Автор: Донсков А.С.
Теги: организация производственного процесса производственное планирование управление качеством кибернетика инженерия инженерное дело
ISBN: 978-5-88151-755-7
Год: 2009
Текст
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
А.С. Донсков
ОСНОВЫ
ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА
Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по образованию в области автоматизированного машиностроения
(УМО AM) в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлениям
подготовки: «Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств», «Автоматизированные
технологии и производства»
Издание второе, стереотипное
Издательство
Пермского государственного технического университета
2009
УДК 658.512.2 (075.8)
ББК 32.81
Д67
Рецензенты:
кандидат технических наук ведущий конструктор В.Н Кашин
(ОКБ ОАО «Авиадвигатель»);
кандидат технических наук, доцент кафедры
«Технология машиностроения» А.А. Плотников
(Пермский государственный технический университет)
Донсков, А.С.
Д67 Основы инженерного творчества: учеб, пособие / А.С. Дон-
сков. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн, ун-та, 2009. - 225 с.
ISBN 978-5-88151-755-7
Приводятся основные понятия и определения инженерного творчества,
излагаются сведения о критериях эффективности технических объектов,
даются представления о законах строения и развития техники.
Излагаются наиболее распространенные эвристические методы поиска
новых технических решений и активизации творческой деятельности, этапы
процесса постановки и поиска решения инженерных задач. Приводятся
основные понятия патентоведения.
Адресовано студентам технических вузов, изучающим дисциплины твор-
ческой направленности: «Основы инженерного творчества», «Основы науч-
но-технического творчества» и т. п., а также инженерам, связанным с созда-
нием новой техники. Может быть полезно аспирантам и преподавателям.
УДК 658.512.2 (075.8)
ББК 32.81
Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по
программе Пермского государственного технического университета «Созда-
ние инновационной системы формирования профессиональных компетенций
кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильно-
го технического университета».
ISBN 978-5-88151-755-7 © ГОУ ВПО «Пермский государственный
технический университет», 2009
ВВЕДЕНИЕ
Инженерная карьера потому и заман-
чива, что люди со средними способ-
ностями могут творить, т.е. могут
испытывать счастье, доступное
только одаренным людям: поэтам,
музыкантам, художникам и ученым.
В.Е. Грум-Гржимайло
Главные качества современного молодого выпускника ин-
женерной специальности - его творческий научно-технический
потенциал, способность самостоятельно видеть проблему, уме-
ние ставить и решать задачу поиска новых конструкторско-
технологических решений на уровне изобретений, обеспечи-
вающих, с одной стороны, создание изделий мирового уровня по
качеству, а с другой - всестороннюю интенсификацию и эконо-
мию ресурсов при создании и эксплуатации таких изделий.
Именно эти качества специалистов, прежде всего, составляют
интеллектуальный потенциал страны, обеспечивают ее успешное
развитие и, соответственно, ее экономическую и политическую
независимость.
В настоящее время процесс изучения подавляющего
большинства научных дисциплин (гуманитарных, техниче-
ских, специальных) в основном построен на решении таких
теоретических и практических задач, для которых уже имеется
готовая постановка задачи, предложен способ ее решения, да-
ется пример решения подобной задачи предложенным спосо-
бом. При этом результат решения задачи известен преподава-
телю, а во многих случаях - и студенту. В определенной сте-
пени этот подход оправдан и даже необходим с точки зрения
освоения и закрепления знаний. Однако результативность та-
кого способа изучения той или другой научной дисциплины
во многих случаях невысока, так как решение поставленной
3
задачи не требует глубоких творческих размышлений и обыч-
но превращается в неинтересную рутинную работу.
Вместе с тем, чтобы молодой специалист стал созидате-
лем, творцом нового, овладения имеющимися знаниями и при-
обретения навыков хорошо делать (исполнять!) явно недостаточ-
но. В дополнение к этому он должен научиться творчески мыс-
лить, получить возможность активизировать и развивать свои
творческие способности. Этому во многом способствует дисцип-
лина «Основы инженерного творчества», объектом изучения ко-
торой является процесс творческой деятельности, в том числе
изобретательской. Уместен вопрос: «Можно ли вообще научить
человека творчеству и изобретательству?» Накопленный в те-
чение многих столетий богатый опыт приобщения людей к твор-
ческой деятельности и обучения их изобретательству позволяет
дать в настоящее время однозначный положительный ответ на
этот вопрос. Французский философ, математик, физик и физио-
лог Рене Декарт еще триста лет тому назад призывал учить детей
изобретательству так же, как их учат музыке, живописи, танцу.
А в наше время известный российский ученый А.И. Половинкин
(в 80-е гг. XX в. президент ассоциации «Эвристика»), автор ряда
работ по теории развития и функционирования технических объ-
ектов, применительно к подготовке выпускников инженерных
специальностей прямо указывает, что «...будущий специалист
обязан овладеть знаниями и навыками решения творческих
инженерных задач, в которых нет готовой постановки, неиз-
вестен способ решения, нет близких примеров решения анало-
гичных задач, а преподавателю— неизвестен ответ, обычно
имеющий несколько вариантов» [26].
Особенно большое внимание воспитанию творческих
личностей, обучению изобретательству в нашей стране и за ру-
бежом стали уделять с 60-х гт. XX в. К настоящему времени
разработано много оригинальных и эффективных теорий и кон-
цепций творческой деятельности, технологий и методик обуче-
ния творчеству и изобретательству, компьютерных программ-
ных средств поддержки изобретательской деятельности, издано
4
множество книг и учебных пособий по проблемам творчества
в самых разнообразных областях деятельности человека.
В 80-х гг. прошлого столетия в учебные планы практи-
чески всех технических вузов страны были включены дисцип-
лины непосредственно творческой направленности: «Основы
инженерного творчества», «Основы научно-технического
творчества», «Основы патентоведения» и т. п. Дисциплина
«Основы инженерного творчества» входит в цикл общепро-
фессиональных дисциплин (ОПД), относящихся к инженерно-
технологическим дисциплинам, вводимым вузом. Преподава-
ние дисциплины направлено на создание теоретической базы
и выработку умений и навыков поиска, постановки и решения
изобретательских и рационализаторских задач, возникающих
в процессе проектно-конструкторских разработок, при техно-
логической подготовке производства к изготовлению новых
изделий, при их эксплуатации и ремонте.
Основные задачи дисциплины:
♦ научить молодого специалиста самостоятельно ста-
вить задачи создания новой техники, совершенство-
вания существующей техники и технологий;
♦ привить навыки применения знаний, полученных при
изучении фундаментальных и технических дисцип-
лин (физики, механики, сопротивления материалов
и др.) при поиске решения инженерных задач;
♦ ознакомить с основами методологии поиска решения
творческих задач на уровне изобретения;
♦ приобрести начальный опыт составления заявки на
предполагаемое изобретение.
Подготовка молодых специалистов в области «творче-
ской технологии» весьма актуальна для современной России,
поскольку выход отечественной экономики из кризиса в усло-
виях свободных рыночных отношений возможен, если наша
промышленность будет производить только высококачествен-
ную, конкурентоспособную технику.
5
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА
1.1. Творчество и инженерная деятельность
Существуют разнообразные виды деятельности: духов-
ная, материальная, производственная, научная и т. д. Под
творческой деятельностью понимается деятельность, направ-
ленная на получение новых знаний об окружающем мире, соз-
дание качественно новых ценностей, никогда ранее не суще-
ствовавших. Понятие «творчество» неразрывно связано со
всеми сторонами жизнедеятельности человека, который, ис-
пользуя свои способности, приобретенные знания и навыки,
жизненный опыт, что-то создает, совершенствует, изобретает.
В литературе приводятся различные определения творчества
в широком смысле слова, в частности, в толковом словаре рус-
ского языка [20] дается следующее определение: «Творчест-
во - создание новых по замыслу культурных или материаль-
ных ценностей».
Любая деятельность включает в себя цель, средство, ре-
зультат и сам процесс. В самом общем случае процесс творче-
ской деятельности состоит из пяти фаз: постановки задачи,
подготовки к решению, формирования замысла, воплощения
замысла, проверки и доработки [17]. В связи с этим уместно
привести следующее определение творчества, которое в наи-
большей степени характеризует творчество в области науки
и техники [39].
Творчество - это деятельность субъекта, в процессе ко-
торой он самостоятельно ставит или выбирает задачу, ищет
условия и способ ее решения и создает нечто новое, не суще-
ствующее на данный момент.
6
В зависимости от области и результатов творческой дея-
тельности выделяют различные виды творчества: научное, на-
учно-техническое, техническое, художественное, педагогиче-
ское и другие. В области различных искусств результат твор-
чества- это произведение искусства: проза, поэзия, картина,
скульптура и т. п.
Научное творчество направлено на удовлетворение по-
требности познания окружающего мира и связано с фундамен-
тальными науками - математикой, физикой, химией, философией.
Научно-техническое и техническое творчество имеют
четкие практические цели и направлены на удовлетворение
утилитарных потребностей общества. Эти виды творчества свя-
заны с поиском технических задач и их решением на основе
научных достижений. Они не имеют каких-либо существенных
различий, и их часто называют инженерным творчеством.
В сфере науки и техники результаты творческой дея-
тельности могут представлять собой:
- материальный продукт (изделие, энергию, вещество);
- социально-экономический эффект (снижение себестои-
мости, повышение производительности труда, качества матери-
ального продукта и т. п.);
- информацию (новые знания, отображенные в публика-
циях, научные открытия, изобретения и т. д.).
Одной из форм инженерного творчества является изобре-
тательство. Изобретательство - это процесс воплощения науч-
ных идей в технические решения. Следует заметить, что про-
дукты изобретательской деятельности- изобретения, являясь
результатом технического освоения научных достижений, за-
нимают промежуточное положение между научной идеей и ма-
териальным объектом техники. Изобретение - это еще не закон-
ченная машина, не полностью разработанный технологический
процесс или материал. Но это уже идея, представленная в виде
конкретной физической формы (описания, чертежей, модели
и т. п.), отражающей ее новизну и осуществимость в объек-
тах новой техники для удовлетворения существующих или
новых потребностей общества.
7
1.2. Краткие сведения о методах изучения
ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В ПРОЦЕССЕ ИНЖЕНЕРНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
В процессе решения творческой задачи инженер, выпол-
няя определенные виды работы, осознанно или интуитивно ис-
пользует различные понятия, например сравнение, индукция,
идея, синтез и другие, относящиеся к методологическому инст-
рументарию изучения любого объекта, независимо от его при-
роды (технической, экономической, биологической и т. д.). По-
скольку при освоении основ инженерного творчества нередки
случаи неправильного толкования и использования студентами
этих понятий, полезно напомнить их смысл и определения.
1.2.1. Сравнение и измерение
Сравнение - это операция мышления, посредством кото-
рой классифицируется, упорядочивается и оценивается содер-
жание действительности. При сравнении осуществляют сопос-
тавление объектов с целью выявления их сходных и отличи-
тельных признаков, соотношений их свойств и технических
характеристик. Сравнивать можно только однородные объек-
ты, образующие определенный класс, группу. При этом
сравнение объектов одного класса производится по призна-
кам, существенным с точки зрения заданной оценки, так как
объекты, сравниваемые по одним признакам, могут быть не-
сравнимы по другим признакам. Например, два токарных
станка 16Б04 и 16Б05А, относящиеся к одним и тем же груп-
пе и типу металлорежущих станков, можно сравнивать по
габаритным размерам, массе и мощности главного привода.
Однако сравнение этих станков по достигаемой точности об-
работки деталей будет некорректным, поскольку станок
16Б05А относится к станкам особо высокой точности.
Измерение- это операция или процедура получения
численного значения размера, характеризующего одно или
8
несколько свойств объекта (предмета, процесса, явления)
и удовлетворяющего требованию единства измерений. Изме-
рение заключается в сравнении данной величины с однород-
ной ей физической величиной, принятой за единичный размер
измерения [Q]. При этом измеряемая величина Q принимает
численное значение, выраженное в размерности [0], т. е.:
Q = N[Q],
где N - число размерных единиц, например, масса М = 5 кг,
сила тока I = 1,3 А, время t = 2 с и т. д.
В зависимости от применяемых приемов получения ре-
зультата различают следующие виды измерений: прямые, кос-
венные и совокупные.
При прямых измерениях искомую величину сравнивают
с мерой непосредственно либо с помощью измерительного
прибора, например, измеряют диаметр заготовки штангенцир-
кулем, величину тока амперметром и т. д.
Во многих случаях непосредственное измерение иско-
мой величины затруднительно. Тогда используют косвенные
измерения, при которых искомую величину определяют рас-
четом по результатам прямых измерений других величин, свя-
занных с ней определенной функциональной зависимостью
..,хп) = 0,
где у - искомая величина; jq,л^,...,хп - величины, значения
которых получают прямыми измерениями.
Примерами таких измерений могут служить определе-
ние площади поперечного сечения вала по его диаметру, из-
мерение твердости материала по методу Виккерса, в котором
значение твердости вычисляется по формуле:
HV = l,854P/d2,
где Р- сила вдавливания в испытуемый образец материала
четырехгранной алмазной пирамиды; d- длина диагонали
отпечатка от пирамиды, оставшегося на поверхности образца,
найденная прямым измерением.
9
Совокупными являются измерения, когда определяют зна-
чения нескольких искомых величин уь у2, • • •, Ут, связанных функ-
циональной зависимостью с другими величинами jq, х2, ..., хп,
значения которых получают прямыми измерениями. При
этом выполняют не менее т опытов с различными сочета-
ниями значений величин хь х2, хл. Значения искомых вели-
чин уь у2, ут находят решением системы из т (или более)
уравнений
^2 (У^Уг* "•’Ут'Х1,2'Х2,2'‘-'’Хп,2) = ® ’
Fm (Ур У2 — * Ут ’ ,Х2,т — >Хп,т ) = 0 •
1.2.2. Индукция и дедукция
Индукция - одна из форм умозаключения, обеспечиваю-
щая возможность перехода от единичных фактов и событий
к общим положениям, правилам. Различают полную индукцию,
популярную и научную индукцию (две последние относятся
к неполной индукции). Полная индукция представляет собой вы-
вод общего положения о классе в целом на основе рассмотрения
всех его элементов. Она дает достоверный вывод, но применима
для классов, число элементов которых легко обозримо.
Для популярной индукции основанием для обобщения,
что все элементы класса обладают данным признаком, являет-
ся наличие этого признака у части элементов класса. Попу-
лярная индукция имеет неограниченную сферу применения,
но ее выводы носят вероятностный характер и нуждаются
в последующем доказательстве.
Научная индукция также представляет собой вывод от
часта элементов данного класса ко всему классу, но основанием
для вывода служит раскрытие у исследуемых элементов класса
существенных (причинных) связей, необходимо обусловли-
вающих принадлежность данного признака всему классу.
10
Дедукция- это форма умозаключения, представляющая
вывод утверждения (следствия) из одного или нескольких других
утверждений (посылок) на основе законов логики. При использо-
вании дедукции обычно исходят из общих правил и знаний,
а затем путем логических рассуждений выводят из них частные
следствия. Индукция и дедукция тесно связаны между собой
и дополняют одна другую.
1.2.3. Анализ и синтез
Анализ - это операция практического или мысленного
расчленения объекта на отдельные части. Анализ позволяет
выявить состав элементов объекта, их свойства и функции,
наиболее существенные связи между элементами объекта, вы-
делить главные и второстепенные факторы. Цель анализа - по-
знание частей как элементов сложного целого. Однако анализ
не позволяет в полной мере выявить роль и значение каждой
части объекта, что может быть осуществлено только в резуль-
тате изучения элементов объекта в их взаимодействии, т. е.
когда все элементы действуют как одно целое. Для этого не-
обходимо восстановить расчлененное анализом целое.
Синтез- это операция практического или мысленного
объединения в единое целое отдельных частей, их свойств, отно-
шений, выделенных посредством анализа. Синтез акцентирует
внимание на функциях частей целого, позволяет понять, почему
эти части действуют именно так, и через это понимание роли от-
дельных частей объяснить поведение объекта как единого целого.
1.2.4. Абстракция
Абстракция - одна из форм познания объекта, заклю-
чающаяся в мысленном выделении из множества свойств
и признаков объекта наиболее существенных в рассматривае-
мой ситуации свойств и признаков. В зависимости от целей
использования абстракций различают изолирующие, обоб-
щающие и идеализирующие абстракции.
Изолирующая абстракция представляет собой вычлене-
ние из некоторой целостности объекта исследуемой его части,
явления с целью определения их существенных свойств, сто-
рон, закономерностей. Изолирующую абстракцию использу-
ют, в частности, при совершенствовании существующих или
создании новых технических объектов на этапе разработки их
функциональной структуры. Например, при совершенствова-
нии существующего устройства выделяют из него ту часть,
с которой связан основной его недостаток, и, установив ее тех-
ническую функцию, в дальнейшем определяют значения тех
параметров этой функции, которые обеспечат требуемое по-
вышение заданного критерия эффективности устройства как
целого. При этом вне рассмотрения остается конструкция вы-
деленной части, все внимание уделяется только ее функции.
Обобщающая абстракция используется с целью полу-
чения общей картины изучаемого явления. На основе сходства
множества объектов по их признакам осуществляется по-
строение абстрактного объекта. Например, такое абстрактное
понятие, как метод поверхностного пластического деформи-
рования деталей, обобщает множество способов его осуществ-
ления, отличающихся друг от друга принципами действия,
применяемыми физическими эффектами, кинематическими
схемами их реализации и другими факторами. Однако все они
характеризуются одними и теми же показателями: степенью
упрочнения материала поверхностного слоя, характером рас-
пределения и величиной остаточных напряжений, величиной
шероховатости поверхности обработанной детали и т. п., кото-
рые являются наиболее значимыми при разработке новых спо-
собов поверхностного пластического деформирования.
Идеализирующая абстракция - это представление реаль-
ных предметов или явлений упрощенными схемами, изучение
поведения которых позволяет выявить основные закономерно-
сти, свойства, отношения, присущие реальному объекту. В изо-
бретательской деятельности понятие идеализирующей абстрак-
ции используется как прием поиска наиболее эффективных
12
технических решений при создании новых технических объек-
тов. Определив, каким должен быть разрабатываемый техниче-
ский объект (машина, процесс, вещество) как идеальный, каки-
ми свойствами он должен обладать, далее осуществляют поиск
решения в направлении идеального технического объекта.
1.2.5. Моделирование
Моделирование - это процесс познания реально сущест-
вующих объектов и явлений путем построения и изучения их
моделей. Модель объекта- это материальный или мысленно
представляемый объект, который замещает объект-оригинал,
отображая или воспроизводя типичные его свойства (геометри-
ческие, физические, динамические, функциональные). Выделяют
две группы различных видов моделирования: материальное
(«овеществленное», предметное) и идеальное (мысленное, теоре-
тическое) моделирование [8]. В практике инженерной деятельно-
сти и изобретательства широко используются методы матери-
ального моделирования и математическое моделирование.
Основными видами материального моделирования яв-
ляются физическое и аналоговое моделирование. Оба вида мо-
делирования основаны на свойствах геометрического и физи-
ческого подобия. Модели физического и аналогового типа яв-
ляются материальным отражением реального объекта и тесно
связаны с ним своими геометрическими, физическими и дру-
гими характеристиками. Процесс изучения реального объекта
при этом сводится к проведению ряда натурных эксперимен-
тов на его модели.
Математическое моделирование является одним из ви-
дов идеального моделирования, при котором построение моде-
ли реального объекта осуществляется путем описания его
свойств, отношений и взаимодействия с окружающей средой
на языке математики, а исследование модели проводится с ис-
пользованием тех или иных математических методов.
13
1.2.6. Аналогии. Аналог и прототип
Под аналогией понимают сходство предметов, процес-
сов или явлений в каких-то свойствах или иных отношениях
(по используемому физическому эффекту, принципу действия,
функциональному предназначению и т. д.). Аналогия как один
из эвристических приемов широко используется в различных
методах поиска новых технических решений: методе кон-
трольных вопросов, синектике, эмпатии и других. При этом
применяют четыре вида аналогий: прямую, личную, символи-
ческую и фантастическую [39].
При прямой аналогии совершенствуемый объект сравни-
вается с более или менее аналогичным объектом из другой
отрасли техники или из живой природы и делается попытка
применения готовых решений.
Личная аналогия- отожествление личности, ищущей
решение, с разрабатываемым объектом. Вживаясь в образ объ-
екта, решающий задачу пытается выяснить через свои ощуще-
ния качество выполнения объектом функций, его трудности,
т.е. «прочувствовать» задачу.
Символическая аналогия - некоторая обобщенная, абст-
рактная аналогия, отражающая в парадоксальной форме (бук-
вально в двух словах) сущность объекта. Например, для мрамо-
ра символическая аналогия может быть сформулирована как
«радужное постоянство», для храпового механизма - «надежная
прерывистость», для шлифовального круга- «точная шерохо-
ватость» и т. п. Такой прием позволяет расширить поле поиска
решений, перейти из технической области в другие сферы чело-
веческой деятельности: политику, медицину, экономику и т. д.
При фантастической аналогии вводятся какие-нибудь
фантастические средства или персонажи, выполняющие то, что
требуется по условиям задачи. Приему фантастической ана-
логии весьма большое внимание уделяется в теории решения
изобретательских задач (ТРИЗ). Один из разделов ТРИЗ непо-
средственно направлен на обучение приемам фантазирования,
14
поскольку использование фантастических средств, образов по-
зволяет весьма эффективно преодолеть психологическую инер-
цию старого образа совершенствуемого объекта [30].
В изобретательской деятельности для доказательства
новизны и изобретательского уровня разработанных объектов
сравнивают их с известными в мировой практике на данный
момент времени аналогами и прототипами.
Аналог - это объект, который по некоторой совокупно-
сти своих признаков соответствует другому объекту.
Прототип - это такой единственный аналог из множе-
ства аналогов, который имеет наибольшее число признаков,
общих с рассматриваемым объектом .
1.3. Инвариантные понятия техники
1.3,1. Технический объект и техническая система
В своей жизнедеятельности человек взаимодействует
с самыми разнообразными объектами живой и неживой приро-
ды (насекомыми, животными, деревьями, водой, глиной, неф-
тью и т. д.), преобразуя которые создает иные, новые объекты,
необходимые для удовлетворения как своих личных потребно-
стей, так и потребностей окружающей его среды (общества,
вновь создаваемых объектов и тех же объектов природы). Эти
объекты, дополняющие созданные природой объекты, называ-
ют техническими объектами. С их помощью осуществляются
воздействие на предметы труда (руду, древесину, металличе-
ские заготовки, ткань и т. п.) при создании материальных или
культурных ценностей; транспортирование и преобразование
энергии и вещества; получение, хранение и обработка инфор-
мации; управление технологическими процессами и т. д. Исхо-
дя из вышеизложенного, можно дать следующее определение
технического объекта.
Подробные сведения об аналоге и прототипе приведены в главе 8.
15
Технический объект (ТО) - это созданный человеком
непосредственно или опосредованно (например, автоматом)
объект, предназначенный для удовлетворения определенной
потребности.
Это определение дает весьма широкое толкование поня-
тия технического объекта. Так, техническим объектом является
космический корабль и детский воздушный шарик, ЭВМ
и счетные палочки, экскаватор и лопата, высотное администра-
тивное здание и шалаш пастуха и т. д. Поскольку ТО предна-
значен для удовлетворения некоторой заданной потребности
и создается, разрабатывается человеком, то к техническому
объекту можно отнести и технологический процесс изготовле-
ния того или иного изделия или получения некоторого вещест-
ва (металлического сплава, бензина, лекарственного препарата
и т. п.), и само полученное вещество.
С понятием «технический объект» тесно связано поня-
тие «техническая система». В определенном смысле оба эти
понятия можно считать тождественными, так как и техниче-
ский объект, и техническая система являются продуктами дея-
тельности человека и созданы для удовлетворения соответст-
вующей потребности. В этом отношении токарный станок или
настольную лампу равнозначно можно считать техническим
объектом и технической системой. Однако между этими поня-
тиями имеет место существенная разница. Она заключается в
том, что под системой вообще и технической в частности по-
нимается множество элементов, находящихся в отношениях и
связях между собой, которое образует определенную целост-
ность, единство [37]. Поэтому шарик подшипника качения мы
можем рассматривать как технический объект, но считать его
технической системой в силу отсутствия в нем каких-либо
взаимосвязанных конструктивных элементов нельзя.
Техническая система (ТС) - это искусственно создан-
ная совокупность взаимосвязанных элементов, выделенная из
окружающей среды и взаимодействующая с ней как целое для
удовлетворения определенной потребности окружения (чело-
века, общества, других технических систем).
16
Важно заметить, что свойства технической системы яв-
ляются не только совокупностью свойств составляющих ее
элементов. Объединение элементов в систему влечет за собой
появление качественно новых свойств, не присущих обра-
зующим ее элементам. Например, токарный станок обладает
свойством реализации процесса обработки деталей с заданным
режимом резания, в то время как ни один из его отдельно взя-
тых элементов (передняя бабка, станина, суппорт и т. д.) таким
свойством не обладает. Новые свойства возникают благодаря
конкретным связям между элементами системы. Другие связи
могут дать иные новые свойства.
Любая система может являться, с одной стороны, подсис-
темой системы более высокого уровня (надсистемы), а с другой
стороны, надсистемой системы более низкого уровня. Так,
система «токарный станок» является надсистемой по отноше-
нию к составляющим ее элементам-системам (передней бабке,
коробке подач и другим), при этом токарный станок сам пред-
ставляет собой подсистему, входя, например, в состав техно-
логической линии цеха.
Подытоживая приведенные сведения о двух понятиях
«технический объект» и «техническая система», можно заклю-
чить, что технический объект предпочтительно называть тер-
мином «технический объект» тогда, когда речь о нем ведется
как о некотором целом, без структурной его конкретизации
(т. е. независимо от того, представлен он одним элементом
или некоторым их множеством).
Однако если этот объект рассматривается как опреде-
ленное множество элементов, каждый из которых, выполняя
свою функцию, обеспечивает функционирование объекта и его
взаимодействие с окружающей средой как некоторого целого,
то этот объект следует называть технической системой.
Окружающая среда технического объекта. Каждый
технический объект находится в определенном взаимодейст-
вии с окружающей средой (внешней средой, окружением).
Для конкретного ТО окружающей средой могут быть его
17
Рис. 1. Взаимодействие технического
объекта с окружающей средой
надсистема, другие ТО, а также объекты живой и неживой при-
роды. Взаимодействие технического объекта с окружающей сре-
дой происходит по различным каналам связи, которые подраз-
деляют на две группы (рис. 1). Первая группа включает в себя
потоки вещества, энер-
гии и информации (ин-
формационных сигна-
лов и других факторов),
передаваемых от окру-
жающей среды техни-
ческому объекту. К ним,
прежде всего, относятся
функционально обуслов-
ленные потоки Лт вещес-
тва, энергии или информации, необходимые для выполнения
объектом своей технической функции. Например, для двига-
теля внутреннего сгорания такими потоками являются потоки
топлива и воздуха, для пылесоса - поток электроэнергии, для
ЭВМ - потоки электроэнергии и информации. Вместе с функ-
ционально обусловленными потоками в ТС могут поступать
сопутствующие им потоки Аъ, входящие в состав функцио-
нально необходимых (пыль в воздухе, вода в топливе, вирусы
в информации для ЭВМ и т. п.) или выступающие как отдель-
ные потоки в виде тепловой энергии, электромагнитных излу-
чений и др. Такие потоки называются избыточными или вы-
нужденными.
Вторую группу составляют выходные потоки. Это по-
токи вещества, энергии или информации, передаваемые от
ТО к объектам окружающей среды. К ним также относятся
функционально обусловленные потоки вещества, энергии
или информации Ст как результаты выполнения системой
своей технической функции и вынужденные (избыточные)
потоки Св в виде загрязнений воды, атмосферы, тепловой
энергии и т. п. В частности, на выходе двигателя внутреннего
сгорания наряду с полезной механической энергией имеют
18
место избыточные потоки продуктов сгорания топлива, теп-
ловой энергии, шума и др.
При описании технической системы указывают, какую
потребность она удовлетворяет, ее техническую функцию,
структуру системы, физический принцип действия и другие
характеристики.
1.3.2. Потребность и техническая функция
Потребность. В самом широком смысле под потребно-
стью понимается желание человека (или общества) получить
определенный результат, позволяющий ему и его окружению
сохранить, умножить, усовершенствовать все, что способству-
ет жизнедеятельности отдельного человека, общества и окру-
жающей среды в целом.
Множество существующих и возникающих потребно-
стей удовлетворяются с помощью технических объектов, осу-
ществляющих получение требуемого результата преобразова-
нием, транспортированием или хранением вещества, энергии
или информации. Поэтому описание потребности, по сущест-
ву, представляет собой описание назначения ТО, с помощью
которого удовлетворяется или должна удовлетворяться данная
потребность. Описание потребности выполняют в виде ответа
на вопрос: «Что (какойрезультат) желательно иметь (полу-
чить) при соблюдении каких особых условий и ограничений?»
Например, измерение температуры человека; обеспечение
движения наземного транспорта (автомобилей, мотоциклов
и др.) через водное препятствие в любое время года; нагрев
металлических заготовок до температуры 1000 °C и т. п.
Из приведенных примеров легко заметить, что описание
потребности Р включает в себя следующую информацию:
- наименование действия D (измерение, обеспечение
движения, нагрев);
- наименование объекта G (предмета обработки), на ко-
торый направлено указанное действие (человек, наземный
транспорт, металлические заготовки);
19
- особые условия и ограничения Н, которые должны
быть соблюдены при выполнении действия (водное препятст-
вие, любое время года, температура 1000 °C).
В математической форме это описание может быть
представлено в виде
P = (D, G, Н).
В соответствии с удовлетворяемой потребностью каж-
дый ТО выполняет определенную этой потребностью техни-
ческую функцию.
Техническая функция ТО. Кратко техническая функция
ТО определяется как цель его создания и функционирования.
Поскольку любой ТО создается для удовлетворения определен-
ной потребности, то описание технической функции во многом
совпадает с описанием этой потребности. Основное отличие
обусловлено тем, что описание технической функции строится
обычно в форме ответа на вопрос: «Что делает (осуществляет,
производит) технический объект с соблюдением каких условий
и ограничений?» При этом для указания действия в описании
технической функции используется не отглагольное существи-
тельное, как при описании потребности, а глагол. В частности,
описания технических функций объектов, предназначенных для
удовлетворения приведенных выше потребностей, могут иметь
следующий вид: медицинский термометр измеряет температу-
ру человека; мост обеспечивает движение наземного транспор-
та (автомобилей, мотоциклов и др.) через водное препятствие
в любое время года; термическая печь нагревает металличе-
ские заготовки до температуры 1000 °C.
1.3.3. Физическая операция
В технической системе каждый ее элемент при выпол-
нении своей технической функции производит преобразование
потока вещества, энергии или информации. Например, спи-
раль электроплитки нагревает воду или любой иной объект,
преобразуя электрическую энергию в тепловую. Амортизатор
20
автомобиля уменьшает амплитуду колебаний кузова, поглощая
механическую энергию удара колеса о препятствие на дороге.
Выключатель обеспечивает наличие или отсутствие электриче-
ского тока в сети, соединяя или разъединяя сеть с источником
электрического тока и т. д.
Действия элемента или технического объекта в целом по
преобразованию входных потоков вещества, энергии, информа-
ции или каких-то иных факторов в выходные потоки вещества,
энергии, информации (других факторов) называют физической
операцией (ФО).
В технических объектах реализуется множество различ-
ных действий - сжатие или растяжение (пружины, стержня);
нагревание; уменьшение (увеличение) силы или крутящего
момента; растворение (внедрение) одного вещества в другом;
переход вещества из жидкого состояния в газообразное и т. д.
Вместе с тем многие действия, несмотря на различия способов
и целей их реализации, природной сущности объектов (физи-
ческой, химической и другой), над которыми производятся эти
действия, имеют общую целевую направленность их выполне-
ния- преобразовать, соединить, увеличить, изменить и т. п.
Исходя из этого, немецкий ученый Р. Коллер систематизиро-
вал используемые в технике и наблюдаемые в природе дейст-
вия над объектами различной природной сущности и выделил
12 пар основных и 2 пары вспомогательных операций (прямых
и обратных), которые позволяют описать физические опера-
ции любого ТО и его элементов независимо от их физического
принципа действия (табл. 1).
Описание физической операции Q содержит три ком-
понента:
е=(4,дсд
где Ат - входной поток вещества, энергии, информации или
иного фактора; Е - наименование операции Коллера по превра-
щению Ат в Ст; Ст - выходной поток вещества, энергии, инфор-
мации или иного фактора.
Характеристика операций Коллера приведена в прил. 1.
21
Таблица 1
Список физических операций преобразования вещества, энергии,
информации и других факторов, составленный Р. Коллером
Номер опера- ции Наименование прямой операции Е Мнемоническое отображение Наименование обратной операции E Мнемоническое отображение
Основные операции
1 Излучение ga <-!-> Поглощение
2 Проводимость ga^ga Изолирование
3 Сбор g\^ga Рассеивание Ga
4 Проведение Ga^>Ga Непроведение ga— ga
5 Преобразова- ние Ga^>Gb Обратное пре- образование gb^ga
6 Увеличение GAi < Ga2 Уменьшение GAi > GA2
7 Изменение направления Изменение направления
8 Выравнивание ga -+Ga Колебание Ga-+Ga
9 Связь Ga~oo~Ga Прерывание G^°° Ga
10 Соединение Ga + GB >— Gab Разъединение Gau~<. Ga + GB
11 Объединение GAi + GA2>— Gai+a2 Разделение GAl + A2 <Gai + Ga2
12 Накопление Ga —> о Выдача о —> Ga
Дополнительные операции
13 Отображение Ga —> G„ A О Обратное отображение Gb^>Ga
14 Фиксирование Ga —> о <— Ga Расфиксиро- вание Ga<~o~+Ga
Примечания.
GA, Gb~ два качественно отличающихся вида энергии, вещества или
сигнала, измеряемые различными физическими величинами;
Сдь GA2~ два количественно отличающихся состояния энергии, веще-
ства или сигнала, измеряемые одной и той же физической величиной;
Gab ~ энергия, вещество или сигнал, представляющие собой компози-
цию из двух однородных компонентов Ga, Gb, имеющих качественное
различие;
Сл1+Сл2- энергия, вещество или сигнал, представляющие собой ком-
позицию из двух однородных компонентов GAi, Gai, различающихся
количественно.
22
Например, физическая операция измерения температуры
человека с помощью медицинского ртутного термометра - это
преобразование тепловой энергии тела человека в соответст-
вующее перемещение ртутного столба, т. е.
Q =Л-> Ст,
где Аг - входной поток тепловой энергии; Ст - выходной поток
вещества (ртути); —> - мнемоническое отображение операции
преобразования.
1.3.4. Связи между элементами технической
системы и ее функциональная структура
Техническая система состоит из ряда элементов (агрега-
тов, блоков, узлов и отдельных деталей), которые могут быть
выделены в этом объекте. Каждый элемент системы, представ-
ляя собой самостоятельный технический объект, выполняет оп-
ределенную техническую функцию и реализует конкретную
физическую операцию по преобразованию потоков вещества,
энергии, информации и иных факторов. При этом в процессе
функционирования технической системы осуществляется
взаимодействие элементов в виде обмена между ними потока-
ми вещества, энергии и информации. Обмен потоками веще-
ства, энергии и информации может происходить также между
отдельными элементами технического объекта и объектами
окружающей среды. Это взаимодействие элементов между
собой и объектами окружающей среды характеризуется так
называемыми связями (отношениями), которые выражают фи-
зическую сущность функционирования отдельных элементов
и технической системы в целом.
В технических системах в зависимости от назначения,
характера проявления и вида определенности различают пря-
мые и обратные связи, функциональные и потоковые связи,
детерминированные и вероятностные связи [1].
23
По прямым связям производится передача вещества,
энергии и информации или их комбинаций от одного элемента
другому в направлении основного процесса, реализуемого
в технической системе.
