Главная    Инструменты    Учеба    Методические рекомендации для проведения практических занятий

Методические рекомендации для проведения практических занятий

Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий

Составитель А.В.Кудрявцев

1987

Методические рекомендации адресованы преподавателям Высших государственных курсов повышения квалификации руководящих, инженерно-технических и научных работников по вопросам патентоведения и изобретательства (ВГКПИ) Госкомизобретений. Эти рекомендации могут быть полезны также преподавателям общественных форм обучения, ведущим занятия с инженерно-техническими работниками, преподавателям отраслевых институтов повышения квалификации руководящих работников и специалистов.

МЕТОД МОЗГОВОГО ШТУРМА

Мозговой штурм - один из наиболее известных методов, применяемых для коллективного поиска решений. Основная цель метода - найти как можно больше различных направлений решения поставленной проблемы. Автор метода - американский инженер и ученый А.Осборн, время разработки -40-е годы.

Работа в рамках метода проводится в несколько этапов: подготовка, проведение штурма (выдвижение идей), оценка и отбор идей, проработка и развитие наиболее ценных идей. Общее руководство работой на всех этапах осуществляет ведущий - специалист, компетентный не только в области решаемых задач, но и в психологии малых групп.

На этапе подготовки формулируют проблему, осуществляют выбор участников поисковой группы. Это генераторы - люди, обладающие богатым творческим воображением, фантазией, и эксперты - люди с аналитическим складом мышления, квалифицированные специалисты. Под руководством ведущего генераторы проводят сессию выдвижения идей, а затем эксперты оценивают эти идеи.

Метод мозгового штурма применяется, как правило, при решении новых для разработчиков проблем, в условиях отсутствия объема информации, достаточного для проведения логического анализа. В целом же метод мозгового штурма носит универсальный характер, т.е. может быть использован при решении задач различных типов, возникающих в самых разных областях техники. Существует несколько разновидностей мозгового штурма, отличающихся числом участников, количеством и продолжительностью циклов их работы. Наибольший интерес представляет обратная мозговая атака, в рамках которой на этапе генерации выявляются все возможные недостатки объекта исследования.

Методические рекомендации по выполнению упражнений

Мозговой штурм - наиболее широко известный метод коллективной генерации идей с отсроченной экспертизой. Важнейшей составляющей мозгового штурма является деятельность ведущего. Он должен обеспечить качественное выполнение работы как на этапе генерации, так и на этапе анализа.

Формулирование проблемы в оптимальной для решения форме предполагает осознание уровня и особенностей людей, привлекаемых к работе. Основными типами формулировок проблем являются:
в том виде как она дана;
в виде проблемы-аналога;
в обобщенном виде;
на уровне физических взаимодействий элементов системы.
Кроме того, для каждого типа могут быть даны обратные проблемы.

Таким образом строится восемь типов формулировок заданной проблемы. Так, например, если проблема имеет вид: "Как предохранить человека от падения при гололеде", то проблема - аналог может быть дана в форме: "Разработать средства, повышающие эффективность работы фрикционной муфты". Проблема в обобщенном виде может быть сформулирована так: "Повышение надежной фиксации тела на случайной поверхности в условиях низкой адгезии". Для уровня физического взаимодействия элементов системы в общем случае может быть дано несколько вариантов. Например, "Повышение эффективности контакта двух плоскостей" или "Средства парирования горизонтальной составляющей силы, действующей на тело, лежащее на наклонной поверхности".

Обратные проблемы могут быть сформулированы в следующем виде:
"Создание особо скользкой поверхности, специальной обуви для тренировки спортсменов, для аттракционов и пр.";
"Направления уменьшения трения в парах трения";
"Снижение порога устойчивого положения тела на поверхности";
"Усиление воздействия горизонтальной составляющей на тело, лежащее на наклонной поверхности".
Следует отметить, что переформулирование первоначально заданной проблемы имеет свои особенности.

Для поиска проблемы - аналога следует выявить реализуемую функцию, а затем искать области, в которых реализуется та же функция. Аналогия будет тем более далекой, а значит эвристически более интересной, чем в более обобщенном виде окажется сформулированной функция. Операция выявления аналогов близка операции обобщения проблемы. Проблема в обобщенном виде - это по сути один из аналогов. Уровни обобщения тоже могут быть различными. В развернутом предложении (им, как правило, и является формулировка проблемы) обобщение любой части уже служит обобщением всей фразы. Повышение уровня обобщения, следовательно, определяют степенью обобщения всех составляющих проблемы, а также уровнем обобщения каждого элемента. Выявление проблемы как взаимодействия элементов системы на физическом уровне требует от ставящего проблему предельного внимания. Дело в том, что формулировка на физическом уровне обычно бывает более узкой, чем первоначально поставленная проблема. Полностью описать ее можно только совокупностью вариантов на физическом уровне. Выбор любого иэ вариантов приводит к решению частной подпроблемы.

Построение инверсной формулировки также не всегда очевидно. Так, например, проблему "Повышение точности измерения..." нецелесообразно менять на "Уменьшение точности измерения...". Обе формулировки этой проблемы (прямая и обратная) должны иметь общественную значимость. Следовательно, в данном случае предстоит переформулировать, например, проблему. "Уменьшить трение в движущемся узле" на "Увеличить трение в движущемся узле".

Важнейшее значение для достижения целей с помощью мозгового штурма имеет этап генерации, т.е. выдвижения идей. Работа в роли генератора требует специфических навыков, соблюдения ряда правил. Наиболее известны и важны следующие:
запрет критики;
запрет обоснования выдвигаемых идей;
поощрение выдвижения любых идей, в том числе фантастических, нереальных и пр.

Важнейшая черта генератора - оптимизм, вера в то, что лучшие предложения, идеи еще впереди. Это позволяет не останавливаться на уже выдвинутых идеях, а расширять спектр направлений поиска. Еще одним важным качеством генератора является доброжелательность, готовность подхватить любую идею, развить ее. Процесс генерации происходит, как правило, в течение небольшого времени - 20-30 мин. Здесь не учитывается время на уяснение задачи. Обычно задачи следует давать в общем виде, без обилия специальных терминов, пояснений и уточнений. Важно, чтобы генераторы также увидели ситуацию в самом общем виде.

Ниже для примера дано несколько практических задач.

Задача 1

Железнорудный концентрат, перевозимый на судах с несекционными трюмами, даже при незначительной качке склонен к разжижению. Такая полужидкая масса приносит много хлопот. При кренах, например, масса перетекает к одному борту и создает угрозу переворота судна. Предложите как можно больше вариантов устранения этого недостатка.

Задача 2

Для того чтобы снять судно с мели, необходимо приложить к нему силу, источник которой зафиксирован в какой-то точке. Лебедки на корабле имеются. Но где найти точку опоры, ведь кругом море?

Задача 3

Для многих агрегатов, работающих в жестких условиях (например, барабанные мельницы), жизненно важным является индикация состояния их футеровки (защитный слой, не допускающий среду к элементам, обеспечивающим прочность конструкции). Предложите простые, наглядные способы индикации разрушения слоя футеровки.

Задача 4

Необходимо контролировать герметичность трубопроводов в сложной технической системе. Визуальный контроль исключен, а контроль по падению давления ненадежен. Необходимо контролировать малые утечки жидкости. Найдите выход.

Задача 5

Для -маски кинескопа необходимо изготовить поверхность толщиной 0,3 мм, усеянную круглыми отверстиями капиллярного сечения (0,1 мм), расположенными вплотную друг к другу. Предложите способ изготовления подобных конструкций с учетом, что общее число отверстий в маске - порядка сотен тысяч.

Задача 6

Представьте себе ремонтно-восстановительный цех, где от начала до конца ремонтируют автомашины специального назначения (милицейские, пожарные, машины скорой помощи и др;). Бьют кувалды, полыхают огни кузнечных горнов, мечутся сполохи электро- и газосварки, шипит вода и воздух на обмывочных, окрасочных и обдувочных участках, воют проверяемые сирены машин. Нечто похожее на ад.

