Задачи конкурса решения изобретательских задач "Мастер устранения противоречий 2012"
1.
Для укрытия больших единых пространств, без центральных опор и пролетов применяются безопорные сооружения ангарного типа – воздухоопорные конструкции. Они выполнены из полотна ПВХ-ткани, выкроенного в виде купола - полусферы. Конструкция устанавливается и удерживается в возведенном положении за счет избыточного давления внутри купола. Воздух постоянно нагнетается вентилятором под полотно, за счет чего оно раздувается, как купол парашюта. Т.к. повышенное давление внутри купола обеспечивает основную конструктивную функцию, то для снижения утечки воздуха ткань купола по периметру крепится к фундаменту максимально герметично, а все входы/выходы делаются шлюзовыми.
Необходимая для хозяйственной . деятельности высота купола, от 10 до 15 м., а ширина обычно составляет 20-30 метров. То есть конструкция представляет собой в плене полуокружность или фигуру, близкую к ней. Для одной из организаций потребовалось значительно увеличить ширину такого сооружения. Теперь ширина укрываемой площадки может превышать 40-50 м. Пропорционально увеличить высоту не получается – из-за значительного увеличения парусности, поэтому купол не имеет идеальной сфероидальной формы, что при большой его ширине приводит к формированию, обширной горизонтальной площадки на вершине купола и скоплению там снега. (Вода не скапливается, т.к. минимальный уклон всегда есть). Скопление снега с большой вероятностью приведет к складыванию крыши, то есть к обрушению всего сооружения. Как повысить стойкость сооружения без его значительных переделок и удорожания?
2. В медицине и пищевой промышленности широко применяется процедура стерилизации. Среди разнообразных подходов можно выделить стерилизацию паром и плазменную стерилизацию. Первый метод был ранее широко распространен, до сих пор применяется в быту, но в настоящее время его использование сворачивается. Причина – значительная деструкция материалов изделий, активная коррозия металлов, нарушение пищевой ценности пищевых продуктов или порча лекарственных препаратов..
В Европейском союзе действуют прямые запреты на реализацию некоторых продуктов, стерилизованных таким методом. Метод стерилизации плазмой находится в стадии развития, существующие установки не позволяют обрабатывать сколько нибудь значимые объемы продукции, кроме того он довольно энергозатратен.
Предложить альтернативные подходы осуществления стерилизации.
3. При транспортировке природного газа по трубопроводам на определенных участках цепи поставки возникает необходимость снижения давления. Такое понижение производится дважды. Первый раз - при поступлении газа в газораспределительную сеть населенного пункта - на газораспределительных станциях (ГРС) - до уровня лежащего в диапазоне от 0.3 МПа до 1.2 МПа. Второй раз - на газораспределительных пунктах (ГРП) от входного давления, лежащего в указанном выше диапазоне до уровня выходного давления, применяемого в газоснабжении городских и сельских населенных пунктов, объектов промышленного и сельскохозяйственного назначения (1 – 600 кПа).
Давление понижается в редукционных клапанах и сопровождается непроизводительным рассеиванием (потерей) потенциальной энергии движущегося потока.
В настоящее время делаются попытки использовать эту энергию для обеспечения энергопитания населенных пунктов, однако малая генерируемая мощность и необходимость обслуживания таких устройств, зачастую делает это нерациональным.
Дать альтернативные предложения по возможным путям практического использования теряемой энергии.
7. Фирма осваивает производство косметических средств, включающих в себя мелко измельченные панты (панты - молодые отростки рогов северного оленя, содержат большой набор очень ценных для организма человека оздоравливающих веществ). Технология измельчения пантов такова: предварительно измельченное механическим образом сырье направляют в специальную вихревую дробилку (емкость, в которой создан устойчивый воздушный вихрь). Туда же направляют дополнительные дробящие тела – мелкие ферромагнитные частицы. Они также летают в воздушных вихрях и сталкиваясь с частичками пантов, измельчают их. Кроме того в дробилке создают знакопеременное электромагнитное поле. Под его действием магнитные частицы совершают колебания вокруг траектории своего движения. Таким образом удается добиться измельчения пантов до величины от 1 до 50 микрон. После завершения процесса измельчения ферромагнитные частички отделяют в магнитном сепараторе.
