Главная    Инструменты    Метод конструирования машин, приборов и аппаратов    Поиск эффекта и структуры эффектов

"Метод конструирования машин, приборов и аппаратов"

Р. Коллер

1976

"Введение, представление о методе. Синтез функций"

"Разработка структур функций и операций"

"Вывод основных физических операций"

"Качественный процесс конструирования"

8. Поиск эффекта и структуры эффектов

Если задача, подлежащая решению, с учетом предшествующих рабочих шагов, уже существует в виде структуры элементарных функций, следовательно, заданы входные и выходные величины отдельных основных операции, т.е. известно, "что" во "что" должно быть преобразовано, или какая характеристика, или параметр состояния потока должны изменяться. Благодаря согласованию надлежащих эффектов, которые в отношении их связи причина - следствие соответствуют условиям, требуемым в структуре элементарной функции, отдельные элементарные функции можно приблизить к реализации на один шаг.

Если для требуемой связи причина - следствие или для элементарной функции не имеется никакого эффекта, который ее непосредственно может реализовать, то в общем, оказывается возможным все же реализовать ее посредством создания цепей эффектов. При создании цепей эффектов, используется возможность реализации элементарной функции в результате последовательного расположения двух или нескольких эффектов, причем следует принимать во внимание тот факт, что соответствующая выходная и входная величины (следствие-- причина) двух следующих друг за другом эффектов, являются идентичными. При этом заданная входная величина сначала преобразуется в любую промежуточную величину, та при помощи второго эффекта преобразуется в последующую промежуточную величину и т.д. до тех пор, пока, наконец, не окажется возможным преобразование последней промежуточной величины с надлежащим эффектом в желаемую выходную величину.

Число эффектов, участвующих в образовании цепи, при этом, в принципе, может выбираться произвольно. Например, в системах для преобразования энергии с целью достижения хороших к.п.д. пытаются поддерживать цепь, по возможности, короткой. В системах для линейных измерений, напротив, с целью получения больших увеличений измеряемой величины не опасаются преобразовывать изменение длины сначала в изменение электрического напряжения, усиливать (увеличивать) его и затем снова преобразовывать - в изменение -длины (отклонение стрелки), хотя измерительная система, собственно, должна только увеличивать изменение длины.

В общем, для каждой элементарной функции можно указать несколько эффектов или цепей эффектов (изменение эффекта), которые могут применяться альтернативно, так, что для соответствующей структуры элементарной функции обычно получается очень много возможностей комбинирования.

Обобщая сказанное, за основу можно взять следующее:
Правило 3:     Под поиском 'эффекта понимают элементарный рабочий шаг для реализации элементарных функций благодаря согласованию соответствующих эффектов или цепей эффектов. Для элементарной функции или вообще не существует никакого эффекта, или существует только один или несколько непосредственных эффектов, и обычно, очень много промежуточных цепей эффектов. Структуры элементарных функций или основных операций переходят в соответствующую структуру эффекта, в то время как в ячейки операционных, символов записываются соответствующие аффекты (рисунок 3.4.1).

Поскольку физические, химические и другие эффекты представляют собой "самые маленькие элементы" для реализации элементарных функций, то физические и химические эффекты1(1 Химические процессы, в конечном счете, точно так же можно объяснить физическими процессами, но здесь они должны рассматриваться как собственные эффекты. С тем, чтобы, по возможности, сократить объем книги, здесь, в основном, можно будет подробно остановиться только на физических эффектах.), известные до настоящего времени, целесообразно систематизировать в соответствии с различными основными операциями и видами потоков (потоки энергии, веществ, сигналов) с тем, чтобы иметь их в распоряжении как своего рода "каталог идей". В последующих разделах излагается разработка этих вспомогательных средств.

8.1. Основная операция "Преобразование"

Как известно, энергии, сигналы и вещества имеют определенные свойства. Операция, которая приводит к изменению свойства или к добавлению или исчезновению свойства у названных характеристик, согласно разделу 7.3, должна называться "Преобразование". Поскольку при последующих рассуждениях не придается большое значение информации о потоках сигналов, а придается значение только изменению их физических свойств, и поскольку у потоков сигналов с физической точки зрения речь идет, собственного потоках энергий", то в дальнейшем преобразование энергии и сигнала может рассматриваться в совокупности.

Рисунок 8.4.1:
Разработка нескольких вариантов эффектов к операции "Связь энергии" для системы "Насос" (пояснения в тексте).

8.1.1. Преобразование энергии или сигналов

Задача реализации основной операции "Преобразование" на практике всегда ставится в следующем виде: необходимо преобразовать энергию или сигнал определенного вида в другой вид энергии или сигнала. Примерами реализации задачи "Преобразование электрической или химической энергии в кинетическую" являются электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания. Соответствующим примером преобразования электрического сигнала в механический является магнит приемника в телетайпах. Если мысленно представить себе каждый вид энергии со свойственной единицей измерения ( КNm - килоньютонметр, Кcal - килокаллория, Ws ватт-секунда), как это действительно имело место до исправления существующих в настоящее время систем единиц для некоторых видов энергии, то операцию "Преобразование" можно' приравнять к операции "Поиск параметра (единицы измерения) энергии.

