В данном разделе покажем наш вариант разбора некоторых примеров и задач.
Пример 9.1. Турбина реактивного двигателя
Турбины реактивных двигателей работают при высоких температурах. Чтобы сохранить прочностные свойства лопаток турбин, приходится в исходный материал добавлять легирующие добавки, например кобальт, который увеличивает в значительной мере стоимость турбины, но придает ей устойчивость к высоким температурам. Компания «Пратт энд Уитни» (Pratt & Whitney) разработала технологию изготовления лопаток, позволяющую снизить содержание в них кобальта на 30%. Для этого лазером сверлят в лопатках мельчайшие отверстия. Воздух, проходящий через отверстия, охлаждает лопатки, и, кроме того, снижается аэродинамическое сопротивление. Таким образом, турбины можно изготовить из менее жаропрочного материала.
Разбор примера
Решение можно представить в виде вепольной схемы (П.1)
Где
В 1 — воздух;
П 1 — температурное поле (высокая температура);
В 2 — лопатка;
В 2 » — лопатка с отверстиями.
Условие — прототип
Температура П 1 нагревает воздух В 1 , который хорошо воздействует на лопатку (создает силу, которая вращает турбину) и плохо воздействует на лопатку (разрушает ее).
Дан веполь с полезной и вредной связью между В 1 и В 2 .
Решение
Для устранения вредной связи в соответствии со схемой (П.1) между веществами В 1 и В 2 необходимо поместить вещество В 3, являющееся ими самими или их видоизменением В 1 » или В 2 » . В решении выбрано видоизменение лопатки В 2 » — лопатка с отверстиями.
Пример 9.2. Борьба с кавитацией
Кавитация вызывает эрозию (разрушение) материала устройств, где она происходит. С кавитацией пытаются бороться, при этом достаточно важно, чтобы кавитация подавлялась равномерно. Предложено для подавления воздействовать на кавитационные пузырьки ультразвуковыми колебаниями в диапазоне частот от 1 до 50 кГц.
Разбор примера
Решение можно представить в виде вепольной схемы (П.2)
Где
В 1 — кавитационный пузырь;
П 1 —поле микровзрыва, разрушающее материал устройства;
В 2 — материал устройства;
П 2 — ультразвуковое поле.
Условие — прототип
Кавитационный пузырь В 1 при схлопывании на поверхности материала устройства, создает микровзрыв П 1 , вызывая эрозию.
Дан веполь с вредной связью между П 1 и В 2 .
Решение
Для устранения вредной связи в соответствии со схемой (П.2) вводят второе поле П 2 , которое разрушает вредное воздействие поля П 1 . Необходимо подобрать вид поля П 2 , которое могло бы оказать противодействие полю П 1 — микровзрывам, т. е. поле, разрушающее кавитационные пузыри В 1 .
Пример 9.3. Измерение мощности
Калориметрический метод измерения мощности. Для измерения мощности, поглощаемой нагрузкой в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне, определяется количество тепла, отдаваемое нагрузкой рабочему телу (воде), причем, часто само рабочее тело используется как нагрузка. С помощью измерительного узла регистрируется температура рабочего тела и по ее значению определяется значение мощности.
Разбор примера
Рассматривается измерительная система.
Описано решение по схеме (П.3)
Где
В 1 — сверхвысокочастотный (СВЧ) генератор;
В 2 — нагрузка; в решении нагрузка — это вода;
П 1 — электромагнитное поле (сверхвысокочастотное-СВЧ поле), мощность, которого необходимо измерить;
П 2 — температура.
Прибор В 1 излучает сверхвысокочастотное (СВЧ) поле П 1 , поглощаемую мощность, которого необходимо измерить. Вводят воду В 2 , которая нагревается СВЧ полем, являясь нагрузкой для прибора. По температуре определяют значение мощности.
Решение может быть представлено и другой схемой (П.4)
Где
В 1 — СВЧ-генератор;
В 2 — нагрузка;
П 1 — электромагнитное поле (СВЧ-поле);
В 3 — рабочее тело (вода);
П 2 — тепловое поле;
В 4 — датчик температуры воды.
Пример 9.4. Декоративный светильник
Известны декоративные светильники, использующие оптоволокно. Такой светильник состоит из лампы, рефлектора, температурного фильтра и светофильтра, соединительной головки и оптоволоконного кабеля. В этом светильнике светофильтр был один и жестко закреплен.
Составьте вепольную схему.
Изобретен декоративный светильник, который с изменением атмосферного давления меняет цвет (рис. П.1). В данном изобретении светофильтры закреплены на гофрированной вакуумной камере, которая меняет свой объем в зависимости от атмосферного давления и передвигает разноцветные светофильтры.
