РОЗДІЛ 2
МЕТОД ФОРМУВАННЯ НОВИХ ТЕХНІЧНИХ РІШЕНЬ
ПІДЗЕМНОРУХОМИХ ПРИСТРОЇВ (ПРП) НА БІОНІЧНІЙ ОСНОВІ
2.1. Біонічні принципи формування нових технічних рішень ПРП
Метод формування нових технічних рішень ПРП на біонічній основі розроблено в розвиток методу формування нових технічних рішень робочих органів землерийних машин, створеного д.т.н., професором Л.А.Хмарою, який полягає у аналізі і розчленуванні математичних моделей явищ і процесів, що становлять основу принципу дії об'єкта проектування [19].
Запропонований нами метод має біонічне підгрунтя [78, 79, 83, 88, 95] і загалом включає в себе такі складові (рис.2.1) як аналіз сформованої задачі відповідно до поставленої проблеми, обгрунтування і вибір біологічного прототипу, побудову математичної моделі процесу його дії, утвореної елементами, розчленування даної моделі на зазначені елементи, створення механічних аналогів цим елементам, отримання нового технічного рішення шляхом їхнього об'єднання (біонічного синтезу) у нову систему, побудову математичної моделі процесу дії нового технічного рішення, створеного на біонічній основі та її порівняльний аналіз із моделлю біологічного прототипу, оцінку ефективності нового технічного рішення порівняно із базовим об'єктом та, у разі перспективності, розробку на нього проектної документації.
Зазначене, більш наглядно, наведено у блоках схеми на рис.2.1, розкриттю положень якої і створенню нових технічних рішень ПРП присвячено дану дисертаційну роботу.
Оскільки ПРП формується на основі технічних елементів, які є більш чи менш наближеними до еволюційно-оптимізованих [95] елементів структури біологічного прототипу, то можна прийняти, що вони набуватимуть раціонального спрямування щодо конструкції та матеріало-енергомісткості технологічного процесу.
Оптимальність параметрів та елементів структури біологічного прототипу випливає з відомого принципу оптимальної конструкції в біології [159]. Суть цього принципу полягає у тому, що, оскільки, кожному організму в біологічному світі притаманна обмеженість запасу енергії (енергоресурсу), то оптимальність біологічної системи пов'язана, в першу чергу, з мінімізацією питомих енерговитрат.
Рис.2.1. Схема формування нового технічного рішення ПРП
на біонічній основі
Звідси, якщо позначити повну енергію біологічного прототипу через , внутрішню (метаболічну) енергію, що йде на забезпечення процесу життєдіяльності внутрішніх органів через , а зовнішню енергію, яка витрачається на забезпечення його функціонування у фізичних умовах грунтового середовища через , то отримаємо вираз . Із його аналізу можна зробити припущення, що для біологічного прототипу підземнорухомих пристроїв , отже , а тому оптимізація його конструкції має спрямованість перш за все на мінімізацію зовнішніх енерговитрат, що і зумовило досконалість форми, параметрів, принципу дії та руху у грунтовому середовищі.
Таким чином, в основу дисертаційної роботи покладено дві основні робочі гіпотези:
а) доцільним є обгрунтований вибір біологічного прототипу, як еволюційно-оптимізованої системи, з метою синтезу ПРП підвищеної ефективності на основі механічних аналогів елементів математичної моделі процесу його взаємодії з грунтом;
б) біонічно-синтезовані ПРП за своїми властивостями наближаються до біологічного прототипу і є раціональними конструкціями щодо влаштовування лінійно-протяжних об'єктів.
Отже, в процесі формування нових технічних рішень ПРП на біонічній основі першочерговим постає питання обгрунтування і вибору їхнього біологічного прототипу.
2.2. Обгрунтування і вибір біологічного прототипу ПРП та його опис
Під біологічним прототипом створюваних ПРП в даній роботі розуміється така функціонально-еквівалентна біологічна підземнорухома система, яка у порівнянні з іншими біологічними підземнорухомими системами найбільше відповідає вимогам щодо ідентичності фізичних умов грунтового середовища і робочого процесу, умовам найбільшої простоти біологічної конструкції, технологічності її технічного відтворення та надійності й ефективності отримання технічних рішень.
Структурну логічну схему процесу вибору біологічного прототипу та синтезу ПРП представлено на рис.2.2.
Дана схема випливає із схеми, представленої на рис.2.1 і разом з її блоками № 5-11 пояснює фізичну суть формування нових технічних рішень ПРП на біонічній основі.
Із схеми (рис.2.2) видно, що при виборі біологічного прототипу, як зазначалось, між ним і створюваними ПРП мусить бути присутня ідентичність фізичних умов їхнього функціонування (фізико-механічних властивостей грунту і робочих глибин) та технологічного процесу влаштовування грунтових порожнин для укладання лінійно-протяжних об'єктів. Сюди також слід віднести й максимально можливу простоту біологічної конструкції, технологічність її технічного відтворення на основі доступних і недорогих матеріалів та сучасного рівня техніки, а також простоту і наглядність його дослідження.
Аналіз біологічного прототипу передбачає вивчення принципу його дії, куди входить дослідження механізму деформації грунту, механізму переміщення у ньому та енергомісткості технологічного процесу.
За результатами аналізу необхідно виділити основні елементи біологічної конструкції, які забезпечують рух прототипу, створити математичні моделі дії й руху прототипу та елементну базу - механічні аналоги математичним моделям тобто технічні конструкції, функціонально-еквівалентні виділеним елементам біологічної структури.
На основі отриманої технічної елементної бази передбачається синтез ПРП, побудова математичної моделі його взаємодії з грунтом під час руху, її розв'язок щодо конкретних умов та порівняльний аналіз отриманої технічної конструкції біонічно-синтезованих ПРП з біологічним прототипом.
Таким чином, виходячи із умов безтраншейного влаштовування підземних інженерних комунікацій, які полягають у необхідності прокладання на глибинах від 0,6 до 1,6...1,8м грунтових порожнин циліндричної форми з ущільненою стінко