<<
>>

ПРОФЕССИИ СПИРАЛИ

Древний человек жил среди природы и присматривался к ее проявлениям, прежде всего к тем, что наиболее активно ему противостояли — к пляшущим языкам лесного пожара, закручивающемуся смерчу, водовороту — и видел в этих явлениях нечто общее: вихрь, спираль, которая, оказывается, есть и в расположении лепест

ков ромашки, в полете крылатки клена, в строении раковины улитки, паутины и даже собственного уха...

Археологи отмечают изображение спирали уже в неолите (6000— 2000 лет до н. э.) практически у всех народов. Вопреки распространенному мнению, можно утверждать, что гений Архимеда Сиракузского (около 287—212 гг. до н. э.) лишь доказал ряд теорем, связанных с определенным видом спиралей, нашел их применение для водяных насосов, для приведения в движение механизмов, подытоживая тысячелетний опыт в этой области, но никак не открывая спираль впервые.

Ныне спирали и винтовые линии — самые патентуемые из всех классических геомформ.

В своем труде «О спиралях» Архимед так определил спираль, ныне носящую его имя: «... если какая-нибудь прямая в плоскости равномерно вращается вокруг одного своего конца, удерживаемого неподвижным, вернется опять в исходное положение, и одновременно по вращающейся прямой равномерно движется некоторая точка, выходя из неподвижного конца, то эта точка на упомянутой плоскости опишет спираль» (фиг. 5.1). С незначительными терминологическими изменениями определение спирали Архимеда дошло до наших дней. Вот уравнение спирали Архимеда в полярной системе координат: Q=alt;p, где a — постоянная.

Отметим, что одинаковые по величине, но противоположные по знаку углам lt;р соответствуют равные, но также противоположные по знаку q, а следовательно, в общем случае каждая спираль состоит из двух ветвей, одна из которых разворачивается по часовой стрелке, а другая — против. Ознакомимся вкратце с некоторыми замечательными свойствами спирали Архимеда.

Расстояние между двумя последовательными витками спирали Архимеда является величиной постоянной и равной 2ал. Существует строгое доказательство, однако этот факт легко заметить, глядя

на торец рулона бумаги или иного листового материала. В частности, это свойство спирали используется в самоцентрирующихся патронах и близких им устройствах.

Кулачок, выполненный по форме спирали Архимеда, позволяет преобразовывать равномерное вращательное движение в равномерное возвратно-поступательное движение, ибо величина радиус- вектора этой спирали пропорциональна углу поворота (фиг. 5.2). Это же свойство позволяет при помощи только циркуля и линейки делить произвольный угол ABC на N равных частей (фиг. 5.3). Для этого прямую АВ делят на N равных частей, Делают циркулем соответствующие засечки на отрезке дуги спирали Архимеда и, проводя из вершины угла ABC лучи в точки пересечения засечек с дугой спирали, получают искомое деление. Логарифмическая спираль образуется при равномерном вращении радиус-вектора, по которому движется точка, причем ее перемещение пропорционально удалению от начала координат (фиг. 5.4). Уравнение логарифмической спирали в полярной системе координат: Q=Qoalt;p, где а — постоянная. Если а;gt;1, то спираль развертывается в направлении против часовой стрелки, если меньше — то по направлению часовой стрелки.

alt="" />Угол, заключенный между касательной в любой точке и ра- диус-ёектором, проведенным в точку касания, есть величина постоянная для каждой логарифмической спирали и равная

пендикуляров, опущенных из полюса на касательные к логарифмической спирали.

Эта способность логарифмической спирали оставаться неизменной при самых различных преобразованиях настолько поразила изучавшего ее Якоба Бернулли, что он назвал ее Spira mirabilis (чудесная спираль) и завещал изобразить эту спираль на своем надгробии вместе с надписью: Eatem mutata, resurgo (преобразованная, возрождаюсь вновь). Но по иронии судьбы на надгробии изобразили спираль Архимеда.

Рассмотренные спирали наиболее часто встречаются в технике. Другие виды спиралей и их свойства подробно рассмотрены в книге [6]. Винтовая линия постоянного шага образуется при навора- чивании плоскости с нанесенной на ней кривой АСВ на круговой цилиндр (фиг. 5.6). Такие линии применяются в винтовых конвейерах, шнеках, червячных прессах для плавного изменения шага по длине винта.

Соответственно винтовая поверхность и винтовое тело образуются путем перемещения линии или тела как вокруг некой оси, так и вдоль нее.

А теперь мы можем приступить к знакомству с малоизвестными применениями спиральных форм. Задача полной автоматизации изготовления и сборки таких изделий, как корпус судна, автомобиля, реакторной колонны, даже не ставится в изобретательских темниках. Это и понятно. Различные детали будущего корпуса нужно изготовить (а это уже целый комплекс проблем), подать в сборочный цех, взаимно сориентировать, подогнать друг к другу и, наконец, скрепить. На сегодняшний день даже самый совершенный робот просто запутается в опознавании и взаимной ориентации исходных элементов, не говоря уже об остальных технологических операциях. Поэтому сборку традиционно ведут вручную высококвалифицированные рабочие.

