Инженерный эксперимент. Теория и практика

 
 
 
В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, А. Ю. Финиченко 
 
 
 
 
 
 
ИНЖЕНЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ  
 
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 


УДК 621.311.22 
ББК 31.3 
В26 
Р е ц е н з е н т ы :  
д. т. н., профессор СибАДИ Галдин Валерий Дмитриевич; 
к. т. н., доцент ОмГУПС Анисимов Александр Сергеевич 
Ведрученко, В. Р.  
В26 
Инженерный эксперимент. Теория и практика : учебное пособие / 
В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, А. Ю. Финиченко. - Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2024. - 236 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1977-2 
Рассмотрены методология и методы инженерного эксперимента, в том числе системные методы исследований сложных технических систем; особенности вычислительного и измерительного эксперимента. Определены цели, задачи и критерии эффективности при планировании эксперимента; рассмотрены предпосылки к методам оптимизации в технике. Приведены методы анализа и обработки результатов экспериментов; методы графической и аналитической обработки результатов измерений. Рассмотрены организация и проведение наладочных и исследовательских работ в теплоэнергетике; организация и проведение теплотехнического контроля на объектах теплоэнергетики в процессе теплотехнических измерений. 
Для студентов направления 13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника». Может 
быть использовано как для теплоэнергетических, так и для других специальностей разных форм и видов обучения, включая дистанционное, а также для слушателей Института повышения квалификации и переподготовки, для аспирантов и при курсовом 
и дипломном проектировании. 
УДК 621.311.22 
ББК 31.3 
ISBN 978-5-9729-1977-2 
” Ведрученко В. Р., Крайнов В. В., Финиченко А. Ю., 2024 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................................... 
5 
1. Методология и классификация инженерного эксперимента 
................................................... 
7 
1.1. Цели и задачи инженерного эксперимента ............................................................................ 
7 
1.2. Классификация, типы, задачи и цели эксперимента.  
Общие положения 
............................................................................................................................ 
8 
1.3. Понятия о естественном и искусственном эксперименте 
..................................................... 
9 
1.4. Преобразующий, контролирующий, поисковый  
и решающий эксперимент 
............................................................................................................... 
9 
1.5. Лабораторный и натурный эксперимент .............................................................................. 
10 
1.6. Открытый и закрытый эксперимент, простой  
и сложный эксперимент ................................................................................................................ 
10 
1.7. Информационный, вещественный, энергетический  
и обычный эксперимент ................................................................................................................ 
11 
1.8. Модельный и мысленный (умственный) эксперимент ....................................................... 
12 
1.9. Материальный эксперимент .................................................................................................. 
13 
1.10. Пассивный и активный эксперименты ............................................................................... 
13 
1.11. Однофакторный и многофакторный эксперимент;  
технологический и социометрический эксперимент ................................................................. 
14 
Контрольные вопросы. .................................................................................................................. 
14 
 
2. Методы инженерного эксперимента 
........................................................................................ 
16 
2.1. Методы эксперимента. Выбор и разработка. ....................................................................... 
16 
2.2. Выбор набора средств измерений для эксперимента .......................................................... 
17 
2.3. Обработка данных эксперимента. План-программа эксперимента. .................................. 
18 
2.4. Методы теоретических и эмпирических исследований. Классификация ......................... 
20 
2.5. Методы: наблюдение, счет, измерение, эксперимент,  
обобщение, абстрагирование ........................................................................................................ 
20 
2.6. Формализация, анализ и синтез как метод изыскания.  
Аксиоматический метод 
................................................................................................................ 
21 
2.7. Индукция и дедукция; аналогия; гипотетический  
и исторический метод. Идеализация 
............................................................................................ 
22 
2.8. Системные методы исследований. Этапы. Аналитические методы .................................. 
23 
2.9. Системный анализ. Его характер и области применения.  
Четыре этапа системного метода ................................................................................................. 
26 
2.10. Вычислительный эксперимент ............................................................................................ 
27 
2.11. Пять этапов (элементов) вычислительного эксперимента 
................................................ 
28 
2.12. Задачи исследования. Анализ задания 
................................................................................ 
29 
2.13. Выбор критериев эффективности исследуемого объекта 
................................................. 
30 
2.14. Дерево целей и его разработка ............................................................................................ 
31 
Контрольные вопросы ................................................................................................................... 
33 
 
