Упражнения и примеры решений

 

Упражнение 3.1. Вернитесь к выбранному вами из «Перечня» (с.26) объекту. Применяя последовательно приёмы РП, попытайтесь усовершенствовать объект.

Усовершенствуем молоток с помощью метода РП.

Правило РПВ.

РПВ1 «Оптимизация»: разделить действие так, чтобы в каждый момент объект находился в оптимальных условиях.

Недостаток молотка в том, что боёк имеет большую массу, рука при работе быстро устаёт. Если уменьшить массу бойка, сила удара будет недостаточной.

Предлагается на конце рукоятки молотка сделать предохранительный выступ. Это позволит при подъёме молотка держать рукоятку ближе к бойку, что уменьшит момент силы тяжести бойка и облегчит подъём. При опускании молотка силу сжатия рукоятки ослабляют, рука соскальзывает по рукоятке до упора в предохранительный выступ, скорость, а следовательно, и сила удара возрастут.

РПВ3 «Предварительное действие»: выполнить действие до начала работы.

При работе боёк соскакивает с рукоятки, что мешает работе и представляет опасность. Расклинивание рукоятки, применение стопорных устройств и т.п. усложняет конструкцию молотка и требует много времени.

Предлагается перед работой опустить боёк с прилегающим участком рукоятки в воду. Через полчаса рукоятка в месте крепления разбухает, и боёк будет надёжно закреплён на рукоятке.

РПВ4 «Опережение»: выполнить действие чуть раньше.

При работе молотком трудно нанести сильный удар точно в заданное место, например, по шляпке гвоздя. Опытные плотники и сапожники разделяют действие: сначала наносят несильный точный удар с небольшой амплитудой замаха, а затем повторяют удар с большей силой и большей амплитудой.

РПВ6 «Прерывистость»: использовать паузы между импульсами одного действия для другого действия.

В кузнице кузнецу помогает молотобоец. Пока молотобоец замахивается тяжёлой кувалдой, кузнец лёгким молотком наносит удар по заготовке, показывая таким образом молотобойцу, куда следует бить. Молотобоец наносит удар, а во время следующего замаха кузнец снова ударяет молотком в нужном месте и т.д.

Другим приёмам РПВ не удалось найти применение.

Правило РПП.

РПП2 «Разделение»: разделить объект на части, выполняющие разные функции.

В разд. 2 мы выявили противоречия, возникающие из-за неспособности молотка выдёргивать забитые гвозди. Сформулировали физическое противоречие: боёк молотка должен быть плоским, чтобы забивать гвозди, и острым, чтобы выдёргивать гвозди.

В соответствии с приёмом РПП2 сделаем один конец бойка плоским, а другой – заострённым, причём в заострённом конце сделаем паз для гвоздя. Сначала гвоздь заострённым концом поддевают за шляпку, чуть вытягивают, а затем подводят паз и, пользуясь бойком как опорой рычага, поворотом молотка выдёргивают гвоздь.

РПП3 «Оптимизация»: разделить объект так, чтобы каждая его часть находилась в условиях, наиболее благоприятных для неё.

Предлагается комплект молотков заменить молотком с набором бойков, соединяемых с рукояткой, например, с помощью резьбы, клина и т.п. В зависимости от характера работы на рукоятку надевают боёк требуемой формы (прямой, заострённый для пробивания отверстий, с лопаткой для обтёсывания кирпичей, с зубьями для отбивания мяса и т.д.).

РПП4 «Противопоставление»: разделить объект на части, каждая из которых по свойствам противоположна целому.

Деревянная или металлическая рукоятка молотка может выскользнуть из руки во время работы. Обрезиненная рукоятка не выскальзывает, но она не впитывает пот от ладони. Предложена рукоятка из колец бересты, насаженных на металлический стержень и плотно прижатых друг к другу. Вся рукоятка получается жёсткой, что обеспечивает концентрацию энергии удара, а каждое кольцо – упругое, что препятствует выскальзыванию рукоятки из руки.

Упражнение 3.2. Выявите физические противоречия в приведённых ниже задачах и попытайтесь разрешить их с помощью приёмов РПВ.

 

Задача 3.28. В металлическом корпусе прибора имеется глухое отверстие, в которое запрессован шарик. Через некоторое время его нужно извлечь, но сделать это трудно. Разборные конструкции не допускаются.