Выяснилось, что несмотря на все усилия, не удается добиться полного отделения нужного нам измельченного продукта от мельчайших ферромагнитных частиц. До десяти процентов этих частиц остается в измельченном продукте. Металл загрязняет конечный продукт, что недопустимо.
Как исправить эту ситуацию?
8.В технике сегодня широко распространены бистабильные элементы – устройства, которые могут устойчиво находиться в двух различных состояниях. Примерами таких элементов могут быть «хлопающие» мембраны, триггеры, пневмоэлементы на эффекте Коанда и другие. Необходимо разработать устройство, способное выполнять роль хранителя информации в системе с тремя состояниями, иначе – тристабильный элемент. Такие элементы могут найти широкое применение в современных электромашинных устройствах, от вычислительной техники, вплоть до устройств, используемых в современных рекламных щитах.
9.В современном здравоохранении изделия медицинского назначения, контактирующие с раневой и слизистой поверхностями, а также с внутренними средами организма, перед их стерилизацией должны тщательно очищаться от белковых, кровяных, лекарственных и прочих загрязнений. В указанную группу медицинских изделий входят различные хирургические инструменты, катетеры, дыхательные и интубационные трубки, лабораторная посуда, в том числе микропипетки и т.д.
Эти изделия имеют различную форму, размеры, конфигурацию и изготовлены из различных материалов (металлы, стекло, резина, полимеры).
Многие медицинские изделия имеют труднодоступные места (каналы, полости, замковые части), что затрудняет и порой делает невозможным их очистку в ручном режиме. Стерилизация плохо отмытых изделий не является эффективной, что способствует внутрибольничным заражением, наносящим вред здоровью людей, а также большой экономический урон при необходимости долечивания зараженных больных.
Предстерилизационная очистка медизделий прописана в ОСТ 42-21-2-85 «Стерилизация и дезинфекция изделий медицинского назначения. Методы, средства, режимы».
Известны различные методы предстерилизационной очистки.
• Струйный метод заключается в использовании энергии струй моющего раствора для удаления загрязнений.
• Ротационный способ мойки изделий заключается в использовании сил трения моющего раствора при вращении барабана (по типу стиральной машины).
• Ультразвуковой метод мойки изделий заключается в использовании энергии ультразвуковых колебаний в растворе и создания при этом явления кавитации.
Ни один из известных способов не является универсальным применительно ко всей номенклатуре изделий медицинского назначения, которые должны проходить предстерилизационную очистку, что вынуждает использовать для предстерилизационной очистки большое число моечных машин различных типов. Однако, наличие большого количества моечных машин различных типов усложняет медико-технологический процесс стерилизации, требует большого количества оснастки для фиксации в моечной машине под каждый тип инструмента, требует дополнительных производственных площадей и немалых финансовых затрат, что создает проблемы в условиях финансирования лечебных учреждений, потому лишь незначительная часть больниц может себе позволить приобретение всего комплекса моечного оборудования, в связи с чем, в большинстве больниц моют инструменты вручную и потому не обеспечивается должное качество отмывки.
Предложите новые способы стерилизации. Возможно один из них окажется универсальным и сможет облегчить жизнь медикам.
10. Разработка дилатантных коллоидных систем (STF) на основе наноструктурных оксидов металлов. Дилатантными (shear thickening fluid) называются такие неньютоновские жидкости, вязкость которых растет с увеличением скорости сдвига по степенному закону , где n>1. Дилатантные жидкости представляют собой суспензии частиц (например, SiO2) в органических жидкостях или в воде.
Благодаря тому, что дилатантные жидкости способны затвердевать при больших нагрузках, они находят применение в различных областях промышленности. Например, в некоторых приводных системах для распределения крутящего момента между передними и задними колесами как альтернатива механическому дифференциалу используются дилатантные жидкости. В западных странах активно ведутся разработки так называемой жидкой брони на основе дилатантных жидкостей; подобная защита позволяла бы её владельцу сохранять свободу передвижения (небольшие скорости сдвига), но защищала бы его от пулевых и ножевых ранений (большие скорости сдвига).
