§ 5. СИНТЕЗ НОВОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

Система, обладающая недостатком, который мы хотим устра­нить ее преобразованиями, является прототипом нового техниче­ского решения. Его идея, полученная в результате предшеству­ющего анализа технической задачи,—зародыш новой технической системы. Она появляется в недрах старой и порождена ее недостат­ками. Однако технической системы еще нет—ее нужно синтезиро­вать, преобразовать прототип, согласно идее решения.

Как правило, идея решения — это формулировка какого-либо физического принципа, используемого в предполагаемом новом объекте, совокупность каких-либо действий, функций. Ее можно представить как систему функций элементов будущего техниче­ского объекта (носителей этих функций предстоит еще определить и составить из них новую техническую систему).

Идею решения, как и элементы технической системы, описы­вают и совокупностью свойств, для этого достаточно указать толь­ко те свойства среды или каких-либо элементов, которые мы ис­пользуем, изменяя их значения, управляя ими. Синтез техниче­ского решения состоит в определении материальных носителей тех значений свойств и функций, которые соответствуют идее. Естественно, затраты на реализацию идеи должны быть минимальны и решение должно быть изящным, поэтому необходимо в первую очередь попытаться закрепить новые функции за уже имеющимися элементами системы, изменив значения некоторых их свойств.

Не исключено, что существующие элементы нельзя приспосо­бить к выполнению новых функций. Тогда нужно вводить допол­нительный элемент (или элементы). После введения следует вы­яснить его возможности и способность выполнять некоторые функ­ции других элементов технической системы — перестановка функций иногда позволяет существенно упростить техническое выполнение элементов или даже отказаться от отдельных из них.

Идея решения может быть отражена и в матрицах анализа свойств и потенциальных изменений свойств элементов технической системы: в них предусматривается дополнительная колонка для вспомогательного элемента—среды (в табл. 10 и 11 она обозна­чена знаком X). В ней отмечают свойства среды, необходимые для осуществления идеи решения, и их значения. Затем следует про­смотреть возможности изменения этих свойств у других элемен­тов технической системы. При совпадении значений свойств како­го-либо элемента и среды их закрепляют за этим элементом тех­нической системы. Если же в системе нет элементов, которые мог­ли бы взять на себя свойства среды, то вводят дополнительный элемент. Таким образом, применение метода АС (матриц свойств) на этапе синтеза новой технической системы позволяет формали­зовать процедуры данного этапа (синтезировать новый объект по заданным матрицам свойств элементов сможет и ЭВМ).

При этом желательно элементы технической системы предва­рительно классифицировать на две группы: изделия и инструмен­ты. Изделия, как правило, элементы, значения свойств которых изменять нельзя (значит, они в меньшей степени способны выпол­нять функции среды). Инструменты в большей степени поддаются изменениям или приспособлению. Когда же носителем свойств сре­ды является изделие, иногда эти свойства должны быть индуциро­ванными, созданными соответствующим воздействием на изделие других элементов системы — инструментов.

После определения структуры новой технической системы на­чинают ее конструктивно-техническое доведение до конкретного решения, осуществимого на практике. Этот этап содержит все про­цедуры, характерные для процесса проектирования любого техни­ческого объекта. При недостаточной информации для проекти­рования могут быть проведены дополнительные эксперименталь­ные и теоретические исследования, созданы действующие физиче­ские модели и т. д.

Когда решение доведено до формы конкретного объекта, не­обходимо выяснить его технические, технико-экономические и прочие показатели, сравнить их с аналогичными показателями прото­типа и определить эффективность решения.

Заключительный этап процесса решения технической задачи, представляющий собой одновременно исходный этап нового про­цесса решения, — это выявление недостатков созданной техниче­ской системы. Он замыкает один цикл (см. рис. 13) и начинает новый, связанный с усовершенствованием полученного техниче­ского решения.

Синтез технического решения, пожалуй, наиболее трудоемкий этап и показать полностью его содержание на конкретных приме­рах довольно затруднительно. Рассмотрим отдельные процедуры этого этапа, выполнение которых позволяет сформулировать струк­туру и технические параметры проектируемого объекта, на приме­ре решаемых нами задач.