Как быть?

Решение. Имеем ФП: шарик должен быть надежно закреплен в гнезде по условиям работы прибора, и должен легко выниматься для замены. Явно напрашивается РПВ: в какой-то момент удовлетворяется первое требование, в какой-то – второе. Предлагается до запрессовки ввести в гнездо каплю воды. Перед выпрессовкой его нагревают до образования пара, под давлением которого шарик выталкивается. Авторами применен прием РПВ3 «Предварительное действие».

 

Задача 3.29. При выплавке никеля для удаления вредных примесей, например, серы, в печь через 40 – 50 специальных отверстий – фурм – продувают воздух. Но он охлаждает металл около них, и над каждой фурмой нарастает козырёк из отвердевшего расплава. Чтобы козырьки совсем не перекрыли фурмы, их приходится периодически сбивать ломом.

Как избавится от этой трудоёмкой операции?

Решение. Конечно, выход состоит не в том, чтобы заменить лом каким-либо механизированным устройством. Физическое противоречие заключается в том, что по условиям задачи воздух через фурмы должен подаваться согласно технологии и не должен подаваться, чтобы не образовывались козырьки. Применим приём РПВ6 «Прерывистость». Сразу же становится очевидным и решение: будем включать фурмы в работу поочерёдно. Пока вокруг работающих нарастают козырьки твёрдого металла, козырьки над неработающими фурмами под действием горячего металла расплавляются.

Задача 3.30. Новорождённые поросята первое время растут со своей мамашей, а затем их переводят в специальные помещения для молодняка. И тут между ними немедленно начинаются «турнирные бои» за лидерство, прекращающиеся только после установления строгой внутренней иерархии подчинённости. Бои могут продолжаться довольно долго, при этом падают привесы, многие «бойцы» калечатся, возможна даже гибель поросят. Содержать их в индивидуальных помещениях слишком дорого.

Как быть?

Задача 3.31. В республике Бангладеш растет 13 миллионов финиковых пальм. За сезон одна пальма дает свыше 200 литров сока, из которого приготавливают пальмовый сахар. Но для сбора сока нужно сделать надрез на стволе под самой кроной. А это 20 метров высоты.

Как быть?

Предложили делать ступеньки: человек поднимается и вырубает эти ступеньки. Но способ оказался непригоден – при большом числе ступенек дерево погибает. Применение специальных машин с выдвижной лестницей дорого и неудобно в пальмовых зарослях. Между тем бангладешские крестьяне легко решают эту задачу.

Задача 3.32. В последнее время все большее применение находят суда типа «река – море», позволяющие транспортировать груз без перегрузки. Для того, чтобы выдерживать морские штормы, корабль должен обладать хорошей устойчивостью. Лучше всего этому требованию отвечает катамаран – судно с двумя корпусами. Но на реке могут встречаться узкие места, где такой корабль не сможет пройти.

Как быть?

Задача 3.33. В конце 50-х годов прошлого столетия будущему академику и лауреату Нобелевской премии А.М. Прохорову потребовалось изготовить для лазерного генератора элементы из монокристалла редкого металла – циркония. Получить цирконий можно из расплава его окиси – белого порошка. Единственным приемлемым способом расплавления окиси является нагрев её в электромагнитном поле индуцированным током. Но окись циркония в твёрдом виде является диэлектриком. Получается замкнутый круг: для того чтобы окись была электропроводной, она должна быть расплавлена, а для того, чтобы расплавить окись, она должна быть электропроводной.

Как быть?

Задача 3.34. При производстве качественных сталей в них вводят большое число легирующих добавок – кремний, алюминий, молибден, хром и др. Добавки ещё до выпуска стали помещают в ковш в виде порошка, в котором их соотношение строго дозировано. Однако при выпуске стали её струя выбивает из ковша часть добавок.

Что можно предпринять, чтобы избежать этого?

Задача 3.35. При выплавке стали возникает необходимость перемешивать расплавленную сталь со шлаком (шлак поглощает примеси). Для этого используют мешалку, сделанную также из стали. Недостаток: мешалка быстро плавится. Сделать мешалку из тугоплавкой стали или титана – дорого. Сделать мешалку из керамики нельзя: мешалка быстро разрушится, появятся ненужные примеси.

