Тема №5: «Технічна система»

Мета: ознайомлення з технічною системою як найважливішим елементом системи перетворень, із її ключовими характеристиками: призначенням, принципом дії, структурою, конструктивними ознаками.

План

5.1. Суть технічної системи

5.2. Модель технічної системи

5.3. Критерії вдосконалений технічних систем

5.4. Границя і оточення технічної системи

5.5. Представлення технічних систем

 

Найважливішими елементами системи перетворень (разом з людьми і реальним оточенням) є технічні системи (ТS), що виконують необхідні дії на операнди (Od), унаслідок чого здійснюються необхідні перетворення. Таким чином, технічні системи є засобом реалізації перетворень. Техніка проявляє себе через вироби, подібно тому, як мистецтво реалізується в художніх творах. Кількість і різноманіття виробів, створюваних у різних галузях техніки, практично незліченна, що значною мірою зумовлено машинними системами - виробами машинобудування. Безліч машин, приладів, зброї, транспортних засобів, пристроїв інструментів (як би вони не називалися) може служити людині або шкодити їй, або зовсім не використовуватися залежно від того, як людина поводиться з ними. Спробуємо упорядкувати цю різноманітність і сформулювати точки зору, з позиції яких можна розрізняти технічні системи (особливо машинні системи), а також установити загальні закономірності, справедливі для всіх технічних систем. Задовільного рішення цієї проблеми, не дивлячись на те, що воно здається саме собою зрозумілим, в науці поки що не знайдено.

 

5.1. Суть технічної системи

При розгляді технічної системи потрібно, перш за все, визначити такі ключові характеристики, яке її призначення, принцип дії, структуру, конструктивні ознаки. При цьому розглянемо також питання про стани технічної системи. У причинно-механістичному значенні будь-яка технічна система підкоряється принципу причинності: кожна подія в технічній системі має одну або декілька причин і одночасно є причиною ряду інших подій. Без причини ніщо не відбувається. У філософії принцип причинності, що розуміється як більш-менш сильний взаємозв’язок подій, є об’єктом обширної полеміки. Проте ця полеміка не відноситься до «машинної теорії життя» і не зачіпає галузь техніки, особливо технічних систем. При більш докладному розгляданні причина розпадається на три компоненти [9]:

- обставини, при яких щось відбувається;

- внутрішні умови, при яких здійснюється подія;

- мотив, який є безпосередньою причиною.

«Дія» здійснюється тоді і тільки тоді, коли існує «причина». Ці твердження ґрунтуються на досвіді людей і незліченних спостереженнях природних явищ, які узагальнені і досліджені у фізиці, хімії, біології і інших науках. Поняття причинності сформульовано в результаті узагальнення цього досвіду [5]. Людям властиво прагнути здійснення бажаних подій і досягнення своїх цілей. З погляду причинності певну дію прагнуть вчинити саме там і тоді, де і коли в ній є потреба. Окрім причинності можна говорити також про цілеспрямованість, наявність якої допомагає певним чином формувати своє життя. Людина використовує у своїх цілях фізичні, хімічні, біологічні і інші процеси в рамках існуючих техніко-економічних умов. Виходячи з принципу причинності, людина створює причинні системи (ланцюжки дій) і власне причини, які повинні забезпечити необхідну дію в потрібний момент часу. Описаний процес розвитку від причин до слідств для досягнення поставленої мети має місце при проектуванні і конструюванні технічних систем, які в значенні причинності реалізують систему причин і здійснюють дію [5]. При цьому повинні дотримуватися умови функціонування системи, у тому числі, умови реального оточення. Після цього філософського екскурсу в проблему єства технічних систем можна більш детально розглядати питання про їх призначення.

Призначення технічної системи. Розглядаючи питання про призначення технічної системи, повернемося до моделі системи перетворень (рис. 3.2). Як видно з цієї моделі, технічні системи повинні реалізовувати заплановані цілеспрямовані дії на операнди технічного процесу. Технічні системи виконують незліченні і різноманітні дії типу транспортувати, дробити, охолоджувати, підсилювати, сполучати, розділяти, ущільнювати, керувати і інші, що служать для задоволення потреб людей. Подібно функціонуванню і призначенню, слід робити відмінність між технічною і цільовою функціями технічної системи. Цільова функція з технічною функцією знаходиться у відношенні «мета – засіб». При конструкторських роботах ця відмінність замаскована, особливо для технічних систем низьких рівнів складності, що часто дуже ускладнює розуміння цих систем. При подальшому викладанні, щоб уникнути непорозумінь, поняття цільової функції використовуватися не буде; «зовнішні» завдання системи визначатимемо її призначенням. Для позначення «внутрішніх» завдань системи буде збережено поняття «технічна функція», оскільки воно вже достатнє міцно укорінялося в практиці. Призначення технічної системи можна представити через систему її дій. Тому призначення технічної системи часто називають її сукупною функцією.

