о всеобщей связи и взаимозависимости явлений. Реализуются эти законы соответствующими изменения­ми материи (деление, объединение, переходы из одного аг­регатного состояния в другое и т.п.). Способы изменения яв­ляются как бы своеобразными операторами преобразования материи. В неживой природе преобразования происходят без участия человека или живых существ (разрушение гор, таяние льда, замерзание воды, испарение и образование об­лаков и т.п.). Там, где есть живые существа, они интенсивно влияют на процессы в природе.

В технике изменения целенаправленно производит сам человек.

Закономерности развития ТС могут быть разделены на законы статики (ТС рассматриваются в неподвижном состо­янии), динамики (ТС рассматриваются в движении) и кине­тики (фиксируются изменения ТС во времени).

В работах [2, 23] выделены три следующих закона, опре­деляющих условия возникновения и жизнеспособности ТС:

• закон полноты частей ТС, требующий обязательного минимума компонентов (двигатель, трансмиссия, ра­бочий орган и средства управления) и их минимальную работоспособность;

• закон энергетической проводимости ТС₉ согласно ко­торому необходимо обеспечение сквозного прохода энергии через систему;

• закон согласования ритмики частей ТС, предусматри­вающий согласование периодичности действия, частот колебаний и т.п.

Кроме этих законов выявлены законы развития ТС:

• закон увеличения степени идеальности ТС, означаю­щий, что его развитие идет в направлении максималь­ного приближения к идеальной машине, т.е. к маши­не, создающей полезный результат при наименьших затратах;

• закон неравномерности развития частей ТС, согласно которому отдельные части ТС развиваются по-разному, усиливая технические противоречия между ними, осо­бенно у сложных ТС;

• закон перехода ТС в подсистему, означающий, что сис­тема может развиваться до определенного предела, пос­ле которого для обеспечения дальнейшего развития она должна быть включена в надсистему в качестве ее части;

• закон динамизации ТС, согласно которому для разви­тия системы ТС необходим ее переход от жесткой, пос­тоянной структуры к гибкой, управляемой структуре. Например, в авиации переход к убирающимся шасси, к крылу самолета с изменяющейся геометрией: на транс­порте- автобус с выдвигаемой ступенькой; складной велосипед, пантограф на электровозе и др.;

-закон перехода рабочих органов системы с макроуров­ня на микроуровень. Например, обработка твердых материалов режущими инструментами заменяется

воздействием лазера, плазменной струи, электроис­кровым методом.

Наряду с перечисленными законами, имеющими при­кладной практический характер, А.И. Половинкиным вы­полнены работы по выявлению законов развития теорети­ческого направления [3]:

• закон прогрессивной эволюции техники, описываю­щий этапы жизненного цикла ТС и изменение главных показателей критериев развития системы во времени. Главные показатели ТС изменяются в соответствии с функцией вида:

K=L/(a+e be"^fit), (2.1)

где L, a_fb,fi- коэффициенты, определяемые статистически­ми данными; t - время. Функция (2.1), называемая S-функ- цией, имеет вид, представленный на рис. 2.1. На начальном участке (до точки А) ТС развивается медленно, затем, когда начинается ее массовое применение, идет бурное развитие (до точки Б). После этого темпы развития начинают спадать. Законы прогрессивной эволюции наиболее целесообразно использовать при выполнении работ по анализу истории тех­ники и прогнозированию развития техники:

• закон соответствия между функцией и структурой объекта, заключающийся в том, что в правильно спро­ектированной ТС каждый элемент имеет свою опреде­ленную функцию (назначение). У правильно спроекти­рованной ТС нет «лишних деталей». Любая функция может быть реализована множеством различных конс­трукций (структур);

• закон симметрии, учитывающий то обстоятельство, что если по условиям работы ТС должна иметь какой- либо тип симметрии, то он должен найти отражение в конструкции. Например, железнодорожный путь сим­метричен относительно оси движения, поэтому теле­жки электровоза, тепловоза, трамвая и др. выполняют­ся с симметричным расположением колес относительно этой оси;

Рис. 2.1. Закономерность изменения главных показателей ТС при неизменном принципе действия

- закон стадийного развития отражает четыре основ­ные стадии развития ТС: первая стадия - реализу­ется технологическая функция (обработки); вторая стадия - реализуется технологическая , а также энер­гетическая функция (обеспечение энергией процесса обработки предмета труда); третья стадия - ТС реали­зует еще функцию управления процессом труда; чет­вертая стадия - ТС реализует для себя еще функцию планирования объема труда.

§ 2.4. Понятие об идеальной тс

Рост потребностей общества, опережающий возможности их удовлетворения, приводит к необходимости постоянного повышения эффективности машин, механизмов - техничес­ких систем. Каков же предел повышения эффективности?

Таким пределом будет то состояние системы (реально недостижимое), при котором полезный результат есть, а за­траты равны нулю. Назовем такую ТС абсолютно идеальной технической системой. Это понятие позволяет увидеть те стороны ТС, которые в первую очередь необходимо улучшать для ее развития [6, 24]. В пределе можно считать, что если рассматривается машина, то идеальная ее эффективность наступает тогда, когда машины нет, а работа совершается.

Идеальный процесс - результат получается без самого про­цесса - мгновенно. Идеальное вещество - набор полезных свойств без самого вещества.

Под эффективностью системы здесь понимается отноше­ние функционального эффекта (полезного результата систе­мы) к затратам.

Для приближения электрических машин к идеальным их стремятся выполнять с большей частотой вращения ротора, а изоляцию обмоток выполнять как можно тоньше и с наиболь­шей теплопроводностью. Для получения идеального процес­са ведется постоянная борьба за снижение затрат времени на протекание самого процесса. Так, процесс перевозки груза или пассажиров требует постоянного увеличения скорости движения транспортных средств. Например, французский поезд TGV развивает скорость 270 километров в час [25].

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 [6]:

• 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»).

В соответствии с первым принципом - «получить да­ром»- целесообразно использовать выходы соседних ТС и окружения. Например, обогрев торговых помещений теп­лом, выделяемым холодильником с хранимыми в них про­дуктами; использование возобновляемых источников энер­гии: ветра, солнца, волн, приливов и отливов. На транспорте - использование рекуперативного торможения локомотива и поезда, т.е. такого торможения, при котором тяговый элек­тродвигатель (ТЭД) переходит в режим генератора с отдачей электрической энергии в контактную сеть. Это приводит к экономии энергии на 8-15%.

Второй принцип - «ничего лишнего» -требует создания ТС, лишенных всякой избыточности. Это достигается за счет специализации частей системы ТС, а части системы, работа­ющие в изменяющихся условиях, должны иметь повышен­ную динамичность. Каждая часть ТС должна соответствовать условиям ее работы. Например, в электрических машинах стальной магнитопровод выполняется шихтованным, если через него проходит изменяющийся во времени магнитный поток, и массивным, если поток постоянен. Функциональ­ный динамизм обеспечивается за счет использования смен­ных элементов. Например, грузо-пассажирский электровоз может работать, перевозя поезда вагонов с пассажирами или поезда грузовых вагонов.

Третий принцип - «из лишнего - максимальную поль­зу» - предполагает максимальное использование резервов ТС, так как неизбыточных ТС не бывает. Например, этот принцип предполагает снижение потерь энергии, полное ис­пользование неполезных выходов, максимальное использо­вание времени для рабочих процессов.

Четвертый принцип идеальности - «получить сразу, мгновенно» - предполагает повышение эффективности про­цессов в ТС. Кроме интенсификации процессов, возможно совмещение операций в пространстве и во времени, сокра­щение числа операций. Например, одновременная работа на нескольких станках, использование при изготовлении дета­лей точного литья, штамповки и др.

Постоянное применение принципов идеальности позво­ляет максимизировать эффект ТС. Принцип идеальности находит применение при проведении функционально-стои­мостного анализа (ФСА), позволяет выявить резервы факти­ческой системы путем сравнения ее с идеальной. Сложность ТС постоянно растет, увеличивается их универсальность, их динамизм и формы движения материи (от макро - к микро­уровню, от механического движения к физическому, хими­ческому и биологическому движению материи). Но основ­ными факторами, постоянно воздействующими на процесс развития ТС, являются требования:

• увеличения функционального эффекта;

• повышения эффективности (идеальности) ТС.

Остальные направления и закономерности (специализа­ция, универсализация, усложнение, упрощение ТС, переход на микроуровень) действуют периодически, чаще всего при обострении противоречий.

§ 2.5. Общественные потребности и технические противоречия — основные факторы, ускоряющие развитие и совершенствование тс

Русская поговорка:«Нет худа без добра, а добра- без худа» в общедоступной форме отражает противоречивую, диалектическую природу нашего мира. Всякое техническое новшество, изменение конструкции несет с собой, кроме по­ложительного эффекта, также нежелательный отрицатель­ный эффект. Например, развитие атомной энергетики, обес­печивая население дешевой электрической энергией, в то же время несет с собой постоянную опасность заражения окру­жающей среды, а также порождает проблему утилизации и переработки отходов, имеющих высокую, опасную для чело­века радиоактивность.

Другой пример. Электрификация железных дорог с электровозной и тепловозной тягой приводит к повыше­нию КПД системы железнодорожного движения до 30% и выше, вместо 3-4% при паровозной тяге и 16-19% при теп­ловозной [26].

Рис. 2.2. Схема питания электрифицированных железных дорог

Но повреждения в системе электроснабжения электри­фицированных железных дорог приводят к более тяжелым последствиям, которые в принципе не могут возникать на неэлектрифицированных дорогах с автономным обеспече­нием энергией локомотива. Так, обрыв контактного прово­да (рис. 2.2), выход из строя электрической подстанции или электрической станции приводят к приостановке движения на довольно больших участках дороги. Можно также ожи­дать, что «живучесть» электрифицированных железных дорог в военное время может оказаться значительно ниже, чем неэлектрифицированных.

Приведенные примеры иллюстрируют действие основно­го закона диалектики - закона единства и борьбы противо­положностей, являющегося источником развития природы в целом и конкретно, в применении к технике - ТС. Процесс развития ТС можно представить состоящим из этапов зарож­дения, обострения и разрешения противоречий, присущих ТС.

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 [6]. 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 [27]. Общие потребности - это потребности в пище, одежде, образовании, обеспеченной старости. Они подразделяются на физичес­кие, интеллектуальные и социальные. Физические делятся на биологические (соответствующий состав воздуха, соот­ветствующая пища и др.) и материальные (одежда, жилье, транспорт, медицинская помощь). Интеллектуальные - пот­ребность в творчестве, культуре, образовании, познании мира, эстетические, этические потребности и т.п. Социаль­ные потребности, отражающие общественную природу че­ловека, - потребность в общении, которая формировалась в совместном труде. Частные потребности - это потребности человека в конкретном продукте материального и духовного производства, в конкретном виде услуг. Для создателей но­вой техники важно знать частные потребности в конкретном продукте производства. Общая потребность - это предпосыл­ка производства, а частная потребность - его непосредствен­ный результат. Выявление частных потребностей в значи­тельной мере определяет успех создателей новой техники.

Зачастую их неудачи обусловлены неумением определить действительные и актуальные потребности.

Из истории техники известно, что изобретение появляет­ся и совершенствуется там, где в нем имеется наибольшая потребность. Выявление этих потребностей - характерная черта деятельности известных изобретателей. Возникно­вение новой потребности сразу вызывает социально-тех- ническое противоречие. Причем некоторые противоречия остаются неразрешенными столетиями (проблема освоения воздушного пространства), а некоторые противоречия раз­решаются почти одновременно с появлением (например, со­здание фонографа Эдисоном). Наиболее четко и даже жестко потребности в новых видах техники выявляются в военном деле, особенно в периоды военных конфликтов. Интересна в этом смысле история появления танка [20].

Так, в конце XIX века все предпосылки для появления танка были уже созданы: изобретены гусеничный движи­тель, двигатель внутреннего сгорания, броня, скорострель­ные пушки и пулеметы и даже созданы первые гусеничные тракторы, считающиеся предшественниками танков. Одна­ко, несмотря на такие возможности, тогда танк не появился, поскольку не возникала общественная насущная потребность в нем. И лишь Первая мировая война XX века в жестокой форме выявила эту необходимость. Скорострельные пушки и пулеметы буквально косили идущие в атаку полки и диви­зии, и им нечего было противопоставить. Огромные людские потери сражавшихся миллионных армий заставили рыть окопы и блиндажи на огромном протяжении от Ла-Манша до Швейцарии и скрываться в них. Война зашла в позицион­ный тупик. Выход из этого положения был найден в создании танка - машины, способной передвигаться по пересеченной местности, через окопы, рвы и проволочные заграждения и иметь пуленепробиваемую броню, защищающую танкиста от скорострельных пулеметов. Мысль о необходимости со­здания танка впервые была высказана английским полков­ником Суинтоном в 1914 г.

Английская фирма Фостера за 40 дней создала танк, раз­работанный на базе гусеничного трактора главными конс­трукторами инженером Триттоном и лейтенантом Вильсо­ном. Танк, названный «маленький Вилли», был испытан в 1915 г. и показал неплохие ходовые качества. За годы той войны Англией и Францией было выпущено около 7000 тан­ков различной модификации. Использование танков изме­нило весь ход войны.

Рассмотрим еще один пример влияния потребности, можно сказать, обостренной потребности в совершенство­вании существующего технического объекта, вызванной его недостатками, не позволяющими получить его расчет­ные параметры. Речь идет о магистральном грузовом шес- тиосном электровозе BJI60, предназначенном для работы от контактной сети переменного тока напряжением 25 кВ. На нем были установлены коллекторные тяговые двига­тели, шестиполюсные, получавшие питание через транс­форматор и выпрямительную установку, - напряжением на коллекторе 1450 В. Было изготовлено и запущено в экс­плуатацию более 1000 электровозов. При их эксплуата­ции выявилось, что повысить напряжение на коллекторе более 1100-1200 В невозможно из-за выхода из строя тя­говых двигателей, на которых при большем напряжении происходили перебросы электрической дуги между разно- полярными щеткодержателями, переходящие в круговой огонь - явление, при котором электрическая дуга замы­кается по всему наружному диаметру коллектора, нанося значительные повреждения как коллекторно-щеточному узлу, так и близлежащим деталям двигателя (траверсе, соединительным проводам и др.).

