<<
>>

4.3.8. Идеальное техническое решение — азимут главной магистрали развития технических объектов

Любой класс технических объектов имеет вполне определенное (исторически сложившееся в прошлом и прогнозируемое в будущем) направление своего развития, называемое главной магистралью.

По А. И. Половинкину [20], границы главной магистрали развития проходят по стыкам прогрессивных (высокоэффективных, долго живущих и конкурентоспособных) и тупиковых (малоэффективных, не жизнеспособных и неконкурентоспособных) технических решений. На рис.4.7 границы этой магистрали в пространстве возможных вариантов очерчены штрихпунктирными линиями. Представим себе, что рассматриваемый нами технический объект на историческом пути своего развития уже прошел целый ряд этапов, четыре из которых (А, Б, В, Е) были (в свое время) прогрессивными, а два (Г, Д) — оказались тупиковыми, выходящими из границ главной магистрали. В данный момент мы находимся на этапе Е и рассматриваем прототип технического объекта, который нас не устраивает по каким-то параметрам и показателям; в процессе эксплуатации он вошел в определенное противоречие с новыми возникшими потребностями.

Очевидно, что при поиске путей нового, улучшенного технического решения абсолютно нецелесообразно рассматривать все возможные варианты в секторе с углом а. Искать их следует в более узком секторе с углом Р, лежащем внутри границы главной магистрали развития объектов рассматриваемого класса.

И здесь азимутом, помогающим выбору нового технического решения и конструированию улучшенного технического объекта на главной магистрали (этап Д), может служить прием идеального технического решения (ИТР). Заметим, что под словом «азимут» (от арабского слова ас-сумут) понимается месторасположение земного объекта или небесного светила (звезда, луна), численно определяемое углом между плоскостью меридиана точки наблюдения и вертикальной плоскостью, проходящей через эту точку и наблюдаемый объект.

Ученые, конструкторы и изобретатели по-разному называют прием ИТР — идеальный конечный результат, идеальная машина, идеальная техническая система, увеличение степени идеальности. Одним из первых ввел в инженерную практику понятие идеального технического устройства ("идеального радиоприемника") академик В. А. Котельников. Но даже он показал, что самый лучший приемник не может полностью избавиться от помех, а лишь максимально снижает их. Тем не менее, идея и теория «идеального приемника» позволили конструкторам и изобретателям искать новые технические решения на более узком и прогрессивном направлении, на главной магистрали развития того или иного технического объекта.

Техническое решение считается идеальным, если оно обеспечивает техническому объекту одно (или несколько) следующих свойств.

1. Если габариты (размеры) технического объекта приближаются или совпадают с габаритами (размерами) обрабатываемого или транспортируемого объекта (материала, изделия), а собственная масса технического объекта намного меньше массы обрабатываемого или транспортируемого им объекта.

2. Если габариты и масса технического объекта или его главных функциональных элементов приближаются к ничтожно малым величинам, а в идеальном случае становятся равным нулю. Это соответствует ситуации, когда необходимость в применении устройства или какого-то его элемента отпадает, но необходимые функции (с равным успехом или даже лучше) выполняются.

3. Если технический объект и все его элементы выполняют полезную работу в полную меру своих расчетных возможностей.

4. Если коэффициент полезного действия технического объекта приближается к единице, а в идеальном случае равен единице. Другими словами, потери энергии в таком объекте отсутствуют или приближаются к нулю.

5. Если технический объект обеспечивает обработку или транспортировку другого объекта (материала или изделия) за время, близкое к нулю или равное нулю.

6. Если технический объект функционирует бесконечно дли тельное время без отказов и дополнительных наладок, без ремонтов и остановок.

7. Если технический объект функционирует в полностью автоматическом режиме, т.е. без участия человека-оператора или при его минимальном участии.

8. Если технический объект не оказывает никакого отрицательного влияния на человека и окружающую его природную среду.

Изобретательский опыт выработал ряд рекомендаций по поискy идеальных технических решений. Главная из них — надо на какое-то время стать фантастом (может быть, даже футурологом), попытаться представить и подробно описать техническое решение будущего технического объекта заданного класса. Это решение должно обеспечить реализацию той или иной рассматриваемой функции, придать техническому объекту несколько, или хотя бы одно из восьми перечисленных выше идеальных свойств. При этом, как рекомендует автор АРИЗа Г. С. Альтшуллер [2], не следует заранее думать о реальности осуществления такого идеального технического решения и путях его реализации.

