Проектирование и изготовление ветродвигателя

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема: “Проектирование и изготовление ветродвигателя ”

Содержание

1. Анализ педагогической и методологической литературы по развитию изобретательских способностей

1.1 Анализ понятий……………………………………………………….…..3-6

1.2 Анализ методов, подходов, приемов, средств развития изобретательских способностей…………………………………………………………………..6-14

2. Проектирование и изготовление ветродвигателя

2.1 Требования к ветродвигателю..………………………………………….…15

2.2 Технологическая карта изготовления ветродвигателя………………...15-19

2.3 Выполнение технических расчетов……………………………………..19-21

2.4 Расчет себестоимости……………………………………………………21-22

3. Экспериментальная часть

3.1 Описание общей компоновки технического объекта……………………..23

3.2 Описание элементов конструкции и их особенности, и взаимосвязь...23-24

3.3 Описание работы объекта……………………………………………….…..24

3.4 Недостатки конструкции……………………………………………………24

Заключение………………………………………………………………………25

Библиографический список………………………………………………….….26

Приложение 1 Ветродвигатель для ветряка………………………………..27-32

Приложение 2 Карусельный ветродвигатель………………………………32-39

Приложение 3 Ветровая энергетическая установка……………………….39-44

Приложение 4 Ветроэлектростанция……………………………………….44-49

Приложение 5 Комбинированная ветроэнергетическая установка………50-55

Приложение 6 Задачи для развития изобретательских способностей……55-58

Приложение 7 Спецификация ветродвигателя………………………………...59

Приложение 8 Спецификация рабочей части………………………………….60

Приложение 9 Спецификация основания.….……………………………...…..61

Анализ педагогической и методологической литературы по развитию изобретательских способностей

Анализ понятий.

Творческие способности – это индивидуальные особенности, качества человека, которые определяют успешность выполнения их творческой деятельности различного рода (1).

Творческие способности – это индивидуальные особенности личности, представляющие субъективные предпосылки успешного осуществления творческой деятельности. К критериям успешности творчества относятся новизна и оригинальность получаемых решений, сложность решаемых задач, социальная значимость творческих решений и др. Феноменологические способности проявляются в легкости и скорости комбинирования понятий, в легкости мышления, в фантазии и пространственном воображении, проявляемом в процессе творческого решения, в индивидуальном способе деятельности. Участие в творческой деятельности предполагает многостороннюю готовность личности:

1) психологическую готовность (ориентация на новое, настрой на преобразование существующего мира, открытость к восприятию новой информации, способность удивляться, увлеченность, готовность к пересмотру собственных позиций, их непрерывной корректировке, преодолению психологических барьеров творчества, умение работать в ситуациях неопределенности и др.);

2) гносеологическую готовность (широкий кругозор, гибкое и подвижное мышление, образность мышления, понимание относительности имеющейся информации, умение анализировать, обобщать и интегрировать информацию, стремление "кристаллизовать" свой подход к проблеме, умение реализовать "свой" подход "до конца", опыт решения различных типов тв. задач, желание решить задачу в каждом конкретном случае, поглощенность процессом решения, интерес к результату, ориентация на сложные проблемы, методологическая и методическая подготовка);

3) социальная готовность к творчеству (осознание социальной значимости творческой деятельности, индивида, коллектива, общества, сформированность потребности в творчестве, мотивация творчества, потребность самовыражения, умение критиковать и правильно воспринимать критику, уважение к др. точек зрения, доброжелательность, альтруизм, оптимизм, умение работать в коллективе, умение организовать собственную творческую деятельность и творчество др. людей).

Существуют различные точки зрения на механизм формирования способностей, однако большинство исследователей считает, что способности формируются в деятельности, в процессе взаимодействия субъекта с окружающим миром. В деятельности происходят реализация и дальнейшее развитие способностей. Способности людей, в т.ч. и творческие, неоднородны по своему содержанию, способу формирования, форме проявления и т.д. В науке нет единой классификации (типологии) способностей. Наиболее распространена классификация способностей по видам деятельности. Т.е. имеют комплексную природу и зависят от ряда условий: анатомо-физиологических особенностей человека, социальных условий его становления и развития, степени развития самосознания, сформированности установки на развитие своих собственных способностей, характера окружающей предметной и социальной среды, актуализации проблемы творчества в жизни общества на конкретном этапе развития