Ведется разработка дилатантных коллоидных систем на основе наноструктурных оксидов металлов. В ходе предварительных экспериментов, была получена система на основе наноразмерного оксида вольфрама WO3, имеющего пластинчатую форму (рисунок). В качестве дисперсионной среды использовался этиленгликоль.
Полученная коллоидная система демонстрировала дилатантные свойства. В перспективе планируется получить дилатантные коллоидные системы на основе наноструктурных оксидов разных металлов, однако увеличение количества корундовых частиц, необходимое для повышения эффективности работы, в то же время недопустимо увеличивает вес изделия. Дайте предложения, направленные на выход из этого тупика.
11. Стекольная продукция пользуется постоянным всё возрастающим спросом. Удовлетворять такой спрос представляется возможным только за счет создания новых высокопроизводительных агрегатов. Современные стекловаренные печи для производства стекольных изделий (тарное стекло, техническое) в своем большинстве являются ванными печами непрерывного действия. Основными недостатками этих печей являются:
- низкая удельная производительность;
- получение стекломассы низкого качества и, следовательно, большой процент брака в готовых стеклоизделиях;
- низкая энергоэффективность;
- дорогостоящие строительство, планово-предупредительные и капитальные ремонты печи.
Кардинально решить эти проблемы на действующих ванных печах невозможно. Требуется разработка новой технологии производства и агрегата, позволяющего ликвидировать все недостатки современных ванных печей.
И низкая производительность и малая энергоэффективность являются следствием одного и того же коренного недостатка печи – нагрев массы в ней идет сверху. Естественно, что горячая вязкая масса не стремится опуститься вниз и поэтому нагрев нижних слоев идет снизу.
Конечно, было бы хорошо греть массу снизу, но по ряду причин это сегодня невозможно.
В настоящее время в качестве средства решения предлагают использовать ванные стекловаренные печи с дополнительным электроподогревом (что резко повышает стоимость продукции, поскольку прямое превращение нефти в тепло значительно более выгодно, чем получение тепла из электроэнергии) и с установкой сопел для барботажа.
Но реального прорыва пока нет – тепло никак не хочет само распространяться в нижние слои печи. Предложите решения, облегчающие этот процесс. Возможными потребителями могут быть все заводы России по производству тарного и технического стекол.
12. Во многих отраслях физики, технологии, биологии и медицины в настоящее время назрела потребность не только изучать, но и эффективно манипулировать: захватывать, перемещать, деформировать индивидуальные нанообъекты, например, углеродные нанотрубки, живые и неживые частицы различной природы, клетки и их органеллы и т.д., а также создавать на их основе сожные структуры и системы. То есть создавать технологические процессы с применением индивидуальных микро- и нанообъектов. Ставится задача не просто изучения, а создания сложных систем из этих объектов самого различного назначения. Однако, для манипулирования малыми объектами чаще всего нужен миниатюрный инструмент.
Существующие на сегодняшний день микро- и наноманипуляторы имеют макроразмеры (от сантиметра до десятков сантиметров) и, таким образом, относительно громоздки и неудобны для захвата и перемещения реальных нанообъектов.
Стандартных решений для хранения отдельных нанообъектов сегодня не существует вообще. Однако, такие системы требуются в современной науке, особенно настоятельно в областях просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и микробиологии. На данный момент, после однократного исследования микро- и нанообразцы, как правило, утрачиваются, так как у исследователей не имеется адекватных средств их хранения и транспортировки.
Изготовление инструмента на микро- и, тем более, наномасштабе весьма затруднено, и на сегодняшний день габарит, например, «наноманипулятора» - это несколько сантиметров или десятков сантиметров. Свою функцию современные приборы выполняют на основе использования актюаторов, например, пьезоэлектрических, габарит которых ограничен принципиально используемым физическим эффектом. Доступные относительные деформации пьезопреобразователей, например, составляют не более 10-4, поэтому габарит устройства будет на много порядков превосходить диапазон контролируемых перемещений. Таким образом, весьма актуальна задача поиска физических принципов контролируемых «гигантских» деформаций с предельно высокими значениями, вплоть до единиц и десятков процентов, и создания на основе этих принципов инструментов реально микроскопических, а возможно и наномасштабных габаритов.
Требования миниатюризации, повышения экономичности и быстродействия устройств приводят к необходимости разработки и исследования новых принципов работы.