Представили? Теперь предложите для этих условий способ сигнализации о пожаре (или иной тревоге).

Задача 7

Радиоэлектронная аппаратура выделяет довольно много тепла. Если она находится в герметично закрытом шкафу, это приводит к перегреву радиоаппаратуры. Не помогают и вентиляторы - они гоняют раскаленный воздух. В то же время шкаф имеет большую поверхность и мог бы быть неплохим радиатором. Недостаток в том, что воздух плохой проводник тепла и медленно отдает его металлической стенке. Предложите систему, позволяющую решить эту задачу.

Задача 8

В исследовательских целях потребовалось определить потери смазочного масла в агрегате от испарения. Обычно измеряют количество масла до испытаний и после, затем находят разность. Однако трудно собрать все масло после проведения испытаний, поскольку какая-то его часть все равно остается на элементах агрегата, а значит и точность способа мала. Предложите новый способ определения потерь смазочного масла.

Задача 9

Микропримеси в потоке газа определяют, конвертируя их в молекулярные ядра конденсации, а затем конденсируя на них пересыщенный пар, т.е. создавая поток аэрозоля. Этим устраняется одно из основных противоречий измерительной техники - вещества должно быть мало (по условиям) и много (для качественного измерения). На каждую частичку надевают водяную шубу, концентрацию же аэрозолей определяют уже давно апробированными средствами. Сложности при определении возникают тогда, когда микропримеси неоднородны, а необходимо измерять количество только одного компонента. Остальные создают фон, мешающий проведению измерений. Как быть?

Важный этап мозгового штурма -проведение анализа. Основная последовательность действий при анализе каждой идеи может быть представлена в виде следующей блок-схемы.

Характер работы аналитиков в какой-то мере (особенно при выполнении этапов 6 и 7 блок-схемы) аналогичен работе, проводимой при использовании метода морфологического анализа. Важнейшим на этапе анализа является требование выявления рационального зерна, полезного принципа в каждом предложении, представленном генераторами.

Следует отметить, что сравнительный анализ идей так же, как. и классификация принципов, невозможен без приведения всех уровней обобщения к единому.

При проведении мозгового штурма, как правило, используют следующие уровни обобщения:
формулировка цели и целей-альтернатив;
определение функциональных принципов достижения цели;
определение структурных принципов реализации функции;
определение физических принципов реализации структуры;
описание технических устройств, осуществляющих конкретный физический принцип.

Задача 10

Ведущий поставил перед группой генераторов следующую задачу. Поилка для крупного рогатого скота представляет собой металлическое корыто длиной 18,5 м и шириной 60см. o Вода в поилку подается подогретой с постоянной температурой, определенной зоотребованиями. При этом зимой теряется много тепла, а летом вода испаряется. Необходимо предложить решения, уменьшающие потери воды и тепла, по крайней мере, на 20%.

Генераторы выдали следующие идеи, направленные на решение этой задачи:

1. Сделать так, чтобы вода появилась только на время поения.

2. Нагревать лишь поверхностный слой воды.

3. И только когда коровы пьют.

4. Борта поилки делать летом белыми, а зимой черными.

5. На поверхности плавает щит из материала с плотностью чуть большей, чем у воды. Коровы толкают его вниз. После падения он медленно всплывает и перекрывает поверхность.

6. Разделить поверхность поилки на секции, которые открываются только при подходе коров.

7. Перейти на индивидуальные поилки.

8. Покрыть поверхность воды шарами.

9. Сделать покрытие из пленки с отверстиями.

10. Убирающиеся шторки.

11. Подогревать воду прямо у корыта.

12. В качестве источника тепла использовать навоз.

13. Поставить поилку под навес, чтобы солнце не нагревало воду.

14. Каждой корове выделить по соске, торчащей из поилки.

15. В соске осуществлять подогрев воды.

16. Выполнить поверхность корыта в виде губки.

17. Поверхность частично закрыть плавающими щитами.

18. Набросать сверху на поверхность легкий комбикорм.

19. Сделать отражатель солнечных лучей, пусть он концентрирует их на корыте.

20. Если турбулизовать поверхностный слой воды, возможно испарение ее уменьшится.

На этом этап генерации был закончен.

Рассмотрите поставленную задачу и полученные на этапе генерации идеи. Правильно ли поставлена задача? Найдите погрешности, постарайтесь их устранить. Проведите классификацию полученных идей по степени обобщенности и направлениям. Дополните классификацию, постройте дерево целей-средств по данной проблеме.

МЕТОД МОРФОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Суть этого метода состоит в выявлении и систематическом исследовании всех возможных вариантов исполнения объекта, вытекающих из закономерностей его строения (морфология) . Автор метода - известный швейцарский астроном Ф. Цвикки. Время разработки метода - 1942 г. Ф. Цвикки определял морфологическое исследование как целостное исследование, из которого можно объективно вывести все решения данной проблемы.

Метод предусматривает выполнение работ в пять следующих один за другим этапов.

1.  Формулируют цель, задачу, дают возможно более полное и точное определение исследуемого объекта.

2.  Выявляют и раскрывают набор характеристик объекта, его параметров, функций, необходимых для существования и функционирования объекта, решения задачи.

3.  По каждой характеристике раскрывают возможные варианты ее исполнения. Полученные варианты сводят в матрицу.

4.  Составляют все возможные комбинации вариантов, определяют их функциональную ценность, исключают из рассмотрения технически не совместимые, не новые.

Метод предназначен для расширения поля видения проблемы, обеспечения объективности при анализе вариантов, вскрытия резервов и реализации нового на основе уже существующей элементной базы.

В процессе морфологического исследования следует учитывать следующие требования:
-обеспечение максимально точной формулировки анализируемого объекта, определения поставленной проблемы;
-обеспечение равного внимания ко всем составляющим объекта исследования;
-нейтральное отношение к получаемой информации в процессе построения осей и выявления вариантов реализации составляющих.

Первым и важнейшим шагом при морфологическом анализе является определение объекта исследования. Под этим понимается логический прием, предназначенный для раскрытия содержания понятия. Он показывает сущность определяемого объекта, его связи и отличия от других объектов. Назначение определений состоит, как правило, в том, что они суммируют основное (свойства, качества) или понятое в объекте. При решении поисковых задач определения даются обычно для объектов, представляющих собой продукты целесообразной человеческой деятельности. Цель, которой должны служить эти объекты, и составляет существенную особенность, обязательно учитывающуюся при определении.

Основными видами определений, которые целесообразно использовать в индивидуальной и коллективной творческой работе, следует считать следующие.

Определение через ближайший род и видовое отличие. Это логический прием определения понятия, заключающийся в том, что отыскивают и называют его ближайшее родовое понятие и отличительные признаки, отсутствующие у всех других видов предметов, входящих в этот ближайший род. (Например, фломастер определяют как автоматическое переносное пишущее устройство, у которого пишущий узел и узел хранения красящего вещества выполнены в виде фитиля).

Реальное определение. Это определение понятия, отображающее существенные признаки объекта и имеющее своей целью отличить определяемый объект от всех других указанием на его существенные признаки. Например, холодильник определяют как устройство, содержащее двигатель, компрессор, радиатор, морозильную камеру и герметично закрывающийся шкаф.

Операционное определение. Это определение объекта через описание специальных для него измерительных операций. (Так, металл можно определить как вещество, обладающее малым сопротивлением прохождению электрического тока). Чаще всего этот прием применяют в начале изучения объекта.

Синтаксическое определение. Это определение объекта через способы оперирования с ним. (Например, алгоритм определяют как процедуру решения задачи, которая выполняется лишь при тщательном соблюдении всех предписаний; лупу - как устройство, которое необходимо поместить между исследуемым объектом и. глазом, чтобы увидеть объект в увеличенном виде).

Второй шаг морфологического анализа - выявление совокупности осей, фактически отражающей внутреннюю структуру объекта.

