Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Глава 1 Задачи конструирования.doc
Скачиваний:
1
Добавлен:
09.08.2019
Размер:
881.66 Кб
Скачать

В.К. Еремеев

Основы конструирования

и детали механических машин

Учебник

Иркутск 2011г

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий учебник предназначен для студентов высших технических учебных заведений, в программе обучения которых предусмотрены курсы: «Основы конструирования и детали машин», «Конструирование нестандартного технологического оборудования», «Подъёмно – транспортные машины», «Детали машин», «Прикладная механика», а также выполнение курсового проекта по указанным предметам.

Автор постарался последовательно изложить задачи, которые приходится решать инженерам конструкторам машиностроительных и ремонтных предприятий при разработке и модернизации различных машин и механизмов преимущественно индивидуального или мелкосерийного объёма изготовления для обрабатывающих и транспортных отраслей промышленности. При выборе методологии решения поставленной задачи широко использован опыт конструкторских подразделений заводов тяжёлого машиностроения России и бывшего СССР, которые конкретно и разрабатывают указанное оборудование.

Книга содержит как общие теоретические положения, так и конкретные решения поставленных задач применительно к основным типам механизмов. Даны указания и ссылки на специальную литературу для более углублённого изучения отдельных специфических конструкторских задач и получения по ним справочных данных.

Учебник написан в предположении, что студенты машиностроительных специальностей в полном объёме изучили курсы: «Физика», «Теоретическая механика», «Сопротивление материалов», «Материаловедение», «Метрология и стандартизация».

Объём материала учебника полностью соответствует программам курсов «Основы конструирования и детали машин» и «Конструирование нестандартного технологического оборудования», утверждённых Федеральным агентством образования РФ. При выполнении курсовых работ по указанным предметам читатель найдёт в книге предложения по конструированию и конкретному исполнению большинства типовых узлов машин и частично справочные данные для расчётов.

Термины и условные обозначения, применяемые в большинстве разделов учебного пособия, даны в соответствии с государственными стандартами РФ и рекомендациями международной организации по стандартизации (ИСО).

Порядок изложения материала по разделам в основном соответствует последовательности решения задачи создания машины, начиная с анализа правильности формулировки самой инженерной задачи и заканчивая технологическими условиями её изготовления и сборки.

Материал учебника может быть полезен инженерам- конструкторам, работающим в области проектирования машиностроительного оборудования по механизации технологических процессов.

Глава 1

1.1 ЗАДАЧИ КОНСТРУИРОВАНИЯ

Задача конструктора состоит в создании ма­шин, полно отвечающих потребно­стям народ­ного хозяйства и конкретного покупателя, дающих наибольший

эко­номи­ческий эффект и обладающих высо­кими технико-экономиче­скими показателями в конкретных условиях эксплуатации.

Требования практически к любой машине можно свести к двум главным параметрам – это надёжность и экономичность.

Надёжность в общем понимании можно определить как способность машины сохранять свои функции во времени. Сюда входят: высокий ресурс долговечности, наработка на отказ, степень автоматизации, простота и безопасность обслуживания, периодичность и простота ремонтных работ, удобство управления, сборки и разборки.

Экономичность машины в общем понимании можно определить как сумму всех затрат на единицу выпускаемой продукции. Сюда входят: стоимость самой машины, её энергоёмкость, КПД, выход годного из входного сырья, расходы на оплату труда операторов и обслуживающего персонала, эксплуатационные расходы, амортизационные расходы.

Удельный вес каждого из перечисленных факторов зависит от назна­чения машины:

в машинах-генераторах и преобразователях энергии на первом плане стоит величина КПД, определяющего совершенство преобразования затра­чиваемой энергии в полезную;

в машинах-орудиях — производительность, четкость и безотказность действия, степень автоматизации;

в металлорежущих станках - производительность, точность обработки, диапазон выполняемых операций;

в приборостроении — чувствительность, точность, стабильность пока­заний;

в транспортной технике — малая масса собственной конструкции при максимальной рабочей нагрузке, удобство загрузки и разгрузки, высокий КПД двигателя, значительный ресурс пробега в часах или т.км,

во внутризаводской или внутрицеховой механизации – минимальные габариты машины или приспособления, безопасность, точность позиционирования, скорость перемещения.

Проектируя машину, конструктор должен добиваться всемерного уве­личения ее рентабельности и повышения экономического эффекта за весь период работы. Величина экономического эффекта зависит от обширного комплекса технологических, организационно-производственных и эксплуа­тационных факторов. В настоящем пособии рассмотрены только те способы повышения экономичности, которые непосредственно связаны с конструи­рованием и зависят от деятельности конструктора.

Вопросы надёжности более подробно будут рассмотрены в последующих разделах

1.2 МЕТОДЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

Человек начинает конструировать ещё в раннем детстве, когда складывает из кубиков свою первую пирамиду или лепит из песка домик. Творческий процесс созидания собственной конструкции начался и остановить его трудно.

Этот великий дар заложен в человеке природой. По мере взросления мальчики начинают строгать и пилить из досок различные поделки и скворечники, помогают отцам ремонтировать автомобиль, меняя изношенные части на свою конструкцию, чем иногда немало удивляют родителя. Девочки, как правило, шьют одежду куклам, затем себе платья, а это уже творческий процесс серьёзного конструирования.

С древнейших времён перед человеком ежедневно и ежечасно возникали изобретательские задачи: как заострить камень, чтобы сделать топор или наконечник для копья? Как добыть огонь и уберечь его от ветра и дождя? Как на большее расстояние бросить копьё, чтобы догнать убегающую добычу? Первыми универсальными, пережившими века изобретения, стали рычаг, топор, лук и колесо. Отметим, что колесо и лук не имеют аналогов в окружающей природе и их изобретение для тех времен было на несколько порядков значимее, чем для нас изобретение самолёта, лазера и компьютера. Со временем задачи усложнялись, число их многократно возрастало, но методы решения практически не изменялись.

Всегда и везде задачи решали, перебирая различные возможные и невозможные, осуществимые и неосуществимые варианты. Это и есть известный метод «проб и ошибок», которым повсеместно пользуются и сейчас.

