Понятие об идеальной ТС. Общественные потребности и технические противоречия - основные факторы, ускоряющие развитие и совершенствование ТС.

Понятие об идеальной ТС - одно из важнейших для теории изобретательства и поиска технических решений. Это понятие позволяет резко сузить поле поиска, сделав его более целенаправленным. Чем точнее изобретатель представляет себе идеальную ТС, тем быстрее и более направленно ведется поиск на одном основном направлении. Одна из закономерностей развития ТС - повышение степени идеальности, позволяет сформулировать принципы идеальности, определяющие направление движения мысли к построению эффективной ТС. Принципы идеальности могут быть сформулированы следующим образом:

- получение полезного результата от действия или при помощи средства без самого действия или средства («получить даром»);

- в каждый момент времени и в каждом месте ТС должны быть только те свойства и процессы, которые обеспечивают получение полезного результата («ничего лишнего»);

- максимальное использование свойств и процессов ТС и ее окружения, устранение потерь и отходов («из лишнего - максимальную пользу»);

- минимизация затрат времени на получение полезного результата («получить сразу, мгновенно»).

Противоречие - источник самодвижения и развития ТС. Но всякое изменение ТС осуществляется человеком, поэтому процесс развития ТС должен рассматриваться в системе «общество-техника». Фактором, стимулирующим человека заниматься решением технических задач, является необходимость разрешения противоречия между потребностями общества и техническими возможностями их удовлетворения. Это противоречие называется социально-техническим противоречием. Если рассмотреть систему «техника-природа», то возникает противоречие: создание техники, удовлетворяющей те или иные потребности человека, одновременно приводит к разрушению природных систем, ухудшая среду обитания человека, т.е. возникает технико-экологическое противоречие, которое должно учитываться при создании ТС.

Потребности могут быть общие и частные.

Общие потребности - это потребности в пище, одежде, образовании, обеспеченной старости (они подразделяются на физические, интеллектуальные и социальные).

Частные потребности - это потребности человека в конкретном продукте материального и духовного производства, в конкретном виде услуг.

Общая потребность - это предпосылка производства, а частная потребность - его непосредственный результат. Выявление частных потребностей в значительной мере определяет успех создателей новой техники.

22. Принцип «обращения вреда в пользу» - использование вредных факторов (в частности, вредного воздействия среды) для получения положительного эффекта, устранения вредного фактора за счет сложения с другими вредными факторами, усиление вредного фактора до такой степени, чтобы он перестал быть вредным. В гистерезисном двигателе (ГД), применяемом, например, в гироскопе, для создания полезного момента используется явление магнитного запаздывания перемагничивания железа при изменении направления магнитного поля, приводящее к потерям подводимой мощности на гистерезис [41].

Из-за магнитного запаздывания между осью поля ротора и осью внешнего вращающего поля появляется угол у, приводящий к появлению тангенциальной составляющей силы, создающей полезный гистерезисный момент. Чем больше угол магнитного запаздывания у, тем больше будут магнитные потери и больший вращающий гистерезисный момент. На рис. 4.12 приведен ротор ГД, состоящий из полого цилиндра 1, выполненного из магнитотвердой стали (например, из викаллоя), насаженного на втулку 2, жестко насаженную на вал 3. Статор (не изображенный на рис.), создает вращающееся магнитное поле, увлекающее за собой ротор.

 

Рис. 4.12. Ротор гистерезисного двигателя

 

Принцип обратной связи, согласно которому необходимо ввести обратную связь или изменить имеющуюся. В известный более 100 лет шаговый электродвигатель (ШЭД) была введена обратная связь, регулирующая время подачи импульса питающего напряжения на ШЭД и его продолжительность в зависимости от сигнала датчика положения ротора. Такой двигатель называется реактивным индукторным двигателем (РИД), имеющим зубцы как на роторе, так и на статоре, но обмотка расположена только на статоре [42]. Схема управления РИД приведена на рис. 4.13. РИД по своим регулировочным свойствам, благодаря обратной связи, приближается к лучшему в этом отношении коллекторному двигателю постоянного тока.

Рис. 4.13. Схема управления РИД

 

24. Принцип «посредника» основан на использовании промежуточной ТС, переносящей или передающей действие или на присоединении к ТС другого (легко удаляемого) объекта. Значительное снижение нагрева обмоток ЭМ закрытого типа обеспечивается за счет «посредника» - воздуха, циркудирующего в машине при помощи встроенного вентилятора и отдающего тепло через радиатор. Увеличение коэффициента трения между железнодорожным рельсом и колесом локомотива производится иногда подсыпкой песка на рельс.

25.Принцип самообслуживания - ТС должна сама себя обслуживать, выполняя вспомогательные и ремонтные операции; в ТС желательно использовать отходы (энергии и вещества). Моторно-осевые подшипники скольжения ТЭД электровоза имеют систему, автоматически обеспечивающую постоянный уровень смазки, благодаря использованию свойств сообщающихся сосудов (камер) с маслом. В камере 7 (рис. 4. 14) постоянство уровня смазки поддерживается автоматически, а уровень смазки определяется положением нижнего торца межкамерной трубки 4. При работе электровоза, по мере расходования смазки и понижения её уровня ниже торца трубки 4, воздух через эту трубку будет поступать в камеру 3, выравнивая атмосферное давление в обеих камерах и вызывая поступление смазки из камеры 3 в камеру 7 до заполнения ее маслом до уровня трубки 4.