Подобное исследование может быть произведено либо дедуктивным путем (как следствие формулирования определения, вскрывающего истинную цель существования объекта и объективно необходимые для этого составные части), либо индуктивным путем (как следствие сравнения различных вариантов, модификаций, близких родовых объектов, выявления и определения присущих им всех составных частей, выполняемых функций и пр.). Дедуктивный путь исследования возможен при высокой культуре исследования. Его использование говорит о понимании разработчиком назначения объекта. Индуктивное исследование, как правило, проводится на начальных этапах существования системы или работы с ней. Оба пути в целом совершенно равноправны и позволяют добиваться хороших результатов при построении морфологических матриц.

Третий шаг морфологического анализа - поиск альтернативных вариантов реализации составляющих, функций, найденных на предыдущем шаге. По сути он является в большой степени информационным, так как состоит в сборе различных способов осуществления, как правило, известной функции (или поиска вариантов конкретизации обобщенного понятия). На данном шаге важно выполнять вышеприведенное правило о нейтральном отношении к используемой информации.

Оценку полученных вариантов производят только после полного построения матрицы. Например, в качестве объекта анализа выбран утюг. Определение утюга может быть следующим. Утюг - устройство для разглаживания тонких поверхностей (оболочек), преимущественно из тканных материалов, на основе нагрева составляющих волокон и фиксации их в нагретом состоянии и требуемом геометрическом положении, определяемом формой подстилающей поверхности.

Такое определение, будучи, возможно, не вполне точным, позволяет, однако, выявить три основные составляющие, необходимые для функционирования утюга. Такими составляющими на уровне подфункций являются: нагрев материала, распрямление материала, давление на материал.

Нахождение возможных вариантов осуществления данной функции приводит к следующему:
A.   Нагрев материала:
А1. Контактом с нагретой поверхностью;
А2. Лучеиспусканием (источник света);
A3. Паром, горячим воздухом;
А4. Ударами, давлением, трением.
Б.   Распрямление материала:
Б1. Заостренным носком утюга;
Б2. Размещением материала в рамке, расположенной по периметру, и увеличением размера этой рамки;
БЗ. Струей воздуха.
B.   Давление на материал:
В1. Тяжестью самой конструкции (утюга);
В2. Передачей на материал веса гладящего;
В3. С помощью магнитного прижима к доске;
В4. С помощью реактивных сил.

Общий вид полученной матрицы:

А1А2A3 А4
Б1 Б2 БЗ
В1 В2 ВЗ В4

Общее число вариантов, скрытых в морфологическом ящике, равняется произведению сумм вариантов исполнения каждого из них. В данном ящике их будет 48.

Среди них есть и классическая конструкция утюга (варианты А1, Б1, В1 или А1, В1, В2) и такие "экзотические" варианты, как А2, БЗ, В4 (утюг в виде комбинации мощной лампы и вентилятора, распрямляющего материал и создающего давление на него). Выбор наиболее эффективных в конкретных условиях вариантов производят с помощью методов экспертных оценок.

В качестве учебных задач при изучении метода морфологического анализа предлагается провести исследование следующих объектов.

Задача 11. Косилка.

Задача 12. Градирня.

Задача 13. Устройство для отделения корнеклубнеплодов от механических примесей.

Задача 14. Подшипник.

Задача 15. Геркон.

Задача 16. Клапан.

Задача 17. Плавка металла в вакууме.

Задача 18. Лифт.

АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ (АРИЗ)

Метод предназначен для логического анализа технической системы с целью выявления и устранения присущих ей недостатков. Автор метода советский специалист Г.С.Альтшуллер. Метод представляет совокупность последовательно выполняемых операций, объединенных в несколько стадий. Выполнение каждой из операции (шаг алгоритма) задается правилами и рекомендациями. Метод применяют обычно для решения задач, характерной чертой которых является наличие технического средства, предназначенного для выполнения искомой функции (прототипа) при условии, что нежелательный эффект, мешающий функционированию, может быть локализован при описании.

В настоящее время известно много модификаций алгоритма, однако базовыми для всех вариантов являются следующие два понятия:

"Идеальная техническая система" - получение желаемого продукта без затрат;

"Техническое противоречие" - выявление недостатков, мешающих функционировать улучшаемой технической системе.

Большой объем АРИЗ затрудняет его полное приведение в рамках данных методических рекомендаций и разбор задач по всей схеме. Автор рекомендует посвятить изучению метода не менее 72 часов. Поэтому в рамках более коротких курсов обучение целесообразно сконцентрировать на основных понятиях. В методических рекомендациях приведен сокращенный (учебный) вариант алгоритма.

1. Идеальная техническая система

Одной из важнейших (системных) закономерностей, присущих всем объектам техники в их историческом развитии, следует считать закономерность уменьшения затрат на получаемую продукцию. Доведенная до своего логического завершения эта закономерность позволяет построить специфическую модель технического объекта - идеальную техническую систему.

Под идеальной технической системой понимают получение полезного результата без каких бы то ни было затрат, т.е. реализация функции в чистом виде. Предмет такой обработки сам преобразуется в нужное изделие. Модель объекта, с которой работают при функциональной идеализации, очень эвристична.

Предполагается, что требуемую функцию получают без каких-либо затрат, а следовательно, и без технической системы. Модель объекта состоит в том, что самого объекта нет. Выполнение его функции в рамках этой модели поручают тому объекту, обработка которого является поставленной целью. При этом предполагают, что объект обработки имеет для этого определенные внутренние резервы. Если объект уже обрабатывается некоей системой, то выполнение требуемых функций можно возложить на нее.

На основе представленной модели развития технической системы можно выявить общий принцип. Суть его состоит в том, что при необходимости реализовать функцию задачу эту возлагают на объект обработки либо элемент, уже выполняющий какую-то функцию. Различают модели следующих типов:
а) обрабатываемый объект - отсутствующая техническая система;
б) инструмент - отсутствующие вспомогательные элементы;
в) инструмент 1 - отсутствующий инструмент 2.

Сама постановка вопроса стимулирует поиск резервов, что в большинстве случаев приводит к возможности существенно уменьшить сложность инструмента, обрабатывающей системы.

Вот пример.

Месояхское месторождение природного газа, многие годы питавшее энергией Норильск с его мощным металлургическим комбинатом, со временем потеряло силу: упало давление в подземных пластах. Скважины пришлось законсервировать, хотя по подсчетам специалистов в недрах осталось еще не меньше половины запасов газа. Оставлять в недрах такое богатство нельзя, но и откачивать газ специальными насосами невыгодно, так как обходится весьма дорого.

Модель системы будет иметь вид: "газ сам выходит из недр". Еще более точно: "газ сам откачивает себя из недр". Здесь может быть предложено откачивать газ, вращая насосы двигателями, работающими на том же газе. Но это, как уже выяснили, дорого. Задача была решена разработчиками, сумевшими использовать для откачки газа энергию другого месторождения. Газоносные пласты Месояха подсоединили через эжекторную станцию к трубопроводу, по которому с большой скоростью идет газ Соленинского месторождения. Этот скоростной поток и служит откачивающей средой. Таким образом удается извлекать ежегодно сотни миллионов кубометров газа. Подобные решения, когда энергия среды дополнительно совершает полезную работу, встречаются довольно часто.

Сравните только что рассмотренный пример с еще одним предложением. Это изобретение по а.с. № 724701. Способ ликвидации открытых фонтанов путем бурения дополнительной наклонной скважины и нагнетания через нее жидкости в фонтанирующую скважину. При этом способе внутреннюю полость колонны труб скважины сообщают с затрубным пространством в интервале, расположенном над кровлей продуктивного пласта.

