Общая схема развития ТС

СИСТЕМА ЗАКОНОВ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ
(ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ)

4.6. Закон динамизации технических систем

4.6.1. Формулировка закона и основные правила его применения.

С момента синтеза и на первых этапах развития ТС имеют обычно жесткие внутренние связи, в них отсутствуют подсистемы для изменения режима работы в зависимости от изменения внешних условий. Из-за этого системы легко уязвимы, часто выходят из строя, недолговечны. Поэтому этап динамизации (адаптации) неизбежен.

Для механических систем он начинается обычно с перехода от неподвижных частей к движущимся, жесткая связь (или конструкция) "ломается" и в этом месте вводится шарнир, жесткие элементы заменяются на гибкие, на гидро- и пневмоконструкции, используется вибрация, периодическое изменение формы и др.

Для последующих этапов динамизации характерно использование физических и химических эффектов и явлений, введение обратной связи, первые стадии самоорганизации, замена систем и подсистем идеальными веществами, "интеллектуализация" техники.

В основе динамизации лежат фундаментальные принципы организации природных процессов, вспомним, хотя бы, принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается таким образом, чтобы уменьшить изменение. Система перестраивается, "уходит" от вредного воздействия внешнего фактора, повышает свою "живучесть" (разумеется, с помощью человека) приспосабливается к существующим условиям, к постоянно возрастающим потребностям человека и общества, в этом и есть главный смысл динамизации.
На законе основаны два стандартных направления решения изобретательских задач:

1) Динамизация вещества системы.

Динамизация начинается обычно с разделения вещества на две шарнирно соединенные части; далее динамизация идет по линии: один шарнир - много шарниров - гибкое вещество - жидкость - газ; иногда динамизация заканчивается заменой вещественной связи полевой:

2) Динамизация поля

Обе цепочки динамизации отражают лишь наиболее характерные этапы изменений в системах. Не обязательно все этапы "проходят" системы и не все системы "доходят" в своем развитии до конца цепочек.

4.6.2. Использование закона в изобретательской практике.

Использование в изобретательской практике закона динамизации (как и всех других законов) предельно упрощает не только процесс решения, но и поиск задач. Знание законов развития ТС позволяет увидеть и точно сформулировать изобретательские задачи. Если мы знаем, что любая ТС проходит стадии динамизации, то нужно определить на каком этапе она в данный момент находится и сделать следующий шаг. Единственная трудность - определение "больного" места в ТС. Для этого нужно знать простое правило: динамизируется в первую очередь та часть системы, которая испытывает наибольшие претензии внешней среды (вредные воздействия по отношению к ТС - природные, социальные, от других ТС).

Примеры на введение одного шарнира:

• во Франции выпускается строительный кран с передвигающейся вверх-вниз кабиной для облегчения работы крановщика (расширяется поле зрения во время погрузки-разгрузки);

• а.с. 742639: гайка с отделяющейся резьбой; если такую гайку освободить от корпуса, резьбовая часть свободно снимается с болта без свинчивания;

• а.с. 645661: игрушка "ванька-встанька", содержащая корпус, нижняя и верхняя поверхности которого выполнены сферическими, груз, размещенный в нижней части корпуса, отличающаяся тем, что с целью расширения игровых возможностей, она имеет стержень, установленный в корпусе вертикально, а груз свободно установлен на стержне для обеспечения его продольного перемещения.

Вот рассказ одного из конструкторов самолета ЯК-50 о парадоксальном решении проблемы крепления к фюзеляжу тонкого, с большой стреловидностью крыла: "Надо сказать, что тогда мы довольно долго возились с этим узлом, добиваясь необходимой прочности. Несколько раз усиливали конструкцию, но она всякий раз разрушалась при статических испытаниях до достижения расчетных нагрузок. И вот в этот, прямо скажем, довольно критический момент Георгий Владимирович предложил оригинальное решение злосчастного узла, введя в него шарнирный элемент... Доработка упомянутого узла по предложению Г.В.Смирнова помогла, ЯК-50 вышел на летные испытания, показал хорошие результаты" (Козлов П.Я. Конструктор. М.: Машиностроение, 1989, с.45).

Примеры на введение многих шарниров:

• пат. США 3561679: сопло реактивного двигателя в виде телескопической раздвижной трубы; при запуске раздвигается, при транспортировке - складывается;

• а.с. 497381: сейсмостойкий дом на конусных шарнирах между каркасом здания и сваями;

• в Финляндии создана машина для очистки от кустарника и мелколесья лесных дорог, просек и откосов, в которой часто ломающиеся о камни ножи заменены цепями (цепь вращается со скоростью сотни оборотов в минуту и, как бритва, срезает поросль, обтекая камни);

• вырабатывая концепцию автомобиля "Фиат" модели 2000 года, конструкторы пришли к идее, что машина должна состоять из двух компонентов - шасси и разборного кузова, который может менять свой вид "как манекенщица меняет платья"; владелец автомобиля сможет варьировать передними крыльями машины, ее дверцами, капотом, стеклами, приборным щитком все эти части будут продаваться отдельно.

