Основы прикладного технического творчества

Вид материала

Содержание

Операторы снижения психологической
Изобретательские стандарты Алгоритм выбора изобретательских задач (АВИЗ)
Информационный фонд эффектов
Компьютерная интеллектуальная поддержка (КИП)
Рабочий орган
Двигатель Трансмиссия Рабочий орган
Изделие Полная принципиальная схема технической системы
1.3. Закон согласования ритмики частей системы
2.1. Закон этапности развития ТС (S – образного развития)
2.2. Закон неравномерности развития частей ТС

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Операторы снижения психологической

инерции мышления

Эвристические приёмы устранения

технических противоречий

Вепольный анализ
^

Изобретательские стандарты

Алгоритм выбора изобретательских задач (АВИЗ)

Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ)
^

Информационный фонд эффектов

(физические, химические, геометрические и др.)

Функционально – стоимостный анализ,

функционально – системный анализ (ФСА)

Вещественно – полевые ресурсы (ВПР)

^ Компьютерная интеллектуальная поддержка (КИП)

Теория развития творческой личности (ТРТЛ)

Схема 3.10.3. Стуктура ТРИЗ

Трансмиссия – это элемент ТС, по которому передаётся энергия от двигателя к рабочему органу с возможностью изменения величины, например, крутящего момента, силы тока, напряжения или инверсии (вперёд – назад).

^ Рабочий орган – это элемент ТС, который выполняет основную или главную функцию системы (это инструмент, орудие труда).

Орган управления – это элемент ТС, который ею управляет. Это, в большинстве случаев, человек, а в сложных системах автоматика (это информация или управляющие сигналы).

Если в схему включить базовое основание (корпус, раму, станину, фундамент, плату и др.) и объект труда (изделие), то получим полную принципиальную схему ТС.

Источник

энергии

Двигатель

Трансмиссия

Рабочий орган

Орган управления

Изделие

Полная принципиальная схема технической системы

1.2. Закон энергетической проводимости системы.

Сквозной проход энергии от источника по всем частям ТС, включая орган управления, к изделию является основным условием её жизнеспособности, при этом, чем меньше потери энергии в каждой подсистеме, чем выше эффективность и идеальность (к.п.д.).

Правила: 1. При синтезе ТС надо стремиться к использованию одного вида энергии (поля) на все процессы работы и управления системы, а при развитии системы (развёртывании) новые подсистемы также должны работать на этой же энергии при согласовании мощностей потоков.

2. Если ТС состоит из веществ, менять которые нельзя, то используется поле совместимое со всеми веществами (проводимое ими).

3. Если вещества частей системы можно менять, то плохо управляемое поле (вид энергии) заменяют на хорошо управляемое по цепочке: гравитационное – механическое – тепловое – магнитное – электрическое – электромагнитное. Все вещества должны быть прозрачными для выбранного поля.

Существуют два типа задач, определяемые направлением потока энергии:

на изменение (синтез, развитие) – прямой проход от источника к изделию;
на измерение (обнаружение, контроль параметров) – обратный проход от изделия к источнику (в основном информация до органа управления).

Пример – замер диаметра шлифовального круга.

^

1.3. Закон согласования ритмики частей системы

Согласование или сознательное рассогласование частоты колебаний (или периодичности работы) всех частей (подсистем) ТС – необходимое условие её жизнеспособности.

Пример. Резонансные явления рядом работающих приводов разрушают фундаменты.

Резонанс в колебательном контуре генератора повышает мощность сигнала.

Киносъёмочный комплекс – частота съёмки 24 кадра в секунду, а освещение работает непрерывно. Применение ламп-вспышек повышает к.п.д. освещения (снижает энергоёмкость).

Конвейер по сборке автомобилей обеспечивает синхронное совмещение технологических и транспортных операций.

^ 2.1. Закон этапности развития ТС (S – образного развития)

Аксиомой является утверждение, что всё в мире когда-то рождается (создаётся) и умирает (разрушается, прекращает существование). В биологических системах мы это явление наблюдаем наиболее часто и эмоционально. В технических системах, созданных человеком, присутствуют всё те же этапы, что и в биологических системах. Всё проектирование построено на этом принципе, но в любых системах в их развитии наступает предел, за которым смерть.