Это определение так или иначе точно подходит для операции "Преобразование сигналов". Преобразование пути в силу или электрического напряжения в путь (магнит приемника), или электрического сигнала в оптический и т.д. всегда связано, с изменением параметра физической величины, образующей, сигнал. Отсюда следует, что физические эффекты для преобразования энергий и сигналов целесообразно систематизировать в соответствии с параметрами их входных и выходных величин (причина - следствие) и подбирать, их в виде матрицы (приложение, таблица I). Если в этой систематике охвачены все известные эффекты, то, благодаря этому вспомогательному средству, в принципе, оказывается возможным указать все существующие решения для задачи типа "Преобразование физической величины".

Поток сигнала, собственно, не представляет собой ничего иного, как поток энергии со сравнительно малыми параметрами энергии.

Для передачи сигнала интерес всегда представляет только составляющая этого потока энергии как, например, напряжение, электрический ток, сила, путь, давление к т.д. Поскольку преобразование сигнала или потока сигнала не монет происходить без преобразования вида энергии, идентичного потоку сигнала, то преобразование энергии и сигнала, с физической точки зрения, представляет идентичный процесс" Поэтому таблица I, выступающая в качестве вспомогательного средства, считается действительной как для операции "Преобразование сигналов", так и для операции "Преобразование энергии".

Основную операцию "Преобразование" формально можно такие записать таким образом (рисунок 8.1.1):

Этот способ написания должен означать, что физическая величина с параметром А должна быть преобразована в величину с параметром В; разумеется, величины GA и GB могут также применяться для различных видов энергий или сигналов, параметры которых, в соответствии с новой системой единиц, в настоящее время являются идентичными.

В таблице I все физические величины записаны в самом крайнем левом столбце (причина) и в самой верхней строке (следствие). При этом, по причинам недостаточности места близко родственные физические величины были объединены в одном столбце или строке.

Поле, приданное в совокупности, соответственно, строке и столбцу, содержит те эффекты, которые связывают между собой величины, располагающиеся в первом столбце к самой верхней строке. При использовании таблицы физическую величину первого столбца всегда следует понимать как входную величину (причина), а физическую величину первой строки всегда следует понимать как выходную величину (следствие). Это означает, что таблицу I всегда следует просматривать слева направо, а затем вверху, а не наоборот. При этом следует принимать во внимание тот факт, что в природе существуют обратимые и необратимые процессы. Пустые поля указывают на то, что не известно ни одного эффекта, который связывает непосредственно друг с другом физические величины, отнесенные к ним.

Рисунок 8.1.1:
Преобразование вида энергии или сигнала физической величины GA в величину GB.

Если энергию или сигнал определенного вида необходимо преобразовать в другой вид энергии или сигнала, то для этой задачи непосредственные решения модно указать только в том случае, если в природе существуют эффекты (физические, химические или биологические), обеспечивающие возможность подобного преобразования. Множество всех непосредственных решений для этой, так называемой, элементарной задачи конструирования идентично числу всех существующих эффектов с названными характеристиками. Для определенной элементарной функции обычно или не существует никакого эффекта, или существует один, или несколько эффектов, которые могут реализовать эти элементарные функции.

Если для элементарной функции не существует никакого эффекта, который может непосредственно реализовать эту элементарную, функцию, то это отнюдь не означает, что для нее не существует ни одного технического решения. Например, энергию вида А можно такие постепенно преобразовать в энергию вида Z вследствие того, что ее сначала преобразовывают в энергию вида В, затем В энергию вида С, Д, и т.д. с тем, чтобы, в конечном счете, последнюю из этих промежуточных величин преобразовать в желаемый вид энергии Z. Это означает, что, благодаря образованию цепей эффектов практически можно отыскать любое множество промежуточных решений для определения элементарной функции. Это, между прочим, является одной из причин того, почему для задач конструирования существует обычно так много решений.

Для того, чтобы снова вспомнить физические эффекты, приведенные в таблице I, в приложении должны быть вкратце описаны основные характеристики и связи причина - следствие в виде принципиальных схем и других данных

(обе цифры в первом столбце строго соответствуют номерам строки к столбца, в котором на таблице I можно отыскать данный эффект или данные эффекты) [19]

8.1.2. Превращение веществ

Как было условленно, под превращением веществ следует понимать такую операцию, которая необходима для того, чтобы придать веществу дополнительное свойство или лишить его какого-либо свойства. Примером изменения свойств вещества может считаться намагничивание или размагничивание куска ферромагнитной стали. Изменения агрегатных состояний веществ, в большинстве случаев, связаны с изменениями свойств, то что они точно так же могут служить примерами операции "Превращение веществ". Все немеханические способы печатания, в которых под воздействием энергии локально изменяется поглощающая способность (изменение цвета) специальной бумаги (способ печатания, сопряженный с превращением вещества), могут служить последующими примерами для операции "Превращение веществ". Систематики для этой основной операции еще не существует.

8.2. Основная операция "Увеличение"

8.2.1. Увеличение составляющих энергий или сигналов

"Увеличением" или "Уменьшением" составляющих энергий или сигналов следует называть все операции, которые увеличивают или уменьшают величину (числовое значение) векторной или скалярной физической величины. Системы рычагов (рисунок 7.3.2), электрические делители напряжения или трансформаторы являются превосходными примерами для элементарной операции "Увеличение" или "Уменьшение" силы, пути, электрического напряжения или электрического тока. Составляющие энергии и параметры сигналов идентичны друг другу и поэтому могут рассматриваться в совокупности.

Эффекты для увеличения или уменьшения числового значения физической величины как частный случай операции "Преобразование", включены в систематику физических эффектов для основной операции "Преобразование энергии или сигналов" (приложение, таблица.1). Все эффекты, которые изменяют лишь числовое значение физической величины, не изменяя единицы измерения, указаны на полях по диагоналям систематики слева - вверх, справа - вниз, так как в качестве причины (крайний левый столбец) и следствия (самая верхняя строка) эти поля имеют одинаковые значения. Таким образом, систематика физических эффектов для операций "Преобразование" содержит такие эффекты для операции "Увеличение" или "Уменьшение".

