Типовые приемы (эвристики) решения технических задач

Набор типовых эвристических приемов, составленных изобретателями, дает в руки создателя новой техники до­вольно эффективный методологический инструмент, позво­ляющий находить нужное техническое решение. Эти приемы применимы как в изобретательстве, так и при проектирова­нии и конструировании ТС.

Наибольшую популярность в технической и изобрета­тельской среде получил набор из 40 типовых принципов (приемов), составленный инженером, автором выдающихся работ [2, 16, 23, 24] по теории творчества - Генрихом Сауло- вичем Альтшуллером (1926-1998). Эти приемы были полу­чены им в результате анализа более 40 тысяч изобретений из патентного фонда, причем было выявлено 1200 технических противоречий, разрешаемых или устраняемых этими изоб­ретениями.

Для лучшего запоминания указанных приемов их на­звания выбраны наиболее образными и простыми. В данной книге эти приемы проиллюстрированы примерами из облас­ти электромашиностроения, что позволит специалистам в этой области более правильно понять и быстрее освоить ука­занные приемы, а также расширить свою эрудицию и воору­житься важнейшим методологическим средством. Рассмот­рим эти принципы.

1. Принцип дробления - разделение ТС на независимые части, выполнение ТС разборной, увеличение степени дроб­ления (измельчения) ТС. На железнодорожном транспорте можно найти наиболее яркие примеры применения при­нципа дробления. Так, поезд состоит из отдельных (раз­дробленных) вагонов; рельсы укладываются на отдельные (раздробленные) шпалы; на электропоезде тяговые электро­двигатели (ТЭД) устанавливаются на 15-20 колесных парах, что возможно благодаря основному качеству электрической энергии - ее легкой делимости. В электрических машинах (ЭМ) магнитный поток делится на части, создавая многопо­лярность.

2. Принцип вынесения, согласно которому требуется от­делить "мешающую" часть (свойство) или, наоборот, выде­лить единственную часть (свойство). Электровоз - это ТС, источник энергии которой вынесен за ее пределы.

3. Принцип местного качества - переход от однородной структуры к неоднородной. Разные части объекта должны по характеристикам соответствовать разным требуемым функциям. Чаще всего возникает проблема обеспечения различных свойств детали и ее поверхностного слоя. Напри­мер, цементация стальных деталей обеспечивает, благодаря науглероженности поверхностного слоя, его высокую твер­дость, а вся деталь остается малоуглеродистой, обладающей хорошей ударной вязкостью. К принципу местного качества относятся: окраска поверхностей деталей электротехничес­ких устройств, повышающая их короностойкость; насечки на стальных рукоятках, уменьшающие их скольжение в ру­ках оператора.

Исторически каждая ТС имеет тенденцию к увеличе­нию дробления на части с увеличением соответствия между функциями и характеристиками деталей. В коллекторных электрических машинах (ЭМ) магнитопровод, проводящий основной магнитный поток, выполняется различным об­разом на различных участках: сердечник якоря, в котором происходит перемагничивание стали при его вращении, выполняется, для уменьшения потерь от вихревых токов, шихтованным, из отдельных изолированных друг от друга листов стали толщиной 0,5 мм, а остов, в котором такого пе- ремагничивания нет, выполняется массивным, например, из литой стали.

4. Принцип асимметрии - переход от симметричной формы к асимметричной. К этому принципу можно отнести и эксцентричное расположение валов, осей. ЭМ, движение подвижной части которых направлено поперек магнитных линий, работают, используя принцип асимметрии магнит­ного поля (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Возникновение электромагнитной силы, дейс­твующей на проводник с током: П - проводник; Ф - внешнее магнитное поле; Фп - магнитное поле проводника с током; Ф£ - суммарное магнитное поле; F - электромагнитная сила

 

Имеются ЭМ, в которых ротор располагают эксцентрично относительно расточки статора, что позволяет значительно снизить частоту вращения ротора [35]. Такие ЭМ называют электродвигателями с катящимся ротором (ЭДКР). Впер­вые они были предложены в 1944 г. А.И. Москвитиным. На рис. 4.2. приведен синхронный ЭДКР с наружными катка­ми обкатывания. В пазах сердечника статора 1 расположена двухполюсная т-фазная обмотка 2, питающаяся от сети пе­ременного тока.

Рис. 4.2. Синхронный двигатель с катящимся ротором с наружными катками обкатывания

 

По торцам расположены обмотки униполярного подмаг- ничивания 3, магнитный поток которых замыкается по втулке ротора 4 и корпусу 7, торцевому сердечнику статора 6 и торцевому сердечнику ротора 5, а также по сердечнику ротора 8 и сердечнику статора 1, по которым замыкается и основной вращающийся магнитный поток, создаваемый обмоткой статора 2. Ротор и статор расположены друг отно­сительно друга с эксцентриситетом е, минимальный зазор между ними 8\

При включении обмотки 2 появится результирующая сила одностороннего магнитного притяжения, вектор кото­рой будет вращаться со скоростью вращения поля обмотки 2. Будет происходить обкатывание катков 9 с диаметром D_K по наружной поверхности статора диаметром D_H с частотой вращения тц, причем частота вращения ротора будет равна

n₂=n₁(D_K-D_H)/D_K.

