Основные направления совершенствования современной техники путем непосредственного применения законов развития технических систем

Шевченко Б.А. к.т.н., проф. СТИ МИСиС

Рапсодия – это вариация на известные темы. Так утверждает музыкальный словарь. Темы бывают разные, в том числе и очень важные. Применение законов развития технических систем (ЗРТС) для совершенствования техники – одна из таких очень важных тем.

Особенностью этой работы является то, что автор интуитивно ищет некую эмоциональную аналогию между техническим и музыкальным творчеством. Что же у них есть общего? Смею утверждать, что удовольствие или даже восторг, от прекрасной идеи решения технической задачи, неважно – своей или чужой, у профессионального изобретателя сродни удовольствию, наслаждению, восторгу при прослушивании виртуозно исполненного музыкального произведения, неважно – своего или чужого, у профессионального музыканта. Поэтому сухое изложение теоретических положений Теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) автор попытается раскрасить короткими рассказами или рапсодиями на тему изобретательства. Отмечу, что сильное изобретение должно быть всегда ещё и красивым. Профессиональное изобретательство соединяет в себе два неразрывных элемента – научную строгость теории и красоту полученного результата.

Начиная работу, я планировал короткие рассказы о ЗРТС, о практическом применении ЗРТС к совершенствованию техники, а также различные рассуждения и отступления от строгого изложения науки, назвать новеллами, зарисовками или этюдами. Но вдруг попалась на глаза замечательная книга К.Е.Левитина «Геометрическая рапсодия» (М., Знание, 1984) и вопрос как назвать эти части работы был сам собой решен. Как мы знаем, ничего не бывает в жизни вдруг и случайно. Хотя, конечно, я даю себе отчёт, что мои технические рапсодии очень далеки от рапсодий - гравюр М.К . Эсхера.

В данной работе я сознательно не привожу схемы технических систем (ТС), а также подробные описания их конструкции и принципа работы. Это связано с тем, что: а) не хотелось резко увеличивать объём работы; б) за «железом» могла пропасть главная цель – показать работу ЗРТС и закономерностей. Тем не менее, я привожу подробные ссылки на все свои изобретения попавшие в эту работу для того, чтобы их можно было, при желании или необходимости, более тщательно проанализировать.

Первый вариант статьи на эту тему - непосредственное применение ЗРТС к совершенствованию ТС - я передал Л. Кожевниковой ещё на конференции в Миассе, а опубликовал её, в несколько расширенном варианте, только в 2003 году [4]. Настоящая работа развивает далее эту тему.

Технические системы (ТС) развиваются по объективно существующим законам, которые можно познать и планомерно использовать для развития ТС, а также использовать для разработки прогнозов развития конкретных ТС [1].

Изобретательские задачи, возникающие в процессе жизненного цикла ТС с позиций теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) можно условно разделить на два класса: простые и сложные.

Простыми (типовыми, стандартными) будем называть такие задачи, которые успешно решаются непосредственным применением законов развития технических систем (ЗРТС) или блоками ТРИЗ, логически связанными с ЗРТС.

Сложными (нетиповыми и пр.) задачами будем называть такие, которые для своего решения требуют применения более сложных алгоритмических процедур, имеющихся в ТРИЗ, например, алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ) [1,2,3].

Задача только тогда может стать изобретательской, когда в ней выявлено техническое противоречие. Исторически, в процессе создания ТРИЗ, сложилось так, что вначале появился список типовых приемов разрешения технических противоречий в ТС, затем были сформулированы ЗРТС и, несколько позже, появился вепольный анализ и система стандартов на решение изобретательских задач. Кроме того, постоянно пополняется информационный фонд хорошо решенных задач-аналогов. Простые (с позиций ТРИЗ) задачи успешно решаются этими четырьмя блоками: ЗРТС, приемы, стандарты, задачи-аналоги. В настоящей работе речь пойдет преимущественно о прямом применении ЗРТС для совершенствования ТС, хотя все эти четыре блока несомненно связаны между собой и исторически и по сути. Например, типовой приём «Принцип динамичности» стал законом, а в системе «Стандарты-76» многие стандарты являются точными формулировками частных случаев ЗРТС и их закономерностей.

Необходимо заметить, что нормальный (необученный, дикий, традиционный и пр.) изобретатель, узнав о проблеме в ТС, пытается угадать – какие изменения нужно ввести в эту конструкцию, чтобы эта проблема исчезла или хотя бы стала не такой острой. Другими словами он работает по всем знакомому с глубокой древности методу «проб и ошибок». Возможно, когда-нибудь он придумает такое решение, которое решит проблему или уменьшит ее остроту, и это решение можно будет даже оформить как изобретение.

Знакомый с ТРИЗ (обученный, профессиональный, ненормальный и пр.) изобретатель - вначале собирает информацию по истории ТС, затем делает всего несколько проб, но в соответствии с ЗРТС. Анализируя получившиеся новые ТС, он смотрит – какие проблемы пропали в них, какие новые дополнительные качества приобрели эти ТС, по сравнению с исходной системой. Если проблемы успешно разрешены, то необходимо только решить, в каком порядке подавать заявки на изобретения и когда их подавать. Нередко, в этой ситуации, бывает так, что идея, полученная на основании ЗРТС, слишком сильно опережает современный уровень развития техники и внедрение изобретения в связи с этим, может вызывать определенные трудности [1].

Рапсодия № 1. Вступление. Прежде чем излагать ЗРТС и свой опыт применения их к совершенствованию ТС, считаю необходимым отметить, что ЗРТС составляют систему, и если мы говорим о применении закона повышения степени динамичности технической системы, то параллельно будет работать и закон повышения степени идеальности и, например, закономерность «моно-би-поли» и, возможно, многие другие законы и закономерности. Часто одна и та же закономерность, применённая в рамках различных законов и в различном объёме, проявляет себя по-разному и даёт качественно различные результаты.