Обратные связи, главным образом, выполняют функции
управления процессами. Поэтому их называют также управ-
ляющими. Обратные связи предполагают определенное преоб-
разование компонента, поступающего по прямой связи, и пере-
дачу результата преобразования обратно, т. е. в направлении,
противоположном направлению основного процесса (прямой
связи), к одному из предыдущих элементов технической систе-
мы. Наличие обратных связей имеет большое значение, по-
скольку без них невозможна реализация процессов управления,
адаптации, саморегулирования и развития технических систем.
Функциональные связи отражают выполняемые элемен-
тами системы технические функции, тем самым определяют
устройство системы с функциональной точки зрения. Напри-
мер, для осуществления процесса движения автомобиля необ-
ходимо выполнить ряд технических функций: передачу от дви-
гателя угловой скорости вращения его вала и крутящего мо-
мента на ведущие колеса, изменение скорости и момента по
величине и направлению, прерывание передачи и т. д. Является
очевидным, что каждая из этих функций определяет тот конст-
руктивный элемент (муфту, редуктор, вал и т. д.), который спо-
собен выполнить заданную ему техническую функцию.
Потоковые связи проявляются в виде потоков вещест-
ва, энергии, информации или их комбинаций, передаваемых от
одного элемента системы другому или объекту окружающей
среды. Поскольку эти потоки являются результатами выпол-
нения элементами системы физических операций по преобра-
зованию вещества, энергии или информации, то потоковые
связи характеризуют систему и ее функционирование на фи-
зическом уровне, уровне свойств ее элементов и протекающих
в них физических явлений и эффектов.
24
Детерминированные связи однозначно определяют
взаимодействие элементов, т. е. позволяют установить вполне
определенный отклик (реакцию) элемента на поступивший на
его вход поток вещества, энергии или информации со стороны
другого элемента.
Вероятностные связи определяют поведение элемен-
тов системы при наличии случайных факторов, влияющих на
их взаимодействие. Этот вид связей исследуется с помощью
аппарата теории вероятности и математической статистики.
Заметим, что одна и та же связь может одновременно
являться прямой, потоковой и детерминированной. Возможны
и другие комбинации видов связей (прямая, функциональная
и детерминированная связь и т. п.). Связи могут быть описаны
в графической форме представления функций элементов или
потоков вещества, энергии и информации, в табличной форме,
а также в виде математических формул или уравнений.
Все элементы технической системы вместе со своими
связями упорядочены и образуют единое целое в соответствии
с технической функцией, выполняемой системой. Такой упо-
рядоченный набор элементов и их взаимосвязей называют
структурой технической системы. Поскольку в любой техни-
ческой системе имеют место функциональные и потоковые
связи, то различают ее конструктивную функциональную
и потоковую функциональную структуры.
Конструктивная функциональная структура (КФС)
технической системы представляет собой состав элементов сис-
темы и связей между ними, отражающих технические функции,
выполняемые этими элементами системы. Конструктивная
функциональная структура может быть описана в табличной или
графической форме в виде ориентированного графа, вершинами
которого являются наименования элементов технической систе-
мы, а ребрами - функции элементов (см. табл. 2, рис. 4).
Потоковая функциональная структура (ПФС) техни-
ческой системы, как и конструктивная функциональная струк-
тура, определяет состав элементов системы и связей между
25
ними, но на физическом уровне взаимодействия элементов
системы. При графическом отображении ПФС в виде графа
его вершинами являются наименования элементов техниче-
ской системы или наименования физических операций (опера-
ций Коллера), а ребрами - потоки вещества, энергии, инфор-
мации или иных факторов.
Структура - одно из важных понятий технической систе-
мы, так как при одном и том же составе элементов, но при раз-
личном их взаимодействии (использовании тех или иных
свойств этих элементов) можно получить системы, выполняю-
щие разные функции. Например, карандаш, состоящий из двух
элементов - тонкого графитового стержня и деревянной обо-
лочки, представляет собой систему, выполняющую функцию
«оставлять след на бумаге». При этом будут реализовываться
адгезионное (молекулярное) взаимодействие между графито-
вым стержнем и бумагой и механическое взаимодействие меж-
ду стержнем, оболочкой и рукой человека. Однако карандаш
может быть использован как система, выполняющая функцию
«проводить ток в электрической цепи». В такой системе ис-
пользуются уже иные свойства элементов карандаша (электро-
проводность стержня и диэлектрические свойства оболочки)
и реализуются другие виды взаимодействия по сравнению
с первой системой.
Конструктивная и потоковая функциональные структу-
ры дополняют друг друга и позволяют выполнить анализ су-
ществующей или синтез новой технической системы на функ-
циональном, физическом либо на обоих уровнях рассмотрения
системы.
1.3.5. Физико-технический эффект
и физический принцип действия
Выполнение физической операции одним или несколь-
кими элементами технического объекта представляет собой
возникновение и действие в этих элементах физических, хи-
мических или иной природы явлений и эффектов, вызванных
26
входными потоками вещества, энергии, информации и являю-
щихся результатами проявления свойств элементов, характера
и вида взаимодействия этих элементов.
Например, в гидравлическом прессе его элемент в виде
двух сообщающихся цилиндров с поршнями, имеющими раз-
ные диаметры, выполняет физическую операцию увеличения
силы (входной поток механической энергии) для создания
требуемой силы давления на обрабатываемый объект (выход-
ной поток механической энергии). Эта физическая операция
реализуется на основе такого свойства жидкости, как сохране-
ние одинакового давления во всех своих точках, известного как
закон Паскаля. В медицинском термометре физическая опера-
ция преобразования тепловой энергии тела человека в соответ-
ствующее перемещение ртутного столба выполняется на основе
эффекта изменения размеров физического тела (ртутного
столба) при изменении его температуры. Заметим, что этот же
эффект используется и в других физических операциях, в част-
ности в операциях соединения и разъединения, уменьшения
и увеличения, а также в ряде технических объектов, выпол-
няющих функции регулирования (создания) сил, давлений,
микроперемещений, дозирования количества вещества и т. д.
Физические операции могут быть реализованы также
с помощью нескольких взаимосвязанных физических эффек-
тов. Так, в биметаллическом термометре операция преобразо-
вания тепловой энергии в перемещение, выполняемая биме-
таллической пластинкой, осуществляется путем использования
двух физических эффектов- теплового расширения твердых
тел и эффекта упругого изгиба.
Различные результаты физических, химических, биологи-
ческих и других явлений, проявления эффектов, законов и зако-
номерностей, следствий из них, которые используются или могут
быть использованы в технических объектах, называются физико-
техническими эффектами. С физико-техническим эффектом
тесно связано понятие физического принципа действия.
27
Физический принцип действия представляет собой
описание взаимодействия между элементами технического
объекта на уровне реализуемых им физико-технических эф-
фектов и особенностей использования этих эффектов при вы-
полнении объектом заданной функции. Это важнейшая харак-
теристика, по которой различают технические объекты, вы-
полняющие одну и ту же функцию. Например, функция
«транспортировать груз в воздушной среде» может быть вы-
полнена дирижаблем, вертолетом, снарядом, ракетой, самоле-
том. В перечисленных технических объектах используются
как разные физико-технические эффекты, так и одни и те же.
В частности, в самолете и вертолете используется один и тот
же эффект: образование подъемной силы на теле особого про-
филя (крыле), движущемся в воздушной среде с углом атаки.
Однако в самолете энергия двигателя преобразуется в энергию
движения всего самолета в воздушной среде, преобразую-
щуюся в подъемную силу на крыле. А в вертолете энергия
двигателя непосредственно преобразуется в энергию движения
только несущего винта, на котором последняя преобразуется
уже в подъемную силу и силу движения вертолета в воздушной
среде. В связи с такой особенностью использования одного и то-
го же эффекта возникновения подъемной силы различают «само-
летный» и «вертолетный» принципы действия.
Поиск физических принципов действия (ФПД) техниче-
ских объектов и технологий - один из самых высоких уровней
инженерного творчества, позволяющий получать принципи-
ально новые решения, в том числе пионерные. Вместе с этим
разработка ФПД - весьма сложная творческая задача, при ре-
шении которой необходимо изменять и оценивать не только
конструктивные признаки, обычно хорошо представляемые
и логически увязанные друг с другом. Здесь приходится абстра-
гироваться на уровне физических свойств и эффектов, не всегда
очевидных и достаточно глубоко познанных. При этом основ-
ная трудность заключается в том, что в технической литературе
28
описано более 3000 физико-технических эффектов (инженер
обычно знает до 200) и мысленно представить и оценить воз-
можные комбинации тех или иных физико-технических эф-
фектов во многих случаях без применения автоматизирован-
ных систем практически невозможно. Поэтому в настоящее
время созданы и создаются различные автоматизированные
базы данных, информационно-поисковые системы, системы
синтеза физических принципов действия и т. д., позволяющие
в значительной мере облегчить получение новых ФПД техни-
ческих объектов.
1.3.6. Техническое решение и технический проект
Техническое решение (ТР) представляет собой конст-
руктивное оформление физического принципа действия или
функциональной структуры технического объекта. Описание
технического решения содержит в себе:
♦ перечень основных элементов технического объекта;
♦ взаимное расположение элементов в пространстве;
♦ способы и средства соединения элементов между
собой;
♦ последовательность взаимодействия элементов во
времени;
♦ особенности конструктивного исполнения отдельных
элементов (материал, геометрическая форма и т. д.);
♦ принципиально важные соотношения параметров
(критериев развития) технического объекта.
Техническое решение с использованием двухуровневой
иерархической структуры может быть описано с любой сте-
пенью детализации, начиная с описания характерных при-
знаков технического объекта в целом, затем его элементов -
блоков, узлов и т. д. Описание технического решения выпол-
няют на естественном языке, дополняя его при необходимо-
сти графическим отображением объекта и отдельных его
29
элементов. Обычно осуществляют безразмерное описание
технического решения, поэтому оно может иметь самые раз-
личные реализации по параметрам: размерам, количествен-
ным характеристикам входных и выходных потоков и другим
измеряемым свойствам.
Технический проект (ТП) представляет собой ком-
плект рабочих чертежей и конструкторской документации
и содержит всю информацию, необходимую для изготовле-
ния и эксплуатации технического объекта. В отличие от тех-
нического решения в проекте указываются значения всех па-
раметров технического объекта и его элементов до деталей
включительно.
В заключение отметим, что рассмотренные понятия
технического объекта (системы): потребность, техническая
функция (ТФ), функциональная структура (ФС), физический
принцип действия (ФПД), техническое решение (ТР) и тех-
нический проект (ТП) - находятся в иерархической соподчи-
ненности между собой (рис. 2).
Рис. 2. Иерархия описаний технического объекта
Их описания обладают двумя свойствами:
♦ каждое последующее описание является более деталь-
ным и более полно характеризует объект по отноше-
нию к предыдущему;
♦ каждое последующее описание включает в себя пре-
дыдущее.
30
1.4. Основы ФУНКЦИОНАЛЬНОГО
АНАЛИЗА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Наиболее распространенным классом задач инженерного
творчества являются задачи, в которых требуется улучшить из-
вестный технический объект (устройство, процесс, вещество)
путем введения в него определенных изменений. Такой объект
называют прототипом для разрабатываемой улучшенной моде-
ли. С целью получения достаточно полного представления об
устройстве прототипа как технической системы осуществляют
его функциональный анализ. Функциональный анализ техниче-
ских систем позволяет получить достаточно полное представ-
ление об устройстве ТС с функциональной точки зрения. В ходе
анализа стремятся установить, каков состав элементов техниче-
ской системы, какие технические функции выполняют выде-
ленные элементы системы, как они функционально связаны
между собой. Ответы на эти вопросы в значительной степени
облегчают в дальнейшем поиск наиболее эффективного нового
технического решения при усовершенствовании рассматривае-
мой технической системы.
1.4.1. Классификация элементов технических систем
в зависимости от выполняемых функций
В основу функционального анализа положен принцип
выделения и рассмотрения структур с двухуровневой иерархи-
ей, согласно которой любую техническую систему можно раз-
делил» на элементы, каждый из которых имеет не менее одной
определенной функции по обеспечению работы ТС или других
ее элементов. При этом рассматриваемая система представляет
собой верхний уровень, а выделенные функциональные эле-
менты - нижний. В случае более детального анализа каждый
из выделенных элементов нижнего уровня рассматривается
как самостоятельная система, которая также может быть раз-
делена на несколько функциональных элементов и т. д.
31
Объединение таких структур с двухуровневой иерархией
позволяет получить многоуровневую структуру ТС вплоть до
уровня с неделимыми в функциональном смысле элементами.
Разделение ТС на элементы является одной из важных
операций в функциональном анализе. Правильному и однознач-
ному разделению ТС на функциональные элементы во многом
способствует классификация элементов в зависимости от выпол-
няемых ими функций. Эта классификация включает в себя сле-
дующие группы функциональных элементов, инвариантных для
большинства областей техники [2]:
1) исходные;
2) несущие;
3) элементы связи;
4) элементы передачи;
5) двигатели;
6) элементы управления;
7) элементы гашения скоростей и ускорений;
8) элементы формирования потоков и объемов;
9) движители.
Исходные - это элементы, непосредственно взаимодейст-
вующие с объектами, на которые направлено действие ТС. К ним
относятся рабочие органы машин, датчики приборов, регистри-
рующие состояние ТС, и т. п., например, ковш экскаватора, лопа-
сти гребного винта, шлифовальный круг станка и т. д. Во многих
системах функции исходных элементов частично или полностью
совпадают с функцией самой технической системы.
Несущие элементы обеспечивают определенную форму
технических систем, определенное расположение или движение
элементов в пространстве. К этим элементам относятся балки,
каркасы, рамы, корпуса, станины и т. п.
Элементы связи обеспечивают определенную степень
свободы движения одних элементов относительно других. Это
необходимые для реализации связей отверстия в несущих и дру-
гих элементах, разъемные и неразъемные неподвижные соедине-
ния (болтовые, винтовые, шлицевые, сварные, паяные и др.), раз-
32
личные кинематические пары (подшипники, подпятники, шар-
ниры и т. п.), муфты и другие элементы, ограничивающие число
степеней свободы движения элементов в системах.
Элементы передачи служат для передачи на расстояние
механической энергии, движения, статических сил и моментов
с одновременным преобразованием или изменением видов и зако-
нов движения, моментов, сил и их направлений. Это гибкие валы,
зубчатые, ременные, фрикционные и другие передачи, а также
винтовые, реечные, кривошипно-шатунные механизмы и т. п.
Двигатели обеспечивают получение необходимой мощ-
ности в результате преобразования заданного вида энергии
в механическую энергию К ним относятся паровые машины
и турбины, двигатели внутреннего сгорания, электродвигате-
ли, инерционные и пружинные механизмы и др.
Элементы управления - это элементы, выполняющие
сбор, хранение и обработку информации с целью формирова-
ния информации об управляющем воздействии и передачи ее
исполнительным органам. К ним относятся датчики измерения
электрических, акустических и других сигналов, ЭВМ, реле
и другие устройства.
Элементы гашения скоростей и ускорений обеспечи-
вают уменьшение скорости движения, амплитуды колебаний
технических объектов, твердых тел, газообразных, жидких,
сыпучих веществ и их смесей. Это различные амортизаторы,
тормоза, гасители и т. п.
Элементы формирования объемов и потоков служат для
хранения, транспортировки необходимых по величине и форме
объемов газообразных, жидких, пастообразных или сыпучих
веществ и их смесей. К таким элементам относятся различные
баки, баллоны, бункеры, емкости, лотки, трубопроводы и т. п.
Движители обеспечивают преобразование энергии дви-
гателя или другого источника энергии в работу по преодолению
сопротивления движению технической системы или обрабаты-
ваемых тел (твердых, жидких, пастообразных и др.). Это дви-
жители различных транспортных средств (колеса, гусеницы,
гребные винты и т. д.), шнеки, ленты транспортеров, толкатели.
33
Приведенная классификация элементов технических
систем позволяет во многих случаях правильно определить
функцию того или иного элемента системы. В затруднитель-
ных случаях можно воспользоваться правилом исключения,
суть которого заключается в следующем. По отношению к рас-
сматриваемому элементу задается вопрос: «Если исключить этот
элемент, то какие отрицательные последствия появятся в работе
других элементов или самой ТС?». Действия по предотвращению
выявленных таким образом отрицательных последствий и пред-
ставляют собой функцию рассматриваемого элемента.
1.4.2. Методика функционального анализа
Укрупненно функциональный анализ технической систе-
мы включает в себя следующие процедуры:
1) описание функций рассматриваемой технической сис-
темы;
2) определение объектов окружающей среды, с которы-
ми взаимодействует система;
3) разделение ТС на элементы и описание выполняемых
ими технических функций;
4) построение конструктивной функциональной струк-
туры ТС.
Описание функций ТС. Функции технической системы
описывают в словесной форме с указанием выполняемого ТС
действия, объекта (объектов) ее воздействия и при необходимо-
сти условий и ограничений, при которых выполняется действие
системы. При описании функции ТС прежде всего учитывают
класс технических объектов, к которому относится рассматри-
ваемая ТС (обрабатывающая машина, машина-двигатель, транс-
портирующая машина и т. д.). В целом описание функции стре-
мятся сформулировать конкретно, включая при необходимости
требования, которым должна удовлетворять ТС (см. табл. 2).
Выявление объектов окружающей среды. В качестве
объектов окружающей среды ТС могут быть элементы над-
системы ТС (для двигателя автомобиля - сцепление и рама
или кузов, для монитора компьютера - системный блок и т.п.),
34
предметы живой и неживой природы (люди, животные, расте-
ния, вода, камни) и т. д. При определении объектов окру-
жающей среды, с которыми взаимодействует конкретная
техническая система, исходят из того, что взаимодействие
ТС с окружающей средой представляет собой взаимный об-
мен потоками вещества, энергии или информации (см. рис. 1).
Источники и приемники, с которыми техническая система не-
посредственно обменивается входными и выходными потока-
ми, и составляют объекты окружающей среды ТС.
Разделение ТС на элементы и описание технических
функций. После описания функций ТС и установления объек-
тов внешней среды, с которыми взаимодействует система, ее
разделяют на небольшое число укрупненных (более или менее
равноценных) конструктивных элементов, каждый из которых
имеет минимальное число самостоятельных функций. Это
разделение осуществляют в соответствии со сложившимся
в инженерной практике структурным разделением ТС на агре-
гаты, блоки, узлы, детали, неделимые элементы. При этом под
неделимым элементом подразумевают деталь (или ее часть),
выполняющую хотя бы одну функцию по обеспечению работы
других элементов, при дальнейшем делении которой образу-
ются элементы, не имеющие самостоятельной функции или
выполняющие одинаковые функции.
Особое внимание при разделении системы на функцио-
нальные элементы уделяют так называемым главным элементам.
Главные элементы - это элементы ТС, которые непосредственно
взаимодействуют с объектами окружающей среды и функция
которых, как правило, совпадает с функцией самой системы.
Главными элементами обычно являются исходные элементы ТС -
спираль электроплитки, инструмент металлорежущего станка
(резец, фреза, сверло), стержень шариковой авторучки и т. д.
Для удобства дальнейшего описания функций и построе-
ния конструктивной функциональной структуры выделенным
элементам присваивают обозначения: главным элементам - Ео
(если их несколько, то ЕОь -Бог» •••)» остальным элементам - Eit
Е2,..., Еп. Объекты окружающей среды обозначают Уь V2,..., Vm.
35
В случае многоуровневого разделения технической сис-
темы элементы второго уровня обозначают £i-i, Ei_2, ..., Ем,
Et-2, • • ., элементы третьего уровня Ем-ь £м-г» • ^/-л-z и т. д.
Функции элементов описывают аналогично тому, как вы-
полняется описание функций самой ТС. При этом рекомендует-
ся в скобках дублировать обозначения объектов окружающей
среды и других элементов, которые участвуют в описании
функции. Например, функцию отражателя электрического фо-
нарика описывают в следующем виде: «Концентрирует свето-
вой поток лампочки (Ео) на предметах (Vi)». Функции элемен-
тов обозначают Фо, Фь Фг-з, •••> где индексы совпадают с индек-
сами в обозначениях соответствующих элементов Ео, Е\, Е^-з-
Если какой-либо элемент, например Е2, имеет несколько функ-
ций, то эти функции обозначают в виде Ф2', Ф2" и т. д.
При описании функций элементов ТС особое внимание
уделяют правильному отражению содержания функций и отне-
сению их к определенным элементам. При этом указывают
минимальное число функций рассматриваемого элемента. Чаще
всего элемент выполняет только одну основную функцию.
Она имеет следующие характерные признаки:
♦ основную функцию обычно выполняет весь элемент
в целом, а не отдельные его части;
♦ основная функция, как правило, направлена на обес-
печение работы элементов вышестоящих уровней и часто того
элемента, при разделении которого был получен рассматри-
ваемый элемент.
Построение конструктивной функциональной струк-
туры ТС. Построение конструктивной функциональной
структуры технической системы заключается в представле-
нии в табличной или графической форме результатов ее раз-
деления на элементы и описаний их функций. Покажем по-
строение конструктивной функциональной структуры на при-
мере токарного резца (рис. 3).
Токарный резец представляет собой державку 1 со
сменной режущей многогранной пластинкой 7. Для установки
36
4
5
Рис. 3. Схема закрепления сменной режущей
пластинки на державке токарного резца
и закрепления режущей пластинки используются опорная пла-
стина 2, прижим 4, пружина 6, крепежные винт 3 и болт 5 [11].
В табличной форме конструктивная функциональная
структура ТС представляет собой перечень элементов и их
функций, составляющих ее иерархические уровни.
Например, конструктивная функциональная структура
токарного резца представлена в табл. 2.
Таблица 2
Конструктивная функциональная структура токарного резца
Техническая функция резца Ф: срезает поверхностный слой
материала заготовки. Объекты внешней среды: обрабатывае-
мая заготовка резцедержатель станка Г2, стружка И3.
Элемент Функция
Обозна- чение Наимено- вание Обозна- чение Описание
1 2 3 4
Ео Режущая пла- стина Фо ф0 = ф, срезает поверхностный слой материала заготовки (И)
Я. Державка Ф1’ Ф," Обеспечивает положение режущей пла- стины (Eq) относительно заготовки (И|). Воспринимает силу резания и передает на резцедержатель станка (И2)
37
Окончание табл. 2
1 2 3 4
Ег Опорная пластина Ф2 Воспринимает силу резания от режущей пластины (£0) и передает на державку №)
Ез Винт Ф3 Фиксирует положение режущей пла- стины (£0) относительно державки (£J с возможностью ее вращения
е4 Прижим Ф4 Прижимает режущую пластину (£0) к опорной пластине (£9
е5 Болт Ф5 Создает силу прижатия прижима (£4) к режущей пластине (£0)
Е6 Пружина Фб Обеспечивает перемещение прижима (£4) при откручивании болта (£5)
Е(у-1 Передняя поверхность Фо-1 Воспринимает силу резания от заготовки (Ц) и стружки (V3)
Eq-2 Задняя поверхность Фо-2 Образует угол режущего клина пла- стины (£0)
Eq-з Вспомогатель- ная задняя поверхность Фо-з Образует угол режущего клина пла- стины (£0)
Ео_д Нижняя поверхность Фо-4 Передает силу резания от режущей пла- стины (£0) к опорной пластине (£2)
Eq-s Верхняя поверхность Фо-5 Воспринимает силу прижатия от при- жима (£4)
Основание Фо-6 Обеспечивает взаимное расположение и взаимодействие элементов (£o-i), (£о-2), (£<w), (£0-4) и (£0-5)
В графической форме конструктивная функциональная
структура ТС отображается в виде ориентированного графа,
вершинами которого являются элементы ТС, а ребрами-
функции этих элементов. Так, на рис. 4 изображен граф кон-
структивной функциональной структуры токарного резца,
построенный по результатам анализа, приведенным в табл. 2.
Построение графа конструктивной функциональной структу-
ры осуществляют в следующем порядке:
1. Отображают вершины графа в виде прямоугольников
или вытянутых овалов, внутри которых записывают наимено-
38
вание ТС, обозначения ее элементов и объектов окружающей
среды, принятых при составлении таблицы конструктивной
функциональной структуры ТС.
Первая сверху вершина - техническая система. В следую-
щем ряду (по вертикали) располагают вершины-объекты окру-
жающей среды, в третьем ряду- вершины-элементы первого
уровня; ниже - вершины-элементы второго уровня и так далее до
самого нижнего уровня функционального разделения ТС.
2. Отображают направленные ребра графа. Ребра выхо-
дят из вершин-элементов, чьи функции они описывают, и за-
канчиваются в вершинах-элементах, работу которых они
обеспечивают, или в вершинах-объектах окружающей среды,
взаимодействующих с рассматриваемым элементом. Из каж-
дой вершины графа выходит столько ребер, сколько функций
имеет данный элемент. Вершины графа, в которых заканчива-
ются ребра-функции, указаны в описании функций.
Рис. 4. Граф конструктивной функциональной структуры
токарного резца
Граф конструктивной функциональной структуры ТС
может иметь ребра двух типов. Первый тип - простые ребра,
начинающиеся в одной вершине и заканчивающиеся в другой
39
единственной вершине. Простое ребро отображает функцию
элемента, взаимодействующего при выполнении своей функ-
ции только с одним элементом системы или объектом окру-
жающей среды.
Ребра второго типа отражают функции элементов, которые
взаимодействуют с несколькими элементами ТС или объектами
окружающей среды. Такие ребра имеют один «выход» из эле-
мента с описываемой функцией и несколько «входов», соеди-
ненных между собой И-вершиной, то есть ребро второго типа
начинается в одной вершине-элементе и через абстрактную
И-вершину (в виде ° или») заканчивается в двух и более верши-
нах-элементах или объектах окружающей среды (см. рис. 4).
Всем ребрам графа присваивают обозначения, совпа-
дающие с обозначениями функций соответствующих элемен-
тов. Вершины графа рекомендуется располагать в ряду в та-
ком порядке, чтобы было минимальное число пересечений
ребер и чтобы вершины, связанные ребрами, были ближе
друг к другу.
Возможны случаи совпадения функций ТС (или элемен-
та) и ее составных элементов, расположенных на разных уров-
нях иерархической структуры. При этом нижестоящие элемен-
ты являются результатом функционального деления выше-
стоящих элементов. В таких случаях для упрощения графа
и выделения элементов с одинаковыми функциями эти эле-
менты соединяют волнистой линией, над которой записывают
тождество функций, например Ф, = Ф|Ч.
Глава 2
КРИТЕРИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ
ОБЪЕКТОВ
2.1. Общие сведения о критериях развития ТО
2.1.1. Понятия качества и технического уровня ТО.
Критерии развития ТО
Качество технического объекта - это совокупность
свойств ТО, обусловливающих его пригодность удовлетворять
существующие и предполагаемые потребности в соответствии
с его назначением. Оценку качества ТО осуществляют с по-
мощью показателей, являющихся количественными характе-
ристиками свойств объекта, входящих в его качество и рас-
сматриваемых применительно к определенным условиям соз-
дания, эксплуатации (потребления) и утилизации этого
технического объекта. Относительной характеристикой каче-
ства ТО является его технический уровень.
Технический уровень ТО - относительная характеристика
качества ТО, основанная на сопоставлении значений показате-
лей, характеризующих техническое совершенство оцениваемого
объекта, со значениями соответствующих показателей базовых
образцов. Последние представляют собой передовые научно-
технические достижения в развитии данного вида технических
объектов. Процесс оценки технического уровня ТО представляет
собой совокупность операций, включающую выбор номенклату-
ры показателей, характеризующих качество оцениваемого объек-
та, определение значений этих показателей и установление оцен-
ки (градации) технического уровня изделия.
По результатам оценки технического уровня ТО, напри-
мер в сопоставлении его с аналогичными образцами мирового
уровня, он может быть отнесен к одной из трех градаций:
♦ оцениваемый ТО превосходит мировой уровень (П);
41
♦ оцениваемый ТО соответствует мировому уровню (С);
♦ оцениваемый ТО уступает мировому уровню (У).
Среди множества показателей, характеризующих качество
технического объекта, имеются такие, которые на протяжении
длительного времени существования и развития ТО монотонно
изменяются или остаются неизменными при достижении своего
предельного значения. Такие показатели рассматривают как меру
совершенства и прогрессивности технических объектов. Более
того, эти показатели оказывают существенное влияние на разви-
тие отдельных классов ТО и техники в целом, поэтому их приня-
то называть критериями развития технических объектов [26].
Например, к критериям развития относятся такие показатели, как
производительность, удельная материалоемкость, коэффициент
автоматизации, показатели экономичного использования ресур-
сов (материалов, топлива, энергии) и другие.
Значения критериев развития весьма важны при совер-
шенствовании существующих или разработке новых техниче-
ских объектов, когда конструкторы и изобретатели стремятся
превзойти уровень лучших мировых достижений. Эти значе-
ния критериев развития играют роль маяка, указывающего на-
правление прогрессивного развития изделий и технологий.
Технический уровень любого изделия характеризуется, как
правило, несколькими критериями развития. Поэтому в соот-
ветствии с принципом прогрессивного развития разработчики
каждого нового поколения ТО стремятся максимально улуч-
шить одни критерии и не ухудшить другие.
2.1.2. Классификация критериев развития
технических объектов
Состав критериев развития для различных классов тех-
нических объектов практически одинаков. Критерии развития
можно разделить на четыре группы (рис. 5):
♦ функциональные критерии, характеризующие важ-
нейшие показатели реализации техническим объектом своей
функции;
42
♦ технологические критерии, отражающие возможность
изготовления ТО, а также затраты живого труда при его изго-
товлении и эксплуатации;
♦ экономические критерии, определяющие экономиче-
скую целесообразность реализации функции с помощью рас-
сматриваемого ТО;
♦ антропологические критерии, оценивающие приспо-
собленность ТО к свойствам человека (антропометрическим,
биомеханическим и др.), степень влияния вредных и опасных
(непосредственных или опосредованных) воздействий ТО на
человека.
Затраты
материалов
Функциональ-
ные критерии.
Использование
k материалов ,
< А
Расчленение ТО
L на элементы „
Трудоемкость
изготовления
\_______________/
'Технологические
„ возможности J
Затраты
энергии
'Затраты на подго-
товку и получение
< информации ,
Габаритные
k размеры ТО „
Антропологи-
ческие критерии
Безопасность
ТО
~ ч
Экологичность
ТО J
Рис. 5. Классификация критериев развития ТО
В каждой группе имеет место классификация критериев
развития по ряду признаков: по количеству характеризуемых
свойств ТО, по сущности свойств, по виду ограничений на
возможные значения и другим признакам.
По количеству оцениваемых свойств различают единич-
ные, комплексные, обобщенные и интегральные критерии.
Единичный критерий характеризует какое-то одно свой-
ство ТО, например, сохранение техническим объектом работо-
способности в течение заданного времени эксплуатации (ве-
роятность безотказной работы).
43
Комплексные, обобщенные и интегральные критерии
количественно характеризуют несколько свойств ТО. Эти кри-
терии отличаются друг от друга целями применения; исполь-
зуемыми для вычисления их значений методами математики;
видами зависимости, количественно описывающей взаимо-
связь свойств, их взаимодействие и совместное влияние на
качество ТО в целом или качество отдельных его сторон (качес-
тво выполнения заданных функций, затраты на изготовление,
утилизацию и т. п.).
Комплексный критерий представляет собой функцио-
нальную зависимость, отражающую взаимосвязь простых
свойств на уровне их природной сущности - физической, хи-
мической, экономической и т. п.
Обобщенный критерий представляет собой суммарную
оценку значимости влияния отдельных свойств на более слож-
ное (назначение, надежность и т. п.) или технический уровень
ТО в целом, основанную на статических данных о работе объ-
екта, экспертных оценках или других данных.
Некоторые критерии, количественно оценивающие одни
и те же свойства ТО, могут неоднозначно отражать техниче-
ский уровень разных ТО. Например, повышение уровня звуко-
вой мощности (шума) двигателей или станков указывает на
ухудшение их качества. В то же время повышение уровня зву-
ковой мощности сигнальных устройств характеризует улуч-
шение качества этих устройств. В связи с этим при оценке ка-
чества конкретного технического объекта выделяют его пози-
тивные и негативные критерии.
К позитивным относятся критерии, увеличение числен-
ных значений которых указывает на улучшение качества ТО.
Такими показателями, например, являются: производитель-
ность, эффективность обработки сырья, коэффициент полез-
ного действия и другие. Негативные - это критерии, увеличе-
ние численных значений которых характеризует ухудшение
качества ТО, например, среднее время восстановления работо-
способного состояния, точность обработки материала и т. п.
44
В зависимости от численных значений, которые могут
принимать критерии развития, их разделяют на неограничен-
ные и ограниченные.
К неограниченным относятся позитивные и негативные
критерии, не имеющие ограничений «сверху» (0 < Р < оо) или
имеющие «сверху» только физический предел (0 < Р < Рфихпредел)-
Например, такие критерии, как коэффициент полезного дейст-
вия или вероятность отказа, могут принимать значения в интер-
вале [0; 1]. К ограниченным относятся позитивные (негативные)
критерии, имеющие определенные ограничения «снизу» -
не менее («сверху» - не более). В частности, если в технических
условиях указано минимальное значение ресурса двигателя Рдв
(например, 5000 ч), то фактическое значение этого критерия
может быть в пределах 5000 < Р№ < оо. Среди ограниченных
критериев могут быть критерии, имеющие предельные значе-
ния и «снизу», и «сверху» (позитивно-негативные критерии).
Например, температура при которой сохраняется работо-
способность рассматриваемого ТО, ограничена значениями:
-20 °C <Р,<40 °C.
Критерии развития классифицируют также по стадии оп-
ределения (прогнозируемые, эксплутационные и т. п.), методу
определения (экспериментальные, расчетные и т. п.) и другим
признакам.
2.1.3. Требования к критериям развития
технических объектов
Важнейшим требованием, которому должны удовлетво-
рять критерии развития, является условие их измеримости,
т. е. возможность количественной оценки по одной из шкал из-
мерений: шкале отношений, шкале интервалов, шкале порядков.
Предпочтение отдается шкале отношений. Если она неприемле-
ма, то для определения значения критерия используют шкалу
интервалов и в последнюю очередь шкалу порядка.
Напомним основные сведения об измерительных шкалах.
45
Измерительные шкалы. Свойства изделий могут прояв-
ляться в качественной, количественной форме и иметь обе
формы проявления. Например, интенсивность окраски по-
верхности ТО в зависимости от зрительного восприятия может
быть яркой, обычной, тусклой. Пластичность машинострои-
тельного материала (стали, чугуна, цветного сплава и др.) ка-
чественно проявляется видом стружки, образующейся при его
резании («сливная», «надлома», «скалывания»). Вместе с этим
пластичность материала может быть определена и количест-
венно через изменение размеров образца при его испытаниях
на растяжение или сжатие.
В соответствии с формой проявления свойств использу-
ются различные формы представления этих проявлений: в ви-
де словесного описания, рисунков, фотографий, эталонов
(вкуса, запаха и т. д.), числовых значений и др.
Отдельные фиксированные значения (рисунок, эталон,
числовое значение) проявлений свойства называют градация-
ми. Если градации проявления свойств определены с помощью
словесных описаний, рисунков и т. п., то соответствующие по-
казатели свойств являются качественными. В случае возможно-
сти регистрации проявления свойства в количественной форме
его показатель относится к количественным. Совокупность гра-
даций, охватывающая все возможные в задаче значения прояв-
ления свойства, образует шкалу его измерения. Учитывая, что
при оценке технического уровня объекта могут использоваться
и качественные, и количественные показатели свойств, приве-
дем следующее толкование термина «измерение».
Измерить проявление свойства в каком-либо объекте -
значит отождествить выраженность этого свойства с одной из
градаций его шкалы измерения.
По наличию и характеру зависимости между градациями
различают шкалы порядка, интервалов и отношений. Тип
шкалы определяет допустимые операции статистической об-
работки результатов измерений, причем шкала порядка пре-
доставляет в этом отношении минимальные возможности,
а шкала отношений - максимальные.