8.2.2. Увеличение параметров характеристик веществ

Под "Увеличением" или "Уменьшением" веществ следует понимать операцию, при которой, соответственно, изменяется значение параметра характеристики вещества. Уменьшение характеристики вещества на величину "нуль", согласно изложенному в разделе 8.1.2, следовало бы характеризовать как "Превращение" (Примеры: сверхпроводимость определенных веществ при низких температурах). По причине близкого родства операций "Превращение вещества" и "Увеличение вещества", по всей вероятности, целесообразно объединить систематики "Преобразование" и "Увеличение характеристик веществ", которые еще подлежат разработке, в одну общую систематику" К сожалению, доработка ее еще не завершена.

8.3. Основные операции "Связь" и "Разделение"

8.3.1. "Связь" и "Разделение" энергии и вещества

"Связь" и "Разделение" энергии и вещества представляют собой задачу, которая зачастую подлежит реализации в технике. Системами, в которых происходит "Связь" или "Разделение" веществ и кинетической энергии, являются, например, гидравлические насосы, гидравлические двигатели и гидравлические турбины. Как известно, насос служит для подачи жидкостей и с этой целью приводит в движение соответствующую жидкость. Следовательно, при абстрактном рассмотрении насос представляет собой систему, которая связывает (подает) вещество (жидкость) с кинетической анергией.

Гидравлические двигатели или гидравлические турбины представляют собой примеры" в которых происходит противоположная операция -- разделение энергии и вещества. Энергия, которая первоначально имеется в потоке жидкости, имеется в распоряжении у ведомого Бала, поток жидкости после прохождения через двигатель практически лишен энергии.

Примером "Связи" и "Разделения" другого вида энергии, а именно, тепловой энергии с веществом или разделения вещества могут служить виды водяного отопления. Вода в отопительном котле подается (связывается) с тепловой энергией, тепловая энергия с водным потоком подается к отдельным радиаторам и там передается окружающей среде, то есть энергия и вещество в радиаторах разделяются. "Связь" и "Разделение" тепловой энергии и вещества основываются на физических явлениях теплопроводности, конвекции и радиации. Без существования соответствующих физических эффектов вышеназванные процессы передачи теплоты оказалось бы невозможно реализовать.

Следовательно, для решения задач, которые можно свести к "Разделению" или "Связи" вещества с каким-нибудь видом энергии, целесообразно аккумулировать все соответствующие физические эффекты и систематизировать в виде систематики Физических эффектов для основных операций "Связь и разделение энергии и вещества" (приложение, таблица 2). Если бы эта систематика являлась полной, то теоретически оказалось бы возможным указать все существующие решения для постановки задачи типа "Связь или разделение вещества и энергии"

Эта систематика, в частности, построена следующим образом: в левом столбце указаны различные смеси "вещество - энергия", например, вещество и кинетическая энергия, вещество и тепловая энергия и т.д.; в самой верхней строке указаны дискретные виды энергии, отделенные от вещества. В этой матрице, в точке пересечения строки со столбцом указаны все те физические эффекты, которые пригодны для реализации соответствующих операций "Связь" или "Разделение" В случае реализации операции "Разделение" систематику следует читать слева - направо - вверх; в случае реализации операции "Связь" её следует просматривать в обратном порядке: сверху - вниз - налево (крайний столбец). Необратимые операции (эффекты) обозначены соответствующими стрелками позади заголовков; направление стрелки указывает, в каком направлении действует соответствующий эффект, или, можно ли применить соответствующий эффект для реализации операции "Связь" или "Разделение".

Во второй строке, второй столбец, располагаются, например, все эффекты для связи или разделения вещества и кинетической энергии, это все те эффекты, которые нужны для того, чтобы привести вещества в движение или затормозить его. Технические устройства, в которых вещества приводятся в движение, являются транспортными устройствами, или, точнее, ведущими-системами этих транспортных устройств. Сюда, например, также относятся системы передачи для жидкостей (насосы). Для того, чтобы привести в движение жидкости, можно использовать эффект импульса (центробежный насос), эффект Бойля-Мариотта (вакуумный поршневой насос), гравитации (резервуар, из которого вытекает жидкость), адгезии (передача жидкости в капиллярах) и другие эффекты. Пример, который более подробно показывает применение этой систематики, указывается в разделе 8.4.

8.3.2. Связь и разделение веществ

Создание технических систем для разделения веществ, отличающихся одним или несколькими физическими признаками, представляет собой задачу, которую зачастую приходится решать, в частности, в технологии. Физическими признаками, по которым необходимо разделять вещества, например, могут быть различные геометрические размеры, веса, плотности, температуры кипения, проводимости и т.д. Известные технические системы для разделения веществ твердой или твердой и жидкой фаз - сита, фильтры, центрифуги для разделения газов различной плотности или атомных весов (разделение изотопов урана), установки для очистки воздуха и сточных вод, сепараторы для разделения воды и масла, установки для добычи химически чистых или технических, веществ, как, например, железа, алюминия, меди и т.д. Этих нескольких примеров, вероятно, будет достаточно для того, чтобы пояснить практическое значение основной операции "Разделение".

