Тема. Ведение в патентоведение. Описание изобретения

 

Проблемная ситуация. Листовую сталь (прокат) производят на многоклетьевых прокатных станах, каждая клеть которых имеет рабочие (обжимные) 2 и подающие 3 валки (рисунок 1). Последние транспортируют заготовку-лист 1 в зону расположения рабочих валков 2, вращающихся навстречу друг другу. Втягиваясь в зазор между рабочими валками, лист деформируется с уменьшением его толщины на заданную величину обжатия одной клетью. Последовательная раскатка листа во всех клетях стана позволяет уменьшить исходную толщину листа до требуемой величины в готовом прокате.

В связи с возросшей потребностью в листовом прокате предложено расширить его производство в существующем прокатном цехе, установив в нем дополнительно к применяемому стану еще одного прокатного стана. Изучение этого предложения показало, что его реализация возможна при условии, если дополнительно устанавливаемый и используемый в данное время станы будут иметь количество клетей на одну клеть меньше, но с такой же величиной общего обжатия стального исходного листа.

Для оценки возможности выполнения требований приведенного условия произведена прокатка листа при меньшем на одну числа клетей стана и с распределением величины обжатия листа исключенной клети на оставшиеся клети. Опытная прокатка показала возможность практической реализации предложенного пути расширения производства проката. Однако был выявлен существенный его недостаток. При увеличении степени обжатия листа в каждой из оставшихся в стане клетей происходит увеличение силы реакции со стороны деформируемого материала стального листа. Это, в свою очередь, вызывает увеличенный изгиб рабочих валков клети стана, превышающий допустимый по требованиям качества проката по допустимой величине  изменения толщины листа по его ширине (рисунок 2).

Какие изменения в клети стана можно предложить, позволяющие производить прокат листа требуемого качества при увеличении степени обжатия заготовки?

 

Анализ проблемной ситуации. Результаты изучения проблемной ситуации могут быть обобщены в следующем виде.

Проблемная ситуация обусловлена потребностью в увеличении производства листового проката.

Предложен путь удовлетворения данной потребности, согласно которому следует установить в существующем прокатном цехе два стана, но при меньшем на одну числа клетей в каждом стане, и распределением степени обжатия листа исключенной клети между оставшимися клетями стана.

Опытная проверка предложенного пути удовлетворения потребности показала возможность его практической реализации, но при условии обеспечения требуемого качества проката.

 

Постановка научно-технической задачи. Из результатов анализа проблемной ситуации возникает следующая задача усовершенствования клети применяемого прокатного стана.

Дано:

· технический объект: клеть прокатного стана, рабочими органами которой являются обжимные и подающие валки;

· техническая функция: деформирует стальной лист на заданную величину обжатия;

· объекты окружающей среды: обрабатываемая заготовка;

· недостатки: не обеспечивает требуемое качество прокатываемого листа.

Требуется найти техническое решение, обеспечивающее при заданной степени обжатия заготовки требуемое качество прокатываемого клетью листа.

 

Возможные технические решения задачи. Причиной низкого качества прокатываемого листа при заданной степени обжатия заготовки является большая величина прогиба рабочих валков клети стана. При поиске решения задачи в направлении уменьшения прогиба рабочих валков с использованием фонда эвристических приемов (приложение 3) возникли следующие идеи технического решения:

1) увеличить диаметр рабочих валков 2 (рисунок 1);

2) произвести поиск материала, имеющего более высокий модуль упругости по сравнению с материалом применяемого рабочего валка;

3) рабочему валку придать выпуклую форму его боковой поверхности;

4) применить дополнительные опорные валки, установленные вместе с рабочими валками в одной вертикальной плоскости;

5) производить предварительный нагрев прокатываемой заготовки до температуры, при которой материал заготовки приобретает высокую пластичность без снижения прочностных характеристик;

 

Справка. На вышеприведенные идеи технического решения натолкнули следующие эвристические приемы.

1.1. Использовать круговую, спиральную, древовидную, сферическую или другую компактную форму.

1.4. Объекту (элементу), работающему под нагрузкой, придать выпуклую (более выпуклую) форму.

2.1.Присоединить к базовому объекту дополнительное специализированное орудие труда, инструмент и т. п.

6.1.  Использовать другой материал (более дешевый, новейший и т. д.).

6.14. Использовать материалы с более высокими удельными прочностными, электрическими, теплофизическими и другими характеристиками.

6.15.Изменить габаритные размеры, объем или длину объекта при переводе его в рабочее или нерабочее состояние.

 

Из приведенных наиболее приемлемой является идея придания рабочему валку выпуклую форму его боковой поверхности (рисунок 3), которая базируется на известных положениях науки о сопротивлении материалов об изгибе балок равного сопротивления[2].

На основании этой идеи сформулируем техническое решение поставленной задачи в виде следующей формулы предполагаемого изобретения.