3. Разработка плана исследования и планирование эксперимента ........................................... 
34 
3.1. Составление плана исследования, объем и сроки выполнения 
.......................................... 
34 
3.2. Задачи обзора литературы. Цели и затраты времени .......................................................... 
35 
3.3. Номенклатура источников информации 
............................................................................... 
36 
3.4. Конспект и его содержание 
.................................................................................................... 
37 
3.5. Теория: разработка и адекватность ....................................................................................... 
38 
3 
 

3.6. Конспектирование: методика и цели .................................................................................... 
39 
3.7. Группировка и анализ материала .......................................................................................... 
40 
3.8. Методика эксперимента: цель и схемы измерений ............................................................. 
42 
Контрольные вопросы ................................................................................................................... 
68 
4. Методы измерений и обработки экспериментальных данных 
.............................................. 
70 
4.1. Измерения в эксперименте 
..................................................................................................... 
70 
4.2. Методы обработки результатов исследования..................................................................... 
76 
4.3. Методы графической обработки результатов измерений 
................................................... 
76 
4.4. Координатные сетки: равномерные и неравномерные. Назначение 
.................................. 
78 
4.5. Расчетные графики. Масштабы. Номограммы .................................................................... 
79 
4.6. Методы подбора эмпирических формул. Этапы ................................................................. 
80 
4.7. Графический метод графиков выравнивания эмпирических формул ............................... 
83 
Контрольные вопросы ................................................................................................................... 
87 
5. Инженерный эксперимент в теплоэнергетике ........................................................................ 
88 
5.1. Наладочные и исследовательские работы ............................................................................ 
88 
5.2. Организация наладочных и исследовательских работ ........................................................ 
89 
5.3. Назначение теплотехнического контроля ............................................................................ 
91 
5.4. Организация теплотехнических измерений ......................................................................... 
94 
Контрольные вопросы ................................................................................................................... 
95 
6. Практические работы ................................................................................................................ 
96 
Практическая работа 1 
................................................................................................................... 
96 
Практическая работа 2 
................................................................................................................. 
102 
Практическая работа 3 
................................................................................................................. 
119 
Практическая работа 4 
................................................................................................................. 
126 
Практическая работа 5 
................................................................................................................. 
135 
Практическая работа 6 
................................................................................................................. 
141 
7. Лабораторные работы  
............................................................................................................. 
155 
Лабораторная работа 1 ............................................................................................................... 155 
Лабораторная работа 2 ................................................................................................................ 
172 
Лабораторная работа 3 ................................................................................................................ 
180 
Лабораторная работа 4 ................................................................................................................ 
200 
Лабораторная работа 5 ................................................................................................................ 
205 
8. Методы оптимизации в технике ............................................................................................. 
219
8.1. Этапы решения задачи оптимизации  
технических устройств и процессов .......................................................................................... 
219 
8.2. Оптимизация конструкционных параметров  
струйных смесительных теплообменников 
............................................................................... 
220 
Библиографический список ........................................................................................................ 
229 
4 


