"О задаче "Крепление крышки"

Леняшин В.А., Кынин А.Т.
(16.03.04.)

Аннотация. В представленной работе авторы высказывают свое мнение по поводу разбора задачи "КРЕПЛЕНИЕ КРЫШКИ" предложенного Олегом Шмигельским [1]http://www.trizminsk.org/e/215006.htm для открытого обсуждения. Задача решалась с использованием системы стандартов. Однако, по нашему мнению, автор не совсем корректно использовал этот важный инструмент ТРИЗ.

Система стандартов являлась и является одним из важнейших инструментов ТРИЗ, используемых при решении конкретных практических задач. К сожалению, в классических работах по ТРИЗ отсутствует четко прописанная методика их использования. В результате, достаточно часто встречаются ошибки, связанные с недостаточно глубоким пониманием логики процесса применения стандартов. Да, в системе стандартов сейчас достаточно много пробелов, но в целом система работает и оказывает большую помощь при решении реальных задач [ 2]. Поэтому недостаточно корректное применение стандартов может вызвать у начинающих пользователей путаницу. Особенно это касается случае, когда этим пользователем является иностранец, недостаточно знакомый с богатством русского языка, или читающий перевод данного текста. В этом случае логические "скачки" становятся особенно заметными и начинающие пользователи или потенциальные критики ТРИЗ, не без оснований начинают подозревать, что в данном случае методика использована только для иллюстрации уже готового ответа...

Для начала кратко повторим условия задачи. Для лучшего понимания оригинальный авторский текст будет выделяться курсивом.

Корпус системного блока мини-компьютера состоит из крышки и основания. Обе детали отливают из специальной пластмассы. Для крепления крышки к основанию используют винты-саморезы. По периметру основания расположены выступы с отверстиями. При сборке крышки с основанием, винты-саморезы вкручивают в эти выступы. При вкручивании винт-саморез, за счет пластической деформации пластмассы, нарезает резьбу в отверстии выступа. Крепление крышки к основанию с помощью саморезов удовлетворительное до тех пор, пока, в случае ремонта "начинки" мини-компьютера, не приходиться многократно вкручивать-выкручивать винт. Происходит разрушение резьбы в отверстии. Крепление ослабляется. Это может привести к нарушению функционирования мини-компьютера.

Схема технической системы, взятая из оригинальной работы, представлена на рисунке.

Автор вполне логично предположил, что задача может быть решена с использованием системы стандартов и провел анализ исходной ситуации. В результате были выбраны следующие элементы системы:

Инструмент - винт-саморез (В2).

Изделие - отверстие в выступе основания (В1).

Здесь уже начинается терминологическая путаница, которая, к сожалению, появилась еще на начальном этапе создания ТРИЗ. Да, можно считать отверстие изделием, т.е. конечным результатом действия инструмента. Но называть отверстие веществом В1 ну уж точно не стоит! В действительности, чтобы прояснить ситуацию необходимо определить оперативную зону конфликта. Оперативной зоной является поверхность контакта винта и пластмассы. Следовательно, объектом воздействия (изделием) должена быть признана пластмасса. Эта, казалось бы маленькая неточность в терминологии, далее приводит к более серьезным неточностям или ошибкам.

Взаимодействия:

А) положительное: винт-саморез посредством механического поля П1 (пластической деформации) формирует резьбу в отверстии.

Как уже было отмечено, не винт, а его поверхность оказывает действие на пластмассу, формируя в нем резьбовое отверстие (как можно сформировать "резьбу в отверстии"? - мы почему-то всегда полагали, что резьба формируется в материале). Кроме того, не совсем ясно, что хотел сказать автор, поместив в скобках характер поля - что это? - поле взаимодействия между инструментом и изделием, вызванное внешним механическим полем, приложенным к инструменту? Или тип механического поля? По правилам вепольного анализа [7] вепольная модель должна включать: "изделие, инструмент и энергию (поле), необходимую для воздействия инструмента на изделие". Чтобы ввернуть винт, его надо крутить....А дальше будет взаимодействие инструмента с изделием. Все-таки, надо бы следить за языком и давать необходимые пояснения....

