Общественные потребности и технические противоречия — основные факторы, ускоряющие развитие и совершенствование ТС

Русская поговорка:«Нет худа без добра, а добра- без худа» в общедоступной форме отражает противоречивую, диалектическую природу нашего мира. Всякое техническое новшество, изменение конструкции несет с собой, кроме по­ложительного эффекта, также нежелательный отрицатель­ный эффект. Например, развитие атомной энергетики, обес­печивая население дешевой электрической энергией, в то же время несет с собой постоянную опасность заражения окру­жающей среды, а также порождает проблему утилизации и переработки отходов, имеющих высокую, опасную для чело­века радиоактивность.

Другой пример. Электрификация железных дорог с электровозной и тепловозной тягой приводит к повыше­нию КПД системы железнодорожного движения до 30% и выше, вместо 3-4% при паровозной тяге и 16-19% при теп­ловозной [26].

Рис. 2.2. Схема питания электрифицированных железных дорог

 

Но повреждения в системе электроснабжения электри­фицированных железных дорог приводят к более тяжелым последствиям, которые в принципе не могут возникать на неэлектрифицированных дорогах с автономным обеспече­нием энергией локомотива. Так, обрыв контактного прово­да (рис. 2.2), выход из строя электрической подстанции или электрической станции приводят к приостановке движения на довольно больших участках дороги. Можно также ожи­дать, что «живучесть» электрифицированных железных дорог в военное время может оказаться значительно ниже, чем неэлектрифицированных.

Приведенные примеры иллюстрируют действие основно­го закона диалектики - закона единства и борьбы противо­положностей, являющегося источником развития природы в целом и конкретно, в применении к технике - ТС. Процесс развития ТС можно представить состоящим из этапов зарож­дения, обострения и разрешения противоречий, присущих ТС.

Противоречие - источник самодвижения и развития ТС. Но всякое изменение ТС осуществляется человеком, поэтому процесс развития ТС должен рассматриваться в системе «общество-техника». Фактором, стимулирующим человека заниматься решением технических задач, явля­ется необходимость разрешения противоречия между пот­ребностями общества и техническими возможностями их удовлетворения. Это противоречие называется социально- техническим противоречием [6]. Если рассмотреть систему «техника-природа», то возникает противоречие: создание техники, удовлетворяющей те или иные потребности че­ловека, одновременно приводит к разрушению природных систем, ухудшая среду обитания человека, т.е. возникает технико-экологическое противоречие, которое должно учи­тываться при создании ТС.

Потребности могут быть общие и частные [27]. Общие потребности - это потребности в пище, одежде, образовании, обеспеченной старости. Они подразделяются на физичес­кие, интеллектуальные и социальные. Физические делятся на биологические (соответствующий состав воздуха, соот­ветствующая пища и др.) и материальные (одежда, жилье, транспорт, медицинская помощь). Интеллектуальные - пот­ребность в творчестве, культуре, образовании, познании мира, эстетические, этические потребности и т.п. Социаль­ные потребности, отражающие общественную природу че­ловека, - потребность в общении, которая формировалась в совместном труде. Частные потребности - это потребности человека в конкретном продукте материального и духовного производства, в конкретном виде услуг. Для создателей но­вой техники важно знать частные потребности в конкретном продукте производства. Общая потребность - это предпосыл­ка производства, а частная потребность - его непосредствен­ный результат. Выявление частных потребностей в значи­тельной мере определяет успех создателей новой техники.

Зачастую их неудачи обусловлены неумением определить действительные и актуальные потребности.

Из истории техники известно, что изобретение появляет­ся и совершенствуется там, где в нем имеется наибольшая потребность. Выявление этих потребностей - характерная черта деятельности известных изобретателей. Возникно­вение новой потребности сразу вызывает социально-тех- ническое противоречие. Причем некоторые противоречия остаются неразрешенными столетиями (проблема освоения воздушного пространства), а некоторые противоречия раз­решаются почти одновременно с появлением (например, со­здание фонографа Эдисоном). Наиболее четко и даже жестко потребности в новых видах техники выявляются в военном деле, особенно в периоды военных конфликтов. Интересна в этом смысле история появления танка [20].

