Точная формулировка задачи (проблемы), которая должна быть решена.

в процессе преобразования

Поступательное

 

 

Вращательно-поступательное

 

 

Неподвижное

 

 

Создать конструкцию добавочного полюса коллекторного электродвигателя, обеспечивающую наиболее эффективное улучшение его коммутации.

2.      Перечень всех морфологических признаков технической системы, характерных параметров, от которых зависит решение задачи (проблемыP1 - вид тока;

Р₂ - положение катушки на сердечнике;

Р₃ - конструкция крепления катушки;

Р₄ - вид намотки провода;

Р₅ - положение второго немагнитного зазора;

Р₆ - число крепящих добавочный полюс болтов;

Р₇ - материал крепящих болтов;

Р₈ - материал изоляции катушки;

Р₉ - исполнение сердечника;

Таким образом, нами выбрано 9 признаков. В настоящее время не существует надежного способа определения полноты принятого списка признаков. Оценить достаточность признаков может только специалист, работающий в рассматриваемой области техники.

3. Раскрытие возможных вариантов по каждому морфологическому признаку и составление морфологической матрицы.

Р1 - вид тока: Р1^ - постоянный; Р1² - пульсирующий; Р₄³ - импульсный;

Р₂ - положение катушки на сердечнике:

Pg¹ - распределенная по всему сердечнику; Р₂² - расположена в верхней части сердечника; Р₂³ - расположена в нижней части сердечника (низкоопущенная);

Р₃ - конструкция крепления катушки: Рд¹ - латунным наконечником (уголком); Р₃² - двумя латунными уголками; Рд⁸ - с помощью немагнитной (дюралюминиевой) обоймы и немагнитного клина; Р₃⁴ - с помощью латунного уголка и немагнитной прокладки;

Р₄ - вид намотки провода: Р₄¹ - на ребро; Р ² - плашмя;

Р₅ - положение второго немагнитного зазора: Рд¹ - устанины;

Р₅² - приближенный к первому зазору (низкоопущенный);

Р₆ - число крепящих добавочный полюс болтов: Р₆¹- 2 болта; Р₆² - 3 болта; Р₆³ - 4 болта;

Р₇ - материал крепящих болтов: Р₇¹ - сталь магнитная; Р₇² - сталь немагнитная;

Р₈ - материал изоляции катушки: Р₈* - класса нагревос- тойкости В; Р₈² - класса нагревостойкости F; Р₈³ - класса нагревостойкости Н;

Р₉ - исполнение сердечника:

Р₉¹ - шихтованный; Р₉² - массивный.

Окончательная морфологическая матрица представлена на рис. 3.1.

· Ток постоянный, пульсирующий и импульсный.

· Расположение катушки: распределенная,в верхней части, в нижней части сердечника.

· Крепление катушки: латунным уголком, двумя латунными уголками, в обойме, уголок — немагнитная прокладка.

· Вид намотки: на ребро, плашмя.

· Второй зазор: у станины, низкоопущенный.

· Число болтов: 2, 3, 4.

· Материал болтов: сталь магнитная, сталь немагнитная.

· Изоляция катушки класса В, F, Н.

· Сердечник шихтованный, массивный.

·

 

28. Эволюция конструкции технических систем – на примере электриче-ской машины постоянного тока. Приемы и методы изобретений

                   1. Пионерское изобретение в 1821 г. М. Фарадеем было одновременно и научным открытием непрерывного преобразования электрической энергии в механическую. зования электрической энергии в механическую. ЭД представлял собой постоянный магнит, вокруг которого вращался проводник с током в опоре. Скользящий электрический контакт обеспечивался ртутью, налитой в чашу. Это был униполярный двигатель, имеющий одноименно-полюсное исполнение, питаемый от гальванического элемента напряжением.

                   2. В 1824 году в книге английского ученого Петера Барлоу описана демонстрационная модель униполярной ЭМ, состоящая из вращающего колеса, по которому проходит ток, и постоянного магнита. Скользящий контакт создавался с помощью провода, подсоединенного к валу, и ртути, налитой в банку. Питание двигателя так же, как и в двигателе М. Фарадея, осуществлялось от батареек химических элементов напряжением.

       3. В 1833 г. появилась первая демонстрационная модель двигателя в разноименно-полюсном исполнении, предложенная английским ученым Уильямом Риччи. Магнитное поле в этом двигателе создавалось постоянным подковообразным магнитом. Между полюсами на вертикальной оси размещался электромагнит, питаемый от источника постоянного тока через коммутатор, изменяющий направление тока в обмотке.