Принципы повышения идеальности технических объектов различных типов
Вид технического объектаПравила построения и преобразования технического объекта для повышения степени его идеальности (принципы идеальности)
1. ВЕЩЕСТВО.- совокупность закономерно организованных в пространстве и образующих единое целое материальных частиц, обеспечивающая определенный набор свойств.
Характерные признаки: а) имеет макроструктуру - три агрегатных состояния, микроструктуры не имеет; б) отзывчивость на воздействие определенных физических полей; в) замещение (вытеснение) пространства в равнозначном объеме; г) наличие массы.
Идеальное ВЕЩЕСТВО - заданный набор свойств вещества при отсутствии самого вещества. Для максимального приближения к идеалу следует стремиться: реализовать свойства вещества в объеме путем использования физических полей; использовать "неполезные" выходы других подсистем в объекте; вместо введения в систему новых элементов использовать видоизменение имеющихся элементов или внешней среды; выявление и использование скрытых побочных свойств как соседних объектов, так и самого объекта обработки, (например, воздушная подушка, магнитная опора).
2. УСТРОЙСТВО - совокупность закономерно организованных в пространстве вещественных элементов, обеспечивающая при взаимодействии определенный набор функций. Характерные признаки: а) для функционирования необходимы энергия и затраты на управление; б) имеет определенную макроструктуру в отношении энергопотоков при функционировании.Идеальное УСТРОЙСТВО - воплощение его макроструктуры в одном веществе, которое под влиянием внешних факторов (полей) само реализует главную полезную функцию системы.
Это обеспечивается при повышении степени неоднородности частей системы в пространстве, в частности, путем концентрации энергопотока (фокусировка в пространстве); повышении динамичности (вплоть до отброса и регенерации частей системы), повышении управляемости вплоть до самоорганизации и саморегулирования, использовании фазовых переходов I и II рода, физических полей при максимальном использовании скрытых свойств элементов ТС; уменьшении числа компонентов в структуре системы путем перехода к эффективным физическим принципам преобразования энергии и новым материалам;
согласовании пространственных и временных ритмов частей системы (например, терморегулятор на веществе с точкой Кюри в заданной температурной точке).
3. СПОСОБ - совокупность закономерно организованных в пространстве элементов, обеспечивающая при функционировании и управлении заданный (организованный во времени), набор операций по обработке какого-либо объекта. Характерные признаки: а) для функционирования элементов необходима энергия и определенная система управления; б) функционирование элементов осуществляется по строгому временному графику. Часть элементов при этом простаивает; в) макроструктурных связей по функционированию между элементами, как правило, нет, так как имеет место временная структура.Идеальный СПОСОБ - обеспечение всего набора операций обработки одним устройством практически без затрат времени, энергии и затрат на управление (например, штамповка). Для этого следует: максимально использовать время путем повышения непрерывности процессов, полезного использования холостых и промежуточных ходов и пауз; повышать степень "отзывчивости" системы, ее элементов к процессу путем предварительного исполнения части требуемых действий; переходить от последовательно выполняемых операций к выполнению параллельно;
обеспечить согласование временных ритмов подсистем.

Ниже приведены задачи 19-26 для отработки навыков использования понятия идеальной технической системы. Цель решения задач - сформулировать идеальный конечный результат, т.е. эвристическую функциональную модель одного из трех перечисленных выше типов, и предложить решение, близкое к формулировке идеального конечного результата (ИКР).

Задача 19

Тепловая труба представляет собой герметично запаянную трубку с пористым слоем на внутренней боковой поверхности, из которой выкачан воздух и залит теплоноситель. При нагреве одного из оснований теплоноситель вскипает и его пары конденсируются на другом основании, от которого тепло отводится, капли же конденсата по капиллярам идут в зону нагрева. Система проста и надежна. Необходимо разработать простой способ определения момента выхода тепловой трубы на рабочий режим.

Задача 20

К металлическим шарикам, применяемым в шарикоподшипниках, предъявляют высокие требования как по геометрическим параметрам, так и по однородности (отсутствие внутренних пустот). Просвечивание каждого шарика и измерение его размеров потребуют разработки ряда сложных устройств. Необходимо найти дешевый и точный способ отбраковки шариков.

Задача 21

Существуют специализированные подшипники качения, в которых тела качения выполнены полыми и частично заполнены теплоносителем. Однако неполное заполнение внутреннего пространства тела качения теплоносителем приводит к нарушению балансировки его массы и, следовательно, ускоренному износу. Как быть?

Задача 22

Шлифовальный круг в процессе работы "засаливается". Это происходит из-за того, что к его поверхности пристают частички снятого с детали материала. Очистку круга проводят с помощью других кругов, что приводит к большим затратам времени. Предложите эффективный способ очистки.

Задача 23

В процессе работы необходимо оперативно определять степень остроты режущей кромки инструмента. Как быть?

Задача 24

В начале зимы водосточные, трубы, как правило, заполняются льдом. Весной лед начинает оттаивать и возможны ситуации, когда ледяная пробка, подтаяв с внешней стороны и потеряв сцепление с трубой, летит вниз и вырывается на тротуар. Находиться в это время вблизи водосточной трубы крайне рискованно. Выколачивание же льда - очень дорогое и длительное мероприятие. Дайте предложения по решению проблемы.

Задача 25

Для завинчивания крышек различных химических аппаратов (теплообменники, реакторы и т.д.) применяют шпильки - металлические стержни с резьбой по обоим концам. На один аппарат, как правило, требуется 30-500 таких, шпилек. Все они должны иметь клеймо, где указан номер аппарата. Клеймо наносят ударом молотка по остро заточенной форме, приложенной к торцу шпильки. Работа трудоемкая, делать ее надо сразу после изготовления шпильки. Предложите, как усовершенствовать этот процесс.

Задача 26

При выплавке легированных сварочных сталей возникает необходимость поддерживать в процессе плавления и изготовления повышенную концентрацию азота. Азот, однако, интенсивно уходит из расплава. Прокачивать через сталь газообразный азот нельзя, так как при этом увеличивается количество газовых включений. Как удержать имеющийся азот в жидком металле?

2. Техническое противоречие (Противоречие в развивающейся технической системе)

Одно из основных положений теории поиска новых технических решений гласит: каждое творческое техническое решение является звеном в цепи развития объекта творчества - технического объекта. Закономерности развития объектов техники познаваемы и могут быть использованы для поиска технических решений.

Технические проблемы появляются при возникновении и обострении противоречия между общественной потребностью и возможностью ее удовлетворения. Эти противоречия возникают постоянно, поскольку потребности динамичны, изменяются качественно и количественно.

В технической системе (ТС) вполне определенные, однозначные количественные изменения внутри системы (на уровне физических свойств и взаимодействий элементов) приводят к двум противоположным результатам на уровне входа и выхода системы: к улучшению одной и ухудшению другой стороны системы. Иными словами, появляется противоречие развития технической системы или техническое противоречие. Оно служит движущей силой развития технической системы.

Техническое противоречие (ТП) - противоречие, проявляющееся в технической системе в виде ухудшения одного ее качества на уровне внешнего функционирования (т.е. с позиции надсистемы, общества) при улучшении другого качества технической системы. Точнее сказать: ТП - диалектическое единство положительного и нежелательного эффектов, взаимообусловленных изменениями параметра узлового компонента технической системы. (Формулировка Б. Голдовского)

Узловой компонент (УК) - элемент, группа элементов или взаимодействие между элементами, обеспечивающие реализацию (или участвующие в реализации) двух качеств системы, при которой количественное изменение параметра компонента приводит к улучшению одного и ухудшению другого качества. Из определения ТП следует, что для его выявления необходимо найти:

улучшаемую и ухудшаемую стороны технической системы (ТС);

компонент системы, связанный с этими двумя сторонами (узловой компонент);

параметр УК, количественное изменение которого приводит к улучшению одной стороны и ухудшению другой стороны технической системы.

Связь УК, его параметра и сторон системы, составляющих противоречие, видна из приведенной ниже схемы, отражающей логическую структуру противоречия.