Различные усовершенствования, направленные на уст­ранение этого недостатка, такие, как шихтованные вставки в магнитной цепи между добавочными полюсами, гетинак- совые дорогостоящие прокладки, устанавливаемые между щеткодержателем и коллектором, не давали необходимого результата.

Многие специалисты понимали, что наиболее эффектив­ным средством, снижающим дугообразование на коллекто­ре, является применение на двигателе компенсационной об­мотки, укладываемой в пазы, выштампованные в стальных сердечниках главных полюсов, и создающей магнитодвижу­щую силу (МДС), равную и противоположно направленную МДС обмотки якоря [28]. Но такое решение значительно увеличивало трудоемкость изготовления двигателей. Для ее снижения инженерами М.А Комаровским, В.В. Дубовым и Ю.В. Куприановым предложено изумительно простое и эф­фективное решение. Вместо выполнения компенсационных пазов радиальными, оси которых направлены по радиусу от центра двигателя, было предложено оси пазов располагать параллельно оси добавочных полюсов, выполняя пазы от­крытыми (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Магнитные системы ТЭД

Такое решение позволило выполнять компенсационную обмотку в виде отдельных катушек, наматываемых, форми­руемых и изолируемых вне двигателя, а затем укладывае­мых в открытые параллельные пазы в полюсных наконеч­никах сердечников главных полюсов. Число таких катушек равно числу полюсов двигателя.

Отметим, что до этого предложения компенсационная обмотка выполнялась укладываемыми в отдельные полуза­крытые пазы стержнями, формируемыми, свариваемыми и изолируемыми внутри двигателя.

Выполнение открытых пазов компенсационной обмот­ки параллельными оси добавочных полюсов позволило зна­чительно снизить трудоемкость изготовления двигателей с компенсационной обмоткой. Такую конструкцию обмотки следует признать высокотехнологичной. Она уже более 30 лет успешно применяется в тяговых электродвигателях.

Возникновение качественно новой общественной потреб­ности - явление довольно редкое. Более частая задача - это удовлетворение все возрастающей количественно известной общественной потребности. Возникающая при этом посто­янно возрастающая диспропорция между потребностью и возможностью ее удовлетворения приводит к тому, что толь­ко за счет количественного роста параметров ТС ликвиди­ровать диспропорцию становится невозможным. Возникает социально-техническое противоречие, постепенно обостря­ющееся и требующее создания качественно новой ТС, так как даже небольшие улучшающие изменения в одной части ТС приводят к ухудшению другой части. Например, увели­чение количества углерода в электротехнической стали при­водит к уменьшению потерь энергии в ней, но ухудшает ее магнитные свойства.

Единство ухудшения и улучшения сторон ТС, т.е. единс­тво положительного (ПЭ) и нежелательного (отрицательно­го) эффекта (НЭ) при изменении некоторой части ТС, назы­вается техническим противоречием (ТП) [2]:

ТП = ПЭ + НЭ; ТП = (ПЭ НЭ),

где ПЭ —» НЭ означает, что ПЭ причина НЭ.

Технические противоречия возникают между элемента­ми системы и их частями, между техническими параметра­ми и свойствами. Например, увеличение мощности ТС вы­зывает недопустимое ухудшение экологической обстановки; требуемое повышение прочности вызывает недопустимое увеличение массы конструкции.

Каждая часть ТС обладает комплексом ТП. Главные среди них - это противоречия, связанные с принципом действия ТС. Именно их постоянно приходится разрешать в процессе создания и совершенствования ТС; они являются источником развития системы. Если ПЭ £ НЭ, то противоречие мало замет­но, но, когда нежелательный эффект начинает приближаться к границам допустимого, ТП начинает обостряться. Техни­ческие решения, качественно меняющие ТС, связаны с раз­решением острого ТП. Устраняя или разрешая ТП, мы одно­временно устраняем и социально-техническое противоречие.

Выявление ТП необходимо для того, чтобы на основе его анализа наметить пути его разрешения или устранения.

В соответствии с законами диалектики разрешение про­тиворечия заключается в диалектическом отрицании. В ТП отрицанию должен подвергаться нежелательный эффект (НЭ):

ТП = ПЭ + НЭ,

где НЭ - отрицание НЭ. При этом положительный эффект должен сохраняться.

При анализе противоречий необходимо найти источник противоречия, т.е. ту часть ТС (узловой компонент), которая обеспечивает как существование положительного эффекта, так и является причиной нежелательного эффекта. Узловой компонент может быть элементом, группой элементов или иметь вид взаимодействия элементов.

Рассмотрим в качестве примера коллекторную электри­ческую машину постоянного тока. Повышение мощности машины возможно за счет увеличения длины сердечника якоря (если, например, невозможно увеличивать его диа­метр). Однако на положительный эффект (ПЭ) роста мощ­ности машины при увеличении длины сердечника якоря накладывается отрицательный эффект (НЭ) ухудшения ее коммутации, выражающийся в повышении электрического искрения под электрощетками.

Однозначное состояние части системы - сердечника яко­ря - на уровне внутреннего функционирования ТС раздваи-

54

вается на уровне внешнего функционирования на противо­положности: на улучшение (рост мощности) и ухудшение (повышенное коммутационное искрение) внешних показа­телей (см. рис. 2.4.).

Рис. 2.4. Упрощенная логическая структура техничес­кого противоречия для электрической машины с большой длиной сердечника якоря (ПЭ - положительный эффект, НЭ - нежелательный эффект)

Противоречия между внешними показателями ТС вызва­ны внутренним противоречием, которое, в отличие от ТП, называется физическим противоречием (ФП). Логическая структура ФП в нашем примере может быть представлена рис. 2.5. и сформулирована следующим образом: длина сер­дечника якоря (узловой компонент) должна быть большой, чтобы увеличить мощность электрической машины, и од­новременно - маленькой, чтобы улучшить ее коммутацию. Формулировка ФП, относящаяся в общем виде к формули­ровке антиномий - проблем в формальной логике - обладает эвристическими свойствами, указывая условия устранения этого противоречия.

ФП состоит в наличии у одного и того же элемента систе­мы взаимопротивоположных свойств или функций. Напри­мер, элемент электрической схемы должен быть проводни­ком для выполнения определенного действия и одновременно диэлектриком для выполнения другого. Это противоречие разрешается использованием в качестве элемента - диода (полупроводника).

ПЭ НЭ

Рис. 2.5. Упрощенная логическая структура физического противоречия (ПЭ - положительный эффект, НЭ - отри­цание нежелательного эффекта)

С точки зрения формальной логики ФП - это абсурд, а с позиций диалектической логики несовместимость - по­нятие относительное. Так, несовместимые требования к од­ному и тому же элементу можно развести во времени или пространстве. При разделении в пространстве в объекте выделяются две части, каждая из которых выполняет свои функции. Например, вкладыши подшипников скольжения изготавливают из твердой латуни, на которую со стороны оси вращения наносится более мягкий, легко притирающийся баббит; цементация стали позволяет создать более твердый науглероженный поверхностный слой, а основная масса ос­тается более мягкой, вязкой и менее хрупкой. Примерами разделения во времени несовместимых свойств являются «очки-хамелеоны» с изменяющейся прозрачностью стекол, уже упоминаемые ранее, выдвигаемая на остановке ступень­ка автобуса, убирающиеся шасси самолета, пантограф.

Если же противоположные требования к узлу невозмож­но развести во времени и пространстве, то необходимо учесть, что зачастую эти требования нелинейны и можно одно из требований смягчить, ограничив его до минимума. Одним из приемов разрешения противоречий является использование диалектического единства противоположностей: части и це­лого, формы и содержания, причины и следствия и т.д.

Например, противоречие между частью и целым в тяго­вом электродвигателе разрешается, когда якорь, имея не­большую тангенциальную силу одного паза (часть), с учетом всех пазов в целом, создает значительный вращающий мо­мент; разрешение противоречия между формой и содержани­ем при переходе вещества в другое агрегатное состояние (за­мерзание воды, затвердевание смазки и др.)> когда вещество, с точки зрения химического состава, есть, но по требуемому агрегатному состоянию его нет; разрешение противоречия между причиной и следствием при управлении, например, электровозом, когда слабое воздействие (причина), возника­ющее от поворота машинистом рукоятки контроллера, при­водит к изменению режима движения целого поезда массой 4-5 тысяч тонн, т.е. к значительному изменению параметров системы «электровоз-поезд» (следствие).

Разрешение ТП требует его тщательного анализа, вклю­чающего построение его структуры, отрицания нежелатель­ного эффекта, формулировки ФП и др.

§ 2.6. Ограничения при поиске решения технических задач и критерии оценки этих решений

Ограничения определяют условия, при которых долж­на быть достигнута цель разработки ТС. В первую очередь ТС должна удовлетворять законам и закономерностям природы, общества и техники в целом, которые должны служить объективной базой для поисковых ограничений, обеспечивающих направленность поиска. К ограничени­ям относятся требования, обеспечивающие необходимую для ТС работоспособность, эффективность, ремонтопри­годность, надежность. Внешние условия эксплуатации ТС являются также ограничивающими факторами для нее.

Она должна:

- быть размещена в ограниченном пространстве (геомет­рические ограничения);

• работать в определенной среде - воздух, вода, газ, без­воздушное пространство, агрессивная среда и др.;

• иметь определенные запасы прочности, выдерживать допустимую температуру нагрева элементов.

Кроме того, задаются ограничения: иногда - на массу, форму, компоновку, стоимость, безопасность эксплуатации, а зачастую - на выбор используемых материалов, комплек­тующих изделий, на сроки разработки и сроки окупаемости ТС. Обязательно учитывается необходимость приспособлен­ности ТС для человека, учет его физико-психических ка­честв, т.е. вводятся антропологические ограничения на ТС.

Среди различных параметров ТС имеются параметры, ха­рактеризующие степень ее совершенства и прогрессивности. Такие показатели называются критериями развития [3]. К ним относятся, например, значение мощности, удельная ма­териалоемкость или энергоемкость, внешний вид, влияние на окружающую среду и др. Критерии развития входят со­ставной частью в более общее понятие критерий качества, к которому также относят другие параметры ТС, характери­зующие ее эффективность и качество.

Наиболее полно критерии развития рассмотрены А.И. Половинкиным [3]. По его мнению, в целом развитие различных ТС подчинено единому набору критериев, вклю­чающему следующие четыре группы критериев:

• функциональные критерии, характеризующие глав­ную, полезную функцию ТС;

• технологические критерии, характеризующие техноло­гичность конструкции ТС, т.е. возможность и простоту ее изготовления;

• экономические критерии, определяющие экономичес­кую целесообразность внедрения ТС;

-антропологические критерии, характеризующие сте­пень приспособленности ТС к человеку, ее безопасность и безвредность для человека.

Функциональные критерии, представляющие собой ко­личественную характеристику главной полезной функции

ТС, имеют большое разнообразие. Наиболее важными явля­ются следующие группы критериев: производительность, точность, надежность.

Производительность машины - число операций или единиц продукции, производимых ею в единицу време­ни. В таблице 2.1 приведены примеры расчета производи­тельности различных ТС. В ней: N - мощность, кВт (кВА); G - грузоподъемность, т; v - скорость, км/ч; V - объем, м³; т - масса, т; t - время, ч.

Таблица 2.1

Параметры и размерности производительности ряда ТС

Производительность машины определяется:

• степенью механизации процесса;

• степенью автоматизации процесса;

• степенью непрерывности процесса обработки.

Точность выполнения операций включает в себя:

• точность измерения;

• точность попадания в цель;

• точность обработки - материала и вещества, потока энергии, потока информации.

Надежность ТС складывается из высокой долговечнос­ти, безотказности действия, сохранении ремонтопригоднос­ти. При определении надежности обычно исходят из поня­тия отказа машины, т.е. любой вынужденной ее остановки. Надежность характеризуется частотой отказов, длительнос­тью бесперебойной работы между отказами.

Кроме этих критериев важнейшую роль играет функцио­нальный критерий эффективности ТС, который является от­ношением производительности ТС (функционального эффек­та) к затратам. Зачастую критерием эффективности называют отношение производительности ТС к ее массе [29], т.е.

Повышение ботке ТС.

Тяговые электродвигатели отечественных электровозов имеют различные значения Кэф в зависимости от типа двига­теля и в силу тех или иных ограничений, и в первую очередь, ограничению по частоте вращения. Коллекторные тяговые двигатели постоянного и пульсирующего тока имеют К_эф = 0,1 - 0,2 кВт/кг, частотно-управляемые асинхронные и вентиль­ные двигатели, реализующие большую частоту вращения, - достигают значений 1? = 0,2 - 0,5 кВт/кг.

Технологические критерии оценивают технологичность конструкции, т.е. совокупность признаков, обеспечиваю­щих наиболее быстрое и экономное изготовление машины. Кроме технологичности изготовления деталей необходимо обеспечить технологичность сборки и ремонта ТС. Требова­ния к технологичности зависят от масштаба и типа произ­водства (мелкосерийное, крупносерийное или массовое). Рассмотрим четыре критерия технологичности.

Критерий трудоемкости изготовления ТС представляет собой отношение суммарной трудоемкости проектирования, изготовления и подготовки к эксплуатации ТС к его произ­водительности и представляет собой монотонно убывающую функцию, если сопоставление ведется по одному и тому же показателю производительности ТС.

К^П/т.

i К - основная задача при разра-

где к_с, тс^ ~ весовые коэффициенты (тс_с> Ку> к_нх > к_Н2₉

к с = 1); Ас - число стандартных или покупных элементов ТС, получаемых готовыми; А_у - число унифицированных элементов ТС, т.е. заимствованных из уже существующих ТС. Сюда не входит унификация конструктивных элементов (посадочные поверхности, посадки и классы точности, типы резьб, модули зубчатых зацеплений и др.), а лишь унифика­ция деталей и узлов; A_ni - число оригинальных (новых) эле­ментов, не требующих приобретения дополнительного обору­дования, но для которых необходима разработка технологии их изготовления; А_Н2 - число оригинальных элементов, вы­зывающих большие трудности при их освоении. Кроме раз­работки новой технологии требуется разработка сложной технологической оснастки и приобретение дорогостоящего оборудования; А_нз - число оригинальных элементов, изго­товление которых вызывает затруднения, на данном этапе непреодолимые. Например, нельзя приобрести необходимое технологическое оборудование или материалы.