Задача 1

Для синтеза нового технического решения следует выяснить и уточнить некоторые особенности технологии нанесения смазки на длинную оправку, разницу в величинах коэффициентов трения на различных участках оправки, необходимую для снижения разностенности, и связь коэффициента трения на оправке с толщиной слоя смазки. Для этого был проведен комплекс дополнительных теоретических исследований, лабораторных и промышленных экс­периментов и проектных разработок.

Проведенный ранее эксперимент, вскрыв механизм изменения эксцентричной разностенности трубы при ее прокатке на цилиндри­ческой оправке, позволил разработать теоретические основы и математическую (аналитическую) модель этого процесса. Коли­чественный анализ модели показал, что для получения ощутимого эффекта коэффициент трения на пе­реднем конце оправки надо увеличить более чем в 3 раза, по сравнению с коэффициентом трения на остальной части оправки, где он составляет 0,02—0,05. Дополнительные экспери­ментальные исследования позволили установить, что нужному интервалу коэффициентов трения соответствует слой смазки (триполифосфата натрия) на переднем конце оправки толщиной до 30% от толщины слоя смазки на остальной части оправки, где она со­ставляет 0,1—0,2 мм (рис. 21). При проведении промышленных испытаний слой смазки с переднего конца оправ­ки смывали водой. Сравнение точно­сти труб, прокатанных по старой и по новой технологии, показало, что эксцентричная разностенность на переднем конце труб снижается в 1,5 раза.

Рис. 21. Зависимость коэффициента трения f_о на оправке от исходной толщины слоя смазки δ.

Новая промышленная технология нанесения смазки на длинную оправку предполагает автоматическое включение смазочной маши­ны, в которой на поверхность оправки подается смазка после прохождения через нее переднего конца оправки. При этом, хотя в смазочной машине на передний конец оправки смазка и не пода­ется, слой смазки на нем толщиной 0,03—0,05 мм все же имеет­ся—это связано с тем, что при извлечении длинной оправки из трубы после прокатки смазка разносится по поверхности оправки и попадает на передний конец оправки, часть этой смазки сохра­няется и к моменту прокатки следующей трубы.

Разработанная технология защищена авт. св. № 680773 со сле­дующей формулой изобретения:

«Способ производства труб на непрерывном стане, включаю­щий нанесение на длинную оправку слоя смазки, введение оправки в гильзу с выдвижением переднего конца, совместную задачу гиль­зы с оправкой в стан и продольную раскатку гильзы в трубу в группе клетей на плавающей оправке; отличающийся тем, что с целью снижения эксцентричной разностенности переднего конца трубы и тем самым повышения выхода годного, по длине оправки наносят неравномерный слой смазки и на переднем конце, длина которого равна 0,4—0,8 величины выдвижения оправки из гильзы, толщина слоя составляет до 30% от средней толщины слоя смазки, остальной части оправки».

Задача 2

В соответствии с различными формулировками условий изо­бретательской задачи и направлениями ее решения были получены два принципиально различных варианта идеи решения. Рассмот­рим их дальнейшее развитие и техническую конкретизацию после­довательно.

1. Необходимо создать техническую систему, которая позволя­ла бы в начальный момент прошивки зазор между оправкой и вал­ками заполнить чем-то жестким, чтобы оправка внедрилась точ­но в центр заготовки, а затем это «что-то» убрать.

Рис. 22. Схема прошивки заготовки с центровкой оправки патрубком: а—исход­ное положение элементов системы; б — положение элементов в момент начала про­шивки (1— валок; 2— оправка; 3— стер­жень; 4— холодный патрубок; 5— горячая заготовка).

Самое простое техническое решение — ввести в существующую техническую систему дополнительный элемент — холодный патру­бок с наружным диаметром, равным расстоянию между валками, и внутренним—диаметру оправки. Патрубок размещают перед заготовкой (рис. 22,а). Толкаемый заготовкой, он заполняет зазор между оправкой и валками и устанавливает оправку на оси заго­товки (рис. 22,б). В дальнейшем передний торец гильзы выталки­вает патрубок, и после окончания процесса прошивки они выда­ются из стана. Гильза поступает на последующую обработку, а патрубок подается повторно на входную сторону прошивного ста­на для укладки перед очередной нагретой заготовкой. Чтобы осу­ществить данное решение (авт. св. № 749467), достаточно спроек­тировать конвейер для участка циркуляции патрубков.

Созданная новая техническая система решает задачу частич­но, уменьшая разностенность переднего конца гильзы.

