1.3. Иерархия описаний технических объектов

ТРИЗ рассматривает технологические варианты соединения конструктивных элементов на основе современных достижений в области науки и техники. К техническим системам можно отнести отдельные машины, аппараты, приборы, ручные орудия труда, одежду, здания, сооружения и т. п. Это может быть технологическая линия. Любая ТС (ТО) может быть разделена на несколько укрупненных функциональных элементов (агрегаты, блоки, узлы, детали, части детали и неделимые элементы), каждый из которых может иметь минимальное число (не менее одной) определенных функций. В инженерной практике обычно существует разделение ТО и ТС на систему и подсистему. Система включает в себя подсистему. Например, мост – система состоит из опор - подсистема и путепровода - подсистема (рис. 1.1).

Опора и путепровод – подсистема технического объекта - моста. Сам мост является надсистемой по отношению к его составляющим: опоре и путепроводу. Арматура является подсистемой по отношению к опоре и т.д. Арматура, в свою очередь, может быть системой по отношению к различным металлическим сегментам (подсистема), из которых она состоит. Детали могут быть выполнены из любых материалов и веществ, в различных агрегатных состояниях.

Рис. 1. 1. Схема технического объекта

Детали могут быть выполнены из любых материалов и веществ, в различных агрегатных состояниях. Это может быть тело, выполненное резины, стали, полимера и др.; или вещество, например, вода, растворитель, газ и т. д.

Каждая техническая система (ТС) может быть представлена описаниями, имеющими иерархическую соподчиненность. Описания характеризуются двумя свойствами (рис. 1.2):

- каждое последующее описание является более детальным и более полно характеризует ТС по сравнению с предыдущим;

- каждое последующее описание включает в себя предыдущее.

Свойства ТО имеют следующие описания (рис.1.2): потребность (Р), техническая функция (ТФ), функциональная структура (ФС), физический принцип действия (ФПД), техническое решение (ТР), проект.

Рис. 1.2. Иерархия описаний технического объекта

Потребность. При описании потребности отвечают на вопрос: » Что (какой результат) желательно иметь (получить) и каким особым условиям и ограничениям при этом нужно удовлетворить?»

Описание потребности формализовано можно представить в виде трех компонент:

Р = f (Д, G, Н), (1.1)

где: Д – указания действия, производимого рассматриваемым ТО и приводящее к желаемому результату;

G – указание объекта или предмета обработки, на который направлено действие Д;

Н – указание особых условий и ограничений, при которых выполняется действие Д.

В табл. 1.2 приведены примеры покомпонентного описания потребности.

Таблица 1.2

Примеры описания потребности Р = f (Д, G, Н).

Наименование ТО	Д	G	Н
Светильник	Освещение	Помещение	-
Электроплитка	Нагревание	Емкость с жидкостью	-
Мельница	Размалывание	Зерна	На муку
Грузовой автомобиль	Перевозка	Грузы	На дороге
Путепровод	Обеспечение движения	Автомобиля	Через препятствие
Термометр	Измерение	Температура	-

Описание технической функции (ТФ) содержит следующую информацию (рис. 1.3):

- потребность, которая может удовлетворить ТО;

- физическая операция (физическое превращение, преобразование), с помощью которой реализуются потребности.

Таким образом, описание ТФ состоит из двух частей:

F = (P, Q), (1.2)

где Р – удовлетворяемая потребность; Q – физическая операция

Описание физической операции (ФО) формализовано можно представить, как промежуточный элемент, состоящим из трех компонент:

Q = (А_т, Е, С_т), или Q = (А_т→ Е→ С_т), (1.3)

вещества, энергии или сигналов; Е - наименование операции Коллера по превращению А_т в С_т, где А_т, С_т – соответственно входной и выходной поток (фактор).Число входов А_т и выходов С_т в общем случае произвольное. Примеры описания физических операций приведены в табл. 1.3. Конструктивная ФС представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются наименования элементов ТО или наименования функциональной операций ФО. Коллера Е, а ребрами - входные А_т и выходные С_т функции (потоки) элементов.

Таблица 1.3.

Примеры описания физических операций

Наименование ТО	Ат	Е	Ст
Светильник	Электрический ток	Преобразование	Световой поток
Электроплитка	Электрический ток	Преобразование	Теплота
Мельница	Зерно механическая энергия	Соединение	Мука
Грузовой автомобиль	Топливо	Преобразование	Движение груза
Путепровод	Масса транспорта (воспринимает проезжая часть)	Передача	Масса транспорта (воспринимают опоры)
Электрический термометр	Электрический ток	Преобразование и сравнение	Электрический ток

Рис. 1.3. Блок – схема физической операции

Потоковые связи – это элементы, реализуя определенные физические операции, образуют поток преобразуемых или превращаемых систем, энергии, сигналов или других факторов. Например, в гидроэлектростанции на входе - поток воды с напором 20 м и с расходом 150 м³/с, а на выходе – электрический ток напряжением 380В и частотой 50 Гц. Каждый элемент как самостоятельный ТО выполняет определенную функцию и реализует определенную физическую операцию (ФО), т. е. между элементами имеют место два вида связей и соответственно два вида их структурной организации.

Такие потоки определенным образом объединяют и связывают элементы ТО и соответственно их ФО. В сложных ТО часто присутствуют несколько взаимосвязанных потоков. В потоковой ФС каждый элемент реализует определенную ФО. Такая реализация происходит на основе одного или нескольких физико – технических эффектов.

Под физико – техническими эффектами понимают различные приложения физических законов, закономерностей и следствий из них, физические эффекты и явления, которые могут быть использованы в технических устройствах.

Наиболее обобщенное качественное описание физико – технического эффекта состоит из трех компонент:

(А, В, С), или (А→ В→ С), (1.4)

где А – входной поток вещества, энергии или сигналов;

С – выходной поток; В – физический объект, обеспечивающий или осуществляющий преобразование А в С. Для входного А и выходного С потоков, так же как и для компонент А_т и С_т, можно указать носители потоков и их качественные и количественные характеристики.

Под физическим принципом действия (ФПД) понимаем ориентированный граф, вершинами которого являются наименования физических объектов В, а ребрами – входные А и выходные С потоки вещества, энергии и сигналов. Выбор и реализация физического принципа действия (ФПД) ТС и технологий – наиболее сложная задача инженерного творчества. Инженер обычно знает до 200, а достаточно свободно использует не более 100 физико – технических эффектов (ФТЭ), хотя в научно- технической литературе их описано более 3000. Кроме того, в связи с возрастающими темпами развития науки и техники, ФТЭ постоянно увеличивается. В табл. 1.4 приведены примеры описания физических эффектов технического объекта, а в прил.1 приведены физические эффекты [5], наиболее употребляемые в инженерном творчестве. На рис. 1.4 приведена бдок - схема описания ФТЭ: закона Гука. В наше время у разработчиков новой техники существуют методы автоматизированного поиска новых методов ФПД.

Таблица 1.4.

Примеры описания физических эффектов технического объекта

Наименование физико – технического эффекта	А	В	С
Закон Джоуля - Ленца	Электрический ток	Проводник	Теплота
Закон Гука	Сила	Твердое тело	Линейная деформация
Термоэлектронная эмиссия	Теплота (нагревание)	Оксидная суспензия	Поток электронов

Рис. 1.4. Схематическое описание ФТЭ: закона Гука

Существуют элементарные структуры ФПД, которые основываются на одном ФТЭ. Формализованное описание физической операции и ФТЭ можно представить в виде:

А_т → А, С_т → С. (1.5)

Это означает, что для физической операции А_т – «сила», С_т –

«линейная деформация» будет найден ФТЭ: закон Гука (А – сила, напряжение; С – линейная деформация, В – упругое тело), на котором основаны весы.

Существует другой тип элементарной структуры ФПД, основанный на

многократном или суммарном использовании одного и того же ФТЭ. Например, в катушках индуктивности каждый виток проводника реализует преобразование электрического тока в электромагнитном поле (табл.1.4).

Для совместных ФТЭ могут быть объединены, при этом входное воздействие А_i будут вызывать результат С_i+1, т. е. получается преобразователь:

А_i → В_i → (С_i ↔ А_i+1) → В_i+1 → С_{i +1}. (1.6)

Техническое решение (ТР) представляет собой конструктивное оформление ФПД или ФС. При этом используются следующие группы признаков:

- указание (перечень) основных элементов;

- взаимное расположение элементов в пространстве;

- способы и средства соединения и связи элементов между собой;

- последовательность взаимодействия элементов во времени;

- особенности конструктивного исполнения элементов (геометрическая форма, материал и т. д.);

-принципиально важные соотношения параметров для ТО в целом или отдельных элементов.

Любой ТО можно мысленно расчленить на несколько элементов, каждый из которых имеет вполне определенную функцию (или функции) по обеспечению работы ТО или его элементов.

Неделимым элементом называют деталь с минимальным числом функций (не менее 1) по обеспечению работы других элементов (шарик в шарикоподшипнике, проводимая жидкость, заостренная часть гвоздя и т.п.). К главным элементам относят рабочие органы и другие элементы, которые непосредственно взаимодействуют с предметом обработки и другими объектами ОС. При выделении главных элементов и соответствующих им объектов ОС рекомендуется иметь ввиду, что физика главных элементов и объектов ОС, как правило, совпадают с ТО (табл. 1.6).