книги / Основы научных и инженерных исследований

С ней связано число степеней свободы f = (k – 1)N. Числа N и k должны быть не менее 2. Коэффициент регрес-

t – табличное значение критерия Стьюдента при числе степеней свободы f = (k – 1)N;

Если коэффициент bi незначим, то его исключают из уравнения регрессии, которое принимает при этом другой вид.

Далее определяют адекватность уравнения регрессии полученным экспериментальным данным по критерию Фишера. Для этого вначале вычисляют по найденному уравнению регрессии расчетные значения функции отклика

Yip , подставляя в уравнение соответствующие значения

кодированных переменных для каждой серии опытов. Затем находят дисперсию адекватности по формуле

где В – число коэффициентов в уравнении регрессии, включая свободный коэффициент b0;

Y jýêñïcp – среднее значение экспериментально найденной ве-

личины функции отклика в j-й серии опытов.

С оценкой дисперсии адекватности связано число степеней свободы f = (N – В). Расчетное значение критерия Фишера Fp находят из отношения большего значения дисперсии адекватности или дисперсии среднего к меньшему значению дисперсии адекватности или дисперсии среднего:

Уравнение регрессии считают адекватным, если расчетное значение критерия Фишера меньше табличного значения:

221

Табличное значение критерия Фишера Fт определяют по известным значениям числителя и знаменателя

[f = (k – 1)N и f = N – В)].

Следует отметить, что найденное уравнение регрессии применимо только для анализируемого диапазона изменения факторов. Если уравнение регрессии неадекватно, то уменьшают интервал изменения переменных факторов или используют нелинейное уравнение, например, в виде

В общем случае для большого числа факторов уравнение (7.18) представляют в виде

Y = b0 + ∑bi X i + ∑bij X i X j + ∑bii X i2 + … (7.19)

Адекватное уравнение регрессии далее используют для оптимизации анализируемого процесса. Если уравнение функции отклика выражено в виде линейного уравнения, то оптимизация представляет простую задачу (путем анализа изменения значений функции при подстановке в функцию значений факторов). Если же уравнение регрессии нелинейно, то его дифференцируют по каждой переменной и приравнивают найденные выражения к нулю. Далее решают полученную систему уравнений и определяют точки экстремума. Последующий анализ точек экстремума позволяет выявить оптимальные значения варьируемых факторов.

Пример. В химическом процессе выход продукта Y(%) зависит от температуры Т, изменяющейся от 45 до 55 °С, и концентрации реагента С, изменяющейся от 24 до 26 %. Найти математическое описание процесса и оптимальные условия процесса для приведенных в табл. 7.5 экспериментальных значений и матрицы планирования полного двухфакторного эксперимента в виде уравнения

222

Y = b0 + b1X1 + b2X2,

где b0, b1, b2 – искомые коэффициенты уравнения;

X1, X2 – кодированные переменные температуры и концентрации, соответственно.

Таблица 7.5

Матрица планирования полного двухфакторного эксперимента с экспериментальными значениями функции отклика

Для температуры значение кодированной переменной на нижнем уровне

Х1 = (45 – 50)/5 = –1,

на верхнем уровне

Х1 = (55 – 50)/5 = +1,

где 50 – среднее значение температуры, °С; 5 – интервал варьирования температуры, °С.

Для концентрации значение кодированной переменной на нижнем уровне

Х2 = (24 – 25)/1 = –1,

на верхнем уровне

Х2 = (26 – 25)/1 = +1,

где 25 – среднее значение концентрации, %; 1 – интервал варьирования концентрации, %.

В соответствии с матрицей планирования полного двухфакторного эксперимента (см. табл. 7.5) проведены 4 серии опытов по 2 параллельных в каждой серии.

223

Для проверки воспроизводимости в каждой серии опытов по формулам (7.6) и (7.7) вычисляют средний выход продукта Yср и определяют дисперсию Sj2, которые вносят в соответствующие столбцы табл. 7.5. Далее по формуле (7.8) вычисляют значение критерия Кохрена:

Табличное значение критерия Кохрена Gт находят по данным табл. 7.4 (при N = 4 и числе степеней свободы f = = (k – 1) = 1, доверительной вероятности Р = 0,95 критерий Gт = 0,907). Так как Gp < Gт, то все опыты воспроизводимы.

Коэффициенты регрессии вычисляют по формулам (7.10) и (7.11), используя результаты экспериментов, приведенные в табл. 7.5:

b0 = (35,5 + 38,7 + 32,6 + 36,2)/4 = 35,6, b1 = (–35,5 + 38,7 – 32,6 + 36,2)/4 = 1,95, b2 = (–35,8 – 38,7 + 32,6 + 36,2)/4 = –1,35.

Определяют дисперсию среднего Scp2 по формуле (7.13):

Scp2 = (0,50 + 0,72 + 1,28 + 0,32)/(4 · 2) = 0,35.