Начнём с простого, с технических систем (ТС) и этапов их «жизни».

Схематически жизненные циклы ТС удобно рассматривать в графическом виде в двухмерном пространстве, откладывая по оси абсцисс время жизни системы, а по оси ординат показатель её главной потребительской характеристики, например, производительность, мощность, скорость, разрешающую способность и т.д.

У разных ТС эти кривые весьма разнообразны, но всегда на них есть характерные участки, которые схематически огрублённо выделены и обозначены цифрами с возрастанием по мере развития и буквами условные границы жизненных циклов.

В 3 4 Б Г 2

1 А Н

На этапе 1 зарождения и эволюции (метафорически внутриутробный период) новая идея владеет умами только её создателей, которые ищут возможности и пути воплощения своей разработки в производство или любую другую сферу бизнеса. Из-за слабых финансовых возможностей или организаторских способностей изобретателя новая идея может долгие годы не быть востребованной предпринимателями и промышленниками или обществом в целом, т.к. нечётко сформулировано коммерческое предложение. Например, если нет макета, опытного или головного образца, то большинство просто не понимают идею из-за её новизны и оригинальности. Часто случается, что новые разработки на этапе идеи скупаются конкурентами, оформляя исключительную лицензию, и откладывается до тех пор, пока не устареет действующее производство, приносящее прибыль. Это одна из причин растянутости во времени первого этапа развития ТС. Но традиционно длительными являются этапы НИР и ОКР. Годами новое изделие или способ производства доводится до стадии промышленной применимости самими разработчиками.

На первом этапе ТС требует только затрат, но когда надёжность, долговечность, трудоёмкость изготовления, ресурсопотребление и уровень отходов становятся приемлемыми в дело вступают маркетологи и предприниматели организаторы производства.

На кривой развития ТС переломной между этапами является точка А. Индивидуальное или мелкосерийное производство нового изделия позволяет путём пробных продаж выявить спрос на рынке, проанализировать пожелания, отзывы, жалобы и рекламации потребителей, усовершенствовать новый товар и дать на множество рынков ограниченное количество изделий, как правило, под новой торговой маркой. Если спрос не удовлетворён и наметился ажиотаж или дефицит, то начинается этап массового строительства новых предприятий, чем и объясняется крутизна подъёма участка 2 на кривой развития ТС и он продолжается до точки Б. Это инвестиционный этап с пониженными рисами, т.к. всё сосчитано, окупаемость капвложений гарантирована массовыми продажами по завышенным ценам, положительный денежный поток позволяет через два-три года окупить инвестиции и начать получать чистый доход. В этот период массовыми мелкими изобретениями и рацпредложениями эффективность производства максимизируется, что существенно снижает себестоимость производства продукции. Появляется возможность снижать цены, что, как правило, увеличивает объёмы продаж и доходы. Это период процветания промышленников, рискнувших вложить капитал в новое дело. Чтобы как можно дольше сохранить свои доходы предприниматели-монополисты стараются не пускать в свою нишу изобретателей, предлагающих нечто лучшее, но требующее затрат. Это главный тормоз научно-технического прогресса, когда все действуют по принципу, что лучшее – враг хорошего. С врагами активно борются до тех пор, пока есть устойчивый спрос на рынке, т.е. налицо общественная потребность.

Но вкусы потребителей изменчивы и их трудно прогнозировать, и когда модификациями товара уже невозможно сдержать снижение объёма продаж, начинается инвестирование новых разработок, что на графике отмечено буквой Н и инновационный цикл начинается с первой стадии. Это положение отмечено перегибом и обозначено буквой Б.

Для поддержания жизнеспособности производственной системы, её оптимизации и минимизации издержек производства многие проводят функционально-стоимостной анализ (ФСА), рядовые изобретатели и рационализаторы снова активизируются – количество технических решений низкого уровня возрастает. «Дожимание» возможностей производства без коренной замены принципа действия завершается и доходит до предела, что отмечено переломом в точке В. А для системы производства нового поколения, основанной на новом принципе действия, в это время заканчивается этап становления 1 и начинается переход на стадию промышленного применения 2.

