Основы научных исследований в деревообработке

А.А. Пижурин, А.А. Пижурин

основы

НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 
В ДЕРЕВООБРАБОТКЕ

Государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования 
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА»

А. А. Пижурин, А. А. Пижурин

ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 
В ДЕРЕВООБРАБОТКЕ

Допущено УМО по образованию в области лесного дела 
в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по дневной 
и заочной форме специальностей 260200 Технология деревообработки 
и 170400 Машины и оборудование лесного комплекса

ш
ш

Москва
Издательство Московского государственного университета леса
2005

УДК 674.001.5 
П32

Рецензенты: проректор по учебной работе Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии, академик РАЕН, 
доктор технических наук, профессор А. Н. Чубинский; 
заведующий кафедрой механической технологии древесины 
Воронежской 
государственной 
лесотехнической 
академии, академик РАЕН, доктор технических наук, 
профессор Е. М. Разиньков.

Пижурин, А. А.
П32 
Основы научных исследований в деревообработке : учебник для вузов / А. А. Пижурин, А. А. Пижурин. -  М. : ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. -  
305 с. : ил.
ISBN 5-8135-0256-4

В 
учебнике 
изложены 
основные 
понятия 
и 
классификация 
научно- 
исследовательских работ, кибернетический подход к исследованию систем, основные процедуры математической обработки результатов наблюдений для оценки параметров совокупностей, проверки статистических гипотез, выявления статистической связи между явлениями применительно к исследованию объектов 
деревообработки. Рассмотрены вопросы планирования эксперимента с целью математического описания и оптимизации объектов, выявления важнейших факторов, воздействующих на объекты исследований в деревообработке, а также методы планирования и обработки результатов эксперимента с качественными факторами. Изложены методы экспериментальной оптимизации и имитационного моделирования.
УДК 674.001.5

ISBN 5-8135-0256-4
© Пижурин А. А., Пижурин А. А., 2005 
© ГОУ ВПО МГУЛ, 2005

Введение

Научно-технический прогресс на современном этапе представляет 
собой взаимообусловленный процесс развития науки и техники, позволяющий человеку воздействовать на окружающую среду для получения 
материальных и духовных благ. Следовательно, в наше время он не может 
быть достигнут без применения научных исследований. Наука теперь превратилась в непосредственную производительную силу. С возрастанием 
роли науки во много крат повышаются требования к ее эффективности. 
Поэтому методы научных исследований должны непрерывно совершенствоваться. Теперь требуется не просто решить ту или иную проблему, а 
нужно так ее решить, чтобы был получен оптимальный результат или способ его получения.
Следует также отметить, что научно-технический прогресс в настоящее время проявляется в форме научно-технической революции 
(НТР). Особенностями НТР являются: возрастающая роль науки; возможность автоматизации не только физического, но и умственного (нетворческого) труда; быстрый рост и обновление научно-технической информации; быстрая смена материалов, конструкций, машин, технологических 
процессов; резкое увеличение разновидностей инженерных решений; повышение уровня комплексной механизации и автоматизации производства, 
а также бурное развитие сложных систем управления.
Современные темпы развития науки так велики, что на последние, 
примерно, 37 лет приходится около 70 % объема знаний, накопленных человечеством за всю историю.
Внедрение научных достижений в производство позволяет повысить 
производительность труда, снизить себестоимость продукции, повысить ее 
качество, улучшить эксплуатационные показатели. За счет научных достижений производительность труда в последние годы увеличилась в два 
раза.
НТР непосредственно влияет на развитие высшей школы. Она предъявляет новые возросшие требования к знаниям студентов, их творческому 
развитию, умению находить рациональные конструкции, технологические 
и организационные решения.
Между наукой и высшей школой имеется тесная взаимосвязь. Вузы 
готовят кадры для научных организаций страны, а взамен получают от 
науки исследования, разработки, открытия и т. д., то есть научную продук4