К базовой части (функциональному центру [5]) первого автомобиля: рама с колёсами, двигатель, рулевое управление, начнём добавлять новые неоднородные ТС: кузов, освещение, обогрев и вентиляция и т.д. Что получаем? Улучшается качество выполнения главного производственного процесса – перевозка людей и грузов по дорогам. Уменьшаются или вовсе исключаются негативные факторы. То есть повышается степень идеальности ТС, а, с другой стороны, теперь базовая часть будет развиваться вместе с остальными частями – работает, может быть не так явно, закон перехода ТС в надсистему. Правда, у новой надсистемы те же главные функции.

Начнём добавлять новые и несколько иные системы: кузов делаем герметичным в нижней части и выполняем в виде лодки, водомётная приставка к двигателю и т.д. Что получаем? Получаем новую техническую систему – амфибию, у которой прежняя функция осталась как подсистема функций. Конечно, здесь в первую очередь работает закон повышения степени идеальности по второму направлению – увеличивается число функций, хотя главная функция – движение по дороге, возможно, стала несколько хуже. Но параллельно, и более явно, работает закон перехода ТС в надсистему, в которой главная функция другая.

Другой пример: грузовой автомобиль, на котором смонтирована установка залпового огня или передвижная тропосферная радиостанция. В этих случаях у новой ТС передвижение по дороге хотя и есть важная, но всё-таки вспомогательная функция.

В приводимых мною далее примерах, для иллюстрации той или иной закономерности, эта закономерность, по моему мнению, проявляется в примере более ярко, хотя и все другие законы и закономерности могут иметь место в различной мере.

Задача этой вступительной рапсодии – провести одну важную мысль – ЗРТС есть система и работают законы всегда в системе.

ЗРТС Генрих Саулович Альтшуллер (Г.С.) условно разделил на три группы [1,2,3].

К первой группе (законы статики) относятся законы, определяющие условия возникновения принципиально работоспособной (жизнеспособной) ТС: полнота системы; сквозной проход энергии; согласование (или сознательное рассогласование) параметров системы.

Рапсодия № 2. Назвав третий закон статики «согласование (или сознательное рассогласование) параметров системы» я не ошибся. Даже в публикациях и учебниках последних лет его обычно называют «закон согласования ритмики системы». В январе 1985 года Г.С. уже сдал в печать «Найти идею», но на семинаре в Пензе он говорил нам:

- Я в книге написал – согласование ритмики, но уже сейчас я понимаю, что этот закон значительно шире и глубже. Необходимо согласовать всё, все параметры системы: структуру, геометрические формы, линейные, кинематические и динамические параметры, энергетические и информационные потоки, направления движения, материалы, цвет, запах, взаимодействие системы с человеком и природой, взаимодействие с другими системами, входящими в технологическую цепочку и ещё множество таких параметров, требований и ограничений, о которых мы возможно сейчас ещё и не подозреваем. Я предполагаю, что этот закон, со временем, даст нам целую группу законов и закономерностей, выделится в некую четвёртую группу законов. Но пока в этом направлении надо работать и работать.

Г.С. приводил много примеров, но хорошо запомнился один, как английский инженер собирал под чугунным мостом головки медных заклёпок. Не было тогда ещё такой науки - электрохимии и чугунные элементы фермы моста англичане-инженеры собирали при помощи медных заклёпок – несогласование материалов.

А что такое «согласование ритмики»? Это пусть важный, но небольшой элемент из комплекса проблем динамики системы. Более общая формулировка Г.С. третьего закона статики значительно расширяет применимость и важность этого закона. Замечу, что, похоже, так и не успел Г.С. поработать сам в этом направлении, но даже на этапе прогноза он не скрывал своих идей и перед своими учениками, и перед слушателями-новичками в ТРИЗ. Но работа в этом направлении, похоже, идёт [5].

Законы статики, особенно первые два, достаточно очевидны для специалиста, но проверять их выполнимость, при создании новых ТС, необходимо для исключения грубых ошибок в проектировании, а таких примеров история техники знает много.

Остановимся подробнее на законе согласования.

Рапсодия № 3. Это был 1971 год. Я принят старшим инженером только что созданной лаборатории «Буровых автоматов» в Академии наук Киргизии. Мне поручено провести анализ и предложить пути совершенствования бурового автомата, который должен пробурить на Луне скважину глубиной до полутора метров, а затем, при помощи четырёх различных зондов, провести каротаж (исследование) грунта этой скважины и отправить результаты по радио на Землю. Затем автомат перемещается на новое место и процесс повторяется. В барабане установлены два бура и четыре зонда. Бурильная головка стыкуется с буром и бурит скважину. Затем бур фиксируется в барабане, он проворачивается и бурильная головка стыкуется с зондом, подаёт его в скважину, извлекает и он фиксируется в барабане. Два механизма стыковки и фиксации различных инструментов бурового автомата должны работать очень синхронно. Но зачем этих механизмов два? Втулка механизма стыковки движется вниз и в том же направлении движутся и некоторые элементы механизма фиксации, но движение втулки немного запаздывает. Нужно согласовать скорости и величину хода движения этих элементов. Проще всего это сделать – согласовав геометрические параметры элементов конструкции. Выполняю небольшое исследование в объёме первого листа студенческого курсового проекта по Теории механизмов и машин, и найдено то сочетание линейных размеров, которое обеспечивает выполнение обеих операций при помощи привода механизма подачи бурильной головки. Не нужны специальные раздельно работающие механизмы, их приводы и система управления этими операциями. Буровой автомат стал проще и легче на несколько килограмм, т.е. повысилась и степень его идеальности. Это было моё первое изобретение. (АС № 518565, Е 21С 15/00, бюл.23, 1976.)

Я ещё ничего не знал ни о ТРИЗ, ни об Альтшуллере. Пока оформлял заявку на это изобретение, попутно сделал ещё три изобретения. И вот тут мне дали почитать книгу Г.С. Альтшуллера «Как научиться изобретать» (Тамбов, 1961). Я был в восторге. Всё, что я придумал в технологии изобретательства, при создании первых своих четырёх изобретений, Г.С., оказывается, описал ещё 10 лет назад в своей книге. Но в ней ещё было много незнакомых мне советов по изобретательству, и я чувствовал их силу. С 1972 года считаю себя учеником и последователем Альтшуллера Г.С.