Так, в конце XIX века все предпосылки для появления танка были уже созданы: изобретены гусеничный движи­тель, двигатель внутреннего сгорания, броня, скорострель­ные пушки и пулеметы и даже созданы первые гусеничные тракторы, считающиеся предшественниками танков. Одна­ко, несмотря на такие возможности, тогда танк не появился, поскольку не возникала общественная насущная потребность в нем. И лишь Первая мировая война XX века в жестокой форме выявила эту необходимость. Скорострельные пушки и пулеметы буквально косили идущие в атаку полки и диви­зии, и им нечего было противопоставить. Огромные людские потери сражавшихся миллионных армий заставили рыть окопы и блиндажи на огромном протяжении от Ла-Манша до Швейцарии и скрываться в них. Война зашла в позицион­ный тупик. Выход из этого положения был найден в создании танка - машины, способной передвигаться по пересеченной местности, через окопы, рвы и проволочные заграждения и иметь пуленепробиваемую броню, защищающую танкиста от скорострельных пулеметов. Мысль о необходимости со­здания танка впервые была высказана английским полков­ником Суинтоном в 1914 г.

Английская фирма Фостера за 40 дней создала танк, раз­работанный на базе гусеничного трактора главными конс­трукторами инженером Триттоном и лейтенантом Вильсо­ном. Танк, названный «маленький Вилли», был испытан в 1915 г. и показал неплохие ходовые качества. За годы той войны Англией и Францией было выпущено около 7000 тан­ков различной модификации. Использование танков изме­нило весь ход войны.

Рассмотрим еще один пример влияния потребности, можно сказать, обостренной потребности в совершенство­вании существующего технического объекта, вызванной его недостатками, не позволяющими получить его расчет­ные параметры. Речь идет о магистральном грузовом шес- тиосном электровозе BJI60, предназначенном для работы от контактной сети переменного тока напряжением 25 кВ. На нем были установлены коллекторные тяговые двига­тели, шестиполюсные, получавшие питание через транс­форматор и выпрямительную установку, - напряжением на коллекторе 1450 В. Было изготовлено и запущено в экс­плуатацию более 1000 электровозов. При их эксплуата­ции выявилось, что повысить напряжение на коллекторе более 1100-1200 В невозможно из-за выхода из строя тя­говых двигателей, на которых при большем напряжении происходили перебросы электрической дуги между разно- полярными щеткодержателями, переходящие в круговой огонь - явление, при котором электрическая дуга замы­кается по всему наружному диаметру коллектора, нанося значительные повреждения как коллекторно-щеточному узлу, так и близлежащим деталям двигателя (траверсе, соединительным проводам и др.).

Различные усовершенствования, направленные на уст­ранение этого недостатка, такие, как шихтованные вставки в магнитной цепи между добавочными полюсами, гетинак- совые дорогостоящие прокладки, устанавливаемые между щеткодержателем и коллектором, не давали необходимого результата.

Многие специалисты понимали, что наиболее эффектив­ным средством, снижающим дугообразование на коллекто­ре, является применение на двигателе компенсационной об­мотки, укладываемой в пазы, выштампованные в стальных сердечниках главных полюсов, и создающей магнитодвижу­щую силу (МДС), равную и противоположно направленную МДС обмотки якоря [28]. Но такое решение значительно увеличивало трудоемкость изготовления двигателей. Для ее снижения инженерами М.А Комаровским, В.В. Дубовым и Ю.В. Куприановым предложено изумительно простое и эф­фективное решение. Вместо выполнения компенсационных пазов радиальными, оси которых направлены по радиусу от центра двигателя, было предложено оси пазов располагать параллельно оси добавочных полюсов, выполняя пазы от­крытыми (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Магнитные системы ТЭД

 

Такое решение позволило выполнять компенсационную обмотку в виде отдельных катушек, наматываемых, форми­руемых и изолируемых вне двигателя, а затем укладывае­мых в открытые параллельные пазы в полюсных наконеч­никах сердечников главных полюсов. Число таких катушек равно числу полюсов двигателя.