46
Шкала порядка. Позволяет определить различие степе-
ней (уровней) проявления свойства по условию «меньше-
больше», «лучше - хуже» и т. п. или выделить признаки изме-
нения свойства, состояния объекта во времени. Градации шка-
лы порядка могут иметь словесное описание, рисуночное изо-
бражение, специально подготовленные эталоны (цвета, запаха
и т. п.). В этой шкале можно расположить в порядке возраста-
ния или убывания степени проявления свойств или признаки,
характеризующие изменения некоторого процесса во времени
(например, структурные изменения в металлических сплавах
при нагревании или охлаждении). В частности, измерительной
шкалой порядка для определения физического износа обору-
дования может служить ранжированный ряд из градаций в ви-
де словесных описаний степени износа:
незначительный < умеренный < недопустимый.
С целью облегчения измерений по шкале порядка неко-
торые выбранные градации фиксируют в качестве опорных
(реперных). Реперным градациям присваивают цифровые значе-
ния, обычно называемые баллами. Шкалы порядка хотя и позво-
ляют осуществлять ранжирование уровней проявления свойств,
однако численные значения количества каждого из свойств
в объекте являются неизвестными, и поэтому не представляется
возможным выполнение каких-либо арифметических операций
с градациями этих шкал, даже если они представлены в баллах
(количество свойства остается неизвестным).
Шкала интервалов. Это шкала, градации которой фик-
сируют величину арифметической разности между измеряе-
мым количеством свойства и количеством этого свойства,
принятым за точку отсчета (обычно за нулевое значение). При
этом само количество измеряемого свойства или параметра
объекта может оставаться (или вообще быть) неизвестным.
Например, измеряя время протекания (развития) некоторого
процесса или явления, мы фиксируем числовое значение от-
резков (интервалов) изменения времени относительно приня-
47
той точки отсчета. Между тем количество времени, прошед-
шего до точки отсчета, нам остается неизвестным.
Реперные точки в шкале интервалов выбираются произ-
вольно либо исходя из физического или иного состояния объек-
тов. В частности, в шкале Цельсия измерения температуры ее
реперные точки отражают агрегатное состояние воды. За нача-
ло отсчета (нулевое значение) принята температура замерзания
воды (таяния льда). Другая реперная точка, принятая за 100 °C,
фиксирует температуру кипения воды (перехода в газообразное
состояние). В шкале Фаренгейта этим же состояниям воды со-
ответствуют реперные точки, равные 32 °F и 212 °F.
Заметим, что ни значения реперных точек по шкале
Цельсия, ни значения этих точек по шкале Фаренгейта не от-
ражают абсолютную температуру воды, находящейся в фик-
сируемых состояниях. Однако поскольку градации шкалы ин-
тервалов представляют собой количественную разницу в про-
явлениях свойства, то в отличие от шкалы порядка шкала
интервалов позволяет судить не только о том, что один объект
имеет данного свойства больше, чем другой, но и определить
количественно, насколько этого свойства больше.
Шкала отношений. Это измерительная шкала, в которой
градации отражают количество измеряемого свойства в объек-
те, количественные значения величин, характеризующих фор-
мы существования объекта, его взаимодействие с другими
объектами. Измерение по шкале отношений заключается
в сравнении неизвестного количества измеряемой величины
(силы, давления, массы, скорости и др.) с известным количе-
ством однородной ей величины, принятым за единицу измере-
ния. При этом значение N измеренной величины представляет
собой кратное или дольное отношение:
где Q - количество измеряемой величины; [(?] - единица
измерения; N - количество измеренной величины, выраженное
в единицах измерения.
48
Со значениями N или Q шкалы отношений возможны
все математические операции. Поэтому шкала отношений яв-
ляется наиболее распространенной и широко применяемой
при измерениях свойств и их проявлений при взаимодействии
объектов любой природы.
Кроме требования измеримости, критерии развития
должны удовлетворять:
♦ требованию сопоставимости, т. е. иметь такие еди-
ницы измерения, которые позволяют сопоставлять ТО разных
времен и стран. Такому требованию в наибольшей степени
удовлетворяют безразмерные и удельные показатели, с помо-
щью которых можно сопоставлять ТО как с различными
функциями, так и с одинаковыми или близкими функциями;
♦ требованию приоритетности, т. е. характеризовать,
в первую очередь, эффективность ТО и оказывать определяю-
щее влияние на его развитие;
♦ требованию минимальности и независимости, т. е.
быть такими, которые не могут быть логически выведены из
других критериев или быть их прямым следствием.
2,1.4. Методы определения численных значений
критериев развития
Методы определения численных значений критериев
развития подразделяются на две группы:
- по способам (средствам) получения информации;
- по источникам получения информации.
В первой группе выделяют измерительный, регистраци-
онный, органолептический и расчетный методы.
Измерительный метод основан на непосредственном
измерении критериев развития с помощью различных техни-
ческих средств: показывающих, самопишущих, печатающих
и др. Этим методом определяют значения большинства крите-
риев: массы, размеров, механических и электрических напря-
жений, затрат топлива, пара и др.
49
Регистрационный метод заключается в обнаружении
(регистрации) и подсчете различных событий, явлений, объек-
тов, например числа отказов технического объекта, количества
его различных частей (стандартных, унифицированных, защи-
щенных патентами и т. п.). Регистрационный метод использует-
ся при определении значений критериев надежности, патентно-
правовых и др.
В органолептическом методе для определения значений
критериев используется информация, полученная в форме
ощущений и восприятий от органов чувств человека: зрения,
слуха, обоняния, болевых ощущений, осязания и вкуса. При
этом значения критериев выражаются в баллах. В органолеп-
тическом методе могут быть использованы технические сред-
ства (кроме измерительных и регистрационных), повышающие
разрешающие способности органов чувств человека, например
микроскопы, усилители громкости и т. п. Данный метод ши-
роко применяется при определении эргономических и эстети-
ческих показателей.
При расчетном значения критериев развития ТО
вычисляют по теоретическим или эмпирическим зависимо-
стям с использованием данных, полученных другими метода-
ми. Этим методом рассчитывают значения функциональных,
технологических, экономических и других критериев.
В зависимости от используемых источников получения
информации различают традиционный, экспертный и социо-
логический методы определения значений критериев развития.
В традиционном методе данные о значениях критериев
или для определения их значений получают из традиционных
источников: экспериментальных лабораторий, испытатель-
ных станций, вычислительных центров, отделов техническо-
го контроля.
Экспертный метод предполагает использование инфор-
мации, полученной в результате опроса специалистов-экспер-
тов. Данный метод применяется в тех случаях, когда затрудни-
50
тельно или невозможно в данный момент определить значения
критериев развития объективными методами (измерительным,
регистрационным или расчетным).
Социологический метод основан на сборе и обработке
информации о качестве технических объектов, полученной
от фактических или возможных потребителей.
2.1.5. Методические основы выбора и описания
критериев развития технических объектов
Единичный критерий, каким бы важным он ни был,
не может всесторонне характеризовать эффективность функ-
ционирования разрабатываемого технического объекта и про-
цесс его создания. Поэтому рабочая группа - исполнители зака-
за на создание нового ТО - формирует совместно с заказчиком
состав критериев развития, достаточно полно отражающий
технический уровень проектируемого объекта и процесс его
изготовления. Процедуру выбора критериев развития и при-
знание важности этой процедуры иногда называют политикой
или стратегией выбора.
При выборе критериев развития разрабатываемого ТО
ориентируются прежде всего на государственный стандарт
ГОСТ 23851-77 «Выбор номенклатуры показателей качества
промышленной продукции», а также на показатели качества,
приведенные в международных стандартах (ИСО, МЭК и др.),
в национальных зарубежных и отечественных стандартах, ка-
талогах, проспектах фирм - изготовителей данного вида ТО
и других источниках.
После выделения набора критериев развития для инте-
ресующего класса технических объектов производится описа-
ние каждого критерия. Описание критерия включает в себя
следующие сведения:
1. Сущность критерия.
2. Формулу или способ измерения критерия, включая
указание шкалы или единицы измерения.
51
3. Диапазон и характер изменения значений критерия во
времени.
4. Оценку степени общности критерия по трехбалльной
шкале:
а) критерий имеет отношение к рассматриваемому классу
технических объектов с одинаковыми или близкими функциями;
б) критерий имеет отношение к нескольким классам тех-
нических объектов с различными функциями, но определен-
ными общими свойствами;
в) критерий имеет отношение к техническим объектам
с любой функцией.
Оценка степени общности критерия отражает возможно-
сти заимствования улучшенных технических решений из дру-
гая (по отношению к рассматриваемому ТО) областей техники.
5. Оценку изменения относительной значимости (акту-
альности) критерия в прошлом и обозримом будущем по трех-
балльной шкале:
а) актуальность возрастает;
б) актуальность остается неизменной;
в) актуальность снижается.
6. Основные способы и средства улучшения критерия.
22. Характеристика групп критериев развития ТО
2.2.1. Функциональные критерии развития ТО
Функциональные критерии развития характеризуют по-
лезный эффект от эксплуатации (потребления) технического
объекта, конструктивные и технологические возможности его
применения в конкретных условиях использования, т. е. коли-
чественно оценивают основные показатели реализации его
функции. Полезный эффект от эксплуатации ТО может быть
выражен объемом вещества (воды, песка, белья, полуфабрика-
тов и т. п.), энергии или информации, обрабатываемых за за-
данный период времени, качеством обработки (точностью из-
мерения, объемом годного продукта) и другими показателями.
52
Конструктивные возможности применения техниче-
ских объектов отражаются их массой, мощностью установ-
ленных двигателей, размерами их рабочих элементов (стола
станка, бельевого бака, кузова автомобиля, поверхности по-
догревателя и т. д.), а также простотой и удобством установ-
ки и монтажа машин (блочностью), затратами живого труда
при их эксплуатации (уровнем механизации и автоматиза-
ции) и другими показателями.
Технологические возможности определяются способно-
стями технического объекта обрабатывать объекты обработки
или взаимодействовать с ними в зависимости от свойств этих
объектов (твердости, упругости, вязкости, массы, размеров,
количества энергии, необходимой для преобразования, и др.),
а также свойств внешней среды, в которой эксплуатируется
ТО (агрегатного состояния, температуры, влажности и др.).
В связи с многообразием технических объектов и вы-
полняемых ими технических функций практически невозмож-
но привести исчерпывающий перечень функциональных кри-
териев. Вместе с тем в этом перечне можно выделить четыре
группы наиболее часто используемых функциональных крите-
риев: критерии производительности, точности, надежности
и специальные критерии.
Критерий производительности характеризует объем
вещества, энергии или информации, обрабатываемых в едини-
цу времени. Он представляет собой интегральный показатель
технического уровня развития ТО и всегда может быть изме-
рен или вычислен через единичные показатели: скорость обра-
ботки объекта, величину выходного потока и др.
Критерии точности характеризуют качество выпол-
нения ТО заданных технических функций и представляют со-
бой количественную оценку точности обработки входного по-
тока вещества, энергии или информации. В зависимости от
технической функции ТО выделяют критерии точности изме-
рения, точности обработки, точности попадания в цель и др.
53
Критерии надежности. Надежность - свойство техни-
ческого объекта сохранять в установленных пределах времени
значения всех параметров, характеризующих способность вы-
полнять требуемые функции в заданных режимах и условиях
применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения,
транспортировки и других действий. Как сложное свойство,
надежность проявляется в виде продолжительности безотказ-
ной работы или вероятности безотказной работы в течение
заданного времени, количества отказов за рассматриваемый
период времени, среднего технического ресурса до капиталь-
ного ремонта, срока службы, способностей к восстановлению
рабочего состояния, объема работ по техническому обслужи-
ванию и ремонту, срока хранения и других признаков.
В состав критериев надежности входят следующие обоб-
щенные критерии [35]: безотказность, долговечность, ремон-
топригодность, а также комплексные показатели: коэффици-
ент готовности, коэффициент технического использования
и коэффициент оперативной готовности. Следует заметить,
что все критерии надежности по отношению к каждому кон-
кретному изделию носят прогнозный характер, поскольку са-
мо свойство «надежность» относится к будущему существова-
нию ТО, к его предстоящей эксплуатации, условия которой
разнообразны и мало предсказуемы.
Критерии производительности, точности и надежности
представляют собой монотонно возрастающие функции. Акту-
альность и значимость этих критериев всегда были выше по
сравнению с другими критериями и со временем продолжают
возрастать.
Специальные критерии. Эти критерии являются част-
ными критериями и оценивают специфические способности
конкретных технических объектов выполнять свои функции
в соответствии с назначением. Например, к частным критери-
ям технического уровня ЭВМ относятся такие, как емкость
оперативного запоминающего устройства, пропускная спо-
собность подсистемы ввода-вывода и др.
54
2.2.2. Технологические критерии развития ТО
Технологические критерии характеризуют затраты тру-
да, материальных и финансовых средств, времени и других
ресурсов при технической подготовке производства, при из-
готовлении, подготовке к эксплуатации (монтаже), при экс-
плуатации, техническом обслуживании и ремонте ТО. Эти
затраты определяются как трудоемкостью изготовления от-
дельных деталей и сборочных единиц, так и возможностями
использования готовых деталей и сборочных единиц (комплек-
тующих изделий), изготавливаемых по условиям государствен-
ных стандартов, стандартов смежных предприятий-изготови-
телей, а также количеством повторяющихся сборочных единиц
в изделии, числом стандартных, унифицированных и ориги-
нальных деталей и узлов.
При создании новых или совершенствовании сущест-
вующих технических объектов ориентируются, главным обра-
зом, на достигнутые в конкурентоспособных технических объ-
ектах значения следующих критериев: трудоемкости изготов-
ления ТО, технологических возможностей изготовления ТО,
использования материалов и расчленения ТО на элементы.
Критерий трудоемкости изготовления ТО представля-
ет собой отношение суммарной трудоемкости Тс проектирова-
ния, изготовления и подготовки к эксплуатации ТО к его глав-
ному показателю эффективности Q, т. е. определяет удельную
трудоемкость создания технического объекта на единицу полу-
чаемой эффективности:
= TJQ.
Из показателей эффективности в качестве главного выби-
рается такой показатель эффективности Q, чтобы критерий /Ст
объективно отражал прогрессивное развитие технического объ-
екта. Например, для двигателей главным показателем эффек-
тивности является их мощность, для обрабатывающих машин
(экскаваторов, станков) - производительность, для муфт и редук-
торов - крутящий момент и т. п.
55
Критерий трудоемкости является монотонно убываю-
щей со временем функцией при условии, что сопоставление
различных поколений ТО осуществляется по одному и тому
же показателю эффективности Q.
Критерий технологических возможностей изготов-
ления ТО является обобщенным критерием и отражает коли-
чественный и качественный состав элементов ТО с точки зре-
ния возможностей их изготовления и приобретения. В состав
любого технического объекта может входить до пяти типов
элементов (блоков, узлов, деталей):
♦ стандартные* или покупные элементы, приобретае-
мые в готовом виде;
♦ унифицированные элементы , заимствованные из су-
ществующих ТО;
♦ оригинальные (новые) элементы, изготовление кото-
рых не вызывает затруднений, но требует разработки и отлад-
ки технологии их изготовления;
♦ оригинальные элементы, изготовление которых вы-
зывает значительные, но преодолимые трудности (требуется
разработка новой технологии, изготовление сложной техноло-
гической оснастки и т.п.);
♦ оригинальные элементы, изготовление которых вы-
зывает принципиальные и непреодолимые в данный момент
трудности (отсутствует в принципе или нельзя приобрести не-
обходимое оборудование, нужные материалы, требуется пред-
варительное проведение НИР и ОКР и т. п.).
Критерий технологических возможностей КГЛ может
принимать любые значения на отрезке 0 < Кгл< 1, в том числе
и ноль в случае наличия в составе ТО оригинальных элемен-
К стандартным составным элементам ТО относятся детали, сбо-
рочные единицы, комплекты и технические комплексы, изготавливаемые
по условиям государственных стандартов, а также по стандартам
предприятий-изготовителей.
Унифицированными составными элементами технического
объекта являются элементы, изготавливаемые в соответствии со стандар-
тами и используемые в двух и более различных ТО.
56
тов, изготовление которых вызывает принципиальные и не-
преодолимые в данный момент трудности. Хотя увеличение
значения критерия Кгл указывает на улучшение качества ТО,
однако его не относят к монотонно возрастающим функциям,
поскольку часто в новых поколениях технических объектов
для улучшения более важных критериев приходится ухудшать
критерий технологических возможностей.
В практике оценки технического уровня ТО широко ис-
пользуют единичные показатели критерия технологических
возможностей: коэффициент унификации, процент стандарт-
ных частей и другие [35].
Критерий использования материалов представляет
собой отношение массы изделия G к массе израсходованного
материала М (без учета покупных комплектующих изделий):
/Сим = G/M
В случае использования материалов, значительно отли-
чающихся по стоимости, вычисление значения КИМ выполняют
с учетом массы и стоимости различных материалов [26].
Критерий использования материалов имеет тенденцию
монотонного возрастания во времени, но иногда может иметь
резкое (скачкообразное) возрастание, обычно обусловленное
применением новых высокопроизводительных технологиче-
ских процессов. Актуальность критерия ЛГИМ на протяжении
всей истории техники была и остается высокой и неизменной
по отношению к любому классу ТО.
Критерий расчленения ТО на элементы характеризует
трудоемкость разработки, доводки, изготовления, монтажа,
ремонта, а также необходимую преемственность данного ТО -
его унифицированность. Этот критерий обеспечивает в каж-
дом новом поколении изделий приближение к оптимальному
числу отдельных элементов ТО (деталей, узлов, блоков и т. д.).
Критерий расчленения ТО на элементы относится к лю-
бым техническим объектам, которые состоят более чем из одного
элемента, серийно выпускаются и от поколения к поколению
претерпевают прогрессивные конструктивные изменения.
57
2.2.3. Экономические критерии развития ТО
Экономические критерии характеризуют те свойства ТО,
которые отражают его техническое совершенство с точки зре-
ния экономного использования ресурсов (материалов, энергии,
топлива, информации и т. д.) при изготовлении и (или) эксплуа-
тации ТО. Эги критерии имеют вид удельных показателей, опре-
деляющих объем используемых ресурсов, приходящийся на
единицу главного показателя эффективности Q технического
объекта (мощность, производительность, надежность и т. п.)
или единицу полезного эффекта от его эксплуатации.
Критерий расхода материалов равен отношению мас-
сы технического объекта G к его главному показателю эффек-
тивности Q:
KU = G/Q.
Критерий расхода материалов является монотонно убы-
вающей функцией при условии, что сопоставление различ-
ных поколений ТО производится по одному и тому же пока-
зателю эффективности. Относится практически ко всем клас-
сам ТО и сохраняет высокую актуальность на протяжении
всего периода развития технических объектов.
Критерий расхода энергии обычно вычисляют по фор-
муле
K3 = WIQ,
где W- затраты энергии при эксплуатации ТО в единицу
времени.
В случае, когда затраты энергии на изготовление ТО по
своей величине сопоставимы с затратами энергии за весь пе-
риод его эксплуатации, для расчета К3 определяют полные за-
траты энергии при изготовлении ТО и его эксплуатации за
весь период работы и величину полезного эффекта, получен-
ного за время эксплуатации ТО. Критерий расхода энергии
имеет такое же изменение во времени, как и критерий расхода
материалов.
58
Коэффициент полезного действия (КПД) характеризу-
ет техническое совершенство ТО с точки зрения экономного
расходования энергии W при выполнении полезной работы Wo
и определяется по формуле
П = Wo/W.
КПД используется для сравнения ТО с одинаковыми фи-
зическими принципами действия. Представляет собой моно-
тонно возрастающую функцию, принимающую значение
в интервале (0; 1).
Критерий затрат на информационное обеспечение.
Данный критерий был введен для оценки технических объек-
тов во второй половине XX века в связи с широким использо-
ванием средств вычислительной техники при создании и экс-
плуатации многих ТО. При этом затраты на информационное
обеспечение стали сопоставимыми с затратами на материалы и
энергию, как и прибыль от этих затрат. Критерий затрат на
информационное обеспечение рассчитывается по формуле
/Си.о = 5/е,
где S - затраты на подготовку и обработку информации, вклю-
чающие стоимость и затраты на эксплуатацию вычислительной
техники, разработку программного и информационного обес-
печения.
Критерий Ки о является монотонно убывающей функци-
ей. Может иметь резкое увеличение значения, когда вложен-
ные затраты на информационное обеспечение не дают сразу
опережающего повышения эффективности ТО.
Критерий габаритных размеров ТО отражает затраты,
связанные с размещением ТО на производственных площадях
помещений и зданий, затраты по защите ТО (на защитные ко-
жухи, чехлы, лакокрасочные материалы и т. п.), а также опре-
деляет возможности увеличения полезного объема технических
надсистем (летательных аппаратов, подводных лодок и т. д.),
в состав которых входят рассматриваемые ТО. Вычисляется как
59
отношение габаритных размеров технического объекта V к его
главному показателю эффективности Q:
Kr=V/Q.
В приведенной формуле в качестве параметра V исполь-
зуется наиболее важный для данного технического объекта
показатель габаритных размеров: объем, площадь или линей-
ный размер, например длина ТО.
Для технических объектов, уменьшение размеров кото-
рых функционально не ограничено, критерий Кг представляет
собой монотонно убывающую функцию. Актуальность крите-
рия все время возрастает.
2.2.4. Антропологические критерии развития ТО
Антропологические критерии оценивают приспособлен-
ность технических объектов к антропометрическим, биомеха-
ническим, физиологическим и психологическим свойствам
человека, использующего эти объекты, а также влияние вред-
ных или опасных воздействий технического объекта (непо-
средственно или опосредованно) на человека.
Критерий эргономичности ТО - это обобщенный по-
казатель, характеризующий совокупность эргонометрических
свойств технического объекта, позволяющих человеку вы-
полнять функции управления, обслуживания и использова-
ния техники с требуемым качеством и без ущерба для его
здоровья. Эргонометрические свойства ТО проявляются
в виде его физических воздействий (температуры, влажности,
магнитного и электрического полей, запыленности, вибраций
и т. п.) на человека, соответствия его конструкции и частей раз-
мерам и форме тела человека, его весу, силовым, зрительным,
слуховым, осязательным и другим возможностям.
Эргономика - научная дисциплина, изучающая функциональные
возможности человека (или группы людей) и его (их) деятельность
в условиях современного производства с целью оптимизации орудий,
условий и процесса труда.
60
Критерий эргономичности для конкретного ТО равен
отношению реализуемой эффективности системы «человек-
машина» к максимально возможной эффективности этой сис-
темы [28]. Он представляет собой зависящую от времени мо-
нотонно возрастающую функцию, стремящуюся к своему пре-
делу, равному единице.
Критерий эстетичности ТО является обобщенным по-
казателем, отражающим на основе сложившихся в обществе на
данный момент эстетических представлений и культурных
норм соответствие реализованных в ТО формы и конструктив-
ных решений его назначению, художественной выразительно-
сти и гармоничности частей и изделия в целом, а также качест-
во выполнения поверхностей и сочленений элементов изделия,
четкость изображения фирменных знаков, надписей, рисунков
и т.п. В состав критерия эстетичности входят такие групповые
показатели, как информационная выразительность, рациональ-
ность формы, целостность конструкции и другие [35].
Критерий безопасности ТО отражает уровень опасно-
сти для обслуживающего персонала, а также окружающих
людей со стороны ТО в процессе его эксплуатации, хранения
и утилизации. Величина критерия безопасности зависит от
количества вредных и опасных воздействий, степени возмож-
ных повреждений (профессиональных заболеваний, травм,
увечий) и других факторов. При расчете критерия безопасно-
сти Kq по предложенной в работе [26] методике его значение
при условии соблюдения нормативных (предельно допусти-
мых) значений вредных воздействий может находиться в пре-
делах 0 < К5 < 1. При нарушении нормативных значений для
любого из опасных факторов значение К6 > 1.
Критерий безопасности имеет отношение ко всем клас-
сам технических объектов, которые своим функционировани-
ем, выпускаемой продукцией или используемым сырьем ока-
зывают или могут оказывать на окружающих людей вредное
или опасное воздействие.
61
Критерий экологичности ТО оценивает уровень вред-
ного воздействия технического объекта на окружающую сре-
ду. Свойства экологичности ТО проявляются в форме вредных
химических, механических, физических, биологических воз-
действий на окружающую среду. Эти свойства обусловлены
использованием природных материальных и энергетических
ресурсов (нефти, песка, древесины, воды и т. п.) при изготов-
лении, эксплуатации, ремонте и утилизации ТО, а также воз-
можными выбросами различного вида загрязнений в окру-
жающую среду на всех стадиях жизни ТО. Такими загрязне-
ниями могут быть вредные вещества и пыль, потоки
радиационного, электромагнитного, светового и других видов
излучения.
Для оценки экологической безопасности ТО разработа-
но большое количество методических подходов, основанных
на анализе состава загрязнителей, степени их вредности, устой-
чивости и миграции в окружающем пространстве, на анализе
статистических оценок и математических моделей, на расчетах
экономических ущербов и т. п.
Глава 3
ЗАКОНЫ СТРОЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ
Наука о законах и закономерностях техники в настоя-
щее время находится на начальном этапе своего становле-
ния - этапе выявления, осознания, обоснования и формули-
рования законов и закономерностей строения и развития
технических систем.
Впервые вопросы о закономерностях техники были
затронуты К. Марксом в связи с изучением влияния техники
на развитие экономики и общества. Систематизация и анализ
результатов изучения закономерностей развития техники выпол-
нены А.И. Половинкиным в работе [27]. До 60-х гг. XX в. про-
блема существования законов техники наукой практически не
затрагивалась. Только в начале 70-х гг. эту проблему с фило-
софской точки зрения обстоятельно рассмотрели Ю.С. Меле-
щенко [14] и С.С. Товмасян [32]. В дальнейшем эта проблема
активно исследуется с позиций инженерного творчества
Е.П. Балашовым [5], А.Ф. Каменевым [12], Г.С. Альтшулле-
ром [3], А.И. Половинкиным [25] и др.
Современное состояние науки о законах техники
представлено пока системой инвариантных понятий техни-
ки, понятиями о законах и закономерностях строения и раз-
вития техники, рядом возможных формулировок законов
техники и другими результатами фундаментальных иссле-
дований, относящихся к техносфере. Однако даже имею-
щиеся результаты исследований истории техники позволя-
ют разрабатывать эффективные методологию и методы ин-
женерного творчества, определять оптимальные структуру
и параметры технических объектов в их следующих поко-
лениях.
63
3.1. Законы и закономерности техники.
Основные понятия
3.1.1. Поколения и модели технических объектов
В новых технических объектах выделяют новые поколения
ТО и новые модели ТО. Новое поколение технического объекта
обладает более существенными отличиями от предыдущего по-
коления, чем новая модель его от предшествующей модели.
Новое поколение ТО от его предыдущего поколения
может отличаться функциональной структурой, принципом
действия или значительными различиями в техническом реше-
нии и имеет более высокие потребительские качества. Как пра-
вило, любое поколение технического объекта реализуется
в виде нескольких различающихся моделей этого ТО.
Новые модели ТО имеют общие признаки ТО поколе-
ния, к которому они относятся (функциональную структуру,
физический принцип действия, техническое решение). Моде-
ли технического объекта отличаются между собой конструк-
тивным исполнением на уровне параметров и признаков тех-
нического решения (размерами и геометрической формой
отдельных элементов, их взаимным расположением, спосо-
бом закрепления и т.п.), обеспечивающих некоторое улучше-
ние потребительских качеств.
3.1.2. Понятия закона и закономерности техники
Понятие закон в широком смысле выражает связь и взаи-
мозависимость каких-нибудь явлений действительности, обу-
словливающих их развитие (закон сохранения энергии, законы
общественного развития, законы Ньютона и т. п.). Различают
три группы законов: частные (специфические), общие и всеоб-
щие (универсальные).
Частные законы выражают отношения между конкрет-
ными специфическими явлениями или частными свойствами
материи и могут быть описаны математически в виде функ-
64
циональной зависимости (закон Гука: <з = Е е ; закон трения
Амонтона- Кулона: F=f N и т. п.).
Общие законы характеризуют отношения между общими
свойствами больших совокупностей объектов и явлений, напри-
мер законы сохранения энергии, массы и др. Эти законы, как
и частные, могут быть выражены в математической форме.
Всеобщие законы отражают отношения между всеоб-
щими, всюду существующими свойствами или тенденциями
развития материи. Они не имеют конкретной функциональной
формы и не могут быть описаны математически, поскольку
не ограничены какими-то условиями, параметрами, констан-
тами или специфическими группами объектов (закон единства
и борьбы противоположностей, закон противоречия, закон от-
рицания отрицания и др.).
Применительно к объектам и явлениям, относящимся
к технике, многими исследователями практически признано
существование и действие ряда законов строения и развития
технических систем и предложены формулировки этих зако-
нов. Однако эти формулировки разных авторов [3, 5, 12, 25],
отражая сущность одного и того же закона, существенно раз-
личаются между собой по форме изложения этого закона.
Поскольку наука о законах техники в настоящее время нахо-
дится на этапе их выявления и формулирования, то в данном
учебном пособии приводятся в виде обзора только отдельные
законы и закономерности строения и развития технических
систем, наличие и действие которых в технике не вызывает
каких-либо сомнений у исследователей данной проблемы.
Итак, выделяют понятия «закон» и «закономерность»
техники.
Законы техники отражают наиболее важные и фунда-
ментальные связи и отношения, которые проявляются в любой
технической системе или во многих классах технических сис-
тем, различных по функциям и структурам.
Закономерности техники отражают связи и отношения,
которые проявляются в любых технических системах с одина-
ковыми или близкими функциями.
65
Следует отметить, что в предлагаемых ниже формули-
ровках законов и закономерностей техники конкретизируются
такие общие понятия материального мира, как явления и свой-
ства материи, в виде понятий и признаков, относящихся непо-
средственно к техническим системам: потребность, функцио-
нальная структура, физический принцип действия, параметры
технического решения и т. д.
3.2. Законы и закономерности
СТРОЕНИЯ ТЕХНИКИ
Законы и закономерности строения техники отражают
устойчивые признаки в конструктивной и потоковой функ-
циональной структуре, физическом принципе действия и тех-
ническом решении, которые существуют и остаются неизмен-
ными на протяжении многих поколений в историческом разви-
тии технических систем.
На основе результатов статистического анализа патент-
ного фонда изобретений Г.С. Альтшуллер выявил три условия
принципиальной жизнеспособности технических систем, кото-
рые он сформулировал в виде трех законов строения техни-
ческих систем [3]:
♦ закона полноты частей системы;
♦ закона энергетической проводимости частей системы;
♦ закона согласования ритмики частей системы.
Краткое содержание сущности этих законов заключается
в следующем.
Закон полноты частей системы отражает необходи-
мость наличия в любой жизнеспособной технической системе
четырех частей (рис. 6):
- рабочего органа, осуществляющего обработку предме-
та труда;
- двигателя, преобразующего вещество или извне полу-
ченную энергию в конечный вид энергии, необходимый для
реализации рабочим органом технологической функции;
66
- трансмиссии, передающей энергию от двигателя к ра-
бочему органу;
-органа управления, осуществляющего управляющие
воздействия на части системы.
Рис. 6. Состав подсистем жизнеспособной технической системы
Полной техническая система является тогда, когда она
имеет все необходимые элементы (подсистемы) для выполнения
своих функций без участия человека. При отсутствии тех или
иных элементов их заменяет человек. Во многих относительно
простых технических объектах имеет место совмещение одним
элементом системы нескольких функций. Например, спортивный
лук- это техническая система, состоящая из стрелы (рабочий
орган), дуги (двигатель) и тетивы, выполняющей две функции:
функции двигателя и трансмиссии. Отсутствует орган управле-
ния. Этот отсутствующий в луке элемент, как и отсутствующий
внешний источник энергии, восполняет человек.
Закон энергетической проводимости частей системы
отражает наличие в жизнеспособной технической системе
сквозного прохода энергии по всем ее частям. Существование
и действие этого закона обусловлено, прежде всего, необхо-
димостью выполнения технической системой заданной техно-
логической функции по преобразованию вещества, энергии
или информации. Например, для осуществления транспорти-
рования груза в пространстве с помощью автомобиля в нем
должны осуществляться обмен потоками вещества и энергии
между подсистемой хранения топлива и двигателем, двигателем
67
и движителем (ведущими колесами), человеком и элементами
трансмиссии автомобиля (сцеплением, коробкой передач, руле-
вым управлением и т.п.).
Закон согласования ритмики частей системы. Этот за-
кон указывает на имеющееся в жизнеспособных системах согла-
сование ее подсистем между собой и с объектами внешней среды
по форме, размерам, материалам, частоте колебаний и другим
параметрам (прочности, надежности, температуре и т. д.).
А.И. Половинкин предложил иную трактовку законов
строения техники. Он сформулировал закон соответствия ме-
жду функцией и структурой технической системы [25, 27].
Сущность закона соответствия между функцией
и структурой технической системы заключается в следующем.
«В материальной структуре правильно спроектирован-
ного и нормально работающего технического объекта каждый
элемент (блок, узел, деталь) и его конструктивный признак
имеют вполне определенную функцию (назначение) по обес-
печению работы технического объекта. И если лишить такой
технический объект любого элемента или конструктивного
признака, то он либо перестает работать (выполнять свою
функцию), либо ухудшит показатели своей работы» [25].
В краткой форме сущность этого закона выражается так:
«У правильно спроектированного ТО нет лишних деталей».
Действительно, не представляется возможным выпол-
нить обработку длинных валов на токарном станке, не имею-
щем задней бабки, или осуществить быструю выгрузку сыпу-
чего материала из кузова автосамосвала при отсутствии у него
специального (гидравлического) подъемника кузова и т. д.
Данный закон имеет ряд следствий - закономерностей,
отражающих особенности конструкторско-технологических
решений, имеющих место в различных классах технических
систем. А.И. Половинкин обосновывает действие таких зако-
номерностей строения техники, как закономерность обобщен-
ной функциональной структуры, закономерность симметрии,
закономерность оптимального соотношения параметров тех-
68
нического объекта и другие. При этом рассматриваются четыре
класса технических систем, объединяющие подавляющее боль-
шинство технических объектов в зависимости от их назначения:
1) обрабатывающие машины - металлорежущие станки,
нагревательные печи, транспортные средства, насосы и сепара-
торы, грузоподъемное оборудование и др., осуществляющие
обработку материального предмета труда (сырье, заготовки,
детали и т. п.);
2) источники энергии - водяные колеса и ветряные дви-
гатели, паровые машины, электрические генераторы и двига-
тели, аккумуляторы и др., преобразующие вещество или извне
полученную энергию в конечный вид энергии, необходимый
для использования;
3) информационные приборы и системы - шкальные
и другие измерительные приборы, вычислительная техника,
системы автоматического управления (без приводов и испол-
нительных органов), осуществляющие преобразование ин-
формации (сигналов) из одного вида в другой;
4) сооружения - промышленные здания, жилые дома,
мосты, туннели, трубопроводы, железные и автомобильные
дороги и т. п., предназначенные для защиты определенных
объектов (людей, животных, растений, оборудования и т. д.)
от метеорологических воздействий и (или) поддержания их
в определенном положении.
Закономерности обобщенных функциональных структур
выражают функциональную полноту технических систем, т. е.
состав их подсистем является достаточным для выполнения
заданных им технических функций. В частности, согласно за-
кономерности обобщенной функциональной структуры обра-
батывающих машин в систему этих машин входят четыре под-
системы S2, S3, (рис. 7), реализующие соответственно че-
тыре фундаментальные функции Фь Ф2, Ф3, Ф4-
-подсистема выполняющая технологическую функ-
цию (ФО, превращает предмет труда взятый в исходном
состоянии, в конечную продукцию Лк;
69
Рис. 7. Обобщенная функцио-
нальная структура обрабатыва-
ющих машин:
•—> - поток вещества:
---> - поток энергии;
— > - поток управляющих
сигналов и воздействий
-подсистема S2, выполняющая энергетическую функ-
цию (Ф2), преобразует вещество или извне полученную энер-
гию ДОЬ в конечный вид энергии WK, необходимый для реали-
зации технологической функции Фь
- подсистема S3, выполняющая функцию управления
(Фз), осуществляет управляющие воздействия С/ь t/2 на под-
системы Si, S2 в соответствии с заданной программой Q и по-
лученной информацией Ui°, </2° о количестве и качестве выра-
ботанных конечной продукции Ак и конечной энергии WK;
- подсистема S4, выполняющая функцию планирования
(Ф4), осуществляет сбор (получение) информации Qo о произ-
веденной продукции А к и определение потребных качествен-
ных и количественных характеристик Q конечной продукции.
