123553 (598586), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Подобная схема позволяет искать пути совершенствования конструкции. Например, шарики выполняют свою функцию и без колец. Пример: игольчатый подшипник.
3.2.5 Построение потоковой функциональной структуры
В этом случае компоненты ОС считают источником входящих в ТО потоков или стоком выходящих из ТО потоков. Конструктивные элементы ТО нумеруют по возможности в том порядке, в каком поток проходит через эти элементы.
Выше говорилось о том, что поток возникает как следствие определенных физических операций, преобразующих вещество, энергию или информацию. Поэтому перед построением потоковой ФС целесообразно составить таблицу элементов ОС и ТО с указанием этих физических операций.
Приведем такую таблицу для бытовой электроплитки, стоящей на столе и предназначенной для нагревания емкости (кастрюли) с водой.
Основная ФО электроплитки - преобразование электрической энергии в тепловую, т.е. АТ - электрический ток; Е - преобразование; СТ - тепло.
Таблица.
| № элемента и объекта ОС | Наименование элемента и объекта ОС | ФО | ||||
| Вход АТ | № источника | Операция Коллера | Выход СТ | № приемника | ||
| 0-1 | Электрическое напряжение | - | - | - | - | - |
| 0-2 | Емкость с жидкостью | тепловая энергия | 3 | поглощение | - | - |
| 0-3 | Стол | - | - | - | - | - |
| 1 | Разъем | 1. электрическое напряжение 2. перемещение | 0-1 | связь - прерывание | 1. электронапряжение 2. его отсутствие | 2 |
| 2 | Провод | электрическое напряжение | 1 | проведение и преобразование | электрический ток | 3 |
| 3 | Спираль | электрический ток | 2 | преобразование | тепловая энергия | 4 0-2 |
| 4 | Огнеупорный элемент | тепловая энергия электрическое напряжение | 3 3 | уменьшение изолирование | тепловая энергия электрическое напряжение | 0-3 4 |
| 5 | Корпус | вес ТО степень свободы перемещения = 4 | 0-2 4 4 | проведение уменьшение | сила реакции стола степень свободы перемещения = 0 | 0-3 4 |
По данным таблицы может быть построена конкретизированная или абстрагированная потоковая ФС.
Эта схема позволяет проанализировать эффективность потоков, например, в данном случае использование тепловой энергии.
Следует заметить, что для реализации одной и той же потребности может существовать несколько альтернативных физических операций. Так, нагревание емкости с жидкостью помимо электроплитки может осуществляться на газовой плите, на плите, обогреваемой пламенем от сжигаемых дров, угля и пр., на костре и т.д. Поэтому для выбора эффективного решения задачи может потребоваться составление потоковых функциональных структур для нескольких прототипов. В этом случае нужно выбрать наиболее эффективную из них. Реализация ФО происходит на основе одного или нескольких физико-технических эффектов. Под физико-техническими эффектами понимают различные приложения физических законов, закономерностей и следствий из них, физические эффекты и явления, которые могут быть использованы в технических устройствах.
В обобщенном виде описание физико-технического эффекта состоит из 3х компонент: А В С, где А - входной поток вещества, энергии или сигналов; С - выходной поток; В - физический объект, обеспечивающий преобразование А в С.
Если это сравнить с данным ранее описанием физической операции, то виден шаг вперед в области конкретизации решения задачи. Вместо операции Коллера, символизирующей преобразование А в С, появляется более конкретный физический объект.
В качестве иллюстрации рассмотрим некоторые примеры физико-технических эффектов.
| физико-технический эффект | А | В | С |
| Закон Гука | сила | твердое тело | линейная деформация |
| Закон Джоуля-Ленца | электрический ток | проводник | теплота |
| Пьезоэлектрический эффект | деформация (сила) | пъезокристалл | электрическое поле |
Конечно, держать в голове все законы физики, химии, механики достаточно сложно. Поэтому полезно иметь фонд физико-технических эффектов. Пример такого фонда, включающего 120 ФТЭ, приведен в книге А.И. Половинкина "Основы инженерного творчества". Можно рекомендовать и книгу Т.И. Трофимова Физика: 400 основных законов и формул. Справочник. - М.: Высшая школа, 1993., а также Основные формулы физики / Под ред.Д. Мензела. - М.: Изд-во инженерной литературы, 1957. - 657с. Подбор ФТЭ для каждой физической операции позволяет перейти к следующему шагу конкретизации задачи - построению физического принципа действия.
