Статьиcегодня статей - 278

Маятниковые копры и законы развития технических систем

Дата публикации: 03.11.2010


©, 2008, Шевченко Б.А. (Россия)

15 изобретений за один вечер? Реально ли это, если маятниковые копры развивались уже 2 тысячи лет. Реально за последующие два года профессор Б.А. Шевченко получил 15 авторских свидетельств. Применение законов развития технических систем позволило динамизировать маятниковые копры и повысить их степень идеальности.
С 1980 года я работал в лаборатории "Импульс" Фрунзенского политехнического института над созданием копров для испытания материалов и изделий на ударные воздействия. Руководил лабораторией д.т.н., профессор Б.Н. Стихановский.
Я провёл обширный патентный поиск по маятниковым копрам и знал о них почти всё. Появились они очень давно. Сохранились письменные свидетельства о стенобитных орудиях древности. Как человечество усовершенствовало их за прошедшие примерно 2,5 тысячи лет? А почти никак. Остался тот же боёк, который подвешивается на жёсткой или гибкой штанге. Правда, жёсткую штангу существенно динамизировали, заменив её гибким тросом, который шарнирно крепится к основанию. Кроме того, между бойком и телом, по которому наносится удар, ввели волновод (типовой приём N 24 "Введение посредника").

Для чего же понадобился посредник?
Учёные решили, что плоский ударный импульс лучше. Почему плоский? В волноводе (на расстоянии равном 4-8 диаметрам волновода от точки, по которой боек наносит удар) ударный импульс становится плоским. Кроме того, наличие волновода позволило установить на нём датчик, чтобы регистрировать параметры ударного импульса длительность, амплитуду и форму. Теперь понятно, почему ударный импульс должен быть плоским. Датчиков, которые могли бы анализировать объёмный импульс, не существует. Ну а чтобы никто с этими учёными не спорил, они закрепили это ГОСТом. Обратите внимание, добавился в систему небольшой пустячок волновод, а сколько дополнительных функций он внёс в систему [1-3].
Испытания бывают разные. И вот создан совсем маленький маятниковый копёр для испытания на удар конфет-карамелек. ГОСТ требует! Затем создан копёр побольше для испытания микросхем. Затем ещё больше… Затем огромный копёр для испытания на удар военной техники БТРов и БМПшек. Что поделать, закон повышения степени динамичности требует вначале изменять какой-нибудь параметр, например, габаритные размеры, дискретно.

Что же появилось в маятниковых копрах нового за последние пятьдесят лет?
Да не очень много. Десяток изобретений, связанных с датчиками различных типов. Ещё один "пустячок", правда, появился формирователь ударного импульса. Это пластина из свинца, отожженной меди или другого материала. Формирователь устанавливается перед волноводом в месте удара бойка. Меняя материал пластины или ее толщину, можно дискретно изменять продолжительность ударного импульса. При этом, конечно, изменяется его амплитуда и незначительно меняется форма. Эта небольшая добавка в систему, внесла новые очень полезные функции. Копёр стал более универсальным, то есть повысилась степень идеальности системы.

Что же ещё?
Да, появилось ещё одно усовершенствование устройство для предотвращения повторных ударов по волноводу. Дело в том, что при испытаниях, например, электроники ГОСТ требует обеспечить единичный удар. Но боёк после первого удара по волноводу отскакивает и наносит второй удар, а потом, третий и т. д.

Как быть?
Изобретатели решили задачу тривиально. Что они придумали? После первого удара бойка по волноводу, выскакивает упор, который не позволяет бойку нанести повторный удар. Целых три изобретения. Добавилась довольно сложная система ради одной новой функции. Что-то здесь повышением степени идеальности если и пахнет, то не очень.
Появилось также несколько изобретений по способам подъёма (профессионалы говорят "взвода") бойка. По описаниям этих изобретений трудно понять, чем они принципиально отличаются друг от друга, но это и не важно.

А почему появилась идея заняться усовершенствованием маятниковых копров?
В январе 1985 года на семинаре в Пензе я еще раз услышал от Генриха Сауловича Альтшуллера уже довольно старую истину. Законы развития технических систем (ЗРТС) являются мощным инструментом изобретателя, предназначенным как для совершенствования технических систем (ТС), так и для прогнозирования их развития [3].
Вернувшись домой, я, не долго думая, решил проверить это на маятниковых копрах. Во-первых, я знал о них почти всё. Во-вторых, копры очень удобная и простая техническая система. Маятниковый копер состоит из бойка 1 (рис. 1, а), который на штанге 2 шарнирно прикреплен к основанию.