В процессе этой деятельности не следует ограничивать свою фантазию, но, в то же время, надо обращать особое внимание на конкретный физический принцип действия технического устройства и на основные показатели эффективности этого объекта.

Важность использования формулировок идеального технического решения заключается в том, что они позволяют в многомерном пространстве поиска выделить достаточно малый угол поиска Р (см. рис. 4.7), который обеспечивает более целенаправленную творческую деятельность и концентрирует интуицию разработчика в наиболее перспективном направлении. Суженный угол р предотвращает возможность выбора тупиковых технических решений, как это, например, уже случалось на этапах Г и Д развития технического объекта. Искомое решение Ж, как правило, оказывается в секторе этого угла между ИТР и исходным прототипом Е.

Целесообразность и эффективность приема поиска идеальных технических решений подтверждают объективно существующую закономерность развития техники: развитие всех технических объектов и технических систем идет в направлении увеличения степени их идеальности.

Один из разработчиков ТРИЗ Ю. П. Соломатов [27] резонно предлагает различать два крайних вида идеализации технических систем (решений):

1 вид — решения, при которых габариты, масса и энергопотребление устремляются к нулю, а главная функция технического объекта или количество выполняемых им полезных функций остаются неизменными;

2 вид — технические решения, при которых главная полезная функция или количество полезных функций увеличиваются, а масса, габариты и энергоемкость технического объекта остаются неизменными.

Предельный случай идеализации технического объекта заключается в его существенном уменьшении (и, в конечном итоге, в исчезновении) при одновременном увеличении количества выполняемых им функций. Как ни парадоксально звучит, но в идеале технический объект вырождается, исчезает, а полезные функции, нужные человеку и обществу, должны сохраняться и выполняться. При этом надо иметь в виду, что для выполнения этих функций требуется только материальный, а не эфемерный, призрачный, нереальный объект. А это значит, что за исчезнувший (идеализированный) объект его функции будут выполнять другие (соседние) технические объекты, или надсистема, в состав которой он входил как элемент. Если при этом принятая надсистемой "чужая" функция аналогична собственной, то происходит просто увеличение главной полезной функции, а если эти функции не совпадают, то происходит увеличение числа функций надсистемы.

В практике часто используют и третий, более общий вид идеализации технических решений, при котором добиваются снижения веса, габаритов и энергоемкости технических объектов при одновременном увеличении главной полезной функции (или количества функций).

При поиске новых технических решений для сложных систем, в структуру которых входят свои подсистемы (элементы) и которые сами как элементы входят в состав надсистем, (т.е. систем более высокого иерархического уровня), чаще всего используются смешанные виды идеализации. В частности, на уровне подсистем обычно используется процесс идеализации первого вида, а на уровне технического объекта — идеализации второго вида, что обеспечивает высокую ценность полученного этим способом нового технического решения.

Рассмотрим теперь некоторые примеры и практические приемы приближения к идеальным техническим решениям. Одновременно эти примеры будут иллюстрировать важнейшую закономерность эволюционного развития технических систем (объектов, устройств) — непрерывное увеличение степени их идеальности. Рассматриваемые примеры пронумеруем в соответствии с номерами в перечне свойств, характеризующих идеальное техническое решение (свойства 1—8, см. с. 176-177).

Пример 2. При конструировании машин, строительных сооружений, любых других технических изделий стараются минимизировать их габариты и массу. Это позволяет сократить расход исходных материалов, уменьшить площади и объемы помещений или конструктивных модулей, в которых они размещаются, и, наконец, снизить их стоимость. Ярким примером миниатюризации технических объектов могут служить кремниевые микропроцессоры. Они изготавливаются из кристаллов чистого кремния обычно в виде прямоугольных пластинок габаритами от 0,5x0,5 до 1,0x1,0 см и толщиной в несколько долей миллиметра. В теле одной такой пластинки (с помощью тонких и весьма сложных лазерных технологий) размещают огромное количество транзисторов — электронных приборов, способных усиливать и преобразовывать электрические сигналы. Величайшим преимуществом кремниевых микропроцессоров (иногда их называют чипами) является их быстродействие, определяемое числом переключений (операций) за одну секунду. Именно эти свойства чипов обусловили их широкое применение для создания современных компьютеров.

Известно, что первый кремниевый микропроцессор был выпущен в 1960 году, то есть, чуть более 35 лет тому назад. Но даже он содержал в одном кристалле 2300 транзисторов и выполнял 60000 операций в секунду, что по тем временам считалось гигантским достижением.