Как быть?

Задача 3.36. После операции хирургу редко удается наложить швы так, чтобы точно совместить края разреза. Студентка Нижегородского медицинского института Галина Исаева предложила простое решение проблемы.

В чём, по-вашему, оно состоит?

Задача 3.37. В задаче 3.16 мы уже упоминали о неприятностях, которые доставляет при обработке резанием сливная стружка: она обвивает заготовку в месте обработки, затрудняет наблюдение за обработкой, попадает в зону работы соседних инструментов, вызывает трудности с уборкой из зоны обработки. Поэтому применяют различные способы дробления стружки.

Исследования показали, что если бы можно было подавать в зону резания некоторые вещества, например, гелий, то их ионы, проникая в кристаллическую решетку обрабатываемого металла со стороны только что образовавшейся идеально чистой поверхности стружки, способствовали бы её охрупчиванию, в результате чего стружка из сливной превращается в легко дробимую элементную. Но чистая поверхность стружки настолько плотно прилегает к поверхности режущего инструмента, что попадание постороннего вещества в контакт исключено. За пределами же контакта металл мгновенно окисляется, окисная плёнка оказывается непреодолимой преградой для гелия.

Как быть?

Задача 3.38. При обработке вязких материалов, например, жаропрочных сплавов, большая часть работы резания затрачивается на предварительную деформацию каждого элемента срезаемого слоя, прежде чем произойдет его сдвиг. Общая работа резания значительно возрастает по сравнению с работой при обработке твёрдых материалов. Кроме того, при обработке вязких материалов велика сила трения о переднюю поверхность инструмента, повышается опасность возникновения нароста на инструменте, возникают проблемы с уборкой непрерывной ленточной стружки.

Для устранения этих недостатков применяют искусственное упрочнение материала, например, термообработку. Но термообработка – дорогой процесс, требующий специальных условий. Хорошо бы применить наклёпывание поверхностного слоя методами поверхностного пластического деформирования – накатыванием, выглаживанием, дробеударной или виброударной обработкой. Но все эти методы упрочняют металл на глубину долей мм, к тому же степень наклёпа резко уменьшается с глубиной от поверхности в тело заготовки. А нам желательно упрочнить металл на всю глубину резания, причём по возможности равномерно.

Что вы можете предложить?

 

Упражнение 3.3. В приведённых ниже задачах выявите физические противоречия и попытайтесь разрешить их с помощью приёмов РПП.

Задача 3.39. Для подавления пыли в горных выработках используют водяную завесу в виде тумана. Однако туман ухудшает видимость и вреден для здоровья. Увеличение же величины капель снижает эффективность поглощения пыли.

Как быть?

Решение. Имеем физическое противоречие: капли должны быть мелкими, чтобы эффективно поглощать пыль, и крупными, чтобы не препятствовать нормальному дыханию шахтёров. Применим приём РПП2 «Разделение функций». Создадим завесу из двух слоёв. Внутренний, контактирующий с пылью, будет состоять из мелких капель, а наружный, обращённый к людям – из крупных капель. Каждый слой оптимально выполняет свою функцию.

Задача 3.40. Обмотки электрических машин закладывают в пазы, сделанные в железе статора, и плотно прижимают пластмассовыми вкладышами, имеющими в сечении форму ласточкиного хвоста. Если вкладыш выполнить по размеру паза, он будет надёжно удерживать обмотку, но его трудно вставлять, приходится применять молоток, что может стать причиной повреждения обмотки. Если же вкладыш выполнить с зазором, то вставить его несложно, но крепление не будет надёжным, возможны вибрации обмотки.

Как быть?

Задача 3.41. Вернёмся к задаче 2.7. Для снижения температуры шлифования на поверхности шлифовального круга предлагается сделать пазы. Но такой круг будет работать с ударами, он будет быстро изнашиваться, обработанная поверхность будет волнистой.

Как избежать ударов? Применяя разные приёмы РПП, вы сможете получить и разные решения.

Задача 3.42. Вернемся к задаче 2.6. Мы решили её путем разделения режущей кромки на два участка: участок с малым углом в плане j, прилегающий к вершине резца, и участок с большим j. Но теперь вместо плоской стружки, которая свободно завивалась в спираль, мы имеем корытообразную стружку, завивание которой затруднено. При больших значениях подачи стружка имеет вид прямого стержня, она мешает работе и представляет опасность для станочника.

