Совершенствование машин для заглаживания незатверд евших бетонных поверхностей на основе закономерностей развития технических систем

УДК 693.54.002.5

Л. А. Мамаев, С. П. Ереско, Т. Т. Ереско

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАШИН ДЛЯ ЗАГЛАЖИВАНИЯ НЕЗАТВЕРДЕВШИХ БЕТОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ОСНОВЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Рассмотрены основы научного подхода к совершенствованию машин, применяемых для отделки свежеот-формованных бетонных поверхностей, с использованием закономерностей строения и развития технических систем. Приведены основные закономерности, структурные схемы и динамика патентования бетоноотделочных машин.

К широкому спектру наземных средств обеспечения полетов авиации относятся и машины для строительства покрытий аэродромов и, в частности, машины, применяемые на финишной стадии обработки покрытия. Мак-ро- и микрогеометрия покрытий влияет на сцепные свойства шасси, следовательно и на безопасность полетов авиации. Технические решения, закладываемые при проектировании, определяют качество покрытия, производительность машины, что в конечном итоге обусловливает и технико-экономические показатели всего технологического процесса. Рассмотрим основы научного подхода к совершенствованию машин для строительства покрытий на примере бетоноотделочных машин.

В качестве обобщенного метода поиска новых технических решений в настоящее время используют метод системного анализа сложных технических систем и процессов. Под системным анализом понимается вся методология процесса выработки и принятия решений в проблемных ситуациях, когда операции анализа и синтеза тесно переплетаются. В процедуру системного анализа технической системы входят следующие этапы: формулирование цели, анализ проблемы и структуры технической системы, анализ закономерностей и тенденции исторического развития, составление моделей и разработка развернутого плана исследований, выбор критериев сравнения и т. д. Однако когда простые технические системы (ТС) с постоянной функцией, у которых техническое решение (ТР) приближается к глобальному экстремуму по принципу действия (ПД) и конструкции (К), стабилизируются и прекращают конструктивную эволюцию, дальнейшее совершенствование ТС возможно только с применением отдельных этапов системного анализа.

В основу научного подхода совершенствования заглаживающих машин могут быть положены следующие принципы [1-4]:

1) изучение и анализ конструктивной эволюции, позволяющие набрать необходимую сумму факторов для формулирования закономерностей строения и развития, которые значительно облегчают поиск новых технических решений;

2) изучение и анализ гидродинамических процессов заглаживания, позволяющие осуществлять поиск новых физических эффектов, которые обеспечивают повышение интенсивности и эффективности процесса, и создавать их физические и математические модели;

3) экспериментальные исследования процессов заглаживания с целью определения рациональных геометрических и кинематических параметров машин;

4) разработка методов расчета типовых конструкций машин нового поколения.

Предлагаемый подход основывается на законах строения и развития техники. Главные закономерности строения и развития техники сформулированы Я. Чернихо-вым [5]:

- конструкция является конструкцией только тогда, когда она имеет рациональную оправданность объединения своих элементов на основе их гармонического соотношения;

- конструктивное решение должно иметь причину, на основании которой делается построение;

- прежде чем принять окончательный образ, конструктивное отображение должно пройти необходимые этапы своего развития.

По мнению Г. С. Альтшуллера, ТС имеет следующие этапы развития [1]:

- первый этап - подбор элементов для образования системы;

- второй этап - совершенствование отдельных частей;

- третий этап - динамизация системы;

- четвертый этап - объединение с другими системами, дробление на части, перекомбинирование системы;

- пятый этап - переход с макроуровня на микроуровень.

Очевидно, что социально-экономическую целесообразность создания и использования заглаживающих машин нового поколения имеет смысл рассматривать при наличии необходимого научно-технического потенциала, обеспечивающего принципиальную возможность проектирования, изготовления и практического их использования. При этом наличие социально-экономической целесообразности указывает на то, что, во-первых, изготовление и практическое использование заглаживающих машин нового поколения в целях удовлетворения определенных потребностей экономически возможно и выгодно, во-вторых, не ухудшаются антропогенные критерии прогрессивного развития.