 

Формула изобретения

 

Клеть прокатного стана, содержащая два обжимных валка в виде тел вращения, расположенными в вертикальной плоскости параллельно друг другу, и два цилиндрических валка, подающих деформируемую заготовку в зазор между обжимными валками, отличающаяся тем, что обжимные валки имеют образующую своей рабочей поверхности в виде параболы второй степени, вершина которой расположена на оси их центрального поперечного сечения, а ее ветви направлены к продольной оси валков.

 

Описание изобретения

 

Примеры описания изобретения приведены в лекции №8.

 

Приложение 1

 

Проблемные ситуации

Проблемная ситуация 1. Технологический процесс обработки цилиндрической рубашки 1 толщиной 50мм. отсасывающих валов 6 диаметром 800мм бумагоделательных машин включает в себя операцию сверления отверстий 2 (рисунок П1.1) диаметром 10мм. В процессе сверления, вследствие высокой вязкости материала рубашки (коррозионностойкая сталь ОХ12НДЛ) и, возможно, по другим причинам, по краям отверстия на входе и выходе инструмента образуются наплывы 3 металла, что недопустимо по техническим условиям.

Наличие наплывов на наружной и внутренней поверхности цилиндрической рубашки приводит при работе валов 6 к быстрому износу сукна 4, на котором находится сметанообразная масса 5 – сырье будущего бумажного листа. Кроме того, наличие наплывов способствует быстрому засорению отверстий продуктами износа сукна и частицами просушиваемой массы, что в итоге снижает качество сушки бумаги.

Какие можно предложить технические решения, обеспечивающие высокое качество обработки отверстий в цилиндрической рубашке отсасывающего вала (отсутствие наплывов 3 металла по краям отверстия)?

 

Проблемная ситуация 2. Для упрочнения внутренних цилиндрических поверхностей и уменьшения величины их шероховатости обычно применяют методы поверхностного пластического деформирования (ППД), в частности раскатывание роликовым инструментом. Эти методы обеспечивают повышение износостойкости, усталостной выносливости, контактной жесткости и других эксплуатационных свойств обработанных деталей.

Для раскатывания отверстий разработан целый ряд различных устройств, принципиальная схема одного из них приведена на рисунке П1..2, а.

Устройство содержит цилиндрическую или конусную оправку 5, на которой жестко закреплена крестообразная муфта 1. Между щеками муфты шарнирно закреплены оси 8 рабочих роликов 2. Оси 8 шарнирно связаны с сухарями 3, взаимодействующими с конусом 4. Последний служит для передачи силы от пружины 7 через сухари 3 роликам 2. Натяг между инструментом и раскатываемым отверстием (сила давления рабочих роликов) устанавливается путем сжатия пружины 7 гайками 6.

При обработке раскатник вводится в отверстие, где ролики прижимаются к упрочняемой поверхности с заданной силой. При этом обрабатываемой детали задается вращательное движение, а раскатнику движение подачи вдоль оси детали

Данное устройство имеет сравнительно простую конструкцию и позволяет после его предварительной настройки обрабатывать поверхность отверстий разного диаметра. Вместе с тем раскатнику присущ существенный недостаток - малые технологические возможности, в частности, он не применим для обработки конусных отверстий или отверстий, образующая поверхности которых имеет вид некоторой кривой (рисунок П1.2, б).

При обработке таких отверстий ролики 2 будут перемещаться в диаметральном направлении, при этом будет изменяться расположение сухарей 3 и конуса 4 относительно друг друга. В свою очередь, перемещение конуса 4 вызовет изменение величины сжатия пружины 7, а следовательно, силы давления роликов на раскатываемую поверхность. Поэтому обработанная поверхность отверстия будет отличаться низким качеством (различной степенью упрочнения материала и шероховатостью в направлении образующей отверстия).

Какие изменения в конструкции раскатника можно предложить, позволяющие расширить его технологические возможности?

 

Проблемная ситуация 3. Известно, что бетон лучше выдерживает сжимающие нагрузки, чем растягивающие. Однако многие железобетонные конструкции типа балок и плит, широко используемые в различных сооружениях (зданиях, мостах), работают в условиях действия изгибающей нагрузки. При изгибе таких конструкций, например балок, их "внутренняя" поверхность сжимается, а "внешняя" растягивается. Для того, чтобы снизить влияние растягивающих нагрузок при эксплуатации железобетонных конструкций, работающих на изгиб, используют так называемый предварительно напряженный бетон. Изготовление железобетонных конструкций с предварительно напряженным бетоном осуществляют по следующей технологии.

Размещенную в форме 2 арматуру 1 (стальные стержни) вначале растягивают на заданную величину их удлинения с помощью гидравлического домкрата 4 (рисунок П1.3). В растянутом состоянии арматуру заливают бетоном. После затвердения бетона освобождают зажимы 3, арматура при этом укорачивается и сжимает бетон во всем объеме изделия – балки или плиты.

В изготовленных по такой технологии железобетонных конструкциях возникающие при изгибе растягивающие силы частично или полностью будут компенсированы внутренними напряжениями сжатия, созданными предварительным сжатием бетона. Является очевидным, что такие железобетонные изделия будут прочнее конструкций, выполненных по традиционной технологии, в которой арматура заливается бетоном в исходном, не растянутом состоянии.