Если в числителе формулы (2.2.) оставить только Ас, полу­чим критерий стандартизации ТС, если же оставить Ас+А_у, то получим критерий унификации. Критерий изменяет свои значения на отрезке ОйКтв^ и показывает, в какой степени сохраняются в ТС элементы, проверенные практикой и имею­щие отработанную технологию изготовления. Чем выше Ктв> тем меньше будут затраты при освоении ТС в производстве.

Критерий использования материалов, показывающий долю полезного использования материала при его обработке. Он равен отношению массы изделия к массе израсходован­ных материалов. Обычно он не превышает 0,55, т.е. значи­тельная часть материала при изготовлении уходит в отходы. Актуальность повышения критерия использования матери­алов была и остается высокой.

Критерий разделения ТС на элементы требует выбора такого числа элементов ТС, которое обеспечит наименьшие затраты при изготовлении ТС, упрощает доводку, изготовле­ние, ремонт и модернизацию изделий.

Экономические критерии - это критерии, в значитель­ной мере определяющие стоимость ТС.

Критерий расхода материалов равен отношению массы ТС к ее производительности (функциональному эффекту), т.е. представляет собой удельную массу материалов на еди­ницу производительности.

Критерий расхода энергии позволяет оценить, насколь­ко полезно расходуется затраченная на ТС и потребляемая ТС энергия - и выражается следующей формулой:

K_d=(W₉+W_u)/TII, (2.3)

где W_a,W_u - соответственно полная затрата энергии за вре­мя эксплуатации ТС и затрата энергии при изготовлении, Т - время эксплуатации ТС.

Если W_u « W₃, то формула (2.3.) может быть записана следующим образом:

K_d=W₉/TII=W/n, где W=W₃/T.

Наиболее широко известна модификация критерия К_э, называемая коэффициентом полезного действия (КПД) и представляющая отношение полезной работы (энергии) W₀ к затраченной работе (энергии) W в единицу времени

K₃=W₀/W.

КПД представляет собой монотонно возрастающую функ­цию для ТС с одинаковым принципом действия. Изменение принципа действия может привести к резкому изменению КПД. Так, в XVIII в. переход от водяных колес с КПД 60-70% к более перспективному по выработке энергии ТС - паросило­вым установкам - привел к снижению КПД до 0,6-0,7%.

Основным видом энергии в настоящее время является электрическая. КПД тепловой электростанции порядка 40- 50%, на гидростанции КПД достигает значения 90% [30].

Критерий габаритных размеров ТС (Кг) равен отношению габаритных размеров ТС к ее производительности. Сниже­ние габаритных размеров в большинстве случаев приводит к уменьшению расходов на ТС. Критерий габаритных раз­меров влияет на большинство ТС, за исключением ТС, име­ющих функциональное ограничение габаритов, например, размерами человека, животного или другими причинами.

Антропологические критерии развития ТС позволяют вы­полнить оценку соответствия и приспособления ТС к челове­ку, дискомфорт или опасность воздействий на человека ТС.

Критерий эргономичности ТС позволяет оценить, на­сколько учтены при разработке ТС психофизиологические качества человека-оператора. Изменение эффективности системы человек-машина в зависимости от приспособлен­ности ТС к человеку называют эргономичностью. Критерий эргономичности равен отношению реализуемой эффектив­ности системы человек-машина к максимально возможной.

Критерий красоты ТС требует, чтобы машина отвечала современным требованиям промышленной эстетики. Краси­вый внешний вид достигается использованием при констру­ировании так называемых эстетических элементов, таких как симметрия, ритм, контрастность, пропорциональность, композиция. В то же время красивой является та машина, у которой все элементы наиболее целесообразны и совершен­ны. Т.е. красоту любой ТС можно представить состоящей из декоративной внешней красоты (форма, орнамент, окраска) и внутренней функциональной. Функциональная красота основана на законах науки (на соответствии этим законам формы, структуры ТС и ее связи с окружающей средой). Обеспечить эту красоту - задача инженера. Декоративная красота, привлекающая покупателя, вызывающая эстети­ческое наслаждение, создающая жизнерадостность, осно­вана на законах психофизиологического воздействия. Здесь решающее слово за дизайнером, художником. Между деко­ративной и функциональной красотой нет четкой границы, зачастую они переходят друг в друга. В литературе предлага­ются критерии художественно-эстетической оценки ТС.

Критерий безопасности ТС, показывающий, насколько эксплуатация ТС безопасна, безвредна для управляющего им человека, определяется по формуле [3]:

ы ь.

где п - число вредных и опасных факторов; fii - весовой коэф-

п

фициент опасности (вредности) i-тофактора(^Э, = 1);у*~весо- вой коэффициент опасности (вредности) i-ro фактора, прини­мающий следующие значения: у/ = 1 при S_i = S", y_i =l/min((3_/); St - значение опасного (вредного) фактора (вероятность трав­мирования, уровень радиации, концентрация отравляющих

веществ и т.п.); - нормативное (предельно-допустимое) значение 1-го опасного (вредного) фактора. Когда нормативы

не нарушены, т.е. S_t < S" ,то К^ принимает значения 0<К^1. При нарушении нормативов получаем Kq> 1, а если наруше­ние имеет большой вес fii, то К&» 1.

Критерий экологичности, показывающий степень загряз­ненности или изменения окружающей среды эксплуатируе­мыми ТС. Он может быть определен следующей формулой:

Кэк⁼(&н+&к)/So* где S_H - площадь территории, на которой имеются недопус­тимые (выше нормы, но ниже критических) загрязнения или изменения; S_K - площадь территории, на которой име­ются критические загрязнения и изменения, опасные для жизни человека; S₀ ~ изучаемая площадь (страны, региона, области и т.п.).

К загрязняющим факторам относятся различные газы и пыль, выделяемые работающими заводами и транспортом в атмосферу; загрязнение воды и земли промышленными от­ходами, пестицидами; шумовое, радиоактивное и тепловое загрязнение среды. Более полно они рассмотрены в литера­туре [31].

20. 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

23. 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.

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, циркулирующего 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.

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.

24. 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.

25. Принцип замены «дорогой долговечности на дешевую недолговечность», означающий замену дорогой ТС набором дешевых ТС, поступившись при этом некоторыми качествами. Здесь примером могут быть шприцы одноразового ис­пользования, салфетки бумажные, целлофановые пакеты.

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

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 В). При вращении полуколец с проводниками с угловой скоростью 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 отде­льных 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)

Рис. 4.16. Электродвигатель с волновым катящимся ротором При этом намагничивающая сила обмоток половины чис­ла зубцов складывается с намагничивающей силой посто­янного магнита и создает значительный магнитный поток, притягивающий ротор в двух диаметрально противополож­ных зонах. У волнового ЭД ротор (без учета скольжения) мед­ленно поворачивается против движения магнитного поля со скоростью, соответствующей разности длин окружности ста­тора и ротора, причем передаточное число достигает очень больших значений (более 100).

31. Принцип применения пористых материалов предус­матривает выполнение ТС или ее части пористыми, возможно заполнение пор каким-либо веществом. Система испаритель­ного охлаждения ЭМ (авторское свидетельство № 187136), основанная на том, что отдельные конструктивные элементы выполнены из пористых материалов, пропитанных жидким охлаждающим агентом, который при нагреве испаряется, и таким образом обеспечивается охлаждение машины.

32. Принцип изменения окраски, степени прозрачности ТС или внешней среды, использования красящих добавок, меченых атомов. Сигнализация на дорогах основана на изме­нении цвета (красный - ехать нельзя, зеленый - ехать мож­но). Маскирующая одежда основана на ее окраске соответс­твенно цветом местности и времени ее использования (зимой в снегах используются белые маскхалаты), прозрачная по­вязка - позволяющая следить за раной, не снимая повязки.

33. Принцип однородности, согласно которому ТС, взаи­модействующие с данной ТС, должны быть выполнены из од­них и тех же материалов (или близких к ним по свойствам). Зубчатые колеса в зубчатой передаче делают из одного и того же материала, чтобы избежать неодинакового износа; мед­ные детали электрических машин сваривают между собой меднофосфоритным припоем [44].

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.

35. Принцип изменения физико-химических параметров ТС₉ 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 секцио­нированными 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 J3, 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, NbsS^Nb^Al, V^Si, V^Ga, 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.

38. м₄о t

    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 Н^) и окислитель (кислород О^). На рис. 4.18 приведена схема ТЭ типа Н^-О^. 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 (Н^О), а электрод (анод) заряжает­ся отрицательно. Проходящий из баллона 4 по 2 электроду (катод) кислород восстанавливает ионы калия К+ до щелоч­ного электролита КОН, заряжая электрод положительно. Молекула Н^ распадается на 2 атома, которые ионизируют­ся, образуя протоны и электроны. По схеме 2H£-*4H⁺+4e~. Далее электроны е~ через внешнюю электрическую цепь с нагрузкой Rh поступают к катоду, где происходит реакция 0з+4е~=20~. Из-за неустойчивости иона кислорода О" 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(0H")-f-4H⁺->4H₂0. 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.

37. 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.

§ 3.1. Предварительные замечания

Как отмечено в § 2.1, имеются два направления (подхода) при разработке методов интенсификации творческого про­цесса. В этой главе рассмотрено первое направление, вклю­чающее методы, способствующие активизации творческого мышления. В значительной части эти методы являются раз­витием и модернизацией метода проб и ошибок, его усовер­шенствованием .

Общее свойство этих методов - они не связаны с сущнос­тью и законами развития технических объектов и систем и слабо связаны между собой. Их цель - воздействовать на психику человека, побуждая его к поиску более эффектив­ных технических решений. Они получили широкое распро­странение за рубежом и незначительное в нашей стране.

§ 3.2. Метод проб и ошибок

Метод проб и ошибок, или метод перебора вариантов, яв­ляется наиболее простым, наиболее известным и наиболее широко применяемым, хотя его эффективность оспарива­ется многими исследователями творчества [2,5,17]. Решая техническую задачу этим методом, перебирают различные варианты, которыми задаются, опираясь на свой опыт и знания. Если вариант не удовлетворяет необходимым тре­бованиям, его отбрасывают. Перебрав таким образом неко­торое количество вариантов, обычно находят приемлемое решение.

Оценка вариантов производится субъективно. Наиболее просто ее выполнить для несложных технических объек­тов. Чем сложнее объект, тем больше вариантов необходимо рассматривать, и на их оценку требуется больше времени - иногда месяцы и даже годы. Поэтому часто перебор вариан­тов прерывают, останавливаясь на более-менее приемлемом решении, не всегда наилучшем.

Многие изобретатели пользовались и пользуются этим методом. Наиболее часто его применял в своей поисковой изобретательской работе известный американский изобре­татель Томас Алва Эдисон (1847-1931). Он разработал более 1000 изобретений. Многие из них он создавал, перебирая сотни и тысячи вариантов (например, чтобы найти подходя­щий материал для нити электрической лампочки помощни­ки Эдисона опробовали не менее 6000 различных веществ и соединений [20]).

Наиболее часто метод перебора вариантов используется при проектировании технических объектов. Например, до широкого внедрения вычислительной техники в расчетно- конструкторском деле чаще всего расчетчик электрической машины вел расчеты сразу трех или более вариантов с пара­метрами, по его мнению, наиболее рациональными [32]. Раз­личные модификации метода перебора вариантов в настоя­щее время используются при оптимизационных расчетах технических объектов на ЭВМ (компьютерах).

Для ускорения поиска технического решения, кроме пе­ребора вариантов, применяются другие методы активизации мышления, которые будут описаны нами далее.

§ 3.3. Метод контрольных вопросов

Это метод активизации творческого процесса путем при­ближения к решению задачи с помощью наводящих вопро­сов. Списки таких вопросов существуют с 20-х гг. XX в. На­иболее известными являются универсальные вопросники, предложенные А. Осборном, Т. Эйлоартом, Д. Пирсоном, Д.

Пойа, Г.Я. Бушем. В зарубежной практике чаще пользуются вопросником, разработанным А. Осборном, в состав которо­го входят такие вопросы,как:

1. Какое новое применение ТС Вы можете предложить? Возможны ли новые способы применения? Как модифициро­вать известные способы применения?

2. Возможно ли решение изобретательской задачи путем приспособления, упрощения, сокращения? Что напоминает Вам данная ТС? Вызывает ли аналогия новую идею? Имеют­ся ли в прошлом аналогичные проблемные ситуации, кото­рые можно использовать? Что можно скопировать? Какую ТС нужно опережать?

3. Какие модификации ТС возможны? Возможна ли модифи­кация путем вращения, изгиба, скручивания, поворота? Какие изменения назначения (функции), цвета, движения, запаха, формы, очертаний возможны? Другие возможные изменения?

4. Что можно увеличить в ТС? Что можно присоединить? Возможно ли увеличение срока службы, воздействия? Увели­чить частоту, размеры, прочность? Повысить качество? Присоединить новый ингредиент? Дублировать? Возможна ли мультипликация рабочих элементов или всего ТС?

5. Что можно в ТС уменьшить? Что можно заменить? Можно ли что-нибудь уплотнить, сжать, сгустить, конден­сировать, применить способ миниатюризации, укоротить, сузить, отделить, раздробить?

6. Что можно в ТС заменить? Что, сколько замешать и с чем? Другой ингредиент? Другой материал? Другой процесс? Другой источник энергии? Другое расположение? Другой цвет, звук, освещение?

7. Что можно преобразовать в ТС? Какие компоненты можно взаимозаменить? Изменить модель? Изменить раз­бивку, разметку, планировку? Изменить последователь­ность операций? Транспонировать причину и эффект? Из­менить скорость или темп? Изменить режим?

8. Что можно в ТС перевернуть наоборот? Транспониро­вать положительное и отрицательное. Нельзя ли обменять местами противоположно размещенные элементы? Повер­нуть их задом наперед? Перевернуть низом вверх? Обменять местами? Поменять ролями? Перевернуть зажимы?

9. Какие новые комбинации элементов ТС возможны? Можно ли создать смесь, сплав, новый ассортимент, гарни­тур? Комбинировать секции, узлы, блоки, агрегаты? Комби­нировать цели? Комбинировать привлекательные призна­ки? Комбинировать идеи?

Однако одним из лучших считается вопросник, состав­ленный английским изобретателем Т. Эйлоартом, достигший уровня программы работы талантливого изобретателя, с фан­тастической настойчивостью пытающегося решить задачу методом «проб и ошибок». Среди предложенных им вопросов одни требуют развитого воображения, другие - глубоких и разносторонних знаний. Есть обыкновенные вопросы и специ­фически-тонкие вопросы, психологически характеризующие его личный богатый опыт и пристальную наблюдательность. Суть таких вопросов Т. Эйлоарта состоит в следующем:

1. Перечислить все качества и определения предполагае­мого изобретения. Изменить их.