И все же альтернатива для автоматизации есть. Что важно для любой автоматизированной системы, работающей не в лабораторных условиях, а на конкретном производстве? Максимальная простота, единообразие изделий, с которыми она оперирует. В пределе — вообще обрабатывать одну-единственную заготовку, из которой и получать всю гамму необходимых изделий... Разве такое возможно? Да, если речь идет об изготовлении деталей методом намотки.

Скажем, по а. с. 644658 корпус автобуса или иного транспортного средства предложено получать крестообразной намоткой синтетических жгутов, предварительно пропитанных синтетическими смолами, а для придания конструкции жесткости между слоями закладывать металлическую арматуру. Если теперь сравнить две технологии — традиционную и описанную только что, видно, что процесс намотки несравненно легче автоматизировать и поручить машине.

Существует мнение, что процесс намотки (т. е. получение сложной пространственной спирали) впервые встречается в истории техники как промежуточная станция накопления и хранения материала при прядении и ткачестве. Видимо, этот технологический прием обладает большими возможностями, ибо в истории техники он неоднократно переизобретался. Показательна в этом отношении история развития сборных металлических резервуаров для нефти и тому подобных продуктов. В 1878 г. по проекту выдающегося инженера В. Г. Шухова был склепан и установлен первый цилиндрический резервуар в нашей стране. Шло время. Клепку постепенно стала вытеснять более технологичная сварка. В 1939 г. в СССР был построен первый резервуар емкостью 1000 м3. В дальнейшем, стремясь экономить время, монтажники стали собирать резервуары из более укрупненных блоков. Если устремить эту тенденцию к пределу, то естественно предположить, что должна прийти пора, когда резервуары станут изготавливать всего из нескольких или даже одного блока. Так и случилось. Но как перевезти такой блок к месту строительства? Инженер М. И. Бейлин предложил в заводских условиях изготавливать всю боковую поверхность, дно и крышу в виде полотнищ из листовой стали. Затем полотнища сворачивают в рулон и в таком виде переправляют на место установки резервуара (а. с. 71464). Здесь рулоны разворачивают и сваривают друг с другом. Общие затраты на монтаж такого резервуара исчисляются днями, а не месяцами, как это было раньше. Употребляют намотку лент и для создания «младших братьев» резервуаров — сосудов высокого давления.

Приведенные решения построены на едином принципе: получение правильных оболочек (впрочем, возможно изготовление и сплошных тел) путем намотки полотнищ, лент, проволоки. Неудивительно, что этот простой и эффективный способ со временем вышел за рамки только машиностроительного применения. Так, по а. с. 203924 (автор — А. П. Лукашина) предложено изготовлять головные уборы путем навивки на основание одноцветных или многоцветных шнуров диаметром 6—8 мм, которые затем сшивают меж собой в произвольных местах. Заметим, что в отличие от вязаных, такие шапки можно получать буквально за несколько минут, причем из одного шнура — различные типоразмеры...

Есть у этого изобретения и природный аналог — насекомые богомолы вьют весь кокон из одного-единственного «шнура» — клейкой жидкости, твердеющей на воздухе.

Мы еще не раз встретимся с тем, что из сравниваемых технических решений лучшим будет то, в котором при прочих равных условиях желаемая цель достигается главным образом с помощью геометрической формы, а не за счет экзотических физических эффектов. Примером увеличения производительности при

помощи намотки может служить такой: чтобы не укладывать каждую ампулу с лекарством в коробку вручную, авторы изобретения по а. с. 251763 считают возможным заменить коробки всех типоразмеров кассетой в виде спирали из ленты L-образного сечения — т. е. ввести простейшую связь между ампулами — геометрическую. Сворачиваясь, лента будет надежно удерживать ампулы между своими витками. Кстати, если это необходимо, ленту можно навивать и в виде прямоугольника и вставлять в стандартную тару.

Уже указывалось, что технология получения всего из одной заготовки целой гаммы деталей методом намотки постепенно вышла за рамки машиностроения и распространилась на другие области. В то же время таких «выходов» не так уж много — максимум несколько десятков за последние 20 лет. А жаль — возможности намотки гораздо шире. Подтвердим это еще примерами.

Как обычно создаются пористые тела? Путем образования пор в сплошном теле.

Вспомним обо всех рассмотренных решениях: от изготовления целого из отдельных разнородных элементов к изготовлению этого целого всего из одного качественного однородного элемента... А их у нас всего два: поры и ограничивающие их стенки. Навивать поры? Вряд ли такое возможно. Навивать стенки? Пожалуй, да — основная идея изобретения по а. с. 874248— получение пористого тела произвольной формы путем намотки проволоки с предварительно завязанными на ней узлами. А если эта проволока — легкорастворимая нить, а узлы — частицы абразива? Тогда это способ получения семейства абразивных инструментов (а. с. 680869).


Изготовление тел при помощи намотки обладает еще одним преимуществом: нити или ленты можно уже при формировании изделия укладывать по направлению главных механических напряжений в соответствии с картиной распределения усилий. Характерный пример — а. с. 179558. Этим авторским свидетельством защищен способ изготовления сепаратора шарикоподшипника из текстолита. Вместо прежнего высверливания отверстий под шарики, что приводило к разрыву отдельных нитей и уменьшало прочность всей конструкции, прёдложено навивать сепаратор из волокон, пропитанных искусственными смолами, как показано на фиг. 5.7.