Закономерности обобщенных функциональных структур
источников энергии и информационных приборов и систем
также отражают наличие в них четырех подсистем Sj, S2, S3, S4,
реализующих функции Фь Ф2, Ф3, Ф4. К ним относятся:
- подсистема Si, выполняющая функцию Ф1 получения пер-
вичной энергии (информации), превращает вещество или извне
полученную энергию (информацию) в определенный промежу-
точный вид энергии (информации), удобный для дальнейшего
преобразования (например, топливо в тепловую энергию);
- подсистема S2, выполняющая функцию преобразова-
ния (Ф2), превращает энергию (информацию) промежуточного
70
вида в энергию конечного вида, необходимую для использо-
вания (например, тепловую энергию в механическую);
- подсистема Sj, выполняющая функцию управления
(Ф3), осуществляет управляющие воздействия на подсистемы
51 и 5г в соответствии с заданной программой и полученной
информацией о количестве и качестве произведенного конеч-
ного вида энергии (информации);
- подсистема S4, выполняющая функцию планирования
(Ф4), производит сбор (получение) информации о выработан-
ной энергии (информации) и определяет потребные качест-
венные и количественные характеристики конечной энергии
(информации).
В отдельных технических объектах этих классов техни-
ческих систем подсистемы Si и Si могут совмещаться. Напри-
мер, в электрической лампочке накаливания ее спираль преоб-
разует полученную извне электрическую энергию в тепловую
(промежуточный вид) и световую энергию одновременно.
Несмотря на внешнее различие формулировок законов
и закономерностей строения техники, предложенных Г.С. Альт-
шуллером и А.И. Половинкиным, внутреннее их содержание
является общим в отношении функционального состава тех-
нических систем и их взаимосвязей.
33. Законы и закономерности развития техники
Существование законов и закономерностей развития тех-
ники обусловлено действием всеобщего закона развития - за-
кона единства и борьбы противоположностей. А.И. Половин-
кин, обобщая результаты изучения многими исследователями
истории техники, сформулировал два основных закона (закон
стадийного развития техники, закон прогрессивной эволюции
технических объектов) и ряд закономерностей развития техни-
ки (закономерности изменения критериев эффективности, со-
хранения и преодоления старых форм и другие) [25].
71
3.3.1. Закон стадийного развития техники
Этот закон отражает революционные изменения в тех-
нике, обусловленные передачей техническим средствам тру-
довых функций человека. При обработке любого материально-
го предмета труда выполняются следующие четыре фунда-
ментальные функции:
1. Технологическая функция, направленная на преоб-
разование предмета труда из исходного его состояния в задан-
ное конечное состояние, например, преобразование стальной
заготовки в осесимметричную деталь определенной формы.
Технологическую функцию реализует функциональный эле-
мент технической системы, который обычно называют рабо-
чим органом (инструментом). В частности, рабочим органом
является токарный резец, с помощью которого осуществляется
преобразование заготовки в осесимметричную деталь.
2. Энергетическая функция, при выполнении которой
преобразуется вещество или извне полученная энергия в ко-
нечный вид энергии, необходимый для реализации рабочим
органом технологической функции. Энергетическую функцию
в технической системе выполняет функциональный элемент,
называемый приводом, источником энергии или двигателем.
Так, в спортивном луке двигателем являются дуга и тетива.
Они совместно преобразуют мускульную энергию человека
в механическую энергию.
3. Функция управления процессом обработки предмета
труда. Эту функцию реализует система управления, которая
определяет или измеряет текущие значения показателей обра-
батываемого предмета труда, сравнивает их с заданными зна-
чениями и в зависимости от результатов сравнения определяет
управляющие воздействия для изменения параметров работы
источника энергии и двигателя.
4. Функция планирования объема и качества продук-
ции, получаемой в результате обработки предмета труда. Эту
функцию реализует система планирования, которая формиру-
72
ет исходные данные для работы системы управления и всего
технологического комплекса.
В соответствии с последовательностью передачи пере-
численных фундаментальных функций от человека к машине
выделяют четыре стадии развития техники, предназначенной
для обработки материального предмета труда.
На первой стадии развития технические средства вы-
полняют только одну функцию обработки предмета труда-
технологическую. Остальные функции выполняет человек.
Простейшие технические объекты на первой стадии развития
представляют собой только рабочий орган (лопата, лом, тачка,
швейная машина с ручным или ножным приводом и т. п.). Эта
стадия развития техники характерна для времени возникнове-
ния и развития ручных орудий труда, начиная с каменного века.
На второй стадии развития техники технические сред-
ства выполняют две наиболее трудоемкие функции - техноло-
гическую и энергетическую. Эта стадия развития техники обу-
словлена потребностью общества в увеличении производи-
тельности труда (или другого критерия эффективности)
и обеспечивается наличием научных открытий, позволяющих
конкретным техническим системам реализовать технологиче-
скую и энергетическую функции. Период развития техники
и общества начиная с XVIII века и практически до второй поло-
вины XX века - это период создания и использования машин
с тепловыми и затем электрическими двигателями, который
называют эпохой механизации производства, наступления
и развития промышленной революции.
На третьей стадии развития техники технические
средства представляют собой машины-автоматы, выполняю-
щие три функции - технологическую, энергетическую и функ-
цию управления процессом обработки предмета труда. Человек
лишь планирует количество и качество производимого мате-
риального продукта. Примерами машин-автоматов являются
различные металлорежущие станки с числовым программным
управлением (токарные одно- и многошпиндельные автоматы,
73
координатно-сверлильные станки и т.д.). Период создания
и использования техники третьей стадии развития (начиная со
второй половины XX века) многие исследователи называют
эпохой научно-технической революции, обеспечившей переда-
чу техническим средствам функции головного мозга человека
по управлению технологическими процессами.
Четвертая стадия развития техники (с 80-х гг. XX в.)
характеризуется созданием и использованием технологических
комплексов с техническими средствами, выполняющими функ-
ции планирования работы машин-автоматов и автоматизиро-
ванных производств. Эту стадию связывают с наступлением
эпохи полной автоматизации производства и создания «без-
людных» производств, в которых человек полностью исключен
из технологического процесса. Его участие в производстве
материального продукта эпизодически требуется на более вы-
соких уровнях планирования производственного процесса и во
внештатных операциях наладки и ремонта оборудования.
Одним из примеров действия этого закона является раз-
витие технических средств для удовлетворения потребности
в получении деталей типа тел вращения, имеющих цилиндри-
ческие, конические, сферические и другие поверхности (оси,
валы, втулки и т. д.). Для первой стадии развития таких техни-
ческих средств характерно создание и использование токар-
ных станков с ручным или ножным приводом. На второй ста-
дии создаются токарные станки с приводом от паровой маши-
ны или электродвигателя. Во второй половине XX века этим
станкам передается функция управления (станки с числовым
программным управлением). В настоящее время используются
токарные станки с числовым программным управлением в со-
ставе технологического комплекса с системой планирования
работ (четвертая стадия развития технических средств для
удовлетворения потребности в изготовлении различных дета-
лей, в том числе деталей типа тел вращения).
Необходимо отметить, что закон последовательного четы-
рехстадийного развития техники имеет место только для техни-
74
ческих объектов, появившихся до XVIII века. Уже в XIX веке,
когда техника в целом находилась на второй стадии развития,
вновь создаваемые технические объекты одновременно выпол-
няли и технологическую, и энергетическую функции. В настоя-
щее время также наблюдается эта тенденция: создаваемые тех-
нические объекты выполняют сразу две функции, а пионерные
технические объекты, создаваемые для реализации новых по-
требностей,- три функции (технологическую, энергетическую
и управления) или все четыре фундаментальные функции.
Кроме того, действие закона стадийного развития техники
проявляется в тех технических объектах, в которых существует
противоречие между возможностями человека (физическими
и умственными) выполнять с той или иной эффективностью (на-
пример, производительностью труда) фундаментальные функции
и потребностями общества в выполнении этих функций с тре-
буемой эффективностью, то есть для этих объектов в процессе
развития общества возникают ситуации, когда возможности че-
ловека по дальнейшему повышению эффективности выполнения
какой-либо фундаментальной функции исчепаны и возникает
необходимость передачи этой функции техническим средствам.
При этом для такой передачи очередной фундаментальной функ-
ции техническим средствам существуют следующие условия:
- необходимый научно-технический и технологический
потенциал, обеспечивающий принципиальную возможность
создания технического объекта очередной стадии развития;
- социально-экономическая целесообразность создания
технического объекта очередной стадии развития.
3.3.2. Закон прогрессивной эволюции
технических объектов
Закон прогрессивной эволюции технических объектов
отражает изменения в технике за период одной стадии ее разви-
тия, которые направлены на устранение недостатков, выявлен-
ных в процессе использования техники. Наличие и действие
75
этого закона проявляются в виде устойчивой тенденции улуч-
шения какого-либо критерия эффективности или какого-либо
количественно выражаемого конструктивного признака на про-
тяжении многих поколений в историческом развитии техниче-
ских систем. Он выражает действие совокупности причинных,
необходимых и устойчивых связей между человеком и техникой
и содержит ответы на вопросы, чем вызван переход от предшест-
вующего поколения технической системы к следующему, улуч-
шенному поколению; при каких условиях и какие структурные
изменения происходят при переходе от поколения к поколению.
Сущность закона прогрессивной эволюции техники за-
ключается в следующем.
В технических объектах с одинаковой функцией переход
от поколения к поколению вызван необходимостью устранения
выявленных главных дефектов и противоречий, связанных
с улучшением критериев эффективности, и происходит при на-
личии необходимого научно-технического уровня и социально-
экономической целесообразности создания нового поколения
данного технического объекта. При этом новое поколение
от предыдущего поколения может отличаться:
♦ более высокими значениями параметров технического
решения;
♦ наиболее рациональным техническим решением;
♦ более эффективным физическим принципом действия;
♦ лучшей функциональной структурой технического
объекта.
Ярким примером, иллюстрирующим сущность закона
прогрессивной эволюции технических объектов, является исто-
рия развития велосипеда.
Велосипед - одна из распространенных машин нашего
времени, одновременно совмещающая в себе простоту и эффек-
тивность. Весьма высока значимость велосипеда в развитии
техники. Именно благодаря велосипеду были созданы широко
применяемые в современных машинах шарикоподшипники,
76
пневматические шины, колесо со шпицами, работающими на
растяжение, и другие конструкции. С методологической точ-
ки зрения велосипед как объект исследования ценен тем, что
вся его конструктивная эволюция проходила в условиях прак-
тически постоянных требований, обусловленных параметра-
ми человека и дороги.
Напомним, что велосипед предназначен для повышения
скорости движения человека по дороге при использовании
только его мускульной энергии. Основными критериями эф-
фективности велосипеда являются: КПД использования мус-
кульной энергии человека, средняя скорость движения и мас-
са велосипеда.
Первым техническим средством, реализующим потреб-
ность повышения скорости движения человека по дороге при
использовании его мускульной энергии, был неуправляемый
самокат (изобретен в 1813 г.). В 1817 г. был создан управляе-
мый самокат, отличавшийся от своего предшественника воз-
можностью поворота переднего колеса при движении по кри-
волинейным участкам дороги. Этот самокат явился прототи-
пом велосипеда первого поколения (1840 г.), в котором был
реализован принципиально новый физический принцип исполь-
зования мускульной энергии человека для повышения скорости
его движения по дороге. В отличие от самоката, где движение
осуществлялось путем отталкивания от земли ногами, в велоси-
педе движение обеспечивалось путем принудительного враще-
ния переднего колеса с помощью мускульной энергии человека,
передаваемой на колесо посредством педалей. В 1844 г. был
изобретен велосипед следующего поколения, который отличался
Для иллюстрации, в каких определяющих технический объект
характеристиках произошли изменения (в техническом решении,
физическом принципе действия и т. п.) и что дает основание
рассматривать эти изменения как переход от одного поколения
к другому, в данном пособии приведены только первые поколения
велосипеда. Подробные сведения о развитии велосипеда изложены
в работе [26].
77
от своего предшественника значительно большим диаметром
переднего колеса (более высокими значениями параметров
технического решения). Последующие поколения велосипеда
(1846 г., 1863 г.) были связаны с изменением его функциональной
структуры', были введены функция гашения скорости движения
(изобретена тормозная колодка на заднее колесо) и функция
уменьшения действия на человека динамических сил, возни-
кающих при езде по неровностям дороги (за счет применения
на колесах резиновых шин). Очередное поколение велосипе-
да (1870 г.) отличалось от всех предыдущих сильным техниче-
ским решением', раму и вилки колес начали изготавливать из ста-
ли, что позволило существенно уменьшить массу велосипеда.
Дальнейшее развитие велосипеда было связано с изобре-
тением колес со шпицами, работающими на растяжение, шари-
коподшипника, цепной передачи и др.
3.3.3. «Жизненный цикл» технических систем
С рассмотренными законами развития техники тесно свя-
зана закономерность изменения главных критериев эффективно-
сти технических систем (производительности, мощности, скоро-
сти и т. д.). А.Ф. Каменев установил, что, несмотря на индивиду-
альные особенности, присущие разным техническим системам,
имеет место одинаковый характер изменения во времени их кри-
териев эффективности [12]. «Жизненный цикл» технической
системы (как и других систем) представляет собой последова-
тельность трех периодов ее развития и графически отображается
в виде S-образной кривой, показывающей, как изменяется во
времени ее главный критерий эффективности (рис. 8):
♦ период медленного развития созданной системы 7
(период «детства»). Для него характерно медленное возраста-
ние критерия эффективности (участок А на рис. 8), обуслов-
ленное освоением новой технической системы;
♦ период интенсивного развития системы и ее массово-
го применения (период «зрелости»). В этом периоде наблюда-
78
ются высокие темпы роста критерия эффективности за счет
использования новых конструкторско-технологических реше-
ний (участок В);
♦ период замедленного развития системы (период «ста-
рости»). При этом ее критерий эффективности, медленно воз-
растая, приближается к своему предельному значению (уча-
сток Q. Далее техническая система 7 либо деградирует, сме-
няясь принципиально новой системой 2, либо продолжается ее
эксплуатация при сохранении достигнутого системой значения
критерия эффективности (участок D).
Рис. 8. Линии жизненного цикла технической системы
Эта закономерность имеет большое значение для выяс-
нения резервов дальнейшего развития технических систем
и определения целесообразности либо дальнейшего совершен-
ствования применяемой системы, либо создания принципи-
ально новой системы.
79
Глава 4
МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА
Процесс создания любого технического объекта состоит
из двух стадий - проектирования объекта и его изготовления.
В историческом плане значимость этих стадий с точки зрения
достижения конечного результата существенно изменилась.
Если до начала второй промышленной революции (конец
XIX века) превалирующей была стадия изготовления, то в даль-
нейшем, и особенно в настоящее время, основную роль стала
играть стадия проектирования технического объекта. Это было
обусловлено, прежде всего, возросшими требованиями к каче-
ству создаваемых объектов, их возможностям удовлетворять
потребности, определяемые развитием общества. Именно на
стадии проектирования закладываются те или иные значе-
ния показателей качества технического объекта, в то время
как на стадии изготовления стремятся, в лучшем случае,
обеспечить заданную эффективность функционирования
объекта. Вместе с тем в начале 50-х гг. XX в. резко обост-
рилось противоречие между бурным развитием науки, тех-
ники и производства и процессом мыслительной деятельно-
сти человека, практически постоянно применяющего при
поиске новых технических решений метод проб и ошибок.
Так, если в технически развитых странах мира производи-
тельность труда в сфере производства возросла с 1900 по
1960 г. в среднем на 1000 %, то в сфере проектирования -
только на 20 %. По единому мнению многих зарубежных
и отечественных ученых, выход из такой ситуации был воз-
можен только путем создания и развития интеллектуальных
специальных средств инженерного творчества, т. е. методов
активизации творческого мышления.
80
Объяснить закономерности творческого мышления пы-
тались еще в античные времена [39]. В работах древнегрече-
ского математика Паппа Александрийского, великого ученого
и изобретателя Архимеда, философа Сократа и других имеют-
ся описания операций и приемов повышения продуктивности
мышления при поиске решения творческих задач, которые по-
ложили начало эвристике - науке о творчестве, учению о про-
дуктивном творческом мышлении и методах творчества. Опре-
деленную лепту в познание природы творчества, в рационали-
зацию изобретательской деятельности внесли такие известные
ученые, как Р. Бэкон (ХШ в.), Ф. Бэкон, Г.В. Лейбниц, Р. Декарт
(ХУП в.) и др.
К настоящему времени создано большое количество
методов и приемов творчества. Особенно активно разработ-
ка методов поиска новых идей и решений осуществлялась
в 60-90 гт. XX в. Это было вызвано целым рядом побуждаю-
щих факторов: высокими темпами развития техники, появлени-
ем компьютеров и компьютерных технологий творчества, все
возрастающей конкуренцией товаров и интеллектуальных услуг
и т. п. При этом уделялось внимание не только разработке новых
методов, но и увеличению эффективности использования уже
известных методов, в частности, путем применения ЭВМ.
Все существующие методы и приемы творческой деятель-
ности человека, в зависимости от выполняемых мыслительных
операций в процессе поиска решения, условно подразделяют на
три группы [16]: интуитивные, эвристические и алгоритмические
(компьютерные).
Интуитивные методы направлены на активное исполь-
зование и развитие способностей человека принимать то или
* Эвристика - определенная совокупность логических приемов
и методических правил теоретического исследования и отыскания
истины, которые используются в условиях неполноты исходной
информации и не требуют четкой программы управления процессом
решения задачи [16].
81
иное решение на основе своей интуиции . К этой группе мето-
дов относятся, например, метод мозгового штурма, синектика,
метод контрольных вопросов.
Эвристические методы содержат в себе совокупность
методических приемов, процедур, правил и т. п., в которых
приводится краткое описание или указание, как преобразовать
исследуемый объект или в каком направлении следует дви-
гаться, чтобы найти нужное решение. Эвристические методы
по своей сущности играют роль «подсказки» идей искомого
решения, но не гарантируют его нахождения. Однако при уме-
лом владении этими методами вероятность получения доста-
точно эффективных решений весьма велика.
Состав группы эвристических методов очень обширен.
Практически все известные в настоящее время методы и прие-
мы можно отнести к эвристическим методам, включая древ-
нейший метод проб и ошибок, который, очевидно, обречен на
вечность [16]. В эту группу входят ассоциативные методы,
метод эвристических приемов, приемы инверсии, эмпатии, ана-
логии и многие другие.
Алгоритмические (компьютерные) методы представ-
ляют собой достаточно четко описанную последовательность
операций анализа и синтеза, направленную на поиск наиболее
эффективного из возможных решений поставленной творче-
ской задачи.
К этой группе методов относятся алгоритм решения изо-
бретательских задач (АРИЗ), функционально-стоимостный ана-
лиз, методы автоматизированного поиска физических принци-
пов действия и др.
Интуиция - способность непосредственного постижения истины
без предварительного логического рассуждения. За способностью как
бы «внезапно» угадывать истину на самом деле стоят накопленный
опыт, приобретенные ранее знания [8].
82
4.1. Метод проб и ошибок
Это самый широко применяющийся во все времена, в том
числе и в настоящее время, метод поиска новых решений. Хотя
метод проб и ошибок известен человечеству с древнейших вре-
мен, но был сформулирован и получил свое название лишь
в 1898 г. [30]. Сущность метода заключается в поиске наиболее
приемлемого из случайно возникающих вариантов решения.
При этом вариантом решения задачи может быть любая идея,
пришедшая в голову разработчика (конструктора, технолога,
изобретателя) нового технического объекта интуитивно или при
выполнении им каких-либо действий, способствующих возник-
новению идей. Обычно такими действиями являются введение
случайных изменений в улучшаемый объект, логический анализ
недостатков прототипа, поиск аналогичных решений в объектах
природы или в объектах другой области техники. Если при
оценке возникшей идеи она признается неудачной, эта идея от-
вергается и проверяется новая, опять же случайно возникшая,
идея. Такой процесс проверки случайно возникающих вариан-
тов решения задачи повторяется многократно, пока не будет
найдено удовлетворяющее требованиям задачи решение.
Естественно, что поиск достаточно приемлемого реше-
ния методом проб и ошибок требует значительных затрат вре-
мени и средств, особенно если проверка выдвигаемых идей
осуществляется экспериментальным путем. Тем не менее, этот
метод, вследствие действия тех или иных случайностей, может
привести к сильным техническим решениям. Приведем только
два из многочисленных примеров поиска решения методом
проб и ошибок [26], иллюстрирующих, как «случайные явле-
ния» могут натолкнуть на искомое решение (при этом не сле-
дует забывать, что человек, ищущий решение задачи, находит-
ся «под властью этой задачи»).
Задача Микулина. В начале XX века, когда велось ак-
тивное освоение самолетов с двигателями внутреннего сгора-
ния, большинство катастроф было связано с отказом магнето,
83
«исчезновением искры» зажигания. В связи с этим возникла
задача повышения надежности работы магнето.
Эту задачу после долгих мучительных поисков методом
проб и ошибок решил юный А. Микулин, будущий академик,
известный конструктор авиационных двигателей. Он шел по
улице и увидел огромного мужика с сильно подбитым, за-
плывшим и ничего не видящим глазом. В это время и пришла
догадка! Микулин сразу бросился бежать в гостиницу к зна-
менитому авиатору С.И. Уточкину, и между ними состоялся
следующий разговор:
- У людей по два глаза, подбейте левый - правый будет
видеть.
- Я никому не собираюсь подбивать глаза, - сказал
Уточкин.
- На Вашей машине одно магнето - поставьте два!
-Прекрасная мысль! - сказал Уточкин. - За каждый
благополучный показательный полет я буду платить тебе по
10 рублей.
Показательные полеты тогда были платными. И Уточкин
сдержал свое слово, посылая после каждого полета переводы.
Задача Яблочкова. В 1875 г. русский изобретатель
П.Н. Яблочков наряду с другими изобретателями Европы
и Америки искал надежный способ регулирования расстояния
между угольными электродами, расположенными в дуговой
лампе на одной прямой навстречу друг другу. Для поддержа-
ния вольтовой (электрической) дуги требовалось с некоторой
постоянной скоростью сближать электроды по мере их сгора-
ния. Были испробованы сотни различных конструкций авто-
матического регулирования зазора между электродами. Одна-
ко все они имели существенный недостаток: устройства полу-
чались громоздкими и малонадежными.
После множества тщетных попыток П.Н. Яблочков, сидя
в одном из кафе Парижа, случайно увидел два рядом лежащих
карандаша, и здесь возникла идея решения: электроды надо
84
расположить рядом параллельно, разделив их выгорающим
изоляционным материалом. Такое решение вообще исключало
применение какого-либо регулятора зазора между электродами.
Несмотря на приведенные и большое число подобных
примеров возникновения идей решения задач, метод проб
и ошибок следовало бы назвать методом слепого поиска. Этот
метод не предлагает какие-либо правила выдвижения идей,
в принципе принимается любая идея, которая может привести
к нужному результату. При этом осуществляется эксперимен-
тальная проверка огромного числа вариантов, чтобы на опыте
определить пригодность того или иного варианта. В данном
методе в полной степени реализуется своеобразная обменная
операция: незнание обменивается на время, т. е. «чем меньше
знаем, тем дольше ищем» [30].
Задача поиска материала для нити накала электри-
ческой лампочки. К решению этой задачи Т. Эдисон присту-
пил в 1878 г. В первых опытах нить накала из обугленной бума-
ги светилась 8 мин, из платины - 10 мин. Затем испытывались
нити из сплава титана с иридием, из бора, хрома, молибдена,
осмия и никеля. Эти испытания дали плохие результаты. Да-
лее следовала новая серия проб: исследовались образцы нитей
1600 различных материалов. Снова неудача. Наконец, обуглен-
ная хлопчатобумажная нить светилась 13,5 ч, а через 14 месяцев
экспериментов нить из обугленного картона - 170 ч, из обуг-
ленного бамбука (от футляра японского веера) - 1200 ч!
К 1879 г. позади было около 6 тыс. опытов.
Перебор большого числа вариантов, а следовательно,
большие затраты времени - главный недостаток метода проб
и ошибок. На определенный исторический период этот его не-
достаток был преодолен Эдисоном. Изобретая щелочной акку-
мулятор, Эдисон получил положительный результат, выполнив
за короткое время 50000 опытов! Это ему удалось за счет
главного из более 1000 его изобретений: он изобрел научно-
85
исследовательский институт. 50000 опытов он распределил
между 1000 сотрудников. Столь простая идея дала ошеломляю-
щий результат: резко сократилось время поиска решений задач.
Это изобретение Т. Эдисона получило особенно широ-
кое применение во всем мире в первой половине XX века, ко-
гда количество и сложность задач резко возросли. Например,
в США наблюдалась следующая динамика роста числа научно-
исследовательских институтов (НИИ) и лабораторий: 1920 г. -
300, 1930 г. - 1600, 1940 г. - 2200, 1967 г. - 15000. Это позво-
лило, применяя метод проб и ошибок, решить многие задачи
и создать такие современные технические объекты, как мосты,
корабли, самолеты, здания, автомобили, ракеты и т. п., кото-
рые повсеместно сегодня используются. Однако, пока имелись
свободные людские ресурсы и экономика выдерживала бес-
прецедентный рост ассигнований на научно-технические раз-
работки, принцип «больше людей - больше идей» [30] оправ-
дывал себя. Но к 70-80-м гг. во всех развитых странах рост
предоставляемых обществом средств на науку и технику замед-
лился и стабилизировался на уровне темпов роста националь-
ного дохода. Эта ситуация вновь обострила проблему устра-
нения недостатков метода проб и ошибок.
Следует отметить, что недостатки метода проб и ошибок
беспокоили ученых и инженеров давно, в том числе и в период
роста числа научно-исследовательских институтов и лабора-
торий. С решением задачи «ценой в тысячи и миллион проб»
с трудом справлялись и достаточно крупные НИИ. Поэтому
параллельно с развитием НИИ разрабатывались методы акти-
визации творческой деятельности человека и коллектива, ис-
пользующих при поиске решения поставленных задач метод
проб и ошибок. Основу этих методов составила идея последо-
вательного применения двух операций, направленных на по-
вышение эффективности метода проб и ошибок:
- генерирования идей решения задачи (чем больше идей
выдвинуто до начала их экспериментальной проверки, тем вы-
ше вероятность появления удачной идеи);
86
- фильтрации идей (чем больше идей будет отвергнуто
в предварительном обсуждении, тем меньше потребуется опы-
тов для проверки).
Обе эти операции составили методику мысленного экс-
перимента. Ценность мысленного эксперимента заключается
в том, что с его помощью можно заранее предсказать резуль-
таты воплощения многочисленных идей, мысленно оценивая
их на основе огромного объема накопленных человечеством
знаний, при этом такие эксперименты осуществляются с ми-
нимальными затратами времени и не требуют каких-либо су-
щественных финансовых вложений.
В наиболее полной степени идея последовательного осу-
ществления операций генерирования идей и их экспертизы реа-
лизована в методах мозговой атаки и ассоциативных методах.
4.2. Метод мозговой атаки
Мозговая атака (мозговой штурм) является методом кол-
лективного поиска идей по выходу из затруднительных поло-
жений. Метод предложен американским изобретателем А. Ос-
борном в 1939 г. и основан на психологическом эффекте воз-
никновения цепной реакции идей между участниками
творческой группы, обсуждающими острую для них проблему
в условиях непринужденной обстановки (нет авторитетов, ру-
ководителя и начальника, наличие возможности свободного
высказывания любой идеи, отсутствие критики идей и т. п.). Это
позволяет за 15-30 мин коллективного поиска решения постав-
ленной задачи получить от 50 до 150 различных идей. Помимо
высокой эффективности, данный метод имеет ряд других, весь-
ма важных, достоинств. Он не требует специальной подготовки
участников к проведению мозговой атаки: правила ее просты,
легко и быстро осваиваются как учащимися средних школ, так
и опытными конструкторами. Метод мозговой атаки обладает
удивительной универсальностью применения. Он позволяет
87
рассматривать практически любую проблему или любое за-
труднение в самых различных сферах человеческой деятель-
ности. Это могут быть задачи из области организации произ-
водства, сферы обслуживания, бизнеса, экономики, социоло-
гии, уголовного розыска и т. д. При этом единственным
условием успешного применения метода является достаточно
простая и ясная формулировка задачи.
В общем случае процесс поиска решения задачи мето-
дом мозговой атаки включает в себя выполнение следующих
операций:
- постановка задачи;
- формирование двух творческих групп: группы «гене-
раторов» идей и группы «экспертов»;
- организация и проведение на основе правил мозговой
атаки сеанса поиска идей;
- оформление результатов мозговой атаки и экспертиза
выдвинутых идей.
Постановка задачи. Задача перед участниками мозго-
вой атаки может быть поставлена в общем виде, например
в виде описания проблемной ситуации, или с подробной дета-
лизацией, содержащей ответы на вопросы, в чем заключается
проблема, какую потребность надо удовлетворить, что мешает
достижению цели, какой положительный эффект будет получен
в результате решения проблемы и т. п. Независимо от формы
постановки задачи в ней достаточно четко, просто и понятно
должны быть обозначены два момента:
♦ что в итоге желательно получить или иметь;
♦ что мешает получению желаемого.
При этом из формулировки задачи стремятся исключить
специальные термины, непонятные для отдельных участников
мозговой атаки - специалистов из смежных или других облас-
тей. Такие термины заменяются другими, нейтральными, отра-
жающими в себе общепонятные признаки замененных терми-
нов. Заметим, что такая замена специальных терминов способ-
88
ствует также уменьшению психологической инерции у специа-
листов той области, к которой относится решаемая задача.
Формирование творческих групп. Основу высокой
продуктивности методов мозговой атаки составляет решение
А. Осборна разделить во времени процессы генерирования
идей решения задачи и экспертизы этих идей. В этом реше-
нии учитывается следующая психологическая особенность
человека. Считая, что творческие способности есть у всех
людей, А. Осборн обратил внимание на обстоятельства, препят-
ствующие проявлению этих способностей: присутствие началь-
ника, критика идей решения проблемы, давление сложившихся
представлений о применяющихся решениях подобных проблем
и т.п. Естественно, что вряд ли в таких условиях автор идеи
будет высказывать непроверенную мысль. В связи с этим в ме-
тодах мозговой атаки формируются две творческие группы:
группа «генераторов» идей и группа «экспертов» идей, рабо-
тающие отдельно друг от друга. Оптимальное число участников
в каждой группе 5-12 человек.
В творческую группу «генераторов» идей обычно входят
несколько постоянных участников (ядро группы), легко и пло-
дотворно «рождающих» идеи, обладающих фантазией и твор-
ческим воображением, хорошо знающих и соблюдающих пра-
вила игры, и временные члены. Качественный состав пригла-
шенных временных членов зависит от характера и содержания
решаемой задачи. Они являются необходимым и гармоничным
дополнением к ядру группы, обеспечивающим выполнение
следующих условий продуктивности мозговой атаки:
- число специалистов по решаемой задаче не должно
превышать половины общего состава группы;
- в составе группы целесообразно иметь специалистов-
смежников (конструкторов, технологов, экономистов, менедже-
ров и т. д.), которые обеспечат всестороннее рассмотрение
задачи;
- желательно наличие в составе группы женщин: они
практично и оригинально мыслят, стимулируют дух соревно-
вания между мужчинами;
89
- полезно наличие в группе «людей со стороны», не имею-
щих никакого отношения к рассматриваемой проблеме (врача,
парикмахера, кондуктора автобуса и т. п.). Их идеи, «как бы
далекие от решаемой задачи», могут вызвать у других участни-
ков продуктивные мысли.
В составе группы «генераторов» идей исключается при-
сутствие прирожденных скептиков и критиков.
Творческая группа «экспертов» идей также состоит из
постоянных и временных участников и создается на основе
таких же рекомендаций, как и группа генераторов идей. Однако
в нее, в отличие от группы «генераторов», приглашают лю-
дей с аналитическим, критическим складом ума, способных
к логической оценке не только выдвинутых идей, но и путей
их возможной практической реализации.
Правила мозговой атаки. Эти правила направлены на
достижение цели мозговой атаки - получение максимального
количества новых идей - и обеспечение условий, стимулирую-
щих участников к интенсивному интеллектуальному поиску.
В соответствии с этим они обусловливают поведение участни-
ков во время сеанса мозговой атаки и обязанности руководи-
теля, ведущего этот сеанс.
Правила для участников мозговой атаки:
1. Стремитесь высказывать как можно больше идей.
Отдавайте предпочтение количеству, а не качеству идей. Свои
идеи высказывайте короткими предложениями.
2. Помните, что во время сеанса мозговой атаки запреще-
на критика в любой форме ее представления: неодобрительные
замечания, иронические реплики, ядовитые шутки, многозначи-
тельная мимика и т. п. Запрет критики создает благоприят-
ную творческую обстановку для участников мозговой атаки.
3. Внешне и внутренне одобряйте и принимайте все
идеи, даже заведомо непрактичные и глупые, по Вашему мне-
нию. Оказывайте предпочтение не системному логическому
мышлению, а озарениям, необузданной и безграничной фанта-
зии в самых разных направлениях.
90
4. Стремитесь развивать, комбинировать и улучшать
высказанные ранее идеи, получать от них новые ассоциатив-
ные идеи.
5. Поддерживайте и создавайте обстановку шуток, юмо-
ра, смеха, поскольку такая обстановка способствует продуктив-
ному мышлению.
6. Обеспечивайте между участниками свободные, друже-
ственные и доверительные отношения. Никто после сеанса не
станет зло шутить над неудачными идеями других.
Обязанности ведущего (руководителя) во время сеанса
мозговой атаки. В качестве ведущего, осуществляющего управ-
ление сеансом мозговой атаки, обычно выступает руководитель
творческой группы. Поскольку успех и результативность мозго-
вой атаки во многом зависят от ведущего, то в его обязанности
входит, прежде всего, осуществление действий, способствующих
созданию непринужденной обстановки между участниками се-
анса мозговой атаки, возникновению и развитию условий, сти-
мулирующих участников к поиску и изложению спонтанно воз-
никающих идей. Такими действиями, в частности, являются:
- представление новичков в творческой группе (с крат-
кой лестной характеристикой их);
- четкое и эмоциональное изложение задачи как с ис-
пользованием терминов, принятых в области возникновения
проблемы, так и с применением общедоступных понятий. При
этом задача излагается в таком виде, который вынуждает уча-
стников воспринимать ее как свою собственную проблему;
- контролирование соблюдения правил мозговой атаки
(выполнение роли, подобной роли судьи на футбольном поле);
- отслеживание, чтобы обсуждение не шло в слишком
узком и практическом направлении (расширение сферы поис-
ка с помощью реплик и вопросов);
-обеспечение непрерывности высказывания идей, на-
пример, путем заполнения пауз шутками, наводящими вопро-
сами и т. п.
91
Настоящий сеанс мозговой атаки - это такое психологи-
ческое состояние участников, в котором свободно думается,
принимается во внимание все, что придет в голову. Именно
такое состояние позволяет использовать подсознание челове-
ка - самый мощный аппарат творческого мышления. Поэтому
каждый ведущий стремится найти свои индивидуальные под-
ходы, приемы, способствующие повышению результативности
сеанса мозговой атаки.
Организация проведения мозговой атаки. Обычно о про-
ведении мозговой атаки участники оповещаются за 2-3 дня
с изложением сути задачи. Это позволяет участникам штурма
задачи продумать возможные идеи и настроиться на поиск
решения. В отдельных случаях о сущности задачи сообщается
только части участников.
Полная продолжительность процесса поиска решения
задачи методами мозговой атаки составляет 1,5-2 ч. Он вклю-
чает в себя выполнение следующих мероприятий:
♦ представление участников мозговой атаки друг другу
и ознакомление с правилами сеанса атаки (5-10 мин);
♦ постановка задачи ведущим с ответами на вопросы
(10-15 мин);
♦ проведение сеанса мозговой атаки (20-30 мин);
♦ перерыв (10 мин);
♦ составление отредактированного списка идей (30-
45 мин).