Принцип дії. Принцип дії - це організована відповідно до функціональної структури сукупність фізичних, хімічних і біологічних ефектів і явиш, що забезпечує реалізацію заданої функції. При цьому елементи TS здійснюють певні перетворення потоків речовини, енергії і інформації.

У технічних системах для реалізації їх призначення використовуються відомі природні ефекти, наприклад ефект розширення.

При підвищенні температури, ефект електричного струму в провіднику, що рухається в магнітному полі, і інші фізичні, хімічні і біологічні явища.

Взаємодія складових частин технічної системи така, що реалізує внутрішній технічний процес і тим самим створює необхідну зовнішню дію. Так, використовуючи зубчату передачу, змінюють кількість обертів і напрям обертання. Як інший приклад можна розглянути люмінесцентну лампу; електричний струм перетворюється в нитці розжарення в теплову енергію, яка в шарі оксидів створює потік електронів, що викликає у свою чергу ультрафіолетове випромінювання ртуті, трансформоване в люмінесцентному шарі світлове випромінювання, унаслідок чого досягається необхідний результат - світло.

Такий причинний ланцюжок із перетворенням наслідків (виходів) у причини (входи) наступних операцій характеризує спосіб дії (спосіб функціонування) технічної системи. Внутрішні перетворення в технічній системі або описують внутрішніми функціями системи і тоді зображають призначення системи у вигляді її функціональної структури або характеризують засобами (тобто виконавчими органами), що здійснюють ці функції, і тоді спосіб дії системи може бути представлений як її органоструктура. Функціональні здібності кожної функціональної одиниці (виконавчого органу) забезпечуються множиною відповідних функцій, які реалізовуються органами більш низького рівня складності.

Підкреслимо, що при розгляданні виконавчого органу як засобу здійснення бажаної дії використовують чисто функціональний підхід.

Відзначимо попутно, що ту або іншу функцію можна здійснити різними виконавчими органами. При цьому вибір виконавчого органу визначає функцію, виконувану на найближчому знизу ієрархічному рівні. Виконавчі органи можна розглядати на різних рівнях абстрагування; тим самим визначається також і ступінь абстрактності відповідних їм функцій.

Структура технічної системи. Технічна система може бути створена тільки у випадку, якщо є можливість створити і бажаним чином об'єднати її складові частини. При цьому за допомогою структури повинні бути реалізовані (у можливо більш повній мірі) певні властивості, що забезпечують бажане функціонування системи.

Розгляд технічних систем, із погляду структури приводить до понять структурних елементів і груп, які знаходяться між собою в певних геометричних, механічних, енергетичних і інших співвідношеннях.

Подібний спосіб розглядання відомий і зрозумілий більшості людей, оскільки майже кожний, принаймні, хоч раз, намагався самостійно провести ремонт велосипеда, водопровідного крана або вимикача і був при цьому вимушений розібрати ремонтований об’єкт.

Структура є як би «рентгенівським знімком» об’єкта. У конструкторській справі звичайно вона характеризується кресленням і специфікацією [5]. Структура об’єкта при цьому розчленовується на елементи і групи залежно від прийнятої точки зору (наприклад, збирання або функціонування). Структурні групи чотирьох, рівнів в даному випадку визначаються вимогами виготовлення (технологічне групування).

Конструктивні ознаки. До конструктивних ознак відносять певні структурні властивості TS. В інженерній практиці мають широке розповсюдження такі групи конструктивних ознак [10]:

а) вказівка (перелік) основних елементів;

б) взаємне розташовує елементів у просторі;

в) способи і засоби з’єднання і зв’язку елементів між собою;

г) послідовність взаємодії елементів у часі;

д) особливості конструктивного виконання елементів за геометричною формою, видом матеріалу і т.д.

е) принципово важливі співвідношення розмірів і величин для TS у цілому або окремих елементів.

Тут залежно від виду TS, що розглядається, елементом може бути частина деталі, деталь, вузол, блок або агрегат. При описі деяких TS може мати місце тільки частина конструктивних ознак.

