Врахування природних процесів та їх ефективності при взаємодії робочого органа з середовищем

Ходневич Микола Миколайович
студент 5 курсу, спеціальність 133 «Галузеве машинобудування»,
Тетерятник Олександр Анатолійович
асистент кафедри будівельних машин
Київський національний університет будівництва і архітектури
ТЕХНІЧНІ НАУКИ (Машинобудівництво)

Врахування природних процесів та їх ефективності при взаємодії робочого органа з середовищем
Напрямок протікання природних процесів визначається другим законом термодинаміки, з якого випливає, що ентропія ізольованої системи може тільки зростати, досягаючи максимуму в стані термодинамічної рівноваги системи. Для відкритих систем, де є обмін з оточуючим середовищем речовиною, а також енергією і імпульсом, ентропія може зменшуватися за рахунок поповнення системи речовиною і енергією і в складних, нелінійних, неврівноважених і відкритих системах можуть протікати процеси організації, коли упорядкованість системи зростає за рахунок синергетичної відкритості таких систем. Складним процесам розробки робочих середовищ притаманні обидва напрямки протікання складових цих процесів. Опис еволюції систем за руху робочих середовищ як процесів деградації доводяться та науково обґрунтовуються другим законом термодинаміки, еволюція системи в сенсі організації для всіх її складових – синергетикою.
Синергетика (сумісний, узгоджено діючий) – теорія складних систем, що описує процеси організації (самоорганізації) цих систем [1]. Виникнення організованої поведінки може обумовлюватися зовнішніми діями (вимушена організація) або бути результатом розвитку власних (внутрішніх) нестійкостей в системі (самоорганізація). В останньому випадку процес упорядкування зв’язаний з колективною поведінкою складових елементів системи. Процеси організації в стані термодинамічної неврівноваженості призводять до утворення нових структур і систем, в тому числі і більш складних, ніж початкові [2].
Для еволюції системи при русі її до більшої упорядкованості необхідно, щоб система була відкритою, тобто, щоб до неї могли надходити матерія, енергія і інформація. Надходження матерії і енергії до синергетичної системи компенсують втрати їх в системі, а надходження інформації необхідно для ускладнення структури (інформаційності) системи. Інформаційне надходження визначає напрямок еволюції системи. Тобто, матерія і енергія є матеріальним забезпеченням еволюції системи, а інформація – керовуючим фактором, що визначає сутність і напрямок її еволюції. При цьому матерія і енергія змінюються кількісно, а інформація кількісно і якісно, хоча можна припустити, що можуть змінюватися і види матерії і енергії, що надходять в систему. Крім того, система повинна бути нелінійною, тобто мати різну чутливість до різних зовнішніх дій, і бути складною – здатною до самоорганізації.
Методологія наукових досліджень базується на застосуванні другого закону термодинаміки і синергетичних процесів, що протікають в системі. Новизна підходу до проведення досліджень полягає в синтезі трьох складових аналітичних досліджень: аналітичні дослідження процесу деформування, руйнування і руху робочого середовища в сенсі деградації (необоротної деструктуризації і розсіювання енергії) досліджуваної системи; аналітичні дослідження вказаних процесів в сенсі організації без інтелектуального втручання; аналітичні дослідження з інтелектуальним корегуючим втручанням. Новий підхід дозволяє поєднувати методи нечітких та експертних систем та сформулювати вимоги до нової технології проектування [3,4].
Критеріями, що характеризують ефективність землерийних систем, є питомі параметри, основним з яких є енергоємність. Треба відмітити, що енергоємність є відносним питомим параметром, що характеризує ефективність машини в сенсі зменшення витрат енергії на одиницю продукції, але повну характеристику ефективності конструкції машини і її роботи вона не може дати. Існують і інші критерії, що є показниками досконалості технічних систем, а саме, матеріаломісткість, коефіцієнт використання об’єму, які визначають відносну ефективність конструкції машини. Питома потужність визначає відносну енергонасиченість машини, але по ній не завжди можна судити про загальну ефективність техніки.
Відносні питомі параметри, розраховані окремо, не дають можливості визначити загальну ефективність систем, тому пропонується новий інтегральний відносний питомий параметр оцінки ефективності машини – питома енергоємна  потужність

Pпе , що становить питому потужність, яка припадає на одиницю

енергоємності роботи машини і визначається відношенням сумарної потужності

двигунів машини до добутку її маси і енергоємності

Pпе  P m  e . Зменшення

енергоємності роботи машини і її маси діють в одному напрямку підвищення загальної ефективності машини. Аналізуючи формулу можна зробити висновок,

що підвищення параметра

Pпе

означає збільшення продуктивності роботи

машини з одночасним зменшенням її маси і енергоємності розробки робочого середовища.