3.2.6 Построение физического принципа действия (ФПД)
Под ФПД понимают ориентированный граф, вершинами которого являются наименования физических объектов В, а ребрами входные А и выходные С потоки вещества, энергии и сигналов. Таким образом, во многих случаях ФПД можно построить с помощью потоковой ФС путем замены наименований элементов или физических операций на наименования объектов В.
Прежде чем приступить к построению ФПД, введем понятие элементарной физической операции. Это такая ФО, которая может быть реализована с помощью одного физико-технического эффекта. Далее работа выполняется в следующем порядке. Рассмотрим его на примере электроплитки, для которой уже рассмотрели потоковую ФС.
Строят абстрагированную потоковую ФС. В этом случае разъем можно рассматривать просто как два проводника обеспечивающие связь и прерывание цепи; провод после разъема - это проводник, обеспечивающий проведения тока к нагревателю (спирали); спираль - проводник, обеспечивающий преобразование электрической энергии в тепловую; огнеупорный элемент - твердое тело, уменьшающее поток тепловой энергии в ненужном направлении и обеспечивающее электрическую изоляцию; емкость с жидкостью - обеспечивает поглощение тепловой энергии; корпус - твердое тело, обеспечивающее равновесие силы тяжести плитки и реакции стола.
Проводят анализ потоковой ФС и выявляют сложные ФО, которые реализуются с помощью нескольких ФТЭ.
Для узлов ТО, имеющих сложные ФО, строят потоковую ФС, состоящую только из элементарных ФО и таблицу описания ФО. Это не всегда удается сделать, тогда оставляют сложную ФО, реализуемую комплексным ФТЭ.
Для каждой элементарной ФО составляют таблицу описания ФТЭ.
| № элементарной ФО и ФТЭ | Компоненты описания ФТЭ | Наименование ФТЭ | ||
| А | В | С | ||
| 1 | электрическое напряжение перемещение | два проводника | электрическое напряжение 0 или 1 | эффект соединения - разъединения электрической цепи |
| 2 | электрическое напряжение | проводник | электрический ток | закон Ома |
| 3 | электрический ток | проводник | тепловая энергия | закон Джоуля-Ленца |
| 4а | тепловая энергия (температура Т1) | твердое тело | тепловая энергия (Т1 Т2) | закон теплопроводности Фурье |
| 4б | электрическое напряжение U 0 | изолятор | электрическое напряжение U = 0 | электроизоляционный эффект |
| 5 | сила тяжести Р | твердое тело | сила реакции R = - P | эффект равновесия сил |
| 0-2 | тепловая энергия | жидкость (температура Т1) | тепловая энергия (температура жидкости Т2 > Т1) | закон теплопроводности Фурье |
На основе потоковой ФС и приведенной таблицы изображают ФПД.
Эта схема ФПД, по существу представляет собой принципиальную схему ТО, в которой упрощенно-идеализовано показаны основные конструктивные элементы, обеспечивающие реализацию ФПД, и указаны направления потоков и основные физические величины, характеризующие используемые физико-технические эффекты. Принципиальная схема облегчает последующую разработку технического решения. ТР может быть описано с любой степенью детализации. Это как бы безразмерное описание ТО, которое может иметь самые различные реализации по параметрам.
Заключительной стадией разработки ТО является создание проекта, в котором указываются значения всех параметров, разрабатываются рабочие чертежи и другая конструкторская документация.
Ясно, что выбор функциональных структур, ФПД, технических решений - это задачи многовариантные. В каждом случае нужно выбирать наиболее эффективный вариант.
Литература к теме 3
-
Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. - М.: Машиностроение, 1988. - 368с.
-
Автоматизация поискового конструирования. Под ред.А.И. Половинкина. - М.: Радио и связь, 1981. - 344с.
-
Техническое творчество: теория, методология, практика. Энциклопедический словарь-справочник. Под ред.А.И. Половинкина, В.В. Попова. - М.: НПО "Информсистема", 1995. - 408с.
4. Требования, предъявляемые к техническим объектам
При разработке технического объекта необходимо учитывать требования, которым должен удовлетворять проектируемый объект.
В 1950 г. немецкий инженер Ф. Кессельринг предпринял попытку собрать все требования, которые ставят перед собой конструкторы, с тем, чтобы в качестве декомпозиции процесса проектирования, т.е. разделения сложной задачи на ряд более простых, превратить проектирование в процесс последовательного удовлетворения одного требования за другим - подобно школьной задаче в нескольких действиях.
Список Ф. Кессельринга включал более 700 требований. Это был неполный список, сегодня известно более 2500 требований.
Кессельрингу не удалось решить поставленную задачу, поскольку многие требования противоречат друг другу. Например, требование повышения уровня автоматизации технического объекта противоречат требованию всемерного упрощения конструкции и т.д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