Творческие способности в техническом творчестве индивидуальные особенности личности, представляющие субъективные предпосылки успешного осуществления творческой деятельности, направленной на создание новых технических систем и технологии и их совершенствование. Творческие способности в техническом творчестве отличаются разнообразием и неоднородностью, что частично обусловлено разнообразием содержания деятельности, которую необходимо выполнить в процессе науч.-тех. разработки. Достаточно информативным основанием для фиксации разнообразия содержания творческой деятельности разработчика и классификации требований к субъекту является выделение этапов разработки и отдельных задач в его творческой деятельности. Участие человека в работе на том или ином конкретном этапе или в решении конкретной задачи предъявляет к нему определенные требования, а эффективность этой работы зависит от наличия у субъекта деятельности соответствующих способностей. К таким отдельным творческим способностям в техническом творчестве относятся: умение выявлять и формулировать глубокие противоречия и несоответствия; обостренное умение выявлять и прогнозировать новые потребности и улучшенные потребительские качества; быстрое понимание функционально-физ. сущности работы тех. системы; видение недостатков и дефектов в существующих изделиях; умение ставить задачи технического творчества, генерировать и синтезировать новые идеи я технические решения; умение быстро и объективно сравнивать альтернативные решения и выбирать лучшие; умение накапливать и систематизировать наиболее ценную информацию; умение разрабатывать и обосновывать новую идею, в т.ч. путем экспериментальных исследований и др. Разные способности имеют различную распространенность: наиболее редко встречаются люди, вскрывающие глубокие противоречия, открывающие новые направления в тех. науке и умеющие ставить задачи; несколько чаще встречаются люди, умеющие решать сложные задачи и т.д. Можно построить пирамиду творческих способностей в техническом творчестве, в основании которой - наиболее распространенные способности, а на вершине - наиболее редкие. В такой пирамиде от вершины к основанию располагаются "слоями" следующие творческие способности в техническом творчестве., которые одновременно отражают и этапы творческой деятельности в области техники;

1) выявление и формулировка глобальных противоречий;

2) выявление новых потребностей и открытие новых направлений в технике;

3) постановка задач тех. творчества;

4) генерирование новых идей и конструкторско-технологических решений;

5) теоретические, расчетное, экспериментальное и технологическое обоснование новых решений;

6) подготовка проектно-конструкторской документации и доводка нового образца техники.

Здесь прослеживаются две закономерности:

1) каждый этап науч.-тех. разработки требует специфических способностей, при этом может быть проявлен высокий уровень способностей (гиперспособностей);

2) более сложный характер науч.-тех. задач, решаемых на "верхних слоях" пирамиды, предъявляет более высокие требования к уровню развития способностей разработчиков, т.е. здесь с необходимостью нужны гиперспособности.

Поэтому неслучайны следующие определения способностей: "талант" решает такие сложные задачи, которых не решают другие; "гений" видит такие проблемы, которых не видят другие, открывает новые направления в науке и технике, творит, подобно силам природы. Высокие творческие способности в техническом творчестве очень неравномерно распределены в людской массе, и выявление их, распознание и культивирование представляет сложную социальную проблему. Творческие способности в техническом творчестве можно условно разделить на две составляющие: 1) природные способности, которые даются от рождения и разные у разных людей; 2) приобретенные способности, которые возрастают за счет изучения теории, практического опыта, связанного с решением задач тех. творчества (2).

На мой взгляд, изобретательские способности – это креативное мышление, высокий уровень интеллекта, продуктивность умственной работы человека, обеспечивающие в совокупности получение нового продукта, обладающего новизной и полезностью. В обучении, новизна, как правило, является субъективной, т. е. новой только для учащегося, в то время как в реальной действительности существует критерий мировой новизны, т. е. новое в мире, а не только для учащегося.

1. 2 Анализ методов, подходов, приемов, средства для развития изобретательских способностей.

Развитие изобретательских способностей студентов – деятельность, основанная на использовании комплекса способов и средств, обеспечивающих выявление и развитие творческих способностей студентов инженерных специальностей. Эти способы и средства следует рассматривать как дополнение к существующей системе инженерной подготовки.