Технология его примитивна: « Попробуем сделать так…. Нет, не получается. Тогда сделаем так… Тоже не получается. А вот так… уже будет лучше!» Перебрав десятки а иногда и сотни вариантов, изобретатель нередко находит в конце концов приемлемое решение несложной задачи. К примеру, знаменитый американский изобретатель Т. Эдисон, прежде чем сделать нить накаливания обычной бытовой электролампы из вольфрамовой проволоки перебрал 16000 вариантов, начав с платины и в промежутке из обугленного бамбука.

Уже в первой половине прошлого века были предприняты попытки для совершенствования метода проб и ошибок с целью уменьшения количества попыток для получения желаемого результата и на более высоком техническом уровне.

В 50х годах прошлого века в США была организована фирма «Синектикс» под руководством Дж. Гордона для обучения инженеров с целью повышения творческой активности при решении сложных технических задач. В переводе с греческого слово «синектика» означает «объединение разнородных элементов». Своей задачей школа ставила в первую очередь преодоление психологической инерции слушателей. Подавляющее большинство инженеров решают задачу, базируясь на ту отрасль техники, в которой они работают, и на её достижения. В результате работы получается новая, но практически та же самая машина с улучшенными показателями по мощности, грузоподъёмности, расходу энергии и т. д.

Если посмотреть на обычный ковшовый экскаватор с ковшом на стреле, созданный в начале прошлого века, то он мало изменился. В принципе он копирует движение человека с лопатой, только лопата заменена ковшом, а черенок стрелой. Экскаватор черпает грунт, поворачивается и грузит в машину. По мере развития техники постоянно увеличивался объём ковша, появились шагающие экскаваторы с вылетом стрелы более 100метров, появилась складывающаяся стрела, появились двухковшовые и двухстреловые экскаваторы на одной поворотной платформе, в которых один ковш черпал грунт, а второй в это время грузил в машину. Принцип не менялся: зачерпнул, повернулся, выгрузил. Холостые ходы оставались, и они

занимали большее время, чем рабочие, пока не появился роторный экскаватор, где несколько ковшей посадили на вращающийся диск, а грунт (уголь, руда) по

транспортеру непрерывно отводился в погрузочную технику или на промежуточный склад. Теперь на угольных разрезах работают в основном роторные экскаваторы и на городских улицах появились роторные машины для рытья траншей. Если рассмотрим принцип роторного экскаватора, то он практически копирует работу млекопитающих грызунов во время рытья нор, только лапки грызунов заменили на вращающийся диск с ковшами.

В фирме «Синектикс» разработали ряд приёмов, уменьшающих психологическую инерцию изобретателя и позволяющих создавать машины на более высоком уровне.

Рассмотрим основные из них.

Приём АНАЛОГИИ заключатся в том, что мы рассматриваем как выполняется требуемое действие в других отраслях техники, в живой природе, в ископаемой природе, в технической и художественной литературе; пытаемся заменить требуемое действие машины принципиально другим, для получения нужного продукта. Об экскаваторе мы уже упомянули. Обшивка корпусов современных подводных лодок пытается копировать строение кожи дельфинов и может быть, через несколько лет достигнет такого совершенства. Принцип современного эхо- и радиолокатора заимствован у слепых летучих мышей. Висячие мосты ещё до нашей эры строили, приглядевшись внимательно к паутине. Принцип самозатачивающегося резца скопирован со строения зуба грызуна. Принцип самых современных листопрокатных станов копирует принцип скалки в руках хозяйки при раскате мучного теста. Большинство идей и эскизов великого художника и изобретателя Леонардо Да Винчи в настоящей жизни уже внедрено. Это и парашют, и водные лыжи и боевой танк, и многое другое в области химии и обогащения руды. Техника развивается ежедневно и наши возможности ежедневно расширяются. Известный писатель Жуль Верн оставил после себя порядка 20000 расклассифицированных идей для использования в будущих книгах – не всякий НИИ похвастается таким багажом. Жуль Верн очень расстроился и даже пытался скупить первое издание книги о капитане Немо. Дело в том, что как раз в это время изобрели морскую торпеду, а его Наутилус поражал корабли острым носом корпуса, хотя идея торпеды была в черновых записках Жуль Верна.

Приём ЭМПАТИИ означает отождествление личности одного человека с личностью другого и проникновение в его чувства. Эмпатия широко используется в сфере человеческих отношений и характеризует то состояния, когда себя необходимо поставить в положение собеседника, врага или друга. Проанализируйте свою беседу с противником и окажется, что Вы воспринимаете в его выражениях большей частью то, что хотите услышать, а что не хотите – проходит как- то мимо. Термином эмпатия можно определить также отождествление человека с разрабатываемой машиной, деталью или процессом. Задача состоит в том, чтобы «стать деталью» и посмотреть с её позиции и с её точки зрения, что можно сделать для улучшения работы или процесса. Конечно, этот приём требует определённой тренировки, но мне доводилось встречаться с заслуженными изобретателями, которые его активно использовали и получали очень красивые нетривиальные решения.

Особенно эффективен данный приём, кода мы работаем над деформированием формы какого либо предмета, включая жидкость и газ. Это требуемая форма штампов при объёмной штамповке, разделитель различных жидкостей, находящихся в одном трубопроводе при прокачивании, запорные краны из магнитно твердеющих жидкостей, режимы и среды закалки без изменения формы детали…

Рассмотрим простейший пример. У Вас уже плоховато с зубами, а кедровые орехи щелкать хочется. Все тривиальные предложения по расщеплению скорлупы внешним механическим воздействием (щипцы, молотки, тёрки,..) неизбежно приведут к частичному или полному разрушению ядра ореха и к последующей более сложной задаче - разделения дроблёной продукции. Если же представить себя в роли ядра ореха, то здесь задача смотрится уже по другому. Как цыпленок вылупляется из яйца, или рыбка из икринки? «Мне бы совсем немного давления изнутри и скорлупа разорвется!» Здесь уже школьники дают решение: среда внутри скорлупы должна увеличить свой объём при воздействии бесконтактным способом. В домашних условиях замочите орехи в стакане на несколько минут, а затем высыпьте на горячую сковородку или противень. Скорлупа разлетится почти сразу от расширения влаги внутри ореха. В промышленных условиях на влажный орех, рассыпанный тонким слоем, на непрерывно движущемся конвейере воздействуют мощным тепловым излучением и затем разделяют фракции по удельному весу или по сопротивлению движению в воздушном потоке.