Может возникнуть вопрос: почему намотку, как правило, производят нитями или лентами? Ответ заключается не только в том, что с такими формами легче обращаться, чем, например, с листовым материалом. Материаловеды давно заметили, что если взять металлический слиток, разделить его пополам, а затем одну половину прокатать до толстого листа, а другую выкатать до тонкого, то удельные характеристики второго будут значительно выше. Если теперь навить из него трубу, то она сохранит его преимущества — высокую прочность и пластичность (а. с. 85276). Кроме того, над многослойными конструкциями не висит угроза лавинообразного, хрупкого разрушения — трещина просто «застревает» между отдельными слоями материала.

Переход от монолитных конструкций к витым позволил более полно использовать свойства исходного материала, но в то же время современной технологии не удается получать высокопрочные материалы, механические напряжения которых близки к расчетным. Главная причина снижения допускаемых напряжений в сотни раз — «засоренность» реальных конструкционных материалов большим количеством разнообразных дефектов. Пока удается получать лишь «усы» (виксеры) — тонкие нитевидные бездефектные кристаллы, допускаемые напряжения в которых на порядок выше, чем у лучших конструкционных материалов. Например, армирование сверла с алмазоносным режущим слоем нитевидными кристаллами карбида кремния увеличивает его стойкость в четыре раза (а. с. 768649).

Подобным образом часто удается разрешить противоречие: деталь нельзя изготовить целиком (например, прочной, вязкой...) и надо изготовить. Под такое противоречие подпадает и решение, изложенное в описании а. с. 214960: часто трудно намагнитить монолитную деталь. В таком случае проще не искать мощный электромагнит, а намагнитить, что значительно проще, ленту, из которой и намотать деталь.

С практической точки зрения читателю будет интересно познакомиться с усилением и общеизвестных материалов. Ознакомимся с изобретением по а. с. 462627, где предлагается при изготовлении напряженных изделий методом намотки из ленты подвергать внешнюю поверхность ленты пластическому деформированию дробеструйной обработкой — внешний слой ленты при этом удлиняется и создает постоянный изгибающий момент, направленный на сворачивание ленты, в результате чего образуется дополнительный натяг в каждом витке. Это позволяет оболочке эффективнее противостоять внутренним, распирающим ее усилиям. Любопытно отметить, что с проявлением данного принципа — использования различия в свойствах слоев материала — сталкивался каждый читатель. Это — перекрученный по спирали телефонный провод. Основой для его изготовления послужило а. с. 143852, полученное работниками

ВЭФа. После намотки на оправку провода с одновременным скручиванием относительно продольной оси его внешний слой нагревают до температуры, близкой к температуре размягчения пластмассовой изоляции. Каждый может убедиться, что провод долго сохраняет свою форму и послушно возвращается к ней после снятия нагрузки. Последние примеры относились к усилению традиционной намотки. А не появилось ли за последние годы что-то новое в самом процессе намотки?

чщяь

/// / /у'

V"

Фиг. 5.8

Познакомимся с несколькими примерами. Первый из них —

а.              с. 846004: «Способ изготовления выпуклых изделий». Дело в том, что если протяженные тела типа труб, баллонов, цилиндров получать, как мы видели, методом намотки просто, то при изготовлении конических крышек с углом раскрытия больше 90° нить или лента соскакивают с такого тела. Поэтому, даже если сам корпус можно изготовить технологической намоткой, то крышки к нему приходится собирать по-прежнему из отдельных деталей. Изобретатель

А.              Д. Швабе предлагает вырезать заготовку из плоского листа по развертывающейся спирали Архимеда — фиг. 5.8. Закрепив заготовку в полюсной части (точкаЛ), начинают навивать спираль по контуру болванки так, чтобы кромки двух соседних витков были плотно пригнаны, после чего их скрепляют любым известным способом (для получения более прочной крышки навивку можно производить несколькими спиралями, например, правой и левой навивок послойно) .

С последним приведенным изобретением перекликаются изобретения по а. с. 566567 и 1092105—для быстрого надевания оболочки на цилиндрический предмет, будь то вена или контейнер, тоже используют оболочку, рассеченную по винтовой линии (фиг. 5.9).

Другой обещанный пример — а. с. 207754: «Способ изготовления корпусов мелких судов методом намотки». В чем суть проблемы? Никак не удавалось получить натяг нити во впадинах — ведь суда имеют явно выраженный киль. Но эта задача была решена. Чтобы читатель мог яснее представить суть решения, вспомним, как штопают одежду: ее и саму штопку натягивают на выпуклую поверхность. Неизвестно, чем руководствовались авторы рассматриваемого изобретения, но их решение в существенных чертах напоминает этот древний процесс. На болванки будущих корпусов /(фиг. 5.10), сложенных вместе по линии палубы, накладывают четыре эластичных мешка 2, куда нагнетают воздух. Далее, как обычно, производят намотку поверх образовавшейся поверхности. По окончании намотки воздух из мешков стравливают и полученную поверхность вдавливают в нужное положение. Образовавшийся «кокон» разрезают

связь — геометрическая. Действительно, по а. с. 305363 добавки предварительно наносят в соответствии с графиком подачи на ленту или (в случае нескольких различных добавок) на несколько различных лент, сложенных в пакет. Сами ленты можно изготовить из беззольной бумаги и сжигать ее при попадании в зону испытаний.

