Основы проектирования и конструирования (стр. 19 из 53)
| ТО | ОС | Главный элемент | Функция главного элемента |
| Шариковая авторучка | Бумага | Шариковый узел | Образует на бумаге видимый след |
| Шнековый смеситель | Компоненты смеси | Шнеки | Транспортируют и смешивают компоненты |
| Щековая дробилка | Материал, подлежащий дроблению | Щеки | Раздавливает материал |
| Двигатель внутреннего сгорания | Двигатель внутреннего сгорания | Поршни и цилиндры | Вращает вал |
После выявления элементов ТО и их функций можно построить конструктивную функциональную структуру ТО. Она представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются наименования элементов ТО и объектов ОС, а ребрами - функции элементов.
При построении ФС сначала изображают вершины: верхний горизонтальный ряд - объекты ОС, ниже - элементы ТО. После этого строят направленные ребра графа. Ребра выходят из вершин-элементов, чьи функции они описывают, а заканчиваются в вершинах-элементах, работу которых они обеспечивают, или в вершинах-объектах ОС, взаимодействующих с рассматриваемым элементом. Из каждой вершины элемента выходит столько ребер, сколько функций имеет элемент. Простые ребра начинаются в одной вершине и заканчиваются в другой. Но некоторые элементы ТО обеспечивают соединение или взаимодействие между несколькими элементами и объектами ОС. В этом случае ребро имеет один выход и несколько входов, соединенных между собой так называемой U-вершиной. Чтобы было понятно сказанное выше, рассмотрим пример построения графа для шарикоподшипника.
Шарикоподшипник, как известно, предназначен для снижения трения (момента вращения) между втулкой вращающейся детали и неподвижной осью. Втулка и ось в данном случае являются объектами окружающей среды.
Разбивка шарикоподшипника на элементы с определением их функций дает следующий результат.
| Элемент | Функция | ||
| обозначение | наименование | обозначение | описание |
| Е0 | шарики | Ф0 | снижают момент вращения втулки (V1) вокруг оси (V2) |
| Е1 | наружное кольцо | Ф1 | обеспечивает качение втулки по шарикам |
| Е2 | внутреннее кольцо | Ф2 | обеспечивает качение шариков по оси колеса |
| Е3 | сепаратор | Ф3 | обеспечивает равное удаление шариков друг от друга |
Из таблицы видно, что главным элементом являются шарики, функция которых совпадает с функцией всего подшипника.
Конструктивная ФС имеет следующий вид.
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 ¹ 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.