Дело в том, что если бы винт вызывал только пластическую деформацию материала, то он формировал бы резьбу в материале, которая затем не разрушалось бы при повторных закручиваниях винта. Например, если бы мы сначала нарезали бы резьбу метчиком и убрали лишний материал из резьбы, то проблем с повторным закручиванием было бы меньше. Объясняется это достаточно просто. Аморфные полимеры/пластмассы и аморфная составляющая аморфно-кристаллических полимеров (а с полностью кристаллическими полимерами в быту вы и не встретитесь) обладают упругими свойствами, вплоть до температуры стеклования [ 3]. То есть, при формировании резьбы, поверхность винта деформирует поверхность полимера. При этом полимер частично деформируется необратимо (пластически), что вызывает появление резьбы. Упругая составляющая полимера оказывает ПОЛЕЗНОЕ действие. Она сжимает полимер в отверстии, тем самым увеличивая прочность соединения и предотвращая винт от самооткручивания. Кстати, соотношение упругой и пластичной составляющей меняется при изменении температуры и в зависимости от времени. Но это одельный разговор.

Б) вредное: винт-саморез этим же полем разрушает резьбу при многократном вкручивании-выкручивании.

Опять неточности! Какое "это же поле"? Поле никогда и ничего не разрушает. Наверное, следовало бы написать точнее "поверхность винта посредством поля взаимодействия…" ... но, что это за поле взаимодействия?

И все-таки, почему же винт разрушает резьбу при многократном завинчивании? В чем заключается вредное действие пластической деформации при многократном вкручивании винта? На наш взгляд ответ очевиден, но автор оставил этот момент без какого-либо объяснения. После выкручивания винта упруго деформированная часть пластмассы возвращается в исходное состояние и частично перекрывает резьбу. То есть, отверсие как бы "зарастает". В результате, при каждом последующем вкручивании винт будет входить в новое место и нарезать там новую резьбу, частично деформируя полимер пластично. Таким образом, после нескольких циклов у нас не останется вещества, которое бы удержало винт в отверстии. Между прочим, это явление легко проиллюстрировать, если ввинчивать винт в резину. У резины практически отсутствует пластическая деформация и "разработки" резьбы не будет.

Теперь вернемся к веполю. Как уже было сказано, выбраная вепольная модель не совсем соответствует происходящему. Если рассматривать только пластическую деформацию, то ее следует признать недостаточной при первом формировании резьбы. Тогда надо было бы использовать стандарты класса 2 (форсирование веполей), но никак не стандарты класса 1 (разрушение вредной веполи).

Автор, при разборе задачи, не уделил никакого внимания временному анализу (оперативному времени) - когда, где и почему требуется то или иное поле. Пластическая деформация полимера, действительно, является полезной на этапе формирования резьбы при первом закручивании винта. Упругая деформация полимера тоже является полезной, но только после того, как винт закручен - как уже было сказано, она увеличивает прочность соединения и предотвращает винт от самооткручивания. На этапе закручивания упругую деформацию можно представить, как вредную - действительно, она увеличивает трение между поверхностями, увеличивает необходимое усилие для заворачивания винта, вероятно, создает и микро-нарушения сопряженной поверхности пластмассы за счет трения и адгезии, что не способствует долговечности резьбы. Но это уже скорее не вепольная модель, а физическое противоречие - упругая деформация должна быть близкой к нулю на этапе закручивания, и иметь свое номинальное значение во все остальное время. Разрешить такое физическое противоречие разнесением во времени не представляет большого труда, не прибегая к МПиО....

Идея 1. Использовать вещество-смазку, например, синтетическое масло. Масло снизит трение между поверхностью винта-самореза и резьбой. Как следствие, резьба не будет разрушаться.

Экспериментальная проверка идеи показала, что существенного выигрыша от использования смазки нет. Трение - не главная причина разрушения резьбы. Основная, это механическая деформация, которая возникает каждый раз, когда винт-саморез вкручивают-выкручивают…".

Но, обратите внимание! В тексте откуда-то появилось трение. Кроме того, автор признал, что главной причиной является не трение, а "механическая деформация" (здесь автор указал, что трение возникает между поверхностями винта и резьбы, хотя по предыдущему тексту надо бы было написать между винтом и отверстием). Неясно только, какая это деформация - упругая или пластическая? Прекрасно, но, разве трение создает механическую деформацию? Зачем же тогда было пытаться его уменьшать? К счастью, автор не догадался ввести какое-либо другое вещество, например растворитель, хотя такое действие выглядело бы более логичным - это уменьшило бы упругую деформацию, правда, вместе с ней и пластическую, да и с адгезией получилось бы не очень хорошо - такой винт потом уже и не выкрутить...