Рис. П.1. Декоративный светильник. А. с. 779 726
1 — сферический корпус из термостойкого пластика, состоящий из верхней полусферы А и нижней полусферы Б; 2 — опора; 3 — отверстие в нижней части корпуса; 4 — вентиляционное отверстие, 5 — горловина; 6 — кольцевая скобка, соединяющая половины А и Б; 7 — световоды, вмонтированные в горловину 5, 8 — основа; 9 — герметичная гофрированная вакуумная камера; 10 — стойка; 11 — отражатель; 12 — источник света; 13 — питающий электрический шнур; 14 — направляющая; 15 — рычаг; 16 — шарнир; 17 — закрепление рычага; 18 — светофильтр (светопропускающая пластина, разграниченная на отдельные цветовые секторы); 19 — светоотражающие козырьки.
Разбор примера
Описано решение по схеме (П.5)
Где
В 1 — лампа;
В 2 — светофильтр (светофильтры);
П 1 — свет — оптическое поле;
В 3 — камера;
П 2 — атмосферное давление.
Задача 9.1. Золотая цепочка
Условие задачи
На ювелирном заводе звенья золотой цепочки паяют на станках-автоматах. Такие цепочки очень прочны: даже самую тонкую и изящную цепочку разорвать руками не получается. Такая цепочка может стать «удавкой» для ее обладателя (например, во время ограбления или в иных случаях).
Как быть?
Разбор задачи
Используемый инструмент — идеализация : перенос вредного действия на заранее подготовленный участок путем создания легкоповреждаемых участков.
Необходимо сделать слабое звено.
Решение
Ювелиры ослабляют одно из звеньев золотой цепочки, запаивая его не до конца. В случае необходимости цепочка рвется именно в этом месте.
Самой распространенной услугой ювелирных мастерских является восстановление разорванных цепочек.
Задача 9.2. Извлечение запрессованной втулки
Условия задачи
В деталь «А» прочно запрессована втулка «Б», в которую входит металлический стержень «В» (рис. П.2).
Как извлечь втулку «Б», используя простейшие инструменты, например молоток?
Рис..П.2. Извлечение запрессованной втулки
Разбор задачи
Условие — прототип
В деталь В 1 прочно запрессована втулка В 2 , в которую входит металлический стержень В 3 (рис. П.2).
Решение
Вепольную схему задачи можно представить схемой (П.6)
Где
В 1 — деталь;
В 2 — втулка;
В 3 — стержень;
П 1 — механическое поле (трение), удерживаемое втулку в детали.
Дан плохо управляемый веполь.
Решение можно представить в виде вепольной схемы (П.7)
Где
В 1 — деталь;
В 2 — втулка;
В 3 — стержень;
П 1 — механическое поле (трение), удерживаемое втулку в детали;
В 4 — машинное масло;
П 2 — механическое поле (механический удар по стержню В 3 );
П 3 — механическое поле (давление в машинном масле В 4 );
П 4 — механическое поле (гидравлический удар по втулке В 2 ).
Пространство отверстия в детали В 1 целиком заливают машинным маслом В 4 . По стержню В 3 производят удар П 2 молотком (рис. П.3). В масле В 4 создается давление П 3 и возникает гидравлический удар П 4 , возникшее давление масла выталкивает втулку из отверстия.
Рис. П.3. Извлечение запрессованной втулки
Задача 9.3. Грелка
Условия задачи
Грелка (рис. П.4), в которую только что налит кипяток, может обжечь больного.
Как быть?
Рис. П.4. Грелка
Разбор задачи
Представим задачу в вепольном виде (П.8).
Где
В 1 — вода;
В 2 — грелка;
В 3 — тело больного;
П 1 — температура.
Воду В 1 нагрели с помощью температурного поля П 1 . Горячая вода нагревает грелку В 2 , а последняя согревает тело больного В 3 (прямая стрелка) и может обжечь его (волнистая стрелка). Это внутренний комплексный веполь с хорошей и вредной связью.
Вредная связь может быть устранена введением В 4 , которое может представляет собой В 1 , В 2 , В 3 или их видоизменением В 1 » , В 2 » , В 3 » . В соответствии со схемой (4.4) для данной задачи структурное решение можно представить схемой (П.9)
В Германии запатентована грелка, на одной стороне которой имеются выступы (рис. П.5). Таким образом, тело касаются только отдельные точки грелки и между телом и грелкой имеется прослойка воздуха.
Рис. П.5. Грелка
В данном изобретении использовали видоизменение грелки В 2 » .