Для решения задач типа "Разделение веществ" целесообразно аккумулировать по возможности, все известные физические эффекты, пригодные для разделения смесей веществ, и систематизировать их по определенным критериям (приложение, таблица 3). Поскольку агрегатное состояние является важным для метода разделения, который должен быть использован, и здесь, в конкретном случае, обычно известно в каком агрегатном состоянии, в частности, находятся компоненты смеси веществ, подлежащих разделению, то оказалось целесообразным систематизировать эффекты, подходящие для разделения веществ, сообразно с тем, являются ли они подходящими для разделения снеси из двух твердых, жидких или газообразных веществ, или снеси из двух веществ с различными агрегатными состояниями, как, например, из твердой и жидкой фаз, из твердой и газообразной фаз, из жидкой и газообразной фаз. Поэтому в систематике физических эффектов для основной операции "Разделение веществ" в крайнем левом столбце и самой верхней строке, соответственно, указаны признаки "твердый", "жидкий" и "газообразный".

На полях созданной таким образом матрицы, состоящей из трех столбцов и трех строк, в столбце "Признаки разделения" записаны, соответственно, те критерии, числовое значение которых у веществ, подлежащих разделению, является различным, которые следовательно, должны использоваться в качестве отличительных признаков для разделения. Рядом, в столбце "Эффекты", располагаются те физические эффекты, которые пригодны для того, чтобы по соответствующим параметрическим значениям различать и разделять смеси веществ с названными агрегатными состояниями. Наконец, в третьем нижнем столбце указаны еще методы или технические системы, в которых уже применяются соответствующие эффекты для разделения веществ. На рисунке 8.3.1. показана вырезка из принципиального каталога для основной операции "Разделение веществ" и примеры к этой теме.

Связь веществ на практике идентична операции "Смешивание веществ". Все виды смесителей и мешалок представляют собой технические системы, в которых реализована операция "Связь". "Смешивание" представляет собой операцию, при которой порядок двух или нескольких веществ уменьшается. Предоставленные самим себе, первоначально упорядоченные вещества смешиваются без внесшего содействия. Природа стремится повысить неупорядоченность системы. Два различных, первоначально разделенных газа или жидкости по истечении определенного времени будут идеально смешиваться друг с другом. Этот процесс будет длиться тем дольше, чем выше является вязкость соответствующей среды.

Принципиальный каталог "Разделение веществ"
Признак разделения Эффект Принципиальное решение Закон Применение
Плотность Подъемная сила Седиментация
Отсадочная машина
Проводимость Первый закон Кулона Электрический сепаратор
Коэффициент трения Трение  
Относительная проницаемость Второй закон Кулона Электромагнитный сепаратор

Исходя из этой естественной тенденции веществ к смешиванию, техническая проблема смешивания или связи, в основном, заключается лишь в том, чтобы в результате передачи движения на частицы молекул сократить время на процесс смешивания. Для этого до сих пор стало известно лишь сравнительно немного возможностей использования физических эффектов. Наряду с мешалками для ускорения процесса смешивания еще существуют возможности использования ультразвука или гидродинамических процессов трения (клиновой зазор) и др. для более быстрого смешивания веществ. Поскольку для операции "Связь", очевидно, невозможно указать никакой более широкой систематики физических эффектов, то этих кратких высказываний в этой связи должно оказаться достаточно.

К сожалению, еще не оказалось возможным завершить текущие работы по разработке систематик физических эффектов для остальных основных операций, как, например, выравнивания, накопления и т.д., которые требуют много времени, так что эти систематики, при необходимости, могут быть опубликованы лишь в более позднем издании этой книги.

8.4. Пример "Насос"

Пример "Насос", изложение которого начиналось в разделе 7.6, следует снова привести и продолжить его дальнейшее рассмотрение для более лучшего понимания сказанного в этом разделе. Прежние высказывания завершались выводом, что основному принципу действия насоса соответствует элементарная функция "Связь жидкости с кинетической энергией". Все существующие, принципиально различные решения находят тогда, когда осведомляются о физических эффектах, которые пригодны для того, чтобы привести жидкость в движение или связать жидкое вещество с кинетической энергией. С помощью систематики физических эффектов для основной операции "Связь вещества с энергией" (приложение, таблица 2) можно указать соответствующие эффекты.

Если в этом случае исходят из того, что для приведения в действие насоса может находиться в распоряжении любой вид энергии, то в принципе, будут приниматься во вникание все эффекты, которое для связи кинетической энергии и вещества отмечены как подходяще, и они располагаются в первой строке этой систематики. Это, например, эффект импульса (центробежный насос), эффект Бойля-Мариотта (поршневой насос), эффект адгезии (подача жидкости через капилляры), первый, второй эффекты Кулона и эффект Бернулли (водоструйный насос), эффекты Био-Савара (натриевый насос) и эффект электроосмоса. Некоторые из структур эффектов, вытекающие из этого, показаны на рисунке 8.4.1.

Структура основной операции или элементарной функции переходит в конкретную структуру эффекта в результате того, что в операционные символы записывают соответствующие эффекты. Принципы действия насосов, вытекающие как следствия из этих эффектов, представлены в разделе 10.1 (сравни предварительно рисунок 10.1.1). Для приведения в действие отдельных систем насосов, в общем, необходимы различные виды энергий (кинетическая, электрическая и другие). Эффекты для операции Преобразование" (рисунок 8.4.1), соответственно, определяются эффектом, выбранным для операции "Связь" и, при известных условиях, зависят от вида энергии, находящейся в распоряжении в электрической сети.