Приём ИНВЕРСИИ. Это приём сознательного преодоления психологической инерции, отказа от прежних взглядов на задачу, с тем чтобы посмотреть на неё с некоторой новой или изменённой позиции. Если некоторый предмет рассматривается снаружи, то по методу инверсии его необходимо исследовать изнутри. Если в рассматриваемом устройстве какая либо деталь установлена вертикально, то её надо поставить вверх дном, или в горизонтальное положение, или под углом. Если одна часть системы движется, а другая неподвижно – посмотреть что получится, когда поменяем их функции. Повернуть вверх дном, вывернуть наизнанку, поменять местами – эти действия характеризуют сущность приёма инверсии для получения новых идей. Если Вы монтируете своё устройство на какой то стол, то не забывайте, что у стола есть нижняя (обратная) сторона поверхности, есть боковые поверхности опор, есть пространство между столешницей и фундаментом, есть и площадь самого фундамента. Наибольший эффект приём инверсии даёт при отработке уже принятой конструкции, но в ряде случаев возникают новые решения, которые заставляют пересмотреть всю конструкцию.

Ниже на рисунке 1.2 показан приём инверсии на простейших примерах изменения конструктивных схем. Более внимательное чтение, предлагаемых и изменению схем показывает, что не всегда достигается полное улучшение конструкции.

Как правило, получая положительный эффект в одном, мы хотя бы немного проигрываем в другом. Задача конструктора - свести этот баланс в сторону положительных эффектов.

Задача изобретателя – найти новый принцип машины и свести известные недостатки к нулю.

Рисунок 1.2

Продолжение рисунка 1.2

Продолжение рисунка 1.2

Приём ФАНТАЗИЯ. Это воображение, связанное с желанием чтобы произошло то, что хочется получить, но с минимальными затратами и возможно вообще без машины. Использование фантазии для получения новых идей заключается в размышлении над некоторыми фантастическими идеями, в которых при необходимости используются реальные и нереальные предметы, естественные и неестественные процессы. Часто бывает полезно рассмотреть идеальные решения, даже если это сопряжено и со значительной долей фантазии. Разумеется, есть надежда, что размышление о желаемом может натолкнуть нас на новую идею или точку зрения, которая в конечном счёте приведёт нас к новому, конкретно реализуемому в современной практике, решению. Интересно и то, что в процессе размышления появляются идеи, которые можно использовать для решения не данной задачи, а совсем других. Эти идеи должны быть немедленно перенесены на рисунок с пояснениями. Если этого не сделать, то на завтра или даже через пару часов идея напрочь вылетит из головы. Конструктор никогда не должен зацикливаться на решении одной задачи. В голове всегда должно быть несколько, требующих решения, задач. Информация, которую мы получаем при решении одной конкретной задачи, по неизученным пока процессам откладывается именно в тех разделах нашего сознания, которые в ней и нуждаются. И вот когда объём этой информации достигает необходимого количества и качества, изобретатель вдруг кричит «эврика», вскользь вспомнив об одной из задач, которую он отложил до лучших времён.

Регистр научно-фантастических идей, ситуаций, проблем и гипотез, собранный в теории решения изобретательских задач, включает более 10000 единиц учёта, образующих систему из 12 классов, 82 подклассов, 596 групп и 2780 подгрупп. Есть где поискать новые идеи!

В романах Г. Уэллса описаны принципы бионики и опыты по получению искусственных алмазов, лазерный луч и термоядерная электростанция. В повести «Освобождённый мир» (1913г) он утверждал, что первая АЭС вступит в строй в 1953г. В СССР это произошло в 1954г. Более 40% идей, высказанных в романных советского писателя фантаста Беляева, уже реализованы в современной практике.

Склонный к «ереси» францисканский монах Роджер Бекон, живший в 13 веке и 20 лет проведший в тюрьмах, писал в своих трудах: «Расскажу о дивных делах природы, в которых нет ничего волшебного. Мы увидим, что всё могущество магии ниже этих дел и недостойно их. Можно сделать судно речное и морское, плывущее без гребцов и без паруса при управлении одним человеком. Также могут быть сделаны колесницы без коней, движущиеся с очень большой, непонятной для нас скоростью. Можно сделать летательные аппараты: человек, сидящий в середине аппарата, с помощью некоторой машины двигает крыльями наподобие птицы…. Прозрачные тела могут быть так обработаны, что отдалённые предметы покажутся приближенными, и на невероятном расстоянии будем читать мельчайшие буквы и различать мельчайшие вещи, а также с расстояния будем наблюдать звёзды как пожелаем…»

Это написано 750 лет назад. Попробуйте самостоятельно написать, что будет на земле через 750 лет, с учётом темпов развития техники и технологии и при условии, что люди сами не уничтожат космический корабль под названием «планета Земля», который вместе с ними всё время летит неизвестно куда, или всё же по

заданному кем то маршруту с конечной целью и пунктом назначения.

Эффективным методом преодоления психологической инерции при решении инженерных задач и активизации творческого мышления, является метод «мозгового штурма», предложенный профессором А. Осборном (США) в начале 40х годов прошлого века. Он заметил, что одни люди больше склонны к генерированию идей, а другие к их критическому анализу. Суть метода заключается в том, что для решения конкретной задачи собирают группу людей, специализирующихся в различных областях жизнедеятельности, которые должны предложить различные идеи решения задачи. По правилам проведения мозгового штурма критика идей на этапе их генерирования ЗАПРЕЩЕНА, пусть даже идея кажется совершенно нереальной для исполнения.

В обычной атмосфере рядовой инженерной работы большинство людей болезненно воспринимают критику руководителя в адрес своих предложений и тем более насмешки коллег по работе и пренебрежение с их стороны в части квалификации своих идей. В результате существенное количество потенциально полезных предложений остаётся невысказанными, и соответственно не рассмотренными.

