Организация и методология научных исследований в машиностроении

Е. В. Плахотникова 
В. Б. Протасьев 
А. С. Ямников 
ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ  
НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ  
В МАШИНОСТРОЕНИИ
Учебник рекомендован ФИРО 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся  
по направлениям подготовки «Конструкторско-технологическое  
обеспечение машиностроительных производств», 
 а также «Стандартизация и метрология» и «Управление качеством» 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2019 

УДК 001:621 
ББК 72:34.4 
 
П37 
 
 
 
 
 
Рецензент: 
заслуженный деятель науки и образования (РАЕ),  
член Академии проблем качества, д. т. н., проф.,  
профессор Тульского филиала РЭУ им. Плеханова Юдин С. В. 
 
 
 
 
Плахотникова, Е. В. 
П37  
Организация и методология научных исследований в машиностроении : учебник / Е. В. Плахотникова, В. Б. Протасьев, А. С. Ямников. -  Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 316 с. : ил., 
табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-0391-7 
 
Рассмотрены современные представления о науковедении и организации научного труда, предложены основы методологии науки в машиностроительных производствах. Показана история машиностроительной 
науки, даны сведения о выдающихся отечественных и зарубежных учёных 
и научных школах. Предложен обзор методов оценки наиболее перспективных с точки зрения науки областей современного машиностроения. 
Для 
магистрантов 
направлений 
подготовки 
«Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств», «Стандартизация и метрология» и «Управление качеством».  
 
УДК 001:621 
 
ББК 72:34.4 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0391-7  ‹ Плахотникова  Е. В., Протасьев В. Б., Ямников А. С., 2019 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
 
2
 

 
 
 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
1. ВВЕДЕНИЕ В НАУКОВЕДЕНИЕ ................................................................ 7
1.1. Науковедение в машиностроении .............................................................. 7
1.2. Структура комплексной проблематики науковедения 
........................... 12
1.2.1. Проблемы современной науки и науковедения   
в машиностроении..................................................................................... 13
1.3. Место науковедения в системе наук ........................................................ 18
1.4. Проблемы взаимосвязи экономики и науковедения .............................. 19
1.4.1. Науковедение и экономика ............................................................ 20
1.4.2. Научные исследования и инновации ............................................ 26
Список литературы к разделу 1 ....................................................................... 34
Контрольные вопросы ...................................................................................... 35
2. ХАРАКТЕР РАЗВИТИЯ НАУКИ ............................................................... 36
2.1. Определение науки .................................................................................... 36
2.2. Наука и другие формы изучения действительности .............................. 40
2.3. Системность и математизация научных исследований ......................... 41
2.3.1. Наука о системах 
............................................................................. 41
2.3.2. Иерархия уровней систем 
............................................................... 47
2.3.3. Системность и математика 
............................................................. 51
Список литературы к разделу 2 ....................................................................... 55
Контрольные вопросы ...................................................................................... 56
3. ИСТОРИЯ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ  
В МАШИНОСТРОЕНИИ 
................................................................................. 57
3.1. Исторический очерк 
................................................................................... 57
3.1.1. Наука Древнего Востока ................................................................ 57
3.1.2. Наука Древней Греции ................................................................... 58
3.1.3. Наука Средневековья 
...................................................................... 61
3.2. Древние орудия труда 
................................................................................ 63
3.2.1. Древние инструменты 
..................................................................... 63
3.2.2. Слесарный метод. Напильники, сверла ........................................ 67
3.3. Станки 
.......................................................................................................... 68
3.3.1. Древние станки с ручным приводом 
............................................. 68
3.3.2. «Вододействующие» машины ....................................................... 72
3.3.3. Токарно-копировальные станки .................................................... 76
3.3.4. Токарно-винторезные станки. Суппорт Нартова 
......................... 79
3.3.5. Фрезерные и зуборезные станки ................................................... 81
 