Старая ТС может не уничтожаться и существовать ещё неопределённо долго, но в новом качестве. Например, парусные суда существуют сейчас и будут существовать в будущем, но в качестве хобби состоятельных людей или как вид спорта. Яхтостроение стало подотраслью судостроения и продолжает техническое совершенствование в соответствии с индивидуальными заказами. Такая же судьба и у лёгких летательных аппаратов.

Старую ТС можно поддерживать экономически выгодной в дальнейшем, но только за счёт разрушения, загрязнения и хищнической эксплуатации внешней природной среды, т.к. никто не будет строить новейшие очистные сооружения, стоимость которых больше, чем обошлось строительство нового завода в начале инновационного цикла.

Переход к работе над новой системой или к новой стратегии инновационной деятельности менеджеры предприятия начинают ещё (уже) в период процветания бизнеса, когда запущенная и раскручиваемая ТС (производство) приносит стабильный доход.

Момент перехода к новой стратегии зависит от ряда обстоятельств и в частности от того, производит ли изготовитель комплектующие самостоятельно или покупает их у других. Практика показывает, что к новой стратегии целесообразно переходить при покупной основной массе комплектующих в момент, когда эксплуатируемая ТС достигла 30…35% от теоретически возможного предела, а если комплектующие собственного производства, то при достижении 80…85%, т.е. на участке 2 в первом случае ближе к точке А, во втором случае ближе к точке Б (например, разработку и запуск в производство телевизоров четвёртого поколения пришлось производить на старой элементной базе).

Жизненный цикл развития ТС и изделий накладывает определённые особенности на виды инновационной деятельности и виды рыночных стратегий. На этапе эволюции жизненного цикла изделия оно впервые появляется на рынке. Для ведущих в этой отрасли стран действует наступательная стратегия. Разрабатываются модификации выпускаемых изделий и создаются новые изделия, особое внимание уделяется формированию рынка и его прогнозированию, требуется мощный маркетинговый, научно-технический и производственный потенциал.

На втором этапе жизненного цикла изделия создаются усиливающие изобретения, происходит рост объёмов продаж на рынках. Для ведущих стран действует адсорбционная стратегия: приобретаются лицензии, осуществляется информационный контроль рынка ведущих стран, требуется мощный маркетинговый и производственный потенциал.

На третьем этапе жизненного цикла изделий появляются в основном рационализаторские предложения, технические параметры и объёмы производства во всём мире максимальны (включая подделки). Выгодным оказывается приобретение лицензий и оборудования, проводится мониторинг продаж изделий, оборудования для их производства, сырья, перетекания рабочей силы. Требуется мощный финансовый потенциал, эффективный маркетинг, дешевая рабочая сила.

На четвёртом этапе жизненного цикла рынок товаров уже насыщен с некоторым перепроизводством, начался резкий спад объёмов продаж, что не позволяет удержать спад производства, начинаются массовые увольнения. Что-либо изобретать для реанимации производства и вкладывать средства бессмысленно. Если предприятие начинает работать ниже точки безубыточности его закрывают или перепрофилируют, если ещё генерируется прибыль, то процесс производства может ещё продолжаться неопределённо долго – до полного вытеснения с рынка новыми товарами. (Например, велосипеды будут производиться неопределённо долго).

Зная закон этапного развития становится возможным прогнозировать инновационную деятельность предприятия, но определённую трудность представляет точность определения своего местонахождения на S-образной кривой развития бизнеса, т.е. точки А, Б и В, а также положения конкурентов, насколько они впереди или отстают. Но главная информация о конкурентах и самая ценная - это о том, что они готовят на смену, в этом смысл промышленного шпионажа. Как правило, новые разработки не патентуются до тех пор, пока не начнутся массовые продажи и не окупятся вложенные инвестиции, а задел исследований и разработок позволяет начать организацию производства новых изделий (продуктов) с более высокими потребительскими характеристиками.