К сожалению, автор не написал, куда именно от вводил смазку. Скорее сего, он , не долго думая, обмакнул винт в масло. Между прочим, если уж и вводить смазку, то не на поверхность винта, откуда она моментально будет выдавлена, а на поверхность пластмассы. Причем, лучше это делать при повторном вкручивании винта. Тогда трение уменьшится и вероятность того, что винт войдет в старое отверстие будет немного выше. Ведь, раз трение уменьшится, то при нажатии винт сам скользнет в старую колею.

Затем по стандарту 1.2.4. автор ищет поле, которое нейтрализует разрушающее действие винта-самореза на резьбу. Как уже отмечалось, надо искать не поле, разрушающее вредное действие винта, а поле, улучшающее пластическую деформацию полимера. Кстати, механическое поле метчика для этого тоже подходит. Однако, приемы, используемые в этих случаях, сходны. Это введение вещества или введение поля. А вот методы развитие веполя при использовании стандарта 1.2.4 выпадают. А напрасно!

Здесь возникла мысль: если винт разрушает резьбу, а что если резьбу упрочнить? Но как, каким полем?

Стоп. Откуда возникла эта мысль. Она не следует из логики использования стандартов. Если она пришла сама - то это пресловутый МПиО.

Однако воспользуемся рекомендациями стандартов подкласса 5.2. "Введение полей".

Что у нас имеется: вращение и линейное перемещение винта, трение поверхностей винта и отверстия, деформация пластмассы, адгезия, адсорбция. Сильных идей либо нет, либо требуется их тщательная проверка. А это время, ресурсы.

Опять каша - теперь трение между винтом и отверстием! Вместо винта появились (и вполне справедливо) трение и деформация поверхностей, а также адгезия (это важно!) и адсорбция (а вот она, пока, абсолютно непричем).

Далее следует тепловое поле (нагрев, охлаждение). Из опыта работы я знал, что поверхность некоторых пластмасс, после того как её предварительно размягчить нагревом, упрочняется. Эксперимент на пластмассе основания подтвердил мои ожидания - упрочнение есть. Осталось решить, где взять источник нагрева и как нагреть резьбу в отверстии.

Опыт работы, это хорошо. Но откуда взялось утверждение, что поверхность пластмасс упрочняется после нагрева? Один из авторов этой статьи немого занимался данными проблемами [ 4] и будет очень благодарен за информацию, подтверждающую данное утверждение. Насколько было ранее извесно, упрочняются при закалке некоторые металлы и виды сталей. Для полимеров, как правило, это или не играет особой роли, либо приводит к ухудшению свойств за счет термической деструкции. Речь может идти только о некотором уплотнении поверхности за счет ликвидации мелких дефектов.

Кроме того, температуру можно менять в разные стороны. Если полимер охладить, то упругая составляющая уменьшится. Правда, при этом пластическая составляющая вообще сойдет на нет, а останется только хрупкая - полимер превратиться в стекло. Многие из читателей не могли себе отказать в удовольствии вдребезги разбить резиновую трубку, обмакнув ее перед этим в жидкий азот! И механическая обработка охлажденных резин тоже достаточно известна. Так что отбрасывать этот вариант из рассмотрения, или, хотя бы, упоминания совсем - едва ли целесообразно. Хотя, именно саморез в этом случае может полимер расколоть.

Идея 2. Нагреть предварительно винт-саморез до температуры размягчения пластмассы (но не расплавления!). Затем вкрутить винт в отверстие. За счет механического поля происходит формирование резьбы, а за счет теплового поля происходит ее размягчение с последующим упрочнением.

Итак, несмотря на неправильно поставленную первоначальную проблему, автор пришел к выводу, который на первый взгляд кажется правильным. Действительно, после вкручивании нагретого винта мы сдвигаем полимер в область пластичной деформации. Резьба формируется более точно, а при охлаждении оставшейся упругой составляющей хватает, чтобы прочно держать винт. Это хорошо для бытовых целей, но ведь мы рассматриваем общий принцип решения пообных задач.

А вот здесь мы должны сильно огорчить возможных пользователей данной методики. Дело в том, что температуру винта надо поддерживать очень точно. Это связано с явлением, которое называется "температура липкости". Не пытайтесь найти этот термин в обычных справочниках, т.к. эта характеристика не является физической константой. Однако, любому переработчику пластмасс она хорошо знакома и отмечена в специализированных справочниках [ 5]. Это температура, составляющая 0.7 - 0.9 от температуры плавления, при которой поверхность металла начинает прилипать к поверхности полимера за счет уже упомянутой адгезии. В результате, если винт перегреть, то он прилипнет к полимеру и разворотит все гнездо. Кстати, на свойстве прилипать к металлической поверхности есть даже способ определения природы полимера [ 6].