Задача 9.4. Абразивная обработка
Условие задачи
Аппарат для абразивной обработки деталей сложной формы представляет собой коаксиально расположенные две трубы. По внутренней трубе движется воздух, а по наружной — частицы абразива. На конце наружной трубы расположено сопло, формирующее струю абразива (рис. П.6). Сопло быстро изнашивается и его приходится менять. Как сделать не изнашиваемое сопло?
Рис. П.6. Аппарат для абразивной обработки деталей
А-А — разрез коаксиальных труб; Б-Б — разрез сопла.
Обычно стараются сопло делать из более износостойких материалов, но даже они изнашиваются, а стоимость таких материалов значительно больше.
Разбор задачи
Вепольную схему задачи можно представить схемой (П.10)
Где
В 1 — абразив;
В 2 — сопло;
П 1 — давление воздуха (поток воздуха).
Задача описывается веполем с полезной и вредной связью. Полезное действие (прямая стрелка от В 2 к В 1 ) — формирование струи абразива. Вредное (волнистая стрелка от В 1 к В 2 ) — истирание сопла.
Более точно схему (П.10) можно представить схемой (П.11).
Где
В 1 — абразив;
В 2 — сопло;
П 1 — давление воздуха (поток воздуха);
В 3 — воздух.
Возможные решения — использование тенденции устранения вредной связи (рис. 4.1).
Одно из решений в соответствии со схемой (4.4): между веществами (В 1 В 3 ) и В 2 вводят третье вещество В 4 , являющегося одним из имеющихся В 1 , В 2 , В 3 или их видоизменением В 1 » , В 2 » , В 3 » . Это решение представлено схемой (П.12).
Где
В 1 — абразив;
В 2 — сопло;
П 1 — давление воздуха (поток воздуха);
В 3 — воздух;
В 1 » , В 2 » , В 3 » — видоизменения В 1 , В 2 , В 3 .
Решения
1. Сопло В 2 должно удерживать на внутренней поверхности частицы абразива В 1
1.1. Частички абразива В 1 удерживаются на внутренней поверхности сопла В 2 с помощью вакуума.
Решение 1. Сопло представляет собой сетку, на которой создается отсос (вакуум). Частички абразива притягиваются к сетке (рис. П.7). Теперь сопло (сетка) «защищены» частичками абразива. Когда эти частички изнашиваются, на их месте появляются новые из потока.
Рис. П.7. Абразивная обработка. А. с. 971 639
1 — корпус; 2 — воздушное сопло; 3 — вставка (выполнена из сетки); 4 — втулка; 5 — гайка; 6 — камера разряжения; 7 — трубопровод; 8 — канал; 9 — смесительная камера.
Вакуум в данном изобретении создается за счет имеющегося потока воздуха. Для этого сделан канал 8 (рис. П.7). Схема действия физического явления эжекции показана на рис. П.8. Поток газа или жидкости, проходящий перпендикулярно концу трубки, создает в ней отсос (вакуум).
В данном решении в качестве В 4 использованы:
В 2 » — видоизменение сопла — сетка;
В 1 — абразив;
В 3 » — видоизменение воздуха — вакуум, получаемый с помощью эжекции.
Рис. П.8. Эжектор
1.2. Частички удерживаются за счет видоизменения формы сопла.
Решение 2. В сопле могут быть сделаны «кармашки» 10 для абразива (рис. П.9а). Тогда струя абразива будет тереться о частицы застрявшего абразива, и застрявшие частицы будут предохранять сопло от истирания (рис. П.9б). Остальное аналогично выше рассмотренному п. 1.1.
В данном решении в качестве В 4 использованы:
В 2 » — видоизменение сопла — «кармашки»;
В 1 — абразив.
Рис. П.9. Кармашки. А. с. 1 184 653
2. Частички абразива не должны допускаться к стенкам сопла или отталкиваться от них.
Решение 3. В стенках сопла имеются направляющие для сжатого воздуха. Они расположены тангенциально с наклоном к выходу сопла (рис. П.10). Через направляющие подается сжатый воздух, который отталкивает частички абразива от стенок сопла.
Рис. П.10. Сжатый воздух отталкивает частицы
Кроме того, струи воздуха закручивают поток абразива и формируя струю. При определенной конструкции и давлении воздуха, можно отказаться от основной струи воздуха.
В данном решении в качестве В 4 использованы:
В 2 » — видоизменение сопла — направляющие для сжатого воздуха;
В 1 — абразив;
В 3 — воздух.
Решение 4. Проще всего поменять местами воздух и абразив
(рис. П.11).