Этапность развития имеет место в любой сфере деятельности человека, особенно в ТС. Например, если рассматривать железнодорожный транспорт как надсистему с главной производственной функцией скорость (производительность) перевозок, то вся инфраструктура начала развиваться на базе локомотивов с использованием энергии пара. Когда мощность и скорость паровозов была доведена до физических пределов, то им на смену пришли тепловозы с использованием химической энергии нефтепродуктов, которые сменились электровозами традиционного исполнения (внешне похожие на тепловозы), а затем электровозами нового поколения с использованием принципа действия магнитной подушки. В результате этих этапов развития скорость перевозки грузов возросла в десять раз, а железнодорожный транспорт уже нельзя будет скоро называть железнодорожным, т.к. по сути он становится электромагнитным.

Аналогично и в судостроении по цепочке вёсла – парус – паровая поршневая машина, паровая турбина - двигатели внутреннего сгорания – ядерные силовые установки в сочетании с подводными кораблями, судами на подводных крыльях и на воздушной подушке.

А в авиации этапность ещё более наглядна, т.к. по времени развитие наиболее стремительно. Сначала стояли вопросы: что такое летательный аппарат вообще, в принципе? Из чего он должен состоять? Крылья плюс двигатель или крылья без двигателя? Какие крылья – неподвижные или машущие? Какой двигатель – человеческий, паровой, внутреннего сгорания или ракетный? Наконец, была найдена формула летательного аппарата: неподвижные крылья плюс двигатель внутреннего сгорания. И только после этого начался второй этап – поиски оптимальной конструкции. Сколько крыльев – биплан или моноплан? Как расположены крылья относительно корпуса – сверху, снизу или в средней части? Где находятся рули – впереди или сзади? Где моторы – спереди или сзади и сколько их? Винты толкающие или тянущие? Шасси какое и как размещено, сколько колёс и какие они? В результате на этом этапе определилась классическая схема самолёта. На третьем этапе началась динамизация ТС самолёт: появились убирающиеся шасси, меняющееся крыло с предкрылками и закрылками, позже с изменяющейся стреловидностью и длиной, ракетные ускорители для укорочения взлёта, посадочные парашюты для укорочения посадки, катапульты для выбрасывания пилотов при аварии, автопилот и системы автоматики, позволяющие осуществлять беспилотные полёты, т.е. человек практически уже вытеснен из ТС, которая приблизилась к высокой степени идеальности. Типоряд летательных аппаратов стал огромным: от дельтапланов и планеров – до супергигантских транспортных машин типа «Руслан» и «Мрия» или аэробусов для перевозки 300…500 пассажиров. Четвёртый этап ещё не наступил, но наметилась тенденция объединения авиации и ракетно-космической техники в сочетании со спутниковыми системами управления, т.е. тенденция гибридизации и универсальности. Например, «Шатл» с посадкой по-самолётному или «Мрия» со взлётом «челнока» с фюзеляжа. А бомбардировщики вооружены, в основном, ракетами разных классов (в т.ч. крылатыми ракетами большой дальности).

В истории автотранспорта сначала шел поиск «состава»: что такое автомобиль в принципе? Педальный двигатель плюс коляска? Паровой двигатель плюс коляска? (В 1902 году французский инженер Леон Серколле построил паровой автомобиль, развивающий скорость 120 км/ час – первый мировой рекорд скорости на автомобиле). И всё-таки у автомобиля оказался другой состав – двигатель внутреннего сгорания плюс коляска. Начался второй этап – поиски структуры. Сколько должно быть колёс? Три колеса как в коляске Бенца или четыре, как в коляске Даймлера. Может шесть колёс, как в американском «Грандингпульманс» выпуска 1903 года или всего два колеса, как в «гидрокаре» инженера Миловского? Опробованы тысячи вариантов сочетаний двигателей – трансмиссий – движителей с рамными и несущими корпусами, а развитие автомобиля с двигателем внутреннего сгорания продолжается. В третий этап развития ТС (этап динамизации) автомобиль только вступает. Хотя установлены рекорды скорости на автомобилях с реактивными двигателями свыше 800 км/час, испытаны автомобили гибриды (трансформеры), например, фирмы «Моллер интернейшенл» развивающие на земле скорость 100 км/час, а в воздухе – 640 км/час и лететь на расстояние 1360 км. Существуют автомобили амфибии, плавающие со скоростью до 20 км/час, тягачи, самосвалы и множество автомобилей специализированных функционально. Четвёртый этап развития автомобиля наступает неизбежно, т.к. загрязнение окружающей среды стало критическим – на смену уже идёт электромобиль или с маховичным приводом – дело за инвестициями. Уже изготавливают гибриды с двумя типами двигателей – внутреннего сгорания и электрический.