Рапсодия № 4. В бурильной головке бурового автомата автоматической межпланетной станции (АМС) «Луна 24» был применён механизм взвода бойка в виде шарнирного четырёхзвенника, предложенный учёными Новосибирского электротехнического института. Но для нового бурового автомата, который должен был работать в условиях Марса, этот механизм не подходил. Пришлось сдвинуть ось вращения кривошипа в сторону, резко упал к.п.д., возросли нагрузки в элементах конструкции. Наряду с созданием новой бурильной головки с кулачковым механизмом взвода бойка, нам была поставлена задача - попытаться улучшить параметры старой конструкции (вернее старой схемы, так как конструкция уже сильно отличалась). Для меня было ясно, что необходимо так согласовать линейные размеры элементов механизма, чтобы силовые параметры его были минимизированы, что приведёт также и к увеличению к.п.д. Проведя небольшое исследование (кинематический и силовой анализ) в объёме студенческого курсового проекта по ТММ, мы нашли рациональную величину смещения оси кривошипа. Задача была решена. (АС № 155983, Е 21С 3/28, 1979. Изобретение имело гриф секретности, но в настоящее время этот гриф, скорее всего, уже снят.)

Рапсодия № 5. В 1979 году я работал в лаборатории «Импульс» Фрунзенского политехнического института, где под руководством профессора Стихановского Б.Н. создавались центробежные ударные механизмы для испытания изделий электронной техники на ударные перегрузки до 100 тысяч g. Уже было известно более двух десятков таких ударных механизмов, но всех их отличал очень низкий к.п.д. С расходами электроэнергии можно было ещё примириться. Ударный узел включался для генерации ударного импульса 3-4 раза в неделю. Но когда затраченная работа в десятки раз больше полезной, то эта разность работ где-то в механизме должна рассеиваться. А это могло привести к отказу ударного механизма. При этом срывался эксперимент и кассету с 20 микросхемами, каждая из которых стоила примерно как автомобиль «Жигули», можно было выбрасывать и готовить новый эксперимент.

Ситуация была мне знакома – необходимо согласовать параметры механизма. Выполнив довольно сложные исследования кинематики и динамики механизма с двумя степенями свободы, мы нашли диапазон изменения линейных и инерционных параметров основных элементов: бойка и ротора, что позволило повысить к.п.д. на порядок, а также увеличить надёжность работы механизма. В формулу изобретения были введены соотношения этих параметров. (АС № 933444, В 25D 11/04, бюл. 21, 1982.)

Попытки реализовать эти параметры в реальной конструкции не увенчались успехом, и пришлось создать новую конструкцию бойка с минимальным моментом инерции относительно оси его вращения на роторе. (АС № 1152932, G 01M 7/00, бюл. 16, 1985.)

Ко второй группе (законы кинематики) относятся законы, определяющие наиболее общие направления развития ТС: увеличение степени идеальности; неравномерность развития; переход в надсистему.

Эти законы часто имеют различные проявления (назовем их закономерности) которые позволяют направить мысль изобретатели и конструктора в нужном направлении при совершенствовании конкретной ТС.

Увеличение степени идеальности ТС проявляется по следующим основным направлениям:

- число функций, выполняемых ТС, не уменьшается, а снижаются ее вес, габаритные размеры, энергопотребление и пр., то есть можно сказать, что ТС идеальна, когда ее нет, а функция ее выполняется;

- вес и прочие параметры ТС остаются неизменными, но растет число полезных функций выполняемых системой (иногда говорят, что ТС развертывается или становится более универсальной);

- анализируя различные системы, выполняющие одинаковые функции, нужно сравнивать относительные показатели ТС.

Рапсодия № 6. До сих пор некоторые ученики Г.С. весьма категорично заявляют, что Альтшуллер до конца жизни признавал только одно - первое направление проявления этого закона: «система пропадает, а её функция остаётся».

Я свидетельствую, что в январе 1985 года на семинаре в Пензе Г.С. говорил нам о трёх направлениях увеличения степени идеальности.

Первое – понятно, это описано в его книгах.

Второе – вот один из его примеров: Часы можно уже сейчас сделать размером с маковое зёрнышко, но тогда придётся носить с собой микроскоп, чтобы посмотреть время, да потом часы являются каким-то элементом украшения человека и слишком сильно уменьшать их не стоит. Такие ситуации бывают довольно часто. Как быть? Если систему уменьшать не целесообразно, то, возможно, нужно дать ей дополнительные функции. Пусть часы замеряют пульс, давление, сигнализируют о времени приёма лекарства или даже сами вводят его, если это необходимо (диабет, тяжелобольные и пр.), калькулятор, диктофон, у японцев в часах уже и телевизор встроен и т.д. Увеличение числа полезных функций ТС без увеличения её веса и размеров – это второе направление повышения степени идеальности ТС.

Третье – тоже его пример: Очень часто ТС растут, увеличивают свой вес, размеры и т.д. (танкеры, ещё что-то). Что же, здесь закон не работает? Нет, утверждает Г.С., закон работает всегда. Нужно сравнивать относительные показатели. Я подсказываю, что ТУ-134 примерно такой же по размерам и массе, каким был «Илья Муромец», но пассажиров берёт на порядок больше, скорость - на порядок выше, а экипаж - вполовину меньше. Г.С. хвалит за хороший пример.

Практически все изобретения иллюстрируют закон повышения степени идеальности. Если это не так, то авторское свидетельство или патент выданы на это техническое решение неправомерно. Технические решения, совершенствующие ТС и не повышающие идеальность системы, по большому счёту, не могут признаваться изобретениями.