Как какое-то разовое, уникальное действие на уровне искусства - такой способ можно признать, но как способ для массового производства - едва ли...

Далее, автор отметает все другие поля. Ну ладно, ультразвук в квартире встречается не часто, а как же химическое поле? Между прочим, если вернуться к идее ввести на поверхност раздела масло, то можно вспомнить, что в некоторых маслах полимеры набухают за счет той самой уже упомянутой сорбции (точнее абсорбции). Это значит, что при хорошем выборе смазки мы получим уменьшение трения (хорошо), а затем растворение масла в полимере. Полимер набухнет, увеличиться в размерах и зажмет винт. Иногда это может быть полезно. Кстати, именно поэтому "холодные" сапожники держали гвоздики во рту. Такой гвоздь входил в подметку легче, а затем ржавел, увеличивал свой объем и плотно сидел в ботинке.

А теперь перестанем критиковать уже выполненную работу и попытаемся ее продолжить. Как уже было отмечено, автор, на наш взгляд, неправильно определил конфликтующую пару и цели улучшения. А ведь здесь, возможно, лежит еще одно решение. Ведь явно торчит техническое противоречие типа: винт-саморез хорошо удерживается в пластмассе за счет остаточной упругой деформации, но избыточная упругая деформация мешает повторно ввернуть винт в то же место. Метчик слишком хорошо удаляет лишний полимер, но при этом упругой составляющей не остается совсем. Зато в это отверстие винт многократно войдет как положено, правда держаться не будет. Следовательно, если испортить метчик, точнее заставить саморез немного полимера срезать, то можно получить требуемый эффект. Как вы отнесетесь в саморезу с вертикальной проточкой по резьбе?

Таким образом, в расмотренной работе не только допущен ряд принципиальных ошибок, при испоьзовании процедур ТРИЗ, но и дана рекомендация использовать метод, который имеет существенный ограничения и может привести к порче изделия. Естественно, что любой исследователь имеет право на ошибку. Но когда эта ошибка предлагается в качестве образца для подражания, то ее цена многократно возрастает.

Мы понимаем, что для решения данной конкретной задачи не обязательно городить огород, и рассматривать абсолютно все возможные варианты концепций, но ведь методика или применима ко всем объектам без исключения, или это не методика. Ведь тем, что мы с вами предлагаем для широкого круга читателей будут, возможно, использовать как образец для решения сходных проблем! Дорогие коллеги! Если мы хотим, чтобы специалисты серьезно воспринимали ТРИЗ, а не морщились при его упоминании, мы должны не только корректно использовать уже имеющиеся в нашем распоряжении инструменты, но и развивать их. Одним из методов развития методологии, на наш взгляд, как раз и является открытая дискуссия по всем проблемным вопросам ТРИЗ. С уважением,

Василий Леняшин - ТРИЗ консультант, Самсунг

Александр Кынин - ТРИЗ консультант, Самсунг

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Олег Шмигельский, 2000 o_ches@mail.ru Источник: http://www.trizminsk.org/e/215006.htm; http://trizland.ru/trizba.php?id=137

2. ПРИМЕНЕНИЕ СТАНДАРТОВ ПРИ РЕШЕНИИ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ Леняшин В.А., Кынин А.Т. В печати.

3. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. М.:Химия 1978 544с.

4. КЫНИН Александр Тимофеевич "ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВОЛОКНООБРАЗУЮЩИХ ПОЛИМЕРОВ ПРИ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ" диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Санкт-Петербург 2002.

5. Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимерных материалов. //М.: Высш. школа. 1966 314с.

6. АС 2085922 RU 1997.07.27 СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВИДА ТЕРМОПЛАСТИЧНОГО МАТЕРИАЛА Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна Кынин А.Т., Трегер М.Е., Гребенников С.Ф., Перепелкин К.Е.

7.Г.С.АЛЬТШУЛЛЕР, Б.Л.ЗЛОТИН и др. ПОИСК НОВЫХ ИДЕЙ: ОТ ОЗАРЕНИЯ К ТЕХНОЛОГИИ //Кишинев: Карта Молдовеняска. 1989 380с.

P.S.:Мы готовы опубликовать комментарии всех заинтересованных лиц, касающиеся данных задач.
Наш адрес: info@metodolog.ru