Поучительно, что в последующие годы были выданы а. с. 550930, 642101, 662183, 860220 и другие, использующие этот принцип в ряде отраслей техники. Убедиться в этом читатель может самостоятельно. Как можно защитить от стружки, пыли, окалины такие подвижные элементы, как шток цилиндра и винтовую пару?

Справочные руководства рекомендуют применять или телескопические кожухи или сильфоны. Но первые сложны в изготовлении (надо подобрать трубки близких диаметров, спрессовать их концы, собрать), а вторые, кроме того, просто не могут обеспечить рабочие ходы того же штока цилиндра, в несколько раз превышающие размеры самого сильфона...

Сформулирована очередная задача. Но прежде чем рассказать

о              ее решении, вспомним о гибком портновском сантиметре. Если его скрутить в спиральную катушку, а затем вытянуть вверх (или вниз) внутренний центральный виток, то получится довольно длинная и жесткая телескопическая трубка, свитая из витков катушки. Один виток перекрывает другой — зазоров нет. При этом конструкция предельно технологична — моток ленты и никаких затрат технологического порядка. По а. с. 371393 и 649830 эту конструкцию предлагается использовать для защитных кожухов. А чтобы витки 1 не могли соскочить друг с друга, вдоль длинных кромок ленты закрепляются упоры 4, как показано на фиг. 5.11. При экспериментировании с этими устройствами изобретателем Л. И. Рабиновичем было замечено, что при значительных ходах между витками телеско- пируемой ленты образуются радиальные зазоры, что недопустимо для защитного кожуха. Как их избежать? Очень просто: достаточно немного подкручивать крайние витки 2 и 3 ленточной спирали навстречу друг другу (а. с. 413321, 512300). В дальнейшем для более гарантированного перекрытия образующихся при растяжении спиралей было предложено использовать две установленные одна внутри другой телескопируемые спирали, а поскольку наиболее вероятно появление щелей в области витков меньшего диаметра, то спирали установлены своими верхушками навстречу друг другу (а. с. 561653). Если же необходимо обеспечить герметичность кожуха при сохранении его жесткости, то внутрь его, считает изобретатель Ю. В. Баландин, можно поместить упругий элемент, например, из резины (а. с. 945580). Группа только что рассмотренных изобретений имела своей целью перекрыть все возможные зазоры и щели. Но часто как раз и требуется получать регулируемые отверстия и щели, что при по

мощи ленточных конструкций легко достижимо. В изобретении по а. с. 203139 «Газовый эжектор» легко регулируемые скручиванием зазоры между витками нужны для подачи через них воздуха высокого давления, который разгоняет воздух низкого давления, движущийся по оси скрученной ленты. А в изобретениях по а. с. 941728 и 1084043 для получения соответственно газостатической опоры и фильтра предложено вместо капиллярно-пористых материалов воспользоваться мотком ленты с зазором между витками — фиг. 5.12.

J

Фиг. 5.14

Описывая борьбу с зазорами, а в другом случае использование их, мы оставили в тени свойство ленточных конструкций в десятки и сотни раз увеличивать свои линейные размеры. Так, по патенту США № 3451182 предлагается сооружать телебашни, антенны, мачты и тому подобные сооружения путем вытягивания ленты из спирально уложенной катушки. Но чтобы вытянуть ленту на большую высоту, нужен кран, по крайней мере, на несколько метров выше сооружаемой мачты. Простота и экономичность самой конструкции в итоге «съедается» стоимостью перевозки и монтажа крана... Выход был найден в советском изобретении по а. с. 536308: на первом поднимаемом витке (фиг. 5.13) выполняется косой срез, тележка, упираясь своей вершиной в косой срез и оставаясь на земле, начинает движение по окружности. По мере движения виток начинает подниматься. В поднятом состоянии он закрепляется любым из известных способов, например сваркой. Все последующие витки также будут развиваться по винтовой линии, поэтому тележка, последовательно объезжая виток за витком, постепенно выдвинет ту же башню, что и высотный кран.

Есть еще один способ регулировки линейных размеров при помощи рассматриваемой конструкции: перемещая относительно друг друга витки, можно регулировать толщину покрытия.— фиг. 5.14 (а. с. 1211563).

Подведем итог. Если мы можем эффективно регулировать линейные размеры, следовательно, таким же образом можно управлять

величиной поверхности, объемом и сводимыми к ним параметрами. Для склейки деталей в виде тел вращения их необходимо сжать, желательно в каждой точке. А. с. 413057 защищена идея спрессовки такой детали, как пятка вентиля, телескопируемой лентой— фиг. 5.15. На этом же свойстве — получение профиля и антипрофиля правильных тел — основаны изобретения по а. с. 81797, 295644 и 580969, где описаны электроды для электрохимической обработки. Несколько иное назначение отводится этой конструкции в а. с. 700238 «Штамп глубокой вытяжки». Чтобы произвести вытяжку, надо постоянно «подтягивать» новые порции металла с периферии штампуемого листа к центру, для чего можно прибегнуть к упругому элементу в виде конической спирали с витками, наложенными один на другой (фиг. 5.16). Пружину приводят в колебательное движение — в моменты соприкосновения с листом благодаря силам трения боковая поверхность витков аккуратно подтягивает материал к оси пуансона.