По первому направлению выявлен ряд более частных закономерностей увеличения степени идеальности ТС [1,5]:

- использование ресурсов ТС для ее развития: использование уже имеющихся в ТС веществ, полей, функций, энергии, информации, пространства, времени и их производных; использование в качестве ресурса вредных веществ, полей, функций ТС и их производных; оптимизация конструкции, параметров, функций и пр.; улучшение технологичности, снижение избыточных запасов прочности, использование более дешевых материалов, пустоты, пены, сотовых конструкций и пр.; комбинированное использование ресурсов разных видов;

- специализация ТС, т.е. резкое повышение качества выполнения главной функции системы при отказе от второстепенных функций;

- использование иных, более производительных физических, химических, геометрических и прочих эффектов;

- использование ресурсов надсистемы, отходов производства соседних систем, ресурсов внешней среды;

- отнять у ТС вредную функцию (В некоторых работах это называют антиидеальность. Почему «анти»? Вот если бы вредную функцию сознательно добавили…);

- свертывание ТС, т.е. избавление системы от излишних ресурсов: веществ, полей, функций, за счет лучшего использования имеющихся ресурсов ТС.

Ещё несколько закономерностей, не относящиеся к прямому применению «ресурсов»:

- вытеснение человека из ТС: этот процесс вначале идет на исполнительном уровне (рабочий инструмент, трансмиссия, двигатель), затем на уровне управления и, наконец, на уровне принятия решений;

- отказ от ТС, копирующих движения человека или животных.

Некоторые частные случаи из закономерности «моно-би-поли», повышающие степень идеальности ТС:

- объединение одинаковых систем для увеличения производительности, со свёртыванием на уровнях управления и принятия решения и, частично, на исполнительном уровне;

- объединение однородных элементов или ТС со сдвинутыми (близкими, но не одинаковыми) характеристиками и их частичное свёртывание.

Рапсодия № 7. При создании буровых автоматов для условий Марса была поставлена задача - обеспечить автоматическое (механическое) включение в работу ударного механизма бурильной машины при возрастании усилия подачи. Буровой автомат АМС «Луны 24» для условий Марса не подходил - был слишком тяжёлым. При той же мощности, бурильную головку для Марса необходимо было создать примерно в два раза легче. Один из возможных вариантов – использование кулачкового механизма взвода бойка. Известные кулачковые ударные механизмы советского бурового автомата, который устанавливали на АМС «Луна 16» и «Луна 20», а также американский бур АЛСД, используемый в программе «Аполлон», функцией автоматического включения в работу не обладали. Необходимо было повысить идеальность ТС за счёт использования ресурсов системы. Патентный поиск показал, что таких конструкций нет.

Не буду тратить время на описание того букета технических противоречий, который удалось разрешить при создании конструкции. Это была не очень простая задача, даже с позиций ТРИЗ, поэтому пришлось использовать на некоторых этапах решения задачи АРИЗ-71. Но задача была решена – созданы две схемы бурильных головок с новой функцией (включение ударного механизма по усилия подачи), предельно простые, и укладывающиеся в заданные ограничения на массу и габаритные размеры, то есть с высокой степенью идеальности. Эти наши конструкции были приняты КБ общего машиностроения для дальнейшей совместной разработки в качестве одного из базовых вариантов бурового автомата МБ-02. (АС № 548709, Е 21С 3/32, бюл. 8, 1977 и № 570704, Е 21С 3/32, бюл. 32, 1977).

Предполагаемый стратиграфический разрез марсианской поверхности предполагал наличие рыхлых пород типа лунных реголитов и твёрдых пород двух типов: плотные пемзы и базальты. Пемзы бурятся на Земле вращательным способом, но при малой мощности марсианского бура это могло привести к перегрузке привода вращателя бурильной головки и остановки бурового автомата системой автоматики АМС. Включение ударного узла на максимальной мощности при бурении пемзы, скорее всего, приведет к ещё большему возрастанию момента на вращателе. Напрашивались два режима ударно-вращательного бурения: при бурении монолитных пород невысокой крепости – минимальная энергия удара; а при бурении крепких горных пород – максимальная энергий удара. Обсудил свои соображения с руководителем – академиком Алимовым О.Д. Анализируя несколько предварительных набросков вариантов бурильных головок, пришли к выводу, что проще будет реализовать более сложную задачу - непрерывное изменение энергии удара в диапазоне от минимума до максимума в зависимости от скорости бурения или, что то же самое, от усилия подачи, тем более, что мы тогда не знали (и до сих пор это никому неизвестно) какие породы на самом деле придётся бурить на Марсе. Был разработан ряд вариантов конструкций, обеспечивающих автоматическое включение ударного механизма по усилию подачи и регулирование энергии удара по усилию подачи. Пять конструкций были защищены авторскими свидетельствами: №№ 471433, бюл. 19/75; 557176, бюл. 17/77; 582385, бюл 44/77; 747991, бюл. 26/80 - все в классе Е 21С 1/12 и № 875011, бюл. 39/81, кл. Е 21 С 3/06.

При вращательном бурении рыхлых горных пород, скорость бурения довольно высока и необходимо обеспечить высокую частоту вращения бурового инструмента, для того, чтобы шнековый транспортёр, размещённый на внешней поверхности бурового инструмента, успевал удалять из скважины буровую мелочь. При контакте буровой коронки с базальтами, скорость бурения резко снижается, усилие подачи возрастает. В этой ситуации высокая частота вращения бурового инструмента приводит только к нежелательному эффекту – быстрому истиранию острия лезвий буровой коронки. Выход – при возрастании усилия подачи необходимо увеличивать частоту ударов и снижать частоту вращения бурового инструмента, и желательно это сделать также автоматически при помощи механики. Введение в конструкцию дифференциальной передачи позволило решить и эту задачу. Три варианта перспективных конструкции были защищены авторскими свидетельствами: №№ 1090865, бюл. 17/84; 1247524, бюл. 28/86; 1278452, бюл. 47/86 - все в классе Е 21С 1/12.

Буровой автомат МБ-02 был изготовлен и успешно испытан, но началась перестройка, резко уменьшилось финансирование работ по исследованию Космоса, закончился ресурс зарезервированного для этой программы марсианского посадочного модуля. Очень интересная и амбициозная программа исследования Масса была свёрнута. Вот такая печальная рапсодия получилась.