По утверждению специалистов, с той поры через каждые 1,5 года плотность транзисторов на кристалле кремния удваивается. В связи с этим, микропроцессоры 5-го поколения содержат уже 3 миллиона 300 тысяч транзисторов и способны выполнять 166 миллионов операций в секунду.

На основе этих микропроцессоров открылись большие возможности для использования трехмерной компьютерной графики, позволяющей снимать фильмы и телерекламу. Кстати, только с появлением чипов удалось составить очень сильную шахматную компьютерную программу, сумевшую победить чемпиона мира Гарри Каспарова.

Из появившихся в печати данных о микропроцессорах 6-го поколения следует, что новейший микрочип содержит уже 6 миллионов транзисторов и может выполнять 250-300 миллионов команд в секунду.

Нетрудно подсчитать, что один элементарный транзистор в составе одной пластинки кремния занимает объем всего лишь в несколько стотысячных долей кубического миллиметра, примерно такой же порядок (в граммах) имеет и его масса. Вот почему чипы являют собой примеры идеального технического решения по конструированию элементов электроники.

Пример 3. Количественная оценка уровня сходимости характеристик конкретного (даже самого совершенного) технического объекта с характеристиками ИТР потребовала бы решения многокритериальной оптимизационной задачи, поэтому нецелесообразно иллюстрировать это свойство ИТР на многочисленных примерах, тем более, что оно вполне очевидно и без всяких доказательств. Ограничимся лишь рассмотрением общих подходов к обеспечению этого свойства ИТР на этапах разработки, изготовления и эксплуатации технических объектов.

Эффективность использования ТО во времени оценивается через коэффициент Кв:

где Т — время производительного функционирования ТО;

Тц — суммарное время цикла работы ТО;

То — время простоев ТО, затрачиваемое на его подготовку к работе, устранение аварий, профилактику, плановые ремонты и т.п.

Представим себе, что фирма купила дорогостоящий технический объект (металлообрабатывающий станок, электронную типографию, мусороуборочную машину). Ясно, что этот ТО должен как можно больше времени находиться в работе (Тр -> max; Кв —> 1), чтобы, соответственно, произвести больше продукции или выполнить больший объем услуг, поскольку сроки окупаемости капитальных затрат на его приобретение и размер прибыли от его эксплуатации определяются фактической величиной коэффициента использования Кв.

Еще и сейчас выпускаются так называемые сезонные машины и агрегаты (например, сенокосилки, зерноуборочные комбайны, агрегаты для сбора чая), которые работают не более 1-2 месяцев в году в светлое время суток (Кв = 0,05 — 0,1). Не случайно, что в сельскохозяйственном машиностроении наблюдается тенденция отказа от большого набора автономных машин и перехода к созданию универсальных агрегатов с навесным и прицепным оборудованием.

Коэффициент использования Кв учитывают не только на стадиях эксплуатации технических объектов, но и на стадиях их разработки и конструирования. При заранее известной продолжительности включения машин и механизмов можно повысить их кратковременные перегрузки, а за счет этого снизить их габариты, массу и стоимость.

Эффективность использования ТО по загрузке оценивается по величине коэффициента Кз:

где Рп — полезно используемая энергия (масса, информация);

Ро — часть энергии (массы, информации), теряемой при ее транспортировке и расходуемой на собственные нужды технического объекта.

Стремление к загрузке ТО до расчетной величины (Кз=1) обусловлено, прежде всего, экономическими соображениями. Например, если пассажирские лайнеры ТУ-134, в которых 84 посадочных места, будут курсировать рейсом "Самара — Санкт-Петербург" и обратно, имея на борту всего лишь 20-30 человек, то компания "Самарские авиалинии" понесет существенный финансовый ущерб, поскольку прибыль от продажи авиабилетов не окупит суммарных затрат на топливо, зарплату членов экипажей, услуги наземных служб аэропортов и прочие издержки.

Что касается машин и промышленных установок (металлообрабатывающих станков, насосов, подъемников и т.п.), то они при малых величинах Кз имеют небольшие значения коэффициентов полезного действия и плохие эксплуатационные характеристики. В частности, недогруженные асинхронные электрические приводы кроме низких к.п.д. имеют малые коэффициенты мощности, большие реактивные токи и значительные потери энергии в статорных обмотках электродвигателей и питающих электрических сетях.

