УЧИМСЯ СЧИТАТЬ

РАЗРАБОТКА ОБЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ

Необходимость разработки того или много технического устройства всегда диктуется какой-либо конкретной потребностью и в конечном счете направлена на повышение производительности и качества труда на производстве, эффективности научных исследований или учебного процесса.

Знакомство с основами общей методики конструирования позволит юному конструктору быстрее включаться в деятельность организаций ВОИР и НТО в школе, в профессиональных учебных заведениях, на производстве. Для этого рассмотрим основные этапы конструирования на примере разработки модели одного из технических устройств. Возьмем некоторое устройство, совершающее работу по перевозке определенных грузов.

Так выглядит техническая задача в самом общем виде. Для ее уточнения необходимо перейти к количественным показателям, определяющим главную функцию данного устройства.

Поскольку устройство должно совершать работу, а работа, как известно, определяется произведением силы F на расстояние L, то есть А = FL. Необходимо уточнить вес Grp., форму и размеры груза, расстояние L, на которое его нужно переместить, характер перемещения (вниз, вверх, горизонтально и т. д.), среду, в которой будут осуществляться перемещение, скорость и периодичность действия устройства.

Поскольку наша цель — разработать модель этого устройства, то желательно, чтобы ее вес без груза был не более 1 кг и в то же время не превышал вес груза, то есть Сустр. ≤ Grp.

Теперь мы уточним условия, в которых должно работать техническое устройство. Рассмотрим три варианта его модели:

1. Действующая модель устройства для работы в школьных мастерских.

2. Действующая модель устройства для работы на пришкольном опытном участке.

3. Действующая модель, имитирующая работу планетохода, например, для поверхности Марса.

Габариты устройства в каждом случае ограничиваются возможностями маневрирования в рабочем помещении, на участке размерами грузового отсека космического корабля-носителя.

Исследование вопроса целесообразно начать с анализа уже имеющихся устройств, используемых в аналогичных ситуациях. Например, на производстве для перемещения грузов в цехе используют грузовые мотороллеры, электрокары, мостовые краны, монорельс с подъемником, ленточные транспортеры и многое другое. В сельскохозяйственном производстве широко используются транспортеры, монорельс, ручные тележки различной конструкции, носилки и прочее

Большая часть этих устройств непригодна для использования в школьных мастерских и на пришкольном участке, они громоздки, слишком дороги для школы, требуют высококвалифицированного обслуживания. Подробный анализ технических характеристик таких устройств при желании вы можете провести самостоятельно.

Здесь мы попытаемся разработать действующую модель устройства для наших целей С учетом условий его применения.

Вначале определим примерные размеры будущих моделей. Выберем габариты: длину X = 500 мм, ширину У = 250 мм и высоту (вместе с грузом) Z= 300 мм. Теперь определим примерную скорость передвижения устройства с грузом.

В первом случае ограничения по скорости обусловливаются размерами помещения, количеством работающих в нем людей, интенсивностью и маршрутами их передвижения. Для школьной мастерской примем скорость движения V1 < 6 км/ч (скорость пешехода), для пришкольного участка V2 ≤ 10 км/ч.

При определении скорости движения по поверхности Марса следует учесть, что расстояние от Земли до этой планеты изменяется в пределах от 78 до 378 млн. км, скорость распространения радиоволн С = 0,3 млн·км/с. Следовательно, время прохождения сигнала от Земли до Марса t1 =78/0,3= 260 с и t2 = 378/0,3 = 1260 с, то есть оно колеблется от 4 мин 20 с до 21 мин. Если «глаз» нашего устройства увидит препятствие за 50 м и передаст информацию о нем на Землю водителю-оператору, а тот отреагирует мгновенно, то время, за которое изменится направление движения, будет составлять от 8 мин 40 с до 42 мин в зависимости oт взаимного расположения Земли и Марса. Значит, целесообразно скорость движения устройства по Марсу принять V3 1 м/мин.

Мощность для обеспечения этих заданных скоростей определяется по формуле:

N = Fconp. X V, но Fсonp. = (Gустр. + Grp.) X К,

где К — коэффициент сопротивления уточняется опытным путем. Например, для колесного транспорта, работающего на площадках с ровным покрытием,

К = 0,05, на проселочной дороге К = 0,1, на бездорожье К = 0,5. Преобразовывая формулу, получим:

N = (Gycтp + Grp.) KV/10000 (Вт). Подставим числовые значения и полученные результаты оформим в таблицу.