лается это так. Фильтр изготавливают в виде спирально уложенной ленты с рядом отверстий, при этом один конец ленты закрепляется на корпусе 1 насоса, а другой — на подпружиненной относительно корпуса втулке 3 (фиг. 5.18). Вся конструкция в сборе помещается в объем жидкости, который необходимо перекачать. В начале работы отверстия почти перекрыты смежными витками 2. По мере загрязнения фильтра перепад давления увеличивается и, преодолевая сопротивление пружины 4У лента складывается так, что отверстия каждого витка становятся друг против друга. При «складывании» осевшие загрязнения механически очищаются, а проницаемость фильтра увеличивается — перепад давлений исчезает, и он вновь возвращается в исходное положение. Так происходит периодическая самоочист- ка входного устройства насоса.

Заканчивая пункты Указателя ГЭ, посвященные ленточным спиральным конструкциям, еще раз подчеркнем их преимущество перед известными телескопическими конструкциями — простоту и универсальность. При использовании для одних и тех же целей лента, навитая в рулон, выполняет минимум две функции: во-первых, увеличивает длину, ширину и т. д., во-вторых, служит болванкой для последующих витков. Жаль, что изобретатели прибегают к подобным конструкциям сравнительно редко — несколько изобретений на каждые 100000. Вот пример. Патент СССР № 583773, выданный в 1978 г. японскому изобретателю X. Нака. В описании к патенту рассказывается о конструкции переходного устройства для эвакуации людей при пожаре, выполненного как система входящих один в другой кольцевых элементов. Не упоминая об альтернативной реализации той же функции (см. п. 5.8), японский изобретатель существенно сузил свои права и лишил себя возможности реализовать заявляемую конструкцию наиболее технологичным способом, всего из одной детали — ленты, навитой в рулон.

Редкое применение ленточной спирали, вероятно, способствовало и «неразвитию» самой формы. Лишь в 1986 г. появилось изоб

ретение по а. с. 1236241, где внутренние витки навиты по форме произвольного правильного многоугольника — фиг. 5.19. Вращая внутренние витки, можно получить конструкцию, увеличивающую свой диаметр вдвое и более при сохранении радикальной жесткости. Для получения неточных соединений типа «вал-втулка» важна величина зазора между деталями. Чуть больше или чуть меньше — и детали уже будет не сопрячь или же они будут свободно ходить относительно друг друга. Противоречие: необходимо изменить диаметр детали и в соединении отсутствует регулируемый элемент, значит, его надо ввести. В описании изобретения по

а.              с. 558112 рассказывается, как это сделать. На охватываемой детали 1 закрепляется конец гибкой ленты 2, проходящей через щелевое отверстие во втулке 3— фиг. 5.20. При вращении вала лента 2, проходя через щель, наматывается на вал. Величина зазора здесь особого значения не имеет — ее легко скомпенсировать намоткой.

Приведенное решение является, так сказать, переходным от конструкций статических к конструкциям динамическим, управляемым, в частности, путем эффектов перемотки. Характерный пример— а. с. 717447 «Шаговый привод» (фиг. 5.21). При вращении бобины 1 лента 2 наматывается (или сматывается) на нее. В те моменты, когда начало каждой ступени, выполненное на ленте 2, оказывается на радиусе бобины /, направленном в точку контакта с ведомым звеном 3, происходит мгновенное изменение расстояния между осью бобины 1 и звеном на толщину очередной ступеньки б, и оно совершает шаговые перемещения по заданному закону. Понятно, что в подобных конструкциях диаметр можно регулировать с точностью до толщины ленты, а она может варьировать от десятков до долей миллиметра.

Рассмотренное свойство наматываемой ленты было использовано авторами изобретения по а. с. 461051 «Домкрат» (фиг. 5.22). Его устройство понятно из рисунка: наматывая ленту на рабочий орган,

мы увеличиваем его диаметр и тем самым перемещаем выдвижной шток.

Последняя пара примеров выбрана автором из патентного фонда по принципу: плавное или ступенчатое регулирование диаметра детали. Но раз можно регулировать диаметр, значит, такие конструкции смогут пригодиться и для управления линейными размерами... В качестве примера познакомимся с а. с. 350089 «Перестраивающийся резонатор». До этого изобретения, а оно было сделано в 1972 г., перестройку волнового резонатора производили так: отключали питание, разбирали конструкцию, вкладывали внутрь волновода диэлектрический вкладыш определенных размеров, собирали вновь. Смотрели — на расчетную частоту получился резонатор или нет. Оказалось, что эту же цель можно достичь более простыми средствами, если сделать вкладыш в виде диэлектрической ленты, наматываемой через узкую щель в стенке волновода — фиг. 5.23.

alt="" />

Другой пример для реализации той же функции — регулирования линейных размеров — встретился в описании изобретения по

а.              с. 1059336 «Устройство для передачи поступательного движения в герметичный объем». Предварим рассказ об этом изобретении таким замечанием. Ясно, что для передачи значительных поступательных перемещений устройство должно быть «большим», а при хранении — «малым». Итак, противоречие:              «большое              —              малое».