Стан технічної системи. У ході свого розвитку від виникнення і існування до ліквідації будь-яка технічна система проходить ряд типових станів, обумовлених зміною складу системи перетворень. При обговоренні, моделюванні або зображенні технічної системи необхідно зразу ж указати відповідний стан для вибору правильної точки зору і визначення системи перетворень.

У табл. 5.1 систематизовані деякі найважливіші стани системи з відповідними поясненнями. інженер-конструктор повинен уявляти собі ці стани, для того, щоб установити, у якому з них знаходиться конструйована ним система. Там, де недостатньо однієї уяви, корисні експерименти на моделі.

 

5.2. Модель технічної системи

Із метою отримання загальної моделі TS як частини системи перетворень проаналізуємо модель системи перетворень (розділ 3) і модель технічного процесу (розділ 4).

Як елемент системи перетворень технічна система взаємозв’язана із всією рештою елементів системи перетворень, а саме (рис. 3.2) [5]:

- із операндами (призначення технічної системи реалізується за допомогою дій, тобто здійснюється перетворення Od1 — Od2;

- із людьми-операторами (наприклад, робочі і допоміжні дії);

- з іншою технічною системою в системі перетворень;

- із реальним оточенням (усі технічні системи мають безпосередній або опосередкований зв’язок з геосферою і іншими системами).

Окрім вказаних потрібних зв’язків є ще небажані і не завжди визначені побічні дії оточення, звані перешкодами. Усі зовнішні дії технічної системи можуть бути названі активними; кожній дії на технічну систему відповідає дія технічної системи (за принципом «дія – реакція»).

Таблиця 5.1

Стани технічних систем

Проаналізуємо, яким чином TS здійснює дію на операнд? Дії здійснюються якщо виконується умова наявності певних вхідних дій (людей, технічних систем або реального оточення), які можна розглядати як входи технічної системи (рис. 5.1). При цьому можливі такі варіанти реалізації технічною системою своїх функцій:

а) TS виконує певні дії на операнд, причому ступінь дії залежить від відношення вхід-вихід і вибраного способу дії (наприклад, різець, болт);

б) як елементи TS є певні технічні засоби (виконавчі органи) і їх відносини, що виконують функції дії на операнд (наприклад, кулісно-шатунний механізм);

в) як елементи TS є певні конструктивні елементи і їх відносини, що реалізують виконавчі органи і їх відносини (наприклад: екскаватор, вугільний комбайн, автомобіль).

Збільшення кількості відносин в технічній системі приводить до збільшення кількості елементів TS тобто до збільшення її складності.

 

5.3. Критерії вдосконалений технічних систем

Розвиток техніки в цілому має на увазі розвиток і вдосконалення окремо взятої технічної системи. Такий процес повинен оцінюватися системою критеріїв. Серед критеріїв завжди можна виділити один або декілька головних критеріїв, яким належить головна роль. При цьому частіше за все головним критерієм є продуктивність праці.

Для будь-якого класу TS, що виконують певну функцію, є один або декілька показників (критеріїв прогресивного розвитку), які протягом довгого часу або всієї історії існування класу TS при переході від покоління до покоління мають тенденцію монотонного збільшення або зменшення. Ці показники приймаються як міра досконалості і прогресивності, і вони мають дуже сильний вплив, на розвиток окремих класів TS і техніки в цілому.

На основі вивчення робіт, які мають відношення . до критеріїв прогресивного розвитку [4,11,12], а також аналізу різних класів TS, розроблена систематика критеріїв прогресивного розвитку техніки, що широко і часто використовуються.

Приведемо перелік критеріїв:

1. Функціональні критерії:

а) продуктивність праці; надійність; механізація; автоматизація; швидкість руху або обробки; фізичні параметри; безперервність процесу обробки;

б) точність виготовлення; точність вимірювання; точність попадання в ціль; точність управління;

в) довговічність;

г) корисна сила.

2. Технологічні критерії:

а) трудомісткість виготовлення;

б) технологічні можливості;

в) використовування матеріалів;

г) розчленовування TS на елементи;

д) час і трудомісткість проектування і доведення;

е) час і трудомісткість ремонту і профілактичного обслуговування.

3. Економічні критерії:

а) витрати матеріалів;

б) витрати енергії;

в) витрати на підготовку і отримання інформації;

г) габаритні розміри TS.

4. Антропогенні критерії:

а) ергономічність TS;

б) естетичність TS;

в) безпека TS;

г) ступінь екологічної прийнятності TS.