Таким образом, с целью дальнейшего рассмотрения, отдельные эффекты, исходя из эффекта для операции "Связь" (насос), целесообразно размещать один за другим при операциях "Преобразование", "Уменьшение" и "Выключение" с учетом их зависимости.

Если, например, для операции "Связь" (насос) выбирают эффект Бойля-Мариотта, то есть тот эффект, на котором основываются все насосы с переменным рабочим объемом цилиндра, как, например, поршневые насосы, пластинчатые насосы и т.д., то для насоса, основывающегося на этом эффекте, для изменения объема в любом случае нужна кинетическая энергия. Далее, если с целью ограничения множества решений предположить, что для снабжения этой системы в распоряжении затеется только электрическая энергия, то для реализации операции "Преобразование" (энергии), в основном, будут приниматься во внимание только все те эффекты, которые в состоянии преобразовывать электрическую энергию в кинетическую. Это, в основном, все те эффекты, которые в систематике для основной операции "Преобразование" (приложение, таблица I) в качестве причины имеют электрическую величину (напряжение, электрический ток и другие, строки 10 и 12), а в качестве следствия - длину или силу, или кинетическую энергию (столбцы I и 4), как, например,, эффект электрострикции, магнитострикции, эффект Био-Савара (электродинамический эффект - принципу действия электродвигателя), .электрокинетический эффект (электроосмос), первый и второй эффекты Кулона. Некоторые из структур эффектов, вытекающие отсюда, показаны на рисунке 8.4.2. Соответствующие принципы действия поршневых и мембранных насосов показаны на рисунке 10.1.2.

Следует еще особо отметить, что часть эффектов, названных для операции "Преобразование", как, например, эффект электроосмоса и эффект Био-Савара, уже также отмечались для реализации операции "Связь". Это означает, что данные эффекты имеют несколько свойств, так, что они пригодны как для реализации операции "Преобразование электрической энергии в кинетическую", так и для реализации, операции "Связь жидкости с кинетической энергией". Тот факт, что существуют эффекты, которые могут реализовать две или несколько операций или функций, встречающихся в одной системе, в большинстве случаев приводит к весьма простым решениям (сравни рисунок 10.1.1, например, решение а и b). На этой и других возможностях использования так называемой цельномонококовой конструкции технических систем остановился подробно позднее в раздело 12.3.

Для того, чтобы показать основные процессы изменения эффекта, этих высказываний пока будет достаточно; продолжение этого примера следует в главе 10.1

РИСУНОК 8.4.2:
РАЗРАБОТКА НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТВ ЭФФЕКТОВ К ОПЕРАЦИИ 'ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ДЛЯ СИСТЕМЫ "НАСОС" (ПОЯСНЕНИЯ В ТЕКСТЕ).

Результатом рабочего шага "Изменение эффекта" является множество вариантов эффектов или вариантов цепей эффектов для отдельных элементарных функций. Они вместо операционного символа могут быть внесены в отдельные ящички структуры элементарной функции или основной операции. Таким образом, доходят до структур эффектов, которые в частичном изложении показаны на рисунках 8.4.1. и 8.4.2.

8.5. Алгебра составления чернового наброска

Математические и логические операции в технических системах можно очень хорошо описать благодаря известным основным операциям обычной алгебры или алгебры Буля. Как уже излагалось в разделе 7.3. физические процессы в технических системах можно также описать благодаря конечному числу основных операций. Поэтому является естественным предположение, что для теоретического рассмотрения физических систем существуют также "Правила вычисления" или "Алгебра". Если это так, то при известных условиях оказалось бы возможным изменить структуры функций физико-технических систем сугубо формально в соответствии с правилами этой алгебры.

Фактически до сих пор можно указать простые положения для формального рассмотрения физических структур функций. Поскольку это "Вычисление", в первую очередь, влияет на составление чернового наброска для системы, подлежащей разработке, то эта новая алгебра должка называться "Алгеброй составления чернового наброска", или кратко "К-алгеброй" (Алгебра конструирования). Подобно тому, как это происходило в обычной алгебре для операции "сложение", "деление", "умножение" и других, для основных физических операций необходимо установить условные обозначения. С ИХ ПОМОЩЬЮ основную операцию "Преобразование" можно, например, представить следующим образом:

Это выражение означает, что физическую величину G c параметрам A необходимо преобразовать в другую величину G c параметром B; стрелка является сигналом для операции "Преобразование"

Обобщая сказанное, для отдельных основных операций предлагаются следующие символы:

При этом следует принимать во внимание то, что те операционные символы, которые совпадают с математическими символами, согласно ДИН 1302 (промышленный стандарт ФРГ), имеют здесь другое значение.

В обычной алгебре переменные, как известно, могут принимать любое числовое значение, в алгебре Буля, напротив, только дискретные значения 0 и 1. В К-алгебре переменные GA, GB и т.д. в случае операции "Превращение энергии" представляют собой общее, выражение для любого параметра или вида энергии. В общем, переменные К-алгебры относятся к параметрам характеристик для описания свойств и состояний энергии, вещества и сигнала, а также их потоков. Действительно высказывание: переменные К-алгебры могут принимать определенные "дискретные значения", описывающие свойство или состояние энергии, вещества или сигнала. В этой связи под этим следует понимать все качественные характеристики (параметры) свойства, или состояния, которые касаются энергии, вещества или сигнала. Это, например, могут быть параметр, порядок или направление физической величины.

