Техническое средство как объект инженерного труда

Техническое средство (ТС) – обобщенное название объектов, с помощью которых человек реализует определенную потребительскую, производственную, эксплуатационную либо познавательную задачу в рамках той или иной технологии. Обобщенно можно сказать, что технические средства являются материальными комплексами, выступающими как усилители жизненных функций человека и как устройства, обеспечивающие жизнь необходимыми энергетическими ресурсами.

При многообразии технических средств они имеют по отношению к человеку общее свойство – служат для удовлетворения человеческих потребностей.

Вид инженерной деятельности определяется функцией, реализуемой инженером, в отношении технического средства. Проанализировав действия инженера по отношению к техническому средству, можно определить виды инженерной деятельности.

Любая классификация условна, так как инженеру приходится сочетать в своей деятельности различные функции, и уровень подготовки инженера определяется в большей степени тем, насколько он в своей относительно узкой профессии использует методы смежных инженерных профессий, т.е. насколько он универсален. Инженер, как правило, имеет дело не с единичным обособленным техническим средством, а с системой.

Системой называется совокупность элементов, связанных между собой единством функций. Даже простейший инструмент с этой точки зрения представляет собой систему. Так, например, шило состоит из рукоятки (1), крепежного кольца (2), иглы (3), не только конструктивно, но и функционально объединенных, так как каждый из этих элементов дополняет другой; более того, отсутствие любого из этих трех элементов разрушает инструмент. Если же мы прибавим к шилу какой-нибудь элемент, функционально ненужный, например, привяжем к кольцу бантик, то этот элемент, будучи лишним, случайным, в систему не войдет.

Вообще системой называется множество объектов, любым способом выделенных из массива реальных или воображаемых объектов при том условии, что это выделенное множество обладает отличными признаками.

Системы разделяются на физические и абстрактные. Первые из них состоят из естественных и искусственных объектов, вторые – из изображаемых, представленных с помощью условных знаков или иной формы фиксации связей между элементами. Любую физическую систему можно представить абстрактной моделью. Любая абстрактная модель – это отражение физической системы на определенном уровне абстрагирования. Чем более далека модель от реальной формы, физической системы, тем выше уровень ее абстрактности.

Так, модель первого уровня – графически знакомого (рисунок, чертеж, схема) – графически изображает физическую систему на плоскости или в пространстве (макет) с определенными обобщениями, упрощениями. Знаковая (или словесная) модель (второй уровень) требует некоторой подготовленности к прочтению – нужно в зрительных образцах представить себе физическую форму элементов системы и их взаимосвязь. Представление не обязательно должно быть визуальным. Например, при прочтении знаковой модели музыки – нотной записи – музыкант представляет звучание отдельных нот и аккордов, т.е. физическую систему колебаний воздуха с определенной частотой, продолжительностью, интенсивностью и т.п. Модели третьего уровня – математические – требуют еще большей подготовленности, а именно: умения отвлечься от конкретного физического содержания системы и оперировать лишь математическими символами, подчиняясь строгим правилам. В случае «чистой» математики (в отличии от прикладной, «приложенной» к конкретным физическим системам для их расчета) модели третьего уровня представляются абстрактными. Но в этом случае математика как абстрактная система косвенно отражает ту взаимосвязь между природными явлениями, которую человечество обнаружило, измерило с помощью придуманной им искусственной системой мер и выразило через соотношение единиц измерения.

В инженерной технологии используются все три уровня абстрактных моделей физических систем и операции непосредственно с самими физическими системами, а именно с технологическими средствами, в то время как предшествующие технологии (примитивная и ремесленная) оперировали только с физическими системами, не прибегая к их модельному представлению. По мере усложнения технологий повышается уровень абстрактного моделирования и абстрактного мышления вообще.

Абстрактное моделирование необходимо в инженерной технологии потому, что современные технические средства чрезвычайно сложны, в них, как и в физических системах, можно выделить множество подсистем (узлов, агрегатов, комплексов и т.п.) каждую из которых можно рассматривать как совокупность систем более низкого ранга. И даже самая простейшая деталь, например, болт, описывается суммой исходных систем: это и система взаиморасположения геометрических поверхностей и объемов (форма, конфигурация, компоновка), и система характеристики поверхности и т.п.

Такое многоступенчатое расчленение, представление и описание реальных технических средств как совокупность различных систем необходимо для того, чтобы в рамках инженерной технологии, производящей материальные объекты (продукты) в огромных количествах, можно было бы специализировано заниматься какими-то относительно обособленными его сторонами. «Нельзя объять необъятное», - этот афоризм Козьмы Пруткова как нельзя более подходит к современным техническим средствам. Поэтому в инженерной технологии кто-то занимается, например, системой размеров тех же болтов (отклонениями от идеальных размеров и упорядочением этих отклонений – системой допусков и посадок), кто-то качеством поверхности болтов (в зависимости от назначения болты бывают «чистые», «получистые», «черные»; для каждого из них надо определить шероховатости и разработать технологию изготовления) и т.д.

