6.2. Упругость (эпу)

Изобретение – это не инцидент, а процесс.

В.М.Мухачёв

Сущность правила состоит в том, что для решения задачи объект должен содержать один или несколько упругих элементов.

Приём ЭПУ1 «Упругий элемент»: использовать упругие свойства элемента, заменить жёсткий элемент упругим, ввести дополнительно упругий элемент.

Задача 6.10. При сверлении отверстий в металлических заготовках производительность зависит от скорости осевой подачи сверла: чем быстрее мы подаем сверло, тем выше производительность. Но при этом возрастает и нагрузка на сверло, и оно может сломаться. Чтобы этого не произошло, в приспособлении для закрепления сверла в станке предусматривают специальный предохранительный штифт. При достижении критического значения крутящего момента штифт срезается, сверло прокручивается и остается целым. Метод неудобен тем, что после каждого случая среза штифта на его замену затрачивается дополнительное время.

Как быть?

Решение. Предлагается заготовку закрепить в специальном приспособлении, в котором предохранительный элемент выполнен из прямолинейных упругих стержней, расположенных по образующим гиперболоида вращения. Верхние концы стержней связаны с заготовкой, а нижние – со столом станка. Если крутящий момент превзойдет допустимое значение, заготовка повернётся вокруг оси, произойдёт сжатие гиперболоида, сработает конечный выключатель, и станок отключится (вспомните башню Шухова, задача 3.26).

Задача 6.11. Режущие инструменты из твёрдого сплава обладают высокой износостойкостью. Но твёрдый сплав – дорогой материал, поэтому из него делают не весь резец, а только режущий элемент в виде пластины. Эту режущую пластину припаивают к стальной державке. Однако этот способ крепления ненадёжен из-за высоких температур в зоне резания. К тому же при затуплении режущей кромки приходится снимать со станка и отправлять на переточку весь резец. Более прогрессивным является так называемое механическое закрепление режущей пластины с помощью винтов, клиньев и т.п. Но твёрдый сплав очень хрупкий, и при неплотном прилегании к дну паза в державке пластина под действием усилия закрепления может треснуть.

Как этого избежать?

Решение. Под твёрдосплавную режущую пластину помещают пластину из мягкого металла. При зажиме режущей пластины эта промежуточная пластина деформируется и обеспечивает плотное прилегание режущей пластины.

Задача 6.12. Кулачок из пружинной стали 60С2 имеет форму пластины в виде эллипса с круглым отверстием в центре.

Как его изготовить на токарном станке?

Решение. Технология изготовления кулачка весьма оригинальна и основана на упругих свойствах пружинной стали. Сначала заготовку кулачка – втулку с отверстием, деформируют так, что она приобретает форму эллипса, эллипсную форму приобретает и отверстие. Не снимая нагрузки, в отверстие вставляют оправку эллипсного сечения. Заготовку обтачивают на токарном станке, и теперь она имеет цилиндрическую форму. Вынимают оправку из отверстия, происходит обратная деформация заготовки: теперь отверстие становится цилиндрическим, а наружная поверхность – эллипсной.

Задача 6.13. Пробка от термоса со временем изнашивается и проваливается в горловину. Не торопитесь выбрасывать её. Размеры пробки можно быстро восстановить.

Подумайте, как?

Решение. Используем упругие свойства пробки. Просверлим в ней отверстие и вставим деревянный штырь несколько большего диаметра. Пробка деформируется, её размер увеличится, и она вновь будет надёжно прилегать к горловине термоса.

Задача 6.14. В мире существуют десятки конструкций поршневых колец, отличающихся друг от друга формой, материалом и др. Но всем им присущ общий недостаток: они делаются разрезными, поскольку иначе их невозможно установить в канавке поршня. А там, где есть разрез, есть и утечка, то есть потери рабочего давления. КПД двигателя снижается.

Как быть?

Решение. Предложено сделать кольцо цельным, а по всему периметру снять две лыски, расположенные под небольшим углом. Кольцо одевают на поршень, имеющий канавку. Когда поршень вставляют в цилиндр, кольцо упруго деформируется и входит в канавку. Упругость кольца компенсирует и износ пары цилиндр - поршень при работе.

Американский инженер Марков (обратите внимание на фамилию!) сделал для своего сына и его друзей нехитрый спортивный снаряд – пластиковый упругий обруч с установленным на нём седлом, прыгая на котором дети воображают себя всадниками.

Для соединения концов вращающихся валов на них выполняют резьбу, на которую навинчивают спиральную пружину, получается упругая муфта.

В сборной протяжке между зубьями установлены тарельчатые пружины, демпфирование которых предотвращает выкрашивание режущих кромок.

Чтобы картофель не повреждался при падении с транспортёра в бункер, дно бункера выполнено подпружиненным и опускается по мере заполнения бункера.

Резиновая футеровка шаровой вращающейся цементной мельницы от ударов чугунных шаров изнашивается втрое медленнее, чем стальная.

Подшипник скольжения из приваренных к втулке лепестков молибденовой фольги, перекрывающих друг друга, позволяет валу ротора вращаться с частотой до 160 тыс. об/мин.

ЭПУ1 можно также применять при решении задач, в которых требуется обеспечить герметичность соединения, заменить сосредоточенную нагрузку распределённой, смягчить удар, погасить вибрацию.

Приём ЭПУ2 «Надувной элемент»: использовать газообразные и жидкие элементы, надувные и гидронаполняемые, воздушную и гидравлическую подушки, аэростатические, гидростатические, гидрореактивные и т.п. элементы.