Вместе с тем приведенная технология получения предварительно напряженного бетона имеет существенный недостаток: в ней используется сложное оборудование для удлинения арматуры (гидравлический домкрат, отдельная гидросистема для обеспечения работы домкрата и т.д.).

Какие технические решения можно предложить, позволяющие упростить технологию изготовления конструкций с предварительно напряженным бетоном с точки зрения применяемого оборудования?

 

Проблемная ситуация 4. На финишных операциях обработки деталей машин часто применяют методы поверхностного пластического деформирования (ППД). Сущность этих методов заключается в пластическом деформировании (без стружкообразования) тонкого поверхностного слоя обрабатываемой детали скользящим или катящим, или ударяющим по ней инструментом – выглаживателем, шаром, роликом и др. В результате такой обработки уменьшается высота неровностей поверхности, упрочняется материал поверхностного слоя, повышаются износостойкость деталей, коррозионная стойкость, усталостная прочность и другие эксплуатационные свойства.

В зависимости от способа ППД применяют различные устройства для пластического деформирования обрабатываемой поверхности, одно из которых приведено на рисунке П1.4.

Инструмент 1, выполненный в виде полного кругового цилиндра, имеет радиально рифленые торцевые поверхности 2, посредством которых он закрепляется в переходнике 3 с помощью болта 4. Переходник 3 устанавливается и закрепляется винтом 6 в державке 5.

Для осуществления процесса деформирования державка 5 крепится, например, в резцедержателе токарного станка. К поверхности вращающейся детали подводят инструмент 1, прижимают его с заданной силой и сообщают ему движение подачи вдоль детали. Величина подачи при этом не превышает ширину b области контакта 7 инструмента 1 с обрабатываемой поверхностью.

По мере износа участка контакта боковой цилиндрической поверхности инструмента его поворачивают относительно оси Z - Z на некоторый угол a, величина которого зависит от ширины b участка 7. При износе инструмента по окружности, его переставляют вместе с переходником 3 по высоте Н в зависимости от величины h изношенного участка 7. После износа инструмента и по его образующей цилиндрической поверхности его перетачивают, срезая изношенную рабочую поверхность.

Легко видеть, что применение инструмента в виде полного кругового цилиндра позволяет увеличить срок его службы (долговечность) по сравнению с традиционно применяемым инструментом. Последний представляет собой выглаживатель с рабочей поверхностью в виде части боковой поверхности цилиндра.

Вместе с тем, описанное устройство не полностью решает проблему увеличения долговечности выглаживающего инструмента, так как в процессе работы цилиндрического выглаживателя изнашивается не вся его боковая поверхность, а только отдельные ее локальные участки. При переточке же инструмента вместе с изношенными участками удаляются и неработавшие части поверхности, что снижает срок его службы.

Какие технические решения можно предложить, позволяющие увеличить долговечность инструмента в виде полного кругового цилиндра.

 

Проблемная ситуация 5. Для упрочнения прямолинейных фасок 5 отверстий используется коническая однороликовая раскатка, содержащая консольно установленный в корпусе 1 ролик 3 с конической рабочей поверхностью (рисунок П1.5, а). Ролик имеет возможность свободного вращения в опорах 2. Необходимая сила давления ролика на обрабатываемую поверхность фаски задается пружиной 6. Раскатка работает следующим образом.

Перемещением раскатки вдоль оси вращающейся детали 4 ролик 3 вводится в зону обработки. Затем раскатке сообщают поперечную подачу S до прижатия ролика 3 к поверхности фаски 5 с требуемой силой. Войдя в соприкосновение с фаской, ролик обкатывает поверхность фаски, вызывая при этом пластическую деформацию материала поверхностного слоя. В результате обкатывания уменьшается шероховатость поверхности фаски, увеличивается ее контактная прочность.

Обеспечивая высокую эффективность обработки прямолинейных фасок, описанная раскатка имеет существенный недостаток. С ее помощью не удается обработать фаски с выпуклой криволинейной образующей (рисунок П1.5,б).

Какие технические решения по изменению конструкции раскатника можно предложить, которые обеспечивали бы его технологические возможности обработки фасок с выпуклой криволинейной образующей?

 

Проблемная ситуация 6. В самолетостроении, автомобилестроении большое распространение получили болтовые и заклепочные соединения плоских деталей типа пластин, дисков и т.п. При этом многие из них работают в условиях действия знакопеременных нагрузок. К таким деталям предъявляют повышенные требования к их усталостной прочности, особенно в связи с наличием в них различных отверстий, являющихся концентраторами напряжений. Установлено, что при действии знакопеременных нагрузок усталостные трещины зарождаются у кромок отверстий. Поэтому при изготовлении деталей с отверстиями стремятся повысить их усталостную прочность путем упрочнения наклепом материала в окрестности торцов отверстий.

К настоящему времени предложен целый ряд способов упрочнения плоских деталей с отверстиями. Один из них заключается в том, что с двух сторон детали 1 (рисунок П1.6) вокруг отверстия 2 формуют кольцевые углубления 3 и 4, концентричные с отверстием. Однако такой способ упрочнения материала на кольцевых участках 3, 4 вокруг отверстия только в определенной степени увеличивает усталостную прочность детали. При работе таких деталей усталостные трещины, как показали исследования, возникают уже на неупрочненной поверхности 5 отверстия.

Какие технические решения можно предложить, которые в большей степени обеспечивают усталостную прочность детали с отверстиями по сравнению с вышеописанным решением?

 

Проблемная ситуация 7. Для отвода тепла от космической энергетической установки было предложено использовать холодильник-излучатель, представляющий собой набор жидкометаллических тепловых труб (ТТ). Тепловая труба состоит из металлического корпуса 1, выполненного в виде тонкостенной цилиндрической оболочки, торцевых заглушек 2 и фитиля 3, "пропитанного" легкоплавким металлом, например натрием (рисунок П1.7). Для обеспечения работоспособности тепловой трубы из ее внутренней полости откачивается воздух до высокой степени вакуума. Отвод тепла осуществляется следующим образом.

Поступающая, например, через левую часть корпуса трубы теплота расплавляет натрий, вызывая его кипение. Пары натрия в соответствии с принципами конвекции перемещаются в холодную часть трубы, где конденсируются, отдавая теплоту корпусу трубы. Жидкий натрий посредством фитиля поступает в горячую зону, здесь вновь испаряется и т.д.

При выведении энергоустановки в космическое пространство тепловые трубы подвергаются вибрационным, инерционным и акустическим воздействиям. Эти воздействия иногда вызывают потерю устойчивости герметического корпуса у отдельных тепловых труб. Корпус, как говорят, "схлопывает" (сплющивается).

Какие технические решения можно предложить с целью повышения устойчивости корпуса тепловых труб?

 

Проблемная ситуация 8. В числе важнейших задач машиностроения является задача повышения долговечности изделий. Объективным ограничением на пути увеличения долговечности деталей машин является наличие конструктивных концентраторов напряжений в виде отверстий, галтелей (переходных поверхностей), карманов, пазов и т.п. Установлено, что такие концентраторы напряжений уменьшают усталостную прочность деталей от 2 до 5 раз по сравнению с деталями с гладкими поверхностями. В то же время можно уменьшить влияние концентраторов напряжений на долговечность деталей, работающих в условиях действия знакопеременных нагрузок, если упрочнить металл, охватывающий отверстия и галтели. С этой целью используют различные методы упрочнения поверхностным пластическим деформированием: дорнование, раскатывание, упрочнение чеканкой, дробеструйный наклеп и др.

В частности, при дробеструйном упрочнении наклеп создается динамическим воздействием направленного потока дроби или шариков на поверхность отверстия. Данный метод может быть осуществлен с помощью устройства, приведенного на рисунке П1.8.

Устройство содержит трубчатый корпус 1, внутри которого помещены упрочняющие шарики 2. Корпус выполнен в виде скобы, состоящей из двух колен. Колено 7, несущее сопло 5 для подачи сжатого воздуха, является стационарным, а колено 8 – подвижным, и оба колена соединены замкнутым, гофрированным эластичным элементом 9. Соединение колена 7 и колена 8 устройства выполнено в виде фиксирующего элемента 10.

Торцы 3 и 4 колен расположены на прямолинейном участке скобы соосно и выполнены утолщенными, что обеспечивает устойчивое положение устройства на детали. Перед соплом 5 расположен перфорированный участок 6 для выхода отработанного воздуха.

Устройство работает следующим образом. В зависимости от толщины детали настраивают зев скобы путем перемещения подвижного колена 8 относительно колена 7 и фиксируют их элементом 10 так, что ось торцов 3 и 4 этих колен совпадает с осью отверстия. Помещают в канал корпуса 1 шарики 2 и подают сжатый воздух, который захватывает шарики и разгоняет их. Шарики при движении ударяются о поверхность отверстия и производят пластическую деформацию материала этой поверхности. После отверстия шарики движутся по каналу корпуса. На перфорированном участке 6 воздух уходит в атмосферу, а шарики захватываются поступающим по соплу 5 сжатым воздухом, вновь поступают в отверстие детали и т.д. Процесс продолжается до полного упрочнения стенок отверстия, после чего отключают сжатый воздух, снимают устройство с детали и переносят его на очередное отверстие. В случае изменения толщины детали перенастраивают зев скобы, перемещая колено 8. затем производят упрочнение.

Эффективность дробеструйного упрочнения зависит от энергоемкости потока, которая определяется кинетической энергией движущихся шариков и углом их соударения с обрабатываемой поверхностью. Поскольку кинетическая энергия шариков затрачивается на работу по пластическому деформированию металла, то наибольшая эффективность упрочнения достигается при движении потока шариков по нормали к упрочняемой поверхности.

Установлено, что описанное устройство не обеспечивает высокую эффективность упрочнения, так как в нем поток шариков параллелен оси отверстия. Поэтому только часть шариков, которая движется в непосредственном контакте со стенками отверстия, а также те шарики, которые при столкновении между собой отскакивают к стенкам отверстия, будут упрочнять поверхность отверстия.

