При проектировании применяются в основном те же самые методы (мозговой штурм, проб и ошибок, сине к тик и, АРИЗ и др.) и приемы (инверсия, дробление и др.) поиска технических решений, что и при решении изобретательских задач. Изменяется только частота применения тех или иных методов и приемов. Проектировщик при этом особое внимание уделяет, ранее не имевшим большого значения вопросам унификации, нормализации, технологичности, экономичности, преемственности и др. Большое количество приемов поиска TP, известных в настоящее время, вызывает затруднение при их применении. Целесообразно их разделение на отдельные группы, по каким-либо признакам. Это позволит быстрее находить нужный прием при решении технических задач. Огромная работа по систематизации приёмов поиска и показателей ТС выполнена Р.П. Повилейко [5]. Эта работа в наибольшей степени ориентирована на её применение при проектно-конструкторской работе, основная задача которой - обеспечение параметров и характеристик ТС, удовлетворяющих требованиям ТЗ. Им из литературы по методике конструирования и изобретательства выписаны все возможные приемы поиска TP, а также показатели ТС, которые улучшались (изменялись) при использовании этих приёмов. Был составлен список из 428 авторских приёмов и 129 показателей. После проведения их сравнительного анализа выделено 223 оригинальных сдублированных приёма и 95 показателей. В результате группировки специальными методами было сформировано 10 групп показателей и 10 основных приёмов-эвристик (или принципов). Это позволило создать таблицу 8.1 поиска TP, в строках которой записаны показатели, в столбцах приёмы - эвристики (по Р.П. Повилейко - это десятичная матрица поиска), в её ячейках записываются идеи решения технических задач. То есть каждая ячейка таблицы определяет значение какого-либо показателя ТС.
В список показателей Повилейко включил ТТ к ТС, рассмотренные в § 8.2, а также геометрические (габаритные), физико-механические и другие. Рассмотрим их более подробно.
1. Геометрические показатели - длина, ширина, высота, площади сечений, объём, форма, габаритные размеры ТС.
2. Физико-механические - масса ТС и её элементов; материалоёмкость, качество материалов, коррозийностой- кость, прочность конструкции и т.п.
3. Энергетические — вид энергии, мощность, тяга, привод, КПД и т.п.
4. Конструкционно-технологические - технологичность изготовления ТС, транспортабельность, сложность изготовления и т.п.
5. Надежность и долговечность.
6. Эксплуатационные показатели - производительность, точность и качество работы, стабильность параметров, степень универсальности и т.п.
7. Экономические показатели - себестоимость ТС, трудозатраты на производство и эксплуатацию, эффективность ТМ, потери, расходы.
8. Степень стандартизации и унификации.
9. Удобство обслуживания и безопасность - всё, что связано с охраной труда и техники безопасности, эргономикой и инженерной психологией, удобством работы, контроля и ремонта, требованиями комфорта (шум, вибрации, влажность, температура, запыленность, освещённость).
10. Художественно-конструкторские - пропорциональность частей ТС, симметрия, гармоничность и т.п.
Рассмотрим табл. 8.1 по всем ячейкам, подбирая примеры из различных областей техники. Эти примеры типовые, но не единственно возможные [5].
1. Неология - (от греч. neos+logos - новое слово, новизна) - использование процессов, конструкций, форм, материалов, их свойств, новых для данной отрасли техники или новых вообще. Для этого необходимо найти ТС, разработанную в другой отрасли и для совершенно других целей, и без изменений попытаться применить в данных условиях. Неология требует от конструктора широкой общенаучной и общетехнической эрудиции и информированности. Известно, что в ряде областей техники до 80% конструкторских разработок непатентоспособно, так как применяются ТС, уже кем-то ранее разработанные. Использование готовых разработок сулит высокий экономический эффект, так как не требуется затрат, связанных с разработкой и отладкой этой системы. Наиболее экономично применять ТС в неизменном виде - не случайно широкое распространение во всех отраслях техники получили комплектующие изделия.