Что представляет собой современный кран? В сущности, это древний ворот (лебедка) с пристроенной к нему укосиной (стрела). И как бы не поворачивалась эта укосина, как бы не наклонялась, кран может взять только груз, находящийся точно под роликами, через который перекинут грузовой канат с крюком. Даже самый современный кран с телескопической стрелой и гидравлическим управлением не может "заглянуть" в проем строящегося здания или взять груз из какого-нибудь строительного закоулка. Эта ущербность будет сохраняться у кранов до тех пор, пока стрела не станет гибкой, как лебединая шея.

Такая стрела изобретена: она состоит из шарнирно сочлененных элементов стальных дисков с постепенно убывающим диаметром. Стрела похожа на трубку от противогаза, а диски, находящиеся внутри, составляют упругий каркас, придающий стреле необходимую устойчивость. Каждый диск жестко соединен по всему периметру с эластичными стенками стрелы. Диски у противоположных стенок пронизаны стальными канатами. Если тянуть то за один канат, то за другой (для этого на поворотной платформе крана имеются гидроцилиндры и соответствующие механизмы), стрела будет изгибаться самым причудливым образом. Захват с грузом на такой стреле может проникнуть не только в окно, но даже в подвал строящегося дома ("Новое в жизни, науке, технике". Серия "Техника", 1988, № 6, с.28).

Примеры на введение гибких элементов:

• а.с. 965789: инструмент для обработки глубоких глухих отверстий в виде пружины, в торцевые витки которой вправлены алмазные зерна;

• а.с. 994153: сверло из многослойной ленты, завитой в спираль;

• а.с. 889113: фильтрующий элемент для очистки газов и жидкостей в виде пружины с небольшими зазорами между витками, через которые проходит очищаемый поток, но задерживаются загрязнения; как только количество задержанных загрязнений достигает критической величины, давление внутри пружины возрастает, растягивает пружину и она освобождается от осевших на нее частиц;

• в США решена проблема защиты берегов от эрозии (размыва волнами); вместо громоздких берегоукрепительных бетонных сооружений (волны со временем разбивают и эти "крепостные стены") используются искусственные водоросли из безвредного для окружающей среды пропилена; водоросли крепятся на заякоренной трубе вблизи берега и задерживают песчинки, при этом наносы растут по 5-7 см в сутки и гасят энергию волн;

• широкое применение нашли зеркала с изменяемой геометрией (за гибкой зеркальной поверхностью расположена пневматическая или вакуумная камера с изменяемым давлением) - зеркала заднего вида в автомобиле, в солнечных электростанциях, телескопах и т.д.;

• а.с. 1072089: глобус из эластичного магнитного материала, по которому можно изучать внутреннее строение Земли и вертикальные движения литосферы под действием гравитационных сил Солнца и Луны (магниты);

• в ФРГ выпускается гибкий пластмассовый карандаш длиной в 0,5 км, поставляется он в бухтах, а в магазине покупателю отрезают нужный кусок ("Наука и жизнь", 1983, № 3, с.85);

• а.с. 1130237 тонкая легкая стальная лента в режущем аппарате комбайна (косилки) вместо тяжелых и неуклюжих "ножниц", ленту можно подстраивать под рельеф почвы с помощью тяг.

Типичный пример на динамизацию: а.с.1069662: рабочий орган центробежного разбрасывателя, в котором с целью повышения равномерности распределения удобрения путем регулирования угла установки лопаток, лопатки закреплены на эластичной камере с жидкостью; угол наклона лопаток меняется при изменении количества жидкости в камере.

Есть железобетонные фундаментные блоки, похожие на многогранные стеклянные стаканы. Они тоже немного на конус и соотношение толщины стенок к высоте и диаметру примерно такое же. Эти блоки и называются стаканными. Представляете, что получится, если стеклянный стакан поставить на землю, накрыть стальной пластиной и бить по пластине кувалдой, пытаясь загнать стакан в землю? Примерно то же самое получается со стаканным фундаментным блоком, когда плоский боек сваебоечного молота бьет по его торцу. Далеко не каждый блок удается забить целым и невредимым. Особенно страдают торцы блока, которые после забивки приходится восстанавливать прямо на стройплощадке. Для уменьшения повреждений стараются обходиться с блоками поделикатнее, бьют вполсилы. Но тогда на закладку фундамента уходит слишком много времени. Одно из предложений было таким: вставлять в блок металлический стакан и бить по нему. Но как бы точно жесткий вкладыш не повторял форму стакана, все равно нагрузки не будут распределяться равномерно и повреждения не исключены. Авторы нового способа предложили использовать... мешок с песком, т.е. вместо жесткого вкладыша - эластичный.