Схемы маятниковых копров

Рис. 1. Схемы маятниковых копров
Устройство 3 обеспечивает подъем бойка на заданную высоту и сброс. Разогнавшись под действием силы тяжести, боек 1 наносит удар по волноводу 4. Устройство 5 предотвращает повторные удары бойка по волноводу.
Как мы отмечали, древняя стенобитная машина представляет собой частично свернутую би-маятниковую систему (рис. 1, б).
Патентный поиск показал, что эта ТС находится на этапе глубокой старости, когда процесс ее совершенствования уже практически не идет. Интересно, подумал я, поможет ли использование ЗРТС "вдохнуть жизнь" в такую, ну очень старую техническую систему?
Простейший маятниковый копер состоит из четырех основных элементов: боек, подвес, шарнирная связь подвеса с основанием и волновод. Будем динамизировать их последовательно.

Динамизируем боек
Первый этап "дискретной" динамизации использование сменных бойков: шаровых, цилиндрических, ступенчатых форм и различных размеров на практике уже давно реализован. Что же дальше?

Пример 1. Обычно для получения ударных импульсов синусоидальной формы используется шаровой боек из упруго-пластичного материала с закаленной сердцевиной. Если необходимо ударный импульс "растянуть", т.е. увеличить время его действия, то используют боек цилиндрической формы, ударный торец которого выполнен в виде полушара. Эти два бойка в определенном смысле являются конкурирующими системами. При высоких скоростях соударения цилиндрические бойки используются довольно редко, так как после первого же удара на бойке образуется вмятина, что меняет его геометрию и требует изготовления нового бойка. Шаровой же боек может использоваться несколько десятков раз, если после каждого удара его немного проворачивать (чтобы отпечатки не накладывались), но он дает "короткий" ударный импульс.
- Как же не догадались закалить шаровой боёк, и на нём не было бы вмятин после удара? Воскликнет "традиционный" изобретатель, предвкушая быстрое получение патента.
"Ударный торец волновода необходимо закалить, так как он должен выдержать до сотни и больше ударов и не потерять геометрию". Закалили также и боёк. В результате боёк раскололся после 2-3 ударов, а волновод после 5-8 ударов.

Всё ясно, несогласованность времён
Можно сказать и так, но, это не важно. Боёк можно менять хоть после каждого удара, а волновод после 3-4 ударов. Велики затраты? Конечно, но можно на это пойти. Куда хуже другое нестабильность результатов. Такой боёк может расколоться уже на первом ударе. И вот представьте себе, что проводятся испытания 20 новых и уникальных микросхем, размещённых в кассете. Эти изделия отобраны из партии в несколько сотен или даже тысяч микросхем. Стоимость каждой микросхемы около 6 тысяч рублей (для справки автомобиль "Жигули" в то время стоил 5500 рублей). И во время эксперимента раскалывается боёк. Кто работал в советское время, тот знает, что это могло означать для руководителей фирмы.
Так вот, для обеспечения максимальной стойкости бойка и волновода, волновод должен иметь ударный торец, закалённый на глубину 5-8 мм, а боёк должен иметь закалённую сердцевину и пластичный слой на поверхности (приём N 3 "Обеспечить местное качество"). Поэтому на бойке после каждого удара и остаются отпечатки.

Как же быть?
Самый простой способ объединить конкурирующие системы. Сделаем боек составным [4]. Шаровой боек небольшого диаметра вставим в сферическое углубление на цилиндрическом бойке и свяжем их быстроразъемным соединением (рис. 2).
В этом случае динамизируется ударная часть цилиндрического бойка. Сразу же пойдем дальше и дискретно динамизируем цилиндрическую часть бойка сделаем несколько частей различной длины и различной формы (прямые, с криволинейной образующей, тороидальные и др.). Если необходима не синусоидальная, а иная форма ударного импульса, то цилиндрическая часть бойка может быть сделана ступенчатой, конусной и т.д.
Перед каждым новым ударом шаровую часть бойка необходимо провернуть на некоторый угол, чтобы по его оси не было отпечатков от предыдущих ударов.
Итак, стойкость шаровой части бойка возросла до 100 и более ударов, так как работает почти вся его поверхность. Цилиндрическая часть бойка имеет практически неограниченную стойкость.