Современные микро- и наноманипуляторы способны на прецизионные перемещения с точностью до нескольких нанометров. Недостатком являются их макроразмеры, что не позволяет манипулировать действительно наноразмерными объектами, а в случаях, когда нужно уместить манипулятор в малый объем, делает их применение невозможным. Габариты обусловлены величиной деформационных эффектов, лежащих в принципе действия этих устройств. Наименьший на сегодняшний день актюатор с ЭПФ имеет размеры 20х100 мкм и, при субмикронной толщине актвного слоя с ЭПФ - 800 нм. Он способен захватывать объект с размером 50 мкм. Таким образом, актуальной является задача создания технологии микронного по габаритам композитного актюатора с ЭПФ, способного захватывать наноразмерные объекты и, таким образом, решить открытую на сегодняшний день задачу наноманипулирования.
13. В настоящее время удовлетворение растущих потребностей в выработке электроэнергии и её транспортировке к потребителю успешно решается за счет применения передовых технологий, в том числе с использованием сверхпроводников. Сверхпроводники позволили разработать промышленные кабели с низкими потерями энергии и высокой критической плотностью тока. Работа подобных устройств обеспечивается при низких температурах, что достигается криостатированием с помощью охладителей. Сверхпроводящие кабели содержат каналы для принудительного охлаждения путём прокачки хладагентов, например, жидкого азота.
Помимо потерь в токопроводящих жилах, нагревание их может происходить за счет потока тепла из окружающей среды, поскольку конструкционные элементы сверхпроводящих кабелей реально находятся как в полностью низкотемпературной среде, в жидком азоте и т.п., так и в разных температурных зонах, включая комнатную температуру. И если потери в изоляции могут существенно не сказываться на нагревании жилы, то основная часть паразитного нагрева происходит через токопровод.
Большая доля электроэнергии вводится непосредственно в зону сверхпроводимости. Ввод осуществляется по токовым шинам диаметром 10 мм и достигает значения 100А и более на шину. Следствием этого является и натекание большого количества тепла в зону сверхпроводимости. В варианте возможной интенсификации энергообеспечения потребуются токи большей величины и, как следствие, увеличится натекание тепла в сверхпроводящую линию.
С другой стороны охлаждение токоподводов во влажной комнатной атмосфере приводит к запотеванию контактов и появляется возможность их закорачивания.
Таким образом, для обеспечения эксплуатационной работы сверхпроводящего кабеля требуется снизить тепловые потоки от окружающей среды и с другой стороны исключить запотевание токопроводов.
Предложите простую и надежную систему искусственного охлаждения токовводов сверхпроводящих линий электропередач. .
14. Технология балансировки жестких роторов
Объектом технологии балансировки является ротор. Под ротором, согласно стандарта, понимается тело, которое при вращении удерживается своими несущими поверхностями в опорах. Набор устройств для балансировки включает в себя: устройство для определения дисбаланса (балансировочный станок), устройство для устранения дисбаланса (корректировки масс ротора), система связи этих устройств. В результате реализации техпроцесса балансировки происходит определение параметров дисбаланса и его устранение в пределах погрешности.
При работе системы возникает нежелательный эффект: длительное время разгона и остановки ротора в процессе измерений дисбаланса. Основной причиной недостатка является наличие при измерениях процесса вращения ротора В области автоматической балансировки задачу пытались решить применяя методы обстрела ротора различными способами (то есть центруя его на ходу) и в различных средах.
Для легкоразрушаемых роторов применяли способ статической балансировки на параллелях.
Применению всех этих подходов мешает высокая сложность при организации автоматической балансировки (с совмещением во времени операции определения и устранения дисбаланса), а также относительно высокие энергетические затраты на разгон ротора до рабочей скорости при измерениях, высокие динамические нагрузки на балансируемый ротор.
Необходимо обеспечить возможность включения новой технологии в имеющиеся техпроцессы изготовления роторов.
Следует разработать идею новой технологии, которую можно было бы применить без существенного переобучения персонала.
При этом следует обеспечить не меньшею точность, относительно невысокую цену оборудования (то есть его относительную простоту) с одной стороны и возможность его использования в промышленности, а в частности в «грязном» производстве.
