Возможности применения энергетических понятий при структурном обследовании систем

1. Энергетический анализ технических систем, отличающийся тем, что с целью правильной постановки задачи на усовершенствование системы, подвергаются исследованию энергетические факторы функционирования системы.

2. Энергетический анализ по п. 1, отличающийся тем, что основными исследуемыми энергетическими факторами выбраны энергетический контур системы, энергетический поток и потокосцепление контуров.

3. Энергетический анализ по п. 1 и 2, отличающийся тем, что его проводят согласно четким методическим рекомендациям.

4. Энергетический анализ по п.п. 1, 2, 3 отличающийся тем, что с его помощью точно определяют места (компоненты) системы, которые должны быть изменены с целью повышения эффективности функционирования системы.

Перед нами поставлена задача: изготовить из металла деталь в виде кругового цилиндра, с помощью токарной обработки.

Есть некая Заготовка, с которой надо снять излишки металла. Создавая Устройство, выполняющее эту функцию, надо иметь в первую очередь Рабочий Орган, способный отделять излишки металла, далее - Источник Энергии и, наконец, позаботиться о том, чтобы Рабочий Орган описывал бы в пространстве координат Заготовки поверхность вращения.

В соответствии с принятым принципом действия, Рабочий Орган должен "точить" или "резать" - действовать механически, а Источник Энергии должен приводить Рабочий Орган и Заготовку в относительное вращение, причем вид создаваемой энергии и способ ее передачи нам не заданы - их предстоит выбирать.

Рассмотрим передачу энергии в нашей системе. Источник энергии действует на резец, заставляя его перемещаться; резец, двигаясь, действует на Заготовку и снимает с нее излишек металла; Заготовка оказывает сопротивление резцу, потребляя некую "энергию реакции". Эта энергия реакции Заготовки по величине равна энергии точения и отличается от неё знаком - Заготовка как бы "упирается" в Источник Энергии, чем и замыкает энергопоток (рис. 1).

Рис. 1. Схема токарной обработки цилиндрических деталей

Качественный анализ полученной схемы показывает, что:

во-первых, система образована из трех элементов и трех связей, из которых минимум две должны быть подвижны. Отсюда следует три возможных варианта схем точения:

- с фиксированной Заготовкой и вращающимся Резцом;

- с фиксированным Резцом и вращающейся Заготовкой;

- с подвижным Резцом и Заготовкой.

Для каждого конкретного случая оптимальным может быть любой из этих вариантов, но очевидно, что когда масса Заготовки превосходит массу резца, Заготовку выгодно фиксировать.

Во-вторых, из всех имеющихся в системе связей принципом действия однозначно определена только одна: "резец-деталь" -механическое воздействие. Для оставшихся связей можно выбирать любые из известного ряда "технических" полей, и, конечно, элсктрическое иоле будет выглядеть предпочтительным.

Возникает такой облик Устройства токар ного модуля: статор асинхронного электродвигателя с закрепленным на торце резцедержателем вращается вокруг Заготовки. Обмотка статора, ставшего ротором, состоит из двух частей - обмотки "вращения" и обмотки "подачи", резцедержатель обеспечивает установку глубины резания. Сама же Заготовка может фиксироваться в любом положении или даже транспортироваться при этом между другими технологическими позициями и по дороге обрабатываться. И хотя такая схема порождает немало вопросов, но и возможности она открывает тоже немалые: обработка деталей большого удлинения (в пределе, бесконечного), легкость встраивания токарных модулей в технологические потоки, роторноконвейерные линии. Токарный модуль может быть установлен в схват промышленного робота, и тогда тот, вместо привычного "перемещать между обработками", станет "обрабатывать, перемещая".

Таков результат предварительного анализа довольно грубой модели системы. В этом анализе, помимо хорошо известных тризовских инструментов, было применено понятие "энергетического контура".

Исходные положения.

