Степень технического совершенства “девайсов”

     В течение всей своей истории человечество развивает науку и осваивает технические тонкости создания различных механизмов. Все началось с заточки плоского камня и использования простейших пик, затем были бронзовые орудия античности, выплавка сталей, эпоха паровых машин, открытие синтетических полимеров, освоение электротехнического машиностроения и современных средств автоматизации. Сегодня мы кратко разберем сравнительно простой вопрос: как и по каким критериям оценивается степень технического совершенства машин и механизмов.

    Любой механизм можно оценить по трем основным параметрам:

     - материалы, из которых он изготовлен,

    - точность изготовления и чистота обработки,

    - технические решения.

    Все три параметра существенно взаимосвязаны. Разберем их подробнее.

    1. Материалы. Детали любого механизма изготовлены из материалов со вполне определенными свойствами, определяющими характеристики механизма в целом. Если речь идет о механической части, тогда всегда стремятся к: снижению плотности, повышению твердости в рабочем состоянии, повышению ударной вязкости, повышению относительного удлинения при разрыве, повышению усталостной прочности, повышению однородности свойств по всему объемы детали, и др. Кроме того, важны критерии обрабатываемости, стоимости, сырьевой базы и др. экономические критерии.

    Типичный пример из истории техники – замена медных и бронзовых поршневых колец тепловых машин на поршневые кольца из легированных сталей. Свойства бронз по сравнению со свойствами сталей позволил создать приемлемые ДВС вместо паровых двигателей.

     Другой пример – замена углеродистых сталей обычного качества на низколегированные стали высокого качества при сборке сварных конструкций. Например, замена стали ст.2 на сталь 09Г2С при изготовлении сварных конструкций.

    Так же, можно упомянуть замену германиевых полупроводников на кремниевые, что позволило значительно повысить рабочую температуру приборов, сняв ряд проблем с охлаждением. В простейшем случае, речь может идти об использовании меди для проводников высокочастотной техники на медь с большей степенью очистки.

    2. Точность изготовления. Чем лучше выдержаны размеры, форма и шероховатость каждой детали, лучше подогнаны детали одна к другой, тем лучше работает любой механизм. Типичный пример – тела вращения подшипников. Чем выше точность изготовления и чистота обработки поверхностей, тем выше КПД и меньше биение вала на больших оборотах.

      Другой типичный пример – цифровая техника. Чем тоньше и точнее прорезаны дорожки под проводники в керамической матрице интегральной микросхемы, тем компактнее и экономичнее можно сделать микросхему. Чем точнее выдержан диаметр проводов (точнее, изолированной проволоки) для катушки индуктивности, а так же, точнее произведена намотка катушки, тем меньше индукционные потери электрической мощности при работе всей схемы.

     3. Технические решения. Этот пункт наиболее сложен, так как, под техническими решениями подразумевается путь, по которому достигается выполнение задачи, возлагаемой на данное устройство. То есть, методология разработки и проектирования данного устройства.

      Среди примеров можно привести переход от пудлинговых печей для выплавки сталей, к воздушным конвертерам, и впоследствии к кислородным конвертерам. Другой пример – переход от машин с водяным паром в качестве рабочего тела, к машинам внутреннего сгорания. Или переход от воздушно-реактивных двигателей с центробежным компрессором к ВРД с осевым компрессором.

     Следует отметить, что чаще всего новое техническое решение влечет за собой необходимость, или использования новых материалов, или достижение более высокой точности при изготовлении деталей данного механизма, или резкое повышение стоимости данного механизма (например, за счет увеличения числа деталей). К примеру, переход от паровых машин к ДВС сопровождался снижением допусков на детали, возникновением новых узлов в тепловой машине, а так же, необходимостью использования новых материалов для изготовления деталей (медные поршневые кольца паровых машин, в случае установки на ДВС, не проработали бы и десяти часов при данных температурах, скоростях и давлениях).

      Стоит отметить, что движение науки и техники обычно связано с совершенствованием материальной базы по трем выше представленным направлениям. Но, новые материалы искать крайне трудно. Например, мы бы хотели иметь для инструментальной промышленности материал для изготовления резцов, соответствующий по твердости алмазу, а по вязкости стали 10, с усталостной прочностью при знакопеременных нагрузках как у алюминия 99,99% чистоты. Желательно, чтобы данный материал хорошо обрабатывался в отпущенном или отожженном состоянии, был легким как полиэтилен, и термически стойким, скажем до 1000*С. Но, такого материала сегодня нет. Аналогично с электротехникой, системотехникой, ракетостроением, и др. Поиск новых материалов относится к области фундаментальных дисциплин, и осуществляется многолетними совместными усилиями крупнейших предприятий и институтов.

     Аналогично с точностью изготовления. Сегодня наибольшую точность позволяет добиться обработка высокочастотным лазером. В ряде случаев используется тонкая доводка и притирка с использование алмазных паст. Механическая станочная обработка резанием позволяет достичь точности соблюдения размеров деталей вплоть до тысячной доли миллиметра, но, часто этого не достаточно (например, для точных оптических приборов, или малоразмерных медицинских роботов).

      Что касается технических решений, то здесь интересная ситуация. В отличие от материалов и точности, технические решения проще всего скопировать (сплагиатить), что делает их коммерческой тайной предприятия-первооткрывателя. Патентная защита не всегда эффективна. Следовательно, если кто-то сделал очередное открытие в данном направлении, то скоро это достижение станет использоваться повсеместно (чем открытие важнее и эффективнее, тем быстрее оно разойдется).