Какие технические решения по изменению описанного устройства можно предложить, позволяющие увеличить эффективность упрочнения отверстий деталей?

 

Проблемная ситуация 9. При бетонировании дорог, фундаментов и других сооружений применяют различные виброгенераторы с целью уплотнения бетона. Один из них представляет собой электродвигатель 1, жестко закрепленный на плоской платформе 2 (рисунок П1.9). На валу 3 электродвигателя с определенным эксцентриситетом E установлен груз 4. Виброгенератор работает следующим образом. После включения двигателя груз раскручивается до номинального числа оборотов. Так как груз установлен на валу с эксцентриситетом, то неуравновешенная масса груза вызывает колебания и система "двигатель – груз - платформа" после "раскрутки" груза начинает вибрировать.

Особенностью данной системы является то, что мощность электродвигателя, необходимая для "раскрутки" груза, на порядок больше мощности, необходимой для поддержания вращения груза. В свою очередь мощность двигателя определяет его стоимость, а значит стоимость всего виброгенератора.

Какое техническое решение можно предложить, позволяющее снизить стоимость виброгенератора без снижения эффективности его работы?

 

Проблемная ситуация 10. Известно, что отверстия, галтели, пазы и т.п., являясь концентраторами напря-жений, в значительной степени снижают усталостную прочность деталей. Влияние этих концентраторов напряжений на долговечность изделий стремятся уменьшить, упрочняя металл путем его холодного пластического деформирования различными способами и инструментами. В частности, для упрочнения отверстий был предложен инструмент, выполненный в виде полуцилиндрических вкладыша 1 и оправки 2 с буртиками 3 на концах (рисунок П.10,а). Превышение диаметра инструмента по отношению к диаметру упрочняемого отверстия задается в соответствии с требуемой величиной пластической деформации.

Упрочнение стенок отверстия осуществляют следующим образом.

Вкладыш 1 и оправку 2 устанавливают совместно в исходное положение (плоские поверхности 4 вкладыша и оправки прилегают одна к другой) в обрабатываемое отверстие до упора буртика вкладыша 1 в торцевую поверхность отверстия. Затем деталь устанавливают на упор и прикладывают к торцу оправки 2 осевое усилие, которое вызывает перемещение оправки вдоль оси отверстия и тем самым деформацию металла стенок отверстия. По окончании процесса упрочнения извлекают оправку и вкладыш из отверстия.

Вместе с тем выяснилось, что применение этого инструмента требует дополнительных затрат времени на извлечение его из отверстия, вследствие заклинивания его в отверстии после окончания процесса деформирования. Для повышения производительности операции упрочнения отверстий было предложено выполнять вкладыш и оправку со скосами, образующими клиновую пару (рисунок П1.10,б). Такое решение, как показали опыты, весьма эффективно, когда угол наклона скосов превышает на небольшую величину их угол самоторможения.

Применение инструмента, угол наклона скосов которого удовлетворяет указанному условию, для упрочнения отверстий, диаметр d и длина l которых мало отличаются по своим значениям, не вызывает каких-либо проблем. Однако, если изготовить такой же инструмент для обработки глубоких отверстий (), у которого угол наклона скосов будет больше угла самоторможения, то из-за большой длины скосов вкладыш или оправка будут иметь малую толщину клина у буртика или концевой части. Это, в свою очередь, обусловит их поломку в процессе обработки отверстия.

Какое техническое решение можно предложить, позволяющее обеспечить высокую надежность упрочняющего инструмента в виде вкладыша и оправки для обработки глубоких отверстий?

 

Проблемная ситуация 11. Известно, что надежность работы пар трения во многом определяется наличием масляной пленки между контактируемыми поверхностями. В свою очередь, присутствие масляной пленки определяется способностью микрорельефа поверхности удерживать смазку. Такой способностью обладают поверхности с регулярным микрорельефом, представляющим собой систему пересекающихся синусоидальных канавок. Формирование регулярного микрорельефа осуществляют виброобкатыванием, при котором деформирующему органу – шару, прижатому к обрабатываемой поверхности с силой P, помимо движения подачи S, сообщают возвратно-поступательное перемещение с частотой N и амплитудой e вдоль оси детали, вращающейся с частотой n (рисунок П1.11).

Устройства для виброобкатывания при всем своем разнообразии по конструкции имеют примерно одинаковую схему. Они имеют привод для создания возвратно-поступательного перемещения инструмента, как правило, от отдельного электродвигателя (рисунок П1.12). Вращательное движение вала электродвигателя 10 преобразуется в возвратно-поступательное движение штанги 5 с помощью эксцентрика 7, расположенного на валу электродвигателя. На одном конце штанги установлен инструмент 3 (выглаживатель или шар), другим концом штанга соединена со втулкой 6, перемещающейся вместе со штангой. На втулке 6 в корпусе 4 установлена силовая пружина 11 со шкалой 8. С помощью угольника 9 устройство устанавливают в резцедержателе суппорта токарного станка. Сила обкатывания задается путем предварительного сжатия силовой пружины и передается на среднюю часть штанги 5.

