Общие сведения о проектируемых объектах

 

При проектировании проектировщик использует и анализирует систему «наука – техника – производство – эксплуатация». Структурную схему конкретного взаимодействия проектировщика и объекта проектирования можно представить в виде (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структурная схема взаимодействия

проектировщика и объекта проектирования

 

Здесь Х₁,…, Х  исходные (входные) данные (условия эксплуатации, свойства исходного обрабатываемого материала, агротехнические требования к проектируемой машине (см. гл. 11); Х ,…,Х - управляющие воздействия, обеспечивающие заданные условия функционирования объекта проектирования (конструкции рабочих элементов, их компоновка, кинематические параметры и т.д.); У ,…,У - выходные показатели функционирования (экономические показатели, показатели назначения, энергоемкость, металлоемкость, надежность, эргономика, эстетика и т.д.).

Объектами проектирования в соответствии с дисциплиной «Основы проектирования СХМ» являются сельскохозяйственные машины, оборудование, агрегаты и комплексы.

В отличие от функционирующей системы (системы, эксплуатируемой в агропромышленном комплексе (АПК)) описание проектируемой системы задает ее предполагаемую структуру с помощью схем, пояснительных текстов, а также логических и математических соотношений, моделирующих работу отдельных элементов системы и ее взаимодействие с окружающей средой.

  Таким образом, при проектировании создается структура систем.

Сложившуюся структуру объектов проектирования целесообразно характеризовать элементами, составляющими её [69]. Сельскохозяйственная машина в общем случае состоит из следующих групп элементов:

- рабочих органов;

    - механизмов для передачи движения от источника энергии;

    - механизмов управления;

    - источника энергии;

    - ходовой части с подвеской;

    - несущих конструкций.

В зависимости от назначения машины, т.е. характера технологических операций, которые она должна выполнять, метода агрегатирования в структуре не обязательно должны присутствовать все группы элементов (например, у навесных машин ходовая часть отсутствует, так как ее роль выполняет трактор или самоходное шасси и т.д.).

Сельскохозяйственные агрегаты включают:

1) энергетическое средство (ЭС) (трактор или самоходное шасси);

2) сцепочное устройство;

3) рабочие сельскохозяйственные машины.

На практике агрегаты часто состоят из трактора и одной рабочей машины, навешиваемой или прицепляемой. В этом случае, как правило, сцепочного устройства не требуется. Иногда одна машина или орудие агрегатируется с двумя тракторами (тросовая волокуша).

Самоходная сельскохозяйственная машина (СХМ) может рассматриваться как разновидность сельхозагрегатов.

Комплекс машин, как следует из определения, должен состоять из сельхозмашин и агрегатов в количестве и с характеристиками, обеспечивающими выполнение производственных процессов.

Структура, как показано выше, отвечает требованиям на проектирование объектов, поэтому можно привести некоторую классификацию перечисленных объектов.

    Сельскохозяйственные машины подразделяют:

по назначению: на почвообрабатывающие; посевные; для ухода за растениями; уборочные и т.д.;

по отношению к мобильным энергетическим средствам (тракторам, самоходным шасси и т.п.): на прицепные; навесные; полунавесные; самоходные.

  Агрегаты подразделяют:

по энергетическому средству - на машинно-тракторные;

по наличию сцепного устройства (сцепки) - на сцепочные и бессцепочные;

по положению рабочей машины относительно энергетического средства: на задние; передние; средние; симметричные; левосторонние; правосторонние и т.д.

Комплексы машин различают:

по применению в отраслях сельского хозяйства: полеводческие; животноводческие и т.д.

    Эффективность техники проявляется в сфере эксплуатации. В сельскохозяйственной литературе термины процессов, связанных с получением сельскохозяйственной продукции, не упорядочены. Однако дальнейшее изложение учебного материала требует однозначности в понимании. В связи с этим на основе анализа литературных источников будет использована следующая структура соподчиненных понятий (рис. 2.2).

    Рис. 2.2 показывает, что производственный процесс сельскохозяйственного предприятия включает технологические процессы по производству различной сельхозпродукции. Обычно технологические процессы взаимосвязаны между собой, в том числе едиными техническими средствами, если в процессах встречаются аналогичные технологические операции. Однако могут быть процессы с обособленным комплексом машин для животноводства, парниково-тепличного хозяйства и др.