Предварительно договоримся о рабочих определениях основных терминов:

Под "системой" будем понимать совокупность элементов, способных объединяться в структуры с развитой иерархией.

"Энергию" следует понимать как меру способности ТС или ее части претерпевать изменения в своей структуре (Строго говоря, применение понятия "энергия" здесь не совсем уместно, поскольку в ходе анализа настоящий интерес вызывает не вся способность ТС к изменчивости, а лишь та, что может проявиться и быть реализованной наперед в заданном месте, в конкретное время - в вполне определенном надсистемном окружении. Для такого случая ближе понятие ЭКСЕРГИИ - работоспособности тела относительно внешней среды).

"Работа" - показатель функционирования ("количество функционирования").

"Поток" - геометрическое место точек в пространстве функционирующей ТС, в которых происходят процессы последовательного преобразования энергии.

Развитие ТС может осуществляться двумя путями:

- экстенсивным, при котором развитие идёт по пути количественного наращивания функциональных показателей при неизмененной организации;

- интенсивным, при котором количественное наращивание достигается за счёт изменения организации системы.

В природе и технике сосуществуют оба пути, причём, всякое, сколько-нибудь значительное увеличение параметров функционирования в принципе невозможно без изменения организации, но при этом конечная цель изменений - создать систему, для совершенствования которой не требуются новые изменения.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ - ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В ТРИЗ уже два десятка лет существует работоспособный метод моделирования ТС - вепольный анализ (ВА). В его основе заложено одно весьма серьезное ограничение - вепольная модель конкретна, понятия "вещество" и "поле" даются лишь в антитезе друг к другу. Два решателя вправе построить для одной и той же задачи различные вепольные модели в зависимости от того, что они выберут элементами вепольных структур. Однако попытки как-либо конкретизировать правила выбора элементов пока не были успешными.

Созданием энергетического анализа (ЭА) мы попытались разрешить это противоречие. ЭА основан на двух основных положениях:

- любую ТС можно списать цепочкой вепольных структур;

- анализ функционирования ТС проводят в два этапа: вначале анализ полей, реализованных в единичных вепольных структурах, и только потом - исследование вещественных компонентов и внесение изменений.

Первые попытки применения такого подхода привели к важному заключению: энергетические цепочки взаимодействий всегда замкнуты. Поэтому в ЭА заложены два термина, отсутствующие в ВА: "энергетический поток" (ЭП), понимаемый как некая последовательность превращения энергии в ТС при ее функционировании, и "энергетический контур" (ЭК) - замкнутая часть ЭП.

ЭП может быть охарактеризован геометрией и видом поля, величиной потенциала. Пример ЭК нагруженной консольной балки приведен на рис. 2.

Рис. 2. Энергетический контур висящего груза

Отдельные ЭК соединяются в совокупный ЭП. Это соединение - "потокосцепление" - может быть промоделировано в виде цепи, отдельный ЭК - "звено", ПС - "цепь".

Несколько правил.

В подавляющем большинстве случаев, наблюдая за системой, невозможно увидеть работу отдельных ЭК - заметно, как правило, лишь ПС. Именно параметры ПС и определяют в конечном итоге всю архитектуру системы. ПС объединяет в законченный функциональный комплекс Рабочий Орган, Источник Энергии, Трансмиссию и Средства управления. Изменяя ПС, несложно добиться необходимых изменений во всей системе.

На сегодняшний день известно более четырех сотен патентов на одноразовые медицинские шприцы. Тема эта с некоторого времени стала особенно актуальной. И хотя известны разные способы инъекций, при которых полностью исключается применение игл, как основных источников заражения (безыгольные инъекторы), изобретательский процесс в области одноразовых шприцов идет пока очень активно.

В массе преобладают требования "одноразовости" в смысле "бросовой дешевизны". Само по себе это закономерно. Но для последнего десятилетия крайне существенной стала "одноразовость" в смысле "гарантии от переноса инфекции при повторном использовании инструмента", так сказать "принудительная" стерилизация одноразовостью. В основном это устройства, принудительно разрушающие шприц или приводящие в негодность его элементы: ножи, распарывающие корпус, иглы, прокалывающие поршень или заклинивающие его.

