Основы теории изобретательства. Учебное пособие

Кроме того, воздействия могут быть неэффективными или недостаточными, и обозначаться прерывистой линией, как показано на рис. 11.9.

Рис. 11.6. Прямое воздействие инструмента В1 на деталь В2

Рис. 11.7. Обратное воздействие детали В2 на инструмент В1

Рис. 11.8. Взаимодействие веществ В1 и В2

Рис. 11.9. Взаимодействие веществ в неэффективной форме

Или могут быть вредными, нежелательными и обозначаться волнистой линией. Эти воздействия представлены на рис. 11.10.

Рис. 11.10. Взаимодействие веществ в нежелательной форме

Таким образом, вепольный анализ возможно составить для любого технического объекта (ТО).

Контрольные вопросы и задания

1.Дайте определение понятия «веполь».

2.Что представляет собой вепольный анализ?

3.Кто разработал вепольный анализ?

4.Приведите примеры нескольких существующих вепольных

формул.

41

12. ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Техническая система (ТС) – это совокупность упорядоченно взаимодействующих элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов, и предназначенная для выполнения определенных полезных функций. Одной из предпосылок теории изобретательства является то, существуют объективные законы развития и функционирования ТС, опираясь на которые можно строить изобретательские решения. Другими словами, многие технические, производственные, экономические и социальные системы развиваются по одним и тем же правилам, и принципам. Г. С. Артшуллер обнаружил их, изучив патентный фонд и проанализировав пути развития и усовершенствования техники в течении длительного времени.

Закон развития технической системы (ЗРТС) – это существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между элементами внутри системы и с внешней средой в процессе прогрессивного развития, перехода системы от одного состояния к другому с целью увеличения ее полезной функциональности. Изучая эволюцию технических систем во времени Г. С. Артшуллер сформулировал законы развития технических систем, знание которых помогает инженерам предсказывать пути возможных дальнейших улучшений продуктов.

1. Закон увеличения степени идеальности системы. Техниче-

ская система в своем развитии приближается к идеальности. Достигнув идеала, система должна исчезнуть, а ее функция продолжать выполняться. Основные пути приближения к идеалу:

−повышение количества выполняемых функций;

−«свертывание» в рабочий орган;

−переход в надсистему.

При приближении к идеалу техническая система вначале борется с силами природы, затем приспосабливается к ним и, наконец, использует их для своих целей. Закон увеличения идеальности наиболее эффективно применяется к тому элементу, который непосредственно расположен в зоне возникновения конфликта или сам порождает нежелательные явления. При этом повышение степени идеальности, как правило, осуществляется применением незадействованных ранее ресурсов (веществ, полей), имеющихся в зоне возникновения задачи. Чем дальше от зоны возникновения конфликта будут взяты ресурсы, тем в меньшей степени удастся продвинуться к идеалу.

42

2. Закон S-образного развития технических систем. Эволюцию множества систем можно изобразить логистической кривой, показывающей как меняются во времени темпы ее развития. Выделяются четыре характерных этапа (рис. 12.1):

−«Детство» (участок 1). Начальный этап. Идет, как правило, достаточно долго. В этот момент идет проектирование системы, ее доработка, изготовление опытного образца, подготовка к серийному выпуску. Для этого этапа характерны высокие затраты и низкие результаты;

−«Юность» (участок 2). Бурный рост. Система становится все более мощной и производительной. Машина выпускается серийно, ее качество улучшается и спрос на нее растет. Затраты все еще высокие, но результат повышается;

−«Зрелость» (участок 3). С какого-то момента улучшать систему становится все труднее. Рост сильно замедляется или останавливается. Достигается максимальный результат при минимальных затратах. Этот период – пик развития системы;

−«Старость» (участок 4). Система больше не отвечает предъявляемым требованиям. Развитие системы, несмотря на усилия конструкторов, не поспевает за все возрастающими потребностями человека.

Витоге, затраты становятся высокие, но результата нет. Она пробуксовывает, топчется на месте, меняет свои внешние очертания, но остается такой какая есть, со всеми своими недостатками и в конечном счете отмирает.

В качестве примера рассмотрим паровоз. Вначале был достаточно долгий экспериментальный этап с единичными несовершенными экземплярами, внедрение которых вдобавок сопровождалось сопротивлением общества. Затем последовало бурное развитие термодинамики, совершенствование паровых машин, железных дорог, сервиса – и паровоз получает публичное признание и инвестиции в дальнейшее развитие. Затем, несмотря на активное финансирование, произошел выход на природные ограничения: предельный тепловой КПД, конфликт с окружающей средой, неспособность увеличивать мощность без увеличения массы и, как следствие, в области начался технологический застой. И, наконец, произошло вытесне-

ние паровозов более экономичными и мощными тепловозами, и электровозами. Паровой двигатель достиг своего идеала и исчез. Его функции взяли на себя двигатели внутреннего сгорания и электромоторы – тоже вначале несовершенные, затем бурно развиваю-

43

щиеся и, наконец, упирающиеся в развитии в свои природные пределы. Затем появится другая новая система, и так бесконечно.

Рис. 12.1. Закон S-образного развития технической системы

3. Закон динамизации. Надежность, стабильность и постоянство системы в динамичном окружении зависят от ее способности изменяться. Развитие, а значит и жизнеспособность системы, определяется главным показателем: степенью динамизации, т. е. способностью быть подвижной, гибкой, приспосабливаемой к внешней среде, меняющей не только свою геометрическую форму, но и форму движения своих частей, в первую очередь рабочего органа. Чем выше степень динамизации, тем, в общем случае, шире диапазон условий, при которых система сохраняет свою функцию. Например, чтобы заставить крыло самолета эффективно работать в существенно разных режимах полета (взлет, крейсерский полет, полет на предельной скорости, посадка), его динамизируют путем добавления закрылков, предкрылков, интерцепторов, системы изменения стреловидности и прочее. Однако, для подсистем закон динамизации может нарушаться – иногда выгоднее искусственно уменьшить степень динамизации подсистемы, тем самым упростив ее, а меньшую стойкость/приспособляемость компенсировать созданием стабильной искусственной среды вокруг нее, защищенной от внешних факторов. Но в итоге совокупная система (надсистема) все же получает большую степень динамизации. Например, вместо того, чтобы приспосабливать транс-

44

миссию к загрязнению путем ее динамизации (самоочистка, самосмазка, перебалансировка), можно поместить ее в герметичный кожух, внутри которого создана среда, наиболее благоприятная для движущихся частей (прецизионные подшипники, масляный туман, подогрев и прочее).

4.Закон полноты частей системы. Любая ТС, самостоятельно выполняющая какую-либо функцию, имеет четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и средство управления. Если

всистеме отсутствует какая-либо из этих частей, то ее функцию выполняет человек или окружающая среда. Двигатель – элемент технической системы, являющийся преобразователем энергии, необходимой для выполнения требуемой функции. Источник энергии может находиться либо в системе (например, бензин в баке для двигателя внутреннего сгорания автомобиля), либо в надсистеме (электроэнергия из внешней сети для электродвигателя станка). Трансмиссия – элемент, передающий энергию от двигателя к рабочему органу с преобразованием ее качественных характеристик (параметров). Рабочий орган – элемент, передающий энергию на обрабатываемый объект и завершающий выполнение требуемой функции. Средство управления – элемент, регулирующий поток энергии к частям технической системы и согласующий их работу во времени и пространстве. Анализируя любую автономно работающую систему, будь то холодильник, часы, телевизор или авторучка, везде можно видеть эти четыре элемента.

5.Закон сквозного перехода энергии. Итак, любая работающая система состоит из четырех основных частей, и любая из этих частей является потребителем и преобразователем энергии. Но мало преобразовать, надо еще без потерь передать эту энергию от двигателя к рабочему органу, а от него – на обрабатываемый объект. Это закон сквозного прохода энергии. Нарушение этого закона ведет к возникновению противоречий внутри технической системы, что в свою очередь порождает изобретательские задачи. Главным условием эффективности технической системы с точки зрения энергопроводимости является равенство способностей частей системы по принятию и передаче энергии. Первое правило энергопроводимости системы: если элементы при взаимодействии друг с другом образуют систему проводящую энергию с полезной функцией, то для повышения ее работоспособности в местах контакта должны быть вещества с близкими или одинаковыми уровнями развития. Второе правило энергопроводимости системы: если элементы системы при взаимодействии образуют энерго-

45

проводящую систему с вредной функцией, то для ее разрушения в местах контактирования элементов должны быть вещества с различными или противоположными уровнями развития. Третье правило энергопроводимости системы: если элементы при взаимодействии друг с другом образуют энергопроводящую систему с вредной и полезной функцией, то в местах контактирования элементов должны быть вещества, уровень развития которых и физико-химические свойства изменяются под воздействием какого-либо управляемого вещества или поля.

6.Закон опережающего развития рабочего органа. В технической системе основной элемент – рабочий орган. И чтобы его функция была выполнена нормально, его способности по усвоению и пропусканию энергии должны быть не меньше, чем двигатель и трансмиссия. Иначе он или сломается, или станет неэффективным, переводя значительную часть энергии в бесполезное тепло. Поэтому необходимо, чтобы рабочий орган опережал в своем развитии остальные части системы, т. е. обладал большей степенью динамизации по веществу, энергии или организации. Часто изобретатели совершают ошибку, упорно развивая трансмиссию, управление, но не рабочий орган. Такая техника, как правило, не дает значительного прироста экономического эффекта и существенного повышения КПД.

7.Закон перехода «моно-би-поли». Первый шаг – переход к би-

системам. Это повышает надежность системы. Кроме того, в бисистеме появляется новое качество, которое не было присуще моносистеме. Переход к полисистемам знаменует собой эволюционный этап развития, при котором приобретение новых качеств происходит только за счет количественных показателей. Расширенные организационные возможности расположения однотипных элементов в пространстве

ивремени позволяют полнее задействовать их возможности и ресурсы окружающей среды. Но на каком-то этапе развития в полисистеме начинают появляться сбои. Упряжка из более чем двенадцати лошадей становится неуправляемой, самолет с двадцатью моторами требует многогократного увеличения экипажа и трудноуправляем. Возможности системы исчерпались. А дальше полисистема снова становится моносистемой. Но на качественно новом уровне. При этом новый уровень возникает только при условии повышения динамизации частей системы, в первую очередь рабочего органа.

8.Закон перехода с макрона микроуровень. Переход с макрона микроуровень – главная тенденция развития всех современных техни-

46

ческих систем. Для достижения высоких результатов задействуются возможности структуры вещества. Вначале используется кристаллическая решетка, затем ассоциации молекул, единичная молекула, часть молекулы, атом и, наконец, части атома.

Контрольные вопросы и задания

1.Что характеризуют законы развития технических систем?

2.Сколько существует законов развития технических систем?

3.Дайте характеристику одному из законов.

13. МЕТОДЫ РАЗРЕШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОТИВОРЕЧИЙ

Методы устранения противоречий, возникающих при постановке и решении задач технического творчества, когда проблему, характеризуемую множеством признаков, требуется преобразовать в искомое решение, которое характеризуется множеством признаков и набором неизвестных новых признаков. Разрешение противоречий достигается при добавлении новых признаков или исключении существующих признаков, изменении значений показателей признаков, упорядочении известных признаков.

Для обнаружения признаков и разрешения противоречий используются следующие методы: 1) эвристические стратегии и методы, обобщающие эмпирический опыт многих творческих личностей (алгоритм решения изобретательских задач, матрица технических противоречий, метод эвристических приемов и др.); 2) математические модели технических систем; 3) анализ противоречий с позиции различных законов и закономерностей техники, которые могут подсказать перспективные и эффективные решения, в том числе и за счет «исправления» выявленных нарушений закономерностей. Особое внимание следует уделить законам и закономерностям развития техники, историческому методу, изучению эволюции техники; 4) анализ противоречий на различных уровнях абстрактного представления технической системы: на уровне функциональной структуры, принципа действия, технического решения.

Различные списки изобретательских приемов с начала XX-го в. публиковались неоднократно. Авторы публикаций произвольно включали в них те приемы, которые казались им наилучшими, не

47

задумываясь над природой этих приемов. Поэтому очень часто с приемами, направленными на улучшение технических систем, соседствовали приемы психологические, совершенствующие деятельность человека, решающего задачу. Ни один из подобных списков не получил сколько-нибудь заметного применения. Ситуация существенно изменилась лишь в 1950–1960-х гг. с возникновением ТРИЗ, с появлением понятия «техническое противоречие». Анализ больших массивов патентной информации показал, что для устранения примерно полутора тысяч наиболее часто встречающихся технических противоречий имеется 40 наиболее сильных приемов, дающих эффективные решения. В творческой мастерской изобретателя приемы играют роль первичного набора инструментов, и, чтобы пользоваться ими, нужны определенные навыки. В простейшем случае изобретатель, просто просматривая перечень приемов (перебирая их по одному), ищет подсказку в решении своей проблемы. Этот способ медленный, но вполне возможный. Для более эффективной организации использования приемов разработана специальная таблица, в которой по вертикали располагаются характеристики технических систем, которые по условиям задачи необходимо улучшить, а по горизонтали – характеристики, которые при этом недопустимо ухудшаются. На пересечении граф таблицы указаны номера приемов, которые с наибольшей вероятностью могут устранить возникшее техническое противоречие. Приводить эту таблицу в данное учебное пособие не представляется возможным, ибо она очень большая и громоздкая. Ознакомиться с таблицей применения приемов разрешения технических противоречий можно в интернете на сайте www.altshuller.ru Мы же приведем перечень типовых приемов разрешения таких противоречий. Перечень типовых приемов – это своего рода настольный справочник изобретателя, но справочник особого рода: изобретатель должен рассматривать его как основу, которую необходимо самостоятельно пополнять по новым техническим и патентным публикациям.

Прием 1. Принцип дробления:

а) разделить объект на независимые части; б) выполнить объект разборным; в) увеличить степень дробления объекта. Пример.

Авт. свид. № 168 195. Ковш одноковшового экскаватора со сплошной полукруглой режущей кромкой, отличающийся тем, что

48

для обеспечения быстрой и удобной замены сплошной режущей кромки последняя выполнена из отдельных съемных секций.

Прием 2. Принцип вытеснения.

Отделить от объекта «мешающую» часть, или, наоборот выделить единственную нужную часть.

Пример.

Авт. свид. № 153533. Устройство для защиты от рентгеновских лучей, отличающееся тем, что с целью защиты от ионизирующего излучения головы, плечевого пояса, позвоночника, спинного мозга при флюорографии, например, грудной клетки оно снабжено защитными барьерами и вертикальным, соответствующим позвоночнику стержнем, изготовленным из материала, не пропускающего рентгеновские лучи.

Прием 3. Принцип местного качества:

а) перейти от одной структуры объекта к неоднородной; б) разные части объекта должны иметь различные функции;

в) каждая часть объекта должна находиться в условиях, наиболее соответствующих работе.

Пример.

Авт. свид. № 280328. Способ сушки зерна риса, отличающиеся тем, что с целью уменьшения образования трещиноватых зерен рис перед сушкой разделяют по крупности на фракции, которые сушат раздельно с дифференцированными режимами.

Принцип местного качества отчетливо отражается в историческом развитии многих машин: они постепенно дробились и для каждой части создавались наиболее благоприятные местные условия.

Прием 4. Принцип асимметрии:

а) перейти от симметричной формы объекта к асимметричной; б) если объект асимметричен, увеличить степень асимметрии. Пример.

Тиски со смещенными губами. В отличии от обычных, они позволяют зажимать в вертикальном положении длинные заготовки.

Прием 5. Принцип объединения:

а) соединить однородные или предназначенные для смежных операций объекты;

б) объединить во времени однородные или смежные операции. Пример.

Авт. свид. № 235547. Рабочее оборудование роторного экскаватора, включающее ротор и стрелу, отличающееся тем, что с целью уменьшения усилия резания оно выполнено с устройством для разо-

49

грева мерзлого грунта, имеющим форсунки, смонтированные, например, на секторах по обеим торцам ротора (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Рабочее оборудование роторного экскаватора, имеющее форсунки для разогрева мерзлого грунта

Прием 6. Принцип универсальности.

Объект выполняет несколько разных функций, благодаря чему отпадает необходимость в других объектах.

Пример.

Авт. свид. № 264466. Элемент памяти на тонкой цилиндрической пленке, нанесенной на диэлектрическую подложку, отличающийся тем, что с целью упрощения элемента сама пленка служит шиной записи-считывания.

В Японии рассматривается возможность постройки танкера, оборудованного нефтеперегонной установкой. Смысл проекта – совмещение во времени процессов транспортировки и перегонки нефти.

Прием 7. Принцип «матрешки»:

а) один объект размещен внутри другого объекта, который в свою очередь находится внутри третьего и т. д.;

б) один объект проходит сквозь полость в другом объекте. Пример.

Авт. свид. № 110596. Способ хранения и транспортировки разнородных по вязкости нефтепродуктов в корпусе плавучей емкости, отличающийся тем, что хранение их с целью уменьшения потерь тепла высоковязких продуктов производят в отсеках емкости, расположенных внутри отсеков, заполненных невязкими сортами нефтепродуктов.

Прием 8. Принцип антивеса:

а) компенсировать вес объекта соединением с другими объектами, обладающими подъемной силой;

б) компенсировать вес объекта взаимодействием со средой (за счет аэрогидродинамических и других сил).

50