Отметим, что до этого предложения компенсационная обмотка выполнялась укладываемыми в отдельные полуза­крытые пазы стержнями, формируемыми, свариваемыми и изолируемыми внутри двигателя.

Выполнение открытых пазов компенсационной обмот­ки параллельными оси добавочных полюсов позволило зна­чительно снизить трудоемкость изготовления двигателей с компенсационной обмоткой. Такую конструкцию обмотки следует признать высокотехнологичной. Она уже более 30 лет успешно применяется в тяговых электродвигателях.

Возникновение качественно новой общественной потреб­ности - явление довольно редкое. Более частая задача - это удовлетворение все возрастающей количественно известной общественной потребности. Возникающая при этом посто­янно возрастающая диспропорция между потребностью и возможностью ее удовлетворения приводит к тому, что толь­ко за счет количественного роста параметров ТС ликвиди­ровать диспропорцию становится невозможным. Возникает социально-техническое противоречие, постепенно обостря­ющееся и требующее создания качественно новой ТС, так как даже небольшие улучшающие изменения в одной части ТС приводят к ухудшению другой части. Например, увели­чение количества углерода в электротехнической стали при­водит к уменьшению потерь энергии в ней, но ухудшает ее магнитные свойства.

Единство ухудшения и улучшения сторон ТС, т.е. единс­тво положительного (ПЭ) и нежелательного (отрицательно­го) эффекта (НЭ) при изменении некоторой части ТС, назы­вается техническим противоречием (ТП) [2]:

ТП = ПЭ + НЭ; ТП = (ПЭ НЭ),

где ПЭ —» НЭ означает, что ПЭ причина НЭ.

Технические противоречия возникают между элемента­ми системы и их частями, между техническими параметра­ми и свойствами. Например, увеличение мощности ТС вы­зывает недопустимое ухудшение экологической обстановки; требуемое повышение прочности вызывает недопустимое увеличение массы конструкции.

 

Каждая часть ТС обладает комплексом ТП. Главные среди них - это противоречия, связанные с принципом действия ТС. Именно их постоянно приходится разрешать в процессе создания и совершенствования ТС; они являются источником развития системы. Если ПЭ £ НЭ, то противоречие мало замет­но, но, когда нежелательный эффект начинает приближаться к границам допустимого, ТП начинает обостряться. Техни­ческие решения, качественно меняющие ТС, связаны с раз­решением острого ТП. Устраняя или разрешая ТП, мы одно­временно устраняем и социально-техническое противоречие.

Выявление ТП необходимо для того, чтобы на основе его анализа наметить пути его разрешения или устранения.

В соответствии с законами диалектики разрешение про­тиворечия заключается в диалектическом отрицании. В ТП отрицанию должен подвергаться нежелательный эффект (НЭ):

__ ТП = ПЭ + НЭ,

где НЭ - отрицание НЭ. При этом положительный эффект должен сохраняться.

При анализе противоречий необходимо найти источник противоречия, т.е. ту часть ТС (узловой компонент), которая обеспечивает как существование положительного эффекта, так и является причиной нежелательного эффекта. Узловой компонент может быть элементом, группой элементов или иметь вид взаимодействия элементов.

Рассмотрим в качестве примера коллекторную электри­ческую машину постоянного тока. Повышение мощности машины возможно за счет увеличения длины сердечника якоря (если, например, невозможно увеличивать его диа­метр). Однако на положительный эффект (ПЭ) роста мощ­ности машины при увеличении длины сердечника якоря накладывается отрицательный эффект (НЭ) ухудшения ее коммутации, выражающийся в повышении электрического искрения под электрощетками.