Возможные варианты динамизированных бойков.

Рис.2. Возможные варианты динамизированных бойков.

Неужели нельзя было придумать что-нибудь покрасивее?
Почему нельзя? Можно. Ударную часть цилиндрического бойка можно было бы сделать из металла с памятью формы и потом, после каждого удара, восстанавливать его геометрию нагреванием в муфельной печи. Или использовать накладные одноразовые ударные части бойка. Или … пробежаться по другим типовым приёмам. Интересно, что эта идея была заявлена ещё в 1980 году [4], когда про объединение конкурирующих систем ещё никто не говорил.

Пример 2. В ряде случаев, по условиям эксперимента, необходимо получить особо "чистую" форму ударного импульса. Так как рычажный подвес вносит большие искажения в форму импульса, то приходится использовать тросовый подвес. В этом случае довольно трудно обеспечить центральность удара бойка по волноводу и некоторые дорогостоящие эксперименты приходится повторять.
Динамизируем связь шарового бойка с тросовым подвесом [5]. Для этого в центр масс шарового бойка поместим шаровой шарнир и свяжем его с тросовым подвесом через конусное отверстие в теле бойка (рис. 3). Кстати, такое решение позволяет в несколько раз увеличить долговечность шарового бойка, так как вмятины от ударов могут располагаться не только по окружности, но и по довольно широкому шаровому поясу. Это также повышает стабильность ударных импульсов.

Динамизация связи шарового бойка с подвесом

Рис.3. Динамизация связи шарового бойка с подвесом
Всё описанное было сделано до января 1985 года. Поработав один вечер над динамизацией маятникового копра и повышением степени идеальности его элементов, я нарисовал около 30 новых схем. Это был мой прогноз развития маятниковых копров на ближайшие пару тысяч лет. Как же убедиться прав ли я? И я придумал такой эксперимент. Отметил 15 схем, которые мне больше всего понравились, поработал с ними и за 2-3 года оформил и послал на них заявки на изобретения.

Ну, а результат-то, каков?
Отгадайте, сколько я получил положительных решений экспертизы. Правильно все 15.

Пример 3. Очень мне тогда хотелось объединить что-нибудь конкурирующее и, желательно, в маятниковых копрах. Конкурирующие бойки 5 лет назад я уже объединил. Что бы объединить ещё?
И я занялся подвесом бойка. Штанга обеспечивает удар точно по оси волновода, но искажает форму и параметры ударного импульса. Динамизированный подвес трос обеспечивает неискажённый ударный импульс, но попасть при таком подвесе точно по оси волновода очень сложно.
Пусть шаровой боек будет постоянно связан с тросовым подвесом, что обеспечит "чистоту" ударного импульса. Но на этапах взвода, сброса и разгона бойка пусть с ним будет еще связан и штанговый подвес [6]. Остаётся пустячок сделать так, чтобы штанга в момент удара не передавала волноводу часть своей кинетической энергии.
Вот один из вариантов решения задачи. Штанговый подвес (рис. 4) имеет на конце вилку с двумя зубьями, в форме части сферы, внутренний диаметр которой примерно равен диаметру бойка. Вилка почти всё время (при взводе, сбросе, разгоне) охватывает и удерживает шаровой боёк. Это обеспечивает центральность удара. После удара вилка свободно пропускается волноводом, что обеспечивает "чистоту" ударного импульса. При обратном ходе вилка может подхватить боёк и предотвратить повторный удар, если в этом есть необходимость.

Рис. 4. Динамизация подвеса и связи подвеса с шаровым бойком. Объединение конкурирующих систем (штанга + трос)

Пример 4. Еще один элемент маятникового копра шарнирная связь подвеса с основанием. Динамизируем и ее. Пусть шарнир получит возможность перемещаться относительно основания, например, в горизонтальном направлении [7]. До момента удара шарнир связан с основанием специальным фиксатором (рис.5, а).
После удара, боек отскакивает на некоторое расстояние. В этот момент фиксатор отпускает шарнир и его отбрасывает назад.

Ну и что?
Как что? Это позволяет полностью исключить возможность нанесения повторных ударов бойка по волноводу, а значит можно отказаться от механизма предотвращения повторных ударов, за счёт использования ресурсов системы. При этом существенно снижаются динамические нагрузки на основание копра и повышается производительность проведения испытаний.