где УК - узловой компонент;
А, Б - стороны ТС;
а - параметр УК;
-его отрицание;
ПЭ - положительный эффект (улучшение);
НЭ - нежелательный эффект (ухудшение).
ТП = ПЭ А + НЭ Б (увелич. а УК) ТП = НЭ А + ПЭ Б (увелич. Т УК)

Выявление противоречия в том случае, когда известно требуемое улучшение или имеющееся ухудшение одной из сторон технической системы, следует производить в следующей последовательности:
а) построить причинно-следственную цепь между улучшаемой и ухудшаемой сторонами системы:
улучшаемая сторона ТС (положительный эффект); количественное изменение в системе, необходимое для улучшения указанной стороны; следствия этого изменения на уровне свойств и взаимодействий (действий) элементов; ухудшения другой стороны ТС (нежелательный эффект) .
б) рассмотреть построенную причинно-следственную цепь и в соответствии с логической структурой противоречия уточнить его, выявив УК и его параметр.
в) записать формулировку ТП по форме Улучшение А (Б) путем увеличения а (а) УК ухудшает Б (А),

Следует отметить, что формулировка улучшенной и ухудшенной сторон должна соответствовать внешнему функционированию системы, т.е. каким-то ее способностям, функциям и т.п.

Разрешение противоречия требует снятия НЭ при реализации ПЭ, т.е. ТП = ПЭ + НЭ.

Условие устранения ТП состоит в выполнении взаимоисключающих требований к состоянию УК. Стремясь убрать конфликтующие, противоречивые отношения между внешними сторонами технической системы, получают противоречие внутри системы, на уровне свойств и взаимодействий элементов. Это полученное взаимодействие в отличие от. технического противоречия можно назвать физическим противоречием.

Физическое противоречие (ФП) - искусственно созданная система взаимоисключающих требований к элементу (части элемента) технической системы, при реализации которой система получает возможность устранения ТП и дальнейшего развития.

Логическая структура ФП имеет вид

Формулировка физического противоречия обладает большой эвристической ценностью. Представляя в предельно обостренной форме проблему устранения технического противоречия, физическое противоречие в то же время указывает и условие этого устранения. Если, с позиций формальной логики, выражение ФП - это тупик, ошибка, а соединение несовместимых требований - вещь невозможная, то, с позиций логики диалектической, несовместимость - понятие относительное. Несовместимость истинна лишь при определенных условиях, при их абсолютизации. Для совмещения несовместимых требований, составляющих противоречие, надо поэтому так изменить систему (или наше представление о ней), найти такую форму ее существования, в которой, по словам К.Маркса, "это противоречие одновременно и осуществляется, и разрешается".

Аппарат разрешения противоречий включает набор операторов, предназначенных для снятия противоречий. Снятие или разрешение происходит в несколько этапов. Этапы различаются по уровню конкретизации предлагаемых решений.

На практике удобно выделить четыре этапа поиска решений: обобщенное решение, принципиальное или структурное решение, физическое решение и техническое решение.

Обобщенное решение (ОР) позволяет определить общее направление устранения противоречия с помощью одного из следующих принципов: в пространстве, во времени и в отношениях.

Для более эффективного поиска ответа на следующем этапе применяют принципиальный или структурный подход и строят принципиальное решение (ПР) или структурное решение (СР).

После получения обобщенного структурного решения определяют совокупность физических решений (ФР) как возможность реализации данной структуры с помощью физических явлений и эффектов. Дальнейшая конкретизация (переход к техническим решениям) может быть осуществлена известными средствами конструирования.

Задача 27

В инструкции, приложенной к очкам для газовой сварки, сказано: очки следует содержать в чистоте, протирать стекла чистой мягкой тканью. Конечно, пыль или грязь тканью стереть можно. А как быть с капельками расплавленного металла, прилипшими к темным стеклам? Их не только тканью, но и острым ножом не отскоблишь. Сварщик из-за этого перестает видеть, что сваривает, и стекла надо менять. Но, оказывается, темно-синие стекла очень дефицитны. Найдите выход из создавшегося положения.

Задача 28

Для измерения температуры широко применяют термопары, представляющие собой два соединенных один с другим проводника из разнородных металлов или сплавов. В зоне контакта проводников для этого наводят разность потенциалов, пропорциональную температуре контакта (эффект Пельтье). При измерении температуры окружающей среды с помощью термопар в целях повышения точности измерения целесообразно применять тонкие проводники. Однако в этом случае резко увеличивается вероятность обрыва проводников. Необходимо так усовершенствовать конструкцию термопарного датчика, чтобы увеличение точности измерения не сопровождалось снижением надежности.

Задача 29

Кильку ловят "на свет". В воду погружают светильник (мощную лампу с защитой), около которого устанавливают так называемый залавливающий наконечник (нечто вроде перевернутого зонта диаметром 1-2 м), соединенный гибкой трубой с насосом на палубе. Зажигают свет, рыба плывет к зонту, насос втягивает ее вместе с водой на палубу, где рыбу убирают с решеток в трюм. Все было бы хорошо, но лампы часто лопаются (по 5-6 за ночь), да и подвод питания по бронированным кабелям затруднителен. Надо что-то придумать, хотя бы для ловли на мелководье.

Задача 30

Внутренние полости многих отливок (например, корпусов электродвигателей) очищают подачей воды из гидромонитора под высоким давлением (например, 40 ати). Если вода совсем чистая, она чистит плохо; если же пустить воду с песком, то быстро изнашиваются сопла гидромонитора. Сформулируйте и решите задачу.

Задача 31

Давление сварочной дуги измеряют, зажигая ее на рабочей поверхности чувствительного элемента специальных весов (на одном из плеч коромысла весов). К чувствительному элементу необходимо обеспечить токоподвод, но присоединение токоведущей шины резко ухудшает точность измерений. Как быть?

Задача 32

На практике широко применяют способ ультразвуковой обработки деталей методом прямого копирования. Он заключается в том, что рабочий инструмент прижимают к обрабатываемой детали и придают ему вибрацию, а в зону обработки подают абразивную суспензию. При такой обработке происходит быстрое изнашивание инструмента, что приводит к снижению точности обработки. Как устранить этот недостаток?

Задача 33

В камерах дробеструйной обработки деталей желательно иметь смотровые окна. При этом возникает проблема защиты обслуживающего персонала от вылетающей наружу дроби. Установка броневого стекла не решает проблемы, так как через незначительное время стекло теряет свою прозрачность. Дробь мелкая, поэтому установка металлических решеток также приводит к ухудшению видимости. Необходимо предотвратить вылет дроби из смотрового окна.

Задача 34

Нагревательные печи имеют рабочие окна, позволяющие оценивать обстановку внутри нее. Через эти окна, однако, уходит много тепла. Потерю горячего воздуха можно устранить с помощью воздушной завесы, нагнетая воздух в зону окна. А как предотвратить унос тепла лучеиспусканием? Окна должны быть открыты все время.

Задача 35

При проводке судов по рекам ограничивающим фактором является не только осадка судна, но и высота его надстроек, мешающих проходу под мостами. Разводные мосты, как известно, есть не везде. Желая сделать судно менее высоким, капитаны закачивают в балластные цистерны воду, и судно оседает. Иногда это помогает, иногда - нет, так как больше, чем положено, балласта не возьмешь: судно утонет. Как быть?

Задача 36

Опреснение минерализованной воды производят, нагревая ее в выпарных установках. Но при этом происходит интенсивное накипеобразование на стенках. Установка быстро выходит из строя. Как найти выход?

Задача 37

Устройство для закалки изделий представляет собой ванну, в которую залито машинное масло или вода. В ванну опускают нагретую деталь, происходит охлаждение среды. Оказалось, что охлаждение происходит недостаточно быстро из-за возникновения паровой рубашки, не позволяющей подходить к детали новым порциям холодной среды. Усложнять устройство введением систем активной подачи охлаждающей среды (насосы) нежелательно. Как быть?

Задача 38

При передаче больших потоков тепла все большее применение находят тепловые трубы. В тепловой трубе пар, образующийся при испарении жидкости в зоне подвода тепла, проходит в зону отвода тепла и конденсируется на более холодных стенках этой зоны. Конденсат возвращают обратно в зону испарения и все повторяют снова. Возвращение конденсата в испаритель, если он находится ниже уровня конденсатора, можно обеспечить самотеком (под действием силы тяжести). Если же испаритель расположен выше зоны конденсации, то в качестве подходящего "насоса" могут быть использованы капилляры (аналогично работает фитиль в керосиновой лампе, поднимая керосин в зону горения). Но чем больше разница высот между зонами испарения и конденсации, тем более тонкими должны быть капилляры, чтобы поднять жидкость на требуемую высоту. К сожалению, уменьшение диаметра капилляров существенно увеличивает гидравлическое сопротивление фитиля тепловой трубы. В результате конденсат медленно возвращается в зону испарения, снижая теплопроводимость устройства.