Пример 4. При перемещении одного тела по поверхности другого возникает сила трения (F), препятствующая движению. Трение является следствием ряда причин, среди которых можно назвать две главные. Поверхности любых тел всегда имеют неровности, шероховатость. Во-первых, при движении одного тела по поверхности другого неровности обоих тел цепляются друг за друга. И, во-вторых, трущиеся тела так близко соприкасаются, что на их движение оказывает влияние молекулярное сцепление — взаимодействие молекул материала этих тел.

Еще Кулон установил, что сила трения при взаимном движении двух тел, выполненных из конкретных материалов, пропорциональна нормальному (перпендикулярному к трущимся поверхностям) давлению N:

где f — коэффициент трения, определяемый свойствами материала трущихся поверхностей, наличием и свойствами их смазки.

Очевидно, что чем меньше значение f, тем меньше сила трения, тем меньше потерь энергии будет при перемещении одного тела по поверхности другого. А это очень важно для практики. Ведь сила трения вызывает энергию потерь, которая в основном затрачивается на нагрев трущихся поверхностей, а также (в меньшей мере) на механическую энергию срезания и смятия неровностей, что вызывает износ трущихся поверхностей. Отвод тепла из зоны соприкосновения (трения) трущихся поверхностей, равно как и их износ во время работы механизма — вечные и сложные технические проблемы. Поэтому конструкторы, технологи, изобретатели стремятся сделать коэффициент трения как можно меньшим (f-> min —> 0).

Процесс эволюционного развития опор движущихся (вращающихся) стальных валов является убедительной иллюстрацией стремления многих поколений изобретателей и инженеров к идеальному техническому решению (f —> 0).

Самый древний из радиальных подшипников — это "подшипник", в котором ось машины (телеги) вращалась в отверстии из дерева (вяза, дуба и т.п.). Коэффициент трения скольжения для пары "сталь-дерево" составляет порядка f = 0,2-0,25. Следующий тип — это подшипник, стальной вал которого вращается в бронзовой втулке. Здесь значение f намного меньше предыдущего и составляет порядка 0,02 — 0,08. Такие подшипники используются и по сей день: их можно встретить на колесах железнодорожных вагонов, на валах тяжелых поршневых компрессов. Правда, все они смазываются специальными маслами, за счет чего значение f у них значительно снижается по сравнению с сухим трением. Следующие два типа подшипников являются более экономичными, имеют меньшие потери на трение, поскольку у них другой вид трения — трение качения. Роликовые подшипники имеют коэффициент трения качения 0, 0025 — 0,01, шариковые подшипники — f = 0,001 - 0,004.

Во второй половине нашего века были изобретены опоры для валов, имеющих большое число оборотов (50-100 тысяч в минуту), на так называемой воздушной подвеске. Ее смысл состоит в том, что в зону (в зазор) возможного соприкосновения вала машины и неподвижной опоры под большим давлением из ряда отверстий, расположенных по периметру опоры, подается сжатый воздух. Это вызывает зависание вращающегося вала в струе воздуха и колоссальное снижение потерь на трение (f < 0,0001).

В последние десятилетия стали применять "подшипники", использующие эффект магнитной подвески. С этой целью вокруг вала машины располагают симметричный ряд электромагнитов, магнитное поле которых и удерживает вал машины в воздушном зазоре такого "подшипника". Эта конструкция имеет еще меньшее значение f, чем предыдущая, поскольку воздух в воздушном зазоре имеет нормальное давление.

Пример 6. Ярким примером идеального технического решения может служить космический аппарат "Вояджер-2", запущенный в США в 1977 году с целью изучения планет Солнечной системы. Благодаря надежной работе всех систем (ракетных двигателей, источников энергопитания, систем навигации и управления, бортовых компьютеров, фотооптической аппаратуры), он за время своего еще продолжающегося полета проделал работу, поражающую воображение. Первоначально он предназначался для исследования только Юпитера и Сатурна, однако, позже, уже в полете, был перепрограммирован на исследование Урана, а затем и Нептуна — самой удаленной от Солнца планеты. Редчайшая возможность исследования за один, хотя и длительный, полет одним аппаратом четырех планет удалась потому, что они в это время находились в благоприятном взаимном расположении, которое бывает всего лишь раз в 176 лет. Это позволило космическому аппарату "катапультироваться" от одной планеты к другой за счет гравитации.

Во время облетов аппаратом этих планет были сделаны многие тысячи снимков телескопическими фотоаппаратами с большой разрешающей способностью.