 

Рис. 4.14. Моторно-осевые подшипники ТЭД электровоза

 

Масло смачивает шерстяные косы 2, которые смазывают через окно во вкладыше 11 ось электровоза 12. Ось, вращаясь, заносит масло в щель между внутренними поверхностями вкладышей подшипников 1, 11 и поверхностью оси. Заполняется маслом букса 9 специальным устройством, наконечник которого вводится через трубку 5 и плотно вставляется в отверстие 8, через которое масло 6 поступает в камеру 3. Последняя заполняется до тех пор, пока масло не достигнет верхнего торца трубки 4. Спуск масла производится через отверстие, закрытое болтом 10.

26. Принцип копирования - вместо недоступной, дорогостоящей, неудобной или крупной ТС можно использовать ее упрощенные и дешевые копии в измененном масштабе. Каждый электровоз, прежде чем выйти на железнодорожные магистрали, должен пройти испытания на обкатном кольце, представляющем железную дорогу в уменьшенном объеме.

27. Принцип замены «дорогой долговечности на дешевую недолговечность», означающий замену дорогой ТС набором дешевых ТС, поступившись при этом некоторыми качест-

вами. Здесь примером могут быть шприцы одноразового использования, салфетки бумажные, целлофановые пакеты.

 

Рис. 4.15. Элементарные схемы генераторов постоянного тока: а) коллекторного; б) вентильного

Принцип замены механической схемы - замена механической схемы электрической, оптической, тепловой, акустической и использование электрических, магнитных и электромагнитных полей. Наиболее известным примером этого принципа является замена механического коммутатора - коллектора полупроводниковым коммутатором - выпрямителем.

34. Принцип отброса и регенерации частей состоит в том, что выполнившая свое назначение или ставшая ненужной часть ТС должна быть отброшена (растворена, испарена и т.д.) или видоизменена в ходе работы; расходуемые части ТС восстанавливаются в ходе работы. Ракета, отбрасывающая отработавшие ступени, - пример принципа отброса. Еще пример: перед пропиткой в компаунде на катушки обмоток главных и добавочных полюсов ТЭД перед наложением основной изоляции накладывается временный изоляционный бандаж, который после пропитки удаляется. После этого на катушку с уже пропитанной витковой изоляцией накладывается постоянная изоляция.

Принцип изменения физико-химических параметров ТС, включающий изменение агрегатного состояния объекта, химического состава, концентрации, температуры, объема. Магнитогидродинамические устройства (МГДУ), к которым относятся и МГД-генераторы, можно определить как ЭМ с якорной зоной в виде сплошной электропроводящей среды [41]. Главные достоинства таких устройств - отсутствие движущихся механических деталей и простота преобразования энергии. На рис. 4.17 представлен МГД-генератор с секцио-нированными электродами, замкнутыми на электрическую цепь с омической нагрузкой R_H.

 

Рис. 4.17. МГД-генератор

 

Рабочее тело РТ (проводящий газ, жидкий металл, растворы солей и кислот и т.п.) движется в канале, созданном верхней и нижней стенкой (проводящими электродами) и боковыми стенками (непроводящими электродами) за счет внешнего воздействия. Магнитная система, состоящая из боковых катушек с током, создает в канале поперечное магнитное поле В, которое, взаимодействуя с движущимся РТ, создает на электродах ЭДС, вызывающую ток I в электроцепях. Такой МГД-генератор называется фарадеевским. При разомкнутой внешней цепи МГД-генератор может работать расходометром, так как ЭДС пропорциональна скорости РТ. Если к электродам подвести напряжение, то генератор превращается в МГД-насос.

36.Принцип использования фазовых переходов предусматривает использование параметров, появляющихся при фазовых переходах (изменение объема, выделение и поглощение тепла, сверхпроводимость и т.д.). В 1911 г. Г. Камер- линг-Оннес обнаружил, что ртуть при температуре жидкого гелия 4,2 К внезапно теряет электрическое сопротивление и становится сверхпроводником (СП). В настоящее время известно около 1000 СП (например, Nb₃Sn.Nb₃Al, V₂Si, V₃Ga, Pb и др.), допускающих высокие значения напряженности внешнего магнитного поля и большие токи, что позволяет создавать высокоинтенсивные СП магнитные системы, например, для обмоток возбуждения ЭМ [41, 45-47].

37.Принцип использования термического расширения (или сжатия) материалов; если термическое расширение уже используется, применить несколько материалов с разными коэффициентами термического расширения. Сборка подшипниковых узлов с остовом ЭМ обычно производится с подогревом до 100-160°С горловины остова индукционным нагревателем для облегчения запрессовки подшипниковых узлов в расширившееся посадочное отверстие остова. Биметаллические пластины (изготовленные из двух металлов с различным коэффициентом теплового расширения), изгибаясь при нагревании, могут выполнять замыкание и размыкание электрических контактов.