2. Сформулировать задачи ясно. Попробовать новые фор­мулировки. Определить второстепенные задачи и аналогич­ные задачи. Выделить главные.

3. Перечислить недостатки имеющихся решений, их ос­новные принципы, новые предположения.

4. Набросать фантастические, биологические, экономи­ческие, молекулярные и другие аналоги.

5. Построить математическую, гидравлическую, элект­ронную, механическую и другие модели (они точнее выража­ют идею, чем в аналогии).

6. Попробовать различные виды материалов и энергии: газ, жидкость, твердое тело, гель, пену, пасту и др.; тепло, магнитную энергию, свет, силу удара и т.д.; различные дли­ны волн, поверхностные свойства и т.п.: переходные состо­яния - замерзание, конденсация, переход через точку Кюри и т.д.; эффекты Джоуля-Томпсона, Фарадея и др.

7. Установить варианты, зависимости, возможные свя­зи, логические совпадения.

Узнать мнения некоторых совершенно неосведомлен­ных в данном деле людей.

9. Устроить сумбурное групповое обсуждение, выслуши­вая все и каждую идею без критики.

./0. Попробовать «национальные» решения: хитрое шот­ландское, всеобъемлющее немецкое, расточительное амери­канское, сложное китайское и т.д.

11. Спать с проблемой, идти на работу, гулять, прини­мать душ, ехать, пить, есть, играть в теннис - все с ней.

12. Бродить среди стимулирующей обстановки (свалка лома, технические музеи, магазины дешевых вещей), пробе­гать журналы, комиксы.

13. Набросать таблицу цен, величин, перемещений, ти­пов материалов и т.д., разных решений проблемы или ее час­тей, искать проблемы в решениях или новые комбинации.

14. Определить идеальное решение, разрабатывать воз­можные.

15. Видоизменить решение проблемы с точки зрения вре­мени (скорее или медленнее), размеров, вязкости и т.п.

16. В воображении залезть внутрь механизма.

17. Определить альтернативные проблемы и системы, которые изымают определенное звено из цепи и таким обра­зом создают нечто совершенно иное, уводя в сторону от нуж­ного решения.

18. Чья эта проблема? Почему его?

19. Кто придумал это первый? История вопроса. Какие ложные толкования этой проблемы имели место?

20. Кто еще решил эту проблему? Чего он добился?

21. Определить общепринятые граничные условия и при­чины их установления.

Следует считать полезным указать также на вопросник Д. Пойа. Он отличен тем, что вопросы в нем организуют определенную систему (в списках других авторов вопросы можно менять местами). Свой список он составлял преиму­щественно для решения учебных математических задач, но он оказался пригодным и при решении технических задач.

Наиболее обширным и универсальным оказался вопросник советского изобретателя и исследователя в области технического творчества Г.Я. Буша [33], получившего еще название «Вопрос­ника мыслительного эксперимента изобретателя». В частности, в нем содержатся, например, такие блоки вопросов:

1. Как решить задачу, если не считаться с затратами? Если от ее решения зависит жизнь человека? Если ТС будет использована в качестве игрушки? Или если она является учебным пособием, экспонатом?

2. Нельзя ли отвергнутые в прошлом принципы решения использовать сейчас при современных технических возможностях?

3. Можно ли предсказать результат решения задачи че­рез 10-15 лет с учетом роста общественных потреб­ностей?

4. Как выглядит перечень всех основных недостатков известных решений задачи? Каким должно быть ре­шение, если устранить их?

Метод контрольных вопросов может применяться либо в виде монолога изобретателя, обращенного к самому себе, либо диалога, например, в виде вопросов, задаваемых руко­водителем «мозгового штурма» членам группы генераторов идей. Суть этого метода состоит в том, что изобретатель от­вечает на вопросы, содержащиеся в списке, и в связи с этим рассматривает свою задачу.

§ 3.4. Метод морфологического анализа

Этот метод разработан швейцарским физиком Фрицем Цвикки в 30-х годах прошлого века. Впервые он был успеш­но применен в 1942 году, когда ученый принял участие на ранних стадиях ракетных исследований в американской фирме «Аэроджет инжиниринг корпорейшн» [10, 17]. Ему удалось за короткое время найти большое количество ориги­нальных технических решений, чем он удивил специалистов и руководителей фирмы. Наиболее глубоко разработан им из методов морфологического анализа, так называемый метод морфологического ящика (или морфологической матрицы). В развитие этого метода им было создано еще несколько ме­тодов: систематического контроля поля поиска, отрицания и конструирования экстремальных ситуаций, сопоставле­ния совершенного с дефектным и метод обращения.

Морфологический анализ определил эру системных иссле­дований и явился ярким системным подходом в техническом творчестве и важнейшим достижением в методологии творчес­тва. Это был новый подход, основанный на анализе строения объекта. Не случайно появилось большое число работ по усовер­шенствованию и развитию этого метода [17]. Благодаря своему методу Ф. Цвикки создал много оригинальных изобретений - баллистические устройства, силовые установки, взрывчатые вещества, способ комбинированной фотографии и т.д.

Цель метода - попытаться охватить все многообразие ве­роятных решений задачи, выявить и исследовать все возмож­ные варианты, вытекающие из закономерностей строения (морфологии) совершенствуемого объекта. Сущность метода следующая. В технической системе, требующей улучшения и совершенствования, выделить несколько основных, на­иболее характерных для нее морфологических признаков (структурных или функциональных). К таким признакам могут относиться: характеристика конструкции детали или узла технической системы, ее функция или режим работы и др. По каждому такому признаку затем составляют список его конкретных различных вариантов, альтернатив. При­знаки вместе с вариантами располагают в форме таблицы (морфологический ящик). В таблице 3.1 приведена морфо­логическая модель технологических признаков [3].

Работа по морфологическому методу выполняется в 5 этапов. Для примера рассмотрим, как составляется морфо­логическая матрица для конструкции добавочного полюса коллекторного электродвигателя.

Таблица 3.1

Морфологическая модель технологических признаков

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

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 (проблемы ).

Р_г - 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: Р_х^х - постоянный; Р_г² - пульсирующий; Р_х³ - импульсный;

Р₂ - положение катушки на сердечнике: Р₂^г - распределенная по всему сердечнику; Р₂² - располо­жена в верхней части сердечника; Р₂³ - расположена в нижней части сердечника (низкоопущенная); Р₃ - конструкция крепления катушки: Р₃^Х - латунным наконечником (уголком); Р₃² - двумя латунными угол­ками; Р₃³ - с помощью немагнитной (дюралюминиевой) обоймы и немагнитного клина; Р₃⁴ - с помощью латун­ного уголка и немагнитной прокладки; Р₄ - вид намотки провода: Р₄* - на ребро; Р * - плашмя; Р₅ - положение второго немагнитного зазора: Р₅* - устанины;

Р₅² - приближенный к первому зазору (низкоопущенный);

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

Р ~ материал крепящих болтов: Р₇^Х - сталь магнитная; Р₇² - сталь немагнитная;

Р₈ - материал изоляции катушки: Р₈* - класса нагревос- тойкости В; Р₈² - класса нагревостойкости F; P_g³ - клас­са нагревостойкости Н;

Р_д - исполнение сердечника:

Р* - шихтованный; Р_д² - массивный.

Окончательная морфологическая матрица представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Морфологическая матрица конструкции добавочного полюса коллекторного электродвигателя

4. Определение функциональной ценности всех возмож­ных вариантов решений.

Используя морфологическую матрицу, можно составить самые различные варианты решений, описываемые, напри­мер, следующими формулами:

Рх Рг Ръ PA Ps Ръ PJ¹ Р% Р*1 Р\² Pi Ръ Pa PS Рб¹ Pi Р% Р<>\

и т.д.

Простой перебор вариантов приводит к огромному их числу. В нашем примере это число будет равно 3.3.4.2-2-3-2.3' 2 = 5184.

Конечно, многие из этого числа вариантов будут невы­полнимыми или противоречивыми.

5. Выбор наиболее перспективных решений.

Конечно, проанализировать все 5184 варианта очень

трудно и поэтому это чаще всего не делается. Руководствуясь заранее выбранными критериями оценки решения, конс­труктор отбрасывает заведомо неэффективные или нереаль­ные сочетания. В приведенном примере выбор производится исходя из следующих соображений.

Если ток пульсирующий или импульсный, то целесо­образно выполнять сердечник полюса шихтованным - для уменьшения демпфирующего действия вихревых токов на магнитный поток полюса и улучшения коммутации. На пос­тоянном токе возможно выполнение массивных стальных сердечников. Если сердечник шихтованный, то выполнить низкоопущенный второй зазор затруднительно, поэтому в таком случае зазор делается у станины (остова). Если в об­мотках двигателя могут возникать большие токи в переход­ных режимах, то целесообразно наматывать провод на ребро для повышения механической жесткости катушки. Распре­деленная обмотка делается чаще всего в напряженных в тепловом отношении машинах. Такая конструкция имеет наибольшую теплоотдающую поверхность, что позволяет снизить ее нагрев. С другой стороны, такая конструкция приводит к большому магнитному рассеянию, для сниже­ния которого целесообразно обмотку располагать не по всей высоте сердечника. Необходимо отметить, что низкоопу- щенная катушка позволяет разместить катушки главных полюсов с большим сечением меди. Такие и подобные сооб­ражения позволили выбрать наиболее рациональные конс­трукции добавочных полюсов (рис. 3.2). В морфологической матрице наиболее рациональный вариант соответствующей конструкции (по рис. 3.2, г) обведен прямоугольниками.

а) б) в) г)

Рис. 3.2. Магнитные системы с различными добавочными полюсами; а -распределенная катушка добавочного полюса; б - низкоопущенная катушка; в - низкоопущенная катуш­ка добавочного полюса в обойме; г - низкоопущенные катуш­ка и второй зазор добавочного полюса; 1 - остов; 2 ~ болт; 3 - немагнитная прокладка (второй зазор); 4 - стальной стержень; 5 - сердечник добавочного полюса; 6 - катушка добавочного полюса; 7 - латунный наконечник; 8 - якорь; 9 - главный полюс; 10 - компенсационная обмотка; 11 - не­магнитная металлическая обойма

Отметим некоторые недостатки морфологического ана­лиза, затрудняющие его применение. Основной недостаток - отсутствие практичного, универсального способа оценки ва­риантов сочетаний элементов конструкции и параметров.

Также зачастую трудно определимыми являются характе­ристики новых устройств при необычном сочетании основ­ных признаков. Практика показала, что метод морфологи­ческого анализа наиболее удобен при совершенствовании и модернизации технических систем. Получение решения на высоком уровне редко, и оно не гарантировано.

§ 7.1. Изобретательство и проектно- конструкторское творчество

Считается, что научные открытия, физические явления и эффекты, являющиеся наиболее обобщенным результатом познания, автоматически приносят благо человечеству. На самом деле это не так.

Только благодаря изобретательской деятельности, а за­тем и проектно-конструкторскому творчеству человека, на­учные знания, до этого представляющие только академичес­кий интерес, могут быть материализованы в устройствах, машинах и других ТС, удовлетворяющих самые разнообраз­ные потребности человека [21, 22, 56, 57].

Практически трудно провести границу между изобре­тательской и проектно-конструкторской работой. Однако

если считать, что изобретение завершается получением патента, который выдается зачастую только на идею и принцип действия ТС без их экспериментальной проверки в «металле», то к проектно-конструкторской работе отно­сится все, связанное с разработкой изобретения. Разработ­ку и внедрение изобретения проводят научные сотрудники (если это необходимо) и проектировщики (конструкторы и технологи), воплощающие изобретение в форму конкрет­ной конструкции. В ходе разработки возможно уточнение формулировки изобретения или появление новых изобре­тений [57]. Рассмотрим кратко некоторые правовые воп­росы по изобретательству [7]. Основная цель получения патента на изобретение — защитить техническое новшест­во от использования другими лицами без согласия патен­тообладателя.

Так как при патентовании раскрывается сущность изоб­ретения, то некоторые фирмы отказываются от патентования изобретений, а новшество сохраняют в качестве «ноу-хау», то есть в качестве секрета производства, который зачастую трудно или даже невозможно скопировать. Поэтому владе­лец «ноу-хау» получает значительные коммерческие пре­имущества.

Патент на изобретение может быть получен при ус­ловии его соответствия критериям изобретения. Патент действует с даты поступления заявки в патентное ведомс­тво: на изобретение - 20 лет, на полезную модель - 5 лет. Полезная модель - конструктивное выполнение средств производства и предметов потребления, а также их состав­ных частей. Объектами изобретения являются: устройс­тво, способ, вещество, штамм микроорганизма, культуры клеток растений и животных, а также применение извес­тного ранее устройства, способа, вещества, штамма по но­вому назначению.

Самым распространенным объектом изобретения являет­ся устройство, к которому относят конструкции и изделия (машины, приборы, инструменты и т.п.). Суть изобретения устройства может заключаться в новой схеме его выполне­ния, в новом сочетании деталей и др. Характеризуются уст­ройства только признаками, а не эффектами.

Способу как объект изобретения, - это процесс выпол­нения действий над материальными объектами с помощью других материальных объектов. Названия изобретений «на способ» бывают такими: «Способ получения электроизоля­ционного материала», «Способ управления асинхронным двигателем», «Способ измерения объема сосудов» и т.п. Спо­соб характеризуется следующими признаками:

• наличие действий или их совокупности;

• порядок выполнения действий во времени;

• условия осуществления действий.

К веществам, как объектам изобретения, относят:

• композиции (составы, смеси);

• продукты ядерного превращения;

• высокомолекулярные соединения и объекты генетичес­кой инженерии.

Штамм - это чистая культура микроорганизмов, выде­ленная из естественных местообитаний.

Изобретение «на применение» заключается в использо­вании известного объекта по новому назначению. Например, лазер в качестве скальпеля при глазных операциях.

В первую очередь необходимо определить патентоспособ­ность технического решения, то есть определить те свойства, благодаря которым оно может быть признано изобретением. В Российской Федерации техническое решение может быть отнесено к изобретению при наличии: новизны, промышлен­ной применяемости и изобретательского уровня.