Необходимо исключить разрушение ротора при балансировке.
15.
Важнейшим возобновляемым источником энергии является древесина. Ее использование позволяет обеспечить достаточно быструю (в планетарных масштабах) циркуляцию углерода. Древесное сырье, включает в себя: неделовуюя древесину, в основном мягких пород, заготовленная при санитарной вырубке лесных массивов; отходы лесозаготовки - пни, корье, сучья, щепа; древесная и кустарниковая обрезь, образующаяся при обработке растительных насаждений в городской черте; отходы деревообработки - опилки, щепа, горбыль; отходы с различными пропитками: шпалы, телеграфные столбы, фанера, древесностружечные и древесноволокнистые материалы.
В виде отходов ежегодно образуется древесного сырья эквивалентного 40 млн тонн условного топлива. Его недостаток – неудобное использование. В то же время в промышленности давно применяется перевод такого сырье в горючий газ. Так, во время Второй мировой войны многие воюющие страны использовали газогенераторные установки, установленные на автомобилях.
Сегодня для получения генераторного газа применяются установки термохимической конверсии древесных отходов, в которых производится тепловая обработка древесины без доступа кислорода.
Проблема в том, что такие установки как правило рассчитаны на выдачу небольших объемов продукта. Повышению производительности и кпд мешает то, что поступающее в реактор сырье нагревается довольно медленно (или требуется его предварительное измельчение до размера опилок и распределение по большому объему для лучшего контакта с горячим воздухом. А это в свою очередь делает процесс менее экономичным.
Необходимо найти новые способы, обеспечивающие быстрый объемный нагрев больших объемов грубо подготовленного сырья в установках термохимической обработки.
16. В современных топливных элементах, изготавливаемых в настоящее время, наблюдается быстрое падение выдаваемого напряжения во времени. Причина падения заключается в окислении поверхности металлических токоподводов, контактирующих с углеродным материалом катодного газодиффузионного электрода.
Периодическая зачистка контактов шкуркой позволяет восстановить характеристики, однако делает рабочий процесс крайне неудобным. В настоящее время используются токоподводы из нержавеющей стали, но это не решило проблему, поскольку их поверхность также быстро покрывается тонким слоем изолирующих оксидов. Одним из решений проблемы является золочение металлических контактов. Понятно, что это решение приводит к увеличению стоимости. Предложите другие технические решения, позволяющие снять проблему. .
17 В одной из конструкций трехмерного принтера (машины для изготовления объектов произвольной формы по компьютерным моделям), пластиковый порошок сплавлялся в единое целое нихромовыми иглами. Иглы опускаются сверху на засыпанную порошком поверхность, некоторые из них нагреваются до температуры спекания пластика, и затем все иглы поднимаются вверх. Устройство должно быть недорогим, а игл много, поэтому в качестве материала для них используется сложенная пополам дешевая нихромовая проволока. Но вот незадача: нагрев проволоки должен быть не равномерным, а подчиняться определенному закону. Кончик иглы должен быть самым горячим, затем температура должна плавно понижаться, и наконец, начиная с некоторого расстояния от крепления к разъемам проволока и вовсе должна быть холодной. То есть вообще-то речь идет о создании сложной формы, или материала с переменным удельным сопротивлением. Теоретически этого можно добиться, варьируя химический состав материала иглы по ее длине. Но это, конечно, очень дорого. Сварить или спаять иглу из кусочков разных сплавов или разной толщины – не получится: нихром паяется и варится очень плохо.
19. Существуют установки для производства наночастиц металлов. Действуют они так: испаряют металл в тигле индукционным нагревом, а затем конденсируют его в холодном газе. Получается металлический туман из наночастиц. Однако, понадобилось испарять вольфрам, имеющий температуру кипения около 6000 К, при том, что самая тугоплавкая керамика выдерживает немногим более 4000 К. Поэтому, скажем при 5000 К раскаленный жидкий вольфрам банально проплавит установку. Так из чего делать тигель? В промышленности известны методы локального нагрева, скажем, вольфрамовый стержень можно было бы постепенно испарять магнетроном или электронным лучом. Но в нашей установке материал подается в виде кусков довольно неопределенной формы и размера, для работы с которыми магнетрон придется постоянно переналаживать. Как быть?