3
 

3.3.6. Станки с паровым приводом 
.......................................................... 82
3.3.7. Развитие станков и технологий в 90-е годы XVIII века 
.............. 83
3.3.8. Индивидуальный электропривод металлорежущих станков ..... 85
3.3.9. Развитие отечественного станкостроения .................................... 86
3.3.10. Отечественное станкостроение  восстановительного  
периода ....................................................................................................... 89
3.3.11. Развитие станкостроения с 1970 г. .............................................. 91
3.4. Развитие теории резания 
............................................................................ 94
3.4.1. Дореволюционный период 
............................................................. 94
3.4.2. Период индустриализации ............................................................. 96
3.4.3. Новые инструментальные материалы 
........................................... 99
3.4.4. Первые работы по скоростному резанию 
..................................... 99
3.4.5. Послевоенный период в развитии науки о резании металлов 
..... 101
3.5. Технология машиностроения 
.................................................................. 102
3.5.1. Появление взаимозаменяемости 
.................................................. 102
3.5.2. Первые систематизированные научные труды   
по технологии машиностроения. 
........................................................... 103
3.5.3. Концентрация операций. Новые типы оборудования ............... 106
3.5.4. Развитие технологии машиностроения с 1970 г. ....................... 107
Контрольные вопросы .................................................................................... 109
4. ВЕДУЩИЕ НАУЧНЫЕ ШКОЛЫ РОССИИ 
............................................ 110
4.1. Понятие «научная школа» 
....................................................................... 110
4.2. Ведущие научные технологические школы России ............................. 121
4.2.1. Научные школы МГТУ им. Н. Э. Баумана 
................................. 121
4.2.2. Научные школы МОССТАНКИНА ............................................ 129
4.2.3. Тульские технологические научные школы .............................. 138
Контрольные вопросы .................................................................................... 141
5. МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ .......................................... 142
5.1. Основные уровни научного познания 
.................................................... 143
5.1.1. Сравнительный анализ различных уровней научных знаний  
(базовый, новый, фактический, производственно-прикладной) 
........ 143
5.1.2. Методы эмпирического уровня исследования 
........................... 144
5.1.3. Методы теоретического уровня исследований 
.......................... 146
5.2. Проблемы взаимосвязи экономики и науковедения ............................ 150
5.2.1. Методика исследований.  Структура комплексной  
проблематики науковедения .................................................................. 151
5.2.2. Критерии оценки эффективности идеи 
....................................... 153
5.3. Поиск новых идей .................................................................................... 154
5.3.1. Этапы процесса поиска идей ....................................................... 154
5.3.2. Методы поиска новых идей, основанные на интуиции ............ 157
5.3.3. Метод «мозговой атаки» .............................................................. 161
 
4
 

5.3.4. Метод фокальных объектов и синектика ................................... 162
5.3.5. Морфологический метод 
.............................................................. 165
5.3.6. Теория и алгоритм решения изобретательских задач ............... 170
5.3.7. Поиск прототипа ........................................................................... 173
5.3.8. Селективная сборка. Дифференцирование. 
................................ 174
5.3.9. Робастное проектирование. Использование системного  
анализа (СА) ............................................................................................ 180
Список литературы к подразделу 5.3 
.................................................... 187
5.4. Методика экспериментальных исследований. Информационная 
концепция научного процесса ....................................................................... 187
5.4.1. Оценка качества конструкции путем логического  планирования 
эксперимента ........................................................................................... 189
5.4.2. Обработка экспериментальных данных ..................................... 192
Список литературы к подразделу 5.4 
.................................................... 195
Контрольные вопросы .................................................................................... 196
6. КВАЛИМЕТРИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 
...................... 197
6.1. Использование морфологических матриц (ММ) .................................. 197
6.2. Азы качества. Что такое анализ дерева отказов 
.................................... 200
6.2.1. Логическая диаграмма FTA ......................................................... 201
6.3. Пора заняться технологическим процессом. Статистическое  
мышление 
......................................................................................................... 203
6.3.1. Вспомним о нормальном 
.............................................................. 207
6.4. Идея Уолтера Шухарта 
............................................................................ 213
6.4.1. Факторы, влияющих на настройку и разброс параметров 
технологического процесса 
.................................................................... 213
Список литературы к подразделу 6.4.1 
................................................. 220
6.4.2. Применение контрольных карт Шухарта  для анализа 
технологических процессов ................................................................... 220
Список литературы к подразделу 6.4.2 
................................................. 230
6.5. Анализ процесса при помощи показателей  (индексов) 
возможностей 
................................................................................................... 231
6.6. Регулирование ТП по Шухарту .............................................................. 234
6.6.1. Регулирование ТП и приемка продукции одновременно.  
Приемочные контрольные карты (КК) ................................................. 238
Список использованной литературы к разделам 6.5 и 6.6 .......................... 244
Контрольные вопросы .................................................................................... 245
7. ОРГАНИЗАЦИЯ ПЛАНИРОВАНИЯ ПОВЫШЕНИЯ  КАЧЕСТВА  
НА ПРЕДПРИЯТИИ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ  УРОВНЯ  
ДЕФЕКТНОСТИ ............................................................................................. 246
7.1. Работа по планированию качества на предприятии ............................. 246
Список литературы к разделу 7.1 .......................................................... 254
 