Например, на электровозах устанавливаются разработанные для общепромышленного применения вспомогательные электрические машины, разработанные для бытовых условий кондиционеры, вентиляторы и др.
Охарактеризуем 10 ячеек неологии.
la • 1. Заимствование, копирование, сохранение чуждых новой функции форм. При сохранении неизменным ТЭД применение зубчатой передачи с новым передаточным отношением, позволяющим поднять или понизить скорость электровоза. 1[1] • 2. Чаще всего использование новых материалов. Например, применение электротехнической стали с большим содержанием кремния в ЭМ позволит снизить потери энергии в стали и повысить КПД. 1Э • 3. Использование новых видов энергии для традиционных объектов (электромобиль и др.). Г9* 4. Замена механических систем электрическими, оптическими, акустическими, пневматическими, введением программного управления и др. 1Э • 5,18 • 6, 1® • 7, 1® • 8 - связаны с применением передового опыта.
1Э • 9. Использование старых известных приёмов для повышения производительности труда - музыка, цвета, озеленение.
1Э • 10. Например, применение пластификата (сталь с добавлением пластика) вместо окраски объекта.
Неология и адаптация стали основой для повышения темпов развития не только фирм и трестов, но даже целых стран. При этом использовались все дозволенные и недозволенные приёмы: от закупки патентов до промышленного шпионажа. Приём адаптации очень прост, поэтому характеристику ячеек табл. 8.1 не рассматриваем.
3. Мультипликация - (от лат. multiplication - умножение) - заключается в умножении функций и деталей ТС, подобных друг другу. К мультипликации относятся приёмы, связанные с увеличением характеристик (гиперболизация) и их уменьшением (миниатюризация). При этом изменение характеристик ТС должно быть равно или более двух. Переход от модели к реальной ТС - мультипликация. Примеры использования мультипликации: пирамиды Хеопса, Царь-пушка, небоскребы, телебашни, миниатюрная мозаика, многоосевые электровозы с однотипными осями, гигантские экскаваторы, самосвалы, воздушные и морские лайнеры и т.д.
Рассмотрим отдельные ячейки мультипликации по табл. 8.1.
3*» 1. Дублирование, многократное увеличение размеров сечения площадей, объёмов, увеличение количества деталей конструкции (перфорированные, гофрированные, ребристые конструкции), параллельное и последовательное соединение элементов; повторение формы (многослойные, многоступенчатые, многоэтажные конструкции).
Зэ • 2. Рост толщины деталей, числа спиц в колесе, перегородок жесткости в конструкции и др. З3 • 3. Наращивание энергии, мощности процесса: известный всем «вольтов столб», наборы пластинчатых аккумуляторов, многомоторные воздушные лайнеры, электропоезд с распределением двигателей по осям вагонов. 3* • 2. и Зэ • 3 ~ эти приёмы иногда называют приёмами с «позиции силы» или «удара в лоб». 3® • 4. Увеличение числа рабочих органов, количества одновременно обрабатываемых деталей, повторение однотипных технологических операций, многократная перегонка фракций, роторно-конвейерные линии. Зэ • 5. Дублирование, резервирование.
3* • 6. и Зэ • 7. Разделение Гуттенбергом цельной гравировальной доски на буквы-литеры привело к возможности их повторного использования, т.е. произошло изобретение печатной машины. 3® • 8. На первый план выходят известные приёмы агрегатирования и унифицирования, модульное проектирование. Так, в пионерлагере «Артек» из двух типов модулей выстроено 70 зданий. 3® • 9. Многостаночное обслуживание, удобная унифицированная рабочая мебель. 3® • 10. Модульная отработка форм, их ритмичное членение, введение элементов симметрии.
4. Дифференциация - (от лат. differentio - различие) - разделение функций и элементов ТС, разнесение этапов производства, рабочего процесса, конструкции в пространстве и во времени.
4®* 1. Дробление формы различными приёмами (электрическая машина с коробкой выводов). 4® • 2. Операции с массой и свойствами материалов и рабочих процессов ТС: разделяют ТС на «тяжелую» и «легкую» части и делают подвижной только «легкую» часть; технологические процессы делят на ряд ступеней; разделяют твердые, жидкие или газообразные тела на части; дезинтегрируют уголь, глины, гипс, соль, формовочные смеси, выделяют единственно нужное качество. 4® • 3. Разделение перегородками движущегося потока на два или несколько потоков (энергии, воды, воздуха, информации и др.). 4® • 4. Разделение системы на части, соединенные гибкими связями (поезд из связки вагонов, цепочка плотов и др.); разделение ТС на элементы с приближением каждого к месту работы (например, на каждой оси электро-
воза устанавливается ТЭД), растяжение ТС - удаление друг от друга элементов ТС. 4Э • 5. Разделение ТС на элементы с облегчением их замены
аналогичными. 4Э • 6. Разделение функций и потребностей с обеспечением их
нужными орудиями труда. 4Э • 7. Специализация ручного инструмента, специализация технологического оборудования, рабочих мест, участков, цехов и предприятий в целом. 4Э • 8. Секционирование и агрегатирование. Агрегатирование станков (рис. 8.3). Сборка станков из отдельных блоков - агрегатирование станков - относят также и к интеграции, так как они облегчают производство других изделий (другие же конструкции - транспорта, радиоаппаратуры при агрегатировании относят к приёму дифференциации). 4Э • 9. Отделение мешающей части, свойства; локализация
«вредных» элементов ТС. ^•10. Тиски со смещенными губками, неравномерность расположения фар автомобиля.
5. Интеграция - (от лат. integratio - восполнение) - объединение, совмещение, сокращение и упрощение функций и форм элементов ТС в целом - сближаются элементы производства, рабочие процессы, конструкции в пространстве и во времени. Диапазон приёмов интеграции широк — от простейшего механического соединения до высших форм. Примеры:
- насос + лампа = примус;
- насос + полая игла = медицинский шприц;
- телега + паровой котел = паровая повозка Ж. Кюньо;
- симбиоз технического объекта с живыми организмами.
5® • 1. Переход к упрощенным компактным формам; один
объект помещают внутри другого. 5а • 2. Совмещение процессов, связанное с упрощением, исключением ряда промежуточных операций (способ подземной газификации угля, предложенный в 1888 г. Д.И. Менделеевым).
а) |
б»
з) |
в)
Ф
ш
в) | HiH ^^Шгй'МТШШШ |
Рис. 8.3. Станки, спроектированные методом агрегатирования на основе узлов базовой модели: а - расточной станок в универсальном исполнении; б-расточной станок переносной; в - сдвоенный расточной станок; г - сдвоенный фрезерный станок на базе расточного; д - силовая расточная переносная головка; е - сверлильный станок без планшайбы (унифицированные узлы показаны одинаковой штриховкой)
5э • 3. Введение общего привода; фокусировка электронного пучка набором линз.
5э ■ 4. Соединение устройств, выполняющих смешанные операции, включение одной системы в другую (дизель-генератор); расширение или объединение функций, например одновременное сверление и обточка.
5э • 5. Монолитное устройство делает зачастую ТС надежной: литые станины станков, отливки остовов двигателей.
5э • 6. Универсальные металлорежущие станки.
5э • 7. Экономия от типовой технологии и групповой обработки деталей.
5э • 8. Агрегатирование при проектировании технологического оборудования и использование только стандартизированных и нормализованных элементов.
5э • 9. Совмещение в одном лице функций станочника-опера- ционника и наладчика.
6. Инверсия - (от лат. inversio - переворачивание, перестановка) - обращение на обратную функции, формы и расположения элементов и ТС в целом.
6® • 1. Обращение формы, отказ от традиционных форм (некруглые валы).
6е ♦ 2. Выполнение конструкций прозрачными, преобразование одних физических величин в другие (телефон, радио, электроизмерительная аппаратура).