Здесь оно было разрешено несколько другим способом, чем указывается в п. 5.12: ведущее звено 2, как показано на фиг. 5.24, изготовлено из замкнутой двухсторонней оболочки, находящейся в скрученном состоянии, а при подаче давления во внутренние полости оно распрямляется и перемещает подпружиненное ведомое звено 1 (при снятии давления система возвращается в исходное положение под действием пружины 3).

Закономерен вопрос: если путем перемотки легко регулировать линейные размеры, то нельзя ли так регулировать площадь? Можно. Тому подтверждение — а. с. 733041 «Регулируемый электрический конденсатор». Цель изобретения — регулирование емкости конденсатора с точностью до долей процента от действующей емкости — задача, прежде механическими средствами не решаемая. Какими простыми средствами цель была достигнута, понятно из фиг. 5.25.

1

шшш

Ч-»

I

Фиг. 5.25

А в насосе Подойнициных по а. с. 437845 с целью упрощения конструкции устройство для изменения объема выполнено в виде перематываемых рулонов ленты — фиг. 5.26.

С изменением длины, площади, объема неизбежно связано и изменение, а значит, и возможность регулировки других физических параметров — массы, моментов инерции (а. с. 727246), емкости и других. Так, в а. с. 907400, выданном в 1982 г., для повышения точности установки уравновешивающего момента на весах используется перемотка.

Поскольку при перемотке происходит плавное изменение диаметра каждой из бобин, это ведет к изменению передаточного отношения между ними. Изобретатель Н. В. Гулиа стал использовать этот эффект для создания маховиков, воспринимающих кинетическую энергию механизма при его торможении и отдающих ее при разгоне (а. с. 180029, 229152, 239720). Например, если упругая лента, развивающая постоянную силу, накручена на два барабана, то она пере- мотается "на меньший барабан и будет действовать как двигатель с постоянным вращающим моментом. Энергию от нескольких двигателей (или маховиков) просто суммировать, соединив их с одним

барабаном, как показано на фиг. 5.27. С подробностями таких конструкций можно ознакомиться по а. с. 538329, 670741              [3].

Важно отметить, что в витых маховиках происходит самостра- ховка от разрыва конструкции при пиковых нагрузках: лента наматывается в направлении вращения, а последний виток заранее выполняется с местным ослаблением. Тогда при превышении расчетной скорости маховик разрушается безопасно, без осколков, и всту-


пает в активное трение с кожухом — скорость вращения падает (а. с. 200359, 353086, 440514). Продуть по трубе вместе с воздухом сыпучий груз — не так уж сложно. А вот отделить воздух от самого сыпучего груза на выходе из устройства — проблема. Обычно применяемые здесь тканевые фильтры быстро засоряются, так что ни встряхиванием, ни продувкой их не очистить. Иначе: поверхность должна быть чистой для фильтрации, и поверхность не может быть чистой, ибо засорена... Как разрешить противоречие? «Единственный способ придать ограниченному свойство бесконечного — это заставить его вращаться по замкнутой кривой»,— писал академик В. Р. Вильямс. Так и была решена задача — изобретатель О. И. Жолондковский предложил сделать фильтр постоянно перематывающимся, при этом сама фильтрующая нить проходит через щетки, снимающие осевший материал — фиг. 5.28 (а. с. 548513).

В другой области техники решили похожую задачу, и не удивительно, что полученное решение напоминает рассмотренное. Вот эта задача: необходимо очищать от масла, налипших опилок поверхность проволоки. Раньше это делали протиром, но он быстро засорялся и терял свои очистительные свойства. Если же взять волокнистый материал в виде шнура, обвить им по спирали проволоку и начать их перемещать во взаимно перпендикулярных направлениях, то протир все время будет оставаться чистым (а. с. 641505).

Как читатель мог убедиться, независимо друг от друга изобретатели прибегали к эффектам перемотки в самых различных отраслях техники. Но в большинстве случаев они недалеко ушли от первого исторического аналога — перемотки полотна в рулон. Остались не- задействованными физические эффекты, приемы устранения технических противоречий, стандарты, которые могли бы сделать рассмотренные решения более сильными.

Приведем такой пример. При навивке ленты на вал витки накладываются друг на друга и суммируют свои толщины, увеличивая тем самым характерный линейный размер с точностью до толщины ленты. А нельзя ли получить более тонкую регулировку линейных размеров, вплоть до десятых долей толщины ленты путем «вычитания» толщины слоев друг из друга? Такая конструкция могла бы быть полезна в различных отраслях техники. Забавно выглядят белки, когда гонятся друг за другом, по дереву — они бегут по винтовой линии. Почему? Наверное, потому, что кратчайший путь на цилиндре пролегает именно по ней. В этом легко убедиться самому: достаточно разрезать цилиндр по образующей и разложить на плоскости как карту. Тогда кратчайший путь между любыми двумя точками будет идти по прямой, а эта прямая при свертывании всей поверхности в цилиндр перейдет в винтовую линию. Эта линия обладает тем замечательным свойством, что, имея одинаковую протяженность с отрезком прямой, может «вписаться» в значительно меньший объем. Спираль, винтовая линия — это всегда экономия пространства. Диаметр свернутой раковины моллюска пахидикуса равен 40 см, но если раковину развернуть и выпрямить, то его длина достигнет 13 м [14].