Рис. П.11. Сопло с абразивом
3. Возможны решения и по другим схемам, например (П.13)
Где
В 1 — абразив;
В 2 — сопло;
П 1 — давление воздуха (поток воздуха);
В 3 — воздух;
В 2 » — видоизменения сопло В 2 — магнит;
В 5 — ферромагнитные частицы, которые находятся внутри абразива;
П 2 — магнитное поле.
3.1. Частички абразива В 1 удерживаются на внутренней поверхности сопла В 2 с помощью магнитного поля.
Решение 5. Частички абразива В 1 спекаются с ферромагнитными частицами В 5 . Сопло В 2 видоизменяют В 2 » , выполняя его из магнита, который генерирует магнитное поле, притягивая частички абразива (В 1 , В 5 ) к соплу- магниту В 2 » . Остальное аналогично п.1.1.
В данном решении в качестве В 4 использованы:
В 2 » — видоизменение сопла — магнит;
П 2 — магнитное поле, генерируемое магнитом В 2 » ;
(В 1 , В 5 ) — абразив, спеченный с ферромагнитными частицами В 5 .
Задача 9.5. Упаковка изделий
Условия задачи
Известен способ упаковки и консервации изделий путем окунания их в расплав полимера. Снимать такую упаковку с изделий со сложнорельефной поверхностью достаточно тяжело. Приходится ее разрезать, что может привести к порче ее поверхности.
Как быть?
Разбор задачи
Составим вепольную модель описанной системы. Она может быть описана схемой (П.14)
Здесь
В 1 — изделие;
В 2 — упаковка;
П — сила, с которой упаковка удерживается на изделии.
Задача описывается веполем с полезной и вредной связью. Полезное действие (прямая стрелка от П к В 1 ) — удержание упаковки на изделии. Вредное (волнистая стрелка от П к В 1 ) — невозможность снятия упаковки без порчи изделия из-за сильной адгезии.
Одна из возможностей устранения описанных недостатков — это использование внутреннего комплексного веполя (П.15).
Чтобы облегчить операцию снятия упаковки, предложено перед окунанием в расплав ввести подслой, содержащий парообразующее вещество при низкой температуре (рис. П.12). Съем упаковки осуществляется путем нагрева упаковки. Под упаковкой образуется пар, который разрывает упаковку.
Подслой вводят путем окунания изделия в расплав парообразующего вещества или нанесение его с помощью пульверизатора. Затем охлаждают изделие, например, обдувая его воздухом. Затем окунают в расплав полимера.
Состав для получения подслоя состоит из 50% легколетучего растворителя ацетона и 50% полимерной композиции, используемой для получения основной упаковочной пленки, что предотвращает загрязнение ванны с расплавом для нанесения основной упаковочной пленки чужеродной композицией.
В схеме (П.15)
В 1 — изделие;
В 2 — упаковка;
П — сила, с которой упаковка удерживается на изделии;
В 3 — подслой, содержащий парообразующее вещество;
П 1 — температурное поле.
Рис. П.12. Упаковка изделий со сложнорельефной поверхностью
Задача 9.6. Опоры мостов
Условия задачи
Быки (опоры) мостов в зимнее время покрываются льдом и постепенно разрушаются. Вода попадает в трещины быков, при замерзании лед расширяется и откалывает куски.
Необходимо устранить этот недостаток наиболее простым и дешевым способом.
Разбор задачи
Условие — прототип
Вода В 2 омывает бык В 1. На воду В 2 воздействует низкая температура и вода превращается в лед, что портит быки.
Вепольная схема задачи описывается схемой (П.16)
Где
В 1 — бык (опора моста);
В 2 — вода;
П 1 — температура (ниже нуля).
Решение
Задача описывается веполем с вредной связью. Одно из возможных решений — перейти к внешнему комплексному веполю (П.17).
Необходимо ввести В 3 , не позволяющее воде замерзать.
Воспользуемся ресурсами системы.
Ниже поверхности воды, особенно на дне, вода имеет температуру выше нуля. Остается тепло передать воде на поверхность вокруг быка. Необходимо использовать вещество с более высоким коэффициентом теплопроводности, например, медь. Вокруг быков помещают медные трубы, вбитые в грунт (дно), они передадут тепло на поверхность и согреют воду вокруг быков (рис. П.13).
В 3 — медная труба.
Более детально схему (П.17) можно представить в виде (П.18)
Где
В 4 — теплая вода (на дне реки);
П 3 — температура выше нуля градусов, передающая от воды В 4 ;
П 2 — температура выше нуля градусов, передающая от медной трубы В 3 .
Рис. П.13. Предохранение опор моста