Четыре этапа развития ТС – это уже классика (как в биологических системах: зарождение – детство – зрелость – старость – смерть). Через такие же этапы проходит прикладная наука, например, на четвёртом этапе находится развитие химии, физики, астрономии, географии и др. Сначала в центре внимания находится вопрос: что это такое? Затем: как это устроено? Далее: как это меняется при взаимодействии, как эволюционизирует?

^ 2.2. Закон неравномерности развития частей ТС

В развитии ТС в соответствии с законами диалектики происходит чередование этапов количественного роста и качественных скачков. В процессе количественного роста в результате неравномерного развития характеристик (параметров) подсистем ТС появляются противоречия. Если на начальных этапах развития ТС противоречия можно урегулировать (разрешить, устранить, снять и т.д.) компромиссным путём, то при дальнейшем нарастании количественных показателей (функций подсистем) происходит накопление и обострение противоречий между частями подсистем и подсистемами в ТС, которые могут преодолеваться только в результате качественных скачков – создания технических решений задачи с использованием новых принципов действия. Так как подсистемы в ТС являются, в основном, самостоятельными объектами (узлами, механизмами), выполняющими вспомогательные, дополнительные, обслуживающие и т.п. функции, то все вместе и одновременно их, как правило, не совершенствуют, а выполняют отдельные НИР и ОКР по мере выявления недостатков (отказов, аварий) каждой из них с последующим внедрением усовершенствований (модернизации, реконструкции) устраняющих недостатки. Например, в ТС большинство первоочередных исследовательских работ посвящают совершенствованию рабочего органа - инструмента, который выполняет главную полезную (производственную) функцию во взаимодействии с изделием. Если взять целостную ТС, обладающую минимальной работоспособностью, состоящую из двигателя, трансмиссии, системы управления и рабочего органа, то совершенствование одной из указанных частей влияет и на другие части, перераспределяя соотношение достоинств и недостатков (полезных и вредных параметров), в результате чего в ТС возникает новое «слабое звено, узкое место», которое сдерживает дальнейшее развитие всей ТС – и так до бесконечности, пока система не станет идеальной или сменится более совершенной.

Следует различать противоречия, возникающие на макро и микроуровнях. На макроуровне проявляются диалектические противоречия между потребностями общества и возможностями их удовлетворения с помощью технических средств. При возникновении качественно новой потребности общества социально-техническое противоречие возникает сразу и в чистом виде – потребность есть, а нужного технического средства для её удовлетворения нет. Появление качественно новой потребности порождает новый функциональный класс ТС (изобретения четвёртого и пятого уровней или пионерные изобретения). Например, потребность человечества летать породила отрасль воздухоплавание (в дальнейшем авиацию и авиастроение), потребность человечества быстро обрабатывать большие объёмы информации для принятия срочных (или прогнозных, оптимизационных) решений породила информационные технологии и компьютерную технику. Микропротиворечия, как правило, внутрисистемные и межсистемные.

Наиболее частый случай – количественный рост общественных потребностей – сначала возникает количественная диспропорция между потребностью и возможностью её удовлетворения, которая удовлетворяется за счёт количественного изменения параметров существующей ТС, не меняя её качественно (увеличивается количество производителей товара), но сверхмассовость производства создаёт непреодолимые барьеры – экологические, сырьевые, энергетические, появляется необходимость качественного изменения ТС. Компромиссные решения исчерпаны, т.к. улучшение одной из сторон ТС одновременно приводит к ухудшению другой её стороны, нежелательному эффекту большему, чем положительный при огромных затратах на получение положительного эффекта. Например, добыча угля или руды из сверхглубоких шахт или карьеров нерентабельна из-за огромных непроизводительных затрат на охрану труда, защиту окружающей среды, организацию и обслуживание производства.

