Современные средства и методы проектирования машиностроительных изд

Вывод отдельных основных физических операций исхо-

дит из двух следующих основных условий:

1.В технических системах могут изменяться или оставаться неизменными только свойства и состояния энергий, сигналов и материалов. Свойства и состояния энергий и сигналов или их составляющие, такие как сила, напряжение, электрический ток, ясно описываются путем указания параметров (единицы измерения, числовые значения и направления в случае, если речь идет о векторных единицах измерения, и числовые значения, если речь идет о скалярной величине). Таким образом, у физических величин в технических системах может изменяться только единица измерения, числовое значение и, при известных условиях, направление, других возможностей не существует. Изменение единицы измерения физической величины обычно всегда связано с изменением свойства. Изменение свойств также можно понимать как изменение качества энергии, материала, сигнала или их потоков. Изменение числового значения (количества) физической величины должно называться изменением состояния. Выражаясь иначе, под изменением состояния следует понимать изменение величины свойства (количества или качества). Как далее будет изложено подробнее, отсюда вытекают три основные операции: преобразование, увеличение и изменение направления для энергии, материала и сигнала.

2.Энергия или ее составляющие, такие как сила, напряжение, электрический ток, сигналы и материалы, проходящие через технические системы, формально могут рассматриваться как реки с естественными потоками, которые аналогичны свойствам:

существование потока предполагает наличие соответствующего источника и места впадения;

между источником и местом впадения потоку требуется проводящее пространство;

поток, расходящийся первоначально во все стороны, может сосредоточиваться (сводиться, собираться) на определенном прямом направлении;

81

поток может направляться вдоль заданного пути;

движение потока может прерываться и снова возобнов-

ляться;

поток в определенной среде может продолжать поступательное движение в одном направлении или колебаться;

поток в количественном отношении: может разделяться или соединяться;

поток, который представляет собой комбинацию из двух или нескольких отдельных потоков, отличающихся определенными физическими отличительными характеристиками, согласно этим различным характеристикам, может разделяться;

наконец, поток может накапливаться или выводиться. Исходя из названных возможных свойств потока и усло-

вия, каждое изменение свойства, отличающееся в качественном отношении, должно соответствовать основной операции. Выводятся, в частности, основные семь операций: сбор (концентрация), управление, прерывание, колебание, разделение, разъединение и накопление. Для создания потока формально необходим соответствующий источник и место впадения, следует напомнить о так называемом источнике направления у электрических систем, а также требуется проводимость пространства, находящегося между источником и местом впадения.

Обобщая сказанное, из представления о потоке, с 7 названными возможными изменениями свойств потока и с операциями «Излучение» и «Проводимость», необходимыми для создания потока, получается 9 основных операций. Вместе с основными операциями «Преобразование», «Увеличение» и «Изменение направления» в совокупности получается 12 основных физических операций.

Формально каждое изменение свойства, состояния или направления можно снова сделать обратным, т.е. по теоретическим и практическим соображениям к каждой из этих основных операций целесообразно присоединять противоположную основную операцию, а именно, например, к операции «Преоб-

82

разование» – «Обратное преобразование», к «Увеличению» – «Уменьшение», к «Изменению направления» – последующее «Изменение направления», которому соответствует переход к первоначальному направлению.

Примерами операций «Преобразование» и «Обратное преобразование» могут служить операции электрического генератора или электродвигателя. Зубчатая передача представляет превосходный пример для операций «Увеличение» и «Уменьшение» значения векторной физической величины (число оборотов или крутящий момент) и для изменения направления вектора (угловая скорость).

В общем каждая основная операция имеет вход и выход. Многими из названных здесь основных операций можно управлять посредством вспомогательной величины. Эта возможность управления основной операцией, практически основывается на том, что основные операции в большинстве случаев реализуются благодаря использованию физических эффектов, закон изменения которых представляет функцию не только одного, а двух или нескольких независимых параметров (y = f(x1; x2; x3;…)), которые могут использоваться для управ-

ления.

Итак, основная операция может иметь один или несколько входов управления. В пневматических усилителях, бесступенчатых передачах реализована управляемая основная операция «Увеличение». Системы, в которых реализуется управляемая основная операция «Увеличение», обычно называются усилителями. Существуют также основные операции, которыми невозможно управлять.

Вот сформулированные Коллером пары операций:

1.Излучение – Поглощение.

2.Проводимость – Изолирование.

3.Сбор – Рассеяние.

4.Проведение – Непроведение.

5.Преобразование – Обратное преобразование.

6.Увеличение – Уменьшение.

83

7.Изменение направления – Изменение направления.

8.Выравнивание – Колебание.

9.Связь – Прерывание.

10.Соединение – Разъединение.

11.Объединение – Разделение.

12.Накопление – Выдача.

13.Отображение – Обратное отображение.

14.Фиксирование – Расфиксирование.