8.5.1. Связь переменных при основной операции
"Преобразование"

Основной операции FW(преобраз) соответствует "Команда" преобразования физической величины GА в другую физическую величину GZ согласно уравнению:

При этом кратком способе записи стрелка между двумя переменными GА и GZ должна фигурировать в качестве символа для команды "Преобразование".

Уже указывалось на то, что преобразование величины GА в величину GZ может совершаться постепенно, согласно уравнению:

Этот или нижеследующий эквивалентный способ записи

должны указывать на то, что величина GА сначала преобразуется в величину GB, а затем величина GB в величину GС, наконец, величина GY преобразуется в желаемую величину GZ. При этом следует принимать во внимание то, что (в первом уравнении), в общем, нельзя переставлять местами отдельные величины в их последовательности.

Постепенное преобразование величины GA в величину GZ теоретически всегда может быть сводимо к прямому преобразованию, согласно уравнению:

Это размещение, которому в алгебре соответствовало бы сокращение величин, выражает тот факт, что цепь эффектов, охватывающую многие операции преобразования, теоретически можно заменить одним эффектом, который непосредственно преобразует величину GA в величину GZ.

Практическое значение этого формального метода должны вкратце пояснить два примера. Преобразование тепловой энергии в электрическую, в настоящее время, в основном происходит постепенно. При этом тепловая энергия газа сначала преобразуется в кинетическую энергию газовой струи (согласно I основному положению), которая (в результате использования эффекта импульса) как механическая энергия переносится на вращающийся вал и, наконец, (на основании эффекта Био-Савара) превращается в электрическую энергию. Осуществлению этой цепи действий соответствует система "отопительный котел - турбина - генератор" (рисунок 8.5.1). С некоторого времени вместо этой цепи эффектов стремятся использовать такие эффекты, которые позволяют превращать тепловую энергию непосредственно в электрическую. Разработка, в которой стремятся к этому, касается прямого магнитогидродинамического превращения (в магнитогидродинамическом генераторе).

В измерительной технике, напротив, измеряемый сигнал зачастую преобразуется не только один раз, а посредством цепи эффектов много раз, для того, чтобы добиться при измерении большого увеличения измеренного значения. В электрических приборах для линейных измерений, например, изменение длины, подлежащее измерению/ сначала преобразуется (превращается) в электрическую величину, будучи усиленной (увеличенную), и затем снова преобразуется в изменение длины или

Рисунок 8.5.1:
Структура элементарной функции и структура эффекта известной системы "Отопительный котел - генератор" для превращения химической энергии в электрическую.

отклонение стрелки. Оптические или пневматические измерительные приборы, точно так же могут служить примером использования цепей эффектов.

8.5.2. Связь переменных путем основных операций "Увеличение" и "Уменьшение"

Основные операции "Увеличение" или "Уменьшение" числового значения физической величины могут рассматриваться как частные случаи основной функции "Превращение". Формально для этого можно указать отношения, которые очень похожи на отношения для функции "Превращение". Увеличение числового значения физической величины GA на сомножитель n теоретически может совершаться в любых многих единичных шагах согласно формуле

Цепь увеличений, напротив, теоретически всегда можно заменять лишь одной операцией согласно формуле

Практическим примером для отношений, выраженных формулами (4) и (5), являются подобные передаточные механизмы. Увеличение или уменьшение числа оборотов может, как известно, достигаться при помощи одной или нескольких ступеней передача; многоступенчатую передачу теоретически всегда можно заменить одноступенчатой передачей. Изложенными примерами передач с очень высокими передаточными отношениями являются счетчики электроэнергии с шестернями из одного, двух или трех зубьев (согласно концепции К.Х.Рот), а также червячные передачи.

8.5.3. Связь переменных посредством различных основных операций

В технических системах, в общем, встречаются все возможные основные операции. Поэтому, само собой, разумеется, бывает также необходимо реализовать функции, в которых переменные должны быть связаны друг с другом различными операциями. Например, характеристики электродвигателя с прифланцованной механической коробкой передач для изменения числа оборотов или электрического делителя напряжения с дополнительно подключенным электродвигателем постоянного тока можно охарактеризовать в виде следующего отношения

Выражение, расположенное слева, подсказывает, что сначала величина электричества GA (напряжение) преобразуется в механическую величину GB1 (число оборотов), и она затем уменьшается на определенный коэффициент. Соответственно, у выражения, расположенного справа, величина электричества GA1 напротив, сначала уменьшается на другой, соответствующий коэффициент и затем преобразуется в механическую величину GB (число оборотов). Так как функции, приданные обоим выражениям, в отношении качественного результата эквивалентны, то в уравнении (6) стоит знак равенства. Этих примеров для введения будет достаточно; широкого изложения этой алгебры еще нет.

9. Поиск носителя эффекта

Исходя из определенной постановки задачи, предыдущий рабочий шаг завершался соответствующей структурой эффекта. Это означает, что для каждой элементарной функции, подлежащей реализации, существует представление, с каким физических эффектом или с какими эффектами они могут быть реализованы. на пути дальнейшей реализации каждому эффекту должен придаваться носитель эффекта (вещество). В общем, каждому эффекту можно придавать различные вещества и, таким образом, находить альтернативные варианты решений.

Благодаря эффекту и носителю эффекта установлено принципиальное или основное решение функционального элемента [43] Из этого следует, что в результата поиска носителя эффекта для одного и того же эффекта систематически можно разрабатывать различные принципиальные решения.