Существуют следующие закономерности исторического развития техники:

- последовательное овладение все более сложными формами движения материи и их техническое использование;

- расширение спектра процессов, применяемых в технике;

- использование более мощных источников энергии и постоянный рост интенсивности применяемых процессов;

- возрастание степени направленности энергетических и других процессов в смысле их более рационального использования;

- последовательное усложнение ТС и их интеграция в виде органически соединенных комплексов.

Некоторые принципы закономерности исторического развития техники [3], используемые в дальнейшем изложении, представлены ниже:

- принцип избыточности: в любой момент времени для реализации заданной функции число различных ТР на уровне патентов, чертежей, опытных образцов всегда больше серийно реализованных;

- принцип соответствия между функциями и техническими решениями: в процессе конструктивной эволюции ТС, имеющих постоянную функцию, всегда одновременно существуют ТС с различными К и ПД;

- принцип перехода через предел: ТС с постоянной функцией, у которых ТР приближаются к глобальному экстремуму по ПД и К, стабилизируются и прекращают дальнейшую конструктивную эволюцию, если не появляются новые физические эффекты, обеспечивающие получение улучшенного принципа действия;

- принцип предпочтения: при переходе на новые ПД в ТС с использованием конкретных физических эффектов предпочтение отдается более новым, т. е. открытым позднее.

При создании нового поколения заглаживающих машин необходимо учитывать следующие законы:

1) закон возрастания разнообразия технических объек-

тов (ТО): разнообразие технических объектов, имеющих одинаковую функцию, в связи с необходимостью наиболее полного удовлетворения человеческих потребностей, обеспечения повышения производительности и улучшения других критериев прогрессивного развития техники, со временем монотонно возрастает по экспоненциальному закону Ы, = М0вк‘, где , Ы0 - число различных ТО

соответственно рассматриваемого и начального момента времени; г - промежуток времени в годах;

2) закон возрастания сложности ТС: сложность технических объектов с одинаковой функцией в силу действия факторов стадийного развития техники и прогрессивной конструктивной эволюции ТС от поколения к поколению монотонно и ускоренно возрастает;

3) закон прогрессивной конструктивной эволюции технических систем: в технических системах с одинаковой функцией переход от поколения к поколению вызван устранением на данный момент главного дефекта, связанного, как правило, с улучшением одного или нескольких критериев прогрессивного развития, и происходит при наличии необходимого научно-технического потенциала и социально-экономической целесообразности следующими вероятными путями иерархического исчерпания возможностей конструкции:

- при неизменных ПД и ТР улучшаются параметры ТС до приближения к глобальному экстремуму;

- после выполнения этого условия происходит переход к более рациональному ПД.

Пути реализации закона прогрессивной конструктивной эволюции рассматриваемых машин следующие:

- определение рациональных геометрических и кинематических параметров рабочих органов;

- повышение степени свободы перемещения рабочих органов;

- использование физических принципов действия с более дешевыми и доступными источниками энергии;

- предоставление возможности регулирования скорости вращения рабочих органов;

- использование устройств, защищающих от вредных излучений, например вибраций.

Углубленное и всестороннее изучение конструктивной эволюции интересующего класса ТС позволяет набрать необходимую сумму факторов для формулирования закономерностей строения и развития, которые значительно облегчают поиск новых технических решений.

Подводем итоги проведенного краткого анализа, представив укрупненную схему законов развития технических систем в виде графа (рис. 1).

Рис. 1. Граф законов развития технических систем

Идеальность ТС - это соотношение между совокупностью функций, выполняемых ТС, т. е. полезностью, и затратами, которые связаны с реализацией функции.

Очевидно, что повышение идеальности может осуществляться двумя путями:

- совершенствованием существующей ТС за счет улучшения функциональных возможностей (например, повышения производительности, снижения энергоемкости и т. п.), технологии изготовления и эргономических показателей, снижения стоимости производственных и эксплуатационных расходов;

- разработкой новой ТС путем использования нового физического принципа действия и конструктивного решения.