Технологические операции сопровождаются изменением технологических свойств обрабатываемых материалов. Под технологическими свойствами в дальнейшем будем понимать часть физико-механических свойств, которыми обладают обрабатываемые сельскохозяйственные материалы и на изменение которых направлено воздействие рабочих органов сельскохозяйственных машин. Обычно сельскохозяйственные агрегаты и машины предназначены для механизации технологических операций.

 

 

 

Рис. 2.2. Примерная модель производственного процесса

сельскохозяйственного предприятия

 

    Вспомогательные операции нужны для подготовки техники к работе (сборка, обкатка, техническое обслуживание и т.д.) и объектов обработки к применению машин и агрегатов (разметка полей на загоны, обозначение мест для заправки или разгрузки машин и т.д.), для этого могут разрабатываться сервисные средства.

Иногда к проектируемым объектам применяют термин «система».

 

Исходные данные для проектирования

 

Для решения задач при проектировании требуется большой объем сведений об элементах системы «наука – техника – производство – эксплуатация», влияющих на объект проектирования, а также значительный объем информации, определяющий условия, место, заданные агротехнические требования и ограничения на его функционирование. Причем количество информации и ее характер зависят от многих обстоятельств: назначения проектируемой машины; наличия аналогов; степени изученности отдельных вопросов и т.д.

Информацию, в каждом отдельном случае, необходимо подбирать дифференцированно в зависимости от назначения проектируемой машины и решаемых задач при проектировании. Рассмотрим основные разделы необходимой информации.

Наука – сфера человеческой деятельности, функции которой– выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности; включает как деятельность по получению нового знания, так и ее результат – сумму знаний, лежащих в основе научной картины мира. Непосредственная цель науки – описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, составляющих предмет ее изучения, на основе открываемых ею законов. Проектировщик должен владеть навыками научно-технической деятельности [30].

     Большое количество современных научных коллективов приняли участие в разработке отдельных СХМ для растениеводства, животноводства, мелиорации, лесного хозяйства и защитного лесоразведения. Широко известны научные коллективы институтов РАСХН: ВИМ, ВНИПТИМЭСХ, СибИМЭ, СЗНИИСЭСХ и др., ОАО ВИСХОМ, АО ВНИИКОМЖ и др., вузов РФ – ДГТУ, ЧГАУ, Воронежский Агроуниверситет, Московский ГАУ им. В.П.Горячкина, АЧГАА и др.

    В ДГТУ проводят исследования, приоритетные для регионального и федерального уровней: разработку новых технологий и оборудования для создания полноценной кормовой базы – изыскание нетрадиционных технологий и технических средств для производства кормового белка и сбалансированных кормов; обоснование новых технологических принципов обмолота и сепарации, обеспечивающих разработку молотильных аппаратов, сепараторов соломистого и мелкого зернового вороха применительно к современным зернокомбайнам и стационарным комплексам; создание теории системной сепарации, параметрический и структурный синтез машин и агрегатов для поточной очистки зерновых культур, позволившие обосновать и разработать серию новых машин и зерноочистительных агрегатов; разработки по управлению качеством продукции на всех стадиях ее создания, базирующиеся на использовании методов системного анализа и синтеза; обеспечение надежности конструкций сельскохозяйственных машин, биотехнических систем «человек – машина – животное».

Методологические основы научного познания и творчества. Диалектико-материалистическая теория познания вскрыла природу знания, обосновывая ее посредством принципа отражения. Знание представляет собой адекватное отражение действительности в сознании человека, проверенное общественно-исторической практикой и удостоверенное логикой. Знание не дано изначально, а приобретается человеком в ходе жизни в обществе, является результатом познания, которое можно определить как процесс обогащения новым знанием. Исследователь стремится к познанию мира – предметов, явлений, закономерностей их развития, взаимосвязей между ними, причин и следствий таких связей для получения объективных сведений о действительности и пользуется при этом научными методами.

Метод – совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности. Основное содержание методов науки составляют, прежде всего, научные теории, проверенные практикой. Развитие и дифференциация методов мышления в ходе развития познания привели к учению о методах – методологии.     

Эмпирические знания характеризуют непосредственно объект и выводятся в основном из опыта (наблюдений, эксперимента) путем некоторой рациональной обработки. Примером служат численные результаты эксперимента, обработанные методом математической статистики и представленные в виде математических моделей так называемых эмпирических уравнений или формул.

