)

Рис.2. Пример схемы системного подхода

1.3. Примеры развития технических объектов

1.3.1. История возникновения и развития паровой машины

Силу пара еще в древности знали Архимед, Герон Александрийский, Леонардо да Винчи. Герон более 2 тыс. лет назад изготавливал не только игрушки, приводимые в действие паром, но и создал паровую машину, открывавшую двери храма. Древние греки не использовали паровые двигатели только потому, что труд рабов был дешевле, у них не было стимула совершенствовать технику. Только в 17 веке (1615 год) была воспроизведена машина Герона: через герметичную крышку бака с водой выходила труба, бак ставили на огонь, вода закипала, и пар поднимал воду в трубе. Опыт наглядно демонстрировал силу пара.

В 1698 году английский инженер Т. Севери(1650 - 1715) получил патент на паровую водоподъемную машину для откачки воды из шахт (рис. 3). Работала машина следующим образом. Когда вентиль на паровом котле 1 открывался, пар вытеснял воздух и воду из бака 2 (при этом клапан А был открыт, клапан Б закрыт), и вода попадала в емкость 3. Затем бак 2 охлаждался водой, в нем резко падало давление, образовывался вакуум, который подсасывал воду из источника 4 через клапан Б (клапан А закрыт). Далее цикл повторялся.

Рис. 3. Паровая водоподъемная машина Т. Сэвери. 1 - котел, 2 - бак с водой, 3 - приемная емкость, 4 - источник воды; А, Б - клапаны.

В 1705 году был выдан патент кузнецу и железоторговцу Т. Ньюкомену(1663- 1729) на водоподъемную машину, в которой впервые использовались цилиндры с поршнем (рис. 4).

Рис. 4. Паровая машина Ньюкомена. 1 - насос, 2 - источник воды, 3 - емкость, 4 - коромысло, 5 - рабочий цилиндр, 6 - емкость с водой, 7 - котел; A,B, - клапаны, C,D - краны.

Машина работала следующим образом. Поршень насоса 1 под действием собственного веса опускался вниз, вода из цилиндра вытеснялась в емкость 3. В это время рабочий цилиндр 5 был заполнен паром, поступившим из парового котла 7 (кран D открыт, С - закрыт). Коромысло 4, наклоняясь влево, толкало поршень насоса 1. Затем рабочий цилиндр охлаждался водой снаружи (после усовершенствования -- впрыскивали воду в цилиндр из емкости 6). При этом пар конденсировался и давление падало ниже атмосферного. Поршень цилиндра 5 под действием атмосферного давления опускался вниз, а коромысло 4 поворачивалось вправо. Поршень насоса 1 поднимался, клапан А открывался, цилиндр насоса заполнялся водой из источника 2. Потом цикл повторялся. Данная паровая машина называлась атмосферной.

Более удачная насосная паровая машина Д.Уатта показана на рис.5.

Рис. 5. Схема машины Д. Уатта. 1, 2, 6, 8 - клапаны, 3 - насос, 4 - емкость с водой, 5 - конденсатор пара, 7 - паровая рубашка, 9 - котел.

В 1781 году Д.Уатт(1736-1819) получил патент на универсальный паровой двигатель. Затем он разработал и создал паровую машину с цилиндром двойного действия, в которой пар поочередно подавался по обе стороны поршня, исключая холостые ходы. Для управления подачей пара Д.Уатт изобрел золотник, заменивший систему кранов. Золотник перемещался поршнем машины посредством специальных тяг. Д.Уатт также разработал центробежный регулятор, который был необходим для перемещения заслонки в паропроводе при поддержании постоянной скорости машины (несмотря на изменение нагрузки и давления пара в котле).

Область применения паровых машин расширялась, большие заказы поступали со стороны развивающейся текстильной промышленности, требовались универсальные двигатели для привода обрабатывающих станков.