Таким образом, для инженерной технологии характерны, специализация и системный подход к техническим средствам. Поэтому они представляют собой совокупность множества систем и поэтому называются мегасистемами (гр. megas – большой), т.е. большими системами, сверхсистемами.

Совокупность мегасистем называется техносферой. В это понятие входит не только огромное количество машин, орудий, инструментов, зданий, сооружений, каналов, электростанций, комбайнов (хлебоуборочных, угольных, кухонных), дорог, мостов и т.д., но и техническая деятельность человека с этими объектами. Без этой деятельности техносфера превратилась бы в кладбище вещей. Таким образом техносфера – это совокупность мегасистем, образованных техническими средствами, с деятельностью человека, направленной на удовлетворение его потребностей. При этом подразумеваются действующие технические средства, дающие полезный эффект.

Среди технических мегакомплексов можно выделить два больших класса: орудия и помещения. Если рассматривать их с позиции взаимодействия входа и выхода технических средств, то различие первого и второго классов состоит в следующем: для орудий вход преобразуется в выход; для помещений вход почти равен выходу, назначение помещения как раз и состоит в том, чтобыминимизировать различие между входом и выходом.

Ведро ограничивает выливание воды (т.е. массы), эстакада удерживает подвижные составы (т.е. тоже массу). С подобного рода объектами имеют сходство пол, стол, эстрада, шоссе и др. Технические средства для ограничения свободы движения вниз (под действием тяжести) называются основаниями. Можно заметить функциональное родство оснований с различного рода запрудами и заграждениями – плотинами, заборами, кожухами, футлярами и др.

Между орудиями и помещениями есть промежуточный класс –приспособления. Это такие орудия, действия которых не прекращаются после того, как было произведено предварительное воздействие. Так, например, при замене деталей в слесарных тисках во время поджима тиски действуют как орудие, а затем – как помещение, удерживающее деталь.

Орудия – это технические средства, которые используют энергию от специальных источников (электричество, пар, газ, сжатая жидкость или воздух) либо трансформируют энергию человека в воздействие на материал с целью его преобразования. В первом случае мы имеем дело с машинами, во втором – с немашинными орудиями.

В обыденной речи нет четкого разграничения в наименовании орудий. Мы называем орудие для извлечения музыкальных звуков музыкальным инструментом (например, пианино), а похожее по способу использования устройство для печатания – пишущей машинкой.

Четкость названий орудий труда в соответствии с их функцией и принципом действия до сих пор не были столь уж необходимой. Это стало нужно в условиях перехода к системному проектированию с использованием ЭВМ. Так, в системах автоматизированного проектирования (САПР) важно однозначное кодирование объектов проектирования и технических средств, их признаков, характеристик и т.п. Такое кодирование строится на многофакторном описании (несколько похожем на принцип УДК – универсальной десятичной классификации в библиографии).

И все же нас, в первую очередь, интересуют машины. Машина – это техническое средство, служащее для преобразования поступающей извне энергии различного вида и воздействия на объект с целью преобразования этого объекта по одной или нескольким характеристикам. Так, например, автомобиль сначала является изделием, т.е. продуктом труда. Чтобы стать техническим средством, орудием, машиной, автомобиль должен выполнять свою функцию – назначение, полезную деятельность, работу, обязанность. Бракованное изделие может так и не стать техническим средством. Например, авторучка, которой невозможно писать; телевизор, который ничего не показывает; автомобиль, который невозможно сдвинуть с места; электрическая лампочка, которая не горит; жилой дом, в котором невозможно жить, - это все изделия, но не технические средства, так как они не выполняют функциональные требования к ним. Эти требования можно сгруппировать, выделив из них наиболее важные показатели. Проиллюстрируем некоторые из них.

Техническая надежность – это свойство технического средства выполнять заданные функции, сохраняя вовремя значения эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения, транспортировки и т.п. Техническая надежность обеспечивается комплексом трех свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности.

Безотказность – полное сохранение работоспособности в течение определенного периода работы в эксплуатационных условиях. Этот период называется гарантийным сроком безотказности. Обычно гарантийный срок 1-2 года, для машин технологического назначения месяцев. В течение гарантийного срока предприятие-изготовитель несет ответственность за исправность работы своего изделия и бесплатно устраняет неполадки само или через систему специальных служб гарантийного ремонта.

Причины отказов могут заключаться в ошибках конструктора, технологии, в ошибках изготовления, в дефектах материала и других ошибках производства. Отказы могут происходить и по причине небрежного или неумелого использования, эксплуатации на пределе нагрузки или с перегрузкой, несовершенства или нарушения технологических процессов, использования некачественных заготовок сырья и т.д. Например, нарушение условий эксплуатации сельскохозяйственной техники бывает столь существенным, что ремонт ее длится весь межсезонный период и производится постоянно.