Изобретение считается промышленно применимым, если его можно использовать в промышленности, сельском хо­зяйстве и других областях деятельности. Автор изобретения может раскрыть информацию о нем, и после этого в течение б месяцев он имеет право подать заявку на изобретение.

Изобретение должно иметь абсолютную мировую новиз­ну, то есть о нем не должно быть известно в различных источ­никах информации, определяющих уровень техники. При проверке новизны выделяются аналоги. Новизну изобрете­ния проверяют по совокупности существенных признаков с существенными признаками каждого из аналогов. Из анало­гов выбирают прототип изобретения - наиболее близкий к изобретению аналог по совокупности признаков. Прототип позволяет составить формулу изобретения путем сравнения признаков и выделения из них общих и отличительных. Отличительные признаки учитываются при оценке изоб­ретательского уровня, то есть уровня творчества, который должен получить правовую охрану. Изобретение обладает достаточным изобретательским уровнем, если из предшест­вующего уровня техники нельзя выявить влияние отличи­тельных от прототипа признаков на достижение техническо­го результата изобретения. Для проверки изобретательского уровня проводится поиск источников, содержащих идентич­ные существенным отличительные признаки.

Описание изобретения является основным документом заявки на изобретение. Оно должно содержать следующие разделы:

• область техники, к которой относится изобретение;

• перечень фигур чертежей или иных материалов;

• сведения, подтверждающие возможность осуществле­ния изобретения; описание заканчивается формулой изобретения.

Объем прав патентообладателя определяется только формулой изобретения. Формула изобретения является ос­новным фактором при оценке патентоспособности изобрете­ния, так как экспертиза практически проводится в объеме формулы изобретения. Она же имеет и основное информаци­онно-техническое значение. Общие требования к написанию формулы изобретения:

1. Она должна излагаться одним предложением., с частя­ми отделенными друг от друга только запятыми.

2. В формуле необходимо указать минимально необходи­мое количество существенных признаков (признаки относятся к существенным, если они влияют на техни­ческий результат).

3. Признаки у указанные в формуле, не должны допус­кать произвольных, противоречивых толкований. Не допускается применение таких слов, как «специ­альный», «определенный», «быстрый». Необходимо раскрывать их значение, то есть указывать значения скорости, температуры и т.п.

4. В формуле недопустимо использование альтернатив­ных признаков. Например, дерево - металл, нагрев - охлаждение и т.п.

Изобретение необходимо характеризовать признаками объекта, а не его свойствами. Формула изобретения делится на две части: ограничительную и отличительную, отделяю­щуюся от первой словом «отличающееся (-ийся, -щаяся)».

Ограничительная часть должна содержать:

- название изобретения;

-перечисление известных (ограничительных) призна­ков, общих для объекта изобретения и прототипа.

Отличительная часть содержит перечисление новых, отличительных признаков.

Для примера приведем формулу изобретения электри­ческой машины:

«Электрическая машина (ЭМ) постоянного тока (ПТ) последовательного возбуждения (ПВ) с последовательно- встречным включением двух секций с разным числом вит­ков обмотки возбуждения, установленных на одном полюсе, отличающаяся тем, что последовательно обмотке возбужде­ния включена индуктивность, а параллельно указанной ин­дуктивности и секции с меньшим числом витков - активное сопротивление».

Существуют некоторые особенности составления форму­лы для различных объектов изобретения. Информация об изобретениях публикуется в патентных бюллетенях, а так­же в реферативных журналах (РЖ).

После того, как изобретение защищено патентом, на­ступает этап проверки целесообразности применения его на практике. Требуется проектно-конструкторская разработка идеи, ее материализация. Здесь от проектировщика требуют­ся глубокие специальные знания в конкретной области тех­ники, опыт, знание производства. Идея изобретения может быть замечательной, но на данном этапе развития техники не осуществима в металле. Необходим зачастую длительный поиск нужной конструкции на основе рассмотрения различ­ных конструктивных вариантов с проведением поверочных расчетов, без которых проект остается в разряде дилетант­ских фантазий. Успех при конструктивной разработке идеи определяется в основном наличием специальных знаний [5]. Экономические и технические возможности зачастую становятся препятствующим фактором на пути внедрения. Подсчитано, что внедрять новую технику экономически це­лесообразно, если она дешевле существующей более чем на 20-25%.

§ 7.2. Оценка уровня технических решений изобретения

Уровень принятого технического решения, его качество ориентировочно могут быть определены по следующим фак­торам^ 7]:

-степень прогрессивности области техники, в которой ведется поиск;

• характер творческого поискового процесса;

• уровень изобретения.

Прогрессивность области техники может быть охаракте­ризована следующими уровнями, качественно отличающи­мися друг от друга:

1. уровень. Механизация основных производственных про­

цессов и повышение мощности машин;

2. уровень. Комплексная механизация основных, вспомога­тельных и транспортных операций. Этот уровень отличается от первого качественным обновлени­ем машин и аппаратов систем, с переходом от от­дельных независимых новых машин к системам согласованных между собой машин;

3. уровень. Элементы автоматизации с использованием по­

точно-конвейерных технологий и агрегативных систем машин при освоении новых технологичес­ких процессов (ТП). То есть на этом уровне появ­ляется автоматика;

4. уровень. Электронизация и обновление многих техноло­

гий, появление непрерывных автоматически уп­равляемых технологических линий;

5. уровень. Автоматизация и перестройка управления в соче­

тании с принципиально новыми технологиями.

На разных предприятиях уровень развития техники раз­личен, поэтому творческие разработки и изобретения долж­ны способствовать переходу предприятий на более высокий уровень развития.

Характер поискового процесса по творческой наполнен­ности можно охарактеризовать по уровням творчества, яв­ляющимся одновременно и характеристикой уровня изобре­тений.

В [23] процесс творчества разделен на несколько стадий (выбор задачи, выбор поисковой концепции, сбор информа­ции, поиск идей решения, развитие идеи в конструкцию, разработка и внедрение). Эти стадии могут быть повторены на уровнях творческого поиска по новизне решения или на разных уровнях изобретений (не смешивать с изобретатель­ским уровнем в § 7.1). Рассмотрим на примерах, чем отли­чаются технические решения (TP) изобретения на разных уровнях [10, 17, 23].

Первый уровень - мельчайшие изобретения. Так, предла­гается газовые баллоны, чтобы устранить их падение, свя­зывать попарно гибким шнуром. Или еще: для экономии металла предлагается металлический защитный колпак к газовым баллонам заменять пластмассовым с ребрами внут­ри (авт. свид. № 157356).

241

Второй уровень - мелкие изобретения. Например, для того чтобы удалить с поверхности постоянного магнита при­тянутые ферромагнитные частицы, предлагается использо­вать материал с высокой вязкостью, например пластилин (авт. свид. N2 273302). В этом примере возможна многовари­антность решения. Одно из них предлагается.

Третий уровень - средние изобретения, то есть изобре­тения с наличием изменений объекта по сравнению с про­тотипом. Скажем, предлагается получение нового эффекта за счет изменения агрегатного состояния объекта. Так, для повышения качества зачистки брюшной полости рыбы от внутренностей, последние намораживают на охлаждающий элемент, имеющий температуру от -5 до -50 ° С (авт. свид. № 256956).

Четвертый уровень - крупные изобретения, приводя­щие к изменению исходной системы или к синтезу новой. Так, для контроля механического износа двигателя время от времени брали пробы масла и определяли в них содержание металлических частиц. Вместо этого предложено добавлять в масло люминофоры и по изменению свечения масла непре­рывно контролировать концентрацию частиц металла (авт. свид. № 260249).

Пятый уровень - крупнейшие изобретения, приводя­щие к появлению принципиально новых технических сис­тем и технологий. Достаточно ярким примером является ав­торское свидетельство № 70000 на изобретение, с которого началась история электроискровой обработки материалов. Вот г : «Способ получения порошков, металлов, сплавов и других токопроводящих материалов, отличающийся тем, что с целью использования при замыкании цепи электроди­намических сил для вырывания из электродов порций дис­пергируемого материала и выбрасывания их в окружающую среду, подлежащие диспергированию материалы включены в качестве электродов в цепь электрического колебательного (разрядного) контура, который настроен так, что он работа­ет в области искрового разряда (в области нестационарного электрического разряда)».

Отметим, что на четвертом и пятом уровне наиболее силь­но проявляется взаимосвязь науки и техники. Изобретения на этих высших уровнях чаще всего происходят на основе новых открытий в науке. Эти изобретения обеспечивают ка­чественное изменение техники,

К таким изобретениям можно отнести изобретение М.О. Доливо-Добровольского трёхфазного асинхронного двигателя, разработанного на основе открытия Г. Феррари- сом вращения магнитного поля при питании обмоток, сдви­нутых по фазе переменными токами.

§ 7.3. Общественная потребность и научные открытия — основные факторы, определяющие появление изобретений

Как уже отмечалось в § 2.5, всё возрастающие потребнос­ти человеческого общества, вызванные как его количествен­ным ростом, так и ростом потребностей каждого члена этого общества, являются главной движущей силой, стимулирую­щей работу по созданию различных изобретений.

В основе любого изобретения (даже мельчайшего) лежат физические явления и эффекты, открытые человеком в про­цессе взаимодействия с природой. Причем одни и те же фи­зические явления и эффекты могут быть основой множест­ва изобретений, существенно отличающихся друг от друга. Открытие новых явлений и эффектов часто приводит к ос­нованию и появлению новых потребностей, которые в свою очередь побуждают вести работы по изобретению новых ТС, удовлетворяющих эту потребность. Рассмотрим некоторые крупнейшие, или даже великие изобретения, приведшие к значительным изменениям в жизни человеческого общества, и определим те физические явления и эффекты (физико-тех­нические эффекты), которые лежат в их основе [20,25,58,60].

Покажем, что в основе колеса, паруса, плуга, появив­шихся ещё в древности, лежит понимание человеком окру­жающей природы и её явлений и использование этих явле­ний для создания орудий труда. Рассмотрим также великие

изобретения в области электромеханики: электрический ге­нератор, электродвигатели и др.

1. Колесо. В основе работы колеса лежит эффект механи­ческого перемещения двух соприкасающихся тел относи­тельно друг друга, при условии отсутствия проскальзывания за счет трения одного тела относительно другого. Это эффект качения тел. Изобретение колеса является одним из вели­чайших творений в истории человечества. Оно дало мощный толчок развитию техники. Появились повозки, блоки, водя­ные колеса, мельницы, в основе которых лежит колесо.

2. Парус. Используется для преобразования кинетической энергии ветра (явление природы) в кинетическую энергию движения паруса и судна (на котором закреплен парус), за счет силы давления на парус движущимися частицами воздуха (см. приложение 3, номер 120). Ветер вызван перемещением слоев воздуха от мест с более высоким давлением в места с более низ­ким давлением. Неравномерность давлений возникает из-за неравномерности поступления тепла в атмосферу Земли. Па­рус был изобретен еще в глубокой древности и устанавливался на лодках. Вначале парус представлял собой просто натянутую звериную шкуру. На древнейших дошедших до нас изображе­ниях кораблей египетской царицы Хатшепсут можно видеть уже закрепляемые на мачте паруса. Мачта удерживалась от падения при помощи тросов. Наибольшее развитие парусный флот получил в XVI - XVIII веках нашей эры.

3. Плуг. При изобретении плуга использован эффект раз­резания почвы проволакиванием сквозь неё более твердого, чем почва, заостренного тела (ножа, лемеха). Как известно, на протяжении тысячелетий земледелие было мотыжным. Производительность труда была небольшой. Но мотыга под­ходит лишь для мягких почв. Для более трудных почв с пе­реплетением корней требовалось другое орудие. Так появил­ся плуг. Вначале был изобретен безотвальный плуг, затем появились плуги с отвалом, то есть с перевертыванием дёр­на. Плужное земледелие преобразовало сельское хозяйство и в значительной степени способствовало появлению многих цивилизаций.

4. Электрический генератор. В основе его работы лежит открытое в 1831 году М. Фарадеем явление электромагнитной индукции, согласно которому при всяком изменении магнит­ного потока, пронизывающего какой-либо контур, в котором наводится электродвижущая сила (см. прил. 3, № 233). Пос­ледствия этого открытия для всей человеческой цивилизации были огромны. Несколько ранее Фарадея явление электро­магнитной индукции было открыто американским физиком Джозефом Генри (1797-1878), но не было во время опубли­ковано. Однако после открытия М. Фарадея прошло около 40 лет прежде чем удалось найти рациональную конструкцию и наладить серийное производство электрических генераторов. Первый примитивный генератор был предложен самим М. Фарадеем. И лишь в 1870 г. З.Г. Грамм, бельгийский изоб­ретатель, живший во Франции, образовал «Общество произ­водства магнитоэлектрических машин» и наладил серийное производство генераторов, которые произвели подлинную ре­волюцию в электроэнергетике. Они были самовозбуждаемы­ми, с кольцевым якорем, имели высокий КПД и обеспечива­ли практически постоянный ток (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Самовозбуждающийся генератор Грамма: 1 - ста­нина, 2 - обмотка возбуждения, 3 - наконечники полюсов, 4 - якорь, 5 - коллектор 245

Первые машины Грамма были генераторами постоянного тока, но, когда появилась необходимость в переменном токе, они были легко переделаны в генераторы переменного тока путем замены коллектора двумя токосъёмными кольцами. Машины Грамма, благодаря своим высоким технико-эконо­мическим показателям, быстро вытеснили на рынке другие конструкции генераторов.

5. Электродвигатель постоянного тока. Изобретение промышленного электродвигателя постоянного, а затем и пе­ременного тока - величайшее достижение конца XIX века.

Существенные недостатки парового двигателя - низкий КПД, трудность передачи (дробления) энергии - с изобрете­нием электродвигателя устранились. Как известно, паровой двигатель приводил в движение сразу несколько станков, причем движение передавалось при помощи механической передачи - шкивов и ремней — на расстояние, определяе­мое работоспособностью этой передачи. С внедрением элек­тродвигателей появилась возможность поставить на любой станок свой собственный двигатель. При этом расстояние между электродвигателем и источником электроэнергии не имеет существенного значения, так как электроэнергия по электропроводам передается на большие расстоянии без су­щественных её потерь.

Компактный, экономичный, удобный электродвигатель стал одним из важнейших элементов производства, вытес­нив другие двигатели.