В общем, в результате изменения агрегатного состояния "твердый", "жидкий" и "газообразный" находят, соответственно, три различных принципиальных решения для определенного эффекта. Превосходным примером для этого являются системы твердых, жидких веществ и система газовых лазеров. Это, однако, не всегда так. Существуют также эффекты, для которых изменение агрегатного состояния является не результатом как, например, в случае действия рычага. В добавление к этому существуют также эффекты, для реализации которых необходимы два вещества с различными агрегатными состояниями; примером является несущая плоскость, обтекаемая жидкостью, или газом (эффект подъемной силы профиля) Изготовление пружин, (эффект Гука) из стали, пластмассы или резины (рисунок 9.1) и элементов с тепловым расширением из твердых материалов или жидкостей точно так же могут служить примерами изменения носителя эффекта (рисунок 10.1).

Весьма актуальным примером изменения носителя эффекта является применение пластмасс вместо стали или других металлов (металлы для подшипников). В этом случае конструктор часто использует возможность изменения носителя эффекта, если он в отношении требований прочности, демпфирования колебаний, создания шума, расходов и других требований уже в удачно начавшейся разработке окажется в затруднении, и тогда он будет отыскивать материалы, которые в отношении названных

a стальная пружина

b. Пружина из пластмассы

Рисунок 9.1. а, b: Поиск носителя эффекта (сталь, пластмасса) к эффекту Гука

a

b

Рисунок 10.1 а, b: Изображение принципиального, или основного, решения

свойств ведут себя лучше, чем материалы, применяемые прежде в том же самом месте. В результате изменения носителя эффекта (материала) иногда оказывается возможным взбежать дорогостоящей переделки геометрических параметров.

При использовании изменения носителя эффекта в практике конструирования по систематической' разработке различных принципиальных решений оказывается недостаточным проводить различие только между материалами с различными агрегатными состояниями, более того, необходимо точнее определить понятие носитель эффекта. В качестве различных носителей эффекта должны рассматриваться такие материалы, которые четко различаются в одном или нескольких свойствах, релевантных для определенного случая применения ("скачок качества"). В общем, изменение носителя эффекта дает несколько альтернативно применимых решений. Из этого поля решений в примыкающем к нему методе селекции следует выбирать и проводить дальнейшую разработку самой благоприятной альтернативы для данного случая или нескольких самых лучших альтернативных решений,

В итоге, для выявления последующих альтернативных вариантов решений в результате изменения носителя эффекта оказываются следующие выводы:

Правило 4: В качестве различных носителей эффектов для определенного эффекта считаются все те материалы, которые годятся для реализации соответствующего эффекта и обнаруживают качественные или четко различимые релевантные свойства (скачок качества свойства). В результате изменения носителя эффекта для одного эффекта, соответственно, можно привести несколько различных принципиальных решений1.(1 1 Понятие "Принципиальные решение" будет значительно подробнее излагаться в разделе 10.)

Различными носителями эффектов, например, могут быть твердые, жидкие или газообразные вещества.

Поиск носителя эффекта, описанный таким образом, является первым отдельным шагом для определения материала (качественное определение).

Точное определение характеристик материалов должно производиться, в большинстве случаев, только позднее, в количественной фазе конструирования. Кроме того, исключительное значение приобретают характеристики свойств материалов, релевантные для данного эффекта. При создании базы конструирования для систематического поиска носителя эффекта и, при необходимости, с использованием ЭВМ, является поэтому целесообразным сбор и такая систематизация всех важных материалов для конструирования и характеристик их свойств, чтобы их можно было "отзывать" по агрегатному состоянию и/или фактическим свойствам. Обзор важных свойств твердых, жидких и газообразных веществ показан в приложении к таблице 4.

Для более простого сравнения и оценки материалов в отношении их пригодности для определенного случая применения целесообразно разделять существующие области значений свойств материалов на классы от нуля до девяти. Нуль при этом означает, что в одном материале определенное свойство не встречается ни в одном упомянутом количестве. Материал приобретает для определенного свойства класс 9 в том случае, если данный показатель свойства примерно эквивалентен максимальному встречающемуся значению. Вытекающая отсюда последующая классификация значений свойств твердых, жидких и газообразных веществ показана в таблицах 5 а и b приложения.

В качестве примера на таблице 6 показаны параметры свойств железа и стали .
Если имеется в распоряжении электронное устройство для обработки данных, то самые важные материалы для конструирования, а также их показатели свойств могут накапливаться в так называемом информационном банке и отзываться для установления материала. Для этого зачастую оказывается необходимо сравнивать различные материалы в отношении одного или нескольких свойств или пригодности.

Для этой цели практически следует давать значения интересующих свойств различных материалов в таком виде, как это показано на таблице 7 для свойства "Предел текучести металлов при растяжении (sS)" различных материалов [19] .

10. Описание принципиального или основного решения.

В обоих предыдущих рабочих шагах определялись эффект и носитель эффекта для определенной элементарной функции. При выборе эффекта устанавливается принципиальная реализация для соответствующей функции. Несмотря на это, так называемое принципиальное решение еще не может быть изображено, так как оно, в общем, определяется не только эффектом, а также выбранным носителем эффекта. Принципиальное решение представляет собой функцию эффекта и носителя эффекта:

Принципиальное решение = f (эффект, носитель эффекта)

Принципиальное решение лишь только в том случае может быть изображено графически, если качественно установлены эффект и носитель эффектам. Изображение принципиального решения должно по меньшей мере, содержать все те величины, которые встречаются как параметры в математической формулировке соответствующего эффекта (физический закон), поскольку его вообще можно изобразить графически (сравните рисунок 7.3.2, эффект рычага). Поскольку принципиальное решение служит основой или исходным моментом для следующей затем фазы конструирования, то оно должно альтернативно называться также базисным решением.