Долговечность – свойство технического средства длительно, с учетом текущих ремонтов сохранять работоспособность вплоть до разрушения или другого состояния, при котором уже невозможна нормальная эксплуатация. Показателями долговечности являются технический ресурс (наработка до капитального ремонта или замены) и срок службы. Не следует думать, что долговечность может быть бесконечной. Техническое средство должно рассчитываться на срок службы, в течение которого его использование будет технически и экономически целесообразно. Для технически исправной машины может наступить моральное старение, когда функциональные показатели – производительность, точность, технологические возможности и т. п. – отстают от новых требований жизни. Морально устаревают не только уже существующие машины, приборы и т.п., но и проекты еще не изготовленных технических средств – так бывает долог путь от чертежа до изделия.

Срок морального старения постоянно сокращается, следовательно, снижается и показатель долговечности, так как чем долговечнее, тем дороже. Технический ресурс машиностроении – от 5 до 50 лет, для металлорежущих станков – от 5 до 10 лет. Наибольшей долговечностью должны обладать здания и сооружения строительной техники (жилые дома рассчитываются на срок службы до 100 лет), наименьшей – изделия быта, одежда, обувь. В истории техники встречаются случаи уникальной долговечности, например, швейные машинки фирмы «Зингер» выпуска начала века у многих прекрасно работают до сих пор, ничуть морально не устаревая. Сохранилось много работоспособных станков довоенного выпуска (серии ДИП), которые успешно эксплуатируются в индивидуальном производстве.

Ремонтопригодность – это приспособленность технического средства к восстановлению работоспособности и поддержанию технического ресурса путем диагностики и профилактики неисправности и отказов, возможности замены неисправных частей и деталей и т.п. Большинству из нас приходилось чинить утюг, велосипед, стиральную машинку и другую бытовую технику, и часто этот ремонт был связан с большими неудобствами: было трудно добраться до мест повреждения, требовались какие-то специальные приспособления и т.п.

Хорошее техническое средство должно быть сделано так, чтобы при необходимости легко обеспечивался полный доступ ко всем местам вероятных повреждений. Например, у большинства моделей телевизоров шасси с монтажом радиодеталей откидывается полностью, целиком открывается двигатель у грузовика КамАЗа и т.д. Должна быть так же обеспечена возможность быстрой смены деталей, это требует продуманной конструктивной разбивки изделия на сборочные единицы, детали.

Из сказанного видно, что надежность технического средства зависит от ее принципиальной схемы, конструкции элементов, их материала, условий эксплуатации и т.п., то есть от целого комплекса взаимосвязанных факторов.

До недавнего времени широко практиковалось обеспечение надежности за счет больших коэффициентов прочности, что приводило к росту массы конструкции. Сейчас высокой надежности добиваются в основном качественным путем – оптимизацией конструкции, совершенствованием технологии изготовления, широкой специализацией и кооперацией производства, внедрением эффективных систем контроля качества продукции и т.д. Кроме того, надежность технического средства не ограничивается его «собственной» надежностью, а включает также и надежность остальных компонентов системы «человек-машина-среда». Например, надежность автомобильного транспорта при его эксплуатации состоит из надежности машины, водителя и дороги.

Проектная надежность технического средства определяется произведением надежностей, входящих в него компонентов. Техническая надежность космической системы «Аполлон» равнялась 0,99999, т.е. планируемая вероятность отказа или надежность равнялась 1/100000. Мы уделили столько внимания показателю надежности, во-первых потому, что это один из важнейших показателей качества технического средства, во-вторых, чтобы на примере надежности показать сложный и комплексный характер любого из факторов качества. Прочие показатели качества рассмотрим коротко. Экономические показатели относятся к затратам материалов и энергии и трудозатратам на производство изделия. Эти затраты должны быть компенсированы (окуплены) в процессе эксплуатации изделия. Чем меньше срок окупаемости, тем экономически целесообразнее изделия. В машиностроении устанавливается срок окупаемости не более четырех лет, в противном случае изделие считается неэкономичным. Однако есть такие изделия, на которые требования экономичности не распространяются (научное оборудование, космическая техника и т.д.).

Показатели рабочей функции включают основные количественные технические характеристики (мощность, грузоподъемность, емкость, скорость и т.д.) и качественные характеристики (производительность, точность, универсальность, маневренность и т.д.).

Эргономические показатели характеризуют изделие с точки зрения удобства пользования или управляемости, вообще приспособленности технического средства к человеку, оператору, управляющему его работой, или потребителю. Данные показатели вошли в проектно-конструкторскую практику относительно недавно. Это было связано с внедрением методов художественного конструирования, которые обеспечивают создание изделий с высокими потребительскими качествами. В их число входят также показатели технико-эстетические: целесообразность, выразительность, красота формы, соответствия изделия современным эстетическим нормам.

Значимость различных показателей качества для конкретных изделий различна. Так, для товаров культурно-бытового назначения важнейшим являются показатели потребительских качеств, для технологического оборудования – показатели рабочей функции.