Применение сильных окислителей заключается в замене обычного воздуха обогащенным, а обогащенного - кислородом. На космических и лунных кораблях нашли применение генераторы электроэнергии электрохимические, состоящие из топливных элементов (ТЭ), т.е. устройств, в которых химическая энергия горючего превращается в электрическую энергию [41]. В процесс вступает горючее (водород Н₂) и окислитель (кислород О₂). На рис. 4.18 приведена схема ТЭ типа Н₂-О₂. Два пористых электрода 1 и 2 располагаются на баке 3 с раствором щелочного электролита КОН. При взаимодействии проходящего из баллона 5 по 1 электроду Н₂ с ионами гидроокиси ОН электролита образуется вода (Н₂О), а электрод (анод) заряжается отрицательно. Проходящий из баллона 4 по 2 электроду (катод) кислород восстанавливает ионы калия К+ до щелоч-ного электролита КОН, заряжая электрод положительно. Молекула Н₂ распадается на 2 атома, которые ионизируются, образуя протоны и электроны. По схеме 2Н_2→4Н⁺+4е^-. Далее электроны е^- через внешнюю электрическую цепь с нагрузкой Rhпоступают к катоду, где происходит реакция 0₂+4е^-=20^-. Из-за неустойчивости иона кислорода 0^- в водной среде он переходит в ион гидроокиси ОН по следующей схеме 20^-+2Н₂0^->4(0Н^-).

 

Рис. 4.18. Схема топливного элемента

 

Затем ионы гидроокиси перемещаются к аноду через электролит, где происходит окончательная реакция 4(0Н^-)+4Н^+→4Н₂0. В результате таких процессов на выводах ТЭ возникает электрическое напряжение U. При учете только активных материалов удельная энергия ТЭ достигает 3,65 кВт • ч/кг.

39. Применение инертной среды вместо обычной; вести процесс в вакууме. Автоматическая электродуговая сварка обмотки якоря с пластинами коллектора ЭМ неплавящимся электродом в среде инертного газа.

40. Применение композиционных материалов. К композиционным материалам относится, например, электрическая изоляция, состоящая из стеклослюдинитовых лент, пропитанных электроизоляционными компаундами, улучшающими теплопроводность изоляции.

Решение технической задачи с использованием рассмотренных эвристических приемов начинается с выбора приема, наиболее подходящего для конкретной ТС, которую требуется улучшить. Выявляется главный недостаток и техническое противоречие, которое надо устранить. Выбор эвристического приема производится в основном по интуитивным соображениям. Наиболее быстро и точно такой выбор может выполнить специалист-конструктор. Знание приемов значительно ускоряет решение технической задачи.

Элементарный коллекторный генератор (рис. 4.15, а) включает коллектор, состоящий из 2-х изолированных друг от друга проводящих полуколец, к которым присоединены 2 проводника, находящиеся под разными полюсами N и S, создающими магнитный поток Ф (индукция При вращении полуколец с проводниками с угловой скоростью Ω, частотой вращения п относительно неподвижных щеток на зажимах двигателя появляется ЭДС одного знака Е_ср (выпрямленная). Для устранения механических скользящих контактов (щеток, коллектора), требующих постоянного ухода и замены (щеток) при их износе, вместо коллектора предложен полупроводниковый коммутатор (рис. 4.15, б). Двум коллекторным пластинам соответствуют четыре полупроводниковых вентиля.

29. Принцип использования пневмо- и гидроконструкций предполагает вместо твердых частей ТС использовать газообразные и жидкие надувные и гидроналолняемые, воздушную подушку, гидростатические и гидрореактивные. Использование надувных шин на транспорте (велосипед, мотоцикл, автомашина) для смягчения ударов от дороги на ТС и для равномерного распределения давления на обод колеса; пневматическая система управления электровозом (торможение и др.).

30. Принцип использования гибких оболочек и тонких пленок вместо обычных конструкций и использование их для изолирования объекта с их помощью от внешней среды.

В 1944 г. профессором МЭИ А.И. Москвитиным была предложена идея ЭД с гибким (волновым) ротором [43]. Согласно его авторскому свидетельству: “Принцип качения ротора по поверхности статора можно осуществить при условии прикосновения ротора к статору в двух диаметральных точках.

Для этого ротор надо сделать достаточно эластичным, чтобы он мог расплющиваться в форме эллипса”. Эта его идея была реализована по другому авторскому свидетельству в виде асинхронного ЭД (рис. 4. 16, а), ротор которого представляет собой гибкий цилиндр, состоящий из отде-

льных ферромагнитных стержней, последовательно соединенных друг с другом (рис. 4. 16, б). Магнитный поток в ЭД проходит через полюса 1 статора, воздушный зазор 2, ротор 3, через другой воздушный зазор, боковые участки статора, постоянный магнит 4 и замыкается на зубцах статора.

а)                                   б)