Создание новой технической системы чаще всего связано с тем, что существующие конструкции уже не удовлетворяют возникшим потребностям вследствие исчерпания ресурсов своего развития.

Основным недостатком современных машин для обработки поверхностей свежеуложенных бетонных изделий является низкая интенсивность процесса. Последнее увеличивает время проведения технологического процесса заглаживания и, следовательно, снижает производительность машин. По данным А. В. Болотного, при обработке поверхностей изделий из жестких бетонных смесей для получения шероховатости поверхности класса

2Ш.. ,3Ш необходимо увеличить длину 5 линии, на протяжении которой рабочий орган воздействует на каждую элементарную площадку АР обрабатываемой поверхности в 8.12 раз.

Причиной низкой интенсивности является то обстоятельство, что в рассматриваемых машинах используется принцип действия, основанный на физическом эффекте

- моменте трения. Последнее обстоятельство приводит к значительному конвективному переносу минеральных компонентов смеси, в том числе крупного размера, и требует расхода значительной энергии для получения заданного класса шероховатости поверхности.

Кроме того, из перечисленного класса рабочих органов заглаживающих машин только дисковые способны обеспечить обработку поверхностей изделий, приготовленных из жестких смесей.

Развитие конструкций заглаживающих машин целесообразно анализировать путем построения функциональных потоковой и конструктивной структур, а также физических принципов действия на основе развитых представлений о поиске новых технических решений [2].

Основные положения этого метода состоят в следующем. Процесс изучения технической системы может быть сведен к изучению потоков энергии, вещества и сигналов, протекающих в них. Метод исходит из предположения, что процессы в машинах могут быть сведены к совокупности простых действий, называемых физическими операциями. Физическая операция - это процесс преобразования входных физических величин в выходные.

Следовательно, если проанализировать в конструкции все цепи, по которым передаются различные формы энергии, потоки вещества и сигналов, то можно построить функциональную структуру (ФС) машины в виде последовательно или (и) параллельно выполняемых элементарных физических операций.

Физическая операция происходит на основе одного или нескольких физико-технических эффектов (физических эффектов). Под физическим эффектом понимается результат воздействия одних физических объектов на другие, приводящий к определенным изменениям физических величин. В качестве физических эффектов могут быть использованы физические и химические законы, законы механики и т. п. При создании цепочек физических эффектов используют понятие совместимости. Например, два последовательно расположенных физических эффекта являются совместимыми, если результат воздействия предыдущего (выходной поток) эквивалентен входному воздействию последующего.

Этот метод получил название физикализм и направлен на использование новых, ранее не применяемых физических эффектов при конструировании известных технических систем [5].

Располагая физические операции в определенной последовательности, можно построить потоковые функциональные структуры и определить принцип действия заглаживающей машины как технической системы. Основываясь на анализе промышленных образцов машин для обработки бетонных поверхностей, можно представить наиболее распространенные функциональные потоковые структуры (ФПС) (рис. 2, а, б, в, г, д). Представ-

ленные ФПС «ТС - заглаживающая машина» расположены по мере увеличения количества физических операций, включаемых в описание, и указывают на возрастание сложности конструкций.

а

~ _ ________ Эм _______ С

рк^.- рык^.

ПрЭ

ГГ

В+Э

Эт

ПрЭ Эм В+Э

ГВ

ПрЭ

рк^.- рык^.

ГВ

Ээ

рк^.- рык^.

ПрЭ

ГВ

РкЬ.- рык^. Ээ ПрЭ

Ээ

РкЬ.- рык^. ПрЭ

Эм

Рер

Эм

В+Э

В '

Рис. 2. Потоковые функциональные структуры «ТС - заглаживающая машина»: Ээ, Эм, Эт - электрическая, механическая и тепловая энергии соответственно: вкл. - выкл. - включение / выключение; Р - регулирование;

ПрЭ - преобразование энергии; Рев - реверсирование;

В + Э - соединение энергии и вещества

Наиболее распространенной функциональной потоковой структуре заглаживающих машин (см. рис. 2, а, б, в, г) соответствуют заглаживающие машины с дисковым рабочим органом как самоходные, так и ручные. ФПС (см. рис. 2, д) соответствует консольным либо портальным заглаживающим машинам с различными рабочими органами.