Необходимо устранить недостаток, не теряя при этом простоты и надежности устройства.

Использование принципов идеальности и технических противоречий позволяет повысить эффективность поисковой работы. Совместное применение функциональных эвристических моделей и аппарата выявления и устранения противоречий дает возможность осуществлять планомерный анализ технических систем с целью уточнения формулировки нежелательного эффекта, проявляемого как следствие взаимодействия элементов системы. Два основных механизма АРИЗ совместно со служебными, вспомогательными шагами образуют практически самостоятельную последовательность действий по решению задач.

Есть смысл рассмотреть теперь сокращенный вариант алгоритма, который целесообразно использовать в учебной деятельности.

Эвристический алгоритм выявления и разрешения противоречий развития технической системы предусматривает основные шаги.

1. Описать задачу по следующей форме:
а) сформулировать главную полезную функцию технической системы;
б) перечислить элементы технической системы и объект обработки;
в) сформулировать нежелательный эффект, возникающий в результате действия технической системы (как следствие взаимодействия элементов технической системы).

2. Сформулировать техническое противоречие (противоречия), возникающее в системе при попытках устранить нежелательный эффект известными средствами. Противоречие сформулировать по следующей форме:
при улучшении (сформулировать качество системы);
путем изменения узлового компонента системы (указать элемент, группу элементов или их взаимодействие, а также изменяемый параметр) ухудшается (сформулировать качество системы).

Противоречие должно быть взаимообратимым (изменение параметра узлового компонента в обратную сторону также приводит к ухудшению и улучшению качеств системы).

3. Определить изменяемый элемент. Изменяемым элементом следует считать узловой компонент системы. Если это возможно, указать степень допустимых изменений. Если изменение узлового компонента запрещено (это надо обосновать!), в систему вводят новый элемент - внешняя среда (ВС).

4. Сформулировать идеальный конечный результат для изменяемого элемента по форме
УК сам устраняет отрицательный эффект (ОЭ), продолжая выполнять полезное действие;
ВС устраняет ОЭ, не препятствуя выполнению главной полезной функции системы и не усложняя ее.

5. Изобразить достижение ИКР в графическом виде (эскиз, схема, рисунок). Выделить зону изменяемого элемента, не обеспечивающую его достижение.

6. Сформулировать для выделенной зоны изменяемого элемента требования (на физическом уровне), необходимые для устранения нежелательного эффекта при одновременном выполнении полезной функции. Для УК требования должны быть взаимно противоположными.

7. Рассмотреть возможность разнесения противоречивых свойств в пространстве, во времени и в отношениях.

8. Определить оптимальную структурную схему разрешения противоречия.

9. Определить физические принципы действия вновь создаваемой системы.

Рассмотрим действия по шагам эвристического алгоритма на примере.

В ряде случаев для шлифования деталей применяют шлифовальные круги с прерывистой рабочей поверхностью. Это позволяет устранить пережог деталей. Возникает, однако, новая проблема - вибрация детали, из-за которой точность обработки снижается. Необходимо усовершенствовать описанный способ шлифования.

Шаг 1.

1а. Главной полезной функцией системы является обработка деталей (улучшение качества поверхности детали).

1б. В систему входят собственно шлифовальный круг (вернее, в данной системе он представляет собой четырехлепестковую конструкцию, сидящую на валу), вал как источник момента, а также обрабатываемая деталь.

1в. Нежелательный эффект состоит в том, что круг давит на деталь не постоянно, а с перерывами.

Шаг 2.

Техническое противоречие может иметь следующий вид. Выполнив шлифовальный инструмент с прерывистой рабочей поверхностью, можно устранить прижоги поверхности детали, но при этом уменьшается точность обработки. Выполнив шлифовальный инструмент в виде целого круга, можно повысить точность обработки, но появятся прижоги (или придется значительно уменьшать производительность).

Шаг 3.

Узловым компонентом системы является собственно шлифовальный инструмент. При этом изменение шлифовального инструмента возможно при сохранении прерывистости обработки.

Шаг 4.

Идеальный конечный результат (ИКР). Шлифовальный инструмент сам предотвращает колебания детали (неравномерный прижим) при сохранении прерывистости обработки.

Шаг 5.

Шаг 6.

Надо сформулировать взаимопротивоположные требования (ФП) для выделенной части шлифовального инструмента.

Выделенная часть должна взаимодействовать с деталью, чтобы устранить колебания, и не должна взаимодействовать, чтобы не было прижога.

Шаг 7.

Противоречие может быть разнесено в пространстве и в отношениях.

Пример решения. А.с. № 1144851. Способ шлифования поверхностей кругом с прерывистой рабочей поверхностью, при котором детали и кругу сообщают вращательные движения, а круг перемещают вдоль образующей обрабатываемой детали, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества обработанной поверхности, деталь на время выхода периферийной режущей части круга из зоны контакта с ней нагружают со стороны круга усилием, равным усилию резания.

Задача 39

При термической резке лист металла необходимо разместить на ровной поверхности. Раньше для этих целей служили специальные чугунные плиты. Однако пламя, прожигая лист, частично прожигает и основание. Плиты часто выходили из строя из-за того, что на одном участке плиты количество прожогов было столь велико, что лист на этом месте провисал. Для повышения экономичности стали набирать поверхность из металлических кубиков, а затем заменили плиту частоколом металлических стержней. Теперь пламя почти все время не контактирует с опорой. Но при пережоге нескольких стержней выходит из строя большой участок плиты. Дайте предложения по развитию системы.

Задача 40

Вибрационные машины широко применяют в областях, где требуются уплотнение, сепарация, транспортировка. Чаще всего основой привода этих машин является дебалансный вибровозбудитель (неуравновешенный груз - дебаланс, жестко насаженный на вращающийся вал). Однако такие конструкции при запуске потребляют большую мощность, чем в установившемся режиме работы. Значит мощность приводного электродвигателя приходится завышать (в установившемся режиме он работает с недогрузкой). Кроме того, при пуске и останове машина проходит через резонансную зону, при этом резко увеличиваются амплитуда колебаний и динамические нагрузки на несущие конструкции. Конструкцию приходится рассчитывать с большим запасом прочности. Необходимо найти идею вибрационной машины с дебалансом, лишенную перечисленных недостатков.

Задача 41

В ряде случаев необходимо обрабатывать жидкий металл вращением. Его заливают в специальную емкость, которую затем и вращают. Понятно, что при разгоне металл вращается медленнее, чем емкость, а при торможении наоборот. При этом происходит перемещение наружных слоев металла относительно футеровки емкости. Футеровка "слизывается" с большой скоростью. Это уменьшает ресурс емкости, да и загрязняет металл. Как устранить эти недостатки?

Задача 42

При сверлении плоских деталей для, повышения производительности их целесообразно обрабатывать группами. Несколько деталей укрепляют на столе сверлильного станка и одним проходом сверла выполняют, в них отверстия. Однако при увеличении числа деталей увеличивается и вероятность ухода сверла от намеченных координат. Нижние детали бракуются. Как быть?

Задача 43

При спуске судна на воду с продольного стапеля возникает необходимость поддержания в незатопленном положении быстро входящей в воду кормовой части судна. Применяемые для этой цели поддерживающие поплавки неудобны, поскольку очень громоздки, а кроме того, они после выхода судна в воду нежелательно поднимают корму. Необходимо разработать простое устройство для поддержания кормовой оконечности судна при спуске на воду.

Задача 44

Провода на линиях электропередач имеют определенную стрелу провеса - минимальное расстояние провода до земли. При увеличении температуры провода (большие токовые нагрузки, жаркая погода) провод удлиняется и провисает. Расстояния между опорами все увеличиваются, а длинный провод и провисает больше. Чтобы не нарушать ГОСТ, приходится делать опоры более высокими, что существенно удорожает строительство. Как быть?