Данное устройство обладает рядом достоинств: большие возможности для образования различных видов микрорельефов, достаточно высокой производительностью и др. Вместе с тем, наличие в устройстве отдельного привода и механизма преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, большое число движущихся частей делает устройство весьма громоздким и, следовательно, мало надежным.

Какое техническое решение можно предложить, позволяющее обеспечить высокую надежность устройства для виброобкатывания деталей?

Проблемная ситуация 12. В массовом и крупносерийном производстве для раскатывания отверстий большого диаметра (свыше 40 мм) часто используют жесткие многошариковые раскатники. Такие раскатники позволяют не только улучшить характеристики поверхностного слоя, но и повысить точность размера отверстия. Конструкция раскатника представляет собой оправку 1 (рисунок П1.13) с размещенными на ней опорными конусами 2, на которые опираются деформирующие шарики 3. Последние размещены в отверстиях сепаратора 4, выполненного в виде втулки. Для регулирования раскатника на размер обрабатываемого отверстия предназначена гайка 5, закрепляемая контргайкой 6. Раскатник посредством резьбового отверстия 7 через переходник устанавливается в пиноли задней бабки токарного станка.

Легко заметить, что данный раскатник обладает ограниченными технологическими возможностями его применения. При заданных размерах конусных опор 2, шариков 3 и сепаратора 4 такой раскатник может быть использован только для обработки отверстий, диаметры которых имеют небольшие отклонения от некоторого среднего диаметра, например, 60 мм. Для обработки отверстий другого размера потребуется установка на оправку 1 элементов 2-4 с другими конструктивными размерами.

Какие технические решения по изменению конструкции существующего раскатника можно предложить, которые расширяют его технологические возможности?

 

Проблемная ситуация 13. Для упрочняюще-отделочной обработки наружных, внутренних, плоских и профильных поверхностей нашел широкое применение центробежный метод поверхностного пластического деформирования. Центробежный метод упрочнения основан на использовании центробежной силы стальных шариков или роликов, свободно перемещающихся в гнездах специального устройства 1, вращающегося со скоростью 2-40 м/с над обрабатываемой поверхностью детали 2 (рисунок П1.14).

Встречая на своем пути деталь, движущуюся навстречу шарикам со скоростью 30-90 м/мин, каждый шарик ударяет по обрабатываемой поверхности, в результате чего происходит ее наклеп и сглаживание шероховатостей.

К настоящему времени предложен целый ряд устройств для центробежной обработки. Одно из этих устройств приведено на рисунке П1.15. Оно состоит из корпуса 1, сменного сепаратора, выполненного в виде звездочек 2 и двух тарельчатых дисков 3. Наличие сменного сепаратора и двух тарельчатых дисков, служащих для удержания шариков 4 во время работы, позволяет использовать для одной и той же конструкции упрочнителя шарики различного диаметра.

При изменении диаметра шариков величина зазора между тарельчатыми дисками регулируется с помощью прокладок 5. Закаленное кольцо 6 служит для восприятия обратного ударного импульса шариков при ударе об упрочняемую поверхность.

Упрочнитель данной конструкции относительно прост и универсален. Он может закрепляться либо на шпинделе шлифовального станка, либо получать вращение от автономного привода, например, электродвигателя, как показано на рисунке П1.14.

Описанная конструкция упрочнителя имеет существенный недостаток: центробежная сила шариков создается, путем вращения всего упрочнителя. Поэтому его конструктивные элементы испытывают напряжения растяжения от центробежных сил собственной массы упрочнителя, и при высокой скорости вращения упрочнителя эти напряжения могут превысить допустимые по условиям прочности материала конструкции. В связи с этим центробежную обработку ведут на ограниченных скоростях, что в конечном итоге снижает эффективность упрочнения (степень наклепа, величину уменьшения шероховатостей).

Какие технические решения по усовершенствованию существующего устройства центробежного метода обработки можно предложить, обеспечивающего высокую эффективность упрочнения деталей?

 

Проблемная ситуация 14. При растачивании отверстий вывод расточного резца из отверстия сопровождается образованием “рисунка” на его обработанной поверхности. Это явление обусловлено действием сил резания, вызывающих упругий отжим инструмента от обрабатываемой поверхности в процессе снятия припуска на обработку. После завершения процесса резания резец восстанавливает свое первоначальное положение, заданное относительно припуска на обработку, углубляясь при этом в обработанную поверхность отверстия. При последующем выводе из обработанного отверстия резец оставляет на его поверхности след в виде винтовой канавки с шагом, равным подаче его перемещения.

Для предотвращения образования “рисунка” на обработанной поверхности приходится отводить резец от обработанной поверхности, затрачивая дополнительное время на выполнение операции растачивания отверстия, что вызывает снижение производительности обработки детали.

Какие технические решения можно предложить, не вызывающие снижение производительности обработки отверстий и обеспечивающие высокое качество его поверхности?