Скорректировав программы бортового компьютера, осторожно задавая режим работы ракетных двигателей, группа управления полетом "Вояджера" с большой точностью привела "дряхлеющий" корабль к Нептуну через 12 лет после начала полета. Из сигналов мощностью менее десяти квадриллионных ватта, достигших Земли, ученым удалось получить захватывающее дух изображение [11]. Его расшифровка позволила обнаружить у Нептуна 6 новых спутников, определить строение и химический состав двух ранее известных спутников — Тритона и Нереиды; на целый час уточнить время одного оборота Нептуна вокруг своей оси.

В настоящее время "Вояджер-2" продолжает свой полет на юг от Солнечной системы. Специалисты предполагают, что плутониевые источники энергии позволят сохранить его работоспособность примерно до 2015 года.

Пример 7. В машиностроительных отраслях промышленности многих развитых стран мира, в том числе в России, широко используются гибкие производственные системы (ГПС). Их основу составляют так называемые обрабатывающие центры — совокупность металлообрабатывающих станков с программным управлением и программируемых роботов-манипуляторов. Каждый такой центр позволяет производить большое число технологических операций — точение, фрезерование, сверление, шлифование и т.д. С этой целью он снабжен "магазином" сменных режущих инструментов, заранее закрепленных на круговом транспортере. Станки обрабатывают детали с большой скоростью, с высокой точностью и надежностью. Роботы-манипуляторы переносят заготовки и готовые детали, вставляют их в автоматические зажимные патроны и укладывают в ящики-бункеры. Новые заготовки и заполненные ящики-бункеры доставляются тележками с дистанционным управлением. Все это связано единой системой электронного управления, которая задает программу каждому участку, показывает состояние дел на любом из них, контролирует и корректирует течение всего производственного процесса.

В систему управления ГПС кроме центральной электронно-вычислительной машины встроены и локальные специализированные компьютеры. На базе ГПС комплектуются полностью автоматизированные участки, цеха и заводы.

В заключение можно процитировать слова видного ученого в области системной методологии Рассела Акоффа, которые ярко и полно определяют цель и смысл поиска ИТР: "Человек вправе формулировать цели, достигнуть которых невозможно, но к которым можно приблизиться. Человек стремится к целям, позволяющим ему превращать решение любой задачи в средство для решения новой, еще более интересной задачи. Конечная цель в такой последовательности должна быть недосягаемой, чтобы этот процесс продолжался бесконечно. Цель, удовлетворяющая перечисленным требованиям, является идеалом" [4].

Приведенные выше примеры подтверждают, что при целеустремленных и настойчивых поисках идеальных технических решений творческий человек всегда находит свежие и оригинальные идеи, новые технические решения, делает не только скромные, но и весьма значимые, пионерские изобретения и открытия. И, что не менее важно, это помогает человеку сделать свою жизнь и свой творческий труд более осмысленными и значимыми.

<< | >>
Источник: М.М. Гуревич, В.Ш. Каганов, О.И. Кондратьев, В.М. Лебедев, В.Н. Михелькевич, В.В. Морозов, В.Н. Нестеров, В.М. Радомский. ИНЖИНИРИНГ МАЛОГО БИЗНЕСА. 1998

Еще по теме 4.3.8. Идеальное техническое решение — азимут главной магистрали развития технических объектов:

  1. 4.3.1. Понятия технических объектов, технических систем и технологий
  2. 4.3.3. Критерии развития технических объектов
  3. 4.3. ТЕХНИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ, ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ ПОСТРОЕНИЯ И РАЗВИТИЯ
  4. 4.3.5. Уровни описания технических объектов
  5. 4.3.6. Закономерности прогрессивной конструктивной эволюции технических объектов
  6. 1.10. Техническая инвентаризация объектов капитального строительства
  7. 1.5. Математические средства технического анализа (технические индикаторы)
  8. 5.7. Математические средства технического анализа (технические индикаторы)
  9. 8.1.Технический прогресс и его виды. Влияние технического прогресса на равновесный экономический рост
  10. Политика технического содействия развитию
  11. 1.2. Техническое развитие предприятия.
  12. 2. Планирование технического развития предприятия (фирмы)
  13. 10.1. Стратегия научно-технического развития Китая
  14. § 12.6. Анализ технического развития предприятия
  15. Монополия и тенденции развития научно-технического прогресса
  16. ГЛАВА ВОСЬМАЯ ПЕРСПЕКТИВЫ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ
  17. Основные понятия прогностики. Задачи прогнозирования научно-технического развития
  18. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМ РАЗВИТИЕМ ПРЕДПРИЯТИЯ