6Э • 3. Поглощение энергии.
6Э • 4. Конструкция перевертывается «вверх ногами» (вращение статора, а не ротора электродвигателя, аэродинамическая труба, где движется не самолет, а воздух).
6® «5. Дорогая долговечность заменяется дешёвой недолговечностью.
6® • 6. Отказ от высокой точности работы машины и её параметров; изменение направления движения на противоположное (французская фирма братьев Пате предложила проигрывать пластинки от края к центру - появился патефон).
6* • 7. Полный отказ от стандартных элементов в конструкции.
6* • 8. Заведомо неудобная мебель сокращает время заседания на 30-40 %; использование приёма «клин клином», «перегибание палки», допущение недопустимого. 6Э • 9. Заведомо нефункциональные, подчеркнуто безобразные решения: гротеск в живописи, имитация.
7. Импулъсация - (от лат. impulsus - толчок, побуждение к чему-либо, стремление, возбуждение) - импульсное изменение характеристик ТС. Импульс может быть единичным или повторяться периодически или апериодически. Импульс позволяет преодолеть вредные стадии процесса на большой скорости с минимальными потерями для ТС - «проскок».
7Э • 1. Исчезновение формы, объёма, а затем их восстановление (надувные сапоги для перехода рек, озер; надувные матрацы и спасательные круги, рулонные пружины и т.д.).
7Э ■ 2. Импульсно изменяется масса, усилия или другие характеристики (ловушка для зверей срабатывает под действием массы животных, импульсное регулирование напряжения). 7Э • 3. Шагомер, ручной домкрат, последовательное включение ступеней ракетоносителя, изменение магнитного потока ослаблением тока в обмотке. 79*4. Русская подвижная крепость «Гуляй-город», сброс отработавшей ступени ракеты, испытательные вибростенды.
7Э • 5. Гидродемпфирование колебаний, резиновые маты и
пружины, буферные устройства в поездах. 7® • 6. Действие бумеранга, складная мебель, пантограф электровоза.
7* • 7. Резко возрастающий спрос на изделия под влиянием известных событий (первый человек в космосе и на Луне и т.д.).
7Э * 8. Единые условные единицы времени: секунда, минута,
час, день, декада, месяц, квартал, год, столетие, эра. 7Э • 9. Катапультирование летчика или космонавта. С им- пульсацией (реже с динамизацией) связана группа приёмов предварительной подготовки рабочих процессов и действий; аккумулирование энергии (поднимание груза); заранее или в ходе процесса введение реагента или элементов, которые затем уничтожаются или изымаются (платиновые катализаторы, сборка радиоэлементов на плате с растворяемой впоследствии плёнкой); ТС заранее придаются изменения, противоположные недопустимым (предварительно напряженный железобетон); невысокая надёжность компенсируется легко используемыми или легко заменяемыми рабочими органами (жёсткий металлический диск заложенный внутрь шины, благодаря чему можно ехать на спущенной шине без повреждения покрышки).
S. Динамизация - это значит, что характеристики, параметры ТС или её элементов должны изменяться на каждом этапе процесса.
8Э* 1. Меняются все геометрические размеры ТС, например,
с его ростом или растворением. 8Э • 2. Меняется масса, агрегатное состояние, температура, цвет основного материала и покрытие (как сигнал об изменении температуры ТС). 8Э • 3. Регулирование мощности электрической в зависимости от нужд потребителя. 8Э • 4. Пружинные, водяные, песочные часы; системы, устойчивые только в движении, — гироскопы, велосипеды, гибкие эластичные танкеры из синтетических материалов. 8а* 5. Отдыхающие «засыпающие» системы. 8Э«6. Методы и приёмы для обеспечения «непрерывности полезного действия» - устранение холостых и промежуточных ходов; изменение прямолинейного возвратно-поступательного движения на более выгодное вращательное. Изобретение колеса.