цию, что является базой для повышения качества подготовки молодых 
специалистов. Сейчас как никогда наука проникает во все сферы материального производства. Поэтому молодые специалисты должны быть вооружены новейшими знаниями в области научных исследований. Для этого 
студентам необходимо принимать самое активное участие в научных исследованиях.
Зрелый инженер и молодой специалист должны хорошо ориентироваться в потоке научной информации, а это невозможно без навыков исследовательского творческого мышления.
Современное производство требует от специалиста умения самостоятельно ставить и решать различные, принципиально новые задачи. 
Этого нельзя достичь без овладения студентами методами научных исследований. Таким образом, научная подготовка в вузах -  одна из важнейших 
сторон обучения. Введение в учебный процесс дисциплины "Основы научных исследований в деревообработке" является одним из важнейших 
этапов развития высшей школы. В результате изучения данной дисциплины студент должен освоить методологию научных исследований, изучить 
методику планирования и организации научно-исследовательских работ, 
способы обработки и анализа необходимой информации по теме научного 
исследования. Кроме того, он должен уметь формулировать цель и задачи 
эксперимента; разрабатывать теоретические предпосылки, планировать и 
проводить эксперимент; обрабатывать результаты измерений и оценивать 
погрешности наблюдений; сопоставлять результаты эксперимента с теоретическими предпосылками и формулировать выводы научного исследования.
В лесной и деревообрабатывающей промышленности исследования 
проводят часто с целью отыскания наивыгоднейших условий протекания 
процессов, оптимальных режимов работы и параметров машин и механизмов при их проектировании и модернизации, а также состава многокомпонентных систем, оптимального размещения предприятий и их оптимальной структуры в зависимости от района размещения и т. п.
К решению задач такого рода имеется два подхода; первый заключается во всестороннем теоретическом изучении механизма данного процесса, а затем уже отыскиваются оптимальные условия его протекания; 
второй заключается в экспериментальном изучении данного процесса 
(объекта). Первый подход является более предпочтительным. Однако многогранный опыт исследований показывает, что технологические процессы 
в лесной и деревообрабатывающей промышленности, такие, как резание 
древесины, гидротермическая обработка древесины, отделка мебели и др., 
подлежащие оптимизации, оказываются настолько сложными, что в настоящее время не поддаются полному теоретическому изучению. Поэтому 
в большинстве случаев они исследуются экспериментально при неполном 
знании механизма явлений.

В современной науке свыше 90 процентов исследователей заняты 
экспериментом. На протяжении столетий улучшалась техника эксперимента. Но эффективность его все еще весьма мала. Так, по оценке Джона Бернала, КПД научных исследований не превышает 2 %.
Сам эксперимент до недавнего времени не подвергался изучению. 
Предполагалось, что процесс исследований задается интуитивно. Поэтому 
экспериментатор выбирает тот или иной путь исследования, базируясь, как 
правило, на своем опыте и интуиции. В последнее время широкое применение получила математическая теория планирования эксперимента, позволяющая выбирать наилучшие пути исследования при неполном знании 
механизма протекания процесса. Она дает возможность исследователю не 
только существенно сократить объем экспериментальных работ, но и получить математическое описание процесса (объекта).
При исследовании любого объекта, технологического процесса и вообще системы в основу должен быть положен системный подход. Поэтому 
прежде чем приступить к рассмотрению методологических аспектов исследования. поговорим о системах и сущности управления ими.

I

!

Глава 1

О НАУКЕ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

1.1. Основные сведения о науке

Область исследовательской деятельности человека, направленная 
на получение новых знаний о природе, обществе и мышлении, является 
наукой. Справедливо и другое определение: наукой называется непрерывно развивающаяся область знаний объективных законов природы, общества и мышления, получаемых в результате специальной деятельности людей и превращаемых в непосредственную производительную силу общества. Наука является следствием разделения общественного труда. Она возникает вслед за отделением умственного труда от физического и 
превращением познавательной деятельности в специфический род занятий 
особой группы людей. Основу науки составляют: система знаний; определённый вид общественного разделения труда; процесс познания закономерностей объективного мира; процесс производства знаний и их использование.
Однако нельзя признать знания научными, если они получены человеком на основе простого наблюдения. Хотя эти знания играют важную 
роль в жизни людей, но они не раскрывают сущности явлений, а также 
взаимосвязи между ними, которые позволили бы объяснить, почему данное явление протекает так или иначе, а следовательно, и предсказать его 
дальнейшее развитие.
Идеальное воспроизведение в языковой форме обобщённых представлений о закономерных связях объективного мира является знанием.
Знание является продуктом общественной деятельности людей, которая направлена на преобразование действительности.
Опосредованное и обобщённое отражение в мозгу человека существенных свойств, причинных отношений и закономерных связей между явлениями или объектами называется мышлением. Основным инструментом 
мышления являются логические рассуждения человека, к структурным 
элементам которых относятся суждения, умозаключения и понятия.
Мысль, отражающая необходимые и существенные признаки явления как предмета, называется понятием.
Самые общие абстракции или наиболее широкие понятия называются категория.чи. К ним относятся философские понятия о форме и содержании явлений.
Принципы, аксиомы и постулаты являются важнейшей формой 
знаний. Они составляют исходные положения какой-либо отрасли науки. 
Например, аксиомы Евклидовой геометрии, в квантовой механике -  посту7