Ротор ЭДКР при этом совершает сложное движение: ось его синхронно вращается со скоростью вращения магнитно­го поля ni по окружности диаметром 2е, а ротор медленно поворачивается со скоростью п₂ вокруг своей оси.

5. Принцип объединения, требующий соединения одно­родных или предназначенных для смежных операций объек­тов и объединение во времени однородных и смежных опера­ций. Для примера рассмотрим объединение электрического двигателя (ЭД) и магнитного усилителя (МУ) в одной ТС [36]. Электромеханические системы с ЭД-МУ переменного тока позволяют обеспечить глубокий диапазон плавного регули­рования частоты вращения ЭД (за счет большего или мень­шего насыщения магнитопровода), достигающий значения 1:10 при высокой стабильности скорости ±0,5%. Рабочие обмотки МУ наматываются на ярме статора (рис. 4.3) и со­здают переменный магнитный поток Фму> проникающий в воздушный зазор и ротор, а поток ЭД накладывается на поток Фму• Изменение насыщения при наложении пото­ков позволяет регулировать значение, момент и частоту вращения ЭД. Отметим, что масса ТС (двигатель-генератор) меньше чем масса системы: отдельный МУ, соединенный с отдельным ЭД.

Рис. 4.3. Распределение магнитных потоков в двигателе-усилителе с неявно выраженными полюсами

 

Рассмотрим еще один пример технического решения, связанного с усовершенствованием асинхронного электри­ческого двигателя [20]. Двухфазный асинхронный двига­тель, изобретенный Н. Тесла, ознаменовавший начало новой эры в электромашиностроении, имел существенный недоста­ток (кроме других) - неравномерное движение ротора из-за пульсации вращающего момента, вызванный малым числом фаз. Для устранения этого недостатка М.О. Доливо-Добро- вольским было предложено увеличить число фаз с двух до трёх. Однако это приводило к необходимости увеличения подводящих проводов к фазам с четырёх до шести (рис. 4.4), так как каждая фаза питалась отдельно от фаз трёхфазного генератора. Такая система получалась очень дорогой и гро­моздкой.

Рис. 4.4. Схема питания обмотки асинхронного двигателя: I, II, III - обмотки фаз; 1,2,3,4,5,6 - концы подводящих проводов обмоток фаз; а) двухфазная схема; б) трехфаз-

а)

ная схема

После долгих и мучительных размышлений над беско­нечным числом различных вариантов М.О. Доливо-Добро- вольскому удалось найти гениальное по своей простоте и эффективности решение, уменьшающее число подводящих проводов к двигателю в 2 раза. Решение состояло в объеди­нении электрическом между собой обмоток трёх фаз - со­единении их параллельно или последовательно. При па­раллельном соединении получалась "звезда" обмоток, при последовательном "треугольник" (рис. 4.5).

 

 

Рис. 4.5. Способы соединения обмоток асинхронного двигателя в трехфазной сети

 

При этом оказалось, что необходимо иметь всего три под­водящих провода, т.е. даже меньше, чем для двухфазных двигателей. Чем это объясняется? Дело в том, что трёхфаз­ная система, со сдвигом токов фаз в 120°, в любой момент времени имеет сумму токов в трёх проводах, равную нулю (рис. 4.6), и в любой момент времени проводники являются попеременно то подводящими, то отводящими ток (напри­мер, 1 проводник отводит ток, 2 подводят или 2 проводника отводят, а 1 - отводит), и не требуются специальные отводя­щие провода.

Рис. 4.6. Кривые токов, сдвинутые по фазе на 120°

Предложенная трёхфазная система объединения обмоток в «звезду» и «треугольник» явилась решающим фактором, определившим внедрение трёхфазной системы в практику и повсеместное распространение трёхфазных асинхронных двигателей.

6. Принцип универсальности - ТС выполняет несколько разных функций, благодаря чему отпадает необходимость в других объектах. ЭМ (например, ТЭД) предназначена для работы от различных источников тока (постоянного, пульси­рующего). Пример универсальности: продольные строгаль- но-фрезерные станки, совмещающие операции строгания и фрезерования.

7. Принцип «матрешки» - одна ТС размещена внутри другой, которая в свою очередь находится внутри третьей и т.д. Один объект проходит сквозь полость в другом объекте. На рис. 4.7. изображен реактивный индукторный электро­двигатель (РИЭД) с одним ротором и двумя статорами, при­чем статор 2 размещен внутри полости ротора, что позволяет оптимально использовать полезный объем РИЭД.