Теоретические знания всесторонне характеризуют объективную реальность в ее существенных связях и закономерностях и связаны с совершенствованием и развитием аналитического аппарата науки. Эти значения могут быть получены и в относительной независимости от опыта, например, посредством введения гипотетических допущений или теоретических моделей.

Эмпирические и теоретические уровни познания тесно связаны между собой, так как теоретические построения возникают на основе обобщения имеющихся знаний, в том числе и полученных из наблюдений, экспериментов, и, в свою очередь, ориентируют эмпирическое исследование. Развитие познания предполагает непрерывное взаимодействие опыта и теории. Однако конечной целью научного познания является не эксперимент, а теория. Степень развития науки определяется не столько количеством добытых эмпирических знаний, сколько полнотой и достоверностью выдвинутых и достаточно обоснованных теорий.

Отсутствие возможностей воздействовать на изучаемый объект при наблюдении привело к тому, что основным методом эмпирического познания стал эксперимент.  

  Эксперимент – это метод познания, при помощи которого в контролируемых и управляемых условиях исследуются явления действительности. Слово эксперимент происходит от латинского experimentym – проба, опыт. Эксперимент, как и производственная деятельность людей, составляет основной элемент практики, познания реальной деятельности. Понятие «эксперимент» означает научно поставленный опыт или пробу, когда исследователь осуществляет проведение искусственно вызванного им явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за его развитием, управлять им, воссоздавать его каждый раз при сохранении тех же условий. Эксперимент осуществляется на основе теории, определяющей постановку задачи и интерпретацию ее результатов. Нередко главной задачей эксперимента служит проверка гипотез и предсказаний теории. В связи с этим эксперимент как одна из форм практики выполняет функцию критерия истинности научного познания в целом. Различают физический и математический эксперименты.

Физический эксперимент может быть лабораторным или производственным в зависимости от того, выполняется он на лабораторном оборудовании или на промышленной машине или агрегате при их промышленной эксплуатации.

Когда в связи с особыми свойствами объекта исследования непосредственное его изучение затруднено, прибегают к моделированию. Моделирование – это метод исследования объектов познания на их моделях, которые являются аналогами (заместителями) оригинала в познании и практике.

Математический эксперимент проводят на математических моделях, описывающих какие-либо физические объекты или процессы. Физические и математические эксперименты дополняют друг друга, делают процесс получения информации об объекте исследования менее трудоемким и более экономичным.

Одновременно с проведением либо по окончанию наблюдения или эксперимента исследователь в качестве орудия познания привлекает мышление. Основными видами мыслительной деятельности при выполнении исследований и обсуждении их результатов являются анализ и синтез.

Анализ есть мысленное разложение предмета или явления на составляющие его части или стороны, более простые, с целью их глубокого изучения. Так, анализ процесса сепарации сыпучих материалов на решетных сепараторах по размерам включает следующие процессы: относительные перемещения по решету; процесс самосортирования (опускания в слое приходных компонентов); процесс ориентации приходных компонентов относительно отверстий решета и его проход. Следовательно, для управления процессом с целью повышения эффекта сепарации необходимо изучать каждый из этих процессов.

Синтез – мысленное объединение расчлененных анализом элементов. После изучения каждого из процессов, указанных в вышеприведенном примере, осуществляется их синтез, соединение этих процессов, устанавливается их взаимное влияние и получается общее, более полное представление о наблюдаемом процессе.

В зависимости от соотношения эмпирического и теоретического уровней назначения при изучении предметов, явлений различают два основных метода познания: дедуктивный и индуктивный.

Дедукция есть процесс аналитического рассуждения от общего к частному или менее общему. Наиболее характерным видом дедукции является аксиоматический метод, при котором основные утверждения выводятся логически путем на базе одной или нескольких аксиом, принятых исходных положений или постулатов.

Индукция – это процесс выведения общего положения из наблюдения ряда единичных величин. Индуктивный метод может быть представлен в виде следующих основных его элементов:

    1) восприятие явления путем наблюдения или эксперимента;

    2) построение на основе обсуждения имеющихся данных рабочей гипотезы, механизма явления, процесса, которые разъясняют все частные известные явления;

    3) построение математической теории, гипотезы или математического описания механизма процесса в целом;

    4) проверка теории на практике, которая служит критерием истинности разработанной теории.

