Метод морфологического анализа

Этот метод разработан швейцарским физиком Фрицем Цвикки в 30-х годах прошлого века. Впервые он был успеш­но применен в 1942 году, когда ученый принял участие на ранних стадиях ракетных исследований в американской фирме «Аэроджет инжиниринг корпорейшн» [10, 17]. Ему удалось за короткое время найти большое количество ориги­нальных технических решений, чем он удивил специалистов и руководителей фирмы. Наиболее глубоко разработан им из методов морфологического анализа, так называемый метод морфологического ящика (или морфологической матрицы). В развитие этого метода им было создано еще несколько ме­тодов: систематического контроля поля поиска, отрицания и конструирования экстремальных ситуаций, сопоставле­ния совершенного с дефектным и метод обращения.

Морфологический анализ определил эру системных иссле­дований и явился ярким системным подходом в техническом творчестве и важнейшим достижением в методологии творчес­тва. Это был новый подход, основанный на анализе строения объекта. Не случайно появилось большое число работ по усовер­шенствованию и развитию этого метода [17]. Благодаря своему методу Ф. Цвикки создал много оригинальных изобретений - баллистические устройства, силовые установки, взрывчатые вещества, способ комбинированной фотографии и т.д.

Цель метода - попытаться охватить все многообразие ве­роятных решений задачи, выявить и исследовать все возмож­ные варианты, вытекающие из закономерностей строения (морфологии) совершенствуемого объекта. Сущность метода следующая. В технической системе, требующей улучшения и совершенствования, выделить несколько основных, на­иболее характерных для нее морфологических признаков (структурных или функциональных). К таким признакам могут относиться: характеристика конструкции детали или узла технической системы, ее функция или режим работы и др. По каждому такому признаку затем составляют список его конкретных различных вариантов, альтернатив. При­знаки вместе с вариантами располагают в форме таблицы (морфологический ящик). В таблице 3.1 приведена морфо­логическая модель технологических признаков [3].

Работа по морфологическому методу выполняется в 5 этапов. Для примера рассмотрим, как составляется морфо­логическая матрица для конструкции добавочного полюса коллекторного электродвигателя.

 

 

Таблица 3.1 Квалификационный признак Альтернативные значения квалификационных признаков Номер Наименование Номер Наименование   Вид изменения (преобразования)   Изменение формы вещества   состояния вещества исходного   Изменение объема вещества   предмета труда (заготовки)   Изменение свойства вещества Изменение формы и объема вещества Изменение формы и свойства вещества Изменение формы, объема и свойства   Вид агрегатного состояния вещества   Твердое   исходного предмета, удаляемого   Расплавленное   в процессе преобразования   Ионизированное. Текучее Химически связное Удаляемое вещество отсутствует   Физико-химический эффект,   Диффузия   лежащий в основе процесса   Эрозия   преобразования   Анодное растворение Гидравлический удар Консолидация (спекание) Электролиз растворов (расплавов)   Вид энергии реализации   Тепловая   физико-химического эффекта 607 Механическая Потенциальная Электрическая Химическая Ядерная Излучения   Характер подвода и распределения   Точечный   энергии в процессе преобразования 02 03 Линейный Поверхностный   Характер действия энергии во времени   Непрерывное Прерывистое (импульсное)   Вид физического состояния   Жидкое   рабочей среды   Газообразное Твердое Вязкое (текучее) Вакуум   Вид физического состояния   Твердое   инструмента   Жидкое Газообразное Вязкое (текучее)   Вид движения инструмента   Вращательное   в процессе преобразования   Поступательное Вращательно-поступательное Неподвижное   Вид движения предмета труда   Вращательное   в процессе преобразования   Поступательное Вращательно-поступательное Неподвижное

Морфологическая модель технологических признаков

 

1. Точная формулировка задачи (проблемы), которая должна быть решена.

Создать конструкцию добавочного полюса коллекторно­го электродвигателя, обеспечивающую наиболее эффектив­ное улучшение его коммутации.

2. Перечень всех морфологических признаков техничес­кой системы, характерных параметров, от которых зависит решение задачи (проблемы).

Р_г - вид тока;

Р₂ - положение катушки на сердечнике;

Р₃ - конструкция крепления катушки;

Р₄ - вид намотки провода;

Р₅ - положение второго немагнитного зазора;

Р₆ - число крепящих добавочный полюс болтов;

Р₇ - материал крепящих болтов;

Р₈ - материал изоляции катушки;

Р₉ - исполнение сердечника;

Таким образом, нами выбрано 9 признаков. В настоящее время не существует надежного способа определения пол­ноты принятого списка признаков. Оценить достаточность признаков может только специалист, работающий в рас­сматриваемой области техники.

3. Раскрытие возможных вариантов по каждому морфо­логическому признаку и составление морфологической матрицы.