5
 

7.2. Инструменты обеспечения качества ...................................................... 254
7.2.1. Причинно-следственные диаграммы Исикавы .......................... 255
7.2.2. Диаграмма Парето 
......................................................................... 260
Список литературы к разделу 7.2 .......................................................... 263
7.3. Использование инструментов обеспечения качества   
в производственных процессах 
...................................................................... 264
Список литературы к разделу 7.3 .......................................................... 267
Контрольные вопросы .................................................................................... 268
8. КРИТЕРИИ ПРАВИЛЬНОСТИ И ТОЧНОСТИ   
В ИНСТРУМЕНТАЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ .......................................... 269
Контрольные вопросы .................................................................................... 272
9. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ В НАУЧНОМ КОЛЛЕКТИВЕ ................... 273
9.1. Методы и средства управления научным коллективом 
....................... 273
9.2. Основные принципы организации и управления научным  
коллективом ..................................................................................................... 275
9.3. Методы сплочения научного коллектива .............................................. 276
9.4. Психологические аспекты взаимоотношения руководителя   
и подчиненного 
................................................................................................ 277
Контрольные вопросы .................................................................................... 282
10. ОРГАНИЗАЦИЯ НАУЧНОГО ТРУДА  ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ  
В ОБЛАСТИ  МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ 
................. 283
10.1. Структура и организация научных учреждений 
................................. 283
10.2. Управление, планирование и координация научных  
исследований ................................................................................................... 283
10.3. Финансирование научных исследований ............................................ 289
10.4. Методы оценки научной деятельности отдельных ученых 
и коллективов исследователей 
....................................................................... 306
Контрольные вопросы .................................................................................... 310
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 311
 
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ......................................... 312
Основная литература....................................................................................... 312
Дополнительная литература 
........................................................................... 312
 
 
6
 

 
 
 
1. ВВЕДЕНИЕ В НАУКОВЕДЕНИЕ 
 
Значение слова «Науковедение» в Большой Советской Энциклопедии определяется: «Науковедение, отрасль исследований, изучающая закономерности функционирования и развития науки, структуру и динамику 
научной деятельности, взаимодействие науки с другими социальными институтами и сферами материальной и духовной жизни общества».  
Отдельные аспекты развития науки издавна изучались философией  
и частными науками, особенно с середины XIX в. (Г. Гельмгольц, К. Бернар, Т. Гексли, К. А. Тимирязев, В. И. Вернадский и др.). Одну из первых 
попыток раскрыть социальные, психологические и др. факторы, влияющие 
на развитие науки, предпринял швейцарский ботаник А. Декандоль («История науки и ученых за два века», 1873). Проблемы формирования учёного изучал В. Оствальд («Великие люди», 1909). Потребность в комплексном изучении науки стала особенно ощутимой в 1-й половине XX в. в связи с громадным возрастанием её роли и развитием научно-технической революции. Непосредственное зарождение науковедческой ориентации исследований многие советские и зарубежные исследователи связывают  
с дискуссией по общим проблемам развития науки, возникшей в связи с 
докладами Б. М. Гессена и других советских учёных на 2-м Международном конгрессе по истории науки в Лондоне (1931). Эта дискуссия вызвала 
усиление интереса к марксистской концепции развития науки, основывающейся на методологии диалектического и исторического материализма,  
к советскому опыту создания государственной системы организации  
и планирования научной деятельности. 
 