Сеанс стремятся проводить в отдельном, нешумном по-
мещении за круглым или П-образным столом, чтобы все виде-
ли друг друга. Для психологической настройки и психоэври-
стического стимулирования участников могут осуществляться
такие мероприятия, как показ легкого веселого короткомет-
ражного фильма или фильма, актуализирующего постановку
задачи, показ натурального образца или макета объекта зада-
чи, угощение чаем или кофе, объявление перед сеансом о гоно-
раре и т. д.
92
Оформление результатов мозговой атаки и экспер-
тиза выдвинутых идей. Фиксирование высказываемых
в ходе мозговой атаки идей может производиться стеногра-
фистом, или каждый участник после высказывания записы-
вает свою идею, или используются какие-либо технические
средства записи идей. После сеанса проводится коллективное
редактирование списка идей с полукритическим отношением.
Абсурдные и наименее приемлемые идеи при этом сразу же
отбрасываются. Список может быть дополнен и новыми
идеями, которые возникнут во время редактирования. Отре-
дактированный и оформленный список идей затем передает-
ся в экспертную группу.
Эксперты весьма тщательно оценивают каждую из пред-
ставленных в списке идей, подразделяя их на группы: наибо-
лее приемлемые и легко реализуемые, наиболее эффективные
и перспективные и малозначимые. Конечными результатами
экспертизы идей могут быть рекомендации об использовании
лучших идей в проектно-конструкторских разработках, а также
по их патентной проработке на предмет закрепления приори-
тета и защиты интеллектуальной собственности.
Различают две разновидности метода: прямую и обрат-
ную мозговые атаки. Для повышения эффективности поиска
идей решения задачи применяют также различные комбина-
ции этих разновидностей, в частности двойную прямую моз-
говую атаку, последовательное применение прямой и обрат-
ной мозговых атак и др.
4.2.1. Прямая мозговая атака
Цель прямой мозговой атаки - это получение как можно
большего числа идей решения поставленной задачи. В сфере
производства новой техники такой задачей обычно является
задача по совершенствованию существующего или созданию
нового технического объекта (устройства, процесса). При этом
метод может быть использован при поиске решения задач раз-
93
личных типов (выбора функциональной структуры, физиче-
ского принципа действия и т. д.) и на различных этапах проек-
тирования объекта.
Поиск новых технических решений методом прямой моз-
говой атаки полностью реализуется описанной выше последо-
вательностью операций.
4.2.2. Обратная мозговая атака
В основе целевой направленности метода обратной моз-
говой атаки лежит закон прогрессивной эволюции технических
объектов, согласно которому переход к новым моделям и по-
колениям техники происходит путем выявления и устранения
недостатков, обнаруженных в процессе использования суще-
ствующих образцов. Поэтому, в отличие от метода прямой моз-
говой атаки, целью обратной атаки является поиск и составле-
ние наиболее полного списка недостатков рассматриваемого
объекта путем всесторонней, ничем не ограниченной критики.
Обратную мозговую атаку часто применяют при уточне-
нии постановки изобретательских и рационализаторских задач,
разработке технического задания или предложения и при экс-
пертизе проектно-конструкторской документации на любой
стадии разработки (технического задания, технического пред-
ложения, эскизного или рабочего проекта и т. д.).
Подготовка и проведение обратной мозговой атаки прак-
тически не отличается от описанных выше операций. Однако
в связи с целевой направленностью обратной атаки в постанов-
ке задачи и действиях ведущего сеанс основное внимание уде-
ляется поиску недостатков обсуждаемого объекта. При этом
стремятся выявить не только недостатки, которые могут иметь
место при изготовлении отдельных узлов изделия, его сборке,
эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте, но и не-
достатки, которые могут проявиться в будущем, например через
5-10 и более лет (затруднения с материалами и комплектую-
щими деталями, с энергоснабжением и т. п.).
94
4.2.3. Способы применения метода мозговой атаки
В настоящее время, помимо применения основного мето-
да прямой или обратной мозговой атаки, используют различные
способы его реализации, позволяющие увеличить эффектив-
ность этого метода.
Теневая мозговая атака. Применяется для задействова-
ния потенциала участников, являющихся по своей природе
«генераторами», однако по характеру относящихся к стесни-
тельным людям (стесняются высказывать свои идеи перед
большим коллективом). Для этого наряду с обычной группой
«генераторов» формируется отдельная группа (теневой ка-
бинет), которая работает одновременно с основной группой,
но размещаются эти группы на определенном расстоянии
друг от друга или в различных помещениях. В последнем случае
связь между ними осуществляется с помощью телемонитора.
Двойная прямая мозговая атака. Применяется для по-
вышения эффективности использования возможностей подсоз-
нания участников атаки. Суть способа заключается в повторном
проведении мозговой атаки через 2-3 часа или несколько дней
после проведения первой мозговой атаки. Как показывает прак-
тика применения способа двойной атаки, во время повторного
штурма высказываются более плодотворные идеи, чем при пер-
вой мозговой атаке. Это объясняется интенсивной работой мозга
на подсознательном уровне в период между обсуждениями (ра-
ботает народная пословица: «Хорошая мысля приходит опосля»).
Обратная и прямая мозговые атаки. Используется для
мысленного моделирования и прогнозирования развития ин-
тересующего класса изделий. В основе способа последова-
тельного применения обратной и прямой мозговых атак лежит
закономерность, отражающая повторяющийся цикл развития
техники: существующее изделие- выявление недостатков-
устранение недостатков в новой серии изделия. В соответст-
вии с этой закономерностью вначале проводят обратную моз-
говую атаку, выявляя множество недостатков рассматривае-
95
мого объекта, и выделяют из них главные. Затем осуществля-
ют прямую мозговую атаку для поиска идей по устранению
установленных главных недостатков.
Кроме рассмотренных способов, применяют также моз-
говую атаку с оценкой идей, массовую мозговую атаку и др.
43. Метод контрольных вопросов
Метод контрольных вопросов был предложен в 1955 г. ру-
ководителем изобретательского бюро в Кембридже (Англия)
Т. Эйлоартом [18]. Сущность метода заключается в поиске реше-
ния задачи с помощью специально подготовленного списка на-
водящих вопросов, указаний, советов, подсказок. По содержа-
нию и порядку следования вопросов и советов список представ-
ляет собой определенный эвристический алгоритм случайного
поиска идей. Применение такого алгоритма ориентировано на то,
что при ответе на поставленные вопросы может прийти то озаре-
ние, которое составит основу рационального решения постав-
ленной задачи. Метод может использоваться как в форме моно-
лога, с которым инженер обращается к самому себе, так и в виде
диалога руководителя с членами творческой группы.
В настоящее время широко используются универсаль-
ный вопросник Т. Эйлоарта, список контрольных вопросов
А. Осборна, а также правила М. Тринга и Э. Лейтуэйта [34],
перечень вопросов и советов Д. Пойа [24] и другие списки.
В качестве примера приведем вопросник Т. Эйлоарта. Он со-
держит следующие позиции:
1. Перечислите все качества и определения предпола-
гаемого изобретения, укажите, в какую сторону их предпола-
гается изменить.
2. Четко сформулируйте задачи создания объекта, выде-
лив среди них главные и второстепенные.
3. Перечислите основные принципы и недостатки из-
вестных решений рассматриваемой задачи, сформулируйте
свои предложения по их устранению.
96
4. Выскажите и запишите различные, пусть даже фанта-
стические, аналогии (химические, биологические, экономиче-
ские и т.п.).
5. Постройте какие-то модели объекта: математические,
гидравлические, механические, электронные и т. п., поскольку
модели более точно выражают идеи, нежели аналогии.
6. Попробуйте применить для усовершенствования объ-
екта другие виды материалов, энергии, другие физические,
химические и иные эффекты.
7. Попытайтесь установить зависимости, взаимные связи
и логические совпадения.
8. Узнайте мнение по разрешению главной задачи у людей,
совершенно не осведомленных в данной проблеме.
9. Устройте свободное групповое обсуждение проблемы,
выслушивая любые идеи без критики.
10. Попробуйте использовать «национальные» подходы
к решению задач: хитрый шотландский, расточительный амери-
канский, сложный китайский, всеобъемлющий немецкий и т. п.
11. Постарайтесь быть всегда с проблемой, не расставаясь
с ней не только на работе, но и в поездке, на прогулке, в игре.
12. Постарайтесь погрузиться в обстановку, стимулирую-
щую творчество, побывать в техническом музее, в антикварном
магазине, посмотреть журналы, комиксы.
13. Составьте сопоставительные таблицы типов материа-
лов, геометрических параметров и других величин объекта
и его элементов, а также их цен для решения проблемы.
14. Определите идеальные конечные результаты по раз-
работке объекта.
15. Попробуйте видоизменить решение поставленной про-
блемы во времени, а также за счет изменения свойств и парамет-
ров объекта.
16. Попытайтесь в воображении «залезть» внутрь объек-
та и рассмотреть его изнутри.
17. Выявите и исключите из дальнейшего обсуждения
альтернативные варианты решения проблемы, уводящие в сто-
рону от траектории поиска наилучшего решения.
97
18. Попытайтесь выявить, кого и почему интересует ре-
шаемая проблема.
19. Выявите, кто первым и когда придумал аналогичный
технический объект, были ли ложные попытки его усовершен-
ствования.
20. Узнайте, кто еще решал подобную проблему и чего
он добился?
21. Выявите и обоснуйте граничные условия изготовле-
ния и применения объекта.
По своей сущности метод контрольных вопросов практи-
чески не отличается от метода проб и ошибок. Однако сама при-
веденная последовательность постановки вопросов и рекоменда-
ции осуществления психологического тренинга по активизации
творческого воображения и фантазии (вопросы 4, 10, 12, 16) зна-
чительно повышают вероятность удачного поиска.
4.4. Метод эвристических приемов
Решая задачу методом проб и ошибок, каждый творческий
человек получает при ее успешном решении два результата:
- методический результат, представляющий собой най-
денный (изобретенный) способ поиска решения поставлен-
ной задачи;
- искомое техническое решение, полученное с помощью
изобретенного способа поиска.
Встречаясь с новой задачей, прежде всего пытаются ее
решить путем использования ранее найденных способов,
приемов. Если это не удается (встретился иной тип задачи), то
опять ищут решение методом проб и ошибок. Успешный по-
иск дает новый способ решения задачи. В итоге постепенно
формируется определенный набор способов, приемов, правил
поиска решения задач.
Способы, приемы или правила, в которых содержится
краткое предписание или указание, как преобразовать имею-
щийся объект задачи или в каком направлении нужно искать,
98
чтобы получить решение задачи, называют эвристическими
приемами. Эвристические приемы не содержат прямого одно-
значного указания, как именно следует преобразовать данный
объект. Приемы играют только роль подсказок, которые об-
легчают получение искомого решения, не гарантируя, однако,
его нахождение. Естественно, что разным людям потребуется
приложить различные усилия, чтобы с помощью таких под-
сказок найти приемлемое решение.
Для иллюстрации того, что собой представляет эври-
стический прием, приведем из прил. 2 четыре приема, кото-
рые могли бы подсказать П. Яблочкову и А. Микулину идеи
решения их задач (см. п. 4.1) без больших затрат времени
и усилий:
- прием 3.4: размещение по одной линии заменить раз-
мещением по нескольким линиям или по плоскости;
- прием 3.5: заменить размещение по плоскости разме-
щением по нескольким плоскостям или в трехмерном про-
странстве; перейти от одноэтажной (однослойной) компонов-
ки к многоэтажной (многослойной);
- прием 9.5: для уменьшения простоев и повышения на-
дежности создать легко используемый запас рабочих органов
или элементов. Предусмотреть в ответственных частях объек-
та дублирующие элементы;
- прием 11.2: использовать природный принцип повто-
ряемости однотипных элементов (пчелиные соты, листья, кри-
сталлы и т. п.).
Для получения собственного, личного представления
о подсказывающей силе эвристического приема попытайтесь
найти решение двух нижеприведенных задач, используя сле-
дующие приемы:
- прием 2.6: заменить источник энергии, тип привода,
цвет и т. д.;
- прием 2.7: заменить механическую схему электриче-
ской, тепловой, оптической или электронной;
- прием 5.2: заменить поступательное (прямолинейное)
или возвратно-поступательное движение вращательным;
- прием 8.5: допустить незначительное снижение тре-
буемого эффекта;
- прием 8.6: использовать идею избыточного решения
(если трудно получить 100 % требуемого эффекта, задаться
целью получить несколько больше).
Задача 1[30]. Голландская фирма «Филипс» рекламиру-
ет свое устройство для прямолинейных микроперемещений
(на сотые доли микрометра), применяемое в микроскопах.
Устройство довольно сложное: электродвигатель, червячная
передача, двухступенчатый фрикционный механизм и т.д.; при-
чем все детали прецизионной точности, из специальной стали.
Фирма подчеркивает достоинства: отсутствие люфта, мертвого
хода и смазки.
Необходимо предложить идею технического решения,
представляющего собой простейшее устройство с такой же
функцией, как рекламируемое устройство фирмы «Филипс»,
также не имеющее люфта, мертвого хода и смазки, но при
этом обеспечивающее микроперемещения с более высокой
точностью.
Задача 2. Требуется предложить способ равномерного
нанесения тонкого слоя краски на наружные поверхности ци-
линдрических деталей. Применение пульверизатора нежела-
тельно по условиям техники безопасности.
Контрольные решения приведенных задач можно найти
в работах [30, 31].
Обобщая опыт работы инженеров и изобретателей, рос-
сийские ученые (Г.С. Альтшуллер, А.И. Половинкин и др.) во
второй половине XX в. составили списки различных эвристиче-
ских приемов поиска идей решения инженерных задач. Эти спи-
ски явились основой метода эвристических приемов. В настоя-
щее время известно около десяти его модификаций, использую-
щих различные фонды эвристических приемов [2, 15 и др.].
100
В частности, в изложенном в работе [26] методе предложен
для поиска идей решения задач сокращенный межотраслевой
фонд, содержащий 180 отдельных эвристических приемов
(прил. 2). В работе [31] представлены примеры использования
типовых приемов устранения технических противоречий при
решении изобретательских задач в области технологии маши-
ностроения.
Отличие метода эвристических приемов от метода кон-
трольных вопросов заключается в том, что он ориентирован
не столько на возможное возникновение озарения через наво-
дящие вопросы, сколько на осознанный вызов этого озарения
путем предложения конкретных способов, вариантов, дейст-
вий по преобразованию рассматриваемого объекта. Эти прие-
мы преобразования относятся к самым различным признакам
существования и создания объекта: его форме и структуре,
взаимному расположению его элементов, их взаимодействию
между собой и с объектами окружающей среды, наличию
и использованию внутренних резервов объекта в целом и его
элементов и т. д.
4.5. Метод морфологического анализа
И СИНТЕЗА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
Метод морфологического анализа и синтеза разработан
швейцарским астрономом Ф. Цвикки в 30-х гг. XX в. Первое
результативное применение этого метода он продемонстриро-
вал в 1942 г. в США в авиационной фирме, приведя 576 воз-
можных вариантов реактивных двигателей. Как выяснилось
позже, в числе предложенных были двигатели, аналогичные
двигателям немецких ракет ФАУ-1 и ФАУ-2, строго засекре-
ченных в то время.
Метод основан на комбинаторике и по своей сущности
представляет процесс составления различных комбинаций ва-
риантов реализации конструктивных, функциональных или
иных признаков, характеризующих разрабатываемый объект,
101
и последующую оценку этих комбинаций с точки зрения их
выполнимости и эффективности. Весьма важным достоинст-
вом метода является то, что он позволяет построить множест-
во решений поставленной задачи, содержащее подмножества
как известных, так и потенциально возможных решений, в том
числе и искомых.
Метод морфологического анализа и синтеза фактически
стал первым методом системного подхода в области изобрета-
тельства. Ф. Цвикки разработал несколько модификаций своего
метода. В нашей стране В.М. Одриным и С.С. Картавовым [21]
проведен глубокий теоретический анализ метода, сформулиро-
ваны основные понятия и термины, предложены основные прин-
ципы и подходы к анализу и синтезу технических систем при
использовании метода морфологического анализа и синтеза.
Процесс решения задачи методом морфологического ана-
лиза и синтеза включает в себя следующие этапы:
- постановку задачи;
- составление списка морфологических признаков объек-
та задачи;
- установление возможных вариантов реализации каж-
дого морфологического признака объекта, заполнение морфо-
логической таблицы;
- определение практически реализуемых на данный мо-
мент и приемлемых комбинаций вариантов морфологических
признаков;
- выбор наиболее эффективных комбинаций вариантов
морфологических признаков, их проектно-конструкторскую
проработку до уровня технических решений.
4.5.1, Постановка задачи
Постановка задачи для ее решения методом морфологи-
ческого анализа и синтеза практически не отличается от по-
становки любой задачи по созданию новых и совершенствова-
нию существующих технических объектов (изделия, способа
или технологии). Дополнительно в постановке задачи указы-
102
вается критерий качества, т. е. такой количественный показа-
тель или параметр, по значению которого из альтернативных
вариантов технического решения может быть выбран наилуч-
ший. За критерий качества обычно принимают наиболее важный
для рассматриваемого объекта критерий его эффективности.
В качестве примера, иллюстрирующего потенциальные
возможности метода морфологического анализа и синтеза
и этапы его применения, рассмотрим задачу поиска новых и со-
вершенствования существующих методов обработки деталей
поверхностным пластическим деформированием. Эти методы
относятся к тем методам окончательной обработки, которые
позволяют обеспечить требуемое качество поверхностного
слоя деталей на основе эффекта деформационного упрочнения
материала, осуществляемого без стружкообразования .
Учитывая только познавательную и методическую на-
правленность примера, постановку задачи сформулируем в сле-
дующем виде.
Постановка задачи. Выявить возможные способы обра-
ботки деталей методом поверхностного пластического дефор-
мирования (ППД), обеспечивающие улучшение параметров
шероховатости обрабатываемой поверхности и упрочнение ма-
териала поверхностного слоя деталей. Прототипами являются
следующие способы [19]:
♦ раскатывание и обкатывание;
♦ выглаживание;
♦ вибрационное накатывание и вибрационное выгла-
живание;
♦ поверхностное дорнование;
♦ дробеструйный наклеп;
♦ гидродробеструйная обработка;
♦ ультразвуковая обработка;
* В справочнике [36] этот эффект называется эффектом пластической
деформации скольжения.
103
♦ ударное раскатывание;
♦ центробежная обработка;
♦ упрочняющая чеканка;
♦ вибрационная ударная обработка;
♦ обработка механической щеткой.
4.5.2. Составление списка морфологических
признаков объекта задачи
Список морфологических признаков во многом опреде-
ляется постановкой задачи и используемой модификацией ме-
тода. Это могут быть конструктивные элементы разрабатывае-
мого объекта или их функции, физико-технические эффекты,
лежащие в основе выполнения функций, вид используемой
энергии и т. п. В частности, если требуется улучшить известное
устройство, то в качестве морфологических признаков могут
быть приняты конструктивные элементы прототипа или при
использовании модификации метода, основанной на функцио-
нальном подходе, - функции этих элементов.
Для выявления, какие именно признаки должны быть
включены в морфологический список, проводится анализ су-
ществующих образцов технических объектов (прототипов),
выполняющих такую же или близкую функцию. Он позволяет
установить общие для всех прототипов признаки (элементы,
характер действия, вид агрегатного состояния отдельных эле-
ментов, вид используемой энергии и т. д.) и варианты их реа-
лизации, которые отличают один прототип от другого. Так,
в рассматриваемом примере результаты анализа приведенных
в постановке задачи способов обработки деталей методом
ППД указывают на наличие следующих морфологических
признаков, являющихся общими для всех способов:
♦ вида энергии, используемой для реализации эффекта
деформационного упрочнения;
♦ способа физического взаимодействия рабочего тела
(инструмента) с поверхностью обрабатываемой детали;
104
♦ характера взаимодействия рабочего тела с обрабаты-
ваемой деталью во времени;
♦ формы площадки приложения контактной нагрузки;
♦ вида основного движения рабочего тела;
♦ вида дополнительного движения рабочего тела;
♦ вида движения обрабатываемой детали;
♦ вида физического состояния среды, в которой выпол-
няется ППД.
4.5.3. Установление возможных вариантов
реализации каждого морфологического признака
объекта. Заполнение морфологической таблицы
Альтернативные варианты реализации каждого морфоло-
гического признака, прежде всего, устанавливаются на основе
анализа существующих образцов технических объектов. Наря-
ду с этим рекомендуется использовать собственные знания
и результаты опроса специалистов, справочники и энциклопе-
дии и другие источники (описания изобретений, каталоги вы-
ставок и т. д.), содержащие информацию о разрабатываемом
объекте. Поиск вариантов реализации морфологических при-
знаков осуществляют также, применяя методы мозговой атаки,
контрольных вопросов, эвристических приемов. Это позволяет
выявить не только дополнительное множество возможных
вариантов реализации морфологических признаков, но и рас-
ширить список этих признаков. В частности, приведенные
в справочнике [19] данные, свидетельствуют о возможном до-
полнении приведенного выше списка другими морфологиче-
скими признаками, например, геометрической формой рабочего
тела, его агрегатным состоянием, физико-химическими воздей-
ствиями на обрабатываемую поверхность для интенсификации
метода ППД и др.
Морфологические признаки и варианты их реализации
систематизируют в виде морфологической таблицы (морфоло-
гического ящика). Один из возможных вариантов такой табли-
105
цы (применительно к приводимому примеру) представлен
в виде табл. 3. Данная таблица не содержит полный список мор-
фологических признаков, характеризующих метод ППД, и аль-
тернативных вариантов их реализации. Тем не менее полученное
в виде морфологической таблицы поисковое поле содержит
более 370 тыс. возможных вариантов технического решения.
Таблица 3
Морфологическая таблица возможных способов
обработки деталей методом ППД
Морфологический признак Варианты морфологического признака
А Вид энергии, исполь- зуемой для реализации эффекта деформационного упрочнения Ai Аг А3 А5 Механическая Электрическая Магнитная Электромагнитная Гравитационная
В Способ физического взаимодействия рабочего тела (инструмента) с поверхностью обрабаты- ваемой детали Bi в2 в3 в< В5 Через упругую связь рабочего тела с обрабатываемой поверхностью Через жесткую связь рабочего тела с обрабатываемой поверхностью Путем удара рабочего тела Гравитационным полем множества рабочих тел Электрогидранлическим ударом
С Характер взаимодействия рабочего тела с обрабаты- ваемой деталью во вре- мени Cl Сг С3 Непрерывный Импульсный Переменный по величине контактной нагрузки (от мин. до макс, значения)
D Форма площадки прило- жения контактной нагруз- ки на обрабатываемую поверхность Q Q Q Q О' Прямоугольная (полосовая) Круговая Эллиптическая Каплевидная Форма внутренней полости или наружной поверхности детали
106
Окончание табл. 3
Морфологический признак Варианты морфологического признака
Е Вид основного движения рабочего зела £1 Е2 Ез Е< е5 Е6 Ej Ei Е. Поступательное Вращательное Поступательное и вращательное Низкочастотные колебания в одном направлении Низкочастотные колебания в двух направлениях Низкочастотные колебания в трех направлениях Планетарное Планетарное и поступательное Нет движения
F Вид дополнительного движения рабочего тела Fx f2 Fi F< Низкочастотные колебания в плоскости площадки приложения контактной нагрузки Низкочастотные колебания перпендикулярно к площадке приложения контактной нагрузки Ультразвуковые колебания Нет движения
G Вид движения обрабаты- ваемой детали Gx g2 Gi g4 Gs G6 g2 Поступательное Вращательное Поступательное и вращательное Низкочастотные колебания в одном направлении Низкочастотные колебания в двух направлениях Низкочастотные колебания в трех направлениях Нет движения
Н Вид физического состоя- ния среды, в которой выполняется ППД a? £ Газообразная Жидкая Вязкая Смесь твердых тел (гранулы, шары, дробь и т. п.)
107
Число возможных вариантов технического решения на
основе морфологической таблицы определяется по формуле
т
<’
i=l
где л, - число альтернативных вариантов i-ro морфологи-
ческого признака; т - количество морфологических признаков
в таблице.
Число возможных вариантов технического решения по
данным табл. 3
7V = 5-5-3-5-9-4-7-4 = 378OOO.
Это поисковое поле позволяет даже при относительно
небольшом объеме знаний о способах осуществления метода
ППД синтезировать различные кинематические схемы техни-
ческого решения, соответствующие той или иной комбинации
вариантов морфологических признаков.
На рис. 9 в качестве примера приведены схемы некото-
рых комбинаций вариантов морфологических признаков:
TP ={AhBj,Ck,...,Hp}.
ТР = |Л2, В3> С2, Оз, Еь Г2, G2, Hl}
TP = (А2, В3, С2, О4, Ei, F2, G2, Hi )
TP = {A2, B3, C2, O3, E|, F2, G2, Hi }
TP = {A2, Вз, C2, D3, Ei, F2, G2, Hi }
в г
Рис. 9. Схемы вариантов реализации метода ППД
108
Эти схемы реализованы в таких известных способах об-
работки деталей методом ППД, как ударная чеканка (рис. 9, а),
вибровыглаживание (рис. 9, б), раскатывание роликами (рис. 9, в)
и ультразвуковая обработка (рис. 9, г).
4.5.4. Определение приемлемых и реализуемых
комбинаций вариантов морфологических признаков
Следует заметить, что до выполнения данного этапа
не ставился вопрос о практической осуществимости и ценно-
сти той или иной комбинации вариантов морфологических
признаков. Например, в табл. 3 комбинация
ТР = {Ль Ci, Di, Ед, 7*4, Gq, Н\}
содержит способ улучшения качества поверхности путем не-
прерывного приложения (Ci) в газообразной среде (Hi) контакт-
ной нагрузки на прямоугольной площадке (Dt) обрабатываемой
поверхности с использованием механической энергии (Л 0 при
наличии упругой связи между инструментом и деталью (В\)
в условиях отсутствия основного (Ед) и дополнительного (F4)
движений инструмента и движения детали (G7). Однако такой
способ не позволяет улучшить качество всей подлежащей обра-
ботке поверхности, если ее площадь больше площади площадки
приложения контактной нагрузки. Является очевидным, что
морфологическая таблица содержит множество и других ком-
бинаций, которые также не обеспечивают повышение качества
обрабатываемой поверхности. Вместе с тем не рекомендуется
проводить оценку того или иного получаемого варианта реше-
ния до завершения составления таблицы, так как преждевре-
менная оценка вариантов может нанести ущерб беспристраст-
ному применению морфологического анализа.
Определение функциональной ценности всех получен-
ных комбинаций - наиболее ответственный этап решения за-
дачи методом морфологического анализа и синтеза. Должны
быть рассмотрены все Н вариантов решения, вытекающих из
109
структуры морфологической таблицы, и проведено их сравне-
ние по одному или нескольким выбранным критериям эффек-
тивности разрабатываемого объекта.
Основная сложность выполнения этапа оценки обуслов-
лена большим числом комбинаций искомого решения. В рабо-
те [26] предлагается прежде всего уменьшить число комбина-
ций до некоторого обозримого числа Для относительно
простых технических объектов, для которых сравнение двух
любых вариантов решения занимает по времени не более 10 с,
принимают Ntf = 10000. Для сложных объектов = 1000.
Для получения N < осуществляют сравнительный анализ
альтернативных вариантов реализации каждого морфологиче-
ского признака по степени удовлетворения ими основных тре-
бований, по степени снижения недостатков прототипа и улуч-
шения его критериев эффективности и по другим параметрам.
Это позволяет выявить наихудшие альтернативные варианты
морфологических признаков, которые исключают из таблицы.
При этом возможны ситуации исключения и отдельных мор-
фологических признаков.
Сокращение числа альтернативных вариантов мор-
фологических признаков табл. 3. Результаты сопоставления
альтернативных вариантов признака А позволяют исключить
из дальнейшего рассмотрения варианты использования маг-
нитной и гравитационной энергии, поскольку следует ожи-
дать, что устройства для реализации способа ППД за счет этих
видов энергии будут весьма громоздкими.
Признак В. Исключаем вариант взаимодействия рабоче-
го тела (инструмента) с поверхностью обрабатываемой детали
через жесткую связь, так как такая связь используется, глав-
ным образом, для уменьшения в определенной степени волни-
стости поверхности и требует отсутствия биения обрабаты-
ваемой поверхности относительно инструмента.
Признак С. Исключаем вариант применения переменной
по величине контактной нагрузки, так как это частный вариант
действия непрерывной во времени нагрузки.
НО
Признак D. Этот признак характеризует размер поверхно-
сти, на которой действует контактная нагрузка в рассматриваемый
момент времени (на локальной или сразу на всей обрабатываемой
поверхности), и геометрическую форму локальной области при-
ложения нагрузки. Форма области зависит от геометрической
формы рабочей поверхности инструмента (сферическая, цилинд-
рическая, конусная и т. п.) и не определяет сам способ ППД. По-
этому целесообразно этот признак исключить и заменить его при-
знаком «Область приложения контактной нагрузки» с вариантами:
«Локальная» и «На всей обрабатываемой поверхности».
Признак Е. Исключаем варианты Е5, Е6, Е%, поскольку
аналогичные варианты присутствуют в признаке F как вариан-
ты Fi, F2, а также как вариант Gi.
Признак F. Варианты признака сохраняем в таблице.
Признак G. Исключаем варианты G3, G4, G5, G&
Признак Н. Исключаем вариант Н3.
В результате произведенных сокращений получим вари-
анты реализации морфологических признаков, приведенные
в табл. 4. Общее число комбинаций этих вариантов
N = 3-4-2-2-5-4-3-3 = 8640.
Таблица 4
Морфологическая таблица возможных способов обработки
деталей методом ППД после сокращения альтернативных
вариантов
Морфологический признак Варианты морфологического признака
А Вид энергии, используемой для реализации эффекта упрочнения Ai а2 Аз Механическая Электрическая Электромагнитная
В Способ физического взаимодействия рабочего тела (инструмента) с поверхностью обрабатываемой детали £IQ CQ CQ а? Через упругую связь рабочего тела с обрабатываемой поверхностью Путем удара рабочего тела Гравитационным полем множества рабочих тел Электрогидравлическим ударом
111
Окончание табл. 4
Морфологический признак Варианты морфологического признака
С Характер взаимодействия рабочего тела с обрабаты- ваемой деталью во времени с2 Непрерывный Импульсный
D Область приложения контактной нагрузки D, D2 Локальная На всей обрабатываемой поверхности
Е Вид основного движения рабочего тела Ei Ег Е3 е4 Ея Поступательное Вращательное Поступательное и вращательное Планетарное Нет движения
F Вид дополнительного движения рабочего тела F, е2 Ез е4 Низкочастотные колебания в плоскости площадки приложения контактной нагрузки Низкочастотные колебания перпендикулярно к площадке приложения контактной нагрузки Ультразвуковые колебания Нет движения
G Вид движения обрабатываемой детали Ci О Q W Ь) •— Поступательное Вращательное Нет движения
Н Вид физического состояния среды, в которой выполняется ППД . CM .ri а: й: а: Газообразная Жидкая Смесь твердых тел (гранулы, шары, дробь и т. п.)
Сокращение множества возможных вариантов тех-
нического решения путем исключения наихудших непол-
ных комбинаций. В полученной таблице, имеющей N <
последовательно составляя сочетания вариантов морфологи-
ческих признаков, можно синтезировать технические решения
и сравнивать их между собой для выбора наилучших. Однако
такой подход является весьма сложной процедурой, так как
требует представления идеи технического решения, содержащей
всю совокупность морфологических признаков, имеющих те или
иные варианты их реализации. Выбор наилучшей комбина-
ции можно упростить путем последовательного сопоставления
112
Рис. 10. Кинематическая схема
решения ТР = {Яь Q, Е3,
f4, g2, Н2}
неполных альтернативных
комбинаций, состоящих из
сочетаний вариантов реали-
зации вначале двух морфо-
логических признаков, затем
трех, четырех и т. д. В резуль-
тате исключения нереализуе-
мых или несовместимых ком-
бинаций, а также комбина-
ций, в наименьшей степени
удовлетворяющих поставлен-
ным целям создания нового
технического объекта, выбирают 3-5 наиболее эффективных
вариантов технического решения для дальнейшей проработки.
Достаточно полно методика сокращения множества возмож-
ных вариантов технического решения изложена в работе [26].
В рассматриваемом примере одной из перспективных является
комбинация ТР = Вх, Сх, Dx, Е3, Ft, G2, Н2} (рис. 10).
4.6. АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ
Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ) как
метод поиска новых решений при усовершенствовании суще-
ствующих или создании новых технических объектов разрабо-
тан нашим соотечественником - инженером и изобретателем
Г.С. Альтшуллером в 1947 г. К настоящему времени имеется
ряд модифицированных версий этого алгоритма, последняя из
которых называется АРИЗ - 85 В.
Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ)-
комплексная программа, основанная на законах развития тех-
нических систем и органично сочетающая в себе алгоритмиче-
ский подход и эвристический характер поиска решения зада-
чи. Эта программа позволяет последовательно, шаг за шагом,
переходить от описания проблемной ситуации к четко постро-
113
енной и предельно простой модели задачи, затем от образа
идеального объекта (устройства, процесса и т. п.) к задаче раз-
решения физического противоречия и далее к идее техниче-
ского решения. Графическое отображение АРИЗ приведено на
рис. 11 в виде последовательности блоков, каждый из которых
представляет соответствующий укрупненный этап действий
разработчика технического объекта.
Первый этап- этап изучения проблемной ситуации,
формулирования исходной задачи в общем виде.
На втором этапе осуществляется анализ исходной зада-
чи, направленный на конкретизацию цели, которую необхо-
димо достичь, условий достижения цели и требований, кото-
рым должен удовлетворять результат решения задачи. Прежде
всего выполняют постановку мини-задачи. В ней четко обо-
значают технический объект, его функцию (назначение), его
основные элементы, требования к объекту и его недостатки,
сформулированные в виде технических противоречий, и ре-
зультат, который необходимо получить. При этом условия ми-
ни-задачи излагают без применения специальных терминов,
заменяя их нейтральными терминами (подобно «иксу», «игре-
ку» в математике), для уменьшения психологической инерции
человека, подталкивающей его к использованию существую-
щих технических решений.
Выполнение второго этапа завершается построением
модели задачи. Она представляет собой конфликтующую па-
ру: изделие (элемент, который надо обработать - изменить,
переместить, измерить и т. д.) и инструмент, который непо-
средственно взаимодействует с изделием, преобразуя его
(пламя горелки, фреза и т. д.), и связи между ними. Связи
в модели отражают характер взаимодействия инструмента и из-
делия: полезный, вредный, сопряженный (полезный и вред-
ный), несовместимый, нерегулируемый, вызывающий услож-
нение системы и т. д.
114
Г1 -----------------
Формулировка задачи
-----------►
Г2---------’------
Анализ задачи
Анализ модели
задачи
Модификация
или замена
задачи
Определение ИКР,
выявление ФП
Минимизация затрат
ресурсов.
Моделирование
Ю-------«------
Анализ хода
решения задачи
Рис. 11. Структура алгоритма решения
изобретательских задач (АРИЗ)
115
Построение модели задачи имеет весьма важное значе-
ние, поскольку на этом шаге второго этапа АРИЗ определяют-
ся из всех элементов системы те два ее элемента, между кото-
рыми происходит конфликт (техническое противоречие), что
позволяет сосредоточить внимание при поиске решения имен-
но на этих элементах. Кроме того, с помощью приведенных
в модели связей между элементами конфликтующей пары рас-
крывается сущность технического противоречия и конкрети-
зируется цель (какое вредное действие надо устранить, какое
действие сделать постоянным и т. п.).
Действия третьего этапа направлены на выявление ре-
сурсов пространства, времени, вещества и полей, которые мо-
гут быть использованы при решении задачи. В качестве ресур-
сов рассматриваются элементы самой улучшаемой системы,
объекты окружающей среды, свойства этих элементов и объ-
ектов, физические «фоновые» поля (гравитационное, магнит-
ное, тепловое, звуковое и т. п.), отходы функционирования
других технических систем и др.