латы Бора и т. д. Иначе говоря, они являются начальной формой систематизации знаний.
Научные законы, отражающие устойчивые, наиболее существенные, 
повторяющиеся объективные внутренние связи в природе, обществе и 
мышлении, являются важнейшим составным звеном в системе научных 
знаний.
Научное исследование состоит из следующих этапов: возникновение 
идей; формирование понятий; выдвижение гипотез; обобщение научных 
фактов; доказательство правдивости гипотез и суждений.
Инту итивное объяснение явлений, без осознания всех совокупностей 
связей, без промежуточной аргументации, на основании которой делается 
вывод, называется научной идеей. Наука базируется на имеющемся знании. Однако она вскрывает не замеченные ранее закономерности. Идея находит свою специфическую материализацию в гипотезе.
Предположение о причине, вызывающей следствие, называется 
гипотезой. Когда гипотеза не противоречит фактам, а согласуется с ними, 
тогда в науке её принято называть теорией или законом.
Таким образом система обобщённого знания, объясняющая те или 
иные стороны деятельности, называется теорией (от латинского teoreo -  
рассматриваю).

1.2. Классификация научно-исследовательских работ

Существуют различные признаки классификации научно-исследовательских работ.
1. По видам связи научно-исследовательских работ (НИР) с общественным производством они разделяются следующим образом: исследования, направленные на создание новых машин, конструкций или процессов, 
которые используются для повышения эффективности производства, и 
НИР, повышающие уровень производственных отношений. К последним 
можно отнести работы, повышающие уровень организации производства 
без создания новых средств труда, а также теоретические работы в области 
гуманитарных, общественных и других наук. Они могут использоваться 
при совершенствовании общественных отношений, а также для повышения уровня духовной жизни людей.
2. НИР классифицируются по степени важности исследований для 
народного хозяйства. Они делятся на выполняемые по государственному 
плану; по плану отдельных министерств и ведомств и по инициативе научно-исследовательских институтов или частных фирм.
3. В зависимости от источников финансирования НИР также делятся 
на госбюджетные, которые финансируются из средств государственного

бюджета; хоздоговорные работы, которые финансируются по договорам с 
частными фирмами и предприятиями.
4. НИР делятся на долгосрочные и краткосрочные. Долгосрочные 
НИР выполняются в течение нескольких лет, а краткосрочные обычно в 
течение одного года.
5. НИР классифицируются по целевому назначению на три вида; 
теоретические, прикладные и разработки.
Теоретические исследования относятся к фундаментальным исследованиям. Они направлены на создание новых принципов. Их целью является более глубокое познание законов природы и расширение знаний общества.
При выполнении теоретических исследований важными понятиями в 
теории познания являются дедукция и индукция.
Способ исследования, при котором частные положения выводятся из 
общих, называется дедуктивным. Недостатком этого способа исследования являются ограничения, которые берутся из общих закономерностей, и 
на основе их исследуется частный случай.
Способ исследования, при котором устанавливаются общие положения, принципы и законы исходя из частных фактов и явлений, называется индуктивным. Индуктивный способ исследования был применён 
Д.И. Менделеевым, который, используя частные факты о химических элементах, открыл периодический закон.
Однако следует указать на то, что в теоретических исследованиях 
дедукция и индукция 
часто используются одновременно. Обосновывая 
гипотезу научного исследования, научный работник устанавливает соответствие ее общим законам диалектики и естествознания -  дедукция. В то 
же время исследователь формулирует гипотезу на основе частных фактов -  
индукция.
Прикладные исследования выполняются с целью создания новых 
методов, на базе которых ведутся разработки по созданию новых машин, 
оборудования и материалов, а также способов производства и организации 
работ и т. д. Прикладные исследования должны удовлетворять потребность в развитии конкретных отраслей промышленности. Прикладные исследования, как и теоретические, могут быть бюджетными и хоздоговорными, долгосрочными и краткосрочными.
Разработки направлены на преобразование теоретических или прикладных исследований в технические приложения. Конечной целью этих 
разработок является подготовка материалов для внедрения. Поэтому они 
не предназначены для проведения новых научных исследований.