1.1. Науковедение в машиностроении 
Науковедение это отрасль исследований, изучающая закономерности 
функционирования и развития науки, структуру и динамику научной деятельности, взаимодействие науки с др. социальными институтами и сферами материальной и духовной жизни общества. Основоположником науковедения считается Дж. Бернал. В 1939 г. он опубликовал книгу «Социальная функция науки», ставшую теперь классической. После второй мировой войны большой вклад в науковедение внес Дирек Прайс. Будучи  
по специальности физиком, он стал широко применять количественные 
методы для изучения развития науки. Юджин Гарфилд организовал в Калифорнии (США) Институт научной информации ив 1961 г. приступил  
к подготовке «Индекса научных ссылок» (Science Citation Index, сокращен- 
но SCI), который оказался весьма эффективным орудием исследования  
 
7
 

в науковедении. Сейчас имеется уже труднообозримый поток публикаций 
по науковедению. В СССР науковедением на профессиональном уровне 
занимался в Киеве Г. М. Добров. Он, в частности, опубликовал монографию «Наука о науке». В Москве группа научных сотрудников, работающих в различных областях знаний, стала активно заниматься некоторыми 
проблемами науковедения в начале 1967 г. В Институте истории естествознания и техники АН СССР функционировал общегородской семинар  
по количественным методам изучения развития науки. 
Целью изучения науковедения является разработка теоретических 
основ организации, планирования и управления наукой, то есть системы 
мероприятий, опирающихся на объективную логику развития науки, обеспечивающих оптимальные темпы ее развития и повышение эффективности 
научных исследований. Поэтому науковедение является одновременно 
важнейшим методологическим условием плодотворного изучения отдельных аспектов развития науки. Можно выделить пять главных направлений 
исследований в науковедении. 
1. Общее науковедение. Включает в себя логику и гносеологию 
науки. Выступает, прежде всего, как методологическая база всего 
комплекса науковедческих знаний. 
2. Социология науки. Происходит исследование науки в качестве 
социальной системы с ориентацией на анализ влияния соответствующих процессов на развитие самой науки, то есть исследования процессов воздействия общественных условий на развитие 
науки, а науки - на общественный прогресс. 
3. Психология науки. Изучает психологические аспекты научного 
творчества. 
4. Экономика науки. Исследует действие экономических законов  
и их особенностей в сфере науки. 
5. Организация науки. Исследует принципы, формы и методы организации и планирования научно-исследовательской работы  
и управления ею. 
Сейчас можно говорить о широком спектре логических схем, позволяющих изучать процесс развития науки. Рассмотрим коротко эти модели. 
Информационная модель. Наука рассматривается как самоорганизующаяся система, управляющаяся своими информационными потоками. 
Развитие науки изучается как развитие ее информационных потоков. 
Логическая модель. Наука изучается как логическое развитие идей. 
При таком подходе самостоятельное значение приобретает проблема логической классификации наук. 
Гносеологическая модель. Она занимается изучением методологии 
научных исследований. В этой модели основными проблемами являются 
обоснование математики, гипотеза и эксперимент, математическая теория 
 
8
 

эксперимента (статистические методы анализа экспериментальных данных, математические методы планирования эксперимента и т. д.). 
Экономическая модель. Здесь изучается взаимодействие науки с 
экономическим развитием страны, оценивается экономическая эффективность научных исследований 
Политическая модель. В рамках этой модели рассматриваются 
взаимодействие науки с политической идеологией, связь между развитием 
науки и престижем страны, оборонный потенциал страны. 
Социологическая модель. В этой модели множество научных работников рассматривается как некая социальная группа. Последняя взаимодействует с другими группами, отстаивает свои права, оказывает влияние на общественную жизнь страны. Интерес могут представлять микросоциологические исследования в науке. В среде научных работников, естественно, могут возникать микрогруппы, сложным образом взаимодействующие друг с другом. Такие группы могут объединять научных работников по национальному и возрастному признакам, по образовательному 
цензу, по ученым степеням, по взглядам на науку и ее цели, по какомулибо другому признаку или даже по целой их совокупности. Здесь, повидимому, можно широко использовать методы разыгрывания острых ситуаций (социолог исследователь - режиссер разыгрываемой ситуации), 
предложенные Морено. 
Демографическая модель. Научный потенциал страны изучается 
как демографическая задача. Здесь весьма существенна проблема возраста 
научного коллектива. Одна из задач формулируется так: можно ли сохранить молодыми научные коллективы в стареющих городах" 
Модель «Научный работник - творчески активный индивидуум». Проблеме психологии научного творчества посвящена очень большая 
литература (только в США по данному вопросу имеется несколько тысяч 
публикаций). 
Модель системотехники. Наука рассматривается как система, подлежащая управлению. Здесь существенны проблема оптимальной организации научных разработок, применение метода «исследования операций»  
к организации научных исследований. 
В каждом варианте в структуре науки выделяется четыре уровня, соответствующие ступеням познания. Это описательный, аналитический, 
синтетический и конструктивный уровни. 
1. Описательный уровень. Он представлен наукометрией и эмпирической историей науки. Основной задачей исследований является 
создание общей информационной базы метанауки и разработка 
методов первичного количественного анализа информации. 
Предметом исследования эмпирической истории является описание процесса развития науки. Предмет исследования наукометрии - разработка методов количественного анализа параметров 
 
9
 

развития науки и их изучение. Общая черта, объединяющая эти 
дисциплины, - ориентация на получение информации без ее теоретического осмысления. 
2. Аналитический уровень. Он представлен экономикой, социологией, правоведением, психологией, этикой, информатикой, гносеологией и логикой науки. Основная задача - в исследовании
отдельных отношений, имеющих место в развитии науки как
сложной системы. Основной метод познания - анализ. Базой выделения этих дисциплин в один уровень является их ориентация
на познание категории особенного.
3. Синтетический уровень представлен общей теорией метанауки,
предмет рассмотрения которой - наука как целостная система.
Основная задача - в синтезе отраслевых метанаучных подходов
и осмыслении науки как целостной сложной системы. Основной
метод познания - синтез.
4. Конструктивный уровень представлен теорией организации и
управления наукой. Основная задача - в выявлении и обосновании
системы условий, необходимых для оптимального развития науки и
выработка практических рекомендаций по претворению ее в жизнь.
Этот уровень опирается на все предшествующие исследования.
Изучение науки как информационного процесса - одна из самых интересных и важных в теоретическом и практическом отношении задач науковедения. При изучении науки как информационного процесса оказывается возможным применять количественные или статистические методы 
исследования. Это направление исследований называется наукометрией. 
Наукометрия сложилась как особая методическая область в науковедении 
на основе подхода описания различных сторон научной деятельности математическими методами. 
Исходя из тезиса, что продуктом научной деятельности является новая информация, в 60-70-е годы XX века науковеды впервые рассматривали науку как информационную систему. При этом использовались понятия, приемы, методы и данные информатики. В отличие от информатики, 
изучающей закономерности информационной деятельности. Науковедение 
изучает потоки информации для выявления эмпирического материала  
и построения теоретической модели функционирования науки. 
Использование информационного подхода внесло в науковедение 
целый ряд разработанных в информатике методов наблюдения за процессами передачи, хранения и переработке единиц научного знания, единообразно представленного в виде информационных сообщений, обогатило 
представление о многих процессах, протекающих в науке, особенно в области коммуникаций. 
Развертывание процесса математизации науки и развития вычислительной техники сделали одним из самых мощных методов исследования - 
 
10