Задача 45

В турбине КПД тем выше, чем меньше расстояние от лопатки (конца пера) до корпуса, т.е. тот зазор, в который может проходить пар или газ, не совершая работу. При уменьшении зазора, однако, повышается риск поломки лопаток (они во время работы могут вытягиваться, расширяться вследствие нагрева; нарушение маслоснабжения подшипников может вызвать эксцентриситет и т.д.). Где выход?

Задача 46

Для вновь создаваемого морского порта необходимо разработать систему фиксации плавучих объектов (баржи, лихтеры и т.п.) в заранее заданных точках акватории. Сложность в том, что запрещено использовать механическую фиксацию объектов. Параметры объектов варьируются в широких пределах: объем от сотен до десятков тысяч кубометров, осадка от полуметра до восьми метров. Дайте предложения по организации такой системы.

Задача 47

Вибротранспортер для перемещения сыпучих грузов представляет собой стальную ленту, совершающую колебательные движения вдоль направления движения груза. По направлению движения происходит плавное перемещение, обратно - рывок. Груз за счет инерции не движется при рывке.

Появилась необходимость усовершенствовать вибротранспортер таким образом, чтобы можно было с его помощью не только перемещать грузы горизонтально, но и поднимать их под любым углом (вплоть до 90). Естественно, что при угле наклона большем, чем угол трения, обычный вибротранспортер работать перестанет. Как быть?

Задача 48

Устройство для изготовления кристаллов представляет собой сосуд, в котором помещены затравки. Внутри сосуда также имеются мешалка и охлаждающий элемент.

Охлаждающий элемент захолаживает раствор, что ускоряет процесс кристаллизации. Но при этом происходит так называемая инкрустация охлаждающего элемента - т.е. осаждение на нем кристаллического слоя. Это приводит к снижению экономичности процесса (потери кристаллизуемого вещества, ухудшение КПД охлаждающего элемента, необходимость остановок для его очистки или замены). Что можно предложить?

Задача 49

В целях экономичного использования воды при орошении применяют капельное орошение. Вода по трубам подводится к отдельным плодовым кустам или деревьям и по каплям медленно, но постоянно подается к растению. Существенно снижаются потери воды, растет урожайность.

При эксплуатации системы капельного орошения, однако, выявились некоторые недостатки, в частности быстрое забивание капиллярных отверстий в трубах грязью. Фильтрация воды перед подачей в трубы дело не решает, поскольку в трубе предостаточно "своей" грязи - ржавчины. Хлопья ржавчины попадают в отверстия и застревают там. Постепенно отверстие совсем затягивается, и вода перестает поступать к растению. Можно делать трубы из нержавеющих материалов, а воду фильтровать, но такой вариант слишком дорог. Нужно более простое и экономичное решение.

ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТОИМОСТНОЙ АНАЛИЗ (ФСА)

ФСА - комплексный метод анализа объектов техники и организационных структур, имеющий своей целью выявление и устранение избыточных затрат на реализацию полезных функций. Теоретические основы ФСА были заложены сразу после второй мировой войны советским инженером Ю.М.Соболевым (поэлементный анализ) и в США Э.Майлзом - сотрудником фирмы "Дженерал электрик" (инженерно-стоимостной анализ). В настоящее время общепринято, что ФСА как метод основывается на принципах системности, функциональности, соответствия между затратами на реализацию функций и важности этих функций. Большую роль в формировании подхода, необходимого для успешного овладения ФСА, играют также принципы народнохозяйственного подхода, и коллективного творчества.

ФСА включает в себя семь основных этапов.

1. Подготовительный, на котором проводят подготовку к работе, выбирают объект анализа, формируют рабочую группу, ставят общие задачи, цели.

2. Информационный включает сбор, систематизацию и всестороннее изучение имеющихся сведений об объекте. Объект анализируют с трех сторон - изучают конструкцию, технологию изготовления и затраты.

3. Аналитический, в ходе которого формируют функциональную схему объекта, производят классификацию функций, определение их значимости, строят диаграмму дисбаланса "значимость - стоимость", формулируют конкретные задачи.

4. Творческий предусматривает решение поставленных задач, выявление набора альтернативных вариантов.

5. Исследовательский, на котором полученные на предшествующем творческом этапе варианты решений исследуют с целью отбора наиболее эффективных, работоспособных, экономичных и т.п.

6. Рекомендательный предусматривает согласование окончательно отобранного варианта со службами предприятия и проведение подготовки к пуску.

7. Этап внедрения включает контроль за процессом внедрения.

Важнейшая особенность ФСА - функциональный подход к исследуемому объекту. В рамках ФСА объект рассматривают не в предметной форме, а в виде совокупности функций, ради выполнения которых и создается объект. Так, например, шпиндель станка предназначен для выполнения следующих функций:
передавать вращение на деталь;
фиксировать деталь (или инструмент).

Построение функциональной модели объекта требует выполнения четырех основных принципов: совместимости, актуализации, сосредоточения и управляемости функций.

При описании функций необходимо выполнить следующие правила: формулировка обязательно должна содержать глагол и существительное ("поглощать свет"); в формулировке Не должно быть понятий, отражающих существующее решение, реализующее функцию.

Выявив совокупность функций объекта, следует произвести их классификацию на основные, определяющие назначение детали, и второстепенные. По содержанию функции можно разделить на соединительные, фиксирующие, ограничительные, разъединительные, гарантирующие, стабилизирующие, крепежные и др.

Задача 50. Построить функциональную модель шариковой авторучки.

Задача 51. Построить функциональную модель кнопки канцелярской.

Задача 52. Построить функциональную модель водосточной трубы.

При проектировании и в рамках системной модернизации целесообразно строить функциональные модели с помощью метода FAST. Метод FAST предусматривает построение диаграмм функций. Для построения диаграммы следует, взяв за основу какую-либо функцию изделия, последовательно обращать к ней вопросы "как?" и "почему?". Те функции, которые отвечают на вопрос "как?", располагают справа, а функции, отвечающие на вопрос "почему", - слева. Строящуюся цепочку взаимосвязанных функций (функции критического пути) ограничивают справа и слева вертикальными линиями. В зону, ограниченную вертикальными линиями, должны попасть все функции анализируемого объекта, более общие функции располагают левее, а служебные функции, выполняемые сопрягаемыми с анализируемыми объектами, - справа.

На рисунке ниже представлена диаграмма FAST для устройства вывода кассеты из кассетного магнитофона.

Предлагается построить диаграммы FAST для велосипедного насоса (задача 53), холодильника (задача 54), настольной лампы (задача 55).

Детальное исследование элементов конструкции предполагает применение метода поэлементного анализа. Суть метода состоит в том, что деталь мысленно разбивают на основные и вспомогательные конструктивные элементы. Основные элементы ради полной взаимозаменяемости оставляют без изменения, а вспомогательные подвергают самому строгому анализу и критике и по возможности изменяют так, чтобы для изготовления требовалось минимальное количество ресурсов.

В большинстве деталей имеются так называемые экономические недоработки. К таким недоработкам относятся конструктивное решение, приводящее к необоснованным расходам; надуманное, не оправдывающее себя усложнение формы детали; ненужное для работы завышение точности обработки отдельных элементов детали; завышение чистоты нерабочих поверхностей; необоснованное применение дорогого металла; излишняя прочность; ненужные дорогие покрытия и т.п.

Основная причина наличия экономических недоработок -это отсутствие в повседневной деятельности разработчиков системы проведения тщательного экономического анализа конструктивного решения.

Конструирование, формы объекта, отвечающей требованиям системы, в которой он будет действовать, и системы, в которой он изготовляется, невозможно без учета основных предъявляемых к объекту (деталь, узел) требований. Можно считать, что со стороны системы, в которую объект будет включен после изготовления, он определяется (задается) только своими функциями. Следовательно, отправным пунктом при конструировании формы должно быть формулирование функций, выполняемых объектом. Понимание функций предполагает не только перечисление каких-либо взаимодействий объекта с его окружением, но и зон этих взаимодействий, их численного описания. Все это позволяет задать наиболее важные функциональные поверхности объекта (основные элементы).