Как быть?

Задача 3.43. Маленьких детей полезно купать с раствором морской соли или с травяным настоем. Детской ванночки нет. А при купании ребёнка во «взрослой» ванне расход соли и настоя получается неоправданно большим.

Как его уменьшить?

Задача 3.44. Трубы в топках испытывают атаку коррозии с двух сторон: изнутри они разъедаются паром, а снаружи – горячими газами. Пару хорошо противостоит углеродистая легированная сталь, но она не выдерживает высокой температуры пламени. Жаропрочная же сталь хорошо противостоит нагреву, но разрушается под действием водяного пара.

Из какой же стали делать трубы?

Задача 3.45. Охлаждение зоны обработки при шлифовании осуществляют струёй СОЖ. Если поливать зону контакта шлифовального круга с обрабатываемой заготовкой свободной струёй, то воздушный поток, образующийся вокруг быстро вращающегося круга, будет отбрасывать СОЖ от зоны контакта. Повышение же давления струи СОЖ вызывает резкое увеличение расхода СОЖ, а также приводит к необходимости создания специальных устройств, защищающих станок и рабочего от разбрызгивания СОЖ.

Как быть?

Задача 3.46. Сварка трением – один из самых простых способов соединения металлических деталей. Одну деталь закрепляют неподвижно, а другую быстро вращают. Как только детали соприкасаются, в месте контакта температура резко повышается, металл расплавляется. В этот момент детали сжимают, и они свариваются.

А теперь представим ситуацию: в цехе нужно смонтировать трубопровод из 10-метровых труб. Станок для вращения труб не помещается в цехе. Демонтировать оборудование нельзя – сложно и дорого, придётся останавливать производство. Можно сварить трубопровод из коротких труб, например, метровых – для их вращения достаточно небольшого станка. Но это тоже удорожает монтаж, к тому же увеличение числа швов снизит надежность трубопровода.

Как быть?

Задача 3.47. При обогащении руды исходные продукты подают в наполненную жидкостью открытую цилиндрическую камеру. Жидкость вспенивают, и пена, несущая частицы руды, перехлёстывает через край камеры. Для снятия пены используют лопастное устройство, расположенное над камерой: вращаясь, лопасти смахивают пену. При этом лопасти постепенно раскручивают и жидкость в камере, а это затрудняет отделение руды от пустой породы.

Как предотвратить вращение жидкости в камере, не мешая лопастям смахивать пену?

Задача 3.48. При сверлении глубоких отверстий специальным сверлом СОЖ подают к зоне обработки по стружечным канавкам. По этим же канавкам навстречу потоку СОЖ отводится из зоны резания стружка. Она препятствует движению СОЖ, выбрасывает её из отверстия. Кроме того, стружка горячая и, двигаясь в потоке СОЖ, она нагревает жидкость. Поэтому если какая-то часть жидкости и попадает в зону обработки, она уже сильно нагрета, и её охлаждающая способность снижается.

Как облегчить попадание СОЖ в зону резания, не снижая при этом её охлаждающей способности?

Задача 3.49. Резьбу в сквозном отверстии нарезают метчиком. Стружечные канавки метчика имеют наклон, вследствие чего стружка выходит из отверстия впереди метчика. Глубина канавки рассчитывается из условия помещаемости стружки. При недостаточной глубине канавки стружка в канавке уплотняется, «пакетируется», полностью забивает канавку, метчик тормозится, что может привести к его разрыву. Если канавку сделать глубокой, то уменьшится диаметр сердцевины метчика, что также может привести к его разрыву вследствие больших сил трения на калибрующей части метчика.

Как быть?

Задача 3.50. Из всех режущих инструментов наименьший период стойкости имеют свёрла – всего несколько минут. Частая смена инструмента приводит к большим потерям времени.

Как увеличить период стойкости хотя бы в два раза?