Рассмотрим по порядку содержание этих операций.

1. Излучение – Поглощение (источник – место впаде-

ния). Поток энергии, материала или сигнала постоянно требует наличия соответствующего источника и места впадения. Процессы, сопряженные с наличием источника и места впадения и соответствующие им, должны характеризоваться понятиями «излучение» и «поглощение». Примерами функции «излучение» (источник) являются все естественные источники энергии, материалов или сигналов (солнце, гидроэнергия, виды топлива и т.д.). В технических системах местом впадения энергии, материала или сигнала в большинстве случаев служит окружающая среда. Человек вынужден предусматривать наличие мест впадения только в тех случаях, когда бы могла последовать недопустимая нагрузка со стороны окружающей среды.

Звукопоглощающие стенки в машинах или покрытия в атомных реакторах, поглощающие излучения, могут служить практическими примерами для операции «Поглощение» (место впадения).

Операции, которые необходимы для возникновения потока, называются «Излучение» и «Поглощение», поэтому они должны рассматриваться как основные операции и характеризоваться, как таковые. Еще следует заметить, что «Излучение» и «Поглощение» являются противоположными операциями. Для практического конструирования обе имеют сравнительно небольшое значение (при разработке электрической схемы электрический источник напряжения точно так же, в большинстве случаев, аналогичным образом приобретает лишь фор-

84

мальное значение), но формально для существования потока они всегда должны быть.

Под излучением и поглощением (источник/место впадения) следует понимать две основные операции, противоположные друг другу, которые необходимы для создания потока, энергии, материала или сигналов.

Согласно определению и названию, источником и местом впадения должны считаться все природные и технические источники энергии, материалов или сигналов, или места впадения энергии, материалов или сигналов.

2. Проводимость – Изолирование. Для возникновения потока еще недостаточно наличия самого источника и места впадения (для рассмотрения лучше всего представить себе естественный источник). Более того, область между источником

иместом впадения должна «проводить» соответствующий вид энергии, материала или сигнала. Во избежание недоразумения следует заметить, что «Проводимость» здесь следует понимать в смысле «проводящий», а не в смысле «проведение» (трубопровода). Следовательно, конструктор при конструировании должен провести необходимые мероприятия с тем, чтобы чтото могло «протекать».

Операция, противоположная проводимости, – «Изолирование». Поэтому «Проводимость» и «Изолирование» точно так же должны рассматриваться как основные операции технических систем. Примерами для функции «Проводимость», применительно к звуку, является пространство, заполненное воздухом или другой средой, а также сама среда при распространении электромагнитных волн (радио, свет). Кожухи, прокладки, автомобильные кузова непрозрачные шторки, изолятор, стенка и т.д. являются примерами для функции «изолирование».

Противоположные друг другу операции «Проводимость»

и«Изолирование» служат для того, чтобы обеспечить возможность распространения потока энергии, материала или сигнала или воспрепятствовать его распространению.

85

3. Сбор – Рассеяние. Естественный или технический поток, берущий свое начало из источника, по природе стремится распространиться по всем направлениям. Для того чтобы это предотвратить, в технических системах должны быть проведены операции, которые в дальнейшем будут называться «Сбор» или «Фокусировка». Техническими устройствами для реализации основной операции «Сбор» являются воронки для жидкостей, параболические зеркала, фокусирующие линзы (оптика), а также антенны радиолокационных станций для сбора «электромагнитных» волн (рис. 7.1, а).

Операция «Рассеяние» служит для того, чтобы имеющийся сконцентрированный или упорядоченный поток рассеять, распространить по всем направлениям или направить более широким фронтом (рис. 7.1, б).

Примерами операции «Рассеяние» могут служить телевизионный экран с диффузным отражением или технологическая установка для мойки деталей рассеянным потоком после механической обработки.

а

б

Рис. 7.1. Пример операции 3: а – сбор; б – рассеяние

«Сбор» (фокусировка) и «Рассеяние» представляют собой две основные операции, противоположные друг другу, которые служат для того, чтобы поток энергии, материала или сигнала, распространяющийся по всем направлениям, заставить протекать в одном направлении (или заставить пересекаться в одной точке световые лучи (электромагнитные волны) или направлять рассеянно по всем направлениям сориентированный поток энергии, материала или сигнала (луч света).

86

Отметим различия между операциями «Сбор – Рассеяние» и «Излучение – Поглощение». Операции «Излучение» и «Поглощение» соответствуют первому (начальному) и последнему (конечному) участкам в потоке энергии, вещества или информации. До и после этих участков, можно сказать, нет организованного потока. Операции «Сбор» и «Рассеяние» соответствуют промежуточным участкам потока; до и после этих участков также существует организованный поток.

4. Проведение – Непроведение. Потоки энергии, материа-

лов или сигналов, если они уже один раз были сфокусированы, по своей природе снова стремятся постепенно рассеяться по всем направлениям. Далее названные потоки в технических системах обычно должны проводиться по определенному пути.