Однозначное состояние части системы - сердечника яко­ря - на уровне внутреннего функционирования ТС раздваи-

вается на уровне внешнего функционирования на противо­положности: на улучшение (рост мощности) и ухудшение (повышенное коммутационное искрение) внешних показа­телей (см. рис. 2.4.).

Рис. 2.4. Упрощенная логическая структура техничес­кого противоречия для электрической машины с большой длиной сердечника якоря (ПЭ - положительный эффект, НЭ - нежелательный эффект)

 

Противоречия между внешними показателями ТС вызва­ны внутренним противоречием, которое, в отличие от ТП, называется физическим противоречием (ФП). Логическая структура ФП в нашем примере может быть представлена рис. 2.5. и сформулирована следующим образом: длина сер­дечника якоря (узловой компонент) должна быть большой, чтобы увеличить мощность электрической машины, и од­новременно - маленькой, чтобы улучшить ее коммутацию. Формулировка ФП, относящаяся в общем виде к формули­ровке антиномий - проблем в формальной логике - обладает эвристическими свойствами, указывая условия устранения этого противоречия.

ФП состоит в наличии у одного и того же элемента систе­мы взаимопротивоположных свойств или функций. Напри­мер, элемент электрической схемы должен быть проводни­ком для выполнения определенного действия и одновременно диэлектриком для выполнения другого. Это противоречие разрешается использованием в качестве элемента - диода (полупроводника).

ПЭ НЭ Рис. 2.5. Упрощенная логическая структура физического противоречия (ПЭ - положительный эффект, НЭ - отри­цание нежелательного эффекта)

 

С точки зрения формальной логики ФП - это абсурд, а с позиций диалектической логики несовместимость - по­нятие относительное. Так, несовместимые требования к од­ному и тому же элементу можно развести во времени или пространстве. При разделении в пространстве в объекте выделяются две части, каждая из которых выполняет свои функции. Например, вкладыши подшипников скольжения изготавливают из твердой латуни, на которую со стороны оси вращения наносится более мягкий, легко притирающийся баббит; цементация стали позволяет создать более твердый науглероженный поверхностный слой, а основная масса ос­тается более мягкой, вязкой и менее хрупкой. Примерами разделения во времени несовместимых свойств являются «очки-хамелеоны» с изменяющейся прозрачностью стекол, уже упоминаемые ранее, выдвигаемая на остановке ступень­ка автобуса, убирающиеся шасси самолета, пантограф.

Если же противоположные требования к узлу невозмож­но развести во времени и пространстве, то необходимо учесть, что зачастую эти требования нелинейны и можно одно из требований смягчить, ограничив его до минимума. Одним из приемов разрешения противоречий является использование диалектического единства противоположностей: части и це­лого, формы и содержания, причины и следствия и т.д.

Например, противоречие между частью и целым в тяго­вом электродвигателе разрешается, когда якорь, имея не­большую тангенциальную силу одного паза (часть), с учетом всех пазов в целом, создает значительный вращающий мо­мент; разрешение противоречия между формой и содержани­ем при переходе вещества в другое агрегатное состояние (за­мерзание воды, затвердевание смазки и др.)> когда вещество, с точки зрения химического состава, есть, но по требуемому агрегатному состоянию его нет; разрешение противоречия между причиной и следствием при управлении, например, электровозом, когда слабое воздействие (причина), возника­ющее от поворота машинистом рукоятки контроллера, при­водит к изменению режима движения целого поезда массой 4-5 тысяч тонн, т.е. к значительному изменению параметров системы «электровоз-поезд» (следствие).

Разрешение ТП требует его тщательного анализа, вклю­чающего построение его структуры, отрицания нежелатель­ного эффекта, формулировки ФП и др.