При мозговом штурме принимаются к рассмотрению даже «дикие» идеи, а участники штурма (6-8 человек) не связаны административными зависимостями и по основной специализации трудятся в разных областях, но имеюших отношение к задаче. В группу генераторов идей включаются обычно люди остроумные, способные к абстрагированию и фантазированию, быстро и конструктивно реагирующие на предложения коллег в доброжелательной атмосфере. Кроме специалистов, имеющих отношение к обсуждаемой теме, в группу вводят одного- двух «посторонних». Практика показала, что нередко неожиданное решение исходит от того, кто просто не знает, что в среде специалистов по данной тематике его предложение считается либо слишком сложным, либо вообще бесперспективным.

Если ставится задача высокого уровня, или отраслевая проблемная задача, то собирают 2-3 группы генераторов идей, причём одну и ту же задачу представляют в разных формулировках.

Предложение должно быть высказано участником группы предельно кратко, оно не требует ни пояснений, ни обоснований – нужна лишь идея. В ряде случаев за час работы удаётся набрать 50-100 идей. Каждое предложение записывается на диктофон, или авторы записывают его на компьютере.

Мозговой штурм проводит опытный руководитель, который всячески способствует процессу активного генерирования идей, используя при этом приём «контрольных вопросов», которые он задаёт генераторам идей, пытаясь расширить возможности высказанного предложения. Вот некоторые из этих вопросов:

- а если сделать наоборот?

- какие модификации объекта ещё возможны?

- а если изменить форму объекта?

- а если взять другой материал?

- попробуем увеличить или уменьшить размер объекта до предела,

- переведём систему в другое состояние,

- выполним частичное или избыточное действие,

- попробуем использовать промежуточный объект,

- изменим агрегатное состояние объекта,

- применим фазовые переходы,

- используем тепловое расширение и т. д.

По окончании штурма группа экспертов рассматривает и отбирает идеи. Важно, чтобы в группу вошли специалисты, обладающие аналитическим складом ума. Их задача – выявить скрытые возможности в каждом из высказанных предложений, найти и отобрать наиболее приемлемые.

В принципе «мозговой штурм» это тот же метод «проб и ошибок», но здесь вектор инерции мышления каждого участника разбросан в разных направлениях, и количество возможных положительных идей возрастает непропорционально количеству участников, а значительно больше. Приёмы «синектики» при проведении штурма это уже направленные шаги в научной систематизации творческой работы изобретателя. Схематично работу участников мозгового штурма можно представить по рисунку 1.3

Рис. 1.3

На рисунке схематично показаны три участника штурма: А, Б, В. Сформулирована задача. По степени эффективности возможны три решения, причем наиболее эффективным пусть будет решение 3. Участники штурма по-разному знакомы с техникой решения подобных задач и естественно, что вектор инерции мышления каждого из них (ВИ) направлен в разные стороны при выдвижении идей решения. Допустим участник штурма А высказал идею 1, её тут же подхватил видоизменил участник В – возникла идея 2, Теперь А иначе видит свою идею, это позволяет продолжить её развитие (стрелка 3). Образуется цепь идей 1-2-3-4, направленная к решению на уровне 2. Одновременно отметим, что механизм подхватывания идей (цепь 5-6) иногда столь же последовательно может увести и в сторону от эффективного решения (цепь 5-6).

Существенную роль здесь играет и сама формулировка задачи. Вот пример: группе заводских инженеров на семинаре по мозговому штурму поставили задачу. « При изменении магнитной проницаемости системы 300 электронов должны были несколькими группами перейти с одного энергетического уровня на другой. Фактически же квантовый переход совершился числом групп на две меньше, поэтому в каждую группу вошло на 5 электронов больше. Какое число электронных групп должно было быть?» Слушатели почти одновременно стали возмущаться, что эта задача квантовой физики, а они инженеры-механики и решение подобных задач выходит за пределы их знаний. Когда реакция слушателей затихла, руководитель переформулировал задачу: « По окончании сезона 300 отдыхающих санатория должны были несколькими автобусами выехать на вокзал. Из заказанных автобусов фактически пришло на два меньше, поэтому в каждый автобус посадили на 5 отдыхающих больше. Сколько было заказано автобусов?» Данный пример одновременно показывает степень психологической инерции слушателей и введение в существо задачи ненужных терминов и связей.

Указанные приёмы активизации поиска универсальны. Их можно использовать для решения любых задач – научных, технических, организационных и др. Главное достоинство – простота и надёжность. Мозговой штурм осваивается за 2-3 занятия. Синектический мозговой штурм за 2-3 недели. На протяжении первых 10-15 лет после появления мозговой штурм считался достаточно эффективным и перспективным методом поиска новых технических решений. Постепенно, однако, выяснилось, что сложные задачи изобретательского порядка этим методом решить не удаётся. Штурм простой или синектический даёт на порядок больше идей, чем простой метод проб и ошибок. Но этого мало, если «цена» задачи 10000 или 100000 проб.

Необходимость нетривиального решения изобретательских задач на высоком уровне диктовалась темпами технического прогресса, и исследования в этом направлении были начаты известным советским изобретателем и специалистом по методологии Г.А. Альтшуллером в конце 40х годов прошлого века. Основу его работы составляет большой массив описаний изобретений по патентам и исследования обучения методам творчества. Главным результатом его работы и работы большого числа сподвижников и учеников является создание ТЕОРИИ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ (ТРИЗ).

Исследования описания изобретений, выполненные данной школой, позволили сформировать два новых подхода:

1. При создании современных видов творчества необходимо учитывать не только, а для инженерного творчества и не столько закономерности мышления, сколько закономерности развития самих технических объектов и технических систем.

2. Поскольку главным предметом исследования тако­го объекта следует считать его развитие, то и метод должен строиться, прежде всего, на основе науки о раз­витии — диалектики и важнейшего в ней — учения о про­тиворечиях.

В современной литературе о методах творчества встречаются разные интерпретации этих двух подходов. Из них вытекает третий, лежащий в основе

данной тео­рии решения инженерных (изобретательских) задач: изобретение есть способ (и форма) разрешения противо­речия в технической системе, а методы создания изоб­ретений — это, по существу, методы выявления и разре­шения технических противоречий.

Следовательно, творческим следует считать решение, содержащее разрешение противоречия, а компромиссные решения, лишь уменьшающие противоречие, но не пре­одолевающие его, к творческим не относятся. Несмотря на некоторую условность такого утверждения, оно ввело определенность в дальнейшее развитие методики изоб­ретательства.

Наконец, последний в этом перечне подход вытекает из предыдущих и положения о том, что системная при­рода техники отражает не только законы развития мате­риального мира, но и закономерности системного мыш­ления и выбора целей самим человеком, создающим технику. Вот краткая формула четвертого подхода: даль­нейшее развитие методологии творчества должно идти в направлении создания системы методов поиска.

Этапы развития любой системы (технической, биологической) характеризуют ее жизненный цикл. Он включает этапы сначала медленного, затем бурного и снова замедленного развития. Далее происходит упадок данной системы и смена ее другой, более совершенной. Рассмотрим графики логической смены этапов на рис. 1.4, а, а также изменения характеристик изобретений, дающих жизнь техническим системам и определяющих их развитие. На рис. 1.4, б, в, г отражены соответственно изменения уровней использованных в некоей системе изобретений, их количества и суммарной экономической эффективности от внедрения. Интерес представляет вза­имосвязь этих изменений.

Новая техническая система появляется, как правило, на основе изобретения высокого уровня (см. 1.4, б и а). Но в первый период общее количество изобретений, связанных с новой технической сис­темой (см. рис. 1.4, в), еще ничтожно мало, а работа над ними убыточна (см. рис. 1.4, г). Следующему этапу становления техниче­ской системы соответствует первый всплеск количества изобретений и некоторое повышение их уровня. На этом этапе активно разраба­тываются необходимые принципиально новые узлы и детали системы, обеспечивающие дальнейшее быстрое ее развитие.

Приближение к пределам развития на последнем этапе характе­ризуется вторым всплеском количества изобретений. Ведь система к этому времени всем хорошо знакома, широко распространена, в ее совершенствование включились заводские новаторы, изобретате­ли, участники прикладных исследований. Но надо отметить, что мно­гие изобретения данного этапа — в основном мелкие усовершенство­вания существующего, лишь большое количество которых несколько продляет жизнь устаревающей технической системы (см. рис. 1.4, а и в). Зато экономическая эффективность массового изобретательства в этот период максимальна (см. рис. 1.4, г).

На этапе замедления развития системы зарождается новая сис­тема (см. рис. 1.4, а). Как показывает практика, она появляется с запозданием. Хотя при правильном управлении изобретательством и соответственно опережающем развитии разработок на основе на­учно-технических прогнозов подготовка новой системы на основе соз­дания необходимого изобретения должна была бы начинаться

значи­тельно раньше, а не тогда, когда стало уже очевидным, что прежняя система изживает себя.

Рис.1.4

Одним из наиболее значимых в линии жизни является так назы­ваемый парадокс краткоживущей эффективности но­вой техники. Опыт технического развития свидетель­ствует о том, что время, которое требовалось для смены поколений действующих технических решений, сокра­щалось примерно вдвое каждые 20 лет.

К концу 1980-х г. оно составило 7—9 лет. Сам по себе такой по­казатель еще не вызывает беспокойства. Но дело в том, что он приблизился к показателю времени разработки новой техники, а оно равно у нас в это время равнялось в среднем 4—6 годам. Это значит, что новая разработка на 50% стареет мораль­но уже за время своего создания! Естественно, что та­кая техника после освоения остается эффективной очень недолго. Положение усугубляется еще и тем, что при прежнем хозяйственном механизме предпочтение чаще отдавалось не наиболее эффективным решениям, а более легко реализуемым. Это можно назвать па­радоксом приоритета малоэффективных легковнедряемых решений. Статистика говорит о распространенности данного явления.

Тесно с ним связан и парадокс опережающей стоимости. Он заключается в том, что капиталоемкость, а значит, и стоимость создаваемых в последние деся­тилетия новых технических систем и технологических комплексов, начиная от отдельных станков и кончая промышленными объектами в целом, росли быстрее, чем их эффективность. Например, для отечественного станкостроения было характерно такое соотношение: прирост производительности новых моделей станков всего на 15% сопровождался ростом цен на них на 220—250%. Изготовителю было выгодно завышать цену своих станков, а потребителю в советское время было все равно, сколько платить за них из государственного кармана.

Парадокс силового нажима проявляется в том, что совершенствование техники и технологии в нашей стране планировалось до 1990г. лишь сверху и осуществлялось не столько за счет поис­ка новых идей и внедрения прогрессивных решений, сколько путем простого наращивания мощностей и роста потребления сырья, энергии, дорогих материалов. Экстенсивное развитие неизбежно вело к существенному росту себестоимости продукции. Такой путь становится абсолютно неприемлемым в новых условия хозяйствования. Не забудем ещё полный хаос в промышленном развитии нашей страны с 1990 по 2003 г. Эффективной техники в гражданской промышленности вообще не создавалось и страна была отброшена назад как минимум на 20 лет.

Преодоление названных парадоксов и негативных явлений в научно-техническом развитии составляет одну из главных задач коренной перестройки управления экономикой. Но многое зависит и от самого человека, уровня его творческих результатов.

Наукой в последние годы выдвинуто принципиально новое требование: создавать качественно новые образ­цы техники и новые технологии, обладающие долгоживущей порядка 2030 лет эффективностью. Осо­бенно важен такой подход для перерабатывающих и других отраслей тяжелой промышленности с их дорого­стоящим производством. А относительно быстроменяющиеся технологические системы отраслей машинострое­ния и легкой промышленности, телекоммуникации - должны базироваться на решениях, дающих возможность гибкой перестройки технологии в соответствии с изменяющимися требова­ниями потребителя и производства.

Реализация указанных требований невозможна без значимых, крупных изобретений. И здесь встает вопрос о качестве творческого поиска. Пока таких изобрете­ний, которые могли бы стать мостами между наукой и техникой, в стране появляется не так уж много.

Сле­довательно, сейчас, как никогда ранее, необходимо по­вышение уровня творческих разработок. Показа­тельно, что и руководители академической науки уже в конце 1980-х гг. ставили вопрос: достаточно ли бу­дет в ближней перспективе сильных идей для созда­ния нужного количества принципиально новых техно­логий?