ВВЕДЕНИЕ 


Важным фактором в повышении производительности труда инженеров и 
научных работников является автоматизация исследований, включающая в себя 
широкий круг задач ௅ от моделирования творческого процесса, организации коллективов планирования научных исследований на основе применения методов 
кибернетики до создания автоматизированных научных приборов, средств и систем автоматизации экспериментов. Однако все эти задачи неразрешимы без 
проведения экспериментов и их планирования. 
Возникновение науки о планировании эксперимента связывают с именем 
английского ученого Р. Фишера, монография которого впервые была опубликована в 1935 году [1, 2]. 
Широкому внедрению теории планирования эксперимента предшествовали 
работы Бокса и Уилсона (1951 г.), а также работы советских ученых В.В. Налимова, В.В. Федорова, Е.В. Марковой, Г.К. Круга и др. [3-10]. 
Эксперимент занимает главенствующее место среди способов получения 
информации о внутренних взаимосвязях явлений в природе и технике. Он является отправной точкой и критерием большинства наших знаний. Экспериментальные поиски часто ведутся в таких областях, где теоретически нельзя сделать 
каких-либо предвидений. С помощью экспериментальных данных, получаемых 
непосредственно от изучаемых объектов, проверяется истинность теоретических 
предпосылок. Чтобы представить себе масштабы повседневной экспериментальной работы, достаточно наряду с натурными исследованиями, проводимыми  
в различных областях науки, при проектировании новой техники учесть также 
испытания образцов опытной и серийной продукции на тысячах заводов. 
По мере роста сложности исследуемых процессов и явлений возрастают затраты на аппаратуру и проведение эксперимента. Для проведения некоторых 
специальных экспериментов требуется такое количество энергии, которое было 
бы достаточным для энергоснабжения города средней величины. При этом постоянно возрастает сложность решаемых задач, а большой объем информации, 
необходимой для выяснения внутренних взаимосвязей в природе и технике, заставляет применять все более сложные многомашинные комплексы для обработки информации. 
Все чаще оказываются недоступными непосредственному измерению характеристики объектов испытаний, подлежащие определению в результате эксперимента. Вследствие этого совокупность технико-экономических показателей, 
по которым проводится оценка испытуемого объекта или принимаются важные 
организационные и инженерные решения, не совпадает, как правило, с совокупностью параметров объекта, определяемых по результатам натурного эксперимента. 
Экспериментальные исследования включают в себя различные формы эмпирического познания: наблюдение, сравнение, контроль и измерение. 
5 
 

Правильно выбранный план проведения эксперимента позволяет отобрать 
наиболее существенные факторы, влияющие на объект исследования, и тем самым ускорить процесс исследований и снизить его стоимость. Это особенно 
важно для экспериментов с большим объемом данных и высокой скоростью протекания исследуемых процессов, где необходимо применять средства вычислительной техники. 
Планирование эксперимента ௅ это процесс, при котором устанавливается 
последовательность проведения опытов, определяются число и конкретные значения (уровни) независимых переменных, влияние которых необходимо учесть, 
оценивается точность задания независимых переменных, число повторных опытов и объем выборки экспериментальных образцов, проводятся выбор и условия 
проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью. От правильного выбора плана проведения целенаправленного эксперимента, в особенности, если объект сложный, в первую очередь зависит успех дальнейших исследований ௅ правильно выбранный план позволяет не только уменьшить объем исследований, но и минимизировать влияние 
на результат исследований неучтенных или неконтролируемых (неуправляемых) 
факторов. 
Отметим, что в целом выбранная нами классификация эксперимента (в широком смысле) базируется на работах профессора В.И. Крутова [7], как наиболее 
общем методологическом и научном подходе. Учебное пособие написано по материалам лекций, читаемых автором магистрантам и аспирантам ОмГУПСа 
начиная с 2007 года. 
6 


1. МЕТОДОЛОГИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ  
ИНЖЕНЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 
 
 
1.1. Цели и задачи инженерного эксперимента 
Целью изучения дисциплины является получение знаний, необходимых для 
сознательного усвоения специальных и профилирующих дисциплин, комплексного решения задач испытаний, регулирования, настройки, проведения измерений и обработки результатов наладочных и ремонтных работ на тепломеханическом и другом оборудовании. 
Непосредственной задачей изучения инженерного эксперимента является 
приобретение навыков, позволяющих выполнять следующие этапы работ: 
 ознакомление с конструкцией и технологической документацией испытываемого оборудования; 
 разработка методики испытаний, выбор средств измерений;  
 составление программы испытаний; 
 проведение подготовительных работ по монтажу и тарировке средств 
измерений; 
 тренировка персонала бригады и проведение прикидочных опытов, их 
обработка; 
 проведение основной серии опытов;  
 предварительная обработка основной серии опытов; 
 окончательная обработка опытных данных и составление технического 
отчета с выдачей рекомендаций. 
Базой для выполнения инженерных задач, по испытаниям тепломеханического оборудования являются теоретические основы планирования и проведения 
эксперимента; математические основы теории оптимизации, теории вероятностей и математической статистики. 
Ознакомление с объектом, на котором планируются наладочные или исследовательские работы, рекомендуется начинать с изучения проектных материалов: пояснительной записки, чертежей конструкции, а также тепловых, тепломеханических и других расчетов. 
Эффективность и надежность работы основного и вспомогательного оборудования, установленного на теплоэнергетических предприятиях, в значительной 
мере зависят от правильной постановки и проведения наладочных и исследовательских работ. По своему назначению эти работы обычно разделяют на: регулярные, плановые, экстренные. 
Регулярные работы являются необходимой составной частью работ, проводимых на ТЭС и котельных в период освоения оборудования с целью получения 
технико-экономических характеристик. 
7 
 