На четвертом этапе определяется «маяк» направления
поиска наиболее сильного решения в виде образа идеального
решения. Образ идеального решения формулируется в виде
задания какому-либо элементу тех действий, функций или
свойств, которые обеспечивают нужный результат (устраняют
вредное действие, устраняют несовместимость двух и более
полезных действий и т. д.), не вызывая ухудшение каких-либо
других качеств объекта. В качестве элемента, которому при-
писывают нужные действия, функции или свойства, могут
В работах по инженерному творчеству используют также термины
«идеальное техническое решение» (ИТР), «идеальный конечный результат»
(ИКР), «идеальная машина». Под идеальным понимается решение,
в котором размеры и масса разрабатываемого объекта (например,
инструмента) приближаются (или совпадают) к размерам и массе
преобразуемого изделия или в предельном случае равны нулю (но функция
объекта выполняется), время обработки изделия приближается к нулю
и т. п. [3,26,29].
116
быть выбраны элементы конфликтующей пары или другие
элементы рассматриваемой системы, известные и неизвестные
(икс-элементы) объекты внешней среды. При этом возникает
ситуация, когда необходимо, чтобы один и тот же элемент вы-
полнял два противоположных по характеру действия (совер-
шал перемещение и оставался неподвижным, нагревался и осты-
вал ит. п.) или обладал противоположными свойствами (был
твердым и мягким, холодным и горячим и т. п.). Требование
совмещения двух противоположных качеств в одном элементе
представляет собой форму проявления физического противо-
речия (ФП). Это кардинально изменяет постановку исходной
задачи, переводя ее в физическую задачу, направленную на
поиск идеи разрешения физического противоречия, решение
которой ищется на уровне свойств и эффектов (геометриче-
ских, физических, химических).
На пятом и шестом этапах осуществляется поиск идей
разрешения физического противоречия за счет минимизации
затрат энергетических, информационных и вещественных ре-
сурсов, путем применения метода моделирования, использова-
ния банков физических, химических, геометрических эффектов,
типовых приемов и стандартов [29].
На седьмом и восьмом этапах производится анализ ка-
чества найденного способа устранения физического противо-
речия. Если получено слабое решение или найденная идея
не приводит к решению задачи, то возвращаются к повторному
выполнению этапа 2. При этом осуществляется модификация
или замена задачи.
В случае получения хорошей идеи переходят от реше-
ния задачи на физическом уровне к техническому решению,
в котором описывается способ и дается принципиальная схема
устройства, реализующего этот способ.
Выполнение девятого и десятого этапов связано с изу-
чением возможности использования полученной идеи для ре-
шения других технических задач, а также пополнения инфор-
117
мационного фонда АРИЗ (стандартов, приемов, физических
эффектов).
Алгоритм решения изобретательских задач составил ос-
нову семейства интеллектуальных систем «Изобретающая
машина», разработанных Научно-исследовательской лабора-
торией изобретающих машин (НАЛИМ) г. Минска. Это се-
мейство включает в себя три системы: ИМ-Приемы (ИМ-П),
ИМ-Сгандарты (ИМ-С) и ИМ-Эффекты (ИМ-Э). Система ИМ-П
предназначена для поиска идей решения задач на основе прие-
мов, устраняющих технические противоречия. Система ИМ-С
позволяет выполнить синтез и преобразование структуры тех-
нических систем путем использования банка изобретательских
стандартов. Система ИМ-Э оказывает интеллектуальную под-
держку при поиске идей решения задачи на основе применения
наиболее оптимального физического, химического или геомет-
рического эффекта.
4.7. Автоматизированный синтез
физических ПРИНЦИПОВ ДЕЙСТВИЯ
Основу системы автоматизированного синтеза физиче-
ских принципов действия (ФПД), предложенной А.И. Поло-
винкиным [26], составляет база данных о физико-технических
эффектах (ФТЭ), в которой каждый ФТЭ имеет трехуровневое
описание.
На первом уровне дается краткое качественное описание
ФТЭ, в котором приводится наименование эффекта, его сущ-
ность и информация о физическом воздействии (вход), объекте
воздействия и результате (эффекте) физического воздействия
(выход). Информация о физическом воздействии на объект
содержит наименование входных потоков энергии, вещества
или информации (магнитная энергия, электромагнитное излу-
чение, гравитационное поле и т. д.) и их характеристики (маг-
нитная индукция, излучение, напряженность, температура,
118
скорость и т. п.). В информации об объектах воздействия ука-
зываются конкретные физические объекты: твердое тело,
жидкость, газ, металл, полупроводник, ферромагнетики и др.,
а также состояние объектов воздействия (движущееся, погру-
женное в жидкость), при котором проявляется данный ФТЭ.
Для выходных потоков приводятся их наименования, их пара-
метры и характер проявления этих потоков или изменения их
параметров (видимое, ультрафиолетовое, уменьшение, скачко-
образный и т.п.).
На втором уровне описание ФТЭ дополняется его мате-
матической моделью, отражающей связь между входными
и выходными потоками вещества, энергии или информации,
условиями возникновения и протекания ФТЭ и конкретными
примерами применения ФТЭ в технике.
На третьем уровне описание ФТЭ наряду с информаци-
ей второго уровня содержит сущность имеющегося обратного
ФТЭ и полезную дополнительную информацию, в том числе
список литературы, в которой дано подробное описание ФТЭ.
Поиск физического принципа действия с помощью сис-
темы автоматизированного синтеза физических принципов
действия предусматривает осуществление следующих этапов:
1. Постановка задачи, в которой приводятся физические
операции реализации разрабатываемым объектом заданной
технической функции.
2. Синтез возможных ФПД. На этом этапе осуществля-
ется поиск физико-технических эффектов из банка ФТЭ, удов-
летворяющих условиям их совместимости при выполнении
требуемых физических операций элементами разрабатываемо-
го технического объекта.
3. Выбор наиболее эффективных ФПД.
4. Разработка принципиальной схемы ФПД. На этом
этапе выбираются или эскизно отображаются конструктивные
элементы, реализующие соответствующие ФТЭ, определяется
их взаимное расположение и компоновка. Описывается прин-
119
цип работы полученного устройства (принципиальной схемы),
где указывается:
- какие потоки вещества, энергии или информации про-
ходят через конструктивные элементы;
- под действием каких ФТЭ и с помощью каких кон-
структивных элементов происходит преобразование этих
потоков.
Автоматизированная система синтеза ФПД имеет два
варианта: учебный и промышленный. Учебный вариант сис-
темы предназначен для разработки относительно простых тех-
нических объектов, функционирование которых основано на
использовании нескольких ФТЭ, и имеет базу, содержащую
около 200 ФТЭ на первом и втором уровнях описания. Про-
мышленный вариант применяется для разработки сложных
объектов, в которых используются десятки ФТЭ, и имеет раз-
витую систему математического моделирования и оценки эф-
фективности новых ФПД.
Глава 5
ПОСТАНОВКА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ
5.1. Иерархия задач поиска и выбора
ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ
Процесс создания нового технического объекта, в самом
общем случае, представляет собой последовательный поиск
и выбор проектно-конструкторских решений шести типов задач.
При этом постановка задачи очередного типа во многом опре-
деляется найденным решением задачи предыдущего типа, что
обусловливает иерархию инженерных задач, аналогичную ие-
рархической соподчиненное™ инвариантных понятий техни-
ки, приведенной на рис. 2.
Задачи 1-го типа - это задачи выбора удовлетворяе-
мой потребности. Эти задачи являются задачами внешнего
проектирования и относятся к области маркетинга и марке-
тинговых исследований. Поиск решения задач этого типа за-
ключается в выборе ответа на вопрос: «Какую потребность
должно удовлетворять новое изделие и сколько примерно
потребителей этого изделия следует ожидать?» В зависи-
мости от результатов маркетинговых исследований могут
быть следующие решения:
♦ предприятие решает продолжить удовлетворение су-
ществующей потребноста, но путем производства новых моде-
лей или новых поколений уже изготавливаемых на нем изделий;
♦ предприятие решает начать выпуск новых для него
изделий для удовлетворения другой известаой, но актуальной
* К задачам внутреннего проектирования относятся задачи типов
2-6, т.е. задачи непосредственного проектирования и конструирования
нового технического объекта.
121
потребности, при этом производить известные изделия усо-
вершенствованной конструкции;
♦ предприятие планирует удовлетворение принципи-
ально новой потребности путем выпуска новых изделий, неиз-
вестных на мировом рынке.
В соответствии с принятым решением выполняется
качественное описание технической функции нового изде-
лия, обосновываются и определяются значения его критери-
ев эффективности: производительности, надежности, эко-
номичности и других.
Задачи 2-го типа - задачи выбора физической опера-
ции для реализации заданной потребности. В настоящее
время практически любая потребность и, следовательно,
техническая функция объекта, удовлетворяющего эту по-
требность, может быть реализована выполнением одной или
некоторого множества физических операций над различны-
ми по виду и физической сущности входными потоками ве-
щества, энергии и информации. В частности, такая потреб-
ность, как получение электрического тока заданного напря-
жения, может быть реализована с помощью физических
операций: «преобразование», «увеличение» или «уменьше-
ние». При этом могут быть использованы входные потоки
химической, магнитной, электрической и других видов
энергии, которые преобразуются в выходной поток электри-
ческой энергии с помощью, например, аккумуляторов, гене-
раторов, трансформаторов и других преобразователей энер-
гии (рис. 12).
Выбор конкретной физической операции осуществля-
ют, исходя из возможностей получения с помощью данной
операции наибольшего эффекта преобразования входного
потока вещества, энергии и информации в выходной поток,
обеспечивающий заданные количественные характеристики
технической функции проектируемого изделия.
122
Рис. 12. Иерархия задач создания источника электрического тока
Задачи 3-го типа - это задачи выбора функциональной
структуры разрабатываемого технического объекта. В ходе
решения задач этого типа рассматриваются альтернативные
функциональные структуры, которые позволяют реализовать
заданную техническую функцию (потребность) при выбран-
ной физической операции. Выбор наиболее рациональной
из них производится с учетом достижения требуемых потре-
бительских качеств и оптимального распределения функций
между человеком и технической системой.
Задачи 4-го типа - это задачи выбора физического прин-
ципа действия. В отличие от задач 3-го типа, в которых поиск
решения осуществляется на уровне конструктивной функцио-
нальной структуры изделия (состава его элементов и их функ-
ций), задачи 4-го типа рассматриваются на физическом уровне,
т. е. уровне свойств функциональных элементов, обусловли-
123
вающих их способность выполнять заданные функции. Раз-
работка физического принципа действия - один из самых вы-
соких по творческому уровню этапов создания новых техниче-
ских объектов, поскольку решение задач этого типа связано
с поиском и выбором таких физико-технических эффектов, ко-
торые позволяют каждому элементу изделия и изделию в целом
с наибольшей эффективностью выполнять заданную техниче-
скую функцию.
Задачи 5-го типа - это задачи выбора технического ре-
шения. Поиск решения задач этого типа направлен на разра-
ботку оптимального технического решения по составу элемен-
тов изделия, их взаимному расположению, способам и сред-
ствам их соединения, применяемым материалам и другим
признакам конструктивного исполнения элементов и изделия
в целом, позволяющим с наибольшей эффективностью реализо-
вать выбранный физический принцип действия.
Задачи 6-го типа - это задачи определения оптимальных
значений параметров выбранного технического решения. Дан-
ный тип задач наиболее трудоемкий из рассмотренных, так как
любой технический объект обычно характеризуется множеством
параметров: габаритами и массой его элементов, их физико-
механическими свойствами, показателями самого объекта- на-
дежностью, производительностью, мощностью установленных
двигателей и т. п. При решении задачи 6-го типа ставят и решают
частные подзадачи по определению оптимальных значений па-
раметров технического объекта и его отдельных элементов.
Выделение в общей задаче создания нового техническо-
го объекта отдельных задач перечисленных типов и приведен-
ная последовательность их решения имеют определенную ус-
ловность, так как процесс проектирования и конструирования
часто носит итерационный характер с многочисленными воз-
вратами, при этом может производиться одновременный по-
иск решения смежных задач.
124
В целом все типы задач являются творческими задачами,
однако уровень творчества в наибольшей степени проявляется
при поиске решения задач типов 3-5 и во многом определяет
техническую и экономическую значимость найденных проект-
но-конструкторских решений. Причем с повышением иерархи-
ческого уровня задачи (от 6-го типа до 1-го) ее успешное реше-
ние дает все более весомый технико-экономический эффект.
Например, решение задачи 6-го типа обычно позволяет улуч-
шить технико-экономические показатели изделий на 10-15 %,
решение задачи 5-го - на 20-30 %, задачи 4-го - на 30-50 %,
а в отдельных случаях в несколько раз. Еще больший эффект
обеспечивает выявление новых потребностей на этапе марке-
тинговых исследований.
В этой и последующих главах рассматриваются вопросы
постановки и поиска решения различных технических задач
по улучшению существующих объектов - устройств и спосо-
бов преобразования вещества, энергии или информации.
5.2. Основные операции процесса постановки
ТЕХНИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ
В процессе решения технической задачи условно можно
выделить следующие этапы:
1) изучение проблемной ситуации и постановка исход-
ной задачи;
2) функциональный анализ прототипа, поиск возможных
изменений прототипа;
3) поиск идей решения задачи методом анализа причин
возникновения исходного недостатка;
4) выявление и анализ противоречий улучшения техни-
ческого объекта;
5) определение идеального технического решения (ИТР);
6) поиск идей решения задачи в направлении ИТР;
7) синтез нового технического решения.
125
В этом перечне этапов можно выделить два направления
поиска решения поставленной задачи:
♦ поиск решения традиционными инженерными мето-
дами (этапы 2-3);
♦ поиск решения на изобретательском уровне (этапы 4-6).
Важнейшим этапом решения любой задачи - техниче-
ской, экономической и т. п. - является этап ее постановки.
Насколько правильно будет поставлена творческая задача,
настолько эффективным будет поиск ее решения. Опыт показы-
вает, что правильная постановка задачи - это половина успеха
ее решения. Нередки случаи, когда решение задачи находят
в процессе ее постановки.
При постановке технической задачи осуществляют сле-
дующие операции:
- краткое описание проблемной ситуации;
- описание функции (назначения) технического объек-
та (ТО);
- выбор прототипа;
- составление списков недостатков прототипа и требова-
ний к разрабатываемому техническому объекту;
- формулирование исходной задачи.
5.2.1. Краткое описание проблемной ситуации
Непосредственной постановке технической задачи пред-
шествует изучение проблемной ситуации. Обычно в описании
проблемной ситуации приводятся сведения о техническом объ-
екте, условиях его функционирования и его недостатках в виде
указания показателей качества, значения которых не соответст-
вуют предъявляемым требованиям (низкий КПД, малые техно-
логические возможности и т. п.). Ниже приведен пример описа-
ния проблемной ситуации.
Пример проблемной ситуации. Листовую сталь (про-
кат) производят на многоклетьевом прокатном стане, каждая
клеть которого имеет одну пару рабочих (обжимных) вал-
ков 2 и подающие валки 3 (рис. 13). Последние транспортируют
126
заготовку-лист 1 в зону рас- _______— 2
положения рабочих валков, 1
вращающихся навстречу друг yZ у /
другу. Втягиваясь в зазор S / /2
между рабочими валками, / ( у J/
лист деформируется с умень- Г , 2" V
шением его толщины на за- 02У С
данную величину обжатия.
Последовательная раскатка „
Рис. 13. Схема клети
листа во всех клетях стана
прокатного стана
позволяет уменьшить исход-
ную толщину листа до требуемой величины в готовом прокате.
Оценка технического уровня используемого на предпри-
ятии многоклетьевого стана показала, что по своему качеству
он уступает аналогичным станам мирового уровня. При этом
показателем качества, по которому применяемый стан уступа-
ет образцу-аналогу, является его длина. Она превышает длину
стана, имеющего мировой уровень качества. Выявлено, что
длина прокатного стана определяется числом пар рабочих
валков 2, которое, в свою очередь, зависит от величины обще-
го обжатия исходного стального листа.
Какое техническое решение можно предложить по повы-
шению качества многоклетьевого стана, не ухудшая технологи-
ческие возможности стана по величине обжатия прокатываемо-
го стального листа?
В ходе изучения проблемной ситуации стремятся вы-
делить две относительно самостоятельные части: ситуацию
и саму проблему.
Проблема формулируется как несоответствие свойств
объекта на уровне его внешнего функционирования, т. е. пока-
зателей качества объекта, предъявляемым к ним требованиям.
В ситуации выявляют условия и обстоятельства, в кото-
рых возникает проблема или в рамках которых предполагается
ее устранение. Они, по сути, являются причинами возникнове-
ния проблемы и, как правило, связаны с внутренним функцио-
127
нированием рассматриваемого технического объекта. Эти при-
чины предопределены составом и взаимодействием элементов
ТО, их свойствами и т. п. Возникновение проблемы может быть
обусловлено также изменением внешних условий функциони-
рования ТО, например расширением номенклатуры обрабаты-
ваемых изделий, повышением уровня требований к безопасно-
сти эксплуатации ТО и т. д.
Результаты изучения проблемной ситуации обобщают
и кратко описывают в виде ответов на следующие вопросы:
1. В чем заключается проблема или затруднение?
2. Какую потребность надо удовлетворить, т. е. какой же-
лаемый результат необходимо получить?
3. Что мешает устранению проблемы (причины возник-
новения проблемы)?
4. Какого положительного эффекта для людей, предпри-
ятия, народного хозяйства и т. д. можно ожидать в результате
устранения проблемы?
Пример анализа проблемной ситуации и краткого ее
описания. Показателем качества прокатного стана является
его длина. Известно, что габаритные размеры любого обору-
дования определяют полезную площадь цеха, занятую для его
установки. В этом отношении габариты оборудования отно-
сятся к так называемым негативным показателям качества ТО.
Увеличение абсолютного значения таких показателей свиде-
тельствует о снижении качества рассматриваемого ТО.
Согласно описанию проблемной ситуации, длина эксплуа-
тируемого прокатного стана превышает длину стана-образца.
Первопричиной, обусловливающей проблему, является большое
число пар рабочих валков прокатного стана.
Таким образом, краткое описание проблемной ситуации
может иметь следующий вид:
1) используемый на предприятии прокатный стан имеет
низкое качество, о чем свидетельствует значение такого показа-
теля качества стана, как его длина. Она превышает длину ана-
логичного стана, имеющего мировой уровень качества;
128
2) новая модель стана должна иметь длину, не превы-
шающую длину образца-аналога, имеющего мировой уровень
качества;
3) большую длину эксплуатируемого прокатного стана
обусловливает большое число пар рабочих валков стана;
4) уменьшение длины стана позволит уменьшить полез-
ную площадь, занимаемую оборудованием, и затраты на его
эксплуатацию.
5.2.2. Описание функции технического объекта
Описание функции технического объекта, с помощью ко-
торого можно удовлетворить возникшую потребность, выпол-
няется в соответствии с правилами описания этой потребности,
приведенными в главе 1. При этом вначале для поиска идей
решения поставленной в дальнейшем задачи достаточно дать
качественное описание функции ТО. Количественные значения
параметров функционирования разрабатываемого объекта мо-
гут быть указаны позднее при доведении идеи до технического >
решения.
В рассматриваемом примере качественное описание тех-
нической функции прокатного стана можно выполнить в таком
виде: «Прокатный стан деформирует стальной лист на задан-
ную величину обжатия».
5.2.3. Выбор прототипа
Как правило, в описании проблемной ситуации указыва-
ется прототип - объект, который требуется усовершенствовать,
приводятся сведения о выполняемой им технической функции,
составе элементов, о недостатках и требованиях к нему. Тем
не менее, рекомендуется подобрать дополнительно еще 1-2 прото-
типа, имеющие определенные достоинства по сравнению с ис-
ходным. При этом стремятся выбрать из известных технических
объектов такие, которые относятся к лучшим мировым образ-
цам-аналогам. Поиск прототипов ТО может быть осуществлен
129
также в его ведущем классе технических систем, в котором
объекты имеют близкую функцию, но более высокий техниче-
ский уровень развития по сравнению с рассматриваемым.
Например, для автомобилестроения ведущим классом может
быть авиастроение, для систем, применяемых в строительст-
ве, - машиностроение и т. д.
Возможны случаи, когда при выборе прототипа удается
найти подходящее решение и тем самым снять проблемную
ситуацию. Однако при наличии времени и других ресурсов
имеет смысл продолжить поиск решения, поскольку практиче-
ски всегда существует возможность дальнейшего улучшения
имеющегося технического решения и создания конкуренто-
способного длительное время объекта.
5.2.4. Составление списков недостатков
прототипа и требований к разрабатываемому
техническому объекту
Согласно закону прогрессивной эволюции техники, каж-
дый используемый технический объект обычно имеет опреде-
ленные недостатки. Устранение этих недостатков обеспечивает
получение новой, улучшенной модификации ТО.
При составлении списка недостатков, прежде всего, учи-
тывают результаты анализа проблемной ситуации, указываю-
щие на причины необходимости разработки новой модели ТО.
В дальнейшем рассматривают недостатки, обнаруженные при
изготовлении, эксплуатации и ремонте существующего ТО
и его аналогов, а также те, которые могут возникнуть в обозри-
мом будущем в улучшаемом объекте.
В самом общем случае список недостатков может со-
держать:
♦ критерии развития (качества) ТО, значения которых
не соответствуют требуемым;
♦ факторы, снижающие эффективность ТО или затруд-
няющие его использование;
130
♦ параметры и показатели ТО, которые необходимо
улучшить;
♦ другие недостатки.
В составленном списке выделяют наиболее важные не-
достатки, устранение которых и будет главной целью решения
сформулированной далее задачи.
Список требований во многом определяется составлен-
ным списком недостатков, являясь своеобразным его обратным
отражением. В него записывают, в первую очередь, требования
к значениям критериев развития ТО или факторам его функ-
ционирования (принципу действия, применяемым физико-
техническим эффектам и т. п.), которые позволяют устранить
проблемную ситуацию. При составлении списка требований
также стремятся учесть перспективные требования (установ-
ленные на определенный будущий период), в соответствии
с которыми разрабатывается новая модель ТО.
В нашем примере в качестве прототипа примем приме-
няемый на предприятии прокатный многоклетьевой стан. Его
основным недостатком, вызвавшим проблемную ситуацию,
является большая длина. Поскольку в проблемной ситуации
не указывается необходимость выявления других недостатков
эксплуатируемого стана, то список его недостатков содержит
только один пункт: «Длина прокатного стана превышает дли-
ну образца-аналога, имеющего мировой уровень качества».
Согласно списку недостатков рассматриваемого прокатно-
го стана, список требований к его новой модели будет содержать
требование: «Длина прокатного стана должна быть не более дли-
ны образца-аналога, имеющего мировой уровень качества».
5.2.5. Постановка (формулировка) исходной задачи
Постановка технической задачи представляет собой
обобщение результатов выполнения предыдущих операций:
анализа проблемной ситуации, описания технической функции,
выбора прототипа, составления списков недостатков и требова-
ний. В технической задаче, как и в любой другой (экономиче-
131
ской, математической и др.), формулируют цели задачи, описы-
вают условия, при которых эти цели должны быть достигнуты,
и указывают ограничения, которым должны удовлетворять ре-
зультаты решения.
Формулировка задачи традиционно содержит две части:
«дано» и «требуется». В общем случае она имеет следующий вид.
Дано:
1) исходный технический объект (выбранный прототип,
краткое его описание);
2) описание технической функции ТО;
3) список недостатков прототипа;
4) перечень требований к новой модели ТО.
Требуется:
найти такое техническое решение, чтобы ТО выполнял
нужную техническую функцию, а недостатки, присущие про-
тотипу, были в нем выражены в меньшей степени или отсут-
ствовали.
В отдельных случаях в описании проблемной ситуации,
а затем и в формулировке исходной задачи может отсутствовать
информация о конкретных значениях критериев развития ТО или
других его параметров. Однако отсутствие такой информации
не затрудняет поиск идей решения поставленной задачи. Естест-
венно, что при доведении найденных идей до нового техническо-
го решения информация о требуемых значениях тех или иных
параметров технического объекта становится необходимой.
Пример постановки задачи по модернизации прокат-
ного стана. Обобщая результаты выполненных операций ана-
лиза проблемной ситуации для прокатного стана, постановка
задачи по его модернизации может иметь следующий вид.
1) ТО: прокатный стан, рабочими органами которого яв-
ляются обжимные и подающие валки;
2) техническая функция: деформирует стальной лист на
заданную величину обжатия;
132
3) недостатки эксплуатируемого стана: длина прокат-
ного стана превышает длину образца-аналога, имеющего миро-
вой уровень качества;
4) требования к новой модели стана: длина прокатного
стана должна быть не более длины образца-аналога.
Найти техническое решение, которое позволит умень-
шить длину прокатного многоклетьевого стана до величины,
не превышающей значение длины образцов-аналогов миро-
вого уровня, не ухудшая технологические возможности су-
ществующего стана по величине обжатия прокатываемого
стального листа.
В заключение отметим, что в постановке технической
задачи должно быть четко обозначено:
1. Какова цель решения задачи, т. е. чего нужно достичь,
какую потребность надо удовлетворить?
2. Каковы средства достижения этой цели, т. е. какой
технический объект надо изменить, улучшить или создать -
устройство, процесс, вещество!
Например, в сформулированной выше задаче цель ее ре-
шения - повысить качество прокатного многоклетьевого стана
(уменьшить длину стана). Средством же достижения этой цели
является существующий стан. А изменения, которые должны
быть осуществлены для повышения качества стана, и есть
решение задачи, которое предстоит найти.
Глава 6
ПОИСК РЕШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ
ТРАДИЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ
В отличие от задач фундаментальных наук (математики,
механики и др.), допускающих только одно решение, любая
техническая задача имеет множество решений. В связи с этим,
используя различные методы, стремятся найти некоторое мно-
жество возможных решений поставленной задачи и выбрать
лучшее из них. Прежде всего задачу пытаются решить хорошо
известными традиционными методами: методом проб и оши-
бок, методом функционального анализа прототипа или путем
логического анализа недостатков прототипа.
6.1. ПОИСК РЕШЕНИЯ МЕТОДОМ
ФУНКЦИОНАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПРОТОТИПА
Функциональный анализ осуществляют с целью получе-
ния полного представления об устройстве прототипа как техни-
ческой системы (ТС) с функциональной точки зрения. В ходе
анализа выясняют состав элементов прототипа, связи между
элементами и их параметрами, определяют технические функ-
ции выделенных элементов. Строят конструктивную функцио-
нальную структуру прототипа.
Одновременно с выполнением операций функциональ-
ного анализа ведут поиск идей нового технического решения
по усовершенствованию рассматриваемой технической систе-
мы путем ответов на вопросы:
1. Какие новые функциональные элементы можно вве-
сти для устранения недостатков прототипа или существенного
уменьшения их влияния на качество ТО?
2. Какие элементы можно исключить из прототипа с той
же целью (устранения недостатков)?
134
3. Какие элементы целесообразно исключить из прото-
типа, передав их функции другим элементам?
4. Для каких элементов, имеющих несколько функций,
целесообразно разделение функций и введение вместо одного
двух и более элементов?
Для повышения результативности поиска идей исполь-
зуют интуитивные и эвристические методы активизации твор-
ческой деятельности (метод контрольных вопросов, метод эв-
ристических приемов, приемы инверсии, эмпатии и др.).
Положительные ответы на те или иные вышеприведен-
ные вопросы составляют основу для построения улучшенной
конструктивной функциональной структуры ТО и последую-
щего синтеза нового технического решения.
Во многих случаях ТО является элементом в другой,
более сложной технической системе. Поэтому независимо
от того, получены или нет идеи решения задачи, проводят
анализ вышестоящей по иерархии технической системы
(надсистемы). Возможно, что такой анализ позволит вы-
явить новые идеи устранения недостатков ТО путем изме-
нений в его надсистеме.
При анализе надсистемы устанавливают объекты, с кото-
рыми находится во взаимодействии рассматриваемый ТО,
функции этих объектов и их взаимосвязи. Далее, как и при ана-
лизе прототипа, поиск идей решения задачи ведут путем отве-
тов на вопросы:
1. Можно ли выполнить функцию рассматриваемого ТО
путем внесения изменений в смежные объекты?
2. Нельзя ли какому-либо смежному объекту частично
или полностью передать выполнение функций рассматривае-
мого ТО?
3. Что мешает внесению необходимых изменений и нель-
зя ли устранить мешающие факторы?
В случае наличия положительных ответов на эти вопросы
возникает необходимость в постановке задачи по изменению
135
надсистемы рассматриваемого ТО и технико-экономическому
обоснованию целесообразности ее решения по отношению
к исходной задаче. Если окажется, что решение задачи по изме-
нению надсистемы более перспективно, то вновь прорабатыва-
ют этапы 1-2.
Пример функционального анализа прокатного ста-
на. Как техническая система стан представляет собой слож-
ный объект, включающий в себя множество подсистем
и элементов разных уровней их иерархии. Однако сформу-
лированная задача о стане не требует его глубокого функ-
ционального анализа. В данном случае можно ограничиться
построением двухуровневой структуры, первый уровень ко-
торой составляют отдельные клети стана, а второй - основ-
ные элементы клети: рабочие и подающие валки. Результа-
ты функционального анализа прокатного стана приведены
в табл. 5 и на рис. 14.
Рис. 14. Граф конструктивной функциональной структуры прокатного
стана
136
Таблица 5
Конструктивная функциональная структура прокатного стана
Техническая система: прокатный стан.
Техническая функция Ф: деформирует стальной лист на задан-
ную величину обжима.
Объекты внешней среды: стальной лист
Элемент Функция
Обозна- чение Наименование Обозна- чение Описание
£"oi Клеть первой ступени Ф01 Деформирует лист Vb уменьшая его толщину на величину обжатия Д//(
Ео2 Клеть второй ступени Фог Деформирует лист Уь уменьшая его толщину на величину обжатия ДН2
» . » •.. . •. • •.
Еоп Клеть п-й ступени Фол Деформирует лист Уь уменьшая его толщину на величину обжатия АЯП
Eoi-i Рабочий валок Фо1-1 Ф01-1 — Фог
^01-2 Подающий валок Ф01-2 Транспортирует лист Vj к рабочим валкам £qi-i
Поиск идей решения задачи по уменьшению длины стана.
На вопрос 1 из перечня вопросов нет каких-либо предложений.
Ответом на вопрос 2 может служить идея уменьшения числа кле-
тей стана, например, на одну-две. При этом необходимо будет
увеличить величину обжатия стального листа в каждой из ос-
тавшихся клетей, чтобы сохранить суммарную величину обжа-
тия прокатываемого стального листа. Однако возникает вопрос,
не приведет ли увеличение степени обжатия листа в отдельной
клети стана к ухудшению качества проката, в частности по гео-
метрической форме. Этот вопрос требует дополнительного изу-
чения, но на данный момент поиска решения задачи идея умень-
шения числа клетей стана принимается. На остальные вопросы
вышеприведенного перечня положительных ответов нет.
Анализ надсистемы прокатного стана не дал каких-либо
положительных результатов.
137
6.2. ПОИСК РЕШЕНИЯ МЕТОДОМ АНАЛИЗА
ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ ИСХОДНОГО НЕДОСТАТКА
Основу метода составляет цель решения задачи - устра-
нить указанный в задаче недостаток (или несколько недостат-
ков). Такой недостаток называют исходным, а задачу по его
устранению - соответственно исходной задачей (Зи). Данный
метод, по своей сущности, представляет обычный инженер-
ный подход, при котором вначале путем логического анализа
с привлечением известных научных знаний выявляют причи-
ны исходных недостатков [39]. Затем каждая выявленная при-
чина исходного недостатка рассматривается как недостаток,
имеющий, в свою очередь, одну или несколько причин, и т. д.
При этом последовательно происходит переход с одного уров-
ня анализа недостатков (начиная с недостатков внешнего функ-
ционирования системы) на другой, более низкий, уровень-
анализа недостатков внутреннего функционирования ТО (его
подсистем, агрегатов и т. д.). Параллельно с выявлением оче-
редного частного недостатка пытаются ответить на вопрос:
можно ли полностью или частично избавиться от уста-
новленного недостатка? Это весьма важная процедура мето-
да, так как идея ответа на такой вопрос составляет основу ре-
шения общей задачи по устранению или уменьшению исход-
ного недостатка рассматриваемой системы (прототипа).
В результате анализа
Рис. 15. Дерево частных задач
получают логическую цепь
причинно-следственных свя-
зей исходного недостатка
с его причинами. Поскольку
устранение любого недостат-
ка представляет собой опре-
деленную техническую зада-
чу, то построенная логическая
цепь причинно-следственных
связей недостатков с их при-
138
чинами представляет собой множество частных технических
задач, каждая из которых направлена на устранение конкрет-
ного недостатка. Это множество задач может быть отображено
в виде дерева задач (рис. 15).
Закономерен вопрос, какая из полученных частных задач
должна быть выбрана для ее решения с целью устранения
исходного недостатка рассматриваемого ТО. Выбор осуществ-
ляется путем оценки целесообразности решения каждой из ча-
стных задач. При этом критерием выбора могут быть ресурсы
времени и сил на получение решения и его последующего вне-
дрения, возможная экономия средств и материалов, степень
уменьшения недостатков и т. п.
Применение метода анализа причин недостатков при
поиске идей решения задачи о прокатном стане. Согласно
постановке задачи, недостатком прокатного стана является его
большая длина. Длина, как один из габаритных размеров любо-
го ТО, - показатель качества, который совместно с показателя-
ми производительности, технологических возможностей и дру-
гими характеризует прокатный стан в целом, т. е. на уровне его
внешнего функционирования.
Выявим причины этого исходного недостатка. Является
очевидным, что длина стана определяется числом его клетей,
длиной каждой клети и расстоянием между ними. Поэтому
в качестве причин исходного недостатка можем указать сле-
дующие:
1. В состав стана входит большое число клетей.
2. Клеть стана имеет большую длину.
3. Большое расстояние между клетями стана.
Заметим, что установление причин недостатка, отражаю-
щего внешнее функционирование стана, потребовало перехода
на уровень его внутреннего функционирования - уровень со-
става и свойств его элементов.
Поскольку каждая из указанных причин является недос-
татком рассматриваемого ТО, то возникает задача по устране-
139
нию этого недостатка. Такая задача является частной задачей
по отношению к исходной, и можно ожидать, что на поиск ее
решения потребуется меньше усилий и других затрат по срав-
нению с исходной. В нашем случае могут быть поставлены
три частные задачи:
1) задача по сокращению числа клетей стана (31);
2) задача по уменьшению длины клети стана (32);
3) задача по уменьшению расстояния между клетями
стана (Зз).
Следующий шаг метода анализа причин - выявление
причин недостатков в задачах 31, 32 и З3. Установим причины
недостатка в задаче 3j.
Исходя из функционального назначения клети и прокат-
ного стана в целом, можем полагать, что большое число кле-
тей (число пар рабочих валков) обусловлено двумя основными
причинами:
1.1. Малая величина обжатия прокатываемого стального
листа парой рабочих валков клети.
1.2. Большая величина суммарного обжатия прокаты-
ваемого листа во всех клетях стана.
Затем выявляем причины недостатков в задачах 32 и З3.
В результате получим задачи очередного, более низкого,
уровня их иерархии (задачи Зц, 3].2, 32,i и т. д.), в частности:
♦ задачу Зц - задачу по увеличению величины обжатия
прокатываемого стального листа парой рабочих валков клети;
♦ задачу 3L2- задачу по уменьшению суммарного об-
жатия прокатываемого листа во всех клетях стана.
Аналогично устанавливаем причины недостатков в зада-
чах 31.1, 31.2 и т. д. В итоге получим дерево частных задач, выте-
кающих из исходной и представляющих результаты анализа
недостатков на разных уровнях их иерархии (см. рис. 15).
Из приведенных частных задач о прокатном стане наибо-
лее целесообразным является поиск решения задачи Зц - зада-
чи по увеличению величины обжатия парой рабочих валков
140
клети прокатываемого стального листа. Задача 3i,2 обусловлена
параметрами выполняемой станом функции, значения которых
могут быть изменены только в соответствии с требованиями
технических условий на новую модель прокатного стана.
Сформулируем задачу Зы:
1) ТО: клеть прокатного стана, рабочим (исходным) эле-
ментом которой является пара рабочих (обжимных) валков;
2) техническая функция: деформирует стальной лист,
уменьшая его толщину на величину обжатия ЛЯ ;
3) недостатки: малая величина обжатия стального листа
ее рабочими валками;
4) требования к новой модели клети стана: рабочие валки
клети должны деформировать стальной лист на такую величину
его обжатия, которая позволит уменьшить количество клетей
прокатного стана.
Найти техническое решение, в котором рабочие валки
клети деформируют стальной лист на величину его обжатия,
позволяющую уменьшить количество клетей прокатного стана.
В заключение отметим, что хотя поиск решения задачи
усовершенствования прокатного стана обычно применяемыми
в инженерной практике методами решения технических задач
не привел к каким-то интересным идеям (если не считать
предложение сокращения числа клетей стана), это не говорит
о неэффективности этих методов. Далеко не сразу удается
найти решение технической задачи.
Необходимо понимать, что эффективность того или ино-
го метода проявляется не только в получении конкретной идеи
нового технического решения, но и в способности выявления
возможных направлений, путей поиска решений, в способно-
сти обострения необходимости получения новых знаний о
рассматриваемом объекте. В частности, применение метода
анализа причин исходного недостатка позволило установить
ряд задач (направлений), решение любой из которых полно-
стью или частично устраняет обозначенную проблему усо-
вершенствования прокатного стана.
141
Глава 7
ПОИСК РЕШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ
НА УРОВНЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
7.1. Понятие изобретательской задачи
Многие технические задачи по улучшению технических
объектов могут быть решены путем использования общеизве-
стных инженерно-конструкторских приемов и способов. Так,
увеличение жесткости какой-либо конструкции (балки, каркаса,
арки) может быть достигнуто за счет увеличения характерного
параметра, например площади поперечного сечения, или вве-
дения дополнительных элементов - ребер жесткости, упоров
и т. п.; уменьшение сопротивления вращению - путем приме-
нения подшипников качения вместо подшипников скольжения;
повысить износостойкость рабочей поверхности можно за счет
применения более прочного материала или обеспечения высо-
ких значений показателей качества поверхности (шероховато-
сти, степени упрочнения и др.) соответствующими методами
финишной обработки и т. д.
Однако такие решения сопровождаются, как правило,
нежелательными эффектами: усложнением конструкции,
увеличением материальных затрат, снижением производи-
тельности и т. п. Причем во многих случаях нежелательный
эффект может превышать допустимые для улучшаемого
технического объекта границы, и, следовательно, примене-
ние решения, полученного традиционными способами, яв-
ляется нецелесообразным. Возникает так называемая ситуа-
ция обострения технических противоречий, которые всегда
присутствуют в любом техническом объекте. В этих случа-
ях нужен иной, нестандартный подход, позволяющий дос-
142
тичь положительного результата в процессе изменения объекта
без ухудшения каких-либо других его показателей. Такие не-
стандартные подходы во многих случаях составляют основу
технического решения на уровне изобретения.
Технические задачи, для поиска решения которых непри-
емлемы традиционные, стандартные инженерно-конструктор-
ские решения, называют изобретательскими задачами. Эти за-
дачи отличаются от обычных научно-технических задач тем,
что необходимым условием их решения является разрешение
или устранение технических противоречий, т. е. они содержат
дополнительное требование: «выиграть и ничего не проиг-
рать» [4].
Постановка изобретательской задачи практически не от-
личается от постановки обычной научно-технической задачи.
В ней также указывают реальный технический объект (устрой-
ство, процесс или вещество), который должен быть улучшен,
его недостатки и требования к нему, а также цели преобразова-
ния (изменения) этого объекта.
Вместе с этим в изобретательской задаче должно быть
установлено противоречие, преодоление которого позволяет
получить техническое решение на уровне изобретения. Кро-
ме того, при совершенствовании технического объекта зада-
ча заключается не в поиске вообще новых решений, а в поис-
ке решений в направлении развития данного объекта или его
класса (главной магистрали развития [26]). Приемом, помо-
гающим произвести поиск нового технического решения на
главной магистрали развития, является прием идеального
технического решения (ИТР). Поэтому изобретательская за-
дача считается полностью поставленной, если к условиям
обычной научно-технической задачи дополнительно сформу-
лированы техническое противоречие и идеальное техниче-
ское решение.
143
12. Противоречия в технических объектах
Как выше было отмечено, введение в технический объ-
ект любого новшества влечет за собой, кроме положительного
эффекта, еще и эффект нежелательный. Например, введение
легирующих элементов в материал деталей, работающих в аг-
рессивных средах, повышает коррозионную стойкость материа-
ла, но одновременно увеличивает стоимость деталей. Примене-
ние мягких шин в колесах транспортных средств повышает
плавность хода, но при этом увеличивается сопротивление
движению. Увеличивая число инструментов в наборе с целью
расширения возможностей дифференцированного воздействия
на обрабатываемое изделие, получаем ухудшение условий ра-
боты с таким набором, так как он становится более громоздким,
и т. д. Все эти примеры иллюстрируют действие известного за-
кона - закона единства и борьбы противоположностей, соглас-
но которому развитие технических объектов, как и других объ-
ектов материального мира, представляет собой процесс зарож-
дения, обострения и разрешения противоречий.
В любом техническом объекте имеется множество проти-
воречий, они разнообразны по форме и проявлениям, носят
преходящий, исторический характер, взаимосвязаны и взаимо-
обусловлены. Условно выделяют три типа противоречий:
♦ социально-технические;
♦ технические;
♦ физические.
Социально-технические противоречия - это противоре-
чия между потребностями общества и возможностью их удов-
летворения с помощью технических средств. Эти противоре-
чия возникают и обостряются, когда появляется качественно
новая потребность (а нужного технического средства ее удов-
летворения нет) либо количественно растет существующая
потребность. В последнем случае возникает количественная
диспропорция между потребностью и возможностью ее удов-
летворения. Эту диспропорцию вначале устраняют, изменяя
144
количественно параметры существующего технического объ-
екта и не изменяя сам объект качественно. Однако с некоторо-
го момента догонять количественный рост потребности путем
количественного изменения отдельных параметров объекта
становится все труднее (резко ухудшаются другие параметры),
и диспропорция превращается в социально-техническое про-
тиворечие, которое постепенно обостряется. Требуется уже
качественно изменить технический объект. Например, в годы
второй мировой войны резко обострилась проблема повыше-
ния скорости самолетов-истребителей, которая была снята пе-
реходом от поршневых авиационных двигателей к качествен-
но новым - реактивным.
Технические противоречия - это противоречия, сущест-
вующие между параметрами (критериями развития) техниче-
ского объекта. Они обостряются при введении конструктор-
ских или иных изменений в объект с целью улучшения неко-
торого его параметра и проявляются в виде ухудшения
другого его параметра.
Технические противоречия обусловлены имеющимися
в техническом объекте связями и отношениями между его эле-
ментами, функциональным взаимодействием отдельных эле-
ментов и технического объекта в целом с объектами окру-
жающей среды. Эти связи и взаимодействия определяются
теми или иными количественными значениями параметров
технического объекта. В частности, в широко применяемых
в различных сооружениях (зданиях, мостах) балках имеет ме-
сто связь между двумя параметрами - жесткостью и массой.
Эта связь характеризуется формой и размерами поперечного
сечения балки. Поэтому при повышении жесткости балки за
счет увеличения размеров ее поперечного сечения неизбежно
будем иметь увеличение массы балки.
Пока положительный эффект, достигаемый при измене-
нии технического объекта для удовлетворения растущей по-
требности, превышает нежелательный, техническое противоре-
чие мало заметно. Когда же ухудшение приближается к грани-
145
цам допустимого нежелательного эффекта, техническое проти-
воречие начинает обостряться. При этом дальнейшее улучше-
ние требуемых параметров объекта известными способами ста-
новится невозможным, и вместе с техническим противоречием
начинает обостряться и социально-техническое противоречие.
Является очевидным, что для выхода из создавшейся ситуации
требуется качественно новое решение, позволяющее разрешить
или устранить техническое противоречие, а вместе с ним и со-
циально-техническое противоречие.
Физическое противоречие- это противоречие, возни-
кающее при предъявлении к одному и тому же элементу объ-
екта или объекту в целом взаимно противоположных требова-
ний. Например, элемент объекта должен быть длинным и ко-
ротким или быть твердым и жидким, быть проводником
электрического тока и диэлектриком и т. п.
Обычно физическое противоречие формулируется в виде:
«Элемент А должен выполнять действие Bi (обладать свойст-
вом Bi) для того, чтобы осуществлялось Сь но элемент А дол-
жен выполнять противоположное Bi действие В2 (обладать про-
тивоположным Bi свойством В2), чтобы осуществлялось С2».
В качестве примеров физических противоречий приведем сле-
дующие формулировки хорошо известных разрешенных проти-
воречий:
♦ стрела автомобильного крана должна быть длинной,
чтобы радиус рабочей зоны крана был наибольшим, но стрела
автокрана должна быть короткой ддя обеспечения хорошей
маневренности автокрана при движении;
♦ рама велосипеда должна быть большой для удобства
передвижения на нем, но рама велосипеда должна быть малой
для удобства хранения велосипеда в квартире;
♦ материал вала должен иметь высокую твердость,
чтобы хорошо сопротивляться механическому износу, но мате-
риал вала должен иметь низкую твердость (быть пластич-
ным), чтобы хорошо сопротивляться ударным нагрузкам.
146
Ситуация физического противоречия представляет со-
бой парадокс (как возможно быть твердым и пластичным),
который и отличает изобретательскую задачу от обычной тех-
нической. Именно такой парадокс вынуждает искать новые,
нестандартные подходы при решении изобретательских задач.
Необходимо отметить, что термин «физическое противоре-
чие» в определенной степени условен. Состояние элемента,
к которому предъявляются взаимно противоположные требова-
ния, может определяться не только физическими, но и химиче-
скими или, например, биологическими свойствами (ястреб
должен иметь крылья и не должен их иметь в момент падения
«камнем на жертву»).
Физическое противоречие непосредственно связано с тех-
ническим: каждому техническому противоречию соответствует
определенное физическое и наоборот. Физическое противоре-
чие - это, по существу, выражение в острой форме проблемы
разрешения технического противоречия.
Рассмотренные три типа противоречий являются звень-
ями одной цепи противоречий, действующих в системе «чело-
век - техника». При этом, если социально-техническое проти-
воречие является противоречием, возникающим на уровне
взаимодействия технического объекта с объектами окру-
жающей среды, то физическое противоречие - это противо-
речие на уровне внутреннего функционирования технического
объекта. Техническое же противоречие отражает конфликтные
отношения между параметрами, характеризующими функцио-
нирование технического объекта в целом. Нетрудно заметить,
что если найдена идея разрешения физического противоречия,
то вследствие тесной взаимосвязи противоречий будут после-
довательно разрешены и техническое, и социально-техническое
противоречия.
147
7.3. ИДЕАЛЬНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ
Как известно, развитие любого технического объекта
идет в направлении повышения его эффективности. Напом-
ним, что в самом общем случае под эффективностью пони-
мают отношение полезного результата функционирования
объекта к затратам на его функционирование, включая затра-
ты на создание самого объекта. Каждый объект развивается
по присущей ему линии, стремясь к определенному предель-
ному состоянию, при котором он имеет бесконечную эффек-
тивность, т. е. полезный результат есть, а затраты равны
нулю. Такой предельный объект с бесконечной эффективно-
стью называют идеальным техническим объектом (идеаль-
ной технической системой).
Понятие идеального технического объекта впервые было
сформулировано Г.С. Альтшуллером применительно к частному
случаю - «идеальной машине». «Идеальная машина» - это ус-
ловный эталон, масса, объем и площадь которого совпадают или
почти совпадают с массой, объемом и площадью того объекта,
с которым машина работает (т. е. нагревает, транспортирует, об-
рабатывает и т. п.). Например, идеальное транспортное средст-
во- это средство, габариты которого совпадают с габаритами
транспортируемого груза, т. е. средства нет, а груз транспортиру-
ется («сам» движется в нужном направлении). Понятие «идеаль-
ной машины» распространяется также на такие технические объ-
екты, как процесс и вещество. Идеальный процесс- результат
процесса без самого процесса, т. е. расхода энергии и времени
нет, но требуемое действие выполняется. Идеальное вещество -
набор нужных свойств (прочности, электропроводности, непро-
ницаемости и т. п.) без самого вещества.
Понятие идеального технического объекта, несмотря на
свою фантастичность, является весьма продуктивным и пред-
ставляет одно из фундаментальных понятий всей методики
изобретательства. Представив, каким должен быть идеальный
148
объект, разработчик нового технического объекта или изобре-
татель получает ориентир для движения к сильным техниче-
ским решениям высокого уровня. В практике изобретательства
формулировку (описание) идеального технического объекта
обычно называют идеальным техническим решением (ИТР)
или идеальным конечным результатом (ИКР).
Сформулировать ИТР - это значит задать желаемые
свойства, функции, действия какому-либо элементу создавае-
мого нового или совершенствуемого технического объекта.
В качестве такого элемента стремятся выбрать ту часть объекта,
которая обусловливает техническое противоречие или в наи-
большей степени поддается изменениям. Элемент с нужными
свойствами, функциями, действиями может быть выбран и из
окружающей среды, в том числе из надсистемы, в состав кото-
рой входит рассматриваемый технический объект. Заметим,
что возможности изменения свойств окружающей среды без-
граничны, так как ее объекты могут принимать форму любого
элемента или явления.
Определение, какими свойствами, функциями, действия-
ми должен обладать выбранный элемент, не вызывает каких-
либо затруднений: они полностью отражены в требованиях,
перечисленных в постановке задачи на разработку нового тех-
нического объекта.
Сформулированное техническое решение считается иде-
альным, если оно обеспечивает разрабатываемому объекту
одно или несколько свойств из следующих:
1. В ИТР размеры технического объекта приближаются
к размерам обрабатываемого или транспортируемого объекта
или совпадают с ними; собственная масса технического объекта
намного меньше массы обрабатываемого объекта.
2. В ИТР масса и размеры технического объекта или его
главных функциональных элементов приближаются к ничтож-
но малым величинам, в предельном случае равны нулю (т. е.
устройства нет, но его функция выполняется).
149
3. В ИТР время обработки объекта (вещества, энергии,
информации) приближается к нулю или равно нулю.
4. В ИТР коэффициент полезного действия технического
объекта приближается к единице или равен единице, а расход
энергии приближается к нулю или равен нулю.
5. В ИТР все части технического объекта все время вы-
полняют полезную работу в полной мере своих расчетных воз-
можностей.
6. В ИТР технический объект функционирует бесконеч-
но длительное время без отказов и ремонта.
7. В ИТР технический объект функционирует при мини-
мальном участии человека или без его участия.
8. В ИТР технический объект не оказывает никакого
отрицательного воздействия на человека и окружающую при-
родную среду.
При формулировании ИТР пытаются ответить на вопрос:
«Что желательно получить или иметь в идеальном случае?»
Исходной информацией для ответа на этот вопрос являются,
прежде всего, требования и цели в поставленной задаче по соз-
данию нового технического объекта. Элементом, которому
присваивают нужные свойства, функции или действия, является
элемент разрабатываемого технического объекта, или объект
в целом, или элемент надсистемы, или пока неизвестный объект
внешней среды - икс-элемент.
ИТР легко сформулировать, обратившись к помощи ска-
зочной волшебной палочки. Например, поставлена задача по
разработке устройства или способа нанесения антикоррозион-
ного состава на внутренние поверхности каркасных конструк-
ций. Формулировка идеального технического решения такой
задачи, в соответствии с принципом волшебной палочки, имеет
вид: «Антикоррозионный состав сам поступает внутрь каркас-
ной конструкции и сам равномерно покрывает ее внутренние
поверхности». Естественно, в дальнейшем выявляется, что со-
став не может сам выполнять все, что хотелось бы, и приходит-
ся идеальную схему дополнять теми или другими техническими
150
решениями в виде некоторого устройства или способа нанесе-
ния состава. При этом стремятся как можно меньше отступать
от идеального решения, учитывая приведенные выше свойства
ИТР, и придерживаться следующих двух правил:
1) не следует задумываться заранее, возможно или невоз-
можно достичь идеального решения;
2) не надо заранее думать о том, как и какими путями
будет достигнуто идеальное техническое решение.
Приведем два примера формулировок идеальных техни-
ческих решений, реализованных в существующих реальных
объектах. В этих примерах будем указывать краткую поста-
новку той или иной задачи, ограничиваясь только целями,
которые должны быть достигнуты.
Задача 1. Разработать тару для хранения и транспорти-
рования зерна и других сыпучих грузов, позволяющую челове-
ку поднимать и переносить максимальную для его физических
возможностей массу зерна с учетом массы тары.
Прототип: глиняный сосуд (широко использовался в древ-
ности).
ИТР: икс-элемент содержит в себе зерно в количестве,
доступном для переноски человеком, при этом сам не облада-
ет массой.
Логика размышлений при поиске решения: для дости-
жения такого ИТР размеры тары как идеального технического
объекта должны приближаться к размерам обрабатываемого
объекта, т. е. к объему переносимого зерна, или совпадать с ним,
а собственная масса тары должна быть намного меньше массы
обрабатываемого объекта.
Найденное техническое решение (реальный технический
объект): мешок из ткани или иного легкого эластичного ма-
териала.
Для приобретения опыта сформулируйте задачу по раз-
работке устройства для коррекции зрения человека и ее ИТР.
Прототипом нового устройства являются обычные очки, а ре-
шением задачи - контактные линзы.
151
Задача 2. Разработать шпиндельный узел сверлильного
станка, обеспечивающий долговременную работу станка при вра-
щении шпинделя с частотой в пределах 10000...250000 об/мин.
Назначение шпиндельного узла: сверление отверстий диамет-
ром 0,75...2,75 мм.
Прототип: шпиндельный узел с подшипниками качения.
Размышления по формулированию ИТР. Заданная в задаче
частота вращения шпинделя станка обусловливает минимальное
трение между корпусом и шпинделем станка. Поскольку в под-
шипниках качения, как и в подшипниках скольжения, присут-
ствует трение механической природы, то они вряд ли смогут
обеспечить долговременную работу станка при указанной
скорости вращения шпинделя. Очевидно, их функцию необхо-
димо задать каким-то элементам самого шпиндельного узла
или некоторому элементу внешней среды. Главными элемен-
тами узла являются его корпус и шпиндель. Во внешней среде
имеются такие элементы, как воздух, магнитные и электриче-
ские поля ит. д., в том числе объекты, которые могут быть
созданы или заимствованы из существующих технических
систем. Учитывая это, одной из формулировок ИТР данной
задачи может быть следующая.
ИТР: шпиндель и его корпус сами совместно с икс-
объектом внешней среды выполняют бесконечно долго функ-
цию подшипника.
Логика размышлений при поиске решения: для дости-
жения такого ИТР нужно обеспечить отсутствие механическо-
го контакта между шпинделем и его корпусом. В этом случае
не будет износа рабочих поверхностей шпинделя и корпуса,
а следовательно, шпиндельный узел будет функционировать
бесконечно длительное время без отказов и ремонта.
Найденное техническое решение (реальный технический
объект): шпиндельный узел с «воздушными подшипниками»,
в котором в зазор между шпинделем и его корпусом подается сжа-
тый воздух. Срок службы такого шпинделя превышает в 5-10 раз
срок службы шпиндельного узла с подшипниками качения [7].
152
7 А. Выявление и анализ технического
ПРОТИВОРЕЧИЯ
Для выявления технического противоречия улучшения
(развития) рассматриваемого технического объекта выполня-
ют следующие процедуры:
1. Из списка недостатков прототипа, указанных в поста-
новке задачи, выбирают те, которые связаны с улучшением
количественных показателей и в первую очередь относятся
к критериям развития технического объекта.
2. Выясняют, какие технические решения позволяют уст-
ранить или уменьшить выбранные недостатки (обычно исполь-
зуются известные инженерные решения).
3. Определяют, какой показатель технического объекта
будет существенно ухудшаться при использовании принятого
решения по улучшению рассматриваемого показателя.
Результаты выполнения этих процедур обобщают в виде
формулировки технического противоречия. Наиболее часто
техническое противоречие формулируют в виде: «Если улуч-
шать параметр А (далее указывают, путем каких изменений
улучшают существующий объект), то недопустимо ухудшается
параметр В».
Например, решается задача повышения производитель-
ности обработки детали при выполнении токарной операции.
Одним из известных решений повышения производительно-
сти обработки резанием является увеличение подачи. Однако
в дальнейшем выясняется, что увеличение подачи приводит
к увеличению высоты неровностей обработанной поверхно-
сти, т. е. к ухудшению качества поверхности изготовленной де-
тали. В этой ситуации техническое противоречие формулирует-
ся так: «Если повышать производительность токарной обра-
ботки детали путем увеличения величины подачи, то ухудшается
качество поверхности обработанной детали».
Приведем еще пример технического противоречия, кото-
рое проявляется при использовании в качестве возможного
решения «подшипников» на магнитной подвеске [16] в выше-
153
приведенной задаче о конструкции шпиндельного узла свер-
лильного станка. Действительно, такое решение обеспечит
долговременную работу станка при вращении шпинделя с час-
тотой в пределах 10000.. .250000 об/мин. Вместе с тем, приме-
нение таких «подшипников» для шпинделя, предназначенного
для сверления отверстий диаметром 0,75...2,75 мм, вряд ли
будет целесообразным вследствие существенного усложнения
конструкции шпиндельного узла. В данном случае обостряется
противоречие, существующее между такими параметрами узла,
как долговечность и сложность его конструкции. Формулиров-
ка этого противоречия может быть представлена в следующем
виде: «Если для повышения долговечности шпиндельного узла
использовать “подшипники” на магнитной подвеске, то суще-
ственно возрастает сложность конструкции узла».
После установления технического противоречия осуще-
ствляют поиск идей его разрешения. Для этого используют
таблицы и списки типовых приемов преодоления противоре-
чий [3], фонды эвристических приемов [26], различные мето-
ды поиска новых решений (мозговую атаку, метод контроль-
ных вопросов и др.). Однако далеко не всегда удается сразу
найти идею разрешения противоречия. Поэтому весьма полез-
ным является проведение анализа технического противоречия.
Анализ противоречия позволяет выявить те элементы
улучшаемого объекта, изменение свойств, состояния которых
(или изменение взаимодействия их с окружающими элемента-
ми, в том числе объектами внешней среды) вызывает обостре-
ние технического противоречия. Такие элементы называют
узловым компонентом или узловым звеном противоречия [9].
Кроме того, анализ противоречия позволяет определить воз-
можные направления его разрешения.
Напомним, что технические противоречия обусловлены
свойствами элементов технического объекта, связями и отно-
шениями между ними, функциональным взаимодействием
отдельных элементов и технического объекта в целом с объек-
тами окружающей среды. Поскольку эти связи и взаимодейст-
вия определяют те или иные количественные значения пара-
154
метров разрабатываемого объекта, то анализ противоречия
необходим для решения двух взаимосвязанных задач:
♦ выявления тех изменений в свойствах элементов
объекта, их связях, отношениях и взаимодействиях, которые
будут иметь место при принятии предлагаемого технического
решения для получения положительного эффекта (улучшения
параметра Л);
♦ выявления негативных последствий этих изменений
в свойствах элементов объекта, их связях, отношениях и взаи-
модействиях, которые вызывают отрицательный эффект (ухуд-
шение параметра В).
Решение первой задачи не вызывает каких-либо затрудне-
ний, так как в предлагаемом техническом решении по улучше-
нию рассматриваемого параметра объекта конкретно указывает-
ся, что в объекте надо изменить или какой новый элемент в него
ввести и т. п. Выявление последствий предлагаемого техническо-
го решения представляет собой более сложную задачу, так как
здесь необходимо установить те признаки, эффекты, явления
и т. д., которые при принятии предлагаемого технического реше-
ния возникнут на уровне свойств тех или иных элементов и их
функционирования и вызовут нежелательный эффект. Для реше-
ния этой задачи используют известные знания об улучшаемом
прототипе, физико-технических эффектах, применяемых в его
элементах, и др. При необходимости могут быть проведены тео-
ретические или экспериментальные исследования.
Таким образом, в ходе анализа технического противоре-
чия осуществляется его конкретизация на уровне внутреннего
функционирования технического объекта. Результаты анализа
целесообразно представить в виде причинно-следственной це-
почки, звеньями которой являются краткие описания конкрет-
ных изменений состояния, свойств, условий функционирования
и т. п. отдельных элементов или технического объекта в целом,
логически связывающие положительный эффект с отрицатель-
ным. В общем виде такая цепочка структуры противоречия име-
ет вид, приведенный на рис. 16.
155
Значение улучшаемого параметра А тех-
нического объекта, выраженное в качествен-
ной или количественной форме (положитель-
ный эффект)
Признаки изменений свойств, состояния
элементов объекта или их взаимодействия,
обеспечивающих улучшение вышеуказанно-
го параметра А технического объекта в слу-
чае использования предложенного техниче-
ского решения
Признаки негативных последствий изме-
нений свойств, состояния элементов объекта
или их взаимодействия, вызывающих улуч-
шение параметра Л технического объекта
Значение ухудшаемого параметра В тех-
нического объекта, выраженное в качествен-
ной или количественной форме (отрицатель-
ный эффект)
Рис. 16. Структура технического противоречия
В качестве примера представления структуры техниче-
ского противоречия в виде причинно-следственной цепочки,
связывающей положительный эффект с отрицательным, рас-
смотрим следующую задачу о гоночном автомобиле.
Пример построения причинно-следственной цепочки
структуры технического противоречия. Одной из проблем для
гоночного автомобиля является проблема повышения его манев-
ренности, особенно при разгоне и торможении. Возможным ре-
шением этой проблемы является уменьшение массы автомобиля.
Действительно, уменьшение массы гоночного автомобиля обес-
печивает хорошие его маневренные характеристики при тормо-
жении и разгоне. Однако у автомобиля, имеющего небольшую
156
массу, будет малая сила прижатия его колес к дороге, следова-
тельно, он будет иметь малую устойчивость при изменении на-
правления (при поворотах) на большой скорости движения. Та-
ким образом, обостряется существующее противоречие между
такими параметрами гоночного автомобиля, как маневренность
и устойчивость. Формулировка этого технического противоречия
имеет следующий вид: «Если повышать маневренность гоноч-
ного автомобиля путем уменьшения его массы, то снизится
его устойчивость при поворотах на большой скорости движе-
ния». Результаты анализа этого противоречия могут быть пред-
ставлены в виде цепочки, приведенной на рис. 17.
Хорошая маневренность автомобиля
(положительный эффект)
Малая масса автомобиля
Малая сила прижатия колес
автомобиля к поверхности дороги
Малая сила сцепления колес
с поверхностью дороги
Малая сила сопротивления автомобиля
центробежной силе, возникающей
при повороте
Низкая устойчивость автомобиля
(отрицательный эффект)
Рис. 17. Структура технического противоречия между
маневренностью и устойчивостью гоночного автомобиля
Причинно-следственная цепочка структуры техническо-
го противоречия позволяет сформулировать в краткой форме
частные задачи поиска его разрешения. Формулировка каждой
157
частной задачи содержит в себе цель в форме значения одного
из параметров рассматриваемого технического объекта и усло-
вие в виде значения другого параметра этого объекта, при кото-
ром должна быть достигнута указанная цель.
Определение частных задач поиска разрешения техни-
ческого противоречия основывается на законе диалектики-
законе отрицания отрицания, согласно которому превращение
одного предмета в качественно другой происходит через
«уничтожение» первого с сохранением всего положительного
его содержания, которое открывает простор для дальнейшего
развития заменяющего его предмета [37]. Применительно
к техническому противоречию отрицанию (инверсии) должен
подвергнуться отрицательный эффект, а вместе с ним все зве-
нья причинно-следственной цепочки (кроме звена положи-
тельного эффекта).
Практическая реализация такого отрицания состоит
в составлении цепочки, противоположной по смысловому
содержанию цепочке структуры технического противоречия.
В частности, выполнив отрицание звеньев цепочки техниче-
ского противоречия между параметрами гоночного автомо-
биля - маневренностью и устойчивостью, получим противопо-
ложную ей цепочку, приведенную на рис. 18.
Намечая возможные варианты перехода от звеньев ис-
ходной цепочки к звеньям противоположной ей цепочки, опре-
деляют цели и условия частных задач, решение любой из кото-
рых позволяет достичь положительного результата без ухудше-
ния параметра, указанного в противоречии.
В нашем примере, согласно обозначенным на рис. 18
стрелками направлениям перехода, получим следующие ча-
стные задачи:
1) задачу обеспечения хорошей маневренности автомо-
биля при большой его массе;
2) задачу создания большой силы прижатия колес авто-
мобиля к поверхности дороги при малой его массе;
158
Исходная структура технического противоречия Структура технического противоречия при отрицании ее звеньев
Хорошая маневренность автомобиля I
▼ Малая масса автомобиля i Малая сила прижатия колес автомобиля к поверхности дороги 1 Малая сила сцепления колес Большая масса автомобиля Большая сила прижатия колес автомобиля к поверхности дороги i Большая сила сцепления колес
с поверхностью дороги i с поверхностью дороги
Малая сила сопротивления автомобиля центробежной силе, возникающей при повороте ♦ Низкая устойчивость автомобиля Большая сила сопротивления автомобиля центробежной силе, возникающей при повороте * Высокая устойчивость автомобиля
Рис. 18. Результаты отрицания звеньев структуры технического
противоречия между маневренностью и устойчивостью гоночного
автомобиля
3) задачу обеспечения большой силы сцепления колес
с поверхностью дороги при малой силе прижатия колес авто-
мобиля к поверхности дороги;
4) задачу создания большой силы сопротивления автомо-
биля центробежной силе при малой силе сцепления колес с по-
верхностью дороги;
5) задачу обеспечения высокой устойчивости автомоби-
ля при малой силе его сопротивления центробежной силе.
Отметим важное отличие этих задач от частных задач,
приведенных ранее в п. 6.2. Выявленные в ходе анализа причин
исходного недостатка задачи условно можно назвать задачами
внешнего функционирования технического объекта, поскольку
в них, как правило, отражаются требования к параметрам (кри-
териям эффективности) самого объекта или его элементов.
159
В отличие от них задачи, являющиеся результатом анализа тех-
нического противоречия, содержат требования физического
характера, т. е. требования к свойствам отдельных элементов
и их взаимодействию между собой и с объектами окружающей
среды. Так, в приведенном перечне задач о гоночном автомоби-
ле содержатся требования к таким свойствам и факторам взаи-
модействия, как масса, силы прижатия и сцепления колес с по-
верхностью дороги и т. п. Такие задачи относятся к физиче-
ским задачам.
Выполненная конкретизация требований, которым
должно удовлетворять техническое решение поставленной
задачи, и установленные различные варианты условий их про-
явления при взаимодействии элементов технического объекта
между собой или с объектами внешней среды в значительной
степени облегчают поиск решения исходной задачи.
Приведем несколько известных технических решений
перечисленных частных физических задач, являющихся также
решениями общей задачи повышения маневренности гоночно-
го автомобиля:
♦ использование ускоряющих и тормозных двигателей
(задача 1);
♦ применение антикрыла, создающего дополнительную
к силе тяжести силу прижатия колес к дороге (задача 2);
♦ применение покрышек колес со специальным профи-
лем, обеспечивающим большую силу сцепления колес с поверх-
ностью дороги (задача 3);
♦ применение аэродинамических стабилизирующих
(и управляющих) плоскостей (задачи 4 и 5).
Построенная причинно-следственная цепочка техниче-
ского противоречия помимо выявления частных задач поиска
идей его разрешения позволяет также сформулировать физи-
ческое противоречие, которое обусловливает техническое
противоречие на уровне внутреннего функционирования улуч-
шаемого объекта.
160
Заметим, что в цепочке исходной структуры технического
противоречия (см. рис. 17), если двигаться по ней снизу от отри-
цательного эффекта вверх к положительному, каждое из звеньев
выше позиции «отрицательный эффект» представляет собой как
бы ответ на вопрос «почему?». Но начиная с некоторого звена
вопрос «почему?» сменяется вопросом «для чего?».
В частности, имеем:
♦ вопрос: «Почему низка устойчивость автомобиля?»
ответ: «Так как мала сила сопротивления автомобиля
центробежной силе, возникающей при повороте»;
♦ вопрос: «Почему мала сила сопротивления автомоби-
ля центробежной силе, возникающей при повороте?»
ответ: «Так как мала сила сцепления колес с поверх-
ностью дороги»;
нт. д.
Однако к звену цепочки «Малая масса автомобиля»
в соответствии с содержанием вышестоящего звена «Хорошая
маневренность автомобиля» вопрос «почему?» заменяется во-
просом «для чего?» («Чтобы обеспечивалась хорошая манев-
ренность автомобиля»).
Такое «пограничное» звено причинно-следственной це-
почки является узлом противоречия и описывает состояние
конкретного элемента технического объекта или объекта в це-
лом, которое обеспечивает положительный эффект и одновре-
менно является причиной отрицательного эффекта. Этот эле-
мент технического объекта называют узловым компонентом
(узловым элементом) противоречия. Состояние узлового ком-
понента может характеризоваться количественным или каче-
ственным значением некоторого параметра этого компонента
(размера, геометрической формы, массы и т. п.), видом его аг-
регатного состояния, особенностями взаимодействия с други-
ми элементами технического объекта и другими признаками,
в том числе наличием или отсутствием этого узлового компо-
нента как части технического объекта.
161
В рассматриваемой цепочке звено «Малая масса авто-
мобиля» является узлом противоречия, а узловым компонен-
том является непосредственно сам технический объект в це-
лом - автомобиль. Значение его параметра - массы - опреде-
ляет два противоположные друг другу состояния автомобиля
(см. рис. 18):
1) при малой массе автомобиль обладает хорошей манев-
ренностью, но имеет низкую устойчивость при изменении на-
правления движения;
2) при большой массе автомобиль обладает хорошей
устойчивостью, но имеет плохую маневренность при тормо-
жении и разгоне.
Является очевидным, что в соответствии с условием
решения изобретательской задачи: «выиграть и ничего
не проиграть», т. е. получить положительный эффект и иметь
минимальный отрицательный эффект (или вообще его не иметь),
надо совместить два вышеприведенные противоположные
состояния узлового компонента. Отсюда следует, что автомо-
биль должен иметь малую массу и должен иметь большую
массу. Предъявление таких противоположных требований
к одному и тому же объекту - это ситуация физического проти-
воречия. Полная его формулировка имеет вид: «Автомобиль
должен иметь малую массу, чтобы обладать хорошей манев-
ренностью, но автомобиль должен иметь большую массу,
чтобы иметь высокую устойчивость».
Сформулированное физическое противоречие обостряет
ситуацию технического противоречия, но вместе с этим делает
поиск идей его разрешения целенаправленным, так как най-
денная идея должна удовлетворять двум противоположным
требованиям. Техническое решение на основе такой идеи, как
показывает практика, - это решение на уровне изобретения.
В частности, применение антикрыла, создающего силу
прижатия колес к дороге (задача 2) представляет собой одну
162
из возможных идей разрешения сформулированного выше фи-
зического противоречия, а вместе с ним и технического про-
тиворечия. Действительно, при установке антикрыла на го-
ночный автомобиль, имеющий небольшую массу, сохраняется
высокая маневренность этого автомобиля. С другой стороны,
при высокой скорости движения автомобиля набегающий по-
ток воздуха создает на антикрыле аэродинамическую силу,
прижимающую автомобиль к поверхности дороги. Тем самым
возникает эффект наличия у автомобиля большой массы, обес-
печивающей его высокую устойчивость при изменении направ-
ления движения.
В заключение приведем пример поиска решения техни-
ческой задачи о стане на уровне изобретения.
Постановка задачи Зц (см. п. 6.2):
1)ТО: клеть прокатного стана, рабочим (исходным)
элементом которой является пара рабочих (обжимных) валков;
2) техническая функция: деформирует стальной лист,
уменьшая его толщину на величину обжатия ДЯ ;
3) недостатки: малая величина обжатия стального листа
рабочими валками;
4) требования к новой модели клети стана: рабочие вал-
ки клети должны деформировать стальной лист на такую ве-
личину его обжатия, которая позволит уменьшить количество
клетей прокатного стана.