«Проведение» и «Непроведение» представляют собой две основные операции, противоположные друг другу. «Проведением» должна называться такая операция, которая служит для того, чтобы поддерживать в данном состоянии уже сконцентрированный (накопленный) поток энергии, материала или сигнала, причем он движется из одного пункта к другому пункту по определенному заданному пути (направляющая траектория движения). Примером операции «Проведение» могут служить системы трубопроводов и токопроводящие электрические системы, а для механики – шарниры, карданы (рис. 7.2, а).

а

б

Рис. 7.2. Пример операции 4: а – «Проведение» – кардан; б – «Непроведение» – свободно летящая пуля

«Непроведение» означает то, что на потоки энергии, материалов или сигналов, в их естественном направлении движения

87

или распространения в технических системах не оказывается никакого влияния. Примерами непроводимых потоков материалов могут служить свободно падающая струя воды или летящая пуля (рис. 7.2, б).

Поскольку для проведения энергии, материала или сигнала зачастую также применяются одинаковые физические эффекты или одинаковые технические элементы, что и при изменении направления, то соответствующий элемент, согласно желаемой функции, должен называться проводящим элементом или элементом изменения направления. Световод может применяться для проведения светового пучка или для изменения направления пучка лучей; точно такую же функцию, например, выполняет резиновый шланг для воды и другие проводящие элементы. Тот факт, что существуют физические эффекты или элементы конструкций, которые в зависимости от выбора могут выполнять две или несколько основных операций, обоснован тем, что они зачастую имеют не одно, а несколько свойств.

5. Преобразование – Обратное преобразование. «Преоб-

разование» и «Обратное преобразование» – это две основные операции или элементарные функции, противоположные друг к другу. Так должны называться все операции, которые вызывают изменение свойств энергии, материала или сигнала.

Поскольку свойство энергии обычно изменяется с ее формой проявления, то под преобразованием энергии следует понимать превращение одного вида энергии в другой. В качестве видов энергии считаются тепловая, кинетическая, электрическая, потенциальная, звуковая, оптическая, химическая и др. На рис. 7.3, а показано преобразование тепловой энергии в механическую в ДВС, а на рис. 7.3, б преобразование механической энергии в энергию сжатого газа или жидкости в компрессоре.

Под изменением веществ следует понимать изменение свойства, т.е. добавление или исчезновение свойства вещества. Такие изменения свойств веществ, например, могут происхо-

88

дить в результате изменения агрегатного состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное). Последующими примерами изменения свойств веществ являются проводящие или непроводящие, нормально проводящие или сверхпроводящие, магнитные или немагнитные вещества. Превращения химических веществ обычно всегда связаны с изменением свойств одного или нескольких соответствующих веществ. Вещество «обрабатывается» таким образом, что оно после этого процесса обнаруживает определенное дополнительное свойство, которого оно не имело прежде, или утрачивает свойство, которое оно имело раньше.

аб

Рис. 7.3. Пример операции 5: а – схема работы двигателя; б – схема функционирования компрессора

Под преобразованием сигналов следует понимать такой процесс, при котором изменяется вид энергии, образующий величину сигнала (см. определение преобразования энергии). Поскольку для величин сигналов имеет значение не вид энергии, а лишь составляющая энергии, как, например, электрическое напряжение, путь, сила и т.д., то действительным также считается следующий вывод: под преобразованием сигналов следует понимать такую операцию, при которой одна физическая выходная величина (причина) определенного измерения превращается в выходную величину (следствие) другого измерения. Примерами, в которых преобразуются сигналы, являются известные электрические, оптические и пневматические приборы линейных измерений.

89

6. Увеличение – Уменьшение. «Увеличением» или

«Уменьшением» должны называться все операции, которые увеличивают или уменьшают величину (числовое значение) векторной или скалярной физической величины. При этом на входе и выходе имеем одну и ту же физическую величину. Примерами реализации операций «Увеличение» и «Уменьшение» являются: передачи с изменяемым крутящим моментом, кулачковые передачи, электрические трансформаторы, механические и гидравлические системы (рис. 7.4) и электрические усилители, система рычагов, зубчатые передачи (рис. 7.5), вентили, задвижки, регулирующие площадь сечения потока (рис. 7.6).

а

б

Рис. 7.4. Примеры операции 6 в гидравлике:

а– увеличение давления (преобразователь давления);

б– уменьшение расхода (дроссель)

а

б

Рис. 7.5. Пример операции 6 в механике:

а– увеличение числа оборотов (мультипликатор);

б– уменьшение числа оборотов (редуктор)

По причине законов сохранения энергии или вещества в этой связи нецелесообразно переносить основные операции «Увеличение» или «Уменьшение» на относящиеся к ним пото-

90