Потребность улучшения качества разработок опре­деляется и другими причинами. К сожалению, еще мно­гие виды машин, станков, приборов отличаются низ­ким качеством. В большинстве случаев это результат ошибок, допущенных при их проектировании и изготов­лении.

А каков экономический ущерб от подобных оши­бок? Прежде всего, он возникает от перерасхода ресур­сов и снижения качества продукции, производимой на дефектных станках и машинах

Рассмотренные этапы жизни технических систем по рис. 1.4 и характерные для них изменения изобретений представ­ляют интерес для общего понимания ситуации. Однако они не дают ответа на вопрос: какими факторами опре­деляется развитие технических систем ?

Выявление законов развития технических систем связано с работой по классификации уровней изобрете­ний. Отбор в их массе множества сильных, высокоуров­невых решений и анализ характерных для них измене­ний позволил выделить группу законов статики, определяющих условия возникновения и жизнеспособности технических систем:

закон полноты частей системы, означающий обяза­тельное наличие и хотя бы минимальную работоспособ­ность основных ее компонентов — двигателя, трансмис­сии, рабочих органов и средств управления;

закон энергетической проводимости системы, требую­щий соблюдения принципа сквозного прохода энергии через систему;

закон согласования ритмики частей системы, предус­матривающий согласование частот колебаний, периодич­ности действия и других параметров.

Многочисленный фактический материал, рассмотрен­ный при формулировке этих законов, других закономер­ностей, наводит на мысль о существовании и более об­щего принципа соответствия.

Вторая, выделенная в ТРИЗ группа законов, опреде­ляет характер развития технических систем:

закон увеличения степени идеальности системы, ко­торый отражает понятие об идеальной машине, широко используемое в ТРИЗ. Теоретический идеал — цель, к которой следует стремиться. Поскольку на практике до­стижение идеала невозможно, к нему следует максималь­но приблизиться при решении задачи;

закон неравномерности развития частей системы, про­являющийся в том, что развитие происходит неравно­мерно, через возникновение и разрешение технических противоречий. Чем сложнее система, тем больше воз­можностей неравномерного развития ее частей;

закон перехода в надсистему, означающий, что раз­витие системы возможно до определенного предела, пос­ле чего она включается в надсистему в качестве одной из ее частей, и дальнейшее развитие идет на уровне надсистемы;

закон динамизации, указывающий на необходимый переход любой

развивающейся системы от жесткой, не­меняющейся структуры к структуре гибкой, поддающей­ся управляемому изменению. Руководствуясь хотя бы только законом динамизации, в определенной мере мож­но прогнозировать развитие ряда действующих систем. Примерами такого рода развития могут служить: в авиа­ции — переход от первых жестких конструкций к систе­мам убирающихся шасси, пропеллеру с изменяемым шагом, крылу с изменяемой геометрией и т. п.; в стан­костроении — переход от станков целевого назначения к универсальным, затем — к автоматической линии и об­рабатывающему центру и, наконец, к гибкой производ­ственной системе;

закон перехода рабочих органов системы с макро­уровня на микроуровень, отражающий одну из главных тенденций развития технических систем в настоящее время. В большинстве современных технических систем (ТС) рабочие орга­ны— это «железки» (режущий инструмент, ковш экска­ватора, пропеллер самолета, колеса автомобиля и т. п.). Они, конечно, в процессе развития претерпевают изме­нения, совершенствуются. Но в каждом конкретном случае есть предел развития на макроуровне. Достигнув его, система хотя и сохраняет свою функцию, но прин­ципиально перестраивается: ее рабочий орган перехо­дит на микроуровень, где работа выполняется уже не «железками», а молекулами, атомами, ионами, электро­нами, полями.

Например, обработка твердых материалов режущи­ми инструментами заменяется воздействием лазера, плазменной струи, электроискровым методом.

Нужно отметить, что процесс выявления законов тех­нических систем и зон их приложения к системам раз­ной степени сложности далеко еще не завершен, да и вряд ли он конечен. Пока удалось установить и дока­зать всеобъемлющий характер этих законов в основном для систем среднего ранга — узлов, механизмов, машин, агрегатов. Но и это оказалось достаточным, чтобы раз­работать стройную, логическую систему методов анали­за технической задачи и синтеза нового, оптимального решения. Подчеркнем: знание законов нужно не само по себе, а прежде всего потому, что на них опираются кон­кретные механизмы новых методов решения изобрета­тельских задач, составляющих основу ТРИЗ

Основная мысль последнего закона — прогресс в од­ной области техники (или одной части технической сис­темы) вызывает потребность прогрессивного развития в других.

Приведенные выше законы развития технических систем с точки зрения философии трудно назвать законами. Пусть простят нас философы по вопросу что первично и что вторично, но технические системы действительно развиваются по своим законам вне зависимости от желания человека. История последнего века убедительно показывает, что фундаментальные изобретения и открытия не только расширяют возможности человека, но и в ряде случаев изменяют взаимоотношения в обществе. Проанализируйте самостоятельно, как изменились отношения в обществе после изобретения автомобиля, самолета, атомной бомбы термоядерного реактора, телевизора, компьютера, интернета,…

Стремиться к идеальной машине

Едва ли не самым практически важным законом развития технических систем является увеличение степени иде­альности системы.

Он больше других отра­жает не только материальную природу законов разви­тия создаваемой человеком техники. Ведь и человек всег­да органически стремится к совершенству (часто вос­принимаемому как красота решения), приближаясь к нему напряженным творческим трудом.

Исходя из приведенных соображений, в теории реше­ния изобретательских задач введено понятие «идеаль­ный конечный результат» (ИКР). Оно исходит из прин­ципа: система идеальна, если ее нет, а требуемая функ­ция выполняется. Разумеется, достичь такого идеала не­возможно, но реальное сильное изобретательское реше­ние должно приближаться к идеалу. Это условие зако­на увеличения степени идеальности системы многократ­но подтверждено сильными, высокоуровневыми изобре­тениями. Поэтому степень приближения к ИКР являет­ся критерием качества решения любой творческой тех­нической и организационной задачи.