Р₁ - вид тока: Р_х^х - постоянный; Р_г² - пульсирующий; Р_х³ - импульсный;

Р₂ - положение катушки на сердечнике: Р₂^г - распределенная по всему сердечнику; Р₂² - располо­жена в верхней части сердечника; Р₂³ - расположена в нижней части сердечника (низкоопущенная); Р₃ - конструкция крепления катушки: Р₃^Х - латунным наконечником (уголком); Р₃² - двумя латунными угол­ками; Р₃³ - с помощью немагнитной (дюралюминиевой) обоймы и немагнитного клина; Р₃⁴ - с помощью латун­ного уголка и немагнитной прокладки; Р₄ - вид намотки провода: Р₄* - на ребро; Р * - плашмя; Р₅ - положение второго немагнитного зазора: Р₅* - устанины;

Р₅² - приближенный к первому зазору (низкоопущенный);

Р₆ - число крепящих добавочный полюс болтов: Р₆* - 2 болта; Р₆² - 3 болта; Р₆³ - 4 болта;

Р ~ материал крепящих болтов: Р₇^Х - сталь магнитная; Р₇² - сталь немагнитная;

Р₈ - материал изоляции катушки: Р₈* - класса нагревос- тойкости В; Р₈² - класса нагревостойкости F; P_g³ - клас­са нагревостойкости Н;

Р_д - исполнение сердечника:

Р* - шихтованный; Р_д² - массивный.

Окончательная морфологическая матрица представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Морфологическая матрица конструкции добавочного полюса коллекторного электродвигателя

 

4. Определение функциональной ценности всех возмож­ных вариантов решений.

Используя морфологическую матрицу, можно составить самые различные варианты решений, описываемые, напри­мер, следующими формулами:

Рх Рг Ръ PA Ps Ръ PJ¹ Р% Р*1 Р\² Pi Ръ Pa PS Рб¹ Pi Р% Р<>\

и т.д.

Простой перебор вариантов приводит к огромному их числу. В нашем примере это число будет равно 3.3.4.2-2-3-2.3' 2 = 5184.

Конечно, многие из этого числа вариантов будут невы­полнимыми или противоречивыми.

5. Выбор наиболее перспективных решений.

Конечно, проанализировать все 5184 варианта очень

трудно и поэтому это чаще всего не делается. Руководствуясь заранее выбранными критериями оценки решения, конс­труктор отбрасывает заведомо неэффективные или нереаль­ные сочетания. В приведенном примере выбор производится исходя из следующих соображений.

Если ток пульсирующий или импульсный, то целесо­образно выполнять сердечник полюса шихтованным - для уменьшения демпфирующего действия вихревых токов на магнитный поток полюса и улучшения коммутации. На пос­тоянном токе возможно выполнение массивных стальных сердечников. Если сердечник шихтованный, то выполнить низкоопущенный второй зазор затруднительно, поэтому в таком случае зазор делается у станины (остова). Если в об­мотках двигателя могут возникать большие токи в переход­ных режимах, то целесообразно наматывать провод на ребро для повышения механической жесткости катушки. Распре­деленная обмотка делается чаще всего в напряженных в тепловом отношении машинах. Такая конструкция имеет наибольшую теплоотдающую поверхность, что позволяет снизить ее нагрев. С другой стороны, такая конструкция приводит к большому магнитному рассеянию, для сниже­ния которого целесообразно обмотку располагать не по всей высоте сердечника. Необходимо отметить, что низкоопу- щенная катушка позволяет разместить катушки главных полюсов с большим сечением меди. Такие и подобные сооб­ражения позволили выбрать наиболее рациональные конс­трукции добавочных полюсов (рис. 3.2). В морфологической матрице наиболее рациональный вариант соответствующей конструкции (по рис. 3.2, г) обведен прямоугольниками.

 

а) б) в) г)

Рис. 3.2. Магнитные системы с различными добавочными полюсами; а -распределенная катушка добавочного полюса; б - низкоопущенная катушка; в - низкоопущенная катуш­ка добавочного полюса в обойме; г - низкоопущенные катуш­ка и второй зазор добавочного полюса; 1 - остов; 2 ~ болт; 3 - немагнитная прокладка (второй зазор); 4 - стальной стержень; 5 - сердечник добавочного полюса; 6 - катушка добавочного полюса; 7 - латунный наконечник; 8 - якорь; 9 - главный полюс; 10 - компенсационная обмотка; 11 - не­магнитная металлическая обойма

Отметим некоторые недостатки морфологического ана­лиза, затрудняющие его применение. Основной недостаток - отсутствие практичного, универсального способа оценки ва­риантов сочетаний элементов конструкции и параметров.

Также зачастую трудно определимыми являются характе­ристики новых устройств при необычном сочетании основ­ных признаков. Практика показала, что метод морфологи­ческого анализа наиболее удобен при совершенствовании и модернизации технических систем. Получение решения на высоком уровне редко, и оно не гарантировано.