Задача 3.51. Резьбу в отверстии можно нарезать метчиком. Но при резании, как мы знаем, перерезаются волокна металла, резьба имеет недостаточную прочность. Можно изготовить резьбу пластическим деформированием при помощи метчика-раскатника. Прочность такой резьбы будет значительно выше. Но при деформации возникают большие усилия, которые могут привести к скручиванию инструмента. Поэтому на практике нарезают сначала метчиком резьбу неполного профиля, которую затем упрочняют при помощи метчика-раскатника. Но такая обработка в два раза менее производительна.

Как быть?

Задача 3.52. Черновое шлифование выполняют крупнозернистыми кругами из высокопрочного абразива. Чистовую обработку производят мелкозернистыми кругами из хрупкого абразива. Поэтому обработку ведут последовательно на двух станках, либо периодически меняют шлифовальные круги на одном станке. И то и другое существенно удорожает обработку.

Как быть?

Задача 3.53. На авиационном заводе для сверления отверстий в труднообрабатываемых материалах применяли свёрла из высококобальтового твёрдого сплава. Попытка увеличить скорость резания привела к быстрому затуплению режущих кромок, особенно их периферийной части. Поэтому с целью повышения стойкости свёрл было предложено делать их из малокобальтового твёрдого сплава. Режущие кромки стали изнашиваться медленнее, но свёрла стали ломаться.

Где же выход?

Задача 3.54. В научно-фантастическом рассказе описана экспедиция на Марс. Космический корабль опустился в долину с очень неровной поверхностью: всюду холмы, ямы, камни. Космонавты быстро снарядили вездеход – колёсный, с большими надувными шинами. Но на первом же крутом склоне вездеход опрокинулся набок.

Как быть? Учтите, что у космонавтов не было возможности переделывать вездеход.

Рассмотрим некоторые решения. Если к днищу вездехода подвесить груз, центр тяжести машины станет ниже, её устойчивость повысится. Но одновременно ухудшится проходимость: груз будет цепляться за камни. Если выпустить воздух из шин, замедлится скорость передвижения. Снабдить вездеход дополнительной парой боковых колес – усложнение конструкции, а мастерских на Марсе нет. Рекомендовать членам экипажа высовываться из окон и держать равновесие, как это делают мотогонщики – опасно.

Что вы сможете предложить?

 

Упражнение 3.4. А вот несколько задач, решаемых одновременным применением РПВ и РПП.

Задача 3.55. Грузы на складе перемещают с помощью ленточного транспортёра. Для транспортировки грузов в ящиках или коробках поверхность транспортёра должна быть плоской, следовательно, его опорные ролики должны иметь цилиндрическую форму. Для перемещения же сыпучих грузов поверхность транспортёров должна быть вогнутой, корытообразной, поэтому ролики должны иметь вогнутый профиль. Но разместить в складе два транспортёра нет возможности.

Как должен выглядеть транспортёр для попеременной транспортировки сыпучих и тарных грузов?

В качестве подсказки посмотрите решение задачи 3.26.

Задача 3.56. Топливный бак автомобиля – потенциальный источник опасности: при аварии топливо вспыхивает, и это часто приводит к трагедии. Применение огнетушителя не всегда возможно – пожар начинается мгновенно.

Итальянским инженерам удалось сконструировать бак, в котором вспыхивание топлива при аварии исключено. Как выглядит такой бак?

Задача 3.57. При выращивании картофеля по «голландской» технологии клубни при посадке не закапывают в землю, а засыпают земляным валиком. Валик по технологии требуется уплотнить. Для этого применяют специальные катки с вогнутой поверхностью. Но валики после посадки получаются разной формы – высокие и низкие, широкие и узкие и т.п. – всё зависит от состава почвы, её влажности и других факторов. Если форма катка сильно отличается от профиля земляного валика – уплотнение будет неравномерным.

Как же должен выглядеть каток, которым можно надёжно уплотнять валики различной формы?

Задача 3.58. В 800 году папа римский должен был короновать Карла Великого. Перед Карлом возникла проблема: с одной стороны, необходимо, чтобы именно папа возложил на него корону, тогда в глазах подданных он становился императором законно. Но с другой стороны, Карл не мог этого допустить, так как это означало бы, что именно папа дал ему власть.

Карл блестяще справился с задачей. Подумайте, как.

Задача 3.59. Дороги, по которым грузовики возят зерно на элеватор, порой бывают усыпаны зерном на радость птицам. Конечно, рачительный хозяин тщательно укрывает зерно брезентом, но это долгая и кропотливая операция. Машин с открывающимися крышами над кузовом пока нет. Да к тому же такие крыши вдобавок будут мешать при погрузке и разгрузке.