1.3. Этапы научно-исследовательских работ

Обычно научно-исследовательскую работу выполняют в определённой последовательности.
Весь процесс выполнения теоретических и прикладных НИР состоит 
из шести этапов.
К первому этапу относится формулирование темы. На этом этапе 
прежде всего нужно ознакомиться с проблемой, по которой будет выполняться НИР. Сюда входят: предварительное ознакомление с литературой и 
классификация важнейших направлений; окончательное уточнение и формулирование темы исследования; составление краткого плана исследования и разработка технического задания; составление календарного плана 
исследований и определение примерного ожидаемого экономического эффекта.
На втором этапе формулируются цель и задачи исследования. 
Вначале осуществляются подбор и составление библиографических источников (монографий, учебников, статей и т. п.), изучение научно- 
технических отчётов по теме исследования и написание аннотаций источников. По теме исследования также составляются рефераты. Затем анализируются, сопоставляются и рассматриваются с критических позиций проработанные источники. Выдвигается собственное суждение по каждому 
источнику, проработанному автором. На основе обобщения проработанной 
информации излагается состояние вопроса по теме НИР. Формулируются 
цель и задачи исследования на основе сформулированных методических 
выводов по обзору информации.
Третий этап посвящается теоретическим исследованиям. На этом 
этапе изучается физическая сущность явления и формулируются гипотезы; 
выбирается и обосновывается физическая модель; делается её формализация (математическое описание) и получают аналитические модели. Затем 
выполняется теоретический анализ полученных аналитических зависимостей.
Экспериментальным 
исследованиям 
посвящается 
четвёртый 
этап. Прежде всего устанавливаются цель и задачи экспериментальных 
исследований. Затем выполняется планирование эксперимента, разрабатываются методика и программа исследований, а также выбираются средства 
измерений. При необходимости конструируются макеты, модели стендов, 
установок, аппаратов и приборов, а также других средств, необходимых 
для эксперимента. Обосновываются способы измерений. Ставят эксперимент в лабораторных условиях, на опытных участках, а также на действующих предприятиях.
На пятом этапе проводят анализ и оформление результатов научных исследований. На этом этапе выполняется общий анализ теоретических и экспериментальных исследований. Сопоставляют результаты экс10

перимента с теорией и анализируют имеющиеся расхождения. Затем уточняют теоретические модели, результаты исследований и выводы. При необходимости ставятся дополнительные эксперименты. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований сформулированная гипотеза превращается в теорию. Затем формулируются научные 
и производственные выводы, состааляется научно-технический отчёт, который рецензируется, составляется доклад и исправляется рукопись.
Шестой этап посвящается внедрению результатов исследования и 
определению экономической эффективности. Результаты исследования 
внедряются на производстве, и там же рассчитывается фактическая экономическая эффективность.
Как уже отмечалось выше, третий вид научно-исследовательских работ заключается в разработке. К этому виду НИР относятся опытноконструкторские работы (ОКР), включающие в себя следующие семь этапов.
Первый этап включает формулирование темы, цели и задач исследования.
На втором этапе проводят изучение литературных источников, а 
также, при необходимости, постановку эксперимента и подготовку к техническому проектированию экспериментального образца.
Техническому проектированию посвящён третий этап. Сюда входят следующие работы: разработка вариантов технического проекта; расчёты основных параметров; выполнение чертежей; изготовление отдельных блоков и узлов, а также анализ их работы. Осуществляются разработка и согласование технического проекта и его технико-экономическое 
обоснование.
Четвёртый этап заключается в рабочем проектировании, т. е. в 
разработке проекта со всеми деталями.
Изготовлению опытного образца посвящён пятый этап. На этом 
этапе выполняют следующее: анализ и контроль технической документации; проектирование технологических процессов; составление проекта организации работ; разработку технологических карт; состааление документации по организации работ, а также изготовление деталей, узлов и блоков 
опытного образца и их сборку; опробование, доводку и регулирование 
опытного образца; стендовые и производственные испытания.
Доработку опытного образца проводят на шестом этапе. В этот 
этап входят анализ работы всех узлов образца после его производственных 
испытаний, а также замена отдельных узлов, не выдержавших нагрузки.
Седьмой этап посвящён государственным испытаниям опытного 
образца, передаче его специальной комиссии на государственные испытания.