Разумеется, идеальный конечный результат должен быть правильно сформулирован. Тогда множество ва­риантов, которые могли бы возникнуть при решении за­дачи с помощью метода проб и ошибок, отпадет само собой. Формулируя ИКР, не следует задумываться над тем, как может быть достигнуто близкое к нему реше­ние.

Рассмотрим простую учебную задачу: «При взгляде на гоночный автомобиль сразу бросают­ся в глаза колеса. Они придают машине свирепый вид. А между тем они создают добавочное сопротивление воз­духа, снижают максимальную скорость. Даже у обычных легковых автомобилей колеса закрыты обтекаемым ка­потом. Так почему же колеса гоночных машин не закры­ты обтекателями?

На виражах гонщик все время следит за передними колесами. Увидев их положение, он получает первую информацию о направлении движения машины. Теперь предположим, что колеса закрыты крыльями. Повернув руль, гонщик должен смотреть, как пойдет машина, и вмешаться в управление после того, как автомобиль за­метно отклонится от намеченного пути. Вот почему авто­мобили для шоссейных гонок делают без крыльев. Дру­гое дело автомобили, предназначенные для гонок на спе­циально оборудованных треках. Там не нужна поворот­ливость. И машины закапотированы».

Чтобы решить эту задачу, надо точно определить, что мы хотим получить? Задача отно­сится к гоночным автомобилям. Значит, решение не должно быть рассчитано на массовое и длительное применение. Школьники, впервые познакомившиеся с понятием ИКР, через 5 минут формулируют его совершенно чётко: «без всяческих дополнительных зеркал, отражателей и пр. - гонщик должен видеть поворот колеса, т. е. в идеале сквозь обтекатель» Решение приходит сразу – обтекатель должен быть прозрачным, допустим из оргстекла.

Для ответа на вопрос правильной формулировки ИКР необходимо сначала разо­браться с противоречиями, лежащими, как указывалось, в основе творческой задачи.

О противоречиях

Решение любой изобретательской задачи предполагает улучшение тех или иных технических параметров, функций, свойств си­стемы.

Уже в самом факте возникновения изобретательской задачи возникает противо

речие: нужно что то сделать (изменить, улучшить), а как это сделать —

- неизвестно. Такое противоречие принято называть административ­ным. На этом этапе мы еще не знаем, по существу, ка­кую именно задачу надо решать. В большинстве случаев ее начальная формулировка оказывается расплывчатой, неправильной. Фактически вначале существует несколь­ко разных задач, и надо сделать между ними выбор. В таких случаях возникает так называемая изобрета­тельская ситуация.

ТРИЗ дает правила перехода от изобретательской ситуации к конкретной задаче. Для этого в технической системе выделяют именно те элементы, конфликт меж­ду которыми порождает задачу. Конфликт и определя­ет техническое противоречие (ТП). Оно представляет собой такое взаимодействие в системе, при котором по­лезное действие вызывает одновременно и вредное. ТП может возникать и в тех случаях, когда попытка улуч­шить одну часть (параметр) технической системы ухуд­шает (например, усложняет) другую ее часть или сис­тему в целом.

Техническое противоречие возникает обычно как ре­зультат диспропорции в развитии частей системы. Час­то складывается ситуация, когда количественные изме­нения одной из частей системы вызывают противоречие в других. Разрешение такого противоречия требует каче­ственного изменения всей системы. В этом проявляется закон перехода количественных изменений в качествен­ные.

Технические противоречия могут быть самыми раз­нообразными, причем среди них выявлено достаточно большое количество типовых: «масса—прочность», «уни­версальность — сложность», «мощность—энергозатра­ты», «грузоподъемность—скорость», «точность—произво­дительность» и т. п. Типовые противоречия нередко могут быть разрешены типовыми приемами, о которых речь пойдет ниже. Но во многих случаях при решении слож­ных задач неизвестно, какой конкретно прием нужно ис­пользовать и к какой части конфликтующей пары эле­ментов технической системы его применить.

Если задача сложна, следует углубить ее анализ, пе­рейти к модели задачи, сформулировать техническое противоречие и ИКР. Затем необходимо выявить физи­ческую суть технического противоречия, иначе говоря, физическое противоречие (ФП), мешающее достижению ИКР.

Суть перехода к физическому противоречию — вы­бор в конфликтующей паре элементов какого-то одного и выделение в нем небольшой зоны, к физическому сос­тоянию которой предъявляются взаимопротиворечивые требования. Обычная формула ФП: «Данная зона долж­на обладать свойством «А» (например, быть подвиж­ной), чтобы выполнить какую-то функцию, и свойством «не А» (например, быть неподвижной), чтобы удовлет­ворить остальным требованиям задачи».

Таким образом, от технического противоречия меж­ду действиями различных элементов системы мы пере­ходим к физическому противоречию между свойствами одного элемента системы. Характерная для ФП обост­ренность конфликта («быть А» и «не быть А») концент­рирует на нем внимание и придает формулировке ФП эвристическую ценность. Если физическое противоречие сформулировано правильно, вероятность решения зада­чи намного повышается, тем более что теория предла­гает достаточно много приемов и источников специаль­но организованной информации, использование которых помогает разрешению физических противоречий.

Рассмотрим ещё одну учебную задачу: «к знаменитому изобретателю Т. Эдисону пришёл наниматься на работу молодой инженер и на вопрос, где бы он хотел приложить свои творческие способности, ответил. Я хочу создать универсальный растворитель. Эдисон ответил – да, на этом можно было бы неплохо заработать, но в чём Вы собираетесь его хранить?». Молодой человек развёл руками, и Эдисону задача показалась слишком сложной. А вот современные школьники быстро и уверенно формулируют физическое противоречие: «растворитель в нерабочем состоянии не должен являться растворителем». Технические решения предлагаются уже через 5-10 минут: растворитель должен храниться в виде куска льда в холодильном аппарате, растворитель можно хранить в электромагнитном поле, растворитель должен изготавливаться на рабочем месте соединением нескольких компонентов, как эпоксидный клей, … – выбирайте, что Вам больше подойдёт. В первом и третьем решении мы изменили агрегатное состоянии объекта. Для современной практики изобретательства это самый рядовой приём, а для времён Эдисона такой приём являлся откровением.

Естественно, возникает потребность в систематизации проверенных приёмов преодоления технических противоречий и рекомендаций по их применению.

Специальные информационные фонды состав­ляют важную часть творческого инструментария. Изоб­ретательские решения часто находятся с помощью того или иного физического эффекта. В описание такого эф­фекта входят не только те или иные физические явле­ния, закономерности или их следствия (в том числе ма­лоизвестные), но и — что самое главное — способ их изобретательского применения. Использование физиче­ских эффектов является формой разрешения физических противоречий, и в этом состоит их инструментальная природа, методическая ценность. Однако, как показыва­ет практика, для обеспечения успешного применения та­ких эффектов в изобретательской и конструкторской практике с ее много­образием задач подобная информация должна быть специально организована.

Дело в том, что любой современный инженер — кон­структор или технолог, понимая значение физики, дале­ко не всегда использует ее возможности, часто уже не помня целого ряда законов и вообще не зная многих их следствий. Сейчас известно несколько сотен физических эффектов и явлений, многие из которых могут стать ключом к решению весьма сложных технических задач и проблем.

Именно ТРИЗ, развиваясь, впервые выявила пот­ребность в специальном информационном фонде физи­ческих эффектов. Сегодня книги по ТРИЗ [2;37] и учебные по­собия по инженерному творчеству обычно содержат таб­лицы применения физических эффектов, с помощью ко­торых можно подобрать и использовать эффект, наибо­лее подходящий для разрешения противоречия, содер­жащегося в конкретной задаче. Указатели применения физических эффектов и явлений дают сведения и о са­мих аффектах, и о веществах, реализующих эти эффек­ты .

Например, если при решении задачи надо найти спо­соб небольших, но весьма точных перемещений, то по указателю можно установить, что они могут быть осу­ществлены за счет теплового расширения, или магнитострикции, или обратного пьезоэффекта.

Пользуясь ука­зателем, можно подобрать при решении задачи несколь­ко разных физических эффектов, выбрать лучший спо­соб выполнения действий, необходимых для разрешения противоречия.

Кроме фондов физических эффектов, исследователи и специалисты ТРИЗ накапливают фонды химических и геометрических эффектов, нередко открывающих совер­шенно неожиданные пути решения задач. Например, много оригинальных решений обеспечивает использова­ние специфических геометрических свойств гофров, ша­ров (особенно массы их), овалов, щеточных конструк­ций и др. Уже давно используются в технике известные из бионики формы типа пчелиных сот, паутины и т. д.

Развитие в рамках ТРИЗ специальной организации информации по физическим эффектам (в перспективе — до уровня представления ее в современных экспертных системах) приводит к формированию своеобразных блоков эффектов по отдельным разделам физики (нап­ример, эффектов, определяемых центробежной силой, законом Архимеда, использованием пен и т. п.). По каж­дому из таких блоков есть свои указатели.

Усиленные инструменты стандарты основаны на комбинации приемов.

В результате анализа множества изобретений уда­лось, во-первых, выделить несколько больших классов основных задач и, во-вторых, для каждого из них найти наиболее эффективное сочетание приемов, которое наз­вали стандартом ТРИЗ. Применение стандартов обес­печивает большую вероятность решения изобретатель­ских задач на высоком уровне.

Каждый из более чем 70 разработанных стандартов, содержащихся в информационном фонде ТРИЗ, вклю­чает описание, обоснование и примеры, отражающие особенности его применения. Многие стандарты являют­ся формой реализации законов развития технических систем или следствий этих законов. Для упрощения ра­боты изобретателя система стандартов содержит указа­тель их применения.

Выявление и использование типовых приемов разре­шения противоречий положило начало специализации инструментов поиска. Разработка стандартов развивает эту тенденцию, хотя остается немало стандартов, осно­ванных на общем, универсальном приеме дополнитель­ного введения в систему веществ или их преобразования. А для тех случаев, когда условия задачи накладывают запрет на введение чужеродного вещества, существуют стандарты, указывающие путь его преодоления: напри­мер, получение, требуемого вещества видоизменением одного из имеющихся веществ (скажем, получение пены смешением уже имеющегося в системе вещества с воз­духом).

Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ) представляет собой объединение разных правил (инст­рументов), специализированных по отдельным частям процесса творческого решения, в единую программу [2]. Она основана на рассмотренном выше подходе к анализу противоречий и определяет его последовательность. АРИЗ начал создаваться в 1950-е гг., с тех пор сформиро­вано несколько основных модификаций АРИЗ, апроби­рованных во многих общественных школах и народных университетах научно-технического творчества. АРИЗ последовательно совершенствуется, уточняется содержание отдельных его частей и шагов (мысленных операций с задачей), на которые делятся части.

Основная линия развития решения задачи по АРИЗ включает: анализ изобретательской ситуации — выбор задачи — выявление технического противоречия — выявление и разрешение физического про­тиворечия с использованием для этого информационного фонда.

Движение по этой своеобразной «лестнице», ведущей к решению, обеспечивает входящая в АРИЗ система правил выполнения шагов, а также примечаний и примеров, поясняющих варианты и нюансы применения правил.

Рис. 1.5

На рисунке 1.5 показана схема работы конструктора по методике АРИЗ. Пусть нам дана задача. Возможны пять практически приемлемых решений данной задачи, причём самым эффективным пусть будет решение 5. Если работать по методу проб и ошибок, то конструктор в соответствии с собственным вектором инерции (опытом решения задач подобного рода) может пойти в направлении решения 1 или вообще в другую сторону, или, если повезёт, в направлении решения 5. После правильной формулировки идеального конечного результата конструктор сразу разворачивает свой вектор инерции в направлении решений 4-5, резко снижая количество малоэффективных проб. Затем, сформулировав и проанализировав техническое противоречие, которое необходимо преодолеть, использует типовые приёмы устранения ТП или устраняет его на базе собственного опыта. В результате, как правило, находит решение в заштрихованной области, т. е. близкое к наиболее эффективным решениям 4-5.

Полученное решение необходимо превратить в эскизный проект и произвести анализ будущей машины (технического объекта) по следующим критериям:

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.