Рапсодия № 8. . Вспоминается такая ситуация. Идёт учебный семинар. Его проводит известный ТРИЗовец, назовём его условно Иван Иванович. Один из слушателей семинара вдруг задаёт неожиданный вопрос, никак не связанный с обсуждаемой темой и даже, можно сказать, «провокационный»:

- Иван Иванович, а сколько у Вас на сегодняшний день своих авторских свидетельств на изобретения?

Иван Иванович что-то невнятно говорит о том, что изобретать - это интересно, а вот оформлять заявки на изобретения - уже не так интересно, да и времени, как правило, не хватает на это скучное дело. Вот и сам Альтшуллер уже много лет не пишет заявки на изобретения. Как-то, мол, меня ребята включили в авторский коллектив по двум совместным идеям и вроде бы они что-то там получили. Можно считать, что у меня два авторских свидетельства на изобретения.

«Вредный» слушатель бурчит, так, чтобы Иван Иванович не услышал:

- Непонятно, кто - кого должен учить изобретательству? У меня десятки изобретений, а у него только 2.

Можно было бы, конечно, поспорить с этим вредным слушателем, но вспоминается французская пословица: «Хочешь быть кузнецом - куй». И я подумал, что ведь в чём-то этот слушатель был прав. Мой другой учитель - академик Алимов Олег Дмитриевич - всегда говорил своим аспирантам, что начатое дело необходимо обязательно довести до какого-то логического конца. Что-то новое придумал - отправь заявку на изобретение и докажи экспертизе свою правоту. Начал писать статью - добейся, чтобы она была опубликована. Проводишь исследование - напиши по нему хотя бы научный отчет. Тот, кто бросает начатую работу - ничего не добьётся на научном поприще. Лучше работу вообще не начинать, чем начать и бросить её на полпути.

Над этой темой продолжаю думать перед сном и делаю для себя такой вывод: - если я учу других изобретать, то должен и сам это делать и доводить по возможности свои идеи до авторских свидетельств на изобретения. Если я себя называю «профессиональный изобретатель», то должен, несмотря на занятость основной работой, изобретать регулярно, ну, скажем, посылать во ВНИИГПЭ хотя бы одну заявку на изобретение в месяц. Отпуск - это дело святое. Получается, что нужно посылать в год 11 заявок на изобретения. В первую очередь, конечно, нужно оформлять в заявках те идеи, которые иллюстрируют механизмы ТРИЗ, чтобы приводить слушателям Школы свои примеры изобретений, а не отобранные из огромного массива патентных материалов «чужих» изобретений.

Так удалось «продержаться» семь лет. За это время было получено более 60 авторских свидетельств на изобретения. Если в целом по стране ВНИИГПЭ в среднем выдавал одно авторское свидетельство на 4 поданные заявки, то у меня лет за 10 получилось 4 из 5 заявок. Почему не все? Да очень просто. Обычно две причины: а) поленился провести более тщательный, более глубокий патентный поиск, и экспертиза противопоставила, например, шведский патент-аналог, а в патентные фонды Швеции - я вообще не заглядывал; б) не было времени ответить на запрос экспертизы (командировки, болезни, защита диссертации и пр.). Ещё одна специфичная причина была – часть изобретений делалось по секретной тематике. Секретные заявки на изобретения руководство, как правило, не поощряло. А как можно в открытой заявке доказать причинно-следственную связь отличительных признаков с целью изобретения, если на нашей Земле это совершенно не актуально, а на Луне или Марсе без этого не обойтись? Я думаю, что сейчас, когда к таким секретам стали относиться, мягко говоря, спокойнее, можно будет к некоторым старым отклонённым заявкам вернуться. В них есть, по моему мнению, очень интересные технические идеи.

Рапсодия № 9. Конец декабря 1985 года. Подвожу итоги первого года - подано только 10 заявок на изобретения. На столе лежит стопка карточек с идеями и некоторые из них уже доведены до рисунка и формулы изобретения. Два-три дня работы и годовая норма будет первый раз выполнена. Но хочется чего-нибудь новенького, необычного. Хочется сделать себе хороший и необычный подарок к Новому Году.

- А вот изобретений на «способ» у меня ещё нет. А не мешало бы.

Достаю папки с копиями описаниями изобретений по копрам, просматриваю их и нахожу очень интересный способ формирования ударной нагрузки при испытании изделий (АС № 923340). Он может применяться в струнных копрах и довольно простой по реализации. В калиброванный по диаметру стакан заливается жидкость различной плотности (дискретное изменение). Платформа с испытуемым изделием имеет профилированный и тоже калиброванный наконечник (реально может изменяться только дискретно). Платформа разгоняется, скользя по струнам, и тормозится путем внедрения наконечника в жидкость. Параметры ударного импульса определяются уровнем заливаемой в стакан жидкости, плотностью жидкости и формой наконечника. Из трёх инструментов только один - уровень жидкости в стакане можно менять непрерывно (в небольшом диапазоне), а плотность жидкости и форму наконечника нужно подбирать и, как правило, экспериментально. И не всегда удаётся получить требуемые параметры импульса. А среди направлений повышения степени идеальности есть и такое «использование иных, более производительных физических эффектов».

Что ещё нужно специалисту, хотя бы чуть-чуть знакомому с ТРИЗ и фондом физэффектов, чтобы сделать это изобретение? Только на прошлом занятии рассказывал студентам, как японцы при помощи магнитных и ряда других «умных» жидкостей производят сепарацию того, что остаётся от легкового автомобиля, прошедшего через блок фрез. Воздействуя на «умные жидкости» магнитным или электрическим полем, они добиваются того, что последовательно всплывают на поверхность жидкости материалы с различной плотностью, вплоть до свинца из аккумуляторов. Два вечера - и материалы заявки готовы, ещё три дня на сбор различных подписей и 26 декабря сдаю заявку в патентный отдел института. Ура! План первого года удалось выполнить.

Начальник патентного отдела, хороший специалист своего дела, прочитав заявку, с довольным видом заявила:

- Вот на это (трясёт материалами заявки) вы не получите авторское свидетельство никогда!