С дисперсией связано число степеней свободы f = = (k – 1)N = 4.

Для проверки значимости коэффициентов регрессии находят дисперсию коэффициентов регрессии по уравне-

нию Sb = Sb2 = (0,35/ 4) = 0,29.

Табличное значение критерия Стьюдента составляет 2,78 (при Р = 0,95 и числе степеней свободы f = (k – 1)N = 4). Отсюда, величина произведения Sb · t = 0,29 · 2,78 = 0,81. Поскольку абсолютные величины коэффициентов уравнения регрессии (b0 = 35,6; b1 = 1,95; b2 = –1,35) больше величины 0,81, то все коэффициенты значимы. Следовательно, уравнение функции отклика имеет вид

224

Y = 35,6 + 1,95Х1 – 1,35Х2.

Проверяют адекватность найденного уравнения. Для этого вычисляют по каждой серии опытов расчетные значения функции отклика:

Y1p = 35,6 + 1,95(–1) – 1,35(–1) = 35,0,

Y2p = 35,6 + 1,95(+1) – 1,35(–1) = 38,9,

Y3p = 35,6 + 1,95(–1) – 1,35(+1) = 32,3,

Y4p = 35,6 + 1,95(+1) – 1,35(+1) = 36,2.

Далее вычисляют оценку дисперсии адекватности по уравнению (7.15):

Sàä2 = [(35,5 – 35,0)2 + (38,7 – 38,9)2 +

+(32,6 – 32,3)2 + (36,2 – 36,2)2] = 0,38.

Сней связано число степеней свободы f = N – В = 4 – 3 = 1.

Сравнение величин Sàä2 и Sñð2 показывает, что Sàä2 >

> Sñð2 . Отсюда, расчетное значение критерия Фишера определяют по формуле (7.16):

Fp = Sàä2 / Sñð2 = 0,38/0,35 = 1,085.

По табл. 5.3 находят табличное значение критерия Фишера Fт = 7,71 (при Р = 0,95; f = 1; f = 4). Сравнение расчетного и табличного значений критерия Фишера показывает, что Fp < Fт. Следовательно, анализируемое уравнение адекватно описывает экспериментальные данные и может использоваться для оптимизации процесса.

Оптимизация функции отклика Y представляет про-

стую задачу, поскольку из анализа полученного уравнения

Y = 35,6 + 1,95Х1 – 1,35Х2

видно, что максимальные значения выхода продукта Y будут наблюдаться при максимальной величине температуры (Т = 55 °С) и минимальной величине концентрации

(С = 24 %).

225

8.РАЗРАБОТКА ИЗОБРЕТЕНИЙ

ИРАЦИОНАЛИЗАТОРСКИХ ПРЕДЛОЖЕНИЙ

Важным продуктом деятельности инженеров, аспирантов и ученых являются научно-технические идеи, научные разработки, технические конструкторские решения, относящиеся к инженерному творчеству. Их уровень отражает интеллектуальный потенциал страны и в значительной степени определяет уровень развития общества и экономики. В связи с этим формирование навыков инженерного творчества у студентов − будущих инженеров, аспирантов и ученых − имеет большое значение в развитии научно-технического прогресса.

Всвоей работе техническим специалистам (особенно

впоследнее время) приходится часто сталкиваться с решением нестандартных задач, требующих творческого подхода к их решению. В широком понимании инженерное творчество – это не создание веществ, средств материальной деятельности, а генерация идей и реализация на практике.

Для соблюдения прав на интеллектуальную собственность научно-технические разработки, представляющие собой продукт творчества, защищаются свидетельствами на рационализаторское предложение, полезную модель или патентами на изобретение, промышленные образцы.

Ниже приведены понятия о перечисленных видах интеллектуальной собственности, изложены правовые вопросы патентования. Рассмотрены содержание заявок и порядок их подачи на рационализаторское предложение и изобретение. Описаны примеры разработки и составления формул изобретения, лежащих в основе изобретений. Рассмотрены теории и практические методы решения изобретательских задач и сложных технических проблем.

8.1. Рационализаторские предложения

Рационализаторским предложением признается техническое решение, если оно удовлетворяет следующим требованиям:

226

1)содержит техническое решение;

2)является новым для предприятия;

3)является полезным для предприятия.

Под техническим решением понимают такое предложение, которое предусматривает достижение положительного эффекта за счет усовершенствования или модернизации конструкции устройства, технологий производства и применения техники или за счет изменения состава материала.

Предложение признается новым для предприятия, если до даты подачи заявления на рационализаторское предложение по установленной форме данное техническое решение:

1)ранее не использовалось на этом предприятии или использовалось по инициативе автора, но не более трехмесяцев до даты подачи заявления;

2)если не было утверждено приказами или распоряжениями администрации, не было разработано техническими службами предприятия или не было ранее заявлено другим лицом;

3)не было рекомендовано вышестоящей организацией или опубликовано в информационных изданиях;

4)не было предусмотрено общепринятыми для предприятий нормативами (стандартами, нормативами, техническими условиями).