Рис. 4.7. Реактивный индукторный электродвигатель с одним ротором и двумя статорами

8. Принцип антивеса заключается в компенсации массы ТС соединением с другой ТС, обладающей подъемной силой, или в компенсации массы ТС взаимодействием со средой (аэро-гидродинамические силы). На принципе антивеса ус­троено рессорное подвешивание тележек и кузовов различ­ных движущихся экипажей. Рессора под действием груза прогибается на некоторую величину, создавая подъемную силу, а затем, при прекращении давления, вновь принимает свою прежнюю форму.

9. Принцип предварительного напряжения состоит в придании ТС деформаций (напряжения), противополож­ных нежелательным. Например, пакет сердечника якоря ТЭД насаживается на вал с предварительным напряжением, обеспечивающим минимальный натяг с учетом собственной центробежной силы сердечника при максимальной частоте вращения якоря.

10. Принцип предварительного исполнения - заранее выполнить требуемое изменение ТС (полностью или час­тично); расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие с минимальными затратами времени на их до­ставку. Для демонтажа шестерни 1 (рис. 4.8) с конца вала 2 ТЭД электровоза в валу сверлится при его изготовлении отверстие 3 и точатся канавки 4. Для снятия шестерни на вал 2 устанавливается специальная гайка 5 с уплотняющей прокладкой 6. Затем подсоединяется трубка 7 гидронасоса и создается давление проходящим маслом по каналам 3, 4, передающееся на шестерню 1, под действием которого гайка расширяется и легко снимается с вала.

Рис. 4.8. Схема пути подвода масла, показанного стрелками, при съеме шестерни с вала ТЭД

 

11. Принцип заранее подложенной подушки - заключа­ется в компенсации невысокой надежности ТС заранее под­готовленными аварийными средствами. Для исключения круговых огней и перебросов электрической дуги по кол­лектору ТЭД электровоза в аварийных режимах (внезапное включение, короткое замыкание и др.) его обмотка возбуж­дения шунтируется при ослабленном магнитном поле элек­трической цепью с индуктивным шунтом, работающим при переходных процессах как индуктивность, а в стационарном режиме как активное сопротивление.

12. Принцип эквипотенциальности - при работе (транс­портировке) ТС исключить необходимость в ее поднятии или опускании. Основной принцип эквипотенциальности: пере­мещающаяся ТС должна сохранять неизменным расстояние от центра тяжести земли. На равнинной местности эквипо- тенциальность движущейся ТС обеспечивается колесами, центр вращения которых не перемещается относительно опоры при движении.

13. Принцип «наоборот» - вместо действия, диктуемо­го условиями задачи, осуществляется обратное действие; для этого надо сделать движущуюся часть неподвижной, а неподвижную - движущейся и т.п. Обычная конструк­ция асинхронного двигателя имеет ротор, расположен­ный внутри статора. В некоторых случаях, например, в рольгангах на металлургических предприятиях (враща­ющийся ролик является ротором двигателя), в электро­инструменте, электроверетенах, индивидуальном при­воде колес находят применение асинхронные двигатели обращенной конструкции - с внешним ротором. На рис. 4.9 [37] приведена схема высокоскоростного асинхрон­ного ЭД с внешним ротором для сушильных установок с дисковым центробежным распылителем. Внешний ротор

9 вместе с плотно насаженным на него распыливающим диском 2 вращается в подшипниках 1. Статор с обмоткой

10 закреплен на невращающейся оси 11, через нижний конец которой подводится электропитание проводами 12. Другой конец оси 3 шарнирно закреплен в карданном подвесе 5 и имеет полость для подачи исходной жидкос­ти. По каналам 6 жидкость попадает в радиальные кана­лы 8 распыливающего диска и в виде мельчайших капель под действием центробежных сил выбрасывается в су­шильную камеру. Для защиты обмотки 10 от попадания жидкости служит уплотнение 7. Весь привод крепится к потолку 4. Горячий воздух подается в сушильную камеру при температуре 150°С и быстро высушивает подаваемую жидкость (молоко, фруктовые соки, кофе и т.п.) до сухо­го продукта - порошка.

14. Принцип сфероидальности - переход от прямолиней­ных частей объекта к криволинейным, от плоских поверх­ностей к сферическим, использование роликов, шариков, спиралей. В щеткодержателях ЭМ применяются цилиндрические витые пружины нажатия на щетку, а также рулонные (спиральные) пружины.