- Это почему же?

- Интуиция.

- А у меня - наука. Было в технической системе три инструмента и все плохие. Использование «умных жидкостей» позволило практически отказаться от одного (форма наконечника), существенно снизить влияние второго (уровень жидкости) и оставить только один, но очень эффективный инструмент (непрерывное изменение плотности жидкости в широком диапазоне). И при этом «все остаётся, как было» и даже упрощается - не нужно так много сменных наконечников и набор жидкостей с различной плотностью. Повысилась степень идеальности технической системы, степень динамичности и управляемости, существенно расширились её технические возможности, увеличилась производительность, упростилась работа обслуживающего персонала. Единственной причиной неполучения мной положительного решения экспертизы по этой заявке может быть только одна - противопоставленный патент-аналог, например, китайцев или корейцев - по этим странам я даже не проводил патентного поиска. Но вероятность этого настолько мала…

Я думаю понятно, что интуиция начальника патентного отдела в этот раз подвела. Авторское свидетельство на изобретение было мне выдано (АС № 1453202, G 01M 7/00, бюл.3/89), хотя и не сразу, но это отдельный разговор, не относящийся к сути изобретения.

Рапсодия № 10. Интересная ситуация. Изобретаем-то мы по-новому - по науке, а вот оформлять заявки на патенты на изобретения соответствующая инструкция ФИПСа заставляет нас по старой традиционной технологии: найди прототип; укажи, что в нём плохо; что нового предлагаешь, чтобы стало лучше. И дела им нет и до ЗРТС, и до преодоления технического противоречия. И есть ещё никому толком не понятный критерий «существенные отличия» или «неочевидность», за который экспертиза иногда успешно прячется. Но это тема, может быть, не рапсодии, а симфонии, со специально подобранными и характерными примерами. Одно могу утверждать - если при решении задачи мне удалось преодолеть техническое противоречие и экспертиза не может противопоставить мне какой-то 100%-ный патент-аналог, то можно спорить с экспертизой, не обращая особого внимания на её отрицательные решения. Нужно аккуратно спорить, вежливо, разъясняя и доказывая то, что экспертиза «не совсем правильно поняла». И как сказал один известный деятель: «Наше дело правое! Победа над экспертизой будет за нами!»

Рапсодия № 11. Объединение однородных систем хорошо видно на примерах простейших, желательно пионерских или находящихся на ранних этапах своего развития, ТС, состоящих из 2-4 элементов. Проводя патентный поиск по различным темам, я отбирал такие пионерские ТС для учебных целей – предлагал с этими ТС поработать студентам - слушателям своей Школы. Одна из таких систем - пружинный распылитель жидкости (АС № 646150 и 910204). Пружина растяжения с межвитковым давлением навинчивается на коллектор, на свободный конец устанавливается заглушка. Жидкость распыливается, проходя через зазор между витками пружины. Зазор образуется из-за давления жидкости внутри пружины. В случае загрязнения зазоров, при распылении технических жидкостей, давление внутри пружины растет, зазор увеличивается и распылитель самоочищается.

Начинаем работать: би-пружины размещаем параллельно, последовательно, ввинчиваем одну в другую, закручиваем одну относительно другой, меняем параметры пружин, направление навивки. Задача – в каждом случае выявить полезный эффект, который получает система, развиваясь по законам. Эффект каждый раз находится – оформляем заявки на изобретения. Так были получены авторские свидетельства на изобретения (все класс В 05В 1/04): № 1502121, бюл. 31/89; № 1505594, бюл. 33/89; № 1547852, бюл.?/90; Также были получены и патенты РФ: № 2233202, бюл. 21/04; № 2233710, бюл. 22/02.

В ряде случаев можно объединять в би-систему разнородные элементы и получать более качественное выполнение главного производственного процесса. Так если ввести в полости пружины-распылителя стакан, то он исключит негативное влияние скоростного потока жидкости на растяжения пружины (АС № 1549600, В 05В 1/04, бюл. 10/90).

Рапсодия № 12. Ещё на один простой распылитель краски для окрашивания внутренних поверхностей длинномерных изделий (труб, например) было уже выдано несколько патентов изобретателям (АС № 1003915 и др.), но это всё были моно-системы. Вместо одного игольчатого клапана ввожу два, направляю их в противоположные стороны (компенсация реактивной силы струи краски), частично свёртываю механизм регулировки. Рисую несколько вариантов, два из них мне нравятся. Решаю их патентовать. Всё это один – полтора часа работы и потом две недели оформления заявок и сбора всех необходимых подписей. (АС № 1382502, бюл. 11/88; № 1391722, бюл.16/88, оба В 05В 3/10.)

Одному из активных слушателей Школы Дербишеву Т.Д. поручаю перейти в этой же схеме распылителя к поли-системе клапанов и максимально эту систему свернуть. Нарисовано им несколько вариантов. Анализируем их, выявляем достоинства и недостатки. Недостатки тут же устраняем, дорабатывая конструкцию. Подаём заявки на понравившиеся нам две конструкции ( АС № 1353520, бюл.43/87, № 1475723, бюл.16/89, оба изобретения из класса В 05В 3/10).

По второму направлению повышения степени идеальности выявлен ряд более частных закономерностей увеличения степени идеальности ТС. Наиболее интересная - это та самая закономерность «моно-би-поли»: одна система (моно) рано или поздно объединится с другой системой (образовав би-систему), потом они присоединят к себе ещё несколько ТС, образовав поли-систему. Параллельно идёт процесс свёртывания и полностью свёрнутая система становится моно-системой. Далее процесс повторяется на новом уровне и таких примеров много в учебной и методической литературе по ТРИЗ. Переход моно-би-поли может осуществляться следующими путями (ещё более частные закономерности, часть из которых мы уже рассмотрели ранее):

- соединение разнородных ТС (что увеличивает число полезных функция и часто эквивалентно созданию новой ТС);

- соединение конкурирующих (альтернативных) систем;

- соединение инверсных (выполняющих противоположные функции) систем.