Другой пример. Классический лесосплавный лоток через плотину выполняется в виде горки, но в этом случае он занимает неоправданно много места. Следующая стадия — лоток сделан винтовым (а. с. 712349), а чтобы еще эффективнее использовать его габаритные размеры, по а. с. 981163 предложено каждый виток выполнять в плане в виде восьмерки — фиг. 5.29.

Еще один способ увеличить протяженность объекта при заданных габаритах — использование совмещенных объемов. Суть изобретения по а. с. 701675 «Насадка для тепло- и массообменных аппаратов» ясна из фиг. 5.30.

В большинстве формул изобретений, рассмотренных в данном параграфе, после стандартной формулировки «отличается тем, что, с целью...» стоят слова: «для увеличения компактности», «для сокращения габаритов». Образно выражаясь, авторы изобретения по

а.              с. 177946 увеличили компактность дважды: при изготовлении линии задержки они рекомендуют изготовить ее по форме винтовой линии, а потом еще раз навить по винтовой линии, но уже в другом направлении. Эта форма носит название би-спираль — фиг. 5.31. Электронагреватель по а. с. 253961 для увеличения отдаваемой мощности при неизменных габаритах выполнен также в виде би-спирали. А по заявке Франции № 2465312 тело накала лампы предложено изготавливать как три-спираль!

Задача: возможно ли изготовление пространственной, одним движением извлекаемой из ножен сабли?

Задача, понятно, условна — никому такая сабля не нужна. Тут дело в другом. Правильная винтовая линия — единственная пространственная кривая постоянной кривизны. Этим объясняется то, почему мечи, вкладываемые в ножны, можно изготовлять только в форме правильной винтовой линии или, что более привычно, в форме ее частных случаев, которыми являются дуга окружности и отрезок прямой. Иначе: винтовая поверхность может перемещаться сама по себе без изменения формы.

А вот практическое применение упомянутого свойства —

а.              с. 499393 «Способ возведения многоэтажных сооружений». Стро

ительство такого сооружения может вестись без привычного и таких делах высотного крана. Этажи предложено делать по винтовой линии — если теперь непосредственно на фундаменте собирать элементы конструкций, то их можно затаскивать наверх обычной лебедкой по виткам уже отстроенных этажей (интересная параллель — по одной из легенд Вавилонская башня тоже строилась на основе винтовой линии; используя башню, люди задумали добраться до убежища бога на небесах).

w \Ч:ЧЧЧЧЧЧЧЧЧ\Ч\ЧЧЧЧЧУ\?

(•Y

Для изобретателя, инженера должен быть интересен тот факт, что, используя две и более спиралей, можно менять длину и площадь их взаимного перекрытия. Нетехнический пример: две разноцветные спирали, соединенные, как показано на фиг. 5.32, позволяют показывать простой фокус — при ввинчивании или развинчивании цвет жезла фокусника меняется. А вот технические примеры:              по

а.              с. 255376 и 375474 предложено менять емкость и индуктивность, перемещая спиральные обкладки относительно друг друга. Быть гибким и одновременно прочным, допускать перемещения, соизмеримые со своими размерами, должны электрические контакты. Чтобы этого добиться, контактную площадку вырубали из листового металла. Чем тоньше перешейки, тем гибче контакт, больше его ход. В то же время, особенно при частых перемещениях «вверх-вниз», перешейки ломаются. Явное противоречие. Перешейки, держащие контактную площадку, должны быть как можно длиннее, чтобы на каждое сочетание приходилась как можно меньшая деформация, и контакты, особенно приборные, должны быть невелики... Разрешение сформулированного противоречия можно найти в описании патента СССР № 609490: перешейки выполняются из плоской спирали, как показано на фиг. 5.33.

Познакомимся с а. с. 297910 «Устройство для определения прочности полимерных покрытий и пленок» методом изгиба относительно оправки. Суть подобных испытаний заключается в определении минимального радиуса кривизны, при котором происходит растрескивание. Для этого требовались несколько цилиндров разных радиусов. Но не проще ли выполнить всего одну испытательную поверхность,

имеющую на всем протяжении переменный радиус кривизны, например в виде спирали Архимеда?

Следующие изобретения — пример использования переменного радиуса кривизны в динамике.

Если в полую криволинейную трубку подать давление, она распрямится, при сбросе — согнется. А если теперь представить, что полый шланг уложен внутри или снаружи какого-нибудь предмета, то мы получим готовый захват — а. с. 249583, 546958. Впрочем,

не только захват, но и механизм для стопорения вала (а. с. 359453) — фиг. 5.34, регулируемый амортизатор (а. с. 341950), устройство для разрушения монолитов (а. с. 1141194) —фиг 5.35.

Пример пространственного маневрирования и варьирования радиусом кривизны — а. с. 372164 «Универсальный манипулятор-укладчик». При подаче давления в отдельные геометрические секции стрела перемещается и изгибается, перенося необходимые грузы. А в описаниях а. с. 351012 и 458677 с помощью пружинок удается перемещать тела по пространственным траекториям (фиг. 5.36).

Ясно, что перемещение тел по произвольной траектории во многом определяется минимальным радиусом изгиба рабочего элемента. Чтобы увеличить гибкость и обеспечить продвижение шнека по каналам с небольшими радиусами изгиба, по а. с. 1021647 предложено выполнять это как би-спираль (см. фиг. 5.31).