П^вым был разработан электродвигатель постоянного ток* акой двигатель был создан русским электротехни­ком С.М. Якоби в 1834 году. Двигатель работал на основе ис­пользования явления притяжения разнополярных и оттал­кивания однополярных электромагнитов, с управлением полярностью электромагнитов при помощи специального коммутатора. Источником энергии была батарея постоян­ного тока, малая мощность которой сдерживала развитие и применение электродвигателей. Лишь с созданием элек­трических генераторов, как мощных источников постоян­ного тока, расширилось применение электродвигателей.

Наиболее широкое распространение получили двигатели постоянного тока, работающие на основе использования от­крытого в 1822 году М. Фарадеем явления электромагнит­ного вращения проводника с током в магнитном поле (см. прил. 3, п. 104). Такие машины производятся до настояще­го времени благодаря их отличным регулировочным свойс­твам, наиболее простому и экономичному регулированию частоты вращения изменением напряжения и магнитного потока.

6. Асинхронный электродвигатель. Этот электродвига­тель работает на переменном токе. Его созданию предшес­твовало, как отмечено нами ранее, открытие Феррарисом и Тесла явления вращающегося электромагнитного поля, Фарадеем - явления электромагнитной индукции (прил. 3, п. 233) и явления электромагнитного вращения проводника с током в магнитном поле (прил. 3, п. 104).

Важнейшим преимуществом асинхронного двигателя перед двигателями постоянного тока является отсутствие у него коллектора.

Простота асинхронных двигателей, особенно с коротко- замкнутым ротором, их надежность и невысокая стоимость обеспечили им доминирующее положение в системе элект­ропривода промышленных предприятий.

Существенный недостаток асинхронных двигателей- трудность регулирования его скорости, не позволили им полностью вытеснить машины постоянного тока, особенно на транспорте, где требуется регулирование частоты враще­ния в очень широком диапазоне.

Первые промышленные асинхронные двигатели были двухфазными. Они были предложены Н. Тесла, создавшим двухфазную систему, состоящую из генератора, дающего два тока, сдвинутых по фазе на 90°, и двухфазного двигате­ля. Однако они оказались неконкурентоспособными по сле­дующим причинам:

а) двигатели имели явновыраженную полюсную систему, что приводило к увеличению их магнитного сопротив­ления и ухудшению характеристик;

б) система требовала для передачи энергии 4 провода, то есть по сравнению с постоянным током число проводов увеличивалось в 2 раза.

Более совершенной оказалась система трехфазных токов, предложенная М.О. Дол иво-Добровольским, которая нами описана ранее.

Свой первый трёхфазный асинхронный двигатель он пос­троил в 1899 году. Впечатление от работы этого двигателя, произведенное на руководство фирмы АЭГ, в которой ра­ботал М.О. Доливо-Добровольский, было огромным. Стало ясно, что это окончание долгого, мучительного пути созда­ния промышленного электродвигателя, с высоким КПД, с высокой надежностью в работе и простотой обращения в экс­плуатации (см. на рис. 7.2 современную конструкцию асин­хронного двигателя).

Асинхронные двигатели быстро распространились по всему миру, находя применение в самых разнообразных сфе­рах производства.

7. Трансформатор. Работа трансформатора основана на использовании явления электромагнитной индукции (прил. 3, п. 233). Это устройство позволило разрешить мно­жество проблем электротехники. Первый трансформатор можно считать был создан М. Фарадеем, наблюдавшим на­ведение тока в катушке при пропускании тока по обмотке катушки, находящейся рядом с ней. Сам М. Фарадей этот эффект для преобразования напряжения не использовал.

В1848 году Румкорф одним из первых обратил внимание на возможность с помощью трансформатора создавать очень высокое напряжение.

На протяжении нескольких десятилетий трансформато­ры не использовались. И только в конце 70-х годов XIX века П.Н. Яблочков для «дробления» энергии при питании отде­льных свечей стал использовать индукционные катушки. Первичные обмотки катушек включались последовательно в цепь. А во вторичную обмотку одна или две свечи. В слу­чае потухания одной из свечей цепь не прерывалась и другие свечи продолжали гореть.

Рис. 7.2. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ро­тором: 1 - станина; 2 - пакет статора; 3 - обмотка ста­тора; 4 - пакет ротора; 5 - обмотка ротора; 6 - паз стато­ра; 7 - паз ротора

Наиболее широко трансформаторы стали применяться с развитием техники переменных токов. В 1882 году JI. Го- ляр и Э.Д. Гиббс предложили трансформаторы не только для «дробления» энергии, но и для преобразования напряжения по значению, то есть коэффициент трансформации их был отличен от единицы (см. рис. 7.3).

Трансформатор имел выдвижные сердечники 2, прохо­дящие внутри катушек 1.

В 90-е годы XIX века был разработан промышленный тип трансформатора с замкнутой магнитной системой бра­тьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон (1884 год). Сердеч­ник 1 (рис. 7.4) был набран из стальных полос или прово­лок, изолированных друг от друга для снижения потерь от вихревых токов.

Рис. 7.3. Трансформатор Голяра и Гиббса

Рис. 7.4. Схема трансформатора братьев Гопкинсон

На сердечнике размещались поочередно катушки высо­кого 2 и низкого 3 напряжения. Трансформатор с замкнутым сердечником имел меньшие потери и более высокий КПД.

В 1885 году венгерский электротехник М. Дери дока­зал, что трансформаторы должны включаться параллельно. Включение нескольких параллельно работающих транс­форматоров вместо одного суммарной мощности позволяет обеспечить бесперебойное энергоснабжение при аварии в каком-либо трансформаторе или отключении его для ремон­та. Это также удобно при значительном изменении графика нагрузки. В случае уменьшения мощности нагрузки можно отключить один или несколько трансформаторов, чтобы ос­тавшиеся работали при номинальной нагрузке и имели вы­сокие КПД и cos q>.

а)

Рис. 7.5. а) трехфазные трансформаторы Доливо-Добро- волъского «призматического» типа; б) трехфазные транс­форматоры Доливо-Добровольского с параллельным распо­ложением стержней в одной плоскости

§ 7.5. Эволюция конструкции технических систем —

на примере электрической машины постоянного тока

ТС (машины, механизмы, приборы, инструменты и т.п.) «рождаются» несовершенными и слабыми. Постоянно воз­растающие потребности человеческого общества приводят к необходимости непрерывного совершенствования поя­вившихся ТС. Они в своем развитии проходят все стадии «жизни»: детство, юность, старость. Знание истории разви­тия ТС, эволюции их конструкции и уровня развития важ­ны для решения текущих задач совершенствования ТС [23, 64, 65, 66].

Важнейшими целями анализа конструктивной эволю­ции ТС являются:

• прогноз дальнейшего их развития;

• выявление удачных технических идей, которые могли бы быть использованы на данном этапе этого развития;

• выявление и формирование эвристических приемов и правил проводимого улучшения ТС на опыте решения технических задач в прошлом;

• выявление законов и закономерностей развития ТС, ко­торые могут быть использованы при поиске направле­ний её улучшения.

Ниже приведен краткий анализ конструктивной эволю­ции ТС на примере электрических машин (ЭМ) постоянного тока (ПТ), которые являются основой научно-технического прогресса XX века. При анализе попытаемся выявить или ориентировочно определить основные технические противо­речия, возникавшие при развитии ЭМ, и методы их устране­ния или разрешения.

ЭМ ПТ [30, 67-69]. Существует большое количество типов ЭМ (постоянного, переменного тока и т.п.), мы будем рассмат­ривать развитие коллекторных ЭМ ПТ. Остановимся только на индуктивных (емкостные не рассматриваем) ЭМ, действие которых основано на законе электромагнитной индукции.

1. Пионерское изобретение в 1821 г. М. Фарадеем было одновременно и научным открытием непрерывного преобра­зования электрической энергии в механическую (рис. 7.6).

ЭД представлял собой постоянный магнит 1, вокруг ко­торого вращался проводник с током 2 в опоре 4. Скользящий электрический контакт обеспечивался ртутью, налитой в чашу 3. Это был униполярный двигатель, имеющий одно­именно-полюсное исполнение, питаемый от гальванического элемента напряжением U. Открытию М. Фарадея предшест­вовало открытие Г. Эрстедом в 1820 г. явления отклонения магнитной стрелки под действием электрического тока (прил. 3, п. 103).

2. В 1824 году в книге английского ученого Петера Варлоу описана демонстрационная модель униполярной ЭМ (рис. 7.7), состоящая из вращающего колеса 1, по которому проходит ток, и постоянного магнита 2. Скользящий контакт создавался с помощью провода, подсоединенного к валу, и ртути, налитой в банку 3. Питание двигателя так же, как и в двигателе М. Фа­радея, осуществлялось от батареек химических элементов на­пряжением U. Этот двигатель предвосхитил конструкцию раз­виваемых в дальнейшем, униполярных электрических машин с вращающимся проводящим ток колесом.

3. В 1833 г. появилась первая демонстрационная модель двигателя в разноименно-полюсном исполнении, предло­женная английским ученым Уильямом Риччи. Магнитное поле в этом двигателе (рис. 7.8) создавалось постоянным под­ковообразным магнитом. Между полюсами на вертикальной оси размещался электромагнит, питаемый от источника пос­тоянного тока через коммутатор, изменяющий направление тока в обмотке. Взаимодействие магнитного поля постоян­ного магнита с электромагнитом при периодическом изме­нении тока в обмотке последнего приводило к созданию пос­тоянно-направленного вращающего момента.

Рис. 7.7. Колесо Барлоу

Рис. 7.8. Двигатель У. Риччи

4. В1831 г. М. Фарадей открыл явление электромагнит­ной индукции (приложение 3, п. 233), 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 (рис. 7.9, из дневника Фарадея).

Между магнитами вращался медный диск. В цепи щеток, наложенных на ось и на периферию диска, появлялся при вращении диска электрический ток. Эта модель генератора также была демонстрационной, не нашедшей практического применения.

\

Рис. 7.9. Диск М. Фарадея

Начиная с 1831 г., после открытия М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, ЭМ стала развиваться, как ЭД и параллельно как ЭГ. Отметим, что действие рассмотрен­ных нами моделей ЭМ основано на законе взаимодействия проводника с током с магнитным полем (прил. 3, п. 104). применение этого закона при создании ЭМ было перспектив­ным, но в то же время не получило своего логического разви­тия - увеличение силы при росте количества проводников на кольце. По-видимому, причина была в отсутствии мощного источника электрической энергии.

Поэтому появились ЭМ, действие которых было осно­вано на принципе притяжения и отталкивания между электромагнитами, возможно, как наиболее понятном и наглядном.

5. Стремясь увеличить мощность ЭД, в 1834 г. петербург­ский ученый Борис Семенович Якоби (1801-1874) 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 2 - на вращаю­щемся диске (рис. 7. 10).

2

Рис. 7.10. Двигатель Б.С. Якоби

Питание обмоток двигателя, соединенных последова­тельно производилось от гальванических батарей 3. Изме­нение направления тока в подвижных электромагнитах вы­полнялось при помощи коммутатора 4. Этот ЭД, впервые в мире нашедший практическое применение, развивал мощ­ность около 15 Вт. Дальнейшее увеличение мощности Яко­би попытался осуществить установкой увеличенного числа электромагнитов: 24 неподвижных П-образных магнита и 12 подвижных стержневых. Однако это не привело к сущес­твенному увеличению мощности.

6. Торцевое исполнение ЭД Якоби приводило к большим его габаритам, поэтому, когда Якоби было предложено уста­новить в качестве тягового электродвигатель (ТЭД) на бот, вмещающий 12 пассажиров и приводимый в движение 10 гребцами, он, для уменьшения габаритов и массы такого ТЭД, неподвижные и вращающиеся электромагниты в нем расположил в одной плоскости вращения (изобретательский прием — переход в другое измерение). 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 (рис. 7.11) состоял из обмоток электромагнитов, соединенных последовательно с помощью клемм 1,2,3, четырех подвижных 4 и четырех не­подвижных 5 разнополярных электромагнитов. Изменение полярности подвижных электромагнитов производилось коммутатором 6. Напряжение к клеммам подводилось от гальванических элементов.

Рис. 7.11. Усовершенствованный двигатель Б.С. Якоби

Работы Якоби имели огромное значение. Это было первое практическое применение ЭД, да ещё и в качестве ТЭД. Об испытаниях на Неве «электрического» бота в 1839 г. одна из петербургских газет писала: «...катер с двенадцатью челове­ками, движимый электромеханической силой (в 3/4 лоша­ди), ходил несколько часов нротиву течения, при сильном противном ветре... что бы ни было впоследствии, важный шаг уже сделан, и России принадлежит слава первого при­менения теории к практике».

Якоби пошел по пути механического соединения элемен­тарных машин, что типично для середины XIX в. Он приме­нил упомянутый ранее изобретательский прием: объедине­ние однородных элементов для усиления эффекта. Работы Якоби ещё раз подтвердили недостаточную мощность пита­ющих ЭД гальванических элементов и поставили на повест­ку дня задачу создания более экономичного ЭГ.

7. В 1832 г. братья Пиксии на основе работ М. Фарадея разработали электромеханический генератор (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Генератор братьев Пиксии

Вращающийся постоянный магнит 1 наводил в непод­вижных катушках 2 переменный ток, который выпрямлял- с я через коммутатор 3. Желание повысить мощность гене­раторов привело к увеличению в конструкции генераторов числа постоянных магнитов. Наиболее широкое применение нашли генераторы постоянного тока французской фирмы «Альянс», выпускавшиеся серийно с 1856 г. Они имели 40- 50 постоянных магнитов, расположенных в ряд и соединен­ных последовательно и параллельно несколькими десятками катушек. Эти машины развивали мощность около 6-10 л.с. и весили 4 т. Всего в течение 1857-1865 годов было выпуще­но около 100 таких машин. Привод их осуществлялся паро­выми двигателями. Использовались они на морских маяках для питания дуговых ламп с регуляторами.

Эксплуатация генераторов «Альянс» наглядно показала присущие магнитоэлектрическим, то есть использующим постоянные магниты, машинам недостатки:

• быстрое размагничивание постоянных магнитов под действием реакции якоря и вибрации;

• быстрое разрушение изоляции многослойных обмоток из-за большого нагрева;

• большую массу и габариты при незначительной мощ­ности;

• сравнительно большую их стоимость;

• резкую пульсацию тока по величине.