Пример 5. Обеспечим шарниру возможность перемещаться в вертикальном направлении [8]. В этом случае появится возможность работы одного маятника с несколькими волноводами, расположенными на разной высоте. Это в несколько раз повышает производительность копра и снижает затраты на его обслуживание. Например, процесс проведения испытаний на удар занимает 2-3 минуты, а на подготовительные работы может потребоваться от 1 до 3 рабочих смен.
Кроме того, решается вопрос предотвращения повторных ударов, так как, после удара, подвижный шарнир расфиксируется и боек вместе с подвесом упадет в емкость с демпфирующим материалом, например, с резиновой крошкой (рис.5, б).

Динамизация шарнирной связи подвеса с основанием

Рис.5. Динамизация шарнирной связи подвеса с основанием.
а в горизонтальной плоскости, б в вертикальной плоскости.

Заключение
В заключение отмечу, что аналогичная работа с волноводной частью маятникового копра позволила решить ряд важных народно-хозяйственных проблем:

  • испытание изделий на удар одновременно в нескольких взаимно-перпендикулярных направлениях от одного копра а.с. № 1033890, 1037108, 1067389, 1100510;
  • одновременные испытания изделий ударными импульсами различной интенсивности от одного копра а.с. № 1076798, 1174805;
  • испытание изделий на двухкомпонентный ударный импульс от одного копра а.с. № 1165908;
  • поочередная генерация ударных импульсов в нескольких волноводах от одного копра а.с. № 1067389, 1076798, 1087795, 1174805;
  • быстрый вывод волновода из зоны колебаний вибрационной системы с большой амплитудой, для предотвращения повторных ударов системы о массивный волновод а.с. № 1352278;
  • точный замер параметров ударного импульса в волноводе при комплексных испытаниях изделий на удар + плюс факторы агрессивной окружающей среды а.с. № 1043505.

Все эти изобретения не имеют грифа секретности и их можно найти в любом патентном фонде. Один взгляд на схемы и будет ясно, каким образом повышалась динамичность и идеальность.

Постскриптум
Уважаемые читатели, у вас есть возможность проверить свои творческие способности и получить ряд патентов. Проблемы, связанные с волноводной частью копров обозначены. Есть контрольные ответы. Прежде чем искать в патентном фонде описания соответствующих изобретений, попробуйте сами решить каждую проблему. А затем сравните Ваши варианты с контрольными ответами. Если у Вас получится что-то более интересное, то отправьте заявку в ФИПС. А у Вас обязательно что-нибудь интересное получится - ведь я нарисовал 30 схем, а заявил только 15. Желаю удачи!

Литература
1. Шевченко Б.А. Совершенствование маятникового копра для исследования изделий на ударные воздействия. "Полвека Белгородской области: итоги, проблемы, перспективы". Сб. научн. трудов. Старый Оскол, 2003. Изд. СТИ МИСиС. С. 152-155.
2. Шевченко Б.А. Основные направления совершенствования современной техники путём непосредственное применение законов развития технических систем. "Полвека Белгородской области: итоги, проблемы, перспективы". Сб. научн. трудов. Старый Оскол: СТИ МИСиС, 2003. С. 147-151.
3. Шевченко Б.А. Г.С. Альтшуллер и становление законов повышения идеальности и динамичности ТС. Журнал ТРИЗ, 2007.
4. Шевченко Б.А. Боек для машин ударного действия. А.с. СССР № 893515 от 27.03.1980. B25D17/02.
5. Шевченко Б.А. Шаровой боек ударного механизма. А.с. СССР № 948657 от 11.12.1980. B25D17/02, E21C13/00.
6. Шевченко Б.А. Маятниковый копер для испытания изделий на удар. А.с. СССР № 1250865 от 4.02.1985. G01M7/00.
7. Шевченко Б.А. Маятниковый копер для испытания изделий на удар. - А.с. СССР № 1308852 от 7.01.1986. G01M7/00.
8. Шевченко Б.А. Маятниковый копер для испытания изделий на удар. А.с. СССР № 1397765 от 10.01.1986. G01M7/00.
9. Шевченко Б.А. Способ формирования ударной нагрузки при испытании изделий. А.с. СССР № 1453202 от 17.01.1986. G01M 7/00.
10. Шевченко Б.А. Техническое творчество. Учебное пособие. Фрунзе, Изд. ФПИ, 1987. с.103.

Добавить в блокнот

(Голосов: 0, Рейтинг: 0)


Добавить комментарий:

Комментарии: