Основы теории изобретательства. Учебное пособие

8. КОНСТРУКТИВНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

При создании перспективных моделей ТО обычно только один бывает наиболее правильным, перспективным. Остальные часто оказываются тупиковыми.

Знание истории ТО часто подсказывает удачные идеи. Это связано с тем, что в области техники действует философский закон отрицания, характеризующий развитие по спирали.

В инженерной практике, в связи с этим существует афоризм: «Все новое – хорошо забытое старое». Например, водяное колесо было вытеснено гидравлическими турбинами, затем на смену пришли тепловые станции. В настоящее время опять вырастает роль гидравлических турбин в приливных и прибойных станциях. Еще один пример – оружие. На смену гладкоствольному пришли нарезные стволы. Создание и развитие минометов послужило возврат к гладкоствольному образцу ствола.

Наибольший уровень творчества заключается в выявлении законов и закономерностей в развитии ТО и их использование в поиске улучшенных технических решений, создание эволюционной цепочки. Примером такой цепочки может быть эволюция всем известного велосипеда, которая дает ориентиры создания велосипеда будущего.

Первый велосипед не имел педалей, но был оснащен рулем и сидением. Такое средство передвижения после изобретения стремительно стало развиваться, дополняясь педалями и механизмом свободного хода. Прообразом современного велосипеда следует считать так называемую «машину для ходьбы». Ее изобрел немецкий барон К. Дрейз, оснастив свою конструкцию рулем и седлом. А 1818 г. стал временем, когда был выдан патент на новинку для передвижения.

Следующим шагом на пути эволюции велосипеда стало металлическое колесо, оснащенное спицами. Такое решение привнес Каупер в 1867 г., а через пару лет двухколесный транспорт обрел раму. Конец 1970-х гг. XIX в. становится временем изобретения цепной передачи англичанином Лоусоном.

Rover стал первым велосипедом, который по конструктивным особенностям походил на современный велосипед. Его изготовил изобретатель Джон Кемп Старли из Англии в 1884 г. Через год стартовало массовое производство таких велосипедов. Изобретение стало характеризоваться безопасностью и комфортностью управления. В 1888 г. появились каучуковые шины, которые явил миру Б. Данлоп, это новшество обрело свою популярность. До этого момента велосипед имел второе имя – «костотряска», это прозвище прочно укрепи-

31

лось за двухколесным транспортом. Уже через год велосипед обрел педальные тормоза, а несколько позднее – ручной тормоз.

При описании конструктивной эволюции ТО следует придерживаться следующих критериев:

−описание поколения;

−главные недостатки поколения;

−критерий развития и показатели качества;

−улучшенные показатели по сравнению с прототипом (предыдущим поколением).

Таким образом, эволюция технических объектов (ТО) позволяет выявить динамику развития самой технической мысли конструкторов и инженеров, а также спрогнозировать будущее развитие техники в целом.

Контрольные вопросы и задания

1.Чем характеризуется конструктивная эволюция технических объектов?

2.Приведите пример конструктивной эволюции одной из технических систем.

9.ТЕХНИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОТИВОРЕЧИЯ ПРИ РЕШЕНИИ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКОЙ ЗАДАЧИ

Задачи, которые решает человек в своей практической деятельности, разделяются на технические (построить дом по чертежам), инженерные (рассчитать перекрытие дома), конструкторские (спроектировать дом, найдя компромисс между «удобно» и «дешево». Изобретательские задачи – задачи высших уровней, в которых необходимо преодолевать противоречия.

Когда техническая проблема встает перед изобретателем впервые, она обычно сформулирована расплывчато и не содержит в себе указаний на пути решения. Такая форма постановки называется изобретательской ситуацией. Главный ее недостаток в том, что перед инженером оказывается чересчур много путей и методов решения. Перебирать их все трудоемко и дорого, а выбор путей на удачу приводит к малоэффективному методу проб и ошибок. Поэтому первый шаг на пути к изобретению – переформулировать ситуацию таким образом, чтобы сама формулировка отсекала бесперспективные и неэффективные пути решения. При этом возникает вопрос: какие решения эффективны, а какие нет?

32

Г. С. Альтшуллер предположил, что самое эффективное решение проблемы – такое, которое достигается «само по себе», только за счет уже имеющихся ресурсов. Таким образом, он пришел к формулировке идеального конечного результата (ИКР): «Некий элемент системы или окружающей среды сам устраняет вредное воздействие, сохраняя способность выполнять полезное воздействие». На практике идеальный конечный результат редко достижим полностью, однако он служит ориентиром для изобретательской мысли. Чем ближе решение к ИКР, тем оно лучше.

Получив инструмент отсечения неэффективных решений, можно переформулировать изобретательскую ситуацию в стандартную мини-

задачу: «согласно ИКР, все должно остаться так, как было, но либо должно исчезнуть вредное, ненужное качество, либо появиться но-

вое, полезное качество». Основная идея мини-задачи заключаются в том, чтобы избегать существенных и дорогих изменений и рассматривать в первую очередь простейшие решения.

Формулировка задачи способствует более точному ее описанию:

−из каких частей состоит система, как они взаимодействуют;

−какие связи являются вредными, мешающими, какие – нейтральными, и какие – полезными;

−какие части и связи можно изменять, а какие – нельзя;

−какие изменения приводят к улучшению системы, и какие –

кухудшению?

Системный подход к развитию техники – это тенденция развития, включающая в себя подсистемы и надсистемы. Техническая система создается для выполнения полезных функций. Среди них можно выделить основные, второстепенные и вредные (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Анализ технической системы

Технические системы развиваются – происходит их переход из одного состояния в другое, более совершенное, от простого к сложному, от низшего к высшему. Их развитие можно определить, как увеличение отношения суммы полезных функций к сумме факторов вредных.

33

После того как мини-задача сформулирована, система проанализирована, обычно быстро обнаруживается, что попытки изменений с целью улучшения одних параметров системы приводят к ухудшению других параметров. Например, увеличение прочности крыла самолета может приводить к увеличению его веса и наоборот – облегчение крыла приводит к снижению его прочности. В системе возникает конфликт, противоречие.

Противоречие – проявление несоответствия между разными требованиями, предъявляемыми человеком к системе, и ограничениями, налагаемыми на нее законами природы, социальными, юридическими, экономическими законами, уровнем развития науки и техники, конкретными условиями применения и т. п. Если технический объект создан, то весьма часто ставится задача увеличения его главной полезной функции (ГПФ). Для этого, как правило, требуется усилить какое-либо свойство одного из элементов этого технического объекта. Однако при усилении одних свойств элемента нарушается взаимодействие (согласованность) с другими элементами технической системы, возникает противоречие, т. е. источником противоречий является совершенствование, развитие технических объектов.

Выделяют 3 типа противоречий (в порядке возрастания сложности разрешения).

1. Административное противоречие. Решение любой техниче-

ской задачи начинается с анализа проблемы. Результатом этого анализа является постановка и формулировка задачи, которую нужно решать. В проблеме обычно описывается необходимость создания некоторого технического объекта (ТО) для удовлетворения определенной потребности, приводится соответствующая аргументация этой необходимости, описываются функции, которые должен выполнять этот ТО; требования, которые к нему предъявляются. Если есть потребность в создании продукции с определенными потребительными свойствами, но неизвестно как ее удовлетворить, то возникает проблемная ситуация (ПС). Описание ПС – это формулирование потребностей, функций, которые нужно выполнить. Проблема заключается в том, что на этом этапе не видно путей как реализовать выполнение этой функции. Проблемная ситуация возникает, если нет соответствия между требованиями, предъявляемыми потребителями и имеющимися техническими возможностями. Г. С. Альтшуллер назвал такие проблемные ситуации административным противоречием (АП). Этому виду противоречий соответствует изобретательская ситуация, включающая в себя целый клубок задач, из которых нужно выбрать именно ту, которую следует решать в первую очередь. Каким образом выде-

34

лить первоочередную задачу среди прочих? Таким образом, административные противоречия только обозначают проблему и в ряде случаев дают некоторое обоснование ее возникновения. Обычно в ряде случаев возникает дилемма: «надо улучшить систему, но я не знаю как (не умею, не имею права) сделать это». Это противоречие явля-

ется самым слабым и может быть снято либо изучением дополнительных материалов, либо принятием административных решений.

2. Техническое противоречие. В первоначальной формулировке проблемы формулируются некоторые потребности, функции, которые необходимо выполнить. Стремление улучшить одни характеристики продукции часто приводит к ухудшению других. В проектноконструкторских и технологических задачах обнаруживается противоречивость многих свойств, например, точность и производительность в технологии обработки материалов; масса, надежность и стоимость; устойчивость и управляемость технических объектов и др. Например, один из способов увеличения надежности летательных аппаратов (потребность) – создание резервных систем и агрегатов. А это приводит к увеличению массы аппарата, что недопустимо, так как увеличиваются затраты на выполнение задания. Нежелательные эффекты могут быть связаны с тем, что улучшение некоторых потребительных свойств приводит к усложнению ТО и следовательно, к увеличению факторов расплаты. Ситуация, когда попытки улучшить одну характеристику (или часть) системы приводит к ухудшению другой ее характеристики (или части), называется техническим противоречием (ТП). Техническое противоречие появляется часто тогда, когда разработчик пытается каким-либо известным ему способом улучшить один из параметров качества (или функциональное свойство) объекта, но это приводит к недопустимому ухудшению другого, тоже весьма важного параметра качества (или функционального свойства). Техническое противоречие – это и есть постановка изобретательской задачи. Переход от административного противоречия к техническому резко понижает размерность задачи, сужает поле поиска решений и позволяет перейти от метода проб и ошибок к алгоритму решения изобретательской задачи, который либо предлагает применить один или несколько стандартных технических приемов, либо (в случае сложных задач) указывает на одно или несколько физических противоречий.

3. Физическое противоречие. Для того, чтобы разрешить ТП, формулируются частные задачи, в которых предъявляются несовместимые требования к свойствам отдельных компонентов или взаимодействию между компонентами рассматриваемого объекта. Совокуп-

35

ность таких требований Ю. В. Горин предложил назвать физическим противоречием (в 1973 г.), подчеркивая, что отношения противоречия перенесены на уровень физических свойств и отношений элементов системы. Г. С. Альтшуллер отмечал: «Стремясь убрать конфликтующие, противоречивые отношения между внешними сторонами технической системы, получим противоречие на уровне внутреннего функционирования системы». Такое противоречие, в отличие от технического, называется физическим противоречием (ФП). Физическое противоречие является наиболее фундаментальным, потому что изобретатель упирается в ограничения, обусловленные физическими законами природы. Для решения задачи изобретатель должен воспользоваться справочником физических эффектов и таблицей их применения.

Для разрешения ТП классифицировано 40 приемов, полученных на основе анализа 40000 изображений. О них будет рассказано в гл. 13.

Контрольные вопросы и задания

1.В чем заключаются технические противоречия при решении изобретательских задач?

2.Укажите физические противоречия при решении изобретательских задач.

3.В чем заключаются административные противоречия при решении изобретательских задач?

10. УРОВНИ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ

Все изобретательские задачи по степени трудности условно разделяют на 5 уровней.

Задачам первого уровня характерно применение средств (устройств, способов и веществ), которые прямо предназначены именно для данной цели, причем решение не связано с устранением технических противоречий. На этом уровне получают мельчайшие изобретения, незначительно меняющие объект, причем средства решения лежат в пределах одной профессии и поэтому решение задачи по силу каждому специалисту. Например, в печи находится расплавленный металл, а в центральную часть ванны подводится трубопровод для жидкого кислорода, при этом необходимо, чтобы кислород в трубе не газифицировался вплоть до выхода в металл. Решение: устройство для подачи жидкого кислорода в металл, выполненное в виде четырех концентрически расположенных охлаждаемых труб и наконечника,

36

отличающееся тем, что с целью предотвращения газификации кислорода в потоке, внутренняя труба изолирована от окружающих тепловой изоляцией с толщиной 15÷20 мм (а. с. №317707). В задачах первого уровня объект (устройство или способ) не изменяется (например, усиливается уже имеющаяся теплоизоляция). При этом решение задачи требует перебора нескольких очевидных вариантов.

В задачах второго уровня объект изменяется, но не сильно, при этом получают мелкие изобретения способами, известными в данной отрасли. Такие задачи имеют технические противоречия, легко преодолеваемые с помощью способов, известных применительно к родственным системам. Например, электрическая дуга мешает сварщику наблюдать за металлургическими процессами в зоне сварки. Свет дуги забивает менее яркие капли металла, шов. Необходимо улучшить условия наблюдения без усложнения аппаратуры (использования дополнительных светильников для освещения зоны сварки) и снижения производительности (периодического отключения дуги). Решение: устройство для защиты глаз и лица сварщика, содержащее корпус и рамку с встроенным в нее светофильтром, отличающееся тем, что с целью улучшения наблюдения за процессом сварки оно снабжено рефлектором, выполненным в виде прямоугольного сектора сферы по габаритам корпуса и фокусирующим свет от дуги на свариваемые материалы в зоне расплавления (а. с. № 252549). Для решения подобных задач необходим перебор 50÷70 вариантов с частичным изменением только одного элемента системы.

Взадачах третьего уровня в объекте изменяется полностью один из элементов и получают среднего уровня изобретения, причем способами, известными в пределах одной науки, т. е. механическая задача решается механически и т. д. Например, винтовая пара, состоящая из винта и гайки, отличающаяся тем, что с целью предупреждения износа их поверхности путем устранения трения между ними во время работы, винт и гайка расположены с зазором, сохраняемым во время работы, а в их резьбе уложены обмотки для создания электромагнитного поля, обеспечивающие поступательное движение гайки относительно винта (а. с. № 154459). При решении задач данного уровня перебирают уже сотни вариантов, с получением средних изобретений.

Визобретениях четвертого уровня объект меняется полностью,

причем синтезируются новые технические системы, с получением крупных изобретений. Решаются такие задачи, как правило, средствами, выходящими за пределы науки, к которой относится задача (механическая задача решается химически). Например, при контроле износа двигателя, время от времени, отбираются пробы масла и опре-

37

деляется содержание в нем металлических частиц. Решение: для непрерывного контроля в масло добавляют люминофоры и по изменению свечения за счет гашения частицами металла непрерывно контролируют их концентрацию (а. с. № 260249).

В задачах пятого уровня меняется вся техническая система,

вкоторую входит объект, и получают крупнейшие изобретения. При этом, создаются новые отрасли производства, допустим изобретения (разные по уровню технической сложности) самолета, телефона, киносъемки, лазера, шариковой ручки. Например, применение монокристаллов сплавов «медь-алюминий-никель» или «медь-алюминий-марганец»

вкачестве твердого рабочего тела для преобразования тепловой энергии

вмеханическую путем изменения его упругих свойств при колебании температуры (а. с. № 412397). Существуют твердые вещества, меняющие свои свойства при изменении температуры, но, веществ, сильно изменяющихся при небольших перепадах температур, известно не было и их получение граничит с открытием. Подобные преобразователи можно использовать в тепловых двигателях, тепло-

измерительных приборах. При решении таких задач число проб и ошибок возрастает до сотен тысяч и миллионов. Например, Т. Эдисону пришлось поставить 50000 опытов, чтобы изобрести щелочной аккумулятор.

Задачи высших уровней решаются успешно при разделении их на ряд низших уровней, где обозримый перебор вариантов сужает поисковое поле.

Контрольные вопросы и задания

1.Перечислите уровни в зависимости от сложности изобретательских задач.

2.В чем заключается первый уровень сложности изобретательской задачи?

11.ВЕПОЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Структурный вещественно-полевой (вепольный) анализ – это преобразование структуры технических систем. Вепольный анализ разработан Г. С. Альтшуллером. Статистический анализ технических решений показал, что для повышения эффективности технических систем их структура должна быть выполнена определенной. Модель такой структуры называется веполем.

38

Веполь – минимально управляемая техническая система, состоящая из двух взаимодействующих объектов и энергии их взаимодействия. Взаимодействующие объекты условно названы веществами и обозначаются В1 и В2, а энергия взаимодействия полем и обозначается П. Термин «Веполь» произошел от слов «Вещество» и «Поле».

Вепольная формула 1 представляется в виде треугольника, углами которого являются вещество В1 и В2 и поле П (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Вепольная формула 1

Из множества треугольников составляется сложная геометрическая фигура, из множества веполей описывается характер сложной технической системы. Например, если В1 – изделие, В2 – инструмент, «обрабатывающий» изделие В1, а П – поле (энергия, сообщаемая инструменту), то веполь будет иметь вид, представленной ниже (рис. 11.2). Обрабатывающий станок имеет привод – источник энергии П (поле механических сил), который обеспечивает воздействие рабочего органа (резец, фреза, сверло и т. п.) В2 на обрабатываемую деталь В1.

Рис. 11.2. Вепольная формула 2

Этот же пример можно представить и другой вепольной формулой (рис. 11.3): резец В2 действует на деталь В1 через механическое поле П.

Рис. 11.3. Вепольная формула 3

39

Генератор электрического тока (В) преобразует вращательное поле (П1) механических сил, которое может быть изображено и как (Пмех), в электрическое поле (П2) или (Пэл). Веполь будет иметь вид, представленный на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Вепольная формула 4

Система, состоящая из одного элемента (вещества В1 или поля П1) или двух элементов (двух веществ В1, В2; вещества В1 и поля П1) называется невепольной. В общем случае схемы не вепольных систем могут быть представлены в виде представленных на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Вепольная формула 5

Линией обозначены воздействия элементов. Так, на средней схеме изображены вещества В1, В2, связанные между собой каким-то образом (не всегда известным). Нижней схемой показано действие поля П1. Стрелка указывает направление действия поля П1 на веще-

ство В1.

Воздействие инструмента В1 на деталь В2 может быть изображено схемами, приведенными на рис. 11.6–11.8).

40