Но все виды противоречий предопределяют развитие как процесс зарождения, обострения и разрешения противоречий, присущих ТС и как источник самодвижения и саморазвития.

В ТРИЗ множество противоречий минимизировано и сведено к трём типам (видам).

- Административные противоречия (АП): нужно что-то сделать, а как сделать – неизвестно. Такие противоречия констатируют лишь сам факт возникновения изобретательской ситуации. Это пожелание генерации новых идей или приказ к действию, например, для проведения функционально-стоимостного анализа (ФСА).

- Техническое противоречие (ТП): отражает конфликт между частями, сторонами, свойствами системы. При ТП попытки улучшить одну характеристику (часть, свойство, показатель) системы приводит к ухудшению другой характеристики (части, свойства, показателя), но не в прямой пропорции и буквально, а несколько метафорично для активизации творческого воображения или образного мышления. Точнее сказать: ТП – это диалектическое единство положительного и нежелательного эффектов, взаимообусловленных изменениями параметра главного (узлового) компонента. Именно единство, т.к. абсолютно идеальных (безвредных и беззатратных) ТС быть не может в принципе (вечных двигателей). В книге Альтшуллер Г.С., Злотин Б.Л., Зусман А.В., Филатов В.И.. Поиск новых идей: от озарения к технологии. – Кишенев: Картя Молдовеняске, 1989 г. на с. 285 и с. 292 приведены типовые приёмы устранения технических противоречий и таблица их выбора.

- Физическое противоречие (ФП): противоположные требования к физическому состоянию конфликтной зоны. ФП строится по схеме: объект должен обладать свойством А и в то же время иметь противоположное свойство – анти А. Это методический искусственный приём обострения противоречия до крайности в абстрактной оперативной зоне модели задачи. Для непрофессионалов это кажется абсурдным, но для методистов-изобретателей это самый сильный инструмент ТРИЗ подсказывающий сильные решения и оригинальные идеи с высоким уровнем новизны. Приёмы разрешения физических противоречий приведены в упомянутой книге на с. 293.

При анализе ситуации на стадии АП осуществляется точная формулировка проблемы и постановка задачи для решения, одной задачи из многих для наиболее проблемной подсистемы или узла ТС, т.е. одной функции. В процессе постановки технической задачи техническим способом (средствами) зачастую автоматически находится компромиссное решение. И так по каждой функции, что методически наиболее хорошо расписано в функционально-системном и функционально-стоимостном анализе (ФСА). ТРИЗ утверждает, что решать одновременно (параллельно) весь комплекс (клубок) задач бессмысленно – это тупиковый путь.

При решении проблемы на стадии ТП, когда компромиссные варианты решений недопустимы, задача обостряется и сужается до конкретного механизма или узла подсистемы, что в дальнейшем будем называть узловым компонентом (УК). ТП в виде ухудшения одного её качества на уровне внешнего функционирования (т.е. с позиции надсистемы, общества или фактора расплаты) при улучшении другого качества, но на уровне внутрисистемного функционирования (т.е. в узловом компоненте) позволяет выбрать приоритеты и приемлемые соотношения полезных и вредных факторов.

Узловой компонент (УК) – это элемент, группа элементов или взаимодействие между элементами, обеспечивающее реализацию (или участвующее в реализации) двух качеств системы, при которой количественное изменение параметра компонента приводит к улучшению одного и ухудшению другого качества (принцип сообщающихся сосудов). Для выявления ТП необходимо найти:

улучшаемую и ухудшаемую стороны ТС;
компонент системы, связанный с этими двумя сторонами (УК);
параметр УК, количественное изменение которого приводит к улучшению одной и ухудшению другой стороны ТС.

Связь УК, его параметров и сторон, составляющих противоречие, видна из схемы, отражающей логическую структуру технического противоречия.

ПЭ