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 20—30 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 итехникой, 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 такназываемая 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 фондысоставляют 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 — стандартыоснованы 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.
|
Полученное решение необходимо превратить в эскизный проект и произвести анализ будущей машины (технического объекта) по следующим критериям: