§ 2. ФОНД ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Существующие технические решения являются формой и ре­зультатом воплощения научных идей в конкретные объекты, кон­струкции, процессы, вещества. Но они одновременно и материаль­ная основа развития новой техники, создания изобретений.

Анализ и выделение научной основы технических решений, идей, заложенных в них, позволяют решать по аналогии широкий круг других технических задач.

Фонд технических решений можно рассматривать как фонд конкретных примеров, иллюстрацию применения физических эф­фектов и явлений. Но в то же время существует ряд решений, (включающий так называемые пионерные изобретения), которые сами по себе до такой степени универсальны, выражают научную идею в настолько общей технической форме, что становится воз­можным их непосредственное использование в новых технических задачах, прямое включение в новые технические решения без пред­варительного обобщения.

К таким относятся, например, первое изобретение с применени­ем электрогидравлического эффекта «Способ получения высоких и сверхвысоких давлений» (авт. св. № 105011). Или авт. св. № 70000:

«Способ получения металлов, сплавов и других токопроводящих материалов, отличающийся тем, что, с целью использования при замыкании цепи электродинамических сил для вырывания из электродов порций диспергируемого материала и выбрасывания их в окружающую среду, подлежащие диспергированию материалы включены в качестве электродов в цепь электрического колебатель­ного (разрядного) контура, который настроен так, что он работает в области искрового разряда (нестационарного электрического раз­ряда)». Этим изобретением было положено начало электроискро­вой обработки материалов. К пионерным изобретениям можно отнести и другой вид электроэрозионной обработки—электроимпуль­сную.

Хорошей иллюстрацией решений общетехнического значения, целью которых является выполнение какой-либо обобщенной функ­ции, может служить генератор автоколебаний жидкости (авт. св. № 505444). Суть изобретения состоит в том, что при прохожде­нии жидкости через двухконусную трубку, имеющую суженную часть — горловину, вследствие кавитационных явлений давление в жидкости на выходе из трубки начинает скачкообразно изменяться, пульсировать, превосходя в несколько раз давление на входе. По­дали, например, в трубку воду под давлением 1МПа, а на выходе получили пульсирующую струю с максимальным давлением 3МПа, при этом давление увеличивается «само». Изменяя параметры трубки, углы раскрытия диффузора и конфузора (выходного и вход­ного конуса), давление и расход жидкости, можно регулировать частоту и амплитуду колебаний жидкости. Но такой эффект нужен во многих областях техники — именно поэтому изобретение послу­жило основой для создания ряда новых технических решений, в том числе гидромониторов с пульсирующей струёй воды, устройств для сбива окалины и очистки поверхности изделий и т. д.

Широкое распространение получили различные машины и меха­низмы, использующие универсальное техническое решение — созда­ние воздушной подушки, т. е. области повышенного давления воз­духа между основанием какого-либо предмета или машины и опор­ной поверхностью (например, суда на воздушной подушке), между подвижными и неподвижными элементами механизмов (например, воздушный подшипник) и т. д. В проходных секционных печах для скоростного нагрева потоки горячего газа используют для поддер­жания на газовой подушке, вращения и осевого перемещения на­греваемых труб (авт. св. № 675075).

Интерес представляют многие решения из области оптики. Уже более двадцати лет применяют волоконную оптику для передачи света по оптическим стекловолокнам в труднодоступные для других источников света места, например, в медицине, точном машиностро­ении, приборостроении и т. д.

Еще более простыми светопроводами являются трубы с зеркаль­ной внутренней поверхностью (пластиковая оболочка внутри по­крыта амальгамой). По таким трубам свет можно передавать в лю­бых направлениях па расстояния до 100 метров и более. Если в та­ком световоде-трубопроводе сделать продольную щель с угловым размером около 90°, то он становится удобным светильником. Дан­ное техническое решение стало основой ряда изобретений (авт. св. № 269302, № 468057). Новые светильники могут освещать ярким солнечным светом (или светом от другого источника), передавае­мым по трубам, подземные сооружения, цехи заводов, взрывоопас­ные помещения и т. д.

Универсальную группу, находящую конкретное выражение в технических объектах, образуют решения из области геометрии, которые могут составить фонд «геометрических эффектов». Так, на оригинальном геометрическом решении — листе Мебиуса (односторонняя поверхность) базируется ряд изобретений: бесконечная шлифовальная лента (авт. св. № 236278, № 324137), магнитофон­ные кассеты, самоочищающийся фильтр, электрическое сопротивле­ние с нулевой реактивностью и т. д.

Свойство эллипса менять высоту своей проекции при вращении вокруг центра использовано, например, в капилляре рапидографа (авт. св. № 701841) для изменения ширины вычерчиваемой линии. Этого добиваются поворотом капилляра, имеющего эллиптическое поперечное сечение.

Особое место среди известных технических решений занимают новые материалы, обладающие необычными свойствами (некото­рые указаны в табл. 12). Применение их для изготовления отдель­ных элементов технических систем позволяет этим элементам вы­полнять довольно сложные функции при сравнительной простоте самого решения.

Таблица 12. Свойства некоторых материалов, применяемых при решении технических задач

Наименование материала	Воздействие на материал	Получаемый результат, свойство
Биметаллические материалы	Изменение температуры	Упругая деформация (изгиб, кручение и т. д.), создание внутренних напряжений Повышенная стойкость
Постоянные магниты	Воздействие агрес­сивной среды Одноразовое намаг­ничивание	Притяжение ферромагнит­ных материалов, создание постоянных магнитных полей
Тонкие полупровод­никовые пленки, афинпленки	Освещение	Электрическая поляризация
Материалы с терми­ческой памятью формы («эффектом памяти»)	Пластическая дефор­мация и последующий нагрев	Восстановление первона­чальной формы
Оптическое стекло­волокно	Световой сигнал	Передача светового сигнала по световоду
Магнитострикцион­ные материалы	Периодическое намаг­ничивание Механические коле­бания, упругая де­формация	Механические колебания, периодическое изменение линейных размеров Изменение намагниченности
Люминофоры	Облучение ультрафио­летовыми, инфракрас­ными, рентгеновскими, α, β  или γ-лучами	Испускание видимого света
Пьезокерамические материалы	Механические колеба­ния кристалла Знакопеременное электрическое поле	Знакопеременная электри­ческая поляризация Механические колебания кристалла
Фотохромные ма­териалы	Изменение освещен­ности	Обратимое изменение окраски материала
Коллоидные растворы ферромагнитных ча­стиц, «ферромагнит­ные жидкости»	Магнитное поле	Обратимое изменение вяз­кости, затвердевание
Коллоидные растворы, суспензия диэлектри­ческих частиц в мас­ле	Электрическое поле	Обратимое изменение вяз­кости, затвердевание
Жидкие кристаллы	Электрическое поле, намагничивание, ме­ханические напряже­ния, нагрев	Изменение оптических свойств, поворот плоскости поляризации
«Разбухающие ме­таллы»	Гидрирование, окисле­ние, кристаллизация	Увеличение объема
Сегнетоэлектрические материалы	Нагрев	Изменение диэлектрической проницаемости
Пироэлектрические материалы	Нагрев	Изменение электрической  поляризации
Пирофорные мате­риалы	Удар, трение	Искрение, воспламенение
Композиционные материалы	Различные воздей­ствия на комбинацию исходных материалов	Заданные свойства готовых изделий (легкость, жест­кость, прочность и т. д.)

Например, упругая деформация биметаллических пластинок при нагреве во много раз превышает увеличение их линейных размеров. Изделия из биметаллов (трубы, ленты и т. д.) сочетают в себе по­лезные свойства составляющих их материалов, взаимно компенси­руя недостатки, например, элементы из материала «медь — сталь» обладают высокой химической стойкостью к некоторым агрессив­ным средам, присущей меди, и высокой прочностью, свойственной стали.

Постоянные магниты — привычный материал для многих обла­стей техники, но в последние годы ему удалось придать удивитель­но высокую коэрцитивную силу. Новые постоянные магниты, из­готовленные из магнитоанизотропных порошков, которые содержат сплавы некоторых редкоземельных элементов, могут поднимать груз, в тысячи раз превышающий их собственную массу.

Удивительными свойствами обладают материалы с термической памятью формы или так называемым в металловедении «эффек­том памяти». Изделия из сплавов Ni—Ti (нитинол), Au—Cd, Ti— Co, Ti — Fe в результате нагрева после пластической деформации восстанавливают свою первоначальную форму. «Эффект памяти» проявляется, например, если пластическая деформация сопровож­далась мартенситным превращением.

Если из материала с термической памятью формы изготовить заклепку с двумя шляпками, а затем деформацией с нагревом придать ей вид обычной заклепки с одной шляпкой, то, будучи встав­ленной в отверстие, она сама при изменении температуры приобре­тает первоначальную форму, что позволяет обойтись без операции клепки.

Вот еще один пример. Ленту из нитинола (54—55% Ni, осталь­ное Ti) согнули S-образно в закрытом штампе и, не открывая его, отожгли. Охладили в штампе до температуры чуть ниже 40°С и в другом штампе нагрели, изогнули в обратную сторону, придали г-образную форму) и охладили до комнатной температуры. Лента после такой обработки «запомнила», что выше 60°С ей нужно иметь S-образную форму, а при температуре ниже 40°С обратную ей г-образную форму. При периодическом нагреве и охлаждении такая лента периодически изменяет свою форму. Но в момент сме­ны одной формы на обратную она неминуемо распрямляется, суще­ственно увеличивая расстояние между ее концами. Это явление по­ложили в основу принципа действия нового инструмента ударного действия, например отбойного молотка (авт. св. № 612784).

Такой же материал применяется и для изготовления лепестко­вого подшипника (авт. св. № 658325) со скоростью вращения до 100000 об/мин и выше. Лепестки в горячем состоянии изгибают по форме вала, который будет работать в подшипнике. После охлаж­дения они выпрямляются и при комнатной температуре всегда бу­дут плоскими. В таком виде их закрепляют в корпусе подшипника. Образуя многогранник, в который впишется вал, лепестки контак­тируют с ним только по линии. По мере ускорения вращения вала они от трения разогреваются и после определенной температуры «вспоминают» заданную форму и изгибаются по валу. К этому мо­менту вал уже набрал обороты, при которых начинается подсос воздуха под лепестки. Если бы изогнутые лепестки от вала не отде­ляла прослойка воздуха, то они бы сгорели — так и происходило раньше в подшипниках с лепестками из обычных материалов (ле­пестки сгорали в период, когда вал еще не набрал нужную для подсоса воздуха скорость).

Новые перспективы для создания неразъемных соединений от­крывает применение «разбухающих» металлов и сплавов, сущест­венно увеличивающих свой объем при насыщении водородом (гидрировании), окислении или кристаллизации (объем некоторых возрастает на 20—25%). Такие металлы, как иттрий, титан, цирко­ний, лантан, ниобий и другие, «разбухают» в среде водорода при температурах 300—600°С, а сплавы титан—железо, лантан— никель—при температурах около 100°С и даже при комнатных. Эти свойства и были использованы в новом методе неразъемного соединения (авт. св. № 588080).

Например, в торцах двух втулок одинакового размера (одна из алюминиевого сплава, а другая из хромоникелевой нержавею­щей стали) проточили кольцевые канавки и свободно посадили их на соответствующего размера кольцо из циркония. Затем в тече­ние часа выдержали их в атмосфере водорода при температуре 450°С. В результате получили герметичное соединение с прочно­стью на растяжение почти вдвое большей, чем у литого алюминия. Таким же образом можно соединить трубы из самых различных материалов, металлов, керамики, пластмасс.

Трубы из вольфрама и хромоникелевой стали соединили вна­хлестку с помощью промежуточного кольца из оплава титан—же­лезо (50% Ti, 50% Fe) и после выдержки в течение часа в водород­ной среде при температуре 100°С получили герметичное и прочное соединение.

Удается даже соединить встык листы из графита и алюминия (с прочностью соединения, равной прочности алюминия), поме­стив в прорези в торцах листов пластину из сплава лантан — ни­кель.

Кроме того, например, Nb «разбухает» при окислении и с его помощью можно соединить материалы на открытом воздухе.

С возможностью получать в больших количествах мелкодис­персные материалы появились коллоидные растворы ферромагнит­ных частиц и диэлектрических частиц в жидкостях, которые при воздействии на них электромагнитными полями показали необыч­ные свойства. Например, возьмем ферромагнитные жидкости— мелкодисперсные частицы размером порядка 100 А в масле, ке­росине или воде с концентрацией не менее 10¹⁷ частиц на 1 см³. Такая жидкость, обладая ферромагнитными свойствами, под дей­ствием магнитного поля растекается и принимает форму, диктуе­мую внешним магнитным полем. При повышении напряженности поля увеличивается ее вязкость (даже до степени затвердевания). Эти свойства ферромагнитных жидкостей использованы в ряде технических решений.

Несколько видоизменив подшипни­ковый узел механизма, из магнитной жидкости можно сделать сальник, который сохраняет даже в глубоком вакууме работоспособность при ско­ростях вращения вала до 12000 рад/с при температурах до 120°С и не тре­бует шлифовки посадочных мест на шейках валов (достаточно грубой то­карной обработки). Корпус сальника (рис. 28) выполняют из кольцевого магнита, диаметром намного больше, чем диаметр вала. Его закрывают с двух сторон стальными шайбами так, чтобы зазор между отверстием в шай­бе и проходящим внутри валом со­ставлял 0,05—0,1 мм. После того как в корпус заливают немного магнитной жидкости, шайбы, ставшие полюсами, притягивают ее и не дают вытечь. Обслуживание тако­го сальника сводится к добавке в зазор нескольких капель све­жей магнитной жидкости.

Рис. 28. Схема корпуса саль­ника подшипника: (1— ферро­магнитная жидкость; 2 и 4 — стальные шайбы; 3— кольце­вой постоянный магнит; 5— вращающийся вал).

В устройствах для удержания оправки трубопрокатного стана (авт. св. № 499908, № 553018) ферромагнитная жидкость выпол­няет роль зажима, хватающего хвостовик оправки и твердеющего под действием электромагнитного поля. Она надежно соединяет оправку с механизмом ее перемещения и в то же время имеет спо­собность мгновенно отпустить оправку при отключении электро­магнита.

В других технических решениях (авт. св. № 497489, № 582017) ферромагнитная жидкость используется как элемент устройств для измерения усилий деформации.

Похожими свойствами обладают суспензии и коллоидные раст­воры диэлектрических частиц в масле — при воздействии на них внешнего электрического поля они увеличивают свою вязкость и твердеют. Это их свойство использовано, например, в амортиза­торе транспортного средства (авт. св. № 495467), корпус кото­рого помещен в соленоид, а в качестве рабочей жидкости взята взвесь диэлектрических частиц в толуоле. С увеличением напря­женности электромагнитного поля соленоида изменяется вязкость рабочего тела.

Успехи порошковой металлургии определили широкое исполь­зование различных изделий из пористых материалов, сочетающих прочность сплошных тел и проницаемость сыпучих материалов. Хорошо зарекомендовали себя при эксплуатации в различных ме­ханизмах фильтры из пористых материалов, кольца подшипников, пропитанные антифрикционными материалами и т. д. Например, ленточный антифрикционный материал, пропитанный смесью фто­ропласта и дисульфида молибдена толщиной менее 1 мм, за пол­тора года непрерывной работы изнашивается менее чем на поло­вину. Жидкости и газы, испаряясь с рабочей поверхности элемен­тов из пористого материала, сквозь которые они проходят, интенсивно охлаждают поверхность и весь объем элемента. По аналогии с кожей животных и человека такие материалы называ­ют «потеющими». Это свойство пористых материалов используют для охлаждения и смазки инструмента при обработке металлов давлением (авт. св. № 710684, № 741983, № 698229) и других эле­ментов.

В последние десятилетия как самостоятельная наука успешно развивается бионика (одно из направлений кибернетики), изуча­ющая принципы действия «технических решений» живой природы с целью создания по аналогии новых решений. Девиз специали­стов по бионике: живые прототипы — ключ к новой технике. Для них значительный интерес представляет «патентный фонд» приро­ды, во многом опередившей творческую мысль человека,

Наиболее перспективными направлениями в этой науке являют­ся изучение нервной системы человека и животных, органов чувств, принципов навигации, ориентации, локации и движения, исполь­зуемых животными — результаты таких исследований находят прямое применение при совершенствовании вычислительной тех­ники, разработке новых датчиков и систем обнаружения, движителей и рабочих органов различных машин и т. д. Например, перистальтика, т. е волнообразное сокращение стенок полых трубчатых органов живых организмов (кишок, желудка, мочеточ­ников и пр.), находит продолжение в транспортерах, конвейерах (авт. св. № 589461; пат. США № 2864341), перистальтических на­сосах и т. д. Щупальцы осьминога или хобот слона могут быть прототипом эластичного силового механизма (авт. св. № 625079) с пневмогидравлическим приводом, моделирующего мышцы живот­ных. Возможно, он станет родоначальником принципиально новых строительных, грузоподъемных и транспортных машин.

Полный фонд технических решений, созданных человечеством, огромен, и описание даже наиболее эффективных и оригинальных из них весьма трудоемкий процесс, связанный иногда с анализом миллионов единиц информационных источников.

Но техническое творчество, как систематическая деятельность современного инженера, требует постоянного расширения знаний конкретных решений. Фонд технических решений может быть ис­пользован инженером по различному назначению: при анализе и выборе задач, поиске идей решения, синтезе новых технических объектов, анализе технико-экономической эффективности найден­ного решения по сравнению с известными, прогнозировании раз­вития науки и техники, составлении заявки на изобретение и про­верке его патентоспособности и т. д.

В изобретательской практике хорошо зарекомендовали себя личные фонды технических решений, картотеки патентов, научно-технических статей и монографий. Создание и постоянное попол­нение картотеки—это систематический труд по анализу многих источников информации. К наиболее универсальным и доступным каждому, на наш взгляд, источникам можно отнести реферативные журналы и бюллетень изобретений, реферативное издание «Изо­бретения за рубежом», а также научно-популярные журналы «Изобретатель и рационализатор», «Техника и наука» и др. Само­стоятельное пополнение фонда—эффективный путь повышения творческого потенциала и квалификации научно-технического ра­ботника.