Основные способы и средства развития изобретательских способностей студентов включают следующие виды деятельности:

- изучение фундаментальных дисциплин (математики, физики, химии и др.) с использованием примеров открытий и изобретений в каждой дисциплине, а также возможностей и путей, реализованных в каждой дисциплине для целей анализа и синтеза новых принципов действия и технических решений;

- изучение дисциплин по основам изобретательского творчества, основам и методам технического творчества;

- гуманитарную подготовку, связанную с повышением морально-нравственных качеств личности, изучением психологии творческих процессов, творческим овладением элементами отдельных искусств, развитием ощущения вкуса к красоте и гармонии в природе, искусстве и технике;

- освоение средств компьютеризации инженерного и технического творчества и адаптацию их к задачам специальности;

- изучение дисциплин по истории техники, законам и закономерностям техники, теории проектирования новой техники с адаптацией их к специальности (фундаментализация технических дисциплин);

- постановку и решение реальных задач инженерного и технического творчества в курсовом и дипломном проектировании;

- изготовление и испытание студентами экспериментальных и опытных образцов по собственным творческим разработкам;

- оформление заявок на собственные изобретения и их защита (переписка с экспертами);

- проведение внутривузовских и межвузовских конкурсов и олимпиад по техническому творчеству студентов (3).

На занятиях по техническому конструированию и моделированию применяют различные методы и приемы обучения. Чем сложнее занятие и обширнее деятельность педагога и обучаемых, тем разнообразнее методы приемы его проведения.

Теория решения изобретательских задач состоит из элементов:

АРИЗ, законы развития ТС, ФСА, стандартные решения изобретательских задач (76 шт.), приемы устранения технических противоречий (40 шт.), вепольный анализ, указатели физических эффектов, курс развития творческого воображения, банк решенных задач (4).

Список контрольных вопросов (А. Осборна) – это один из способов активизации поиска решений технической задачи за счет ориентации человека на необычные направления поиска с помощью специально подобранных вопросов.

Метод морфологического анализа (Ф. Цвикки) – один из методов систематизированного поиска вариантов решения технической задачи заключается в разделении объекта совершенствования на отдельные функциональные части, отыскание вариантов исполнения этих частей и произвольном соединении этих вариантов в целый объект.

Метод фокальных объектов (Ч. Вайтинг) – это один из ассоциативных методов технического творчества, основан на произвольном присоединении к объекту совершенно не присущих к нему свойств и признаков. Последовательность выполнения:

1) Выбор объекта и формулировка задачи

2) Выбор случайных объектов

3) Определение признаков случайных объектов

4) Комбинирование признаков случайных объектов с объектом совершенствования

5) Выявление ассоциаций и построение возможных решений

6) Выбор лучшего решения

Метод мозгового штурма (А. Осборн) – это метод коллективного поиска вариантов решения задачи, основная идея которого заключается в разделении этапа генерации идеи, группы генераторов от этапа критики идеи группой экспертов.

Вепольный анализ (Альтшулер, Шахматов, Фликштейн) – это один из инструментов ТРИЗа. Это метод систематизированного поиска вариантов решения технических задач. Суть которого в том, что техническая задача заменяется ее идеализированной моделью состоящей из 3-х элементов (В1 – вещество 1, В2 – вещество 2, П – поле) и в определенных манипуляциях с этой моделью с последующим переносом найденных решений в реальную ситуацию (5).

После анализа методов, приемов, средств составлена таблица сравнительных характеристик творческих методов, в которой они сравнивались по критериям: решение технических задач (продуктивность), генерация идей, развитие изобретательских способностей, применимость в школе, возраст, учет Ψ-х особен­ностей участни­ков. Баллы проставлялись по каждому критерию от 1 до 6.

Сравнительная характеристика творческих методов таблица 1

Так же для развития изобретательских способностей можно использовать:

1) Конструкторские задачи.

Конструкторская задача решается в несколько этапов. Приступая к ее решению, главное внимание уделяют выяснению сути задачи и уточнению конечного результата (что желательно получить в идеальном случае). Этому в значительной мере способствует графическое изображение ее условия. После полного усвоения условия задачи переходят к ее анализу. Анализ проводится в целях выявления технического противоречия и вызывающих его причин. В ходе анализа ставят вопросы, которые помогают глубже проникнуть в содержание задачи, наметить пути устранения противоречия (что требуется определить в задаче или какова ее конечная цель, что мешает достижению этой цели, в чем причина затруднения, при каких условиях оно исчезает, не напоминает ли эта задача какую-либо из ранее решенных). Для облегчения поиска путей устранения противоречия и нахождения способа решения задачи можно предложить схему, где намечены отдельные этапы – шаги анализа задачи.

Задача 1. В гидравлическом цилиндре (рис.1) возвратно-поступательно перемещается поршень. Скорость его перемещения в одном и другом направлении одинакова. Внесите изменение в конструкцию, чтобы движение поршня в направлении, указанном стрелкой, на участке, а было замедленным.

Задача 2. Заготовки одна за другой катятся по наклонному лотку (рис. 2). Как сделать, чтобы каждая последующая заготовка начинала, скатываться, когда предыдущая достигнет конца лотка?