Проблемная ситуация 15. Водителям хорошо знакома ситуация, когда не представляется возможным отвернуть гайку болтового соединения деталей автомобиля. Вследствие попадания воды, пыли в резьбовое соединение или действия высоких температур гайка "прикипает" к болту (или шпильке). В этих случаях приходится применять специальный раствор (например, "Унисму"), проникающего в место контакта гайки с болтом и растворяющий продукты коррозии. Однако далеко не всегда под рукой оказывается такой раствор или его применение не приводит к успеху. Тогда приходится разрушать соединение: спиливать гайку вместе с частью болта или разрезать гайку вдоль ее геометрической оси и т.п. Причем эту операцию часто приходится выполнять в условиях плохого доступа к гайке.

Какую конструкцию гайки можно предложить, позволяющую не испытывать затруднений при ее свинчивании, даже если она "прикипела"?

Проблемная ситуация 16. Известно, что при резке деревянных изделий дисковая пила 1 (рисунок П1.17) так сильно шумит, что персоналу рекомендуется надевать специальные звукопоглощающие наушники. Возникновение резкого шума объясняется совпадением частот вынужденных и собственных колебаний дисковой пилы при ее работе. Изменение режима резания (смена частоты вращения пилы, силы давления деревянного изделия на пилу и т.п.) часто не приводит к желаемому эффекту.

Какие технические решения можно предложить по уменьшению шума при работе дисковой пилы.

 

Проблемная ситуация 17. Известен способ навивки пружин, согласно которому проволоку, находящуюся под воздействием растягивающей силы P, навивают на цилиндрическую оправку, закрепленную, например, в патроне токарного станка (рисунок П1.18). Способ достаточно прост и легко реализуется. Вместе с тем при данном способе в витках навитой пружины после снятия нагрузки P возникают остаточные напряжения, и пружина оказывается как бы напрессованной на оправку. Это создает определенные трудности по снятию навитой пружины с цилиндрической оправки.

Какие технические решения можно предложить, которые обеспечивают свободное снятие пружины с оправки при описанном способе ее изготовления?

 

Проблемная ситуация 18. В сварочном автомате электродом служит стальная проволока 1, разматывающаяся с барабана 2, установленного в стойке 4 с возможностью свободного вращения относительно оси 5 (рисунок П1.19). Проволоку тянет с некоторой силой Р специальный двигатель, расположенный в сварочной головке. Когда сварка прерывается, двигатель останавливается, протяжка проволоки прекращается, но барабан еще некоторое время вращается по инерции и запутывает, мнет проволоку. Поэтому перед возобновлением процесса сварки приходится производить правку проволоки, что приводит к снижению производительности сварочного автомата.

Какие технические решения по усовершенствованию существующего устройства для хранения сварочной проволоки можно предложить, которые бы обеспечивали высокую производительность сварочного автомата?

Проблемная ситуация 19. При обработке гранита 2 и других природных камней используется ленточная пила, состоящая из корпуса в виде тонкой стальной полосы 1, алмазосодержащего слоя 4 и связующего слоя 3 (рисунок П1.20). Данная пила, обладающая хорошей режущей способностью, имеет существенный недостаток. При отрезке заготовки возникает вибрация корпуса 1 пилы, что увеличивает интенсивность износа алмазосодержащих элементов 4 и, соответственно, уменьшает долговечность пилы.

Какие технические решения можно предложить, обеспечивающие высокую долговечность пилы с алмазосодержащими элементами?

Проблемная ситуация 20. Одним из функциональных критериев развития технологических машин является точность обработки материалов. Для листового стана холодной прокатки этот показатель оценивается в виде значений показателей качества листового проката, в частности, значения его поперечной разнотолщинности (изменения толщины листа по оси прокатки). Значение этого показателя во многом зависит от сопротивляемости рабочего валка листопрокатной клети стана действию изгибающей нагрузки, возникающей при прокатке.

Применяют различные методы повышения сопротивляемости рабочего валка стана действию изгибающей нагрузки - увеличивают его жесткость, изменяют форму образующей рабочей поверхности валка, используют опорные валки, изменяют конструкцию валка. В частности, повышение сопротивляемости рабочего валка изгибу достигают созданием в его материале напряжений сжатия, действующих вдоль оси валка. Эти напряжения сжатия изменяют уровень внутренних напряжений, возникающих в валке в момент прокатки листа, тем самым увеличивают сопротивляемость рабочего валка изгибу. Такие валки называют предварительно напряженными рабочими (прокатными) валками.

Одна из конструкций предварительно напряженного рабочего валка представляет собой полый толстостенный цилиндр 2 (рисунок П1.21), внутри которого расположен стяжной стержень 1 с упорным буртом на одном конце и резьбой с гайкой 3 на другом. Напряжения сжатия в таком валке наводят приложением к торцам валка сжимающих сил. Эти силы создают путем упругого растяжения стержня, завинчивая его гайку.

Описанная конструкция рабочего валка, являясь весьма простой, позволяет также реализовать простой способ создания в валке напряжений сжатия. Однако наведение необходимого уровня напряжений сжатия в валке такой конструкции требует приложения к гайке стержня большого по величине крутящего момента.