 

Рис. 4.9. Схема высокоскоростного асинхронного двигателя с внешним ротором для сушильных установок

 

15. Принцип динамичности - характеристики разраба­тываемого объекта (процесса) должны меняться так, чтобы быть оптимальными на каждом этапе работы; объект де­лится на части, способные перемещаться друг относитель­но друга. К примеру, количество вентилирующего воздуха» поступающего в электрооборудование электровоза, регули­руется в зависимости от электротока нагрузки этого обору­дования. При снижении тока снижается и расход вентили­рующего воздуха.

 

16. Принцип частичного или избыточного решения. Если трудно получить 100% эффект - получить "чуть больше" или «чуть меньше». Например, при окраске цилиндрических дета­лей их опускают в ванну с краской, затем лишнее удаляют вра­щением деталей. В коллекторных электрических генераторах (ЭГ) добиться строго постоянного напряжения невозможно, из- за конечного числа секций якоря. Поэтому обычно удовлетво­ряются тем, что пульсация напряжения не превышает 1%.

 

17, Принцип перехода в другое измерение предусматри­вает увеличение числа степеней свободы объекта, переход от движения по линии в одном измерении к движению в не­скольких измерениях, по плоскости, в пространстве; при­менение многоэтажной компоновки вместо одноэтажной; использование обратной стороны поверхности. Для улучше­ния cos ф асинхронного ЭД с однослойным массивным рото­ром предложен ЭД с двухслойным исполнением ротора [38]. Двухслойный ротор состоит из полого массивного ферромаг­нитного цилиндра 1 (рис. 4.10), насаженного на цилиндр 2, набранный из листов обычной электротехнической стали со значительно большей магнитной проницаемостью, чем у ма­териала, из которого изготовлен цилиндр 1. Цилиндр 2 наса­жен на вал 4. К цилиндру 1 приварено медное короткозамы- кающее кольцо 3.

Рис. 4.10. Двухслойный ротор

 

При пуске такого ЭД, когда скольжение ротора (относи­тельное значение разности скоростей вращающегося маг­нитного поля и ротора) большое, глубина проникновения электромагнитной волны в тело ротора меньше толщины ци­линдра 1, что позволяет иметь такой же большой начальный пусковой момент, как и у ЭД с массивным ротором. В номи­нальном режиме, при малых скольжениях, когда электро­магнитная волна проникает на глубину, большую толщины цилиндра 1, магнитное поле значительно больше проника­ет в шихтованный цилиндр 2, что приводит к возрастанию
нормальной и уменьшению тангенциальной составляющих магнитной индукции и росту ЭДС в цилиндре 1 и, следова­тельно, к росту вращающего момента ЭД, его КПД и cos (р.

18. Принцип использования механических колебаний включает следующие приемы: переведение ТС в колебатель­ное движение; изменение частоты; использование резонан­сных и ультразвуковых частот; применение вместо механи­ческих вибраторов пьезовибраторов. Пьезоэлектрические двигатели (ПЭД) основаны на использовании механических колебаний пьезоэлемента для механического перемещения ротора [39].

Рис. 4.11. Схема действия пьезоэлектрического двигателя (Fn- сила прижима)

 

Созданный ПЭД содержит пьезоэлемент 1 (рис. 4.11), который одним концом прижимается внешней силой к по­верхности ротора 2. При электрическом возбуждении пьезо­элемента он, как лопасть весла, перемещаясь по замкнутой траектории, передает импульс движения ротору и вращает его. Мощность таких двигателей не более 10 Вт. Этот двига­тель впервые был создан в бывшем СССР, и на него получен патент в США № 4019073.

19. Принцип периодического действия - заключающий­ся в переходе от непрерывного действия к периодическому (импульсному); при периодическом действии изменение пе­риодичности, использование паузы между импульсами для другого действия. На этом принципе сформировалась новая ветвь электроэнергетики - импульсная электроэнергетика: создацы устройства для получения сверхсильных магнитных полей, устройства для исследования плазмы, устройства для механической обработки изделий импульсным магнитным полем, для испытания высоковольтной коммутирующей ап­паратуры. В этих устройствах за короткий промежуток вре­мени, измеряемый долями секунды, реализуется большая энергия. В качестве источников такой энергии применяются ударные генераторы [40].

20. Принцип непрерывности полезного действия, соглас­но которому необходимо вести работу непрерывно (все части объекта должны работать все время с полной нагрузкой), ус­транять холостые и промежуточные ходы. Использование рекуперативного и реостатного торможения позволяет более полно загрузить полезной работой ТЭД электровоза, так как при движении под уклон или при торможении ТЭД будет ра­ботать в режиме генератора, а при обычной тяге в режиме двигателя.

21. Принцип проскока, в соответствии с которым весь процесс или отдельные его этапы (например, вредные или опасные) необходимо вести на большой скорости. Использо­вание лазерного луча для быстрого рассекания ткани резко снижает ее деформацию. Пульсации электромагнитного мо­мента в ТЭД пульсирующего тока не приводят к пульсации частоты вращения якоря.