Однако, "принудительная" одноразовость вступает здесь в противоречие с "естественной" - новые устройства усложняют и удорожают изначально дешевую конструкцию.

Для подобного рода "путаных" ситуаций именно ЭА позволяет выявить ТС целесообразные изменения.

Разумно вносить изменения в те части, которые при свёртывании системы останутся в ней наверняка, т.е. сначала необходимо смоделировать свертывание ТС "шприц". Требование ЭА: должны остаться только те элементы, через которые замыкается ПС. Для шприца такими элементами будут игла, поршень и корпус (Рис 3)

Рис. 3. Техническая система "Шприц"

Поскольку в идеальной системе не должно оставаться элементов, кроме тех, которые обеспечивают основное ПС, перечисленные элементы должны представлять собой монолитную конструкцию без каких-либо других элементов.

Для пары "поршень-корпус" такое требование приводит к противоречию типа "подвижный - неподвижный" поршень относительно корпуса ("подвижный" - как средство изменения объема, "неподвижный" как результат монолитного исполнения). Это противоречие разрешимо применением гибких оболочек и тонких пленок: поршень и корпус останутся подвижными друг относительно друга будучи отлитыми из одного пластического материала вместе с соединяющей их мембраной (рис. 4).

Рис. 4. Одноразовый шприц после свертывания

Последовательная реализация этого решения приводит к тому, что игла, выполненная монолитной с корпусом и поршнем, очевидно должна быть из того же пластического материала, что и они. Это значит - быть гибкой. Но для своего успешного функционирования ей необходима жёсткость... Появляются и другие противоречия.

Попробуем найти удовлетворительную конструкцию за счет энергетических ресурсов ТС. Шприц должен становиться одноразовым не просто вследствие своего функционирования, а за счет энергии этого функционирования. Причем требуемое изменение не только должно само достигаться при минимальных затратах энергии, но и реализовываться только за счет той энергии, которая остается после свертывания.

Последнее подсказывает, что "одноразовость" должна обеспечиваться в момент прокалывания иглой кожи и обеспечиваться средствами прокалывания, т.е. иглой. После первого же укола игла должна становиться неспособной к осуществлению последующих. А поскольку она выполнена как одно целое с остальной частью шприца, одноразовым делается и весь шприц. В процессе проникновения под кожу с иглой должно происходить некое изменение. Энергия для этого изменения должна быть выделена там же, где ей предстоит быть потребленной, т.е. в самой игле. Это энергия укола.

Теперь можно поискать способы разрешения выявленных противоречий. Было отмечено, что игла, выполненная как одно целое с корпусом из гибких материалов, должна быть неспособна производить уколы (что отмечалось, как нежелательное свойство), но в производстве она технологична. После первоначального ЭА очевидно, что это свойство становится необходимым - в определенный момент требуется, чтобы игла была неспособной прокалывать кожу. Гибкая игла при изготовлении армируется жестким элементом (например, стеклянной нитью), который при введении иглы в ткань больного под действием энергии укола разрушается. Произвести однократную инъекцию через уже введенную иглу можно, но после ее извлечения повторная инъекция полностью исключена. Можно найти и другие решения.

В каком же направлении осуществлять прогрессивные изменения систем?

Общая цель ясна: в результате преобразований Рабочий Орган системы должен приобретать как можно большую изменчивость по отношению к своему системному окружению, и тем более, к Изделию. Причем имеется в виду не только то простое правило, по которому "хороший резец" - не тот, что медленно тупится, а тот, что успевает самозатачиваться", но и то, что "резец должен оставаться Рабочим Органом и тогда, когда Заготовка выточена", и значит он должен еще "уметь" что-то другое, т.е. обладать большей изменчивостью.

