"Идеальный механизм", состояние механизма

В 1801 году к президенту Соединенных Штатов Америки Томасу Джефферсону явился молодой владелец небольшой фабрики хлопкоочистительных машин Эли Уитни. Он предложил заключить договор на поставку правительству 10 000 мушкетов по 13,4 доллара за штуку. В то время в Америке не было фабрик огнестрельного оружия. Наиболее умелые кузнецы делали ружья вручную, некоторые ружья отличались очень высоким качеством, но их не хватало для вооружения армии молодой республики. В доказательство серьезности предложения Уитни высыпал на стол президента кучу деталей мушкета, и, беря первые попавшиеся из них, собрал несколько затворов на глазах у изумленных зрителей. Одноименные детали разных ружей были близнецами, как отпечатки гравюр. Так был нанесен удар по ручному, штучному производству, и началась эра стандартизации и массового выпуска изделий.

Среди пионеров машинных предприятий был и Самюэл Кольт - изобретатель знаменитого револьвера. Его фабрика выпускала 1000 револьверов в день и, кроме того, изготовляла оборудование для других оружейных заводов.

Идея стандартизации и массового производства состоит во взаимозаменяемости деталей. Их не нужно подгонять друг к другу - бери любую и ставь на место. У ремесленников же каждое изделие было индивидуальным, отражало настроение его создателя. Поэтому процесс сборки машины сопровождался длительной и кропотливой подгонкой де-талей.

Чтобы детали мушкета были одинаковы, Уитни использовал шаблон - металлическую пластину, которая имела форму детали и направляла резец станка по заданной траектории, причем совершенно одинаково при обработке каждой детали. Сейчас для этой цели все чаще применяют станки с программным управлением. Форма изготавливаемых деталей задается набором чисел, которые обозначаются отверстиями на бумажной ленте или импульсами на магнитофонной ленте. Чуткие датчики следят за движением резца и посылают сигналы в вычислительное устройство, которое следит за правильностью обработки детали и выполняет необходимую коррекцию.

Но в мире нет совершенства, об идеале человек только мечтает. Детали, поступающие в сборочный цех, или собранные из них машины, сходящие с конвейера, почти неразличимы, но неодинаковы.

Механизаторы знают также, что качество тракторов, комбайнов и других машин, поступающих в колхозы и совхозы, не одинаково. Одни из них два года работают хорошо и не требуют ремонта. Но нередко бывает и так, что новая машина попадает не на поля, а в ремонтную мастерскую и вместо радости доставляет сельским труженикам одни только хлопоты и огорчения.

В связи с тем, что качество продукции подвержено очень сильным колебаниям - от первоклассных изделий до явного брака, на каждом заводе есть специальный отдел технического контроля (ОТК), задача которого состоит в аттестации продукции и выявлении недоброкачественных изделий. Эталоном для контролеров служит изделие, которое в точности соответствует замыслу конструктора. В машиностроении его называют "идеальным механизмом". Все параметры такого механизма в точности соответствуют проекту.

Вообще говоря, "идеальный механизм" - это воображаемая система, потому что все устройства более или менее отличаются от их идеального прототипа. К понятию "идеальный механизм" можно подойти путем предельного перехода, устраняя в реальном изделии хотя бы мысленно все, даже самые малейшие отклонения от проекта. Понятие "идеальный механизм" нужно для того, чтобы задать начало отсчета нарушений в структуре контролируемых механизмов.

С интуитивным представлением о неизбежности отклонений в размерах, в форме, в регулировках и в других свойствах элементов механизма от идеального связано важнейшее понятие диагностики - состояние механизма.

Реальный механизм может отличаться от идеального бесчисленным количеством признаков: могут быть различные зазоры в кинематических парах, разное качество поверхностей деталей, могут не совпадать твердость, цвет, степень блеска и многие другие свойства. Но среди этого многообразия отличий можно выделить главные признаки, от значения которых существенно зависит работоспособность и надежность механизма. К подобным признакам в двигателях относятся: зазоры в подшипниках, величина ошибки зацепления шестеренчатых пар, фазы открытия и закрытия клапанов, угол опережения подачи топлива, натяг пружины форсунки и другие аналогичные параметры, которые влияют на величину действующих на детали сил и на синхронность работы всех систем машины.

Отклонение в размерах, в форме, во взаимном расположении деталей и в других свойствах можно выразить количественно в виде упорядоченного набора чисел: x₁, x₂,..., x_n. Этот набор чисел называют состоянием механизма.

Понятие состояния механизма вводится как характеристика степени отклонения его структуры от структуры идеального механизма, принятого за начало отсчета отклонений. Состояние механизма можно считать известным, если известна величина отклонения каждого существенного признака, характеризующего его структуру. Их определение и составляет задачу диагностики. Чтобы подчеркнуть, что параметры состояния являются искомыми неизвестными диагностической задачи, мы их обозначили той же буквой, которой чаще всего обозначают неизвестные в алгебраических уравнениях.

Специфика диагностической задачи состоит в том, что отклонения в размерах, в форме и в других свойствах деталей, которые мы назвали состоянием механизма, недоступны для непосредственного измерения. Когда механизм собран, мы не можем измерить зазоры в подшипниках и других его кинематических парах, погрешности шестерен, затяжку пружин, так как доступ к деталям преграждают стенки корпусов. Нужно что-то иметь вроде рентгеновского аппарата, который позволил бы проникнуть внутрь машины. Правда, рентгеновский аппарат здесь не поможет. И дело не только в том, что лучи рентгена с трудом проникают сквозь металл. Даже имея возможность увидеть, скажем, подшипник, шестерню или пружину, нельзя определить по их внешнему виду, все ли у них в порядке. Но если дефекты в машине нельзя увидеть, то можно ли их услышать? Да, и очень часто.

В современном машиностроении важнейшей контрольной операцией, завершающей изготовление машины, является ее прослушивание. Даже на заводах, выпускающих такую продукцию, как автомобильные и тракторные двигатели, топливную аппаратуру дизелей, станки, электромоторы, путевку в жизнь готовым изделиям дают "слухачи". Название этой категории работников предприятий полностью раскрывает характер их труда. Без "слухачей" не обходится ни одно машиностроительное производство. Но не только на заводах прослушивают машины. Шофер, тракторист, токарь ни на минуту не теряют звуковой контакт со своей машиной и немедленно остановят ее, как только изменится ее "голос".

О чем же рассказывает машина своим слушателям? Ответить на этот вопрос и должна наша книга.