Эти недостатки привели к переходу в дальнейшем от ис­пользования постоянных магнитов к электромагнитам при конструировании генераторов. Впервые такая замена была предложена в 1851 г. В.И. Зинстеденом.

В1854 г. датский изобретатель С. Хиорт взял английский патент на машину с самовозбуждением, причем опасаясь, что остаточный магнетизм не обеспечит требуемой величины магнитного потока, Хиорт применил кроме электромагнитов и постоянные магниты. В 1856 г. венгерский физик Анвош Йедлик показал, что для самовозбуждения достаточно оста­точного магнетизма. На идею самовозбуждения вначале не было обращено серьезного внимания, и лишь через 10 лет, в 1866 г., английские инженеры Кромвель и Семьюэл Варли, а в 1867 г. В. Сименс и английский физик Ч. Уитстон вновь вернулись к принципу самовозбуждения.

О

N

Рис. 7.13. Электродвигатель А. Пачинотти Достоинства ЭД А. Пачинотти:

- уменьшенные габариты по сравнению с предшествую­щими конструкциями;

- уменьшение числа витков обмотки возбуждения элек­тромагнитов.

Важнейший шаг, сделанный А. Пачинотти, - замена яв- нополюсного якоря на компактный по размещению обмотки неявнополюсный кольцевой якорь. Однако ЭД А. Пачинотти не получил широкого распространения и на некоторое время был забыт.

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 (1826-1901), сотрудник фирмы «Альянс». Первый патент им был получен в 1870 г. на самовозбуждающийся ЭГ (рис. 7.14). На его станине 1 (рис. 7.14 а) укреплены электромагниты 2 с полюсными на­конечниками 3. Якорь 4 с коллектором 5, приводившиеся во вращение через приводной шкив. На рис. 7.14, б дана схема соединения обмотки якоря с обмоткой возбуждения - стрел­ками указаны направления токов.

Сердечник якоря 1 - рис. 7.14, в - изготовлялся из пучка стальной проволоки для снижения потерь на вихревые токи. Секции обмотки 2 обматывались вокруг сердечника якоря и соединялись с коллектором 3.

9. 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 Па- чинотти-Грамма (рис. 7.14) применялась для обоих режимов работы. Благодаря своим улучшенным свойствам она полу­чила широкое распространение, вытеснив другие их типы. При дальнейшем возрастании мощности ЭД и соответственно увеличении числа витков и сечения провода обмоток такие положительные свойства кольцевого якоря, как его простота, компактность и отсутствие необходимости закрепления внут­ренних проводников V витка (рис. 7.15, а) вступают в проти­воречие с возрастающей трудностью размещения внутренних проводников 1' в ограниченном пространстве под внутренним диаметром стального кольца 2 и с повышенным нагревом этих проводов, в связи с уменьшенной поверхностью их по сравне­нию с проводниками 1 витка, расположенными на внешнем диаметре кольца. Появилась идея размещения внутренних проводников Г также на внешнем диаметре кольца, но при условии сохранения направления силы, действующей на пе­ренесенный проводник 1" в направлении силы, действующей на проводник Г (рис. 7.15, б).

Рис. 7.14. Электродвигатель Пачинотти-Грамма с кольцевой обмоткой

Для этого проводник 1" было предложено располагать под магнитным полюсом другой полярности - S, приблизи­тельно на полюсном делении т от проводника 1', а лобовые части 3 витка укладывались в два слоя (здесь использовался эвристический прием перехода в другое измерение).

Рис. 7.15. Кольцевой якорь: а) укладка обмотки на коль­цевом якоре; б) схема перехода от кольцевого якоря к ба­рабанному

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. Обострилось техническое противоречие, заключающее­ся в том, что для размещения нужного числа проводников зазор должен быть большим, но большой зазор приводит к росту магнитного сопротивления и числа витков главного полюса. Такие противоречивые требования были удовлетво­рены в 1878 г. возвратом к зубчатому строению теперь уже не кольцевого, как у Пачинотти, а барабанного якоря.

12. Выполнение зубчатого барабанного якоря с повы­шенными магнитными индукциями в зубцах привело к рос­ту потерь в стали зубцов от вихревых токов и гистерезиса. Обострилось техническое противоречие между требованием улучшения магнитной проводимости за счет применения стальных сердечников, а с другой стороны, появлением по­терь энергии в них (нежелательный эффект). Это противоре­чие было разрешено Томасом Альва Эдисоном (1842-1931), предложившим в 1880 г. сердечник якоря выполнять ших­тованным, то есть набранным из тонких стальных листов толщиной 0,2-0,8 мм, изолированных друг от друга бума­гой, препятствующей замыканию вихревых токов в стали.

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. Но даже при повышении точности изготовления не удавалось избавиться от уравнительных токов, протека­ющих от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Уравнительные токи дополнительно нагру­жают обмотку и щетки, увеличивают вредное искрение под

щетками, дополнительно нагревают обмотку и приводят к снижению КПД ЭМ.

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. Ослабление потока якоря необходимо для уменьшения искажения магнитного поля возбуждения в зазоре машины и соответственно уменьшения искажения распределения напряжения по диаметру коллектора, при­водящего зачастую к недопустимым значениям напряжения между пластинами коллектора (рис. 7.17, а) и перебросам электрической дуги по коллектору, вызывающим оплавле­ние его пластин, подгар токоснимающих щеток и другие ме­ханические повреждения.

а) б)

дения главных полюсов Ф_в и реакции якоря Ф_а и распреде­ление магнитной индукции В в зазоре при: а) отсутствии компенсационной обмотки; б) наличии компенсационной

обмотки 269

На рис. 7.17, а показаны пути замыкания потока главных полюсов возбуждения Ф_в и потока якоря Ф_а. Даны направле­ния тока в обмотке возбуждения 1, охватывающей стальной сердечник 2, ив обмотке якоря 3, расположенной на сердечни­ке 4. Показано распределение магнитной индукции В в зазоре, создаваемое обмоткой возбуждения ОВ, обмоткой якоря ОЯ и суммарное распределение индукции от обеих обмоток ХО.

Как видим, из-за действия потока якоря распределение индукции в зазоре значительно искажено (распределение неравномерно), для устранения этого, по принципу - клин вышибается клином, т.е. способом компенсации - в 1884 г. Менгесом предложена компенсационная обмотка КО, уста­навливаемая в наконечнике полюса (см. 5 рис. 7.17, б) и поз­воляющая почти полностью устранить действие поля якоря на магнитный поток возбуждения, то есть устранить так на­зываемую реакцию якоря. Явление реакции якоря было от­крыто российским ученым Э.Х. Ленцем в 1847 г.

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. То есть обострилось техническое противоречие: для повышения мощности машины необходимо повышать ток и частоту вра­щения его, что приводит к росту реактивной ЭДС и нежела­тельному искрению под щетками. Для уменьшения остроты этого противоречия в 1885 г. Метер предложил устанавли­вать по нейтрали меясду главными полюсами возбуждения добавочные полюса (электромагниты), создающие комму­тирующую ЭДС, равную и противоположно-направленную реактивной ЭДС, то есть вновь применен изобретательский прием: клин вышибается клином.

Изобретение Метера значительно снизило коммутацион­ную напряженность ЭМ. Таким образом к концу XIX в. ЭМ постоянного тока практически приобрела современный вид. На рис. 7.18. приведен современный коллекторный ТЭД электровоза. Из рассмотренного краткого анализа эволюции коллек­торной ЭМ ПТ вытекает, что ее развитие и совершенствование в значительной мере протекало на основе научных открытий в области электротехники, причем пионерское изобретение ЭМ М. Фарадеем одновременно явилось и открытием воз­можности преобразования электрической энергии в меха­ническую. Научное и изобретательское творчество в этом случае взаимно дополняли друг друга. Обострение тех или иных технических противоречий в процессе развития и со­вершенствования ЭМ служило стимулом для научных иссле­дований и поиска новых ТР.

Машины постоянного тока непрерывно совершенству­ются уже в течение более чем 100 лет. Конструкция машин достигла своего совершенства. Дальнейшее их развитие, в первую очередь возможно на базе применения новых более качественных материалов. В первую очередь, это относится к изоляционным, а затем также к магнитным и конструк­ционным материалам. Такое положение заставляет искать другие пути, позволяющие получить регулировочные свойс­тва, близкие к машинам постоянного тока, на других типах электрических машин, но с более простой конструкцией, на­пример на машинах асинхронных.

Асинхронные двигатели, с частотным регулированием питающего тока с помощью преобразователей, имеют близ­кие к машинам постоянного тока регулировочные свойства, но уступают им по стоимости.

§ 7.6. 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.

§ 8.1. 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 [70]. Академик А.Н. Крылов, сравнивая необходи­мые затраты труда и времени на разработку идеи и конструк­тивное ее воплощение, писал, что «во всяком практическом деле идея составляет от 2 до 5%, а остальные 95-98% - это исполнение».

Недооценка проектно-конструкторской работы при внед­рении в жизнь даже выдающихся изобретений часто ста­новится причиной неудач. Одним из ярких примеров это­му может служить судьба изобретений Р. Дизеля. В [71] по поводу изобретательской и конструкторской деятельности Р. Дг-яля написано, что «как теоретик, лучше чем кто-либо он -г- лался подготовленным к великому изобретению. Как конструктор, он был подготовлен к нему хуже... Теория под­сказала ему путь к изобретению. И реализация только одно­го из них - воспламенения от сжатия - оказалась достойной, чтобы дизель-моторы по экономичности превзошли все ос­тальные двигатели. Конструкторская деятельность Дизеля производит гораздо меньшее впечатление. Вся история ста­новления дизель-моторов подтверждает; пока его двигатели проектировали и отрабатывали опытнейшие конструкторы Аусбургского завода, Крупна, Зульцера, Нобеля, им сопутс­твовал успех. Как только Дизель брался конструировать сам, неудачи следовали одна за другой *.

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 [57]. 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 рис. 8.1 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). Концентрация промышленности вызывает объективную необходимость объединения научно-исследовательских, проектно-конструкторских и технологических бюро и инс­титутов и промышленных предприятий — в единый научно- производственный комплекс, обеспечивая прочную связь в цепи: наука - техника - производство.

В этих комплексах ещё более возрастает роль проектирова­ния и расширяется возможность использования научно-тех- нического прогресса в сфере инженерно-технического труда. Проектирование ТС, отвечающих современным требованиям, является весьма сложной задачей, требующей от конструк­тора творческого подхода ко всем решаемым вопросам [72]. Творчество возникает на основе следующих положений:

X. 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.

Творческий характер проектирования проявляется так­же в способности ставить актуальные технические задачи, находить и формулировать альтернативные решения, под­вергать сомнению на первый взгляд очевидные истины. Раз­работанная конструкторская документация, позволяющая выполнить ТС в металле, - это результат творчества конс­труктора.

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 [73]. 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. Например, в [74] предлагается считать, что конструирование электрической машины начинается с завершения электромагнитного рас­чета, который определяет главные размеры машины, раз­меры магнитной цепи и обмоток. Но, по-нашему мнению, довольно обоснованное деление предложено в [75], где под проектированием предлагается понимать этапы работы по изучению информации, разработке вариантов, проектов ТС, представляющих изделие в целом и выбор окончательного варианта проекта, удовлетворяющего главного конструк­тора. После этого начинается процесс конструирования и разработки деталей конструкции. Смысл и сущность проек- тно-конструкторской работы в том, что конструктор своей творческой работой должен создать машину в металле, от­вечающую требованиям технического задания (ТЗ). Нельзя отождествлять деятельность изобретателей с работой конс­трукторов. Изобретение - это принципиально новое устройс­тво, создающее ранее неизвестный технический эффект. Изыскание же новых принципов построения механизмов не является основной задачей конструкторов [73]. Новизна же создаваемой конструкции заключается в прогрессивнос­ти её параметров или в решении с её помощью новых задач. Подтверждением этого положения могут служить примеры изменения параметров самых различных ТС в процессе эво­люции. Например, у тяговых электродвигателей электрово­зов за 50 лет при уменьшении массы и габаритов мощность увеличена в 1,5-2 раза. При этом их принцип действия не претерпел изменения [28, 42].

Как известно, электрические машины нашли примене­ние в промышленности более 100 лет назад [1]. Примерно в то же время появились рекомендации по их расчету и про­ектированию и появились крупные конструкторские и рас- четш"^л отделы при электротехнических фирмах ♦Сименс», «Ве .ягауз», АЭГ и др. В России первые электротехничес­кие заводы появились в начале XX века. Это «Электросила» в С.-Петербурге, «Динамо» в Москве, заводы в Харькове и Таллине.

В настоящее время около пятидесяти кафедр выпускают специалистов по электрическим машинам.

Выпущено большое число научных работ по проектиро­ванию электрических машин, авторами которых являются Ф.И. Рихтер, К.И. Шенфер, Ф.И. Холуянов, А.Е. Алексеев, И.М. Постников, П.С. Сергеев и многие другие. Имеются труды по электрическим машинам специального примене­ния — в тяге, в авиации, на морском флоте, в автоматике и др. [28, 42, 44, 76, 77].

§ 8.2. 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;

• конкурентоспособности.

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 (надежность, долговечность, металлоёмкость, стандартиза­ция и т.п.). Типаж должен разрабатываться для тех машин, в которых имеется большая потребность.

На основании параметрических рядов и выбранной базо­вой модели в типаже устанавливаются нужные типоразме­ры машин. Параметрические ряды представляют

собой ряд предпочтительных чисел основных параметров (например, ряд мощностей ЭМ, ряд грузоподъёмностей кранов и т.п.). На базе системы типизации машин, например в станкост­роении создан скоростной метод проектирования станков, согласно которому конструктор при проектировании станка просто компонует его из составных узлов, выбирая их из раз­работанных типажей параметрического ряда.

В электровозостроении в начале 70-х годов был разра­ботан размерный ряд и типажи электроподвижного состава для открытых горных разработок [7В], в котором на основе анализа условий работы и конструктивных особенностей карьерного транспорта были приняты основные параметры для перспективных электровозов.

Основным параметром, характеризующим промышлен­ные электровозы для карьеров открытой разработки полез­ных ископаемых, является расчетная сила тяги, которая в свою очередь определяется сцепной массой и коэффициен­том сцепления колеса с рельсом.