Для наглядного объяснения предыдущих высказываний здесь должен вводится краткий пример. Пусть ставится задача использовать ежедневные колебания температуры помещения для заводки часов, находящихся в этом помещении, или клапан системы водяного охлаждения у .автомобильных двигателей (термостат) в зависимости от температуры охлаждающей воды должен открываться или закрываться. Отвлеченно обе задачи ставятся так: изменение температуры должно быть преобразовано в механическую энергию (сила или путь). Для реализации этой элементарной функции "Изменение температуры преобразовать в силу или путь" можно, среди прочих, использовать известный эффект теплового расширения.

При выборе этого эффекта принципиально устанавливается принцип действия. Но принципиальное решение можно наметить лишь только в том случае, если также качественно установлен носитель эффекта. В данном случае носителем эффекта может быть твердое или жидкое вещество. Согласно подчинению твердого или жидкого вещества названному эффекту, выводятся два различных принципиальных или основных решения для теплового двигателя, показанные на рисунке. 10.1. Следует еще заметить, что оба принципиальных решения (рисунок 10,1) содержат все геометрические параметры соответствующих физических законов

Для систематической разработки различных принципиальных решений выводятся следующее

Правило 5: Различные принципиальные решения для определенной функции получают в результате поиска эффекта и носителя эффекта. При описании и изображении принципиального или основного решения связь причина - следствие, данную благодаря выбранному эффекту, необходимо преобразовать в схему принципа действия с учетом свойств, приведенных в результате выбранного носителя эффекта. Изображение так называемого принципиального или основного решения при этом может или должно ограничиваться воспроизведением геометрических и графически изображенных параметров, которые заданы Физическим законом соответствующего эффекта.

В принципиальной схеме обычно детали, которые в действительности должны быть сконструированы трехмерными, оказывается достаточным изображать одно или двухмерными. Например, для принципиального изображения эффекта рычага имеет значение только физическая величина "Длина" (длина рычага), поперечное сечение рачата в этой связи не имеет значения. Для того, чтобы изобразить принцип действия рычага, оказывается поэтому достаточным изобразить рычаг в виде одномерного устройства (рисунок 7.3.2.).

Наряду с геометрическими величинами l1 и l2 на рисунке 7.3.2. силы F1 и F2 изображены графически, хотя они не являются геометрическими величинами.

Для элементарной функции "Преобразование энергии или сигналов они представляют собой принципиальные решения, соответствующие отдельным эффектам, физические законы которых, а также другие важные характеристики обобщены в так называемых принципиальных каталогах в приложении. Эти виды каталогов должны избавить конструктора от выявления принципиальных решений и дать ему информацию о порядке величины связи причина - следствие (количество) эффекта, для того, чтобы облегчить оценку возможно нового, не традиционного решения. Для последующей информации в этом каталоге еще приложен собственный список литературы.

10.1. Пример "Насос"

Для наглядного объяснения этого рабочего шага в заключение должен быть рассмотрен пример насос, изложение которого было начато в разделах 7.6 и 8.4, для того, чтобы провести дальнейшее изображение принципиального решения. Последние высказывания завершались установлением различных структур эффектов для систем насосов. При этом, в частности, имел значение тот вывод, что существуют определенные физические эффекты, при помощи которых жидкость можно привести в движение. В данном рабочем шаге эти словесные решения необходимо дополнить соответствующей картиной принципиального или основного решения.

На рисунке 10.1.1 показаны некоторое принципиальные решения для движения жидкостей, соответствующие названным эффектам. На рисунке а показало использование эффекта Био-Савара. (принцип электродвигателя) для движения жидкостей. Жидкость в трубе находится в вертикальном магнитном поле В, действующем против направления движения жидкости, если, кроме того, еще электрический ток в изображенном направлении проводится жидкостью, то жидкость на основе закона (или эффекта) Био-Савара будет двигаться в трубе вертикально к направлению тока l магнитному полю B . Этот принцип, естественно, можно применить лишь в отношении электропроводящих жидкостей. Ввиду сравнительно плохой эффективности он до сих пор применяется лишь там, где необходимо иметь насосы без подвижных деталей (перекачивание натрия в атомных электростанциях).

Остальные принципиальные решения показывают движение жидкостей на основе эффекта электроосмос, гравитационного, капиллярности, кулоновского I эффекта (электрическое поле), кулоновского 2 эффекта. Последний эффект, естественно, можно применить лишь с магнитными жидкостями.

Далее на рисунке 10.1.1 еще приведен эффект Бойля-Мариотта и импульсный эффект, применяемые часто на практике для строительства диафрагменных или поршневых и центробежных насосов. Если, например, эффект Бойля-Мариотта выбирают в качестве принципа действия насоса, то для функционирования этого вида насоса необходимо создать движение для изменения объема. Если для этого алеется в распоряжении только электроэнергия, то далее ставится задача преобразования электрической энергии в энергию движения. Для реализации этой отдельной задачи, в основном, пригодны все эффекты, которые в состоянии преобразовать электрические величины в путь или силу. На рисунке 10.1,2 а-е показаны принципы действия силовых установок, которые основываются на эффекте Био-Савара, на кулоновском I, кулоновском 2 эффекте, на эффекте электрострикции и магнитострикции.

а
Эффект Био-Саварра
(Электродинамический эффект)
Продолжение


Главная    Инструменты    Метод конструирования машин, приборов и аппаратов    Поиск эффекта и структуры эффектов