2. Необходимо создать техническую систему, ко­торая по сечению заго­товки перед прошивкой создавала бы осесимметричный температурный градиент с максимальной температурой в центре. Осесимметричность рас­пределения температуры в этом случае очень важ­на — именно она обеспе­чивает нужный эффект.

Для создания осесимметричного закона рас­пределения любых пара­метров можно применить стандартное решение — придать заготовке вра­щательное движение во­круг ее оси и одновремен­но охлаждать ее поверх­ность.

Синтезируя новое тех­ническое решение, применим матрицу анализа потенциаль­ных изменений свойств элементов технической системы (см. табл. 10). Заполним в колонке Х те ячейки—свойства среды, которые употребим для осуществления идеи решения: теплотех­нические и связанные с ними прочностные (для металла), кине­матические (для вращения заготовки).

В тех же строчках, где отмечены используемые свойства сре­ды, находится информация о возможностях изменения их значений у семи элементов технической системы.

Прочностные свойства среды мы «вкладываем» в заготовку (Э₁), так как именно там они нам нужны для управления движе­нием 0правки. Учтем, что заготовка ограничивает изменения проч­ностных свойств (в этих ячейках колонки Э₁ стоит «0», т е мож­но менять в узких пределах). Нужный интервал значений прочно­стных свойств обеспечивается использованием их взаимосвязи с теплотехническими свойствами. Температурный градиент по сече­нию заготовки и тепловой поток на ее поверхности являются инду­цируемыми: создаются воздействием какого-либо постороннего элемента. Из существующих его могут оказывать элементы Э₅ и Э₇. Из них спрейер (Э₇) наиболее приспособлен, и удобен для подстуживаиия заготовки. Устройство для удержания оправки (Э₅) взаимодействует с оправкой и гильзой, но не со сплошной заготовкой (см. рис 20), и поэтому не может выполнять данную функцию.

Остается передать какому-либо элементу функцию вращения заготовки. Изменять значения частоты вращения и скорости могут многие элементы системы (см. табл. 9), в том числе Э₁, Э₂, Э₃, Э₅, но лишь у валков (Э₃) значение этого свойства не нужно изме­нять, так как оно уже имеется.

Для практического осуществления данного технического реше­ния на практике (рис. 23) нужно лишь несколько усовершенство­вать конструкцию спрейера (задать направление струй воды) и рассчитать расход охладителя. Данное техническое решение за­щищено авт. св. № 521035 со следующей формулой изобретения:

«Способ поперечно-винтовой прошивки, включающий подстуживание поверхности нагретой заготовки и деформацию валками на оправке заготовки, имеющей перепад температуры по сечению, отличающийся тем, что, с целью снижения эксцентричной разностенности гильзы путем обеспечения стабильности перепада темпе­ратуры по сечению заготовки, подстуживание начинают с момента захвата заготовки .валками и осуществляют в процессе ее принуди­тельного вращения».

Промышленные испытания нового способа прошивки заготовки в косовалковом стане подтвердили его эффективность. Гильзы, прокатанные с подстуживанием заготовок, имели эксцентричную разностенность в среднем на 23% ниже, чем гильзы, полученные по обычной технологии.

Рис. 23. Схема прошивки заготовки с осесимметричным подстуживанием ее поверхности (а) и распределение температуры и прочностных свойств металла по сечению заготовки (б): 1—заготовка; 2—валок; 3—оправка; 4—гильза; 5— спрейер.

Задача 3

Необходимо спроектировать линейку, подобрав пористый ма­териал и соединить ее с источником хладоагента (жидкости или газа). Кроме того, нужно выбрать (или создать) такой хладоагент, который при прохождении через пористый материал был бы в одном состоянии (жидком или газообразном), а при выходе на рабочую поверхность линейки переходил в другое агрегатное состояние — становился твердым.

Первая часть идеи решения настолько близка к готовому тех­ническому решению, что требует выполнения самой элементарной конструкторской проработки. Техническое решение (авт. св. № 741983) формулируется так: «Направляющая охлаждаемая ли­нейка трубопрокатного стана, имеющая рабочую часть с профили­рованной наружной поверхностью и нерабочую с каналом для подвода хладоагента к рабочей части, отличающаяся тем, что, с целью повышения износостойкости инструмента путем интенси­фикации его охлаждения, рабочая часть выполнена из пористого материала».