Следующий пример на задействование не только способности инструмента перемещаться и перемещать изделия, но одновременно

и работать как амортизатор. Взгляните на фиг. 5.37 (а. с. 647205): для перекладки трубы или иные протяженные предметы предложено подавать между витками вращающихся и упругих спиралей. По мере продвижения трубы книзу спирали изгибаются и мягко, без стука и повреждений, опускают транспортируемые предметы в накопитель.


Совместить перемещение и выполнение технологической операции — свивки двух или более проводов — поможет спираль, защищенная а. с. 955310; принцип работы устройства понятен из фиг. 5.38. Спираль может быть полезна и для изменения шага шнека, направления его закрутки. Чтобы это было возможно, вся рабочая поверхность шнека выполнена в виде единой пружины, навитой из


проволоки, один конец которой укреплен на поворотной относительно вала и подвижной вдоль него втулке, а другой жестко закреплен на валу, как это изображено на фиг. 5.39 (а. с. 296693, автор А. Я. Васильев). Чтобы получить из пружины винт правого или левого вращения, разворачивают на необходимый угол и фиксируют подвижную втулку, а для изменения шага между витками втулку перемещают вдоль вала.

Спирали многообразны. И нет ничего удивительного в том, что многообразны и способы увеличения или уменьшения площади с их помощью. Познакомимся с тремя принципами регулирования плогДади в спиральных конструкциях.

Первый из них связан с увеличением полезной площади фотоэкспонометра. До изобретения по а. с. 191349 фотоэлемент на


носился лишь на часть круга, остальное место занимала перекрывающая его непрозрачная шторка. Было бы идеально, если бы при прежних габаритах фотоэлемент занимал всю площадь круга, что резко увеличило бы чувствительность и точность прибора. Это вполне возможно, если фотоэлемент 1 нанесен на всю площадь разрезного кольца, а затемняющая шторка 2 выполнена в виде такого же кольца, способного навинчиваться на первое (фиг. 5.40).

А вот другой, очень простой, но почему-то редко используемый принцип регулирования эффективной площади поверхности. Познакомимся с ним на примере а. с. 654950 «Бесконтактный емкостной переключатель», в котором одна из обкладок изготовлена

в патенте СССР № 431686 «Запорный элемент клапана». Сам запорный элемент изготовлен как пара свинченных Архимедовых спиралей, вырезанных из листового материала с некоторым перекрытием витков, входящих друг в друга, с образованием, как пишут авторы из ГДР, «чешуеобразного покрытия» (фиг. 5.42). Как видно из рисунка, степень взаимного перекрытия можно регулировать поворотом одной лопасти относительно другой. Отметим и свойство конструкции быть механическим «полупроводником»: при подаче среды под давлением снизу чешуйки несколько отгибаются и свободно пропускают среду, а при обратном направлении сечение перекрывается...

И, как обычно, в заключение для заинтересованных читателей сообщаем: вопросы изготовления спиралей и винтовых линий описаны в книге [2].

ЛИТЕРАТУРА Архимед. Сочинения. М.: Физматгиз, 1962. Дружинский И. А. Сложные поверхности: математическое описание и технологическое обеспечение: Справочник. Л.: Машиностроение, 1985. Гулиа Н. В. Инерционные аккумуляторы энергии. Воронеж, 1973. Л е б е д е в Ю. С. Дом-улитка и другие. Природные формы и образцы в архитектуре Москвы и Подмосковья. М.: Московский рабочий, 1983. Макаров В. М., 3 и с е л ь м а н Б. Г. Рулонированные сосуды высокого давления. М.: Машиностроение, 1985. С а в е л о в А. А. Плоские кривые: Систематика, свойства, применения. Справочное руководство. М.: Физматгиз, 1960.

<< | >>
Источник: А. Б. Селюцкий. Правила игры без правил. 1999

Еще по теме ПРОФЕССИИ СПИРАЛИ:

  1. Какие профессии взаимосвязаны?
  2. Глава X. Смежные профессии
  3. Глава 7. ЗАЩИЩЕННОСТЬ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ПРОФЕССИЯХ
  4. Выбор профессии
  5. Проект «Психология как профессия»
  6. Новая профессия
  7. Перспективы профессионально педагогической профессии
  8. Профессия — шурин
  9. Климов Е.А., Носкова О.Г.. Психология как профессия, 2010
  10. Ты работала по полученной профессии?
  11. Глава 6 ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ СТАНОВЛЕНИЕ ПЕДАГОГА, ПУТИ ОВЛАДЕНИЯ ПРОФЕССИЕЙ
  12. Пути овладения профессионально-педагогической профессией
  13. Индустриально-организационная психология как профессия
  14. Профессия как объект социологического анализа
  15. ГЛАВА VI О ВОСПИТАНИИ. ОТНОСЯЩЕМСЯ К РАЗЛИЧНЫМ ПРОФЕССИЯМ
  16. В.В. Семенова: «мой долгий ПУТЬ К ПРОФЕССИИ»*
  17. Глава И. Социальное ранжирование профессий К.А. Мозер, Дж. Холл
  18. Вопрос 11. Социальная работа как профессия
  19. Диссертации, защищенные по проблеме «Психология как профессия»