Процесс заглаживания осуществляется операцией «Соединение энергии и вещества». В существующих заглаживающих машинах в качестве физическо-техничес-кого эффекта используется, как отмечалось выше, момент трения. Очевидно, что повышение интенсивности процесса заглаживания возможно только при применении новых физико- технических эффектов, заключенных в этой операции и определяющих макро- и микродина-мическую обстановку в пограничном слое. Особое место занимают физико-технические эффекты, влияющие на изменение структурно-реологических свойств пограничного слоя, обладающего значительной вязкостью в случае жестких бетонных смесей.

Структурная схема физико-химических эффектов, используемых в современных машинах строительной индустрии (рис. 3), позволяет сделать вывод, что значительная часть физико-химических эффектов нашла свое применение при проектировании различных машин. Наиболее перспективными являются эффект тиксотропии (вибросжижения и виброкипения). Необходимо отметить, что они нашли широкое применение в процессах уплотнения, сушки, смешения и др.

Регулирование важнейших реологических свойств пограничного слоя, управление процессами его струк-турообразования представляют большой интерес с точки зрения как повышения интенсификации процесса заглаживания, так и улучшения качества обрабатываемой поверхности.

цессы и, следовательно, существенно отражается на качестве поверхности бетонного изделия.

К II 120 л

0 а

Л т 100 -

и e

ч н 80 -

e т

с 0 60 -

т в

в 40 -

0

20

0

Рис. 3. Структурная схема физико-химических эффектов: ПАВ - поверхностно-активные вещества

Существенный интерес для оценки тенденций развития заглаживающих машин представляет изучение динамики патентования. Поиск проводился в Интернете в базах данных «U. S. Patent and Trage Office», «Espace», «Patent ABST of Japan», а также по классам МКИ В 28, В11/00, Е01и С19/40 в период с 1985 по 2002 гг. Полученные результаты представлены на диаграмме (рис. 4).

Анализ пространственных движений запатентованных рабочих органов заглаживающих машин в сочетании с их геометрической формой позволяет обнаружить тенденцию к созданию в пограничном слое макрогидродина-мической структуры потоков, при которых значительно повышается интенсивность и эффективность процессов конвективного смешивания.

Необходимо отметить, что из общего числа патентов около 30 % используют вибрацию. Известно, что использование вибрации интенсифицирует диффузионные про-

1985.....2002

Рис. 4. Динамика патентования заглаживающих машин

Таким образом, на основе проведенного анализа законов развития заглаживающих машин как разновидности технических систем можно сделать вывод, что наиболее целесообразным путем повышения эффективности процесса обработки свежеуложенных бетонных поверхностей изделий из жестких бетонных смесей является использование вибрации.

Библиографический список

1. Альтшуллер, Г. С. Творчество как точная наука / Г. С. Альтшуллер. М. : Сов. радио, 1979.

2. Новиков, А. Н. Машинные методы синтеза новых технических решений дорожно-строительных машин : учеб. пособие / А. Н. Новиков ; Моск. автодор. ин-т. М., 1983.

3. Половинкин, А. И. Законы строения и развития техники. Волгоград : Изд-во «Волгогр. правда», 1985.

4. Серебренников, А. А. Вибрационные смесители (конструкции, исследования, расчеты) / А. А. Серебренников, В. А. Кузьмичев. М. : Недра, 1999.

5. Чернихов, Я. Конструкция архитектурных и машинных форм / Я. Чернихов. Л. : Изд-во Ленингр. об-ва архитекторов, 1931.

L. A. Mamaev, S. P. Eresko, T. T. Eresko

IMPROVINQ MACHINES FOR SMOOTH DOWN NON-SOLIDIFIED CONCRETE SURFACES BASED ON RULES OF EVOLUTION TECHNICAL SYSTEMS

Examined basis of scientific way to improve machines, used for finishing as-formed concrete surfaces with using rules of building and evolution technical systems. Adduced primary rules, structure schemas and dynamics of patenting concrete machines.