Задача 6.15. Современные промышленные дымовые трубы достигают высоты 200-300 м. Когда трубы не работают, их желательно закрывать сверху какой-то крышкой, чтобы внутрь трубы не попадали дождь и снег. Такие «крышки» (диаметром 2-3 м) пытались устраивать, но их срывало ветром, да и механизм для перемещения «крышки» оказывался очень ненадёжным. Вообще механизмы, установленные на вершине трубы, быстро портятся: дымовые газы содержат вещества, разъедающие самые прочные материалы.

Как быть? Может быть, использовать вертолёт? Но чтобы опустить крышку точно на предназначенное ей место, от пилота потребуется незаурядное мастерство. А ведь крышку нужно ещё закрепить.

Может изогнуть трубу? Оказывается, тяга резко уменьшается: 300-метровая труба работает, как 50-метровая. Поставить над трубой зонт? Тот же результат, резко падает тяга.

Решение. Задача легко решается, если воспользоваться приёмом ЭПУ2. Вместо жёсткой крышки применим надувную – воздушный шар, по размерам соответствующий отверстию трубы, наполненный газом легче воздуха и закреплённый на лёгком тросе, конец которого находится внизу. В нужный момент, потянув за трос, мы свободно открываем трубу, а опустив трос, закрываем её.

Задача 6.16. В порту грузили корабль. Мощный кран опускал поддоны с мешками в открытый проём судового трюма. Шёл сильный дождь, и вода попадала в трюм.

- Ну и погодка, - проворчал один из грузчиков. – Промок насквозь…

- Ничего не поделаешь, - ответил другой. – Во время погрузки трюм не закроешь, крышку не поставишь.

- Вот бы такую крышу, чтобы дождь не проходил, а грузы опускались свободно, - мечтательно добавил третий.

Что вы можете предложить?

Решение. Такая крышка есть, и сделана она из двух надувных ёмкостей, плотно прилегающих друг к другу в середине проёма. Груз свободно раздвигает ёмкости и опускается вниз. Ёмкости тут же вновь смыкаются, и дождь не попадает в трюм.

Задача 6.17. Вы посолили огурцы в трёхлитровой банке. После того, как вы вскрыли банку, огурцы всплывают, и их верхний слой теряет вкусовые качества. Чтобы этого не происходило, огурцы желательно поместить под гнёт. Но как это сделать, если диаметр горлышка меньше диаметра самой банки?

Решение элементарно: использовать в качестве гнёта полиэтиленовый мешочек, наполненный водой.

Задача 6.18. Вернёмся к задаче 4.24 о шлифовании криволинейных поверхностей. Мы предложили использовать эластичные шлифовальные круги из войлока, фетра, каучука. Но такими кругами можно шлифовать лишь поверхности с малой кривизной. Магнитный круг со стальными опилками может обрабатывать поверхности большой кривизны, но стальные опилки обладают недостаточной твёрдостью для шлифования твёрдых материалов.

Что можно предложить?

Решение. Применим приём ЭПУ2. Сделаем шлифовальный круг в виде надувного баллона, в виде «бублика», покрытого слоем абразива. Таким кругом можно шлифовать достаточно кривые поверхности. И опять же, возможности таких кругов можно расширить, если применить физический эффект (приём ВАД1 «Добавка»). Недостатком надувного круга является то, что его нельзя сильно прижимать к обрабатываемой детали. А при слабом прижатии и производительность будет низкой. Предлагается внутрь надувного круга поместить стальную дробь и прижимать круг к детали электромагнитным полем.

Задача 6.19. В железнодорожных цистернах приходится транспортировать различные жидкости. При смене жидкости цистерну необходимо тщательно мыть, а это достаточно трудоёмкий процесс. Простои цистерн в ожидании нужной жидкости также обходятся достаточно дорого. Шведские специалисты предложили устанавливать в цистерне резиновую перегородку. В один из люков цистерны заливают минеральное масло, перегородка вытягивается, вплоть до противоположной стенки ёмкости. В другой люк заливают растительное масло, перегородка вытягивается в противоположную сторону. Можно одновременно транспортировать обе жидкости. Советский инженер Р. Кожевников предложил вместо перегородки помещать в цистерну надувной баллон, который можно помещать в любое место цистерны в зависимости от объёмов жидкостей. Боле того, в баллон можно заливать третью жидкость.

Давайте вспомним задачу 5.20 о воздушных потоках в коровниках. Применение для исследования их траектории мыльных пузырей – это тоже приём ЭПУ2.

Для опрыскивания виноградников применяют «летающую тарелку», парящую над кустами за счёт реактивной воздушной струи, что предохраняет их от механического повреждения.

Шведские изобретатели предложили вместо механического или гидравлического домкрата применить надувной мешок из прочного материала, Подсоединив такой пневмодомкрат к выхлопной трубе, мы избавляемся от тяжёлого ручного труда.

Детали при склеивании прижимают надувными ёмкостями.

А инженеры П.Каминский и А.Степаненко предлагают для удаления дыма тепловой электростанции наполнять дымом оболочки, которые будут подниматься в верхние слои атмосферы и там опорожняться. Возвращать «пустую тару» предполагается тросиком.

Это интересно:

Первый подвесной мост, известный историкам, - это мост через реку Инд, описанный китайским монахом Фа Сиеном в 399 году. Однако уже тогда он считал этот мост очень старым.