Зробивши нескладні перетворення можна отримати, що

Pпе  Пмпт  П m

, де П – продуктивність машини. Назвемо цей відносний питомий критерій
Пмпт  масопитомою продуктивністю. Критерій, який визначає продуктивність, яка припадає на одиницю маси машини враховує як ефективність конструкції машини, так і ефективність її робочого процесу, хоча енергетичні параметри прямо і не входять в формулу.
Застосовуючи всезагальні природні принципи, визначимо новий всезагальний критерій ефективності функціонування технічних комплексів будіндустрії на основі застосування понять ентропії і інформації.
Взаємозв’язок між ентропією і інформацією Шеннон виразив рівністю H  Y 1, де H – ентропія; Y – інформація. З цієї рівності випливає, що все некорисне (розсіяне енергетичне і деструкційне «сміття») характеризує ентропія, а все корисне, характеризує розвиток (цілеспрямовану еволюцію) – інформація. В будь- якому процесі чим більше виробляється ентропії, тим менше виробляються інформації, отже всезагальним критерієм ефективності функціонування комплексу технічних систем будіндустрії та інших систем є питома ентропія

Hп  H V , де V – кількість продукції, що виробляється за

певний проміжок часу; H – виробництво ентропії за той же проміжок часу.
Виробництво ентропії визначає не тільки затрати (розсіювання) енергії при виробництві продукції, а і види і походження цієї енергії, а також деструктуризацію системи «технічні комплекси і їх процеси – довкілля». Тобто, конструкції приводів, механізмів, робочих органів технічних комплексів і їх робочих процесів, а також керування цією системою повинно забезпечувати мінімум виробництва ентропії при оптимальному обсязі виробництва продукції. Підвищення ефективності роботи технічних комплексів будіндустрії досягається за рахунок оптимального розподілення і керування потоками енергії, матерії (маси) і інформації для всіх елементів системи технічні комплекси і їх процеси – довкілля. Це відбувається на всіх стадіях: наукового дослідження, проектування, виготовлення і керування функціонуванням системи як на основі власне знань про систему, так і за рахунок зворотного зв’язку. Всі ці потоки формуються як на приводи, механізми і робочі органи технічних комплексів, так і на процеси взаємодії робочих органів з робочим середовищем і власне робоче
середовище. На всіх етапах передачі цих потоків виробляється ентропія.
Переміщення потоків E, M, Y від технічних систем на робоче середовище відбувається через складовий елемент – процеси взаємодії робочих органів з робочим середовищем. Тобто, потоки, які виходять від технічних систем, надходять до робочого середовища з втратами за рахунок реактивності робочого середовища. Параметри процесів взаємодії робочих органів з робочим середовищем треба формувати таким чином кількісно і якісно в часі і просторі, щоб мінімізувати реактивність робочого середовища. Крім того ці потоки повинні диференціюватися і на різальних елементах в залежності від деформацій і напружень, що виникають к кожній точці зони різання. Це може бути реалізовано безпосередньо в конструкції робочого органа або різального елемента (наприклад у конструкції смартзуба) [5]. Така схема характеризує формування потоків матерії (маси), енергії, інформації і ентропії з інтелектуальною корекцією розподілення трьох частин, що мінімізує виробництво ентропії і цим самим оптимізує функціонування технічних комплексів з визначенням обмеження на кількість виробленої продукції.
Ефективність цільового об’єкту оцінюється по інформаційності, а також за виробництвом ентропії в результаті функціонування цільового об’єкта. Крім того, інформаційність характеризує якість продукції.
Список використаних джерел:
1. Хакен Г. Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии. – Москва – Ижевск: Институт компьютнрных исследований, 2003 – 320 с.
2. Лоскутов Ф. Ю., Михайло Ф. С. Основы теории сложных систем – М. – Ижевск: Институт компьютнрных исследований, 2007 – 620 с.
3. Принцип Гамільтона –Остроградського в електротехнічних системах:
/Монографія/ А. Чабан; Політехніка Ченстоховська. Нац. ун-т «Львів. політехніка, Львів. нац. аграр. ун-т. – Львів: Вид-ва Т. Сороки, 2015. – 463с.
4. Applied problems of motion of mechanical systems under action of power loads / I. Nazarenko, L. Pelevin, O. Kostenyk, O. Dedov, A. Fomin, M. Ruchynskyi,
A. Svidersyi, Ye. Mishchuk, V. Slipetsky. Published in 2019 by «Scientific Route» OU Narva mnt 7–634, Tallin, Harju maakond, Estonia, 10117. 77 c. ISBN 978-9949-7316- 8-8 (Hardback), ISBN 978-9949-7316-9-5 (eBook)
5. Пат. 139968 U Україна, МПК E21B 1/00. Спосіб розробки робочих середовищ /Пелевін Л. Є., Фомін А. В., Костенюк О. О., Тетерятник О. А. № a 2017 09534; заявл. 29.09.2017; опубл. 10.02.2020, Бюл. № 3. URL: https://base.uipv.org/searchINV/.
Керівник: старший викладач кафедри будівельних машин Костенюк О. О.