       4. В1831 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, заключающееся в том, что всякое изменение магнитного поля вызывает появление электрического тока в короткозамкнутых проводниках, пронизываемых этим полем. Благодаря этому открытию, появилась возможность создания не только ЭД, но и ЭГ. Такой генератор был изобретен также М. Фарадеем в 1831 г. в униполярном исполнении - это диск Фарадея.

       5. Стремясь увеличить мощность ЭД, в 1834 г. петербургский ученый Борис Семенович Якоби создал ЭД (основанный на явлении притяжения и отталкивания между электромагнитами) с увеличенным числом П-образных магнитов (Б.С. Якоби применил изобретательский прием повышения эффективности за счет увеличения однотипных элементов в ТС). Четыре электромагнита 1 располагались на неподвижной раме, а четыре электромагнита - на вращающемся диске.

       6. Торцевое исполнение ЭД Якоби приводило к большим его габаритам, поэтому, когда Якоби было предложено установить в качестве тягового электродвигатель (ТЭД). Для повышения силы тяги бота Якоби пошел по пути объединения 40 ЭД на двух валах, по 20 ЭД на каждом. Гальваническая батарея состояла из 320 элементов. Отдельный ЭД состоял из обмоток электромагнитов, соединенных последовательно с помощью клемм, четырех подвижных и четырех неподвижных разнополярных электромагнитов. Изменение полярности подвижных электромагнитов производилось коммутатором. Напряжение к клеммам подводилось от гальванических элементов.

       7. В 1832 г. братья Пиксии на основе работ М. Фарадея разработали электромеханический генератор. Вращающийся постоянный магнит наводил в неподвижных катушках переменный ток, который выпрямлялся через коммутатор. Желание повысить мощность генераторов привело к увеличению в конструкции генераторов числа постоянных магнитов.

       8. Кроме открытия принципа самовозбуждения, произошло ещё одно принципиальное для развития ЭМ событие - изобретение итальянским студентом, а затем профессором Пизанского университета Антонио Пачинотти в 1860 г. ЭД с кольцевым якорем. Якорь, имевший форму стального кольца с зубцами по внешнему периметру и латунными спицами укреплялся на вертикальном валу. Зубцы значительно уменьшили магнитное сопротивление немагнитного зазора между якорем и наконечником электромагнита. Между зубцами якоря по кольцу наматывалась тороидальная обмотка, соединяемая с коллектором. Подвод тока к пластинам коллектора выполнялся при помощи роликов. Обмотка якоря и обмотка электромагнитов включалась последовательно.

                   9. Революционным событием в истории развития ЭМ, положившим начало промышленной электротехнике, явилось объединение принципа самовозбуждения с конструкцией кольцевого якоря А. Пачинотти. Это сделал французский изобретатель Зеноб Теофил Грамм. Первый патент им был получен в 1870 г. на самовозбуждающийся ЭГ. На его станине укреплены электромагниты с полюсными наконечниками . Якорь с коллектором, приводившиеся во вращение через приводной шкив.

                   10. К началу 70-х годов XIX века принцип обратимости ЭМ был уже известен. Согласно этому принципу любая ЭМ может работать как в режиме ЭГ, так и в режиме ЭД. ЭМ Пачинотти-Грамма применялась для обоих режимов работы. Появилась идея размещения внутренних проводников 1’ также на внешнем диаметре кольца, но при условии сохранения направления силы, действующей на перенесенный проводник 1" в направлении силы, действующей на проводник 1’.

11. Увеличение числа проводников на наружном диаметре сердечника (кольца) барабанного якоря привело к увеличению магнитного сопротивления немагнитного зазора между сердечником якоря и наконечником главного полюса (электромагнита), что вызвало рост требуемого числа витков на главном полюсе для проведения необходимого магнитного потока.

12. Выполнение зубчатого барабанного якоря с повы­шенными магнитными индукциями в зубцах привело к рос­ту потерь в стали зубцов от вихревых токов и гистерезиса.

13. В1880 г. американский изобретатель Хайрем Максим предложил внутренние каналы в сердечнике магнитопрово- да для вентиляции.

14. В 1882 г. для устранения перегиба барабанной обмотки_, возникающего при переходе от однослойной уклад­ки на сердечнике якоря к двухслойной в лобовой части 3 (рис. 7.15, б), Э. Венстон предложил выполнять и на сердеч­нике якоря укладку обмотки в два слоя.

15. Рост мощности ЭМ при одновременном уменьшении магнитного сопротивления немагнитного зазора привел к необходимости повышения точности ее изготовления для снижения токовой и магнитной асимметрии под разными полюсами.

Для выравнивания потенциалов в ветвях обмотки якоря, лежащих под разными полюсами одной полярности, в 1883 г. Мордеем предложены уравнительные соединения, электри­чески соединяющие равнопотенциальные точки обмотки.

16. Выполнение сердечника якоря зубчатым усилило противоречивые требования к немагнитному зазору - меж­ду необходимостью увеличения его магнитного сопротивле­ния для магнитного потока якоря и одновременно уменьше­ния его магнитного сопротивления для потока возбуждения электромагнитов.

17. Повышение частоты вращения и тока якоря привело к росту реактивной ЭДС, возникающей в коммутирующих секциях, расположенных в зоне коммутации при переходе их из одной параллельной ветви в другую. Этот рост приво­дил к повышенному искрению под токоснимающими элек­трощетками и повреждению коллектора и щеток. Для устранения искрения в 1885 г. Метер предложил устанавли­вать по нейтрали между главными полюсами возбуждения добавочные полюса (электромагниты), создающие комму­тирующую ЭДС, равную и противоположно-направленную реактивной ЭДС

Приемы и методы изобретений

Как отмечалось, все приемы и методы технического твор­чества в первую очередь были сформулированы при реше­нии изобретательских задач. Основные из них изложены в предыдущих главах (это методы дробления, объединения, изменения агрегатного состояния материи и др.). Их можно назвать операторами преобразования.

Все они являются частными случаями общих диалекти­ческих законов, таких как:

- закон о всеобщей связи и взаимозависимости явлений;

- закон единства и борьбы противоположностей;

- закон перехода количественных изменений в качест­венные;

- закон отрицания отрицания.

Эти законы являются главными законами развития при­роды, общества, техники.

29. Проектирование – важнейший этап создания ТС

       Проектно-конструкторская разработка ТС - это переход от изобретения, от идей, принципа действия или предвари­тельной схемы к их реальному воплощению «в металле» и окончательному конструктивному оформлению ТС. Это так­же переход от абстрактных представлений к конкретному решению.

       Проектирование как самостоятельный этап производс­тва выделилось в конце XIX и начале XX веков. В это время стали организовываться специализированные технические подразделения (бюро, конторы, общества), выполняющие по заказу чертежные и проектно-сметные работы.С годами проектные организации практически становятся основной движущей силой научно-технического прогресса.

Они устанавливают тесную связь и опираются на органи­зации, занимающиеся фундаментальными и прикладными исследованиями. На рисунке показаны связи различных ор­ганизаций с проектной организацией. Проектирование сти­мулирует прикладные исследования (1) по созданию новых прогрессивных технологий, методов расчета, новых матери­алов, исследованию новых образцов техники. Проектирова­ние связано с определением потребностей в новой технике (2), взаимодействуя с заказчиком.

Используя достижения в области фундаментальных наук, проектирование приближает их к практике (3), ставя перед ней новые актуальные задачи. Влияние проектиро­вания очень значительное в процессах организации произ­водства (4) и эффективного использования новой техники (5).  

       Проектирование ТС, отвечающих современным требованиям, является весьма сложной задачей, требующей от конструк­тора творческого подхода ко всем решаемым вопросам. Творчество возникает на основе следующих положений:

1. Окончательные решения могут появиться лишь на ос­нове рассмотрения различных вариантов решения при их сравнении.

2. Новые решения возникают за счет постепенного при­ближения к цели» на основе глубоких творческих ис­каний.

3. Решение сложной технической задачи проходит путь от общих положений ко всё более частным.

4. Нахождение новых решений происходит иногда за счет творческой переработки старых известных решений.

       Конечная цель проектирования - разработка конструк­торского проекта, включающего полный комплект графи­ческой и текстовой информации, на основе которой можно изготовить ТС, провести её испытания, наладить производс­тво, разобраться в принципе работы, правилах эксплуата­ции и обслуживания для обеспечения надежности и долго­вечности. Здесь в понятие проектирование входит, как этап, и конструирование. Это понятие, являясь довольно ёмким, включает в себя много стадий. Над проектом работа­ют инженеры самых различных профилей: исследователи, расчетчики, конструкторы и технологи. Разделить проекти­рование на собственно проектирование и конструирование довольно сложно. Конструирование - это этап в разработке проекта ТС, то есть этап проектирования.