Вообще, надо помнить, что нет абсолютно жестких конструкций любую можно согнуть на определенный угол. Хороший прием: чтобы жесткий элемент сделать более гибким, увеличивают его длину. Например, при строительстве трубопроводов надо часто стыковать участки длиной в сотни метров. Но сварочные головки автомата действуют только в 1/4 окружности, повернуть весь трубопровод нельзя, поэтому низ стыка сварить невозможно (приходится применять ручную сварку). По а.с. 340495 предложено закручивать трубы на 180 град это никак не отразится на трубопроводе большой длины.

Тот же прием использован в а.с. 901377 создан путеукладчик (рис. 23), который одновременно снимает старые рельсы со шпалами и укладывает новые; длина заменяемых участков 800 м, поэтому их свободно изгибают спиралью, размещая на одних и тех же платформах.

В дозаторе сыпучих материалов шнек выполнен из эластичного материала. Это позволяет регулировать шаг шнека (а.с. 222 781).

Динамизация телескопа и другой оптики оказалась столь эффективной, что появилась новая наука - адаптивная оптика (то есть приспосабливающаяся к вредным воздействиям внешней Среды - загрязнению атмосферы, изменению положения Солнца и т.п.). Разрабатываются мембранные зеркала, сами принимающие параболическую форму, жидкие линзы, с изменяющимся фокусным расстоянием и даже... жидкий телескоп (в качестве зеркала используется вращающаяся жидкость, например, ртуть -"Астрономический журнал", 1985, т. 62, вып. 3, с.598).

А вот изобретение 1949 года: а.с. 76409 - способ изготовления вогнутого зеркала для рефлекторных телескопов - серебро помещают в камеру, крышку приваривают, откачивают воздух, затем водородно-кислородные горелки нагревают камеру до расплавления серебра, вращают ее электродвигателем и серебро приобретает идеальную параболическую поверхность. Откачка воздуха нужна для того, чтобы он не поглощался расплавом, так как при выходе поглощенного газа на поверхности образуются поры.

Оказывается, линзы можно образовывать из горячего воздуха прямо в тубусе телескопа. Традиционные линзы телескопов, особенно больших, чересчур чувствительные к изменениям температур и потому требуют сложной системы терморегулирования. Чтобы с этим не возиться, создали телеобъективы, где вместо обычных стеклянных или зеркальных линз применены газовые линзы. Газовую линзу формирует вращающийся металлический тубус. Его горячие стенки нагревают заключенный в цилиндре воздух - чем ближе он к стенкам, тем теплее. Благодаря нагреву, преломление воздуха меняется и создается линзовый эффект ("Изобретатель и рационализатор", 1989, № 11, с.37).

Чем жестче требования к системе, тем быстрее она динамизируется. Например, требования к точности машин долгое время не менялись (до 20 века) и однажды найденные технические решения оставались неизменными, удовлетворяли потребностям, но как только потребовалось увеличение ГПФ, так и узлы станков начали интенсивно совершенствоваться.

Пары трения (например, опора и вал) - основа любых современных станков - резко изменились за последние десятилетия.

Когда-то (от станка Нартова до 20 века) требования к точности обработки ограничивались миллиметрами и для этого достаточно было непосредственного соприкосновения трущихся деталей - опоры и вала. Это была эпоха твердой контактной поверхности. При увеличении точности обработки до долей миллиметра, до десятков микрон, стали применять жидкую смазку. В 80-х годах прошлого века запатентована идея инженера Т.Орловского: подшипник скольжения, в котором вал при вращении не соприкасался с обоймой, а как бы парил в масле, заполнявшем под давлением зазор между ними. Это была идея бесконтактной гидростатической опоры. При дальнейшем увеличении точности потребовались еще более идеальные опоры - появились газостатические опоры (газ нагнетают под давлением через пористые втулки - опоры валов). Динамизация опор пока закончилась полем - успешно применяются в сверхточных станках магнитные опоры.

В электротехнике с самого начала ее развития, одной из главных проблем была задача повышения долговечности и надежности контактов. Как говорят инженеры, "Электротехника это наука о контактах, главное в этой науке обеспечение контакта, где он нужен, и отсутствие, когда он не нужен". С наибольшей остротой эта проблема всегда стояла перед конструкторами электродвигателей и электрогенераторов их коллекторы - самая ненадежная часть этих устройств. Просмотр российского фонда изобретений за последние 50 лет показал четкую тенденцию развития коллекторных щеток:

1. угольные щетки,
2. феррочастицы + магнитное поле (постоянный магнит),
3. магнитная жидкость,
4. струйки ионизированного газа,
5. разряд в вакууме.

Причем, более 20 лет из этого срока шло совершенствование угольных щеток. Несколько десятков изобретений на способы соединения угольной щетки с медным проводом; здесь пытались преодолеть техническое противоречие: при спекании угля и сажи требуется температура 500-600 град., но при этой температуре на меди образуется окисный (диэлектрический) слой. По пат. Франции 1557274 удалось разрешить это противоречие: проводник предлагалось делать из углеродных волокон, кончик проводника спекать - получится угольная щетка.