Предлагаем подобрать источник энергии. Для этого вначале выясним возможные варианты использования известных источников энергии. Для практического их использования часто бывает необходимо предварительно преобразовать одну форму энергии в другую. Например, для получения механического движения требуется вначале получить электрическую энергию, а для этого можно использовать энергию воды, солнца, ветра, химическую реакцию и т. д. Желательно, чтобы путь превращения энергии в удобную для использования форму был короче и дешевле. При этом часто приходится принимать компромиссные решения.

В таблице показаны некоторые пути превращения форм энергии. Вверху таблицы справа названы различные формы энергии, направление поиска указано стрелкой. Нужный вариант можно получить в квадрате при пересечении линий. Например, для преобразования энергии электрического тока в механическое движение требуется электродвигатель. Напомним, что на Марсе возможности использования солнечной энергии ограничены, они примерно в 2 раза меньше, чем на Земле. Плотность атмосферы Марса значительно меньше земной, скорость же ветра достигает 100 м/с. Оценить возможности использования различных форм энергии, накопителей и преобразователей ее можно с помощью приведенной таблицы.

В итоге мы приходим к выводу, что во всех трех случаях удобнее использовать энергию в форме электрического тока с последующим преобразованием в поступательное движение устройства и его механизмов. В этом случае формулировка нашей задачи приводит к выводу: требуется разработать техническое устройство для перемещения грузов с электроприводом. Дальнейшая работа связана с выбором конкретного двигателя по соответствующим справочникам (2, 3, 4). Подходящие по мощности двигатели выписываем в таблицу.

Если выбор двигателей ограничен, то все расчеты производят применительно к имеющемуся двигателю.

В данном случае, исходя из потребной мощности, наиболее приемлемыми двигателями являются для I варианта — ДП-11, для II — ДП-13 и III — ДП-10. Для модели планетохода можно использовать и двигатель РДП-2А, хотя потребляемая мощность, вес и габариты у него несколько больше, чем у ДП-10, но эти качества компенсируются наличием у него редуктора и повышенной мощностью на валу.

Питание двигателя выбирается в зависимости от конкретных условий его работы. Например, в мастерских источник питания не обязательно размещать на самом устройстве, питание двигателя может осуществляться по проводам.

На пришкольном участке возможно применение комбинированного питания электродвигателя. Например, от аккумулятора с подзарядкой и др. При разработке источника питания для модели анализ вариантов в принципе проходит аналогичным путем. В таблицу выписываются возможные варианты энергопитания: трансформаторы (если от сети), аккумуляторы, батареи.

Наиболее приемлемым вариантом в данном случае является использование КБС-Л-0,5. Итак, мы получили следующие результаты:

1. Определили главный принцип действия нашего устройства — электрический.

2. Выявили тип электропривода устройства: I — ДП-11, II — ДП-13, III — РДП-2А.

3. Наметили возможный вариант использования батарей КБС-Л-0,5.

4. Составили таблицу «Технические параметры устройства».

Предлагаем решить задачу по определению источника энергии и ее преобразованию в механическое движение для транспортной тележки, которую можно использовать:

а) в механической мастерской техникума, ПТУ, вуза, на промышленном производстве;

б) на хозяйственном дворе, на ферме и других объектах сельскохозяйственного производства;

в) на поверхности планеты Венера, где использование солнечной энергии затруднительно из-за сильной облачности, масса планеты составляет 0,31 массы Земли, продолжительность суток равна 118 земным суткам, атмосферное давление в 15 раз превышает земное, температура окружающей среды в среднем 280° С и в составе атмосферы 90% СO2, 7% N, 1,5% Н2O + O2.

Литература:

«Детская энциклопедия», 2-е д., том 5. М., «Просвещение», 65.

«Заглянем в будущее». М., «Молодая гвардия», 1974.

Зуев В. П., Камышев Н. И. др., Модельные двигатели. М., Просвещение», 1973.

«Справочник для изобретателя рационализатора». М., Машгиз, 1963.

Уемов А. И., Логические основы метода моделирования. М., «Мысль», 1971.

Учебники физики для средней школы.