Как быть?

Задача 3.60. Маска электросварщика имеет тёмное стекло, через которое хорошо видно дугу и зону сварки, но ничего не видно, когда процесс сварки прекращается. Для осмотра шва сварщику приходится приподнимать маску, ждать, пока глаза привыкнут к свету (а это около минуты), и только после этого осматривать швы.

Что вы можете предложить?

Задача 3.61. Для чернового шлифования больших поверхностей, например, обработки мраморных полов, применяют прерывистые (сегментные) шлифовальные круги, работающие торцом. Такая конструкция круга позволяет снимать передней кромкой каждого сегмента большие припуски (как при фрезеровании). При этом наличие пазов между сегментами создаёт благоприятные условия для размещения стружки. В результате обеспечивается высокая производительность обработки. Однако наличие пазов ухудшает шероховатость обработанной поверхности. Поэтому чистовую обработку производят кругами со сплошной рабочей поверхностью. Смена круга ведёт к потере времени и снижению общей производительности.

Как быть?

Задача 3.62. В ванну с электролитом периодически загружают детали, выдерживают их там, а затем удаляют. При этом агрессивный электролит испаряется и разъедает металлические детали оборудования. Если ванну накрыть крышкой, её придётся каждый раз поднимать во время загрузки и выгрузки деталей.

Как быть?

 

Это интересно:

Будущий великий театральный режиссёр Константин Сергеевич Станиславский (Алексеев), работая директором золотоканительной фабрики, ввёл в 1896 году премирование за изобретательство. 10 премий по 30 руб. он ежегодно лично вручал на общем собрании рабочих.

 

Что такое веполь?

Инженерная карьера потому и заманчива,

что люди со средними способностями могут творить,

то есть могут испытывать счастье,

доступное только сверходарённым людям:

поэтам, музыкантам, художникам и ученым.

В.Е. Грумм-Гржимайло

Каждое разрешение проблемы

создаёт новую проблему

Иоганн Гёте

Г.С. Альтшуллер ещё в 60-е годы прошлого столетия предложил рассматривать любую техническую систему как совокупность веществ В и полей П. При этом минимальную систему из двух веществ и поля он назвал веполем – от слов «вещество» и «поле». Для наглядности веполь схематически изображают в виде:

В2 ¾ П ¾ В1

Линии между элементами веполя изображают связи (взаимодействия) между ними. Их можно конкретизировать следующим образом:

® положительное действие,

~ вредное действие,

«взаимодействие.

Вещество В1, которое требуется перемещать, обрабатывать, обнаруживать и т.д., то есть то, на которое направлено действие, принято называть изделием. Вещество В2, непосредственно взаимодействующее с ним, осуществляющее необходимое действие, называют инструментом. Поле П – это форма выделения, поглощения или преобразования энергии, сопровождающая действие. Вещественно-полевое представление технических систем легло в основу вепольного анализа – одного из эффективных методов решения творческих задач.

Вепольный анализ включает несколько правил. Рассмотрим три из них:

1) Достройка веполя;

2) Улучшение элементов веполя;

3)Надстройка веполя.

4.1. Достройка веполя (ВАД)

 

Творчество не есть удел избранных,

это удел нормально развитых.

Г.И. Иванов

 

Иногда для решения технической задачи бывает достаточно исходную систему из одного или двух элементов достроить до веполя путём добавления одного элемента (вещество или поле) или двух элементов (вещество и поле). Отсюда вытекает первое правило вепольного анализа – правило достройки веполя (ВАД):

Если невепольная система (из одного или двух элементов) неработоспособна, её нужно достроить до полного веполя путём добавления недостающих элементов.

 

Две первые буквы аббревиатуры означают «Вепольный анализ», Д – «достройка».

Рассмотрим задачу.

Задача 4.1. Рассказывают, что на основателя Китайского государства императора Цинь Ши-хуанди (259–210 гг. до н.э.), известного своей жестокостью, было совершено две попытки покушения. Покушавшимся оба раза удалось незаметно пронести во дворец мимо карауливших у ворот стражей кинжалы, спрятав их под одеждой.