Необходимо отметить, что процесс объединения двух и более систем в новую ТС расширяет число выполняемых функций в новой ТС (второе направление повышения степени идеальности) и он почти всегда сопровождается процессом свертывания – первое направление повышения степени идеальности ТС. Полностью свернутая ТС становится моносистемой на новом более высоком уровне и может быть опять вовлечена в процесс объединения с другими системами по одной из перечисленных выше закономерностей.

Рапсодия № 13. По маятниковым копрам в 1980 году провёл по ряду ведущих стран довольно обширный патентный поиск и знал о них почти всё. Появились они очень давно - наверное, ещё тогда, когда наш далёкий предок, перепрыгивая при помощи куска лианы с одного дерева на другое, немного не рассчитал и врезался в ствол третьего дерева. Так, или возможно так, появился первый маятниковый копёр. Письменные свидетельства сохранились уже о частично свёрнутых би-маятниковых копрах - стенобитных орудиях древности. Более 3-х тысяч лет назад были изобретены крепостные стены, которые возводили вокруг наиболее ценной части поселения. Стены были глинобитные или каменные, причём камни скреплялись при строительстве, как правило, тем же глинистым раствором. Изобретатели-защитники торжествовали, стену толщиной 2 - 3 метра не пробивали ни стрела, ни копьё. Изобретатели-нападающие в это время обтёсывали огромное дубовое бревно, подвешивали его на штангах и водружали основание этой конструкции на телегу. Тогда другие изобретатели-защитники придумали… И продолжается этот процесс до настоящего времени: ракетный удар возмездия; а мы - противоракетный щит; а мы придумали такие гиперскоростные ракеты, что ваш щит будет бессилен; а мы сейчас создаём супергиперантиракеты; а мы в Польше и Чехии установим… Когда же человечество угомонится?

Рапсодия № 14. Обычно для получения ударных импульсов синусоидальной формы для испытания изделий электронной техники на ударные воздействия используется шаровой боек из упруго-пластичного материала с закаленной сердцевиной. Если необходимо ударный импульс «растянуть», т.е. увеличить время его действия без снижения амплитуды, то используются бойки цилиндрической формы, ударный торец которых выполнен в виде полушара. Эти два бойка в определенном смысле являются конкурирующими или альтернативными системами. Используются цилиндрические бойки при высоких скоростях соударения довольно редко, так как после первого же удара на бойке образуется вмятина, что меняет его геометрию и требует изготовления нового бойка. Шаровой боек может использоваться несколько десятков раз, если после каждого удара его немного проворачивать (чтобы отпечатки–вмятины - не накладывались друг на друга), но он генерирует «короткий» ударный импульс.

Как сделать ударный импульс синусоидальный и одновременно длинный? Самым простым способом объединим конкурирующие системы. Сделаем боек составным (АС № 893515, В 25D 17/02, бюл.48/81). Шаровой боек небольшого диаметра вставим в сферическое углубление на цилиндрическом бойке и свяжем их быстроразъемным соединением. Перед каждым новым ударом необходимо ослабить быстроразъемное соединение, провернуть шаровой боек на некоторый угол, чтобы по оси бойка не было отпечатков от предыдущих ударов, и опять затянуть соединение. Стойкость шаровой части бойка возросла до 100 и более ударов (работает почти вся его поверхность). Цилиндрическая часть бойка имеет практически неограниченную стойкость.

Справедливости ради следует заметить, что это изобретение было сделано в 1980 году при помощи трёх частей АРИЗ-71, когда я ещё не слышал ничего ни о «конкурирующих системах», ни о втором направлении повышения степени идеальности.

Рапсодия № 15. В ряде случаев, по условиям эксперимента, необходимо получить особо «чистую» форму синусоидального ударного импульса. Так как рычажный подвес вносит довольно большие искажения в форму импульса (примерно треть его массы принимает участие в формировании ударного импульса и, как правило, «не так, как надо»), то приходится использовать тросовый подвес. В этом случае довольно трудно обеспечить центральность удара бойка по волноводу и некоторые эксперименты (довольно дорогостоящие) приходится повторять.

После семинара 1985 года уж очень хотелось мне объединить что-нибудь конкурирующее. Конкурирующие бойки 5 лет назад уже объединил, ничего не подозревая об этом новом механизме. Что бы такое объединить ещё? И желательно в маятниковых копрах. Подвес бойка. Это может быть штанга - обеспечивает точный удар по оси волновода (специалисты говорят «центральный удар»), но существенно искажает форму и параметры ударного импульса. И троссовый подвес, который обеспечивает чистый, неискажённый ударный импульс, но - попробуй, попади бойком по волноводу. Нет, попасть-то можно, конечно, - вообще в волновод. А вот попасть бойком точно по оси волновода - это уже проблема.

Пусть шаровой боек будет постоянно связан с тросовым подвесом, что обеспечит главный производственный процесс, т.е. «чистоту» ударного импульса. Но только на этапах взвода, сброса и разгона бойка пусть с ним будет еще связан и штанговый подвес (АС № 1250865, G 01M 7/00, бюл.30/86) . Остаётся пустячок - как сделать так, чтобы штанга в момент удара не передавала в волновод часть своей кинетической энергии? И при этом хотелось бы, чтобы «всё осталось, как было», или «почти всё…».

Вот один из вариантов решения задачи. Штанговый подвес имеет на конце вилку с зубьями, вырезанными из части сферы, которые почти всё время (при взводе, сбросе, разгоне) охватывают и удерживают шаровой боёк (отметим, что диаметр бойка обычно на 40 – 60% больше диаметра волновода). Это обеспечивает центральность удара шарового бойка на тросовом подвесе, а после удара бойка по волноводу – обеспечивает «чистоту» формируемого ударного импульса, т.к. в момент удара зубья вилки свободно пропускаются волноводом.

Рапсодия № 16. Мне давно хочется объединить какие-нибудь конкурирующие системы в распылителях жидкости для сушилок. Я работаю с Кочневой С.В., по её просьбе. До нас уже две конкурирующие системы в распылителях объединили в ряде изобретений, получив пневмоцентробежный распылитель. У сушилок с таким распылителем есть существенный недостаток - факел распыла занимает только малую часть объёма сушилки.