Предложенный размерный ряд параметров представлял собой в первую очередь возрастающий ряд сцепных масс, а также в него вошли: число осей электровоза (агрегата), на­грузка на ось, сила тяги, мощность электровоза. Например, для 4 осей, при нагрузке, равной 25 т, и сцепной массе 100 т, сила тяги, часовая, принята равной 25 т, а мощность элект­роподвижного состава 1800 кВт. При разработке типажа пре­дусматривалась максимальная унификация узлов и агрега­тов и минимизация числа возможных типов и модификаций электроподвижного состава, допускающего их объединение в тяговые агрегаты.

Стремление к повышению эффективности электротяги для карьеров с повышенными уклонами железнодорожно­го пути привело к созданию новой системы электротяги - к электровозомотородумпкарной или, другими словами, к тяговым агрегатам. Тяговые электрические двигатели в этом случае устанавливаются не только на электровозе, но и на думпкарах. Управление и питание всех тяговых двигателей производится с электровоза. Применение тяговых агрегатов позволило снизить как капитальные затраты, так и эксплуатационные расходы. Главным параметром при разработке типажа была вы­брана сцепная масса тягового агрегата. По значению этой массы выбиралось число осей, мощность агрегата, давление на ось и др. Типаж включал в себя следующие основные системы под­вижного состава:

система переменного тока напряжением 10 кВ;

система постоянного тока напряжением 1,5 кВ.

Внедрение этого типажа позволило расширить область

экономически целесообразного применения электрифици­рованного железнодорожного транспорта.

В настоящее время разработан типаж электровозов: ма­гистральных, скоростных, пассажирских. В основу его по­ложены последние достижения в мировом электровозос­троении: регулируемый электропривод с асинхронными тяговыми двигателями, микропроцессорная вычислитель­но-управляющая система, диагностическая система состоя­ния и работы схемы и агрегатов электровоза и др.

Для общепромышленного применения проектируют се­рии электрических машин - ряд возрастающих по мощнос­ти электрических машин, имеющих одну конструкцию и технологию производства. Такие серии предназначены для массового производства. Экономический эффект стремятся получить для всей серии в целом, а не только для отдельной машины, за счет унификации узлов машин и рационализа­ции производства внутри завода.

Для серий асинхронных машин стремятся при одном и том же внешнем диаметре статора, но изменении длины сердечника статора получить несколько машин различной мощности и частоты вращения.

Для машин постоянного тока также стремятся для одного диаметра сердечника якоря, изменяя его длину, получить не­сколько машин, отличающихся мощностью и частотой враще­ния. Известны серии машин постоянного тока: П, созданная в 1956 году; 2П, созданная в 1974 году. В серии 2П по сравнению с П при одной и той же высоте оси вращения мощность увели­чена в 3-5 раз, а диапазон регулирования - в 1,6 раза.

Для гибких автоматизированных систем и робототех­ники в 1984 году создана серия 4П, в которой применены: компенсационная обмотка, шихтованный магнитопровод, квадратная станина, изоляция класса нагревостойкости F и форсированное охлаждение. В серии 4П проведена унифика­ция по деталям и сборочным единицам с другими сериями.

Единые серии асинхронных машин первоначально раз­рабатывались на отдельных заводах.

Первые единые всесоюзные серии асинхронных двигате­лей А (с короткозамкнутым ротором) и АК (с фазным рото­ром) появились в 1952-56 годах.

В 70-х годах 20 века появилась серия 4А — разработки стран СЭВ и СССР, включающая двигатели асинхронные до 400 кВт.

В 80-х годах организацией социалистических стран раз­работана серия АИ. Асинхронные двигатели этой серии мощ­ностью 0,25-315 кВт обладали высокими энергетическими показателями, повышенной надежностью и низким уровнем шума.

Автоматизация управления машиной - основана на испо звании 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.

На самолетах, кораблях, электровозах, кроме ручного уп­равления, применяют автоматическое. Например, при следо­вании по определенному курсу. Иногда применяется дистан­ционное управление по проводам или радио, если оператору нельзя находиться в зоне работы машины. Следящие систе­мы посылают сигналы при изменении обстановки (например, эхолот корабля при появлении преграды - скалы, айсберга). В последнее время всё большее применение находят маши­ны с обучающимися электронными устройствами - робота­ми. Наибольшее распространение они получили в Японии и США. Чаще всего они используются для выполнения утоми­тельных, однообразных и опасных для человека работ.

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.

В электромеханике высокооборотные электрические ма­шины имеют значительно меньшую массу, чем низкообо­ротные. Это связано с тем, что ЭДС, создаваемая в провод­никах электрической машины, пропорциональна значению магнитного потока и скорости перемещения проводников и магнитного потока друг относительно друга.

При большой скорости перемещения для создания одной и той же ЭДС требуется меньший поток, а значит, и меньшее сечение магнитопровода для его проведения и соответственно меньшая масса как магнитопровода, так и машины в целом.

За XX столетие масса асинхронных двигателей снизи­лась при одной и той же мощности примерно в 3-3,5 раза [1]. Снижение металлоемкости машины возможно также за счет применения легированных сталей, пластмасс и новых мате­риалов.

Одним из резервов снижения массы и уменьшения габа­ритов является повышение точности расчета деталей машин на прочность. Расчеты на прочность и долговечность позво­ляют конструктору выбирать сечения элементов деталей. При этом конструктор руководствуется расчетными нагруз­ками, исходя из учета возможных перегрузок, динамичнос­ти и внезапности приложения нагрузок. А так как он часто не уверен, что учел все возможные перегрузки, то заклады­вает в расчет дополнительные запасы по прочности, то есть увеличивает отношение расчетных напряжений к пределу текучести материала. В этом случае коэффициент запаса по прочности оправдывает своё название ♦коэффициента не­знания» или можно назвать его « коэффициентом перестра­ховки». Поэтому расчет деталей по наиболее совершенным методам и более обоснованный выбор коэффициента запаса прочности - существенный резерв снижения массы и умень­шения габаритов машины.

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 [55].

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 трёх 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.

В конечном итоге надежность машины определяется её устройством, конструктивным исполнением всех её элемен­тов и качеством изготовления. Раньше чаще всего надеж­ность обеспечивалась за счет использования больших запа­сов прочности, что приводило к увеличению массы машины. В настоящее время надежность повышается за счет оптими­зации кинематической схемы, использования стандартизи­рованных узлов и деталей, внедрением систем контроля не­исправностей.

Долговечность тяговых электродвигателей железнодо­рожного транспорта достигает 25 лет (ГОСТ 2582-81).

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. Правильное распределение массы и красивое оформление её элементов вызывает у машиниста приятные успокаиваю­щие ощущения. Красота машины не может быть обеспечена только её техническим совершенством, она обеспечивается при использовании в ходе проектирования эстетических эле­ментов - например, симметрии, ритма, контрастности, пра­вильному размещению органов управления, пультов, при­боров, панелей. Машины имеют выразительные элементы, с помощью которых в основном и решаются задачи техничес­кой эстетики: это материал деталей, качество поверхностей, размеры машины, число фасонных деталей, цветовая окрас­ка и др. Для примера рассмотрим действие цвета на челове­ка. Желтый и оранжевый цвета действуют тепло, возбужда­юще, синий цвет - цвет отдыха, светлые синие тона создают веселое легкое настроение, темные цвета производят холод­ное впечатление пустоты, зеленый цвет - психологически приятно охлаждает и успокаивает, стимулирует вниматель­ность и ослабляет нервное напряжение, белый цвет создает ощущение свежести и производит отрезвляющее холодное впечатление, серый цвет является цветом сдержанности и скромности, коричневый - мягкости и уюта.

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.

F ~ле требования предусматривали обязательное обуче­ние рабочего правилам техники безопасности при работе на машине. Для безопасности работы на машине необходимо учитывать не только размеры человеческого тела, но и фи­зиологические возможности его органов, нервную систему и психику. Конструктор машины должен при проектирова­нии учитывать строение человеческого тела, характер тру­да, природу утомления и возможности его ограничения, фи­зические возможности оператора (зрение, слух, обоняние, осязание).

Зрение дает 90% информации оператору. Конструктор должен по зрению учитывать два фактора: величину поля зрения и наименьший размер видимых деталей. Величина поля зрения ограничена конусом с углом при вершине 60°. Наименьший размер видимых деталей соответствует угла зрения. Звук помогает оператору реагировать на работу машины. Обоняние позволяет определить присутствие лету­чих веществ, оно может сигнализировать о нарушении гер­метичности в системе машины. Осязание используется для быстрого распознавания рукояток на ощупь, для чего на них наносят рифление, накатку и др. Материал и форма сидения для оператора должны вызывать приятные ощущения.

Рабочее место должно оформляться, исходя из соблюде­ния условий безопасности, удобной рабочей позы, облегче­ния операций управления. Все подвижные части машины, представляющие опасность, должны иметь ограждения. Смазка машины должна быть по возможности централизо­ванной или автоматизированной. Двигатели и механизмы должны быть защищены от проникновения влаги. Во время работы оператор не должен подвергаться воздействию рез­ких сотрясений, толчков и раскачиванию.

Шум (дБ) на рабочем месте оператора не должен превы­шать следующих норм:

• высокочастотный шум 75-85;

• среднечастотный 85-90;

• низкочастотный 90-100.

Освещенность в машинном отделении должна быть не

менее 50 лк, свет должен быть рассеянным и не должен ока­зывать слепящего действия.

Для конкретного типа машин состав ТТ регламентирует­ся ТЗ, ТУ, нормативами, правилами, ГОСТ и др.

Для электротехнических изделий важнейшим показа­телем безопасности является степень защиты обслуживаю­щего персонала от соприкосновения с их токоведущими и вращающимися частями, задаваемая в соответствии с ГОСТ 14254-89.

§ 8.3. Этапы и стадии проектирования

Огромный объем работ, связанный с проектированием и созданием ТС, требует (для снижения риска получения от­рицательного или малоэффективного результата) дифферен­циации процесса создания ТС и участия в нём соответству­ющих специалистов [72, 76]. Обычно процесс создания ТС делят на следующие этапы:

• обоснование необходимости создания ТС на основе про­гнозирования;

• проведение научно-технических исследований;

-разработка конструкторского проекта, изготовление,

испытание и доводка опытных образцов ТС.

Необходимость создания той или иной ТС вытекает из общих условий развития техники. При обосновании необхо­димости нужно учитывать не только требования сегодняш­него дня , но и учитывать возможности изменения техноло­гии в будущем и факторы, влияющие на развитие техники в данном направлении. Для этого используются методы научного прогнозирования технических проблем. Научное прогнозирование, основываясь на объективной оценке воз­можного, является вероятностным суждением о будущем с высоким уровнем достоверности. Оптимальным сроком технического прогнозирования является период в среднем до 15 лет. Достоверность прогнозов на больший период рез­ко снижается. Все методы прогнозирования (известно более 300 методов) основаны на качественном и количественном анализе имеющегося опыта и современного научно-техни­ческого уровня и предусматривают привлечение к разра­ботке прогнозов соответствующих экспертов. Прогнозиро­вание позволяет часто определить необходимость создания тех или иных машин и устройств ещё до возникновения ре­альной потребности в них. Например, анализ роста скоро­стей самолетов, выполненный в 30-х годах XX века, указал на необходимость использования в будущем катапультиру­ющих устройств, которые были созданы много лет спустя, когда повышение скоростей самолетов привело к реальной необходимости их использования.

Тенденция развития современного электровозостроения показывает, что происходит повышение скорости движения поездов. Пассажирские поезда достигают скоростей 250- 350 км/ч. При этом происходит замена коллекторных тяго­вых двигателей, частота вращения которых сдерживается условиями токосъёма на коллекторе, на бесколлекторные двигатели - асинхронные, синхронные (вентильные), реак­тивно-индукторные.

Повышение скоростей движения до 500 км/ч и выше ве­дет к необходимости отказа от колесного железнодорожного транспорта и переходу к бесконтактному движению с маг­нитным подвесом экипажа и линейными тяговыми двигате­лями [79, 80].

На втором этапе создания ТС проводятся научно-исследо­вательские работы по обоснованию основных технических положений, которые будут использованы в ТС. Объём рабо­ты при этом определяется степенью изученности конструк­ции, назначением и условиями работы машины и др. Могут вестись исследования, в зависимости от необходимости, в на­правлении поиска принципа действия ТС; улучшения харак­теристик ТС; проверки возможности использования изделий и материалов, выпускаемых промышленностью; проверки пригодности тех или иных изобретений для данной ТС и т.д.

На основе материалов этих первых двух этапов пишется техническое задание (ТЗ) на разработку машины. Оно отно­сится к конструкторской документации. Этот документ раз­деляет весь процесс создания машины (ТС) на две части: по­исковую, отвечающую на вопросы, нужна ли она и какой она в принципе может быть, и созидательную, отвечающую на вопросы, какой она должна быть и какой она будет реально. С ТЗ наступает третий этап разработки ТС.

Стадии разработки конструкторской документации уста­новлены ГОСТ 2.103-68, входящим в единую систему конс­трукторской документации (ЕСКД). Согласно стандарту устанавливается пять стадий на все изделия всех отраслей промышленности: ТЗ, техническое предложение (ТП), эс­кизный проект (ЭП), технический проект (техпроект), рабо­чий проект - разработка рабочей документации (РП).

ТЗ, разработанное заказчиком ТС, является основным документом для конструктора, определяющим направле­ние его творческого поиска, и обязательно согласовывается с предприятием разработчиком ТС, в котором основными раз­делами являются следующие:

1. Назначение и область применения. Например, для ЭМ областью применения может быть авиация, наземный транспорт, станки, краны и т.п.

2. Тип изделия и его состав. Например, ЭМ коллекторная постоянного тока или асинхронная с короткозамкну- тым ротором.

3. Основные технические данные. Например, для ЭМ данные могут быть следующие:

мощность в номинальном режиме, кВт;

напряжение на её выводах, В;

напряжение на изоляции машины, В;

форма тока (постоянный, переменный, пульсиру­ющий);

частота вращения ротора в номинальном режиме, об/мин;

максимальная частота вращения ротора, об/мин;

номинальный вращающий момент, Н • м;

-вращающий момент при максимальной частоте

вращения, Н • м;

• система вентиляции;

• ограничение по массе, кг.

4. Габаритные ограничения и присоединительные раз­меры. Указываются максимальные габаритные раз­меры, например той же ЭМ, способ передачи момента с её вала, тип электрических выводов (коробка выво­дов, электрический соединитель или жгут проводов) и другое.