 

Рис. 5.1. Модель технічної системи

 

Слід помітити, що приведені критерії прогресивного розвитку і відповідні їм закономірності розвитку техніки не є повним набором характеристик, їх можна віднести до внутрішніх критеріїв і закономірностей. Конструктори при створенні нового покоління TS повинні явно керуватися цими критеріями і прагнути їх поліпшення.

 

5.4. Границя і оточення технічної системи

Межа технічної системи визначає TS як просторово-функціональну одиницю. На зовнішній поверхні технічної системи розташовані граничні елементи (рецептори і ефектори), що здійснюють зв'язки з оточенням (входи, виходи). Вони визначають місце дії технічної системи.

У безпосередньому оточенні технічної системи завжди є системи, що знаходяться у взаємозалежності або взаємодії, такі як [5]:

- технічний процес з операндами, які є об’єктами дії технічної системи;

- людина - оператор (група людей), що знаходяться в безпосередньому зв’язку з технічною системою, і які приймають участь у технічному процесі;

- технічні системи, які яким-небудь чином впливають на перетворення операндів у технічному процесі;

- реальне оточення, тобто та частина загального оточення, яка знаходиться в безпосередньому зв'язку з технічною системою. До реального оточення відноситься також геосфера, зв'язки з якою повинні існувати завжди.

Закони природи також входять до реального оточення, тобто технічна система знаходиться у сфері дії цих законів.

Приналежність окремих компонентів до оточення технічної системи, коли це не очевидно, слід визначати на основі відповідної системи перетворень і особливо технічного процесу. Оточення технічної системи також залежить від визначення системи перетворень.

Будь-яка технічна система належить до декількох, систем перетворень і залежно від цього може розглядатися в різних оточеннях.

Більш того, оточення змінюється в процесі розвитку технічної системи.

Власне кажучи, види оточення і визначають працездатність системи.

 

5.5. Представлення технічних систем

Існує багато видів і способів представлення систем. Важливими чинниками при виборі вигляду і способу представлення є власне об’єкт і його стан, а також призначення представлення (моделі) - повідомлення, випробування, розрахунок, аналіз, фіксація для пам’яті, і т.д.

Оскільки створення і вивчення моделей часто віднімає багато часу, їх раціоналізації надається велика увага. Із застосуванням обчислювальної техніки в цій галузі відбулися корінні зміни, але у свою чергу виникли й нові проблеми, наприклад проблеми моделювання з використанням ПК.

Конструктивні елементи, що є технічними системами низького рівня складності, нерідко, особливо в машинобудуванні, дуже різноманітні, переважно за формою і розмірам. Традиційні графічні методи ми розглядати не будемо, оскільки вони добре відомі. Згадаємо лише сучасні методи, пов’язані із застосуванням ПК.

Із погляду геометрії тіло можна розглядати як систему крапок, ребер, поверхонь або елементарних форм. Виходячи з цього, відомі такі форми моделювання:

1) лінійне моделювання, включає опис конструктивних елементів за допомогою ліній і крапок (як у кресленні). Таке моделювання не дозволяє задовільно передати форму, оскільки воно неоднозначне, не створює просторового ефекту і допускає безглузді форми (рис. 5.2, а);

2) площинне моделювання є моделюванням за допомогою систем поверхонь, якими можливий однозначний опис форми деталі (рис. 5.2, б);

3) об’ємне моделювання - моделювання за допомогою впорядкованої сукупності елементарних тіл відповідної форми. Таке модельне представлення дозволяє відтворити різноманітні конструктивні елементи за допомогою різних комбінацій елементарних тіл (рис. 5.2, в);

4) твердотільне моделювання – впорядкована сукупність елементарних тіл відповідної форми і фізичних характеристик. Таке модельне представлення геометричне і фізично в точності відповідає дійсності, що дозволяє відтворити реальну модель технічної системи в електронному вигляді (рис. 5.2, г).

Рис. 5.2. Види представлення технічних систем

 

Висновки: Технічна система, що виконує необхідні дії на операнд, для здійснення «обхідних перетворень, є найбільш важливим елементом технічного процесу.

 

Контрольні запитання.

1. Яке призначення технічної системи?

2. Що таке принцип дії технічної системи?

3. Якими бувають стани технічної системи?

4. Із якими елементами системи перетворень знаходиться у взаємозв’язку

технічна система?

5. Які існують критерії вдосконалення технічних систем?

6. Назвіть антропогенні критерії вдосконалення технічних систем?

7. Що є безпосереднім оточенням технічної системи?