Рационализаторское предложение имеет местную новизну (только для предприятия), если идея взята из литературных источников и трансформирована применительно

кданному производству в виде конкретного реального устройства, способа получения или состава материала при условии, что эта трансформация потребовала творческого решения.

Предложение признается полезным, если его применение на данном предприятии позволяет получить экономический, технический или иной положительный эффект (улучшение экологической обстановки, условий труда, повышение качества продукции, повышение надежности оборудования и т.п.).

227

Не признаются рационализаторскими следующие предложения:

1)снижающие надежность, долговечность, показатели качества продукции, ухудшающие условия труда;

2)ставящие лишь задачу или только определяющие эффект, без указания конкретного технического решения;

3)дающие экономию не за счет усовершенствования применяемой техники, а за счет снижения технического уровня производства;

4)применяемые на других предприятиях или опубликованные в открытой печати без дополнительной конструк-

торской и технологической разработки применительно

кусловиям данного предприятия;

5)предусматривающие замену одних известных конструкций, изделий, технологий производства, техники, материалов на другие известные и равноценные, технические характеристики и назначение которых позволяют осуществить такую замену без технического решения;

6)организационные, предусматривающие усовершенствование организации: улучшение состояния рабочих мест, упорядочение системы материально-технического обеспечения производства, отчетность, график работ, ремонт оборудования, сокращение времени доставки оборудования и т.д.;

7)по управлению хозяйством, воспитанию, преподаванию, проектированию, расчетам, по системе информации;

8)относящиеся к обозначениям, расписаниям, правилам игры, правилам дорожного движения, судоходства и т.д.;

9)касающиеся размещения оборудования в помещениях, если оно не приводит к совершенствованию технологического процесса;

10) относящиеся к составлению шкал, таблиц, диаграмм, графиков, номограмм, если они не приводят к изменению конструкции, технологии и т.п.;

228

11) содержащие математическое решение задачи (алгоритм, программа для ЭВМ), если они не приводят к изменению технологий. Если алгоритм приводит к оптимизации работы технологической схемы, установки, то такой алгоритм признается рационализаторским предложением.

Использованием рационализаторского предложения является реализация его в технологии, устройстве или в составе смеси на действующих промышленных установках,

вопытных образцах, а также в исследовательских лабораториях и опытных производствах. Не признается использованным рационализаторское предложение, не переданное

вэксплуатацию.

На реализованное рационализаторское предложение

втечение одного месяца составляется акт на его использование.

Рационализаторское предложение может быть оспорено и признано недействительным полностью или частично, если в случае проверки обнаружится, что удостоверение на рационализаторское предложение выдано физическому лицу, не имеющему первенства на это предложение, либо

вслучае неправильного указания в удостоверении автора

или состава авторского коллектива. Срок оспаривания − три года со дня выдачи удостоверения на рационализаторское предложение.

8.2. Заявление на рационализаторское предложение

Заявление на рационализаторское предложение составляется авторами по специальной форме (см. пример в подразд. 8.5) отдельно на каждое техническое решение.

В заявлении указывается наименование предложения, перечисляются все авторы, внесшие творческий вклад, и приводятся сведения об авторах (фамилия, имя, отчество, место работы, должность, образование, год рождения).

Наименование рационализаторского предложения должно быть точным, кратким, соответствовать сути предложения и отражать следующее:

229

1)характер применения, т.е. усовершенствование известного или создание нового;

2)род объекта (устройство, способ или вещество);

3)объем предложения (т.е. относится ли оно в целом

кобъекту или к отдельным деталям);

4)назначение объекта (выполняемая функция). Например: «Способ получения фтористого водорода»,

«Аппарат для подогрева и утилизации отходящих газов производства фтористого водорода» и т.п.

В заявлении на рационализаторское предложение

вразделе «Описание предложения» приводятся:

•недостатки существующей технологии, устройства или вещества, устраняемые вашим предложением;

•цель предложения, т.е. ожидаемый положительный эффект, который достигается в результате испытания предложения;

•содержание технического предложения с включением всех данных, достаточных для практического осуществления;

•сведения об экономическом или ином положительном эффекте.

Усовершенствование технологии касается изменения последовательности операций, технологических режимов, расположения оборудования в схеме, временного интервала работы, состава сырья, повышения качества продукта, снижения отходов, их токсичности и переработки и т.д. Такие предложения относятся к способу получения.

Предложения, касающиеся изменения устройства, – это предложения по изменению расположения частей устройства относительно друг друга, геометрической формы, взаимосвязи, узлов, блоков, а также материала устройства. Усовершенствования, касающиеся изменения вещества, должны включать в себя изменение качественного или количественного состава смеси. Если эти изменения дают положительный эффект, то они могут быть признаны рационализаторским предложением.

230