В результате таких работ устанавливаются некоторые конкретные значения 
параметров и их соотношения, характеризующие оптимальные (с точки зрения 
надежности и экономичности) режимы работы оборудования. При этом ориентируются на результаты конструкторских расчетов, основанных на нормативных 
и опытных материалах. 
Планирование и проведение работ оговорены в специально разработанных 
методиках, инструкциях и принципиальных трудностей не вызывают. 
 
 
1.2. Классификация, типы, задачи и цели эксперимента.  
Общие положения 
Важнейшей составной частью научных исследований является эксперимент, основой которого является научно поставленный опыт с точно учиты- 
ваемыми и управляемыми условиями. Само слово эксперимент происходит от 
лат. experimentum ௅ проба, опыт. В научном языке и исследовательской работе 
термин «эксперимент» обычно используется в значении, общем для целого ряда 
сопряженных понятий: опыт, целенаправленное наблюдение, воспроизведение 
объекта познания, организация особых условий его существования, проверка 
предсказания [1-5]. 
В это понятие вкладывается научная постановка опытов и наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом 
явлений и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Само по 
себе понятие «эксперимент» означает действие, направленное на создание условий в целях осуществления того или иного явления и по возможности наиболее 
частого, т. е. не осложняемого другими явлениями. Основной целью эксперимента 
являются выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования. 
Постановка и организация эксперимента определяются его назначением. 
Эксперименты, которые проводятся в различных отраслях науки, являются химическими, биологическими, физическими, психологическими, социальными  
и т. п. Они различаются по способу формирования условий (естественных и искусственных); по целям исследования (преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые, решающие); по организации проведения (лабораторные, натурные, полевые, производственные и т. п.); по структуре изучаемых объектов и явлений (простые, сложные); по характеру внешних воздействий на объект исследования (вещественные, энергетические, информационные); по характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования (обычный и модельный); по типу моделей, исследуемых в эксперименте (материальный и мысленный); по контролируемым величинам (пассивный 
и активный); по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный); по характеру изучаемых объектов или явлений (технологические, социометрические) и т. п. Конечно, для классификации могут быть использованы  
и другие признаки [6-10]. 
8 
 

1.3. Понятия о естественном и искусственном эксперименте 
Из числа названных признаков естественный эксперимент предполагает 
проведение опытов в естественных условиях существования объекта исследования (чаще всего используется в биологических, социальных, педагогических и 
психологических науках). Искусственный эксперимент предполагает формирование искусственных условий (широко применяется в естественных и технических науках). 
 