- Вы с руководителем эту схему существенно улучшили. Какие ещё бывают распылители для сушилок?

- Бывают ещё форсуночные центробежные распылители, но в этих сушилках столько проблем…, что мы от их использования сразу же отказались.

- Стоп! Я всё-таки авиационный инженер-механик и что такое центробежная форсунка мне рассказывать не нужно. Вот теперь можно оформлять заявку на изобретение.

- На какое…?

- Установим центробежную осевую форсунку по оси нашего пневмоцентробежного распылителя и частично свернём систему подачи распыливаемой жидкости в эту форсунку и в наш распылитель. Факел центробежной форсунки заполнит почти всю центральную часть сушильной камеры. Было заполнение на 10-15%, а теперь почти 100% заполнения сушильной камеры факелом распыла. Ну, как? Пойдёт?

- ???

- Но более интересно здесь не то, что ты думаешь, а другое – нам удалось объединить сразу три конкурирующие системы. При этом пропали их недостатки и в новой технической системе сохранились только их положительные качества. Очень возможно, что нам это удалось сделать впервые.

Заявка на изобретение была отправлена в начале 1987 года. Для упрощения переписки с экспертизой в заявке в последний момент решили убрать из нашего распылителя пневмораспылительную часть (АС № 1475722, В 05В 3/10, бюл.16/89).

Интересно, также, что при объединении первых двух конкурирующих систем (диск + воздух) эффект был получен на уровне технической системы – распылителя. А при объединении двух других конкурирующих систем (диск + форсунка) основной эффект был получен на уровне надсистемы – в распылительной сушилке.

Рапсодия № 17. Объединяя разнородные системы в пружинных распылителях жидкости можно повысить качество выполнения основной функции. Например, пульсирующий факел распыла можно получить, добавляя к распылителю механизм возвратно-поступательного перемещения заглушки. Можно этот механизм перевести на микроуровень – подавать пульсирующее давление в полые витки пружины. Повысить степень идеальности этой системы можно путем использования ресурсов системы – возбуждая в ней автоколебания (ещё три варианта конструкции). Все эти пять вариантов конструкций защищены патентом РФ № 2238152, В 05В 1/04, 1/08, бюл. 29/04.

А если пульсирующий факел будет ещё и менять стохастически свой рисунок пульсации, то может появиться необычный непредсказуемый динамичный фонтан. Несколько схем такого распылителя для фонтана защищены нами в патенте РФ № 2284227, В 05В 17/08, бюл. 27/06, причём в одном из вариантов элемент конструкции – рассекатель - начинает переходить на микроуровень.

Развитие ТС идет не равномерно и чем сложнее ТС, тем не равномернее идет развитие ее частей. Это свойство ТС является причиной возникновения в ней технических и физических противоречий, т.е. изобретательских задач.

Для выявления и разрешения противоречий внутри ТС необходимо решение мини-задачи. На это первое направление и направлены основные инструменты ТРИЗ.

Второе направление – переход к новой альтернативной (конкурирующей) ТС, которая выполняет те же функции, но в которой этого противоречия нет (решение макси-задачи).

Рапсодия № 18. Для исключения загрязнения образца лунного грунта молекулами земных веществ, образец необходимо брать на расстоянии не менее полутора метров от Лунохода. Один из вариантов – использование гибкого шнекового транспортёра. Сделали макет, провели эксперимент. Грунт начинает поступать в приёмный бункер лаборатории Лунохода примерно через 20 минут. Слишком долго и большой расход электроэнергии. Необходимо это время сократить в 4-5 раз. Выход довольно известен – равномерное вращение шнека нужно заменить на импульсное при выходе на рабочую частоту вращения. Тщательно анализирую монографию В.Ф. Мальцева «Механические импульсные передачи» (М., Машиностроение, 1978). Не нахожу ни одного устройства, которое обеспечило бы нужный закон движения гибкого шнека. Более того, все описанные конструкции довольно сложны и громоздки, чтобы использовать их на Луноходе. Нужно решать макси-задачу и переходить к новой ТС с той же функцией, а её нет. Похоже, что придётся делать «пионерское» изобретение. Нарисовал и проанализировал больше 20 схем таких механизмов. Сложно, громоздко, но они мне всё время что-то напоминали. Год назад я заявил очень простую по конструкции центробежную предохранительную пружинно-фрикционную муфту (АС № 861786, F 16D 43/22, бюл. 33/81). Переписки по ней с экспертизой практически не было и как то эта схема «не пришла сразу в голову». Это было решение. Нужно было только эту муфту перевернуть. Выходной вал сделать входным (АС № 1048207, F 16Н 29/12, бюл. 38/83) и предохранительная муфта становится механизмом преобразования непрерывного вращения в периодическое. Такой преобразователь можно сделать из любой центробежной предохранительной муфты, но моя, пружинно-фрикционная, будет иметь минимальную массу и размеры.

По этой заявке я получил два решения о запросе и три отказных решения, а затем приглашение на экспертное совещание. Так как терять мне было уже нечего, то я сразу же заявил, что это изобретение - пионерское. Покажите мне хоть одну, причём любую конструкцию, реализующую нужный закон движения на выходе и я подпишу согласие с вашим отказным решением. Уже через несколько минут вокруг нас толпились человек 15 экспертов (не каждый день в отдел приходят такие наглецы), а напротив меня сидел видимо начальник отдела. Три часа споров – и начальник капитулировал.

Развитие ТС идет с переходом в надсистему, т.е. достигнув пределов своего развития, ТС включается в надсистему в качестве одной из ее частей, и дальнейшее развитие ТС идет на уровне надсистемы.

Примером могут служить механизм стыковки и механизм фиксации. В надсистеме - буровой автомат (см. рапсодию № 3) эти два механизма свернулись (путём согласования параметров) в один, который теперь выполняет обе функции.

ОКОНЧАНИЕ СЛЕДУЕТ