Путей достижения этой цели несколько.

По аналогии с цепью - из множества лучшая та, в которой отношение суммарной массы звеньев к общей массе наибольшее (в неком пределе, правда, такая конструкция утрачивает свойства гибкости, превращаясь в жесткий прут). Отсюда видны два направления:

Первое направление

Укорочение "цепи". Иначе говоря, такая организация ПС, при которой его пространственные параметры были бы наименьшими. Здесь можно идти несколькими путями:

1. "Минимизация расстояний".

Необходимо добиваться такой формы ПС, при которой для каждого его участка из трех последовательно расположенных элементов (А, В, С,), было бы справедливо равенство.

L(AC) = L(AB) + L(BC), где

L(AC), L(AB) и L(BC) - кратчайшее расстояние между соответствующими элементами.

2. "Минимизация числа изгибов"

Необходимо так компоновать части ТС, чтобы для замыкания имеющегося в нем ПС, потребовалось бы наименьшее число поворотов силовых линий ЭП. Очевидно, что в пределе возможно существование ПС с одним единственным поворотом силовых линий. Такое ПС должно иметь форму окружности. Однако в действительности построить подобную систему вряд ли когда-нибудь удастся: поскольку радиус поворота ПС в каждом конкретном месте зависит от свойств среды, для "однорадиусного" ПС потребуется соответственно и однородная среда - представить себе ТС в виде абсолютно однородной среды, и к тому же в ней успешно функционирующей, пока довольно сложно (Пока", потому что вообще-то существует ряд топологических эффектов {например, лист Мебиуса, бу

тылка Клейна и т.д.), позволяющих создавать "однорадиусные" замкнутые кривые довольно замысловатой формы). Хотя близкие аналогии этого в природе и технике встречаются весьма часто: кольца дыма, воронка воды у сливного отверстия в ванне и т.д.

3. "Минимизация площади, ометаемой радиус - вектором".

Если вообразить где-то внутри контура ПС точку, провести от нее к какой-нибудь точке на самом ПС радиус-вектор и начать его вращать так, чтобы его конец, обойдя весь контур, вернулся в исходное место, то ометаемая им площадь у наиболее рационально скомпонованной системы окажется наименьшей.

Нетрудно догадаться, что это достижимо при выполнении двух приведенных только что принципов, а также при общем сокращении длины ПС.

Второе направление - увеличение массы "звена".

1. Увеличение единичной мощности сцепленных потоков. В пределах заданных геометрических размеров контура ПС это зачастую оказывается возможным лишь путем перехода к более "энергоемким" полям:

- для малых систем - электромагнитные и поля сильных и слабых взаимодействий;

- для больших систем - гравитационные или действующие на их основе механические поля (С точки зрения редактора, это утверждение автора не обосновано).

2. Увеличение числа энергетических контуров в ПС.При заданных геометрических параметрах ПС и тем более при решении задачи их минимизации такой путь реализуется только посредством "перехода на микроуровень", иначе говоря, такой организации ТС, при которой ее функционирование осуществлялось бы сложным Рабочим Органом, каждая часть которого взаимодействует с изделием в микромасштабах.

Миграция энергетических контуров.

Совокупное число возможных энергетических контуров в системе должно быть больше чем то, что охватывается ПС при функционировании. Но в нужный момент, за счет динамизации, отработавшие контуры исчезают, а необходимые появляются.

В пределе идеальная ТС должна существовать на базе ПС, "объединявшего" один единственный контур - энергия в этом случае должна ПОЯВЛЯТЬСЯ там, тогда и столько, где, когда и сколько её будет ПОТРЕБЛЕНО.

Рассмотрим еще один пример:

Система - огнестрельное оружие. Работа автоматического стрелкового оружия носит циклический характер: заряжение - выстрел ... Функциональный показатель "производительности" такой системы прямо связан с продолжительностью цикла.

Эту ТС можно рассматривать как устройство для разгона снаряда. К нему предъявляется целый набор противоречивых требований, в частности, обладать способностью "пропускать - не пропускать" через себя элементы выстрела: "пропускать", когда в процессе заряжения снаряд и метательный заряд должны попасть внутрь ствола; "не пропускать", когда в момент выстрела ни продукты сгорания, ни сам снаряд не должны проникать сквозь стенки ствола. Противоречие это разрешается путём введения дополнительного устройства - затвора, который осуществляет разделение свойств во времени и в пространстве.

Период выполнения системой главной функции - собственно выстрела - непропорционально мал по сравнению с продолжительностью операции заряжения. Даже в самых высокопроизводительных (скорострельных) системах разница эта может превышать два порядка, так как собственно выстрел осуществляется за счёт химических реакций, происходящих в веществе метательного заряда, процессов весьма скоротечных, в то время как заряжение - работа механики, по природе своей медлительной. Следовательно, именно здесь заложен резерв повышения скорострельности, которая после соответствующего "согласования" принципов действия может быть увеличена в десятки и сотни раз (нынешний рекорд - 36 000 выстрелов в минуту). "Путь" совершенствования системы понятен - надо добиваться однородности применяемых в ней видов энергии, т.е. нужно стремиться выравнять всю систему по самому высокоэффективному виду энергии.

Рис. 5. Схема казенной части автоматического стрелкового оружия

Довольно сложно представить себе "химический" затвор пулемёта.

Может быть, это возможно сделать на чуть более высоком уровне - уровне кристаллической решетки металла, из которого выполнен ствол?

Противоречивое требование "пропускать - не пропускать" предъявляется к казенной части ствола, т.е. к тому участку, где происходит заряжение и последующее воспламенение метательного заряда. Таким образом, именно эта часть стенок ствола должна как-то накапливать энергию, а потом выделять её для обеспечения свойства "пропускать".

Преобразования энергии должны происходить на уровне кристаллической решетки, причем они должны протекать так, чтобы в один момент решетка делалась "рыхлой" и обладала способностью пропускать молекулы взрывчатого метательного вещества и частицы снаряда, а в другие моменты - становилась бы плотной и не пропускала бы ни того ни другого, пока не завершится фаза выстрела.

Так формируется образ нового устройства, и принцип его действия: "ствол-затвор" представляет собой удлиненную трубку, закрытую с одного торца; у заглушённой части она состоит из большого числа монокристаллических лент, из того же материала, что и сам ствол, плотно уложенных на ребро; так что в сечении они образуют нечто подобное ирисовой диафрагме фотоаппарата. Размер их таков, что частота собственных колебаний соответствует требуемой скорострельности.

Рис. 6. Механизм работы затвора на базе монокристаллических металлических лент

Энергия первого выстрела возбуждает в жгуте лент резонансные крутильные колебания. При этом они то отходят друг от друга, то плотно прижимаются (как витки часовой пружины). Когда между лентами образуются зазоры, внутрь ствола впрыскиваются жидкое взрывчатое .вещество метательного заряда и металлический порошок, который впоследствии под действием высоких температур и давлений внутри канала ствола сплавляется в снаряд или убойный элемент.

Рис. 7. Схема автоматического стрелкового оружия, синтезированная в результате энергетического анализа

Когда же ленты плотно прижимаются друг к другу, в замкнутом объёме осуществляется выспламенение метательного заряда - часть лент, например может быть пьезокристаллическими, и заряды накапливающиеся на них от деформаций, создают искру. Некоторая доля энергии взрыва уходит на поддержание резонансных колебаний "затвора", запуск следующего цикла, часть тепловых потерь используется для предварительного подогрева и газификации взрывчатого вещества метательного заряда, которое осуществляет эффективное охлаждение ствола и других термически напряженных элементов конструкции (рис. 7).