Задача 3. Шарики трех размеров под действием собственного веса непрерывным потоком скатываются по наклонному лотку (рис. 3). Как осуществить непрерывную сортировку шариков на группы в зависимости от размеров? (6)

2) Использование методов технического творчества

Методы систематизированного творчества

Методы интуитивного поиска

3) Морфологический альтернативный сбор информации

С.А. Новоселов предлагает следующую философски обобщенную ло­гику процесса создания нового технического объекта:

1) Осознание проблемной ситуации с аналитическим осмыслением ее структуры субъектом творчества. Реальное содержание творчества на этом этапе складывается из отражения технической потребности, осознания не­достатков старого и необходимости нового, раскрытия конкретных ТП и формулировки определенных технических задач.

«Рождение и вынашивание» новой технической идеи.

Разработка идеальной модели (как по форме, так и по содержанию). 4) Конструирование.

5) Этап предметного и относительно завершенного воплощения изо­бретения в техническом объекте. На данном этапе относительно завершается процесс технического творчества, т.к. этот этап – основа возникновения но­вых технических задач и циклов творческого поиска.

С.А. Новоселов предлагает структуру сотворческой изобретательской деятельности учащихся и педагога, включающую морфологический сбор информации (МАСИ).

Основным отличием МАСИ от морфологического анализа является то, что в качестве условных морфологических признаков выделяются отдельные элементы изобретательского процесса (область техники, усмотрение потребности, построение иерархии целей, разработка способов, устройств, веществ для достижения этих целей и т.д.), а альтернативные варианты морфологических признаков подбираются в процессе сбора научно-технической и патентной информации.

Автор отмечает, что работа с морфологическими матрицами в процессе МАСИ направлена не на решение четко сформулированной технической задачи, а на ее постановку. Однако следует отметить, что при заполнении морфологической матрицы (таблицы) вносят альтернативные варианты уже существующие т.к. они берутся из различных информационных источников и, хотя автор говорит о возможности внесения и возможных альтернатив, предварительный анализ существующей информации создает психологические барьеры на пути выявления новой потребности, Т.е. барьеры на пути усмотрения и формулирования новой технической задачи. Как отмечает сам автор предпосылки для формирования новых технических задач создаются на основе неожиданных сочетаний выделенных морфологических признаков, как в направлении поиска новых технических решений, так и в направлении раскрытия новых потребностей. Причем механизм возникновения ассоциаций в данном случае подобен механизму, действующему при использовании методов случайного (интуитивного) поиска.

Продуктивность МАСИ связана, как отмечает сам автор, со случайным взаимодействием вариантов морфологических признаков, однако, вероятность появления новой идеи снижается, если информация строго ограничена и соответствует старой идее. Собранная в МАСИ информация направлена на поддержание этой идеи. Все это создает барьер на пути новой идеи (7).

После анализа методов, подходов, приемов, средств видно, что для лучшего развития изобретательских способностей, в общеобразовательной школе, на мой взгляд, являются инструменты ТРИЗ (приемы), метод фокальных объектов, метод мозгового штурма, решение конструкторских задач.

2. Проектирование и изготовление ветряка

2.1 Требования к ветряку.

1. Ветродвигатель должен работать при слабом порыве ветра.

2. Ветряк должен работать при постоянных переменах направления ветра.

3. Лопасти ветродвигателя должны быть изготовлены из тонкого, легкого, упругого материала.

4. Лопасти должны иметь дугообразную форму.

5. Ветродвигатель должен быть снабжен аккумулятором, чтобы генерируемая энергия накапливалась.

2.2 Технологическая карта изготовления ветродвигателя.

Таблица 2

2.3 Выполнение технических расчетов

1. Мощность, развиваемая ветродвигателем:

Nвет= ро*V*F/2*кси, где:

Nвет - мощность, Вт;

ро - плотность воздуха, кг/м3 (при t = 15°C и Р = 760 мм р.с. ро =1,23 кг/м3)

V - скорость воздушного потока, м/с;

F- площадь лопасти, м2;

кси - коэффициент использования энергии ветра (у карусельных ветродвигателей лопастного типа кси = 0,18 - 0,48).