Вторая часть идеи решения требует исследования химических и физико-химических свойств материалов. В результате анализа некоторых литературных источников было найдено одно из ве­ществ, которое удовлетворяло требованиям идеи решения. При­родный газ, значительную долю в котором занимает метан (СН4), при температуре выше 300°С в присутствии катализаторов — же­леза или никеля—разлагается на водород и аморфный углерод (сажу). А сажа и может быть тем самым разделительным слоем среды между линейкой и заготовкой, он устраняет налипание металла на линейку (улучшается качество поверхности изделий) и повышает срок ее службы, а также снижает трение между заго­товкой и линейкой, так как сажа является смазкой.

Рис. 24. Схема подачи газа через пористую линейку (1— валок; 2— корпус линейки; 3— баллон с природным газом; 4— вкладыш из пористого материала; 5 — деформируемая заготовка).

Данное техническое решение (рис. 24) защищено авт. св. № 741983 со следующей формулой изобретения: «Применение при­родного газа в качестве смазки для горячей обработки металла давлением».

Задача 4

Надо создать техническую систему, которая могла бы охла­дить поверхностный слой круглой заготовки, создав температур­ный градиент по его сечению и обеспечив тем самым температуру в слое окалины ниже, а в металле выше точки Кюри, чтобы со­рвать и удалить окалину внешним магнитным полем.

Идея технического решения в таком виде уже настолько кон­кретна, что поддается правовой защите, на нее выдано авт. св. № 582035 со следующей формулой изобретения: «Способ удаления окалины со стальной заготовки, нагретой до температуры выше точки Кюри, отличающийся тем, что с целью повышения эффектив­ности удаления окалины, слой окалины охлаждают до температу­ры ниже точки Кюри и воздействуют на заготовку магнитным полем».

Для создания конструкции устройства, осуществляющего дан­ный способ, необходимо за какими-то элементами закрепить функ­ции охлаждения поверхностного слоя заготовки и создания маг­нитного поля. Следует учесть, что заготовка круглая и для полно­го удаления окалины ей желательно придать вращение.

Наиболее простой вариант решения имеем, добавив к техни­ческой системе, полученной при решении второго варианта задачи 2, электромагнит. Однако анализ показывает, что при этом во­зникают значительные конструктивные трудности, связанные с отводом большого количества окалины из узкой зоны. Кроме того, зона находится под воздействием воды, окалины, высокой темпе­ратуры, ударов и т. д. и насыщена различными ферромагнитными элементами, что усложняет установку электромагнита.

Поэтому наиболее удобным для удаления окалины местом яв­ляется участок транспортирования заготовки от нагревательной печи к прошивному стану.

Рассмотрим еще раз матрицу потенциальных изменений свойств элементов (см. табл. 11) и отметим используемые свойства (функ­ции) среды, проставив в колонке Х знаки «+» в строчках: часто­та вращения, температурный градиент, тепловой поток и напря­женность электромагнитного поля.

Заготовка (Э₁) и слой окалины (Э₂) в данной технической си­стеме — «изделия». Температурный градиент, тепловой поток и напряженность электромагнитного поля в них являются величина­ми индуцированными под влиянием постороннего элемента. Под­дающимся любой переделке будет третий элемент системы — транспортирующее устройство (Э₃), так как значения подавляю­щего большинства его свойств можно изменять в широких пре­делах.

Ранее в состав транспортирующих заготовку устройств входил роликовый конвейер для осевого перемещения заготовки и на­клонный стол для поперечного перемещения (перекатывания) круглой заготовки.

Рис. 25. Устройство для удаления окалины с нагретых цилиндрических заго­товок (1—заготовка; 2—окалина; 3—стол из магнитопроницаемого материала; 4— электромагнит).

Поскольку наклонный стол уже выполняет функцию вращения, то за ним остается закрепить еще две функции: охлаждения по­верхности заготовки и создания магнитного поля. Их он может выполнить после некоторых конструктивных изменений (рис. 25).

Полученное техническое решение (авт. св. № 735354) —устрой­ство для удаления окалины с нагретых цилиндрических загото­вок—состоит из наклонного стола, выполненного из магнитопро­ницаемого материала, под которым размещены электромагниты и по которому стекает охладитель (вода) из сопла, расположенно­го в его верхней части. Вода подстуживает окалину, и она прили­пает под действием магнитного поля к поверхности стола. Во время кратковременных пауз отключения электромагнитов окали­ну смывают водой.