Какие можно предложить технические решения по усовершенствованию конструкции предварительно напряженного рабочего валка при создании в нем напряжений сжатия путем упругого удлинения стяжного стержня без приложения большого по величине крутящего момента к его гайке?

 

Проблемная ситуация 21. В отличие от ситуации 20 повышение сопротивляемости рабочего валка изгибу достигают созданием в его материале не только осевых напряжений, но и радиальных и тангенциальных (окружных) напряжений. Эти напряжения в материале валка формируют, выполнив валок также в виде толстостенного цилиндра и приложив к поверхности его полости равномерно распределенную нагрузку – внутреннее давление. Внутреннее давление создают с помощью цилиндрической вставки 1 (рисунок П1.22), диаметр которой превышает диаметр осевой полости валка 2 на величину, достаточную для получения необходимого уровня напряжений. Для размещения вставки 1 в полости валка 2 его нагревают до требуемой температуры.

Вместе с тем используемый в данной конструкции способ сборки вставки с валком путем нагрева последнего может вызвать снижение твердости рабочей поверхности валка, полученной в результате его закалки при изготовлении.

Какие можно предложить технические решения по усовершенствованию конструкции предварительно напряженного валка с системой радиальных и тангенциальных напряжений или способа создания этой системы напряжений, не вызывающих снижение твердости рабочей поверхности валка?

 

Проблемная ситуация 22. Для нанесенияна металлические изделия покрытий струей нагретого газа применяют устройство, содержащее распылительную головку 1 и экран 2, установленный на пути движения частиц напыляемого материала (рисунок П1.23). Экран выполнен в виде тонкостенной пластины с отверстием, которое в процессе напыления пропускает частицы центрального ядра струи с наиболее разогретыми частицами напыляемого материала, а периферийные частицы, менее нагретые, отсекаются экраном. Наличие экрана позволяет сформировать на поверхности обрабатываемой детали плотный слой напыляемого материала.

Вместе с тем, в процессе напыления происходит осаждение на поверхности отверстия экрана частиц напыляемого материала и, соответственно, сужение отверстия экрана. Это вынуждает уменьшать величину подачи S, что приводит к снижению производительности процесса напыления деталей.

Какие можно предложить технические решения, обеспечивающие высокую производительность обработки при нанесении покрытий струей нагретого газа?

 

Проблемная ситуация 23. При автоматической электросварке деталей 3 в среде защитного газа отдельные параметры процесса сварки контролируют посредством телекамеры 4, что позволяет управлять процессом сварки и обеспечивать высокое качество сварного шва 2 (рисунок П1.24). Однако процесс сварки сопровождается образованием большого числа брызг жидкого металла 1, которые, попадая на поверхность объектива телека-меры, прилипают к ней и образуют непрозрачную корку металла. Образование корки ухудшает условия контроля процесса сварки, в результате чего снижается качество сварного шва.

Какие можно предложить технические решения, обеспечивающие требуемые условия контроля качества сварного шва с помощью телекамеры?

 

Проблемная ситуация 24. При строительстве нефте- и газопроводов осуществляют контроль качества сварных швов, соединяющих отдельные звенья труб. Качество шва может быть проверено с помощью рентгенографической установки, которая обладает достаточно высокой эффективностью выявления дефектов шва (непроваров, трещин и т.д.). Однако производительность данной установки относительно низкая: за сутки может быть проверен участок труб длиною до 36 м.

На предприятие, ведущее строительство газопровода, поступила новая компактная высокопроизводительная установка, в основу принципа действия которой положен акустический (ультразвуковой) способ выявления дефектов сварочного шва.

Ультразвуковая установка весьма удобна в обращении: достаточно прижать к шву щуп 3 с шариком 2 на конце и провести по всей длине шва, как шариковой ручкой по бумаге (рисунок П1.25).

Вместе с тем, как показали испытания, эффективность выявления дефектов сварных швов с помощью ультразвуковой установки зависит от состояния поверхности сварного шва. Безошибочные показания прибора 4 будут только в том случае, если шарик ни разу не оторвется от поверхности шва, т.е. при движении шарика по поверхности сварного шва между ними не должна возникать воздушная прослойка. Однако выполнение этого требования связано с определенными трудностями: поверхность шва очень неровная.

Какие технические решения можно предложить для безошибочного контроля качества шва с помощью ультразвуковой установки, если сварочный шов неровный?

 

Проблемная ситуация 25. Широкое применение для перевозки сыпучих материалов (песка, щебня и т.п.) нашли автомобили - самосвалы разной грузоподъемности. Нередко для повышения эффективности перевозок применяют автопоезд: автомобиль-самосвал и прицеп-тележку с опрокидывающимся кузовом. Объем перевозимого груза в этом случае повышается практически в два раза. Однако использование отдельного прицепа наряду с повышением объема перевозимого груза имеет существенный недостаток. Наличие прицепа ухудшает маневренность автопоезда и требует от водителя большого мастерства, особенно при маневрировании задним ходом.

Какие технические решения можно предложить для улучшения маневренности автопоезда?

 

 

Приложение 2