Под функциональными поверхностями понимаются поверхности, выполняющие активную функцию в процессе эксплуатации (например, шлиц в головке винта, ударная поверхность головки молотка, взаимодействующие поверхности шестерен). Для придания законченной формы объекта необходимо соединить функциональные поверхности между собой. Материал, его форма в данном случае носят вспомогательный характер. Однако они во многом формируют затраты на технологию. Со стороны технологии выдвигается требование выполнения вспомогательных элементов объекта минимальным числом инструментов, малой длительностью процессов, удобным доступом для инструментов, уменьшением расхода материалов и т.п.

Предлагаемые вниманию слушателей задачи 56-65 направлены на развитие у них способности находить наиболее эффективные, экономичные решения с учетом общей выполняемой задачи - снижения материалоемкости, уменьшения времени обработки, упрощения сборки.

Задача 66

В качестве объекта анализа предлагается транспортер-накопитель. Транспортер используется для накопления и подачи в зону сборки камеры измельчителя КПИ-02000. Вес транспортируемого узла 66 кг. Площадь основания 1000 х 600 мм. На транспортере устанавливаются 25 узлов. Параметры транспортера: длина 20000 мм; высота 500 мм; ширина полотна 1100 мм; мощность электродвигателя 2,2 кВт; скорость перемещения полотна 2,5 м/мин; вес транспортера 1,2 т. Общий вид транспортера дан на рис. 1. Камеру измельчителя устанавливают на полотно транспортера (рис. 2). Полотна состоят из двух цепей, к которым приварены уголки. Уголок имеет отверстие, через которое проходит болт, и с помощью гайки скрепляет металлическую и деревянную планки с полотном в единое целое. Возможность самоотвинчивания гайки предотвращает пружинная шайба. Полотно поддерживают направляющие рамы. Рама представляет собой несущую конструкцию. К ней приварена плита привода. На плиту крепят мотор-редуктор и редуктор .

После изучения конструкции и особенностей ее работы перед слушателями ставятся цели:
выявить функции элементов полотна транспортера;
произвести классификацию функций;
оценить степень избыточности используемых материальных носителей;
предложить новые конструктивные схемы полотна транспортера-накопителя.

Предлагаемые ниже задачи могут решаться с помощью различных методов. Выбор конкретного метода анализа и его проведения оставлен за преподавателем, читающим курс. Объединяет эти задачи то, что предлагаемые варианты ответов, как правило, далеки от совершенства, что позволяет рассматривать решение задач в качестве первого шага при переходе к решению практических задач.

Задача 67

В процессе плавки металла возникает необходимость вводить в расплав специальные добавки. Добавки вводят в виде мелкодисперсных порошков. Известен способ ввода порошкообразных материалов в сталеплавильную ванну в потоке газа-носителя. Инертный газ, равномерно перемешанный с порошковыми добавками, хорошо выполняет функцию носителя, С простейших пневмоустройств он вдувает порошок в расплав. Но частицы порошка, будучи равномерно распределенными по сечению струи газа, уносятся вместе с газом из расплава, не успев прореагировать полностью. Это ведет к перерасходу дорогостоящих присадок и увеличению содержания вредных твердых частиц в дымовых газах. Где выход?

Задача 68

Чтобы выжечь серу в конверторе для плавки никеля сделано 6 дюжин отверстий с фурмами, через которые подают сжатый воздух. Но подаваемый воздух охлаждает металл вокруг фурмы и над отверстием нарастает козырек, который в конце концов (если его не сбивать) затянет фурму и перекроет воздух. Эти наросты сбивают в течение всей смены двухметровыми ломиками. Пробовали механизировать этот процесс, но механизация не выдержала конкуренции с ломиком. Она получается слишком сложной и требует деликатного обращения. Дайте ваши предложения.

Задача 69

После окончания плавки металла в конверторе его наклоняют и выливают металл через сталеразливное отверстие в ковш, а шлак затем выливают в шлаковню. Однако во время наклона конвертора (его наклоняют медленно) в ковш попадает и шлак (в начале и в конце разливки), что ухудшает качество металла, усложняет его дальнейшую обработку. Предложите выход.

Задача 70

Известны различные способы нанесения на поверхность тела жидкости, например краски или растворителя. Способы малопроизводительные (ручные), предусматривают использование кисти или валика. Однако они хороши тем, что незначительно загрязняют окружающую среду вредными летучими компонентами. Высокопроизводительные способы, предусматривающие использование пульверизаторов, плохи тем, что в большей степени загрязняют окружающую среду, так как велика площадь испарения. Как объединить достоинства медленных и быстрых способов? В качестве ограничения следует принять, что краска должна быть в жидком виде.

Задача 71

Известен способ фиксации микрообъектов, находящихся в жидкости, при их исследовании под микроскопом. Способ этот заключается в том, что перемещают и фиксируют кювету. Способ неточен из-за броуновского движения микрообъектов. Замораживать жидкость или фиксировать объект механически нельзя. Как быть?

Задача 72

Дноуглубительные снаряды поднимают грунт со дна реки с помощью черпаков (ковшей). Если грунт глинистый, разгрузка черпака затягивается. Команде приходится постоянно доразгружать черпаки с помощью лопат и ломов. Эффективность работы дноуглубительного снаряда падает. Предложите простую и надежную систему очистки черпаков от мокрой глины.

Задача 73

В промышленности распространен способ определения площадок контакта поверхностей при помощи растертых на минеральных маслах красок. Краску наносят на одну поверхность, которую потом приводят в соприкосновение со второй поверхностью, и по распределению пятен краски на второй поверхности судят о качестве контакта. Слой краски обычно имеет толщину 3-6 мкм и более. Для поверхностей высоких классов чистоты необходимо применение более тонкого слоя краски. Тонкий же слой не дает необходимого контраста границы краска - металл, поэтому резко затрудняется наблюдение за полученным отпечатком. Надо усовершенствовать описанный способ.

Задача 74

Тепловую обработку зернистого материала чаще всего проводят, осуществляя встречное движение частиц и потока горячего воздуха. Для ускорения тепловой обработки выгодно повышать скорость горячего воздуха, однако на определенном этапе наступает витание частиц, они уносятся воздухом, что недопустимо (требует значительного усложнения системы - введения фильтров и пр.) Что можно предложить?

Задача 75

При производстве качественных сталей в них необходимо добавлять, раскисляющие, модифицирующие и легирующие добавки. Эти добавки помещают в ковш до выпуска в него стали из печи. Однако струя стали выбивает из ковша довольно много порошкообразных добавок. Приходится вводить их в увеличенном объеме. Кроме того, становится труднее обеспечить выпуск нужной марки стали. Как устранить потери добавок?

Задача 76

В последнее время получает распространение новый вид режущего аппарата для кормоуборочных комбайнов. Он представляет собой установленный на вращающихся шкивах режущий гибкий элемент. Такая конструкция позволяет увеличить ширину захвата, не увеличивая вес механических передач энергии к рабочим органам. При этом, однако, для формирования валка требуется вводить отдельные рабочие органы, что значительно уменьшает выигрыш в весе. Предложите систему организации валка без значительного увеличения веса системы.

Задача 77

В современных гидросистемах применяют такие предохранительные элементы, как обратные клапаны. Обратный клапан, который необходимо усовершенствовать, представляет собой цилиндрический корпус с входными и выходными фланцами и размещенным внутри шаровым затвором, имеющим плотность, незначительно отличающуюся от плотности протекающей жидкости. Такая система обладает повышенной по отношению к лепестковым обратным клапанам надежностью, но более низким быстродействием. Необходимо проанализировать систему, выявить и устранить недостатки.

Разборы задач и примеры решений


Главная    Инструменты    Учеба    Методические рекомендации для проведения практических занятий