Помимо высокой скорострельности - резонансные частоты металлических лент могут быть доведены до десятков и сотен килогерц,- подобная система допускает регулирование всех основных параметров стрельбы: дальность прямого выстрела (количество подаваемого взрывчатого вещества), массу убойного элемента, его структуру (количество и режим впрыскиваемого порошка), темп стрельбы или скорострельность (резонансная чистота затвора).

Конечно, повышение скорострельности оружия - частная задача из довольно своеобразной области человеческой деятельности. Но повышение производительности всякого периодического процесса транспортирования масс - проблема широкая и простирается значительно дальше сугубо военных дел. Можно предположить, что аналогичный принцип действий может быть с успехом применен в строительстве, текстильной промышленности, горном деле, микрохирургии, приборостроении и многих других областях, где возникает необходимость быстро и точно разрезать, склеить, сшить, раздробить, склепать, сварить или просто доставить множество мелких предметов.

Особенности.

Таковы основные положения ЭА.

Нельзя сказать, чтобы каждое из них не было известно ранее. Многое применяется в классической ТРИЗ, ещё большее было известно задолго до ее появления. И всё же, изложенная здесь совокупность понятий имеет вполне определённую новизну и полезность.

В основе ЭА лежат относительно простые неэвристические операции, сводящиеся по сути к номинальному учету имеющихся в системе преобразователей энергии и примитивному геометрическому описанию их связей. В значительной степени, проведение ЭА - это работа "карандаша и резинки".

Несколько слов о применении ЭА.

Необходимо четко оговорить место ЭА в общем процессе разработки любого новшества: ЭА не столько механизм решения, сколько средство грамотной и исчерпывающей постановки задач. Он плохо работает с разовыми, вырванными из системного контекста проблемами. Наибольшего эффекта можно ожидать при оперировании комплексом ЭА в рамках проведения функционально-стоимостного анализа. ЭА точно указывает место в ТС, где и когда надо произвести изменение её структуры, перечисляет возможные ресурсы подобного изменения и описывает модель результата. Он почти ничего не говорит о том, как эти изменения должны осуществляться, отсылая пользователя к уже имеющимся в ТРИЗ механизмам разрешения ФП. Кроме того, ЭА будет результативен при строгом следовании требованиям методики "Исследование энергетических структур при проведении функционально-стоимостного анализа изделий". (Бюро изучения иновационных процессов "ИНПРО", Владивосток 1990, есть в ЧОУНБ.)

При первом соприкосновении с ЭА может сложиться впечатление, будто эта методика предназначена исключительно для узкого круга проблем, связанных с улучшением конструктива ("вылизыванием", "обдувкой" и т.д.). Действительно, и терминология, и понятийный аппарат ЭА ближе всего именно к таким задачам. Но по сути своей основные положения ЭА позволяют с его помощью добиваться успеха и при решении технологических задач, проблем экономики, дизайна, экологии - словом, везде, где можно определить цепочки структурных изменений в анализируемых системах и где применимо понятие энергии как меры потенциала изменчивости структур

ЛИТЕРАТУРА

1. Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука. М: Советское радио, 1979.

2. Балакерский И. А., Матвиенко Н. Н. Энергетический анализ: особенности закона повышения энергопроводности в свете системно-функционального подхода (текст лекций). Владивосток, 1989. (рукопись, ЧОУНБ).

3. Богданов А. А. Те.ктология: всеобщая организационная наука. М : Экономика, 1989 г.

4. Болотин Д. Н. Советское стрелковое оружие. М : Воениздат, 1983.

5. Матвиенко Н. Н. Исследование энергетических структур при проведении функционально- стоимостного анализа изделий (методические рекомендации). Владивосток, 1990. (рукопись, ЧОУНБ).

6. Орлов П. И. Основы конструирования. М. : Машиностроение, 1988.

7. Прейс В. В. Технологические роторные машины: вчера, сегодня, завтра. М. : Машиностроение, 1986.

8. Шарут В. М. Эксергия. М. : 1968.