Глава 2

О КИБЕРНЕТИЧЕСКОМ ПОДХОДЕ К 
ИССЛЕДОВАНИЮ СИСТЕМ

2.1. Система как объект исследований

В процессе научной или технической деятельности специалист занимается исследованием -  разработкой, анализом или проектированием -  
каких-либо объектов. Природа этих объектов может быть любой, это -  разнообразные технические объекты, технологические процессы и т. д.
Изучение вопросов методологии исследований должно начинаться с 
изучения объекта исследований.
В основу классификации объектов положено понятие системы.
Системой будем называть совокупность любых взаимосвязанных 
элементов.
Например, стол, за которым мы сидим, можно рассматривать как 
систему, состоящую из четырех ножек и крышки. Ножки и крышка -  элементы системы (подсистемы).
Подсистема -  это система, входящая в состав некоторой другой 
системы. Человек за столом -  это тоже система, но более сложная. В свою 
очередь, человек за столом может рассматриваться как подсистема, то есть 
часть еще более сложной системы, например, конструкторского бюро. С 
другой стороны, ножку стола можно рассматривать как весьма сложную 
систему с молекулярной точки зрения. Отдельное волокно древесины -  это 
подсистема, имеющая сложную структуру, которую можно также рассматривать как систему. Деревообрабатывающее предприятие, технологический процесс изготовления ДСтН и т. д. -  все это системы. Процесс решения какой-либо проблемы также можно определить как систему.
Такой подход привел к развитию эффективной методологии решения 
проблем, известной под названием системный анализ.
С позиций системного анализа, любая система не есть простая совокупность отдельных элементов (подсистем). Каждый элемент выполняет 
свои функции во взаимодействии, в единстве со всем объектом.
Пусть, например, имеем систему, содержащую п подсистем, и каждая из них связана с любой другой подсистемой двухсторонней связью. 
Тогда общее число связей между подсистемами

с; =*•(«-1).

В частности, при п -  4 (рис. 2.1) получим 12 связей:

С,? = и • (и —1) = 4 ■ (4 - 1)= 12.

11

Таким образом, изучение системы, состоящей из п подсистем, предполагает изучение и ■ (и -  1) связей между подсистемами помимо изучения 
самих подсистем.
Рассмотрим предприятие -  это система, состоящая из отдельных 
подсистем (цехов и отделов). Они, в свою очередь, имеют сложную структуру. Между подсистемами имеются разветвленные связи. Каждая подсистема организует свою деятельность исходя из некоторых целей, и эти цели, 
вообще говоря, не всегда совпадают с целью предприятия.

Рис. 2.1. Система, состоящая 
из четырех подсистем

Таким образом, рассматривая предприятие как единую систему, необходимо иметь в виду сложность отдельных подсистем.
При анализе систем различают входные и выходные величины. 
Входные величины -  это те из внешних воздействий, которые существенно влияют на состояние системы. Выходные величины являются характеристиками состояния системы или функционально связаны с этими характеристиками.

2.2. Классификация систем

Все 
системы 
можно 
разделить на статические и динамические. 
Система, 
состояние 
которой 
не меняется 
во 
времени, 
называется 
статической. Система называется динамической, если за некоторый интервал времени она может перейти из одного состояния в другое.
По степени сложности системы делятся на три класса:
1) наименее сложные системы будем называть простыми;
2) системы, 
отличающиеся 
разветвленной структурой, большим