30. Технические требования к проектируемой машине (ТС)

Технические требования (ТТ) к машинам составлены на основе огромного опыта, накопленного в процессе их созда­ния и эксплуатации [73]. Необходимость в ТТ появилась при переходе от индивидуального кустарного производства ма­шин к промышленному для обеспечения их сбыта в услови­ях рынка. С развитием техники они менялись. В настоящее время в их состав включают следующие требования:

- типизации;

- максимально возможной автоматизации;

- снижения массы;

- технологичности конструкции;

- безотказности и долговечности;

- эстетического оформления;

- безопасности в работе.

Типизация машин. Для снижения затрат на производс­тво, ремонт и эксплуатацию рекомендуется для машин мас­сового и серийного производства разрабатывать их типажи с конкретными параметрами и размерами. Типаж - это тех­нически и экономически обоснованная совокупность типов и типоразмеров машин, объединённых общностью назначе­ния и имеющих прогрессивные показатели. По типажу ма­шины делятся на группы, подгруппы, классы, подклассы и т.п. В основу типажа, берётся базовая модель, обладающая наиболее высокими технико-экономическими показателями.

Автоматизация управления машиной ~ основана на испо ювании систем программирования их работы, авто­матического контроля и регулирования и т.д. Автоматиза­ция приводит к повышению производительности машин, их надежности и безопасности. По степени автоматизации ма­шины делятся:

- на автоматы, работающие без участия человека, чело­век только запускает и останавливает машину;

- полуавтоматы, выполняющие работу без участия чело­века только в течение одного цикла, для повторения ко­торого необходимо вмешательство человека;

- неавтоматизированные, выполняющие работу при пос­тоянном участии человека.

Снижение массы и уменьшение габаритов - имеет ог­ромное технико-экономической значение, так как при этом экономится металл, уменьшаются затраты труда на погруз­ку-разгрузку, расход энергии и т.п. Основным мероприяти­ем, позволяющим уменьшить массу и габариты машины, является увеличение рабочих скоростей, значительно об­легчающих передающие движение части машины. Скорости машины могут выбираться, исходя из требований стабили­зации технологического процесса, но чаще всего скорость ограничивается быстрым нарастанием инерционных сил движущихся частей, повышенным износом и нагревом тру­щихся частей, повышением опасности для человека.

Технологичность конструкции - это возможность из­готовления её деталей с наименьшими трудовыми затрата­ми при рациональном расходовании материала. Форма и размеры детали должны как можно ближе соответствовать имеющимся заготовкам. Технологичность повышается при использовании в конструкции стандартизированных, нор­мализованных и унифицированных деталей. Технологич­ность относительна и определяется оснащенностью про­грессивной техникой завода-изготовителя. Машина может быть нетехнологична на одном, но вполне технологична на другом заводе.

Понятию «технологичная» - отвечает конструкция, удовлетворяющая условию минимума производственных и эксплуатационных затрат.

Надежность машины — это её свойство выполнять свои функции, сохраняя значения параметров в заданных пре­делах при заданных режимах эксплуатации и наличии со­ответствующего технического обслуживания, ремонта, хра­нения и транспортирования. Надежность обеспечивается совокупностью трех свойств: безотказностью, долговечнос­тью и ремонтопригодностью. Безотказность - свойство со­хранять полную работоспособность в течение определенного периода работы. Долговечность - свойство машины длитель­но сохранять (с учетом ремонта) работоспособность до разру­шения или до состояния невозможности нормальной эксплу­атации. Машина должна рассчитываться на срок службы в течение которого её эксплуатация технически и экономичес­ки целесообразна.

Художественно-эстетическому оформлению машин в последние годы в связи с развитием конкуренции уделяет­ся всё большее внимание. Разработчики стремятся придать машине красивый, изящный вид без ухудшения её эксплу­атационных качеств, что приводит не только к лучшему сбыту, но и к улучшению обращения с машиной в работе.

Безопасность работы с машинами и устройствами актуальна на протяжении всей истории развития техни­ки. В начале XX столетия в основу требования безопаснос­ти была заложена идея, что конструкция машины должна исключать несчастные случаи, даже если на ней работает абсолютно неквалифицированный и не умеющий логичес­ки мыслить человек. Однако такое требование оказалось трудноисполнимым и непрактичным, так как приводило к усложнению и удорожанию машины, но не исключало не­счастных случаев.