Nвет = ро*V*F/2*кси

Найдем Nвет при скорости ветра 2 м/с

Nвет = 0,179 Вт

Найдем Nвет при скорости ветра 3 м/с

Nвет = 0,268 Вт

Найдем Nвет при скорости ветра 4 м/с

Nвет = 0,358 Вт

Найдем Nвет  при скорости ветра 5 м/с

Nвет = 0,447 Вт

Найдем Nвет при скорости ветра 6 м/с

Nвет = 0,537 Вт

2. Расчет КПД

η=2*Nвет/ρ*F* V, где:

η – КПД (%)

Nвет - мощность, Вт;

ро - плотность воздуха, кг/м3 (при t = 15°C и Р = 760 мм р.с. ро =1,23 кг/м3)

V- скорость воздушного потока, м/с;

F- площадь лопасти, м2;

Найдем η при скорости ветра 2 м/с

η = 27,8 %

Найдем η при скорости ветра 3 м/с

η = 27,9 %

Найдем η при скорости ветра 4 м/с

η = 28,1 %

Найдем η при скорости ветра 5 м/с

η = 29,1 %

Найдем η при скорости ветра 6 м/с

η = 28 %

2.4 Расчет себестоимости.

Расчет себестоимость операции сборки изделия:

С=Сз р.+Си р.+Со р.+Сэ р.+Сп.д. р.

Расчет элементов:

1. Заработная плата основных рабочих:

Сз=Зч*tшт.к.= 200 руб./ч.*0,75ч.=150 р./шт.

Где tшт.к. – штучно-калькуляционное время выполнения операции, ч.

Зч – часовая тарифная ставка рабочего руб./час

2. Затраты на инструмент:

Си=Ци р.*Ии /А = 0,85 р.

Ци – цена приобретения или изготовления инструментов:

Паяльник – 50 р.

Сверло – 15 р.

Ножовка по металлу – 100 р.

Напильник – 30 р.

Сверлильный станок – 200 р.

Плоскогубцы – 30 р.

Ии=0,002–доля износа инструмента при обработке данной партии деталей, %

А=1 кол-во изделий выпускаемых в партии

3. Затраты на оснастку

Со=Цо р.*Ио/А шт. = 0,3 р.

Цо – цена приобретения или изготовления оснастки:

Стол – 100 р.

Стул – 50 р.

Ио = 0,002 – доля износа инструментов при обработке данной партии деталей, %

А = 1 – кол-во изделий выпускаемых в партии

4. Затраты  на силовую электроэнергию

Сэ=NTKз*Цэ=1,69 квт*6,58 ч. *0,1*1,5 р./кВт вчас =1,67 р.

N=1,69 кВт – суммарная мощность работы электрооборудования:

Паяльник – 690 Вт

Двигатель сверлильного станка – 1000 Вт

Т = 6+0,008+0,5=6,58, ч.

Кз – коэффициент учитывающий загрузку электрооборудования по мощности и времени, потери в эл. сети и КПД.

Цэ = 1,5 (р/кВт в час) – цена электроэнергии в рублях

Сизд = 150р.+0,85р.+0,3р.+1,67р.+510р.=662,82р

3. Экспериментальная часть

3.1 Описание общей компоновки технического объекта.

Для изготовления ветродвигателя был выбран тип ветродвигателя карусельный. Он имеет наивысший коэффициент использования энергии ветра и более надёжны в эксплуатации. Лопасти сделаны из стеклотекстолита так как, он прочный, гибкий, упругий и легкий материал. Лопасти ветродвигателя имеют дугообразную форму, и они закреплены выпуклостями наружу, относительно оси. Это сделано для того, чтобы прирост парусности лопасти со стороны вогнутой ее части за счет центробежной силы, превышал этот прирост со стороны выпуклости по отношению к потоку воздуха, за счет обтекаемости выпуклого участка лопасти. Так же на концах лопасти есть пружины, они необходимы, для того чтобы при порыве ветра лопасти держали дугообразную форму. Механическое движение с оси на генератор передается с помощью ременной передачи, так как ее проще изготовить, и она лучше предает механическое движение. Корпус ветродвигателя имеет прямоугольную форму, внутри его расположен генератор, аккумулятор, реле, провода и светодиод, так же корпус обеспечивает устойчивость ветродвигателю.

Ветродвигатель состоит из двух лопастей, который жестко закреплены с одной стороны на направляющих, а с другой стороны лопасти присоединены с помощью втулки и пружины к каркасу, который в свою очередь закреплен на оси. Ось снизу держится на подшипнике, а сверху закреплена на балке. Механической движение с оси на генератор передается с помощью ременной передачи. Выработанное электричество генератором поступает к аккумулятору и светодиоду через провода. При переключении реле ток поступает через светодиод, аккумулятор и лампочку.

3.2 Описание элементов конструкции и их особенности и взаимосвязь.

Лопасти