8®* 7. Применение «плавающего» курса денежной единицы. 8Э • 8. Опережающая динамическая стандартизация. 8® • 9. Непрерывный контроль за работой ТС - автопилоты, авторулевые.
S'-IQ. Динамическое комплексное искусство на производстве с использованием света, музыки, запахов, микроклимата.
9. Аналогия - (от греч. «соответствие») - отыскание сходства, подобия в целом ряде различных ТС. Наиболее «крупные разновидности» этого принципа - технология, биоаналогия и образная аналогия. В технологии решения переносятся из одной сферы в другую. Ф. Цандлер в 1930 г. по аналогии с паяльной лампой создает двигатель ОР-1; А.Ф. Можайский использует при конструировании аэроплана принцип детского воздушного змея; по аналогии с притяжением и отталкиванием магнитов в природе была создана Якоби электрическая машина.
Аналоговое моделирование. Биоаналогия - изготовление ТС по аналогии с природными объектами известно давно - легендарные аргонавты плыли за золотым руном на «деревянных дельфинах». Наблюдения за кальмарами натолкнули французского инженера Ружеро на мысль о разработке атомного подводного грузового судна, движимого реактивной силой водяной струи. Образная аналогия - возникает на основе образно-художественного мышления и широкой научно-технической эрудиции. Например, образ качающейся люстры Пизанского собора привел Г. Галилея к открытию закономерности движения маятника.
93* 1.Часы, выполненные с различной геометрией корпуса по аналогии, например в форме яйца; коллектор с защемлением коллекторных пластин в виде ласточкина хвоста. 9® • 2. Например, замена дефицитного материала - флюса АН-2 - доменным шлаком, предложенная изобретателем А. Коренным по внешнему сходству. 9® • 3. Махолёты, планеры с машущими крыльями.
9® • 4. Стопоход - кузнечик П.Л. Чебышева. 9® • 5. Самозатачивающиеся многослойные резцы - по аналогии с зубами и когтями кошки, у которых твердость возрастает с глубиной елоёв. 9® * 6. Покрытие корпусов подводных лодок, аналогичное по
структуре коже дельфина. 9Э * 7. Экономические расчёты по аналогии. 9® • 8. Сотовые панели, позволившие в 2-3 раза снизить массу.
9Э • 9. Маскировка (военные объекты, военная маскировочная под природный цвет одежда и т.п.). 9* • 10. Зажигалка-пистолет, биодизайн, биоархитектура, биоконструирование.
10. Идеализация - представление наилучшего, идеального решения, к которому необходимо стремиться. 10® • 1. Уменьшение размеров ТС до «исчезновения». 10® • 2. Исключение массы компенсацией - соединение с другими ТС, обладающими подъёмной силой, например трос через пролив удерживается с помощью воздушных шаров. 10® *3. «Вечный» двигатель.
10® • 4. ТС есть и в то же время её как бы нет (нефтяные танкеры-оболочки). 10® • 5. Надежность и долговечность бесконечно высокая и бесконечно малая (хрупкие противопожарные стёкла).
10® • 6. «Удивительные» эксплуатационные параметры. 10® • 7. Стоимость ТС близка к нулю.
10®* 8,10®* 9, 10®* 10 - предлагаются тотальные: стандартизация и дизайн в высших формах проявления, а также предельная приспособленность ТС к человеку. Рассмотренный метод Р.П. Повилейко в наибольшей степени ориентирован на его использование при проект- но-конструкторских работах. С его помощью могут создаваться отраслевые фонды TP путем индексирования и систематизации изобретений, использования описаний TP в
книгах, учебниках, монографиях, справочниках, технической документации и т.п. В [5] приведен пример заполнения табл. 8.1 (десятичной матрицы) для отрасли - станкостроение.
В методике используется много примеров-приёмов, так как из практики творчества вытекает, что наиболее будят фантазию изобретателя не абстрактно сформулированные принципы и приёмы, а принципы-примеры или приёмы- примеры, особенно если они имеют отраслевую направленность.