 
1.4. Преобразующий, контролирующий, поисковый  
и решающий эксперимент 
Преобразующий (созидательный) эксперимент включает активное изменение структуры и функций объекта исследования в соответствии с выдвинутой 
гипотезой, формирование новых связей и отношений между компонентами объекта ИЛИ между исследуемым объектом и другими объектами. Исследователь  
в соответствии со вскрытыми тенденциями развития объекта исследования преднамеренно создает условия, которые должны способствовать формированию новых свойств качеств объекта [8]. 
Констатирующий эксперимент используется для проверки определенных 
предположений. В процессе этого эксперимента констатируется наличие определенной связи между воздействием на объект исследования и результатом, выявляется наличие определенных фактов. Контролирующий эксперимент сводится к контролю за результатами внешних воздействий на объект исследования 
с учетом его состояния, характера воздействия и ожидаемого эффекта. Поисковый эксперимент проводится в том случае, если затруднена классификация факторов, влияющих на изучаемое явление вследствие отсутствия достаточных 
предварительных (априорных) данных. По результатам поискового эксперимента устанавливается значимость факторов, осуществляется отсеивание незначимых. Решающий эксперимент ставится для проверки справедливости основных положений фундаментальных теорий в том случае, когда две или несколько 
гипотез одинаково согласуются со многими явлениями. Это согласие приводит 
к затруднению, какую именно из гипотез считать правильной. 
Решающий эксперимент дает такие факты, которые согласуются с одной из 
гипотез и противоречат другой. 
Примером решающего эксперимента служат опыты по проверке справедливости ньютоновской теории истечения света и волнообразной теории Гюйгенса. 
Эти опыты были поставлены французским ученым Фуко (1819௅1868). Они касались вопроса о скорости распространения света внутри прозрачных тел. Согласно гипотезе истечения, скорость света внутри таких тел должна быть 
больше, чем в пустоте. Но Фуко своими опытами доказал обратное, т. е. что  
в менее плотной среде скорость света бyльшая. Этот опыт Фуко и был тем решающим опытом, который решил спор между двумя гипотезами (в настоящее 
время гипотеза Гюйгенса замена электромагнитной гипотезой Максвелла). 
9 
 

Другим примером решающего эксперимента может служить спор между 
Птолемеем и Коперником о движении Земли. Решающий опыт Фуко с маятником окончательно решил спор в пользу теории Коперника. 
 
 
1.5. Лабораторный и натурный эксперимент 
Лабораторный эксперимент проводится в лабораторных условиях с применением типовых приборов, специальных моделирующих установок, стендов, 
оборудование и т. д. Чаще всего в лабораторном эксперименте изучается не сам 
объект, а его образец. Этот эксперимент позволяет доброкачественно, с требуемой повторностью изучить влияние одних характеристик при варьировании других, получить хорошую научную информацию с минимальными затратами времени и ресурсов. Однако такой эксперимент не всегда полностью моделирует 
реальный ход изучаемого процесса, поэтому возникает потребность в проведении натурного эксперимента. Натурный эксперимент проводится в естественных 
условиях и на реальных объектах. Этот вид эксперимента часто используется в 
процессе натурных испытаний изготовленных систем. В зависимости от места 
проведения испытаний натурные эксперименты подразделяются на производственные, полевые, полигонные, полунатурные и т. п. Натурный эксперимент 
всегда требует тщательного продумывания и планирования, рационального подбора методов исследования. Практически во всех случаях основная научная проблема натурного эксперимента ௅ обеспечить достаточное соответствие (адекватность) условий эксперимента реальной ситуации, в которой будет работать впоследствии создаваемый объект. 
Поэтому центральными задачами натурного эксперимента являются: изучение характеристик воздействия среды на испытуемый объект; идентификация 
статистических и динамических параметров объекта; оценка эффективности 
функционирования объекта и проверка его на соответствие. 
 
 
1.6. Открытый и закрытый эксперимент,  
простой и сложный эксперимент 
Эксперименты могут быть открытыми и закрытыми, они широко распространены в психологии, социологии, педагогике [8]. В открытом эксперименте 
его задачи открыто объясняются испытуемым, в закрытом ௅ в целях получения 
объективных данных эти задачи скрываются от испытуемого. Любая форма открытого эксперимента влияет (часто активизирует) на субъективную сторону поведения испытуемых. В этой связи открытий эксперимент целесообразен только 
тогда, когда имеются возможность и достаточная уверенность в том, что удастся 
вызвать у испытуемого живое участие и субъективную поддержку намечаемой 
работе. Закрытый эксперимент характеризуется тем, что его тщательно маскируют; испытуемый не догадывается об эксперименте, и работа протекает внешне 
10