Одним из этапов исследования является разработка гипотезы.

Гипотеза - это научное допущение или предложение, истинное значение которого не определено. Задача гипотезы – раскрыть те объективные связи и соотношения, которые могут быть главными для изучаемого явления. После проверки гипотеза превращается либо в достоверную теорию, либо в достоверное значение определенного факта. При решении инженерных задач гипотеза используется как формулировка или предложение возможного пути поиска. Следовательно, любой инженерный эксперимент должен выполняться только при наличии первоначальной гипотезы. Первоначально гипотеза в процессе исследования, как правило, неоднократно подвергается анализу, критике, уточнению, и в результате гипотезы становятся более достоверными (мозговой штурм).

В ряде случаев выдвижение гипотезы происходит через интуицию.

Интуиция – способность постижения истины путем прямого ее усмотрения без обоснования с помощью доказательств. Она представляет собой своеобразный тип мышления, когда отдельные звенья процесса мышления проносятся более или менее бессознательно, а предельно ясно осознается именно итог мысли – истина. Интуиции бывает достаточно для усмотрения истины, но ее недостаточно, чтобы убедить в этой истине других и самого себя. Для этого необходимо доказательство. Интуиция возможна, как правило, лишь при наличии определенных знаний и большого опыта теоретического и практического мышления.

При обсуждении результатов экспериментов, выдвижении гипотез в процессе мышления у исследователя возникают идеи.

Идея – это мысль, которая, достигая высокой степени объективности, полноты и конкретности, в то же время нацелена на практическую реализацию. Идея – это отражение действительности и целевого устремления. Генерация идей должна быть неотъемлемой особенностью деятельности и мышления исследователя, так как без новых идей невозможно дальнейшее развитие науки и техники.

Научно-техническая деятельность - деятельность, направленная на получение, применение новых знаний для решения технических, инженерных, экономических, социальных, гуманитарных и иных проблем, обеспечения функционирования науки, техники и производства как единой системы.

  Экспериментальные разработки – деятельность, которая основана на знаниях, приобретенных в результате проведения научных исследований или на применении практического опыта, и направлена на сохранение жизни и здоровья человека, создание новых материалов, продуктов, процессов, устройств, услуг, систем или методов и их дальнейшее совершенствование.

Организация и планирование исследований. Исследования в области сельскохозяйственного машиностроения ведут научные учреждения различного профиля: институты РАСХН, отраслевые НИИ, производственные объединения (ПО), научно-исследовательские и научно-производственные организации в структуре вузов, объединения производственных, вузовских и других научных организаций в технопарки, решающие крупные научно-производственные проблемы.

  Институты РАСХН (ВИМ, ВИЭСХ, ВНИПТИМЭСХ, СибИМЭ и др.) решают фундаментальные и прикладные проблемы развития сельхозмашиностроения.

Отраслевые институты (ОАО «ВИСХОМ» и др.), лаборатории (отделы), научно-технические центры производственных объединений призваны быть связующим звеном между фундаментальной наукой и производством, занимаясь прикладными научными исследованиями и научно-технической деятельностью. Научно-технические центры представляют собой научно-производственный и хозяйственный комплекс, в состав которого могут входить научно-исследовательские, проектно- конструкторские, технологические организации, опытные производства по выпуску готовой продукции.

В вузах проводятся фундаментальные и прикладные научные исследования, тесно связанные с подготовкой инженерных и научных работников. Выбор направлений и тематик исследований определяется комплексно в зависимости от ряда условий.

1. Предложений заказчиков: предприятий разработчиков и изготовителей сельхозтехники; отраслевыми министерствами; государственным комитетом по науке и технике в соответствии с федеральным планом НИР и ОКР по соответствующей проблеме.

  2. По инициативе самой организации, определившей проблему и направления исследований перспективные для развития сельхозмашиностроения.

  3. Возможностью научного подразделения, определяемой наличием специалистов, работающих в соответствующем научном направлении, их опыта, квалификации, наличия исследовательской базы.

  Финансирование НИР производится заказчиком (хоздоговорные работы, участие в программах), из собственных средств научной организации (инициативные исследования); госбюджетное финансирование НИР, определенных различными государственными программами федерального и регионального уровней; за счет средств грантов; НИР, проводимые в вузах по выбранным и утвержденным направлениям, дополнительно финансируются из федерального бюджета.