Найти техническое решение, в котором рабочие валки
клети деформируют стальной лист на величину его обжа-
тия, позволяющую уменьшить количество клетей прокатно-
го стана.
Идея технического решения задачи. Используя эври-
стические методы, в частности список контрольных вопро-
сов А. Осборна [38], фонд эвристических приемов (прил. 2),
приходим к следующей идее решения задачи: «Можно уве-
личить величину обжатия стального листа рабочими
валками клети, если уменьшить величину диаметра валка».
163
Обоснование приемлемости решения. При уменьшении
диаметра валка уменьшается площадь его контакта с дефор-
мируемым стальным листом. Следовательно, при одной и той
же силе прижатия валка, имеющего меньший диаметр по
сравнению с применяемым валком, в очаге деформации листа
будет действовать более высокое контактное давление валка
на стальной лист. Это, в свою очередь, повысит интенсивность
воздействия валка на материал обрабатываемого листа и обес-
печит большую величину обжатия листа.
Рис. 19. Схема деформации
валков клети стана
Возможные недос-
татки решения. Повы-
шенное контактное дав-
ление будет действовать
также на валок 2 клети
стана, вызывая изгиб
валка (рис. 19). Можно
ожидать, что величина
прогиба валка, имеюще-
го меньший диаметр по
сравнению с применяемым валком, приведет к недопустимой по
требованиям качества проката величине изменения значений
толщины листа 1 по его ширине. Таким образом, в случае приня-
тия предлагаемого решения поставленной задачи обостряется
техническое противоречие между такими параметрами клети
прокатного стана, как величина обжатия стального листа и каче-
ство получаемого проката.
Поиск решения задачи на основе идеального техни-
ческого решения. Варианты формулировок идеального тех-
нического решения (ИТР):
1. Обжимной вал сам обеспечивает такую величину об-
жатия прокатываемого листа, которая позволяет уменьшить
количество клетей прокатного стана при высоком качестве
обработки листа.
164
2. Внешняя среда сама обеспечивает такую величину
обжатия прокатываемого листа, которая позволяет уменьшить
количество клетей прокатного стана при высоком качестве
обработки листа.
Техническое решение по п. 1. Основу решения, прибли-
жающего рабочий валок к идеальному, составляет идея, на-
правленная на устранение недостатка обжимных валков малого
диаметра - большой величины их прогиба, т. е. идея увеличе-
ния способности валков сопротивляться изгибающей нагрузке.
Например, можно создать в рабочем валке при его изготовле-
нии или до момента его непосредственной работы систему
внутренних напряжений, в частности напряжений сжатия,
которые будут оказывать дополнительное сопротивление дей-
ствию нагрузки, изгибающей валок при прокатке листа.
Известна следующая конструкция валка. Валок имеет
центральное сквозное отверстие по продольной оси. В этом
отверстии расположен стержень с неподвижным упорным
буртом на одном из своих концов. Другой конец стержня име-
ет подвижный бурт, способный фиксировать заданную вели-
чину растяжения стержня в валке. Предварительные напряже-
ния в валке создаются путем растяжения стержня выбранным
способом, например нагревом и последующим закреплением
в валке растянутого стержня с помощью подвижного бурта.
При охлаждении стержень, уменьшая свою длину, будет сжи-
мать валок, создавая в нем напряжения сжатия. Такой пред-
варительно напряженный валок будет обладать повышенной
сопротивляемостью к изгибающей нагрузке.
Техническое решение по п, 2. Формулировка идеального
технического решения п. 2 предполагает поиск и использование
существующих во внешней среде технических объектов, спо-
собных обеспечить такую величину обжатия прокатываемого
листа, которая позволит уменьшить количество клетей про-
А. с. 360119 СССР, М. Кл. В 21 В 27/02. Предварительно
напряженный прокатный валок / А.И. Целиков, БА. Морозов, Г.Н. Краузе
и др. (СССР). -№ 1479304/22-2; заявл. 29.09.70; опубл. 28.09.72. Бюл. № 36.
165
катного стана при высоком качестве обработки листа, или соз-
дание объектов, выполняющих эту функцию. Предложений
в этом направлении поиска решения нет.
Однако внешнюю среду можно использовать для предот-
вращения или уменьшения величины прогиба рабочих валков
малого диаметра. Например, объектом внешней среды может
служить дополнительный валок, введенный в клеть стана в ка-
честве опорного для рабочего валка клети.
Поиск решения задачи методом анализа техническо-
го противоречия. Как отмечено выше, принятие идеи умень-
шения диаметра рабочего валка клети стана вызывает обост-
рение технического противоречия между величиной обжатия
стального листа и качеством получаемого проката. Формули-
ровка этого технического противоречия имеет следующий
вид: «Если увеличить величину обжатия стального листа,
уменьшив диаметр рабочих валков клети, то ухудшится
качество листового проката».
Предварительный поиск идей его разрешения на основе
рекомендаций таблицы типовых приемов преодоления проти-
воречий [4] не привел к каким-либо существенным результатам.
Поскольку данное техническое противоречие обуслов-
лено свойствами рабочего валка, связями и отношениями ме-
жду ними, выполним анализ структуры противоречия с целью
конкретизации этих свойств и их изменений, а также опреде-
ления возможных направлений его разрешения.
На рис. 20 в левом столбце приведены результаты анализа
в виде причинно-следственной цепочки, звеньями которой явля-
ются краткие описания конкретных свойств (размера, жесткости,
сопротивляемости изгибу, формы) в виде их значений в качест-
венной форме, логически связывающие положительный эффект
с отрицательным. В соответствии с методическим приемом оп-
ределения частных задач поиска разрешения технического про-
тиворечия произведем отрицание (инверсию) звеньев построен-
ной причинно-следственной цепочки. Получим противополож-
ную по значениям свойств цепочку (правый столбец на рис. 20).
166
Исходная структура
технического противоречия
Структура технического противоречия
при отрицании ее звеньев
Большая величина обжатия
стального листа
♦
Рабочий валок имеет малый
Рабочий валок имеет большой
диаметр
Малая жесткость рабочего
валка
Низкая сопротивляемость
рабочего валка изгибу
i
Большая величина прогиба
рабочего валка
Низкое качество проката
диаметр
I
Большая жесткость рабочего
валка
i
Высокая сопротивляемость
рабочего валка изгибу
Малая величина прогиба
рабочего валка
Высокое качество проката
Рис. 20. Структура технического противоречия между величиной
обжатия и качеством листового проката
Осуществив возможные переходы от звеньев исходной
цепочки к звеньям противоположной (показаны стрелками),
получим следующие частные физические задачи, отражающие
требования к рабочему валку на уровне его свойств:
1) задача достижения большой величины обжатия
прокатываемого листа рабочим валком, имеющим большой
диаметр;
2) задача создания высокой жесткости рабочего валка
при его малом диаметре;
3) задача обеспечения высокой сопротивляемости валка
изгибу при низкой его жесткости;
4) задача обеспечения малой величины прогиба валка при
низкой его сопротивляемости изгибу;
167
5) задача обеспечения высокого качества прокатанного
листа при большой величине прогиба рабочего валка в процес-
се прокатки.
Приведенные записи физических задач по существу
представляют собой краткие формулировки этих задач. В них
четко определены цели, которые должны быть достигнуты
(большая жесткость валка, высокая сопротивляемость изгибу
и т. д.), и условия или ограничения, которым должны удовле-
творять найденные решения (при малом диаметре валка, при
малой жесткости и т. д.). Заметим, что сформулированные зада-
чи в определенной степени подсказывают, где, в какой пред-
метной области деятельности человека, следует прежде всего
искать идеи решения той или иной частной задачи. Так, задачи
1-4 по своему характеру относятся к задачам научных дисцип-
лин механики деформируемых твердых тел. Является очевид-
ным, что основу идей решения таких задач могут составить по-
нятия, эффекты, явления, приемы и т. п., рассматриваемые
в этих дисциплинах, в частности в сопротивлении материалов.
Например, используя самые общие понятия сопротивления ма-
териалов [6], можем прийти к следующим результатам поиска
идей решения вышеприведенных частных задач.
Физическая задача 1. Решение этой задачи должно обес-
печить большую величину обжатия прокатываемого листа
рабочими валками, имеющими большой диаметр. Основу
технического решения этой задачи может составить идея на-
грева прокатываемого стального листа до температуры, при
которой материал листа приобретает высокую пластичность
и не снижает при этом свои прочностные характеристики.
Физическая задача 2. В ней требуется разработать такой
прокатный валок, который при своем малом диаметре обла-
дал бы высокой жесткостью при изгибе. Поскольку жест-
кость валка при изгибе определяется модулем упругости его
материала и диаметром поперечного сечения, то идеи по по-
вышению жесткости валка в виде цилиндра (без увеличения
168
его диаметра) связаны с поиском материалов, имеющих более
высокий модуль упругости по сравнению со сталью. Идей по
использованию таких материалов нет.
Физическая задача 3. Это задача обеспечения высокой
сопротивляемости валка изгибу при низкой его жестко-
сти, т. е. при решении этой задачи нельзя использовать прие-
мы или способы, направленные на изменение размеров валка
и свойств его материала. Следует искать идеи в направлении
повышения внутренних или создания дополнительных ресур-
сов в валке. Одной из таких идей является приведенная ранее
идея формирования в материале прокатного валка напряже-
ний, создающих дополнительное сопротивление изгибу.
Физическая задача 4. Целью задачи является обеспече-
ние малой величины прогиба валка при низкой его сопро-
тивляемости изгибу. В основу технического решения этой
задачи может быть положена идея применения дополнитель-
ных опорных валков, установленных вместе с рабочими вал-
ками в одной вертикальной плоскости.
Физическая задача 5. В данной задаче требуется внести
такие конструктивные изменения в рабочий валок или клеть
стана, при которых бы достигалось высокое качество прока-
танного листа при большой величине прогиба рабочего
валка в процессе прокатки. Идей решения нет.
Дальнейший поиск идей разрешения технического про-
тиворечия связан с выявлением физического противоречия.
Согласно структуре технического противоречия (см.
рис. 20), его узловым элементом является рабочий валок клети
стана. Способность валка обеспечивать большую величину об-
жатия стального листа и высокое качество прокатанного листа
определяется величиной его диаметра. Валок малого диаметра
обеспечивает большую степень обжатия прокатываемого лис-
та, но прокатанный таким валком лист имеет низкое качество.
Валок же, имеющий большой диаметр, обеспечивает хорошее
качество проката, но малую величину его обжатия. Таким об-
разом, физическое противоречие может быть сформулировано
169
так: «Рабочий валок стана должен иметь малый диаметр,
чтобы обеспечивать большую величину обжатия прока-
тываемого листа, но рабочий валок стана должен иметь
большой диаметр, чтобы обеспечивать высокое качество
прокатанного листа».
Эта формулировка физического противоречия подска-
зывает следующую идею конструкции рабочего валка: валок
должен иметь переменный по величине диаметр поперечного
сечения вдоль продольной оси аналогично балке равного со-
противления [6].
Техническое решение задачи. В качестве технического
решения поставленной задачи по увеличению степени обжатия
рабочими валками стального листа (задачи Зц п. 6.2), являю-
щейся частной по отношению к исходной задаче уменьшения
длины прокатного стана, принимаем решение по изменению
геометрической формы рабочего валка. Согласно этому реше-
нию, обжимной валок имеет переменный по величине диаметр
поперечного сечения вдоль продольной оси, при этом образую-
щая рабочей поверхности валка представляет собой параболу,
например, второй степени,
----вершина которой распо-
ложена на оси централь-
---------------------- ------------------ного поперечного сечения
валка, а ее ветви направле-
—--------------------------— ны к продольной оси валка
Рис. 21. Геометрическая (рис. 21).
форма рабочего валка Полученное решение
удовлетворяет указанным
требованиям как в физической задаче 1, так и в задаче 5 и ре-
шает проблему повышения качества многоклетьевого стана, не
ухудшая его технологические возможности по величине обжа-
тия прокатываемого стального листа*.
* А. с. 398298 СССР, М. Кл. В 21 В 27 / 02. Рабочий валок
листопрокатной клети / А.П. Воропаев, В.В. Миллер, М.А. Сигалов и др.
(СССР). - № 1781651/22-2; заявл. 04.05.72; опубл. 27.09.73. Бюл. № 38.
170
Глава 8
ОСНОВЫ ПАТЕНТОВЕДЕНИЯ
8.1. Интеллектуальная собственность.
Основные понятия
Объекты интеллектуальной собственности. Любой
продукт умственной творческой деятельности (статья, книга,
открытие, изобретение и др.) является интеллектуальной соб-
ственностью, обладающей правовой защитой. Гражданским
кодексом и государственными законами Российской Федера-
ции, а также международными договорами определены раз-
личные формы правовой охраны интеллектуальной собствен-
ности: с помощью соответствующих охранных документов
(патентов и свидетельств), регистрации в Едином государст-
венном реестре юридических лиц, размещения на экземплярах
научных трудов и литературных произведений специального
знака охраны авторского права и другие.
В зависимости от вида правовой защиты выделяют четы-
ре группы интеллектуальной собственности:
1) объекты промышленной собственности - нематериаль-
ные объекты технического творчества, связанные с техникой
и производством и охраняемые на основе патентного права;
2) объекты авторского права - произведения научной
и художественной литературы, музыкальные произведения,
кино- и телефильмы и т. п.;
3) объекты свидетельского права - компьютерные про-
граммы и типология интегральных микросхем;
4) объекты служебной и коммерческой тайны (объекты
ноу-хау) - экономические сведения; знания конъюнктуры
рынка и опыт ведения коммерческих операций; управленче-
ские структуры и другие объекты, не защищенные как объек-
ты промышленной собственности или авторского права.
171
В состав группы промышленной собственности включе-
ны следующие объекты:
- изобретения;
- полезные модели;
- промышленные образцы;
- товарные знаки;
- наименования мест происхождения объекта.
Изобретение - это техническое решение задачи в лю-
бой сфере человеческой деятельности. Согласно Патентному
закону Российской Федерации техническое решение задачи
может быть признано изобретением, если оно обладает тремя
признаками:
♦ новизной;
♦ изобретательским уровнем;
♦ промышленной применимостью.
Мировая новизна технического решения признается в том
случае, если на дату заявки на выдачу патента оно не известно
из уровня существующей техники настолько, чтобы специали-
сты могли его воспроизвести. При этом под уровнем сущест-
вующей техники понимают совокупность любых технических
сведений, ставших общедоступными в мире на момент подачи
заявки.
Изобретательский уровень технического решения имеет
место, если составляющие его новые признаки явным образом
не следуют из существующего уровня мировой техники.
Промышленная применимость технического решения
считается доказанной, если оно может быть осуществлено или
использовано в промышленности, на транспорте, в сельском
хозяйстве и в других областях жизнедеятельности человека.
Полезные модели - это технические решения, которые
обладают новизной и промышленной полезностью, но не име-
ют изобретательского уровня. Полезными моделями являются
устройства, механизмы, приспособления и т. п. из области ме-
ханики, средств производства и предметов потребления.
172
Промышленные образцы - это художественно-конструк-
торские решения, определяющие внешний вид изделия с эсте-
тической или декоративной стороны, воздействуя на зрительное
восприятие через форму, структуру и цвет.
Товарный знак представляет собой словесный, графиче-
ский или комбинированный элемент отличия товара от друго-
го, ему подобного. Это объект промышленной собственности,
служащий для распознавания продукции конкретных пред-
приятий и выделения их среди других.
Наименования мест происхождения объекта указы-
вают на источники, страны, регионы или конкретные места,
где произведен или откуда поступил продукт, например «Сде-
лано в России».
Право на изобретение и на промышленный образец удо-
стоверяется патентом, а на полезную модель и товарный знак -
свидетельством. Эти официальные охранные документы выда-
ются Российским агентством по патентам и товарным знакам
(Роспатентом).
Патент - это документ, удостоверяющий:
- право авторства;
- приоритет, устанавливаемый с момента (даты) полу-
чения Роспатентом авторской заявки;
- исключительное право автора на использование изо-
бретения или промышленного образца.
В России патент на изобретение согласно закону [22]
действует в течение 20 лет, патент на промышленный образец -
10 лет, свидетельство на полезную модель - 5 лет, свидетельст-
во на товарный знак - 10 лет.
Патент выдается автору изобретения (промышленного
образца) или любому другому физическому или юридическо-
му лицу по их заявлению и с согласия на это автора. Однако
такого согласия не требуется, если изобретение было сделано
в порядке выполнения служебного задания. В этом случае
право получения патента принадлежит работодателю, который
обязан заключить с автором договор о вознаграждении.
173
Авторы объектов промышленной собственности имеют
право на вознаграждение. Вознаграждение авторам выплачи-
вается предприятием-патентообладателем. Его величина опре-
деляется по соглашению с авторами и оговаривается в догово-
ре. Предварительно предприятие в месячный срок со дня полу-
чения патента обязано выплатить авторам поощрительное
вознаграждение в размере не менее среднемесячного заработка
работников данного предприятия. При использовании изобре-
тения авторам выплачивается вознаграждение в размере не ме-
нее 15 % прибыли, ежегодно получаемой патентообладателем,
а при продаже лицензии - не менее 20 % выручки от продажи.
Вознаграждаются также лица, которые содействуют соз-
данию и использованию изобретения. Им патентообладатель
должен выплачивать в течение трех лет не менее 30 % полу-
чаемой прибыли или не менее 4 % от доли себестоимости про-
дукции, приходящейся на данное изобретение.
Патентообладателю принадлежит исключительное право
на использование изобретения, т. е. никто не может без его раз-
решения использовать объект, защищенный принадлежащим
ему патентом. Патентообладатель может передать право на ис-
пользование своего изобретения другому физическому или
юридическому лицу на основании заключенного с ним лицен-
зионного договора (лицензии). Лицензионный договор имеет
силу и защиту, если он зарегистрирован в Роспатенте.
Несанкционированное использование защищенного
охранным документом объекта является нарушением исклю-
чительного права патентообладателя. В этом случае патен-
тообладатель имеет право через суд потребовать прекратить
нарушение патента (свидетельства) и возместить ему поне-
сенные убытки.
В Российской Федерации согласно указу Президента
функции государственного патентного ведомства возложены
на Российское агентство по патентам и товарным знакам
(Роспатент).
174
В состав Роспатента входят:
♦ Федеральный институт промышленной собственно-
сти (ФИПС), к нему относятся также Российская государст-
венная патентная библиотека и отдел регистрации программ
для ЭВМ, баз данных и топологий интегральных микросхем;
♦ Российский институт интеллектуальной собственно-
сти (РИИС);
♦ подразделение, занимающееся выпуском официаль-
ных изданий ФИПС;
♦ Информационно-издательский центр (ИНИЦ).
Основным документом, которым руководствуются в па-
тентной деятельности, является Патентный закон Российской
Федерации (1992).
8.2. Международная патентная классификация.
Патентные исследования
Патентная информация. В настоящее время в мировых
патентных фондах находится более 17 000 000 описаний изо-
бретений, промышленных образцов и товарных знаков [16].
При этом информация о новых научно-технических достижени-
ях удваивается каждые 7-10 лет. В связи с этим выполнить по-
иск нужных сведений в этом все возрастающем потоке инфор-
мации было бы крайне трудно, если бы в мире не была создана
стройная система сбора, хранения и выдачи патентной инфор-
мации. 7 октября 1975 г. вступило в силу Страсбургское согла-
шение 1971 г. о международной патентной классификации
(МПК), которое предусматривает создание единой системы
классификации, охватывающей патенты на изобретения, вклю-
чая патентные заявки, авторские свидетельства, полезные моде-
ли и свидетельства о полезности. В нашей стране также исполь-
зуется эта международная патентная классификация.
Патентная информация— это совокупность патентных
документов со своим справочно-поисковым аппаратом. В состав
175
патентной документации входят официальные унифицирован-
ные публикации патентных ведомств: патентные бюллетени,
описания изобретений, указатели патентов, бюллетени промыш-
ленных образцов и товарных знаков.
Патентная документация обладает в отличие от других
источников научно-технической информации следующими дос-
тоинствами:
- содержит полные и систематизированные сведения
о научно-технических решениях, разработанных в мире за по-
следние 150-200 лет;
- включает сведения о научно-технических решениях,
изложенные единообразно с соблюдением строгих общепри-
знанных правил;
- содержит не только сведения технического характера,
но и правовую информацию, в частности сроки действия прав
по каждому изобретению, полезной модели, промышленному
образцу и товарному знаку.
Для облегчения и ускорения поиска патентной инфор-
мации все изобретения классифицируются по предметно-
тематическим признакам. В этой классификации все изобрете-
ния подразделяются на 8 разделов, обозначаемых прописными
латинскими буквами:
А - удовлетворение жизненных потребностей человека;
В - технологические процессы;
С - химия, металлургия;
D - текстиль, бумага;
Е - строительство, горное дело;
F - механика, двигатели, освещение, отопление;
G - физика;
Н - электричество.
Каждый раздел, в свою очередь, делится на классы, в ко-
торые распределяются изобретения по тематическому призна-
ку. Классы обозначаются двузначными арабскими цифрами,
например 01, 09, 21 и т. п. В частности, класс В 21 содержит
технические решения, относящиеся к механической обработке
176
металлов без снятия стружки. Класс включает в себя один или
более подклассов. Подкласс обозначается заглавной буквой ла-
тинского алфавита, например: С - фрезерование, Н - производ-
ство специальных изделий. В подклассах выделяют группы
и подгруппы, обозначаемые арабскими цифрами, причем груп-
па отделяется от подгруппы дробной чертой. Сочетание обо-
значений всех перечисленных рубрик составляет индекс МПК.
В индексе МПК проставляется также очередная редакция МПК,
которая совершенствуется каждые 5-6 лет. Например, приве-
денный на рис. 22 индекс МПК7 В 23 Q 11 /10 патента 2288087
«Способ подачи смазочно-охлаждающих технологических
средств» означает: МПК7 - седьмая редакция МПК; раздел В -
различные технологические процессы; класс 23 - металлорежу-
щие станки; подкласс Q - детали, узлы и вспомогательные уст-
ройства для металлообрабатывающих станков; группа 11 - вспо-
могательные устройства; подгруппа 10 - устройства для охлаж-
дения или смазки режущих инструментов или обрабатываемого
изделия.
Раздел
Класс
Редакция МПК
Подкласс
МПК7 В 23 Q 11 / 10
Подгруппа
Группа
Рис. 22. Структура индекса МПК
Определение индекса МПК, к которому относится раз-
работанное изобретение, осуществляют с помощью алфавит-
но-предметных указателей (АПУ). В них в алфавитном поряд-
ке даются названия основных рубрик (разделов, классов и т. д.)
и соответствующие им индексы.
177
Патентные исследования. Патентные исследования
представляют собой патентный поиск, характеристиками ко-
торого являются вид, глубина и широта поиска. Значения этих
характеристик полностью определяются целями патентного
поиска. В самом общем случае патентный поиск направлен на
оценку нового или усовершенствованного объекта с точки
зрения степени его соответствия современному уровню разви-
тия техники в той предметной области, к которой он относит-
ся, его новизны и патентной чистоты.
Виды патентного поиска. Различают три вида поиска:
тематический, именной и нумерационный. Тематический по-
иск по заданной тематике осуществляют для определения сте-
пени совершенства по техническому уровню или новизны раз-
работанного объекта по отношению к техническим объектам
соответствующей области техники. Именной поиск выполня-
ют для выявления охранных документов на патенты по из-
вестным именам авторов или патентовладельцев. Нумераци-
онный поиск производится, когда по известным номерам ох-
ранных документов требуется найти описание относящихся
к ним объектов.
Глубина поиска — это число лет, по которым необходимо
провести патентный поиск. Для установления технического
уровня и новизны разработанного объекта глубина поиска вы-
бирается с учетом тенденции развития объектов в соответст-
вующей области техники и может составлять 10-20 лет, но
не более 50 лет. При экспертизе на патентную чистоту глубина
поиска принимается равной сроку действия патентов в той
стране, в которой он проводится.
Широта поиска - это список стран, по которым плани-
руется проводить патентный поиск. Если определяется техни-
ческий уровень и новизна объекта, то выбираются страны, где
области техники, к которым относится объект, имеют наи-
большее развитие. При экспертизе на патентную чистоту спи-
сок стран обычно ограничивают теми странами, в которых
предполагается реализация объекта.
178
Результаты патентных исследований оформляются в ви-
де отчета, где приводятся краткие описания выявленных ана-
логов в виде формул изобретений или рефератов аналогов
с указанием аналога, который принят в качестве прототипа
нового объекта, заявляемого как изобретение.
83. Объекты изобретения.
Содержание заявки на изобретение
Объектами изобретения могут являться устройство, спо-
соб, вещество, штамм микроорганизма, культуры (линии) кле-
ток растений и животных, а также применение известного ранее
устройства, способа, вещества, штамма по новому назначению.
К устройствам относятся конструкции и изделия.
Способом как объектом изобретения является процесс
осуществления действий над материальным объектом с помо-
щью материальных средств.
К веществам относятся, в частности, химические соеди-
нения, в том числе нуклеиновые кислоты и белки; композиции
(составы, смеси); продукты ядерного превращения.
К штаммам микроорганизмов относятся штаммы бакте-
рий, вирусов, бактериофагов, микроводорослей, микроскопи-
ческих грибов, консорциумы микроорганизмов.
К культурам (линиям) клеток растений и животных
относятся линии клеток тканей, органов растений или живот-
ных; плазмиды; стабильно трансформированные клетки микро-
организмов, растений и животных и другие генетические кон-
струкции.
Заявка на изобретение должна содержать:
- заявление на выдачу патента с указанием автора (авто-
ров) изобретения и лица (лиц), на имя которого (которых) ис-
прашивается патент, а также их местожительства или место-
нахождения;
-полное описание изобретения, достаточное для его
осуществления;
179
- формулу изобретения, выражающую его сущность и ос-
нованную на описании изобретения;
- чертежи и иные материалы, если они необходимы для
понимания сущности изобретения;
- реферат.
К заявке на изобретение прилагается документ, под-
тверждающий уплату пошлины в установленном размере или
содержащий основания для освобождения от уплаты пошли-
ны, а также для уменьшения ее размера. Указанные документы
предоставляются одновременно с заявкой или не позднее двух
месяцев с даты поступления заявки.
8.3.1. Структура описания изобретения
Описание изобретения должно полностью раскрывать
техническую сущность изобретения и содержать достаточную
информацию для дальнейшей разработки (конструкторской
или технологической) объекта изобретения или его непосред-
ственного использования и давать аргументированные доказа-
тельства соответствия заявляемого технического решения
критериям изобретения: наличия новизны, изобретательского
уровня и промышленной применимости.
Описание начинается с названия изобретения с указани-
ем класса международной патентной классификации, к которо-
му оно относится. Далее приводятся разделы описания в сле-
дующем порядке:
- область техники, к которой относится изобретение, и пре-
имущественная область использования изобретения;
- уровень техники в виде сведений об аналогах изобре-
тения;
- сущность изобретения;
- перечень фигур, чертежей и иных материалов (если они
прилагаются);
-сведения, подтверждающие возможность осуществле-
ния изобретения.
180
Описание завершается приведением источников ин-
формации, использованных при составлении описания изо-
бретения.
8.3.2. Требования к содержанию разделов
описания изобретения
Название изобретения. Название изобретения должно
быть кратким и точным и соответствовать сущности изобрете-
ния. Оно должно указывать, к какому роду объектов (устройст-
во, способ, вещество, штамм, культура, применение) относится
изобретение, излагаться в единственном числе и не иметь рек-
ламного характера. Например, «Спиральное сверло», «Устрой-
ство для виброобкатывания поверхностей», «Способ упрочне-
ния зубчатых колес», «Инструмент для чистовой обработки
тел вращения».
Название изобретения не должно содержать отличитель-
ных признаков изобретения, т. е. раскрывать его сущность.
Название изобретения может содержать в себе имя авто-
ра. Однако в формуле изобретения имя автора не указывается.
Область техники, к которой относится изобретение,
и преимущественная область использования изобретения.
Вначале указывается область техники в широком смысле (на-
пример, металлургия, машиностроение, металлообработка
и т.д.). Затем приводится область преимущественного исполь-
зования изобретения.
Обычно этот раздел описания изобретения начинают
словами «Изобретение относится к ...», например: «Изобре-
тение относится к судостроению и может быть применено
при изготовлении сварных конструкций».
Уровень техники. В этом разделе приводятся известные
заявителю сведения о сравниваемых по эффективности с заяв-
ляемым объектом технических решениях из числа аналогов,
Аналог- это объект того же назначения, что и заявляемый,
сходный с ним по технической сущности и достигаемому результату
при его использовании.
181
близких к изобретению и прогрессивных в области примене-
ния изобретения. При этом используется информация о па-
тентных исследованиях известных изобретений в РФ (СССР),
США, Англии, Японии, Франции, ФРГ, Швейцарии.
В сведениях об аналогах указываются те существенные
признаки, которые имеют сходство с признаками заявляемого
изобретения. Признаки относятся к существенным, если они
влияют на достигаемый технический результат, т.е. находятся
в причинно-следственной связи с указанным результатом.
Должны быть отмечены и недостатки аналогов, которые
частично или полностью устраняются в заявляемом изобретении.
Под признаками объекта (аналога, изобретения) пони-
маются:
♦ при характеристике устройства - узлы, детали и дру-
гие элементы конструкции, форма их выполнения (в частности,
геометрическая), взаимное расположение, наличие связей между
ними; параметры и характеристики элементов и их взаимосвязь;
материал, из которого выполнен элемент (элементы) или устрой-
ство в целом; среда, выполняющая функцию элемента;
♦ при характеристике способа - операции и приемы;
параметры режима обработки, добычи, монтажа, измерения,
наладки, контроля и т. п.; последовательность выполнения
действий во времени (последовательно, одновременно, в раз-
личных сочетаниях и т. п.); использование веществ и устройств
(сырья, катализаторов, инструментов и т. п.);
♦ при характеристике вещества - качественный и ко-
личественный состав ингредиентов, структура композиции,
структура ингредиентов.
Из аналогов выделяют тот, который является наиболее
близким по технической сущности и достигаемому положи-
тельному эффекту к изобретению. Он рассматривается как
прототип изобретения. Приводятся все его признаки, общие
с признаками заявляемого изобретения, и те его недостатки,
которые устраняются изобретением. Недостатки оцениваются
объективно с указанием причин их существования.
182
Например, в описании изобретения «Устройство для раз-
мерно-чистовой и упрочняющей обработки шлицев на валах»
раздел «Уровень техники» имеет вид:
«Известно устройство для накатывания шлицев на ва-
лах, содержащее дисковые ролики, радиально расположенные
по окружности, число которых равно числу шлицев на валу
Наиболее близким решением из известных является уст-
ройство для прокатки шлицевых валов и шестерен, содержа-
щее корпус, выполненный в виде цилиндра, размещенные в сепа-
раторе с возможностью вращательного движения относи-
тельно своих осей и поступательного перемещения вдоль оси
и корпуса профильные ролики с цапфами, взаимодействую-
щими с опорными планками, установленными в корпусе
Недостаток указанных устройств заключается в том,
что они конструктивно сложны, трудоемки в изготовлении
и настройке на размер при их использовании. Многие детали
устройств, от которых зависит точность обработки шли-
цевых валов (корпус с пазами для роликодержателей, ролики,
клинья и др. детали), необходимо изготавливать с высокой
точностью, что практически трудно осуществить...».
Сущность изобретения. Этот раздел начинается с из-
ложения цели изобретения. Цель изобретения формулируется
в виде технического результата (положительного эффекта),
который направлен на удовлетворение общественной потреб-
ности и устраняет недостатки, присущие прототипу. Техниче-
ский результат может выражаться в повышении производи-
тельности, КПД, экономии материалов, улучшении качества
продукции, условий труда и т. д. Рекомендуется цель изобре-
тения излагать двухступенчато: сначала в виде общественной
А. с. 694266 СССР, М. Кл2. В 21Н 5/02. Устройство для размерно-
чистовой и упрочняющей обработки шлицев на валах / В.С. Парфиянович
(СССР). - № 2451267 / 25-27; заявл. 07.02.77; опубл. 30.10.79. Бюл. № 40.
Дано описание аналога изобретения.
Приведено описание прототипа.
183
потребности, а затем- в виде конкретной пользы, например:
«Целью изобретения является повышение точности обработ-
ки путем усовершенствования конструкции опорных планок».
После цели кратко излагается сущность изобретения
в виде совокупности всех существенных признаков, характери-
зующих новизну технического решения и достаточных для дос-
тижения указанного в изобретении технического результата.
Описание сущности изобретения обычно начинают словами:
«Указанная цель достигается тем...» или «С этой целью...»,
например: «Указанная цель достигается тем, что опорные
планки выполнены в виде сегментов, сопряженных по диамет-
ральным плоскостям и взаимодействующих цилиндрическими
участками с цилиндрической поверхностью корпуса».
Перечень фигур, чертежей и иных материалов. При-
водится в случае необходимости пояснения сущности изо-
бретения графическими изображениями с кратким указани-
ем, что изображено на каждом из них. Например: «На фиг. 1
изображено устройство, общий вид, в разрезе; на фиг. 2 -
разрез А-А на фиг. 1».
Сведения, подтверждающие возможность осуществ-
ления изобретения. В этом разделе подробно излагаются все
признаки, характеризующие сущность изобретения и подтвер-
ждающие возможность его осуществления. При этом указыва-
ются как признаки изобретения, общие с признаками прототи-
па, так и признаки, которые отличают заявляемое изобретение
от прототипа. Здесь же делаются ссылки на чертежи, схемы
и иные материалы, поясняющие сущность изобретения.
Содержание раздела имеет особенности в зависимости от
того, какой объект изобретения заявляется: устройство, способ,
вещество или иной объект.
В частности, если речь идет об устройстве, то сначала
описывается его конструкция в статическом состоянии, т. е.
указываются все признаки изобретения (узлы, детали, взаим-
ное расположение и т. д.), составляющие данную конструк-
184
цию и показанные на чертежах (схемах) путем графического
и цифрового обозначения. Нумерация используется сквозная,
по мере указания в тексте. Все детали и узлы устройства даются
не путем простого перечисления, а в их взаимосвязи, например:
«Устройство содержит опорные планки 1, выполненные в виде
сегментов и охватываемые цилиндром 2, между которыми
расположен сепаратор 3...».
После описания устройства в статике приводится описа-
ние его работы (описание устройства в динамике). При этом
показывается не только его работоспособность, но и обосновы-
вается возможность получения положительного эффекта при
взаимодействии его отдельных элементов (узлов, деталей).
При описании способа приводятся приемы, действия,
операции, выполнение которых приводит к достижению цели
изобретения. Указываются параметры режимов проведения
процесса (температура, давление, величина прикладываемых
сил, скорость перемещения и т. п.), применяемое оборудование,
приборы, их характеристики (при необходимости), например:
«Упрочнение деталей из беррилия осуществляют путем их де-
формации в упругой области приложением симметричной цик-
лической нагрузки с амплитудой 0,85-0,95 <з0,2 (предела текуче-
сти) при температуре жидкого азота в течение 5-30 мин».
Далее приводятся конкретные примеры применения изо-
бретения с указанием данных о технико-экономических пре-
имуществах изобретения.
8.3.3. Формула изобретения
Формула изобретения - это составленная по установлен-
ным правилам краткая словесная характеристика, выражающая
техническую сущность изобретения в виде существенных при-
знаков объекта и являющаяся логическим определением пред-
мета изобретения. Поскольку формула изобретения предназна-
чена для определения объема правовой охраны, предоставляе-
185
мой патентом, то при составлении формулы учитывают сле-
дующие предъявляемые к ней требования.
Формула должна:
- быть лаконична и составлена по общей схеме, т. е. со-
держать название, ограничительную и отличительную части;
- определять права изобретателя в возможно более широ-
ких границах, во всех возможных видах, а не только в частном
исполнении;
- включать все существенные общие и частные признаки,
определяющие изобретение;
- быть определенной, четкой, не допускать различного
ее толкования и определять границы прав изобретения;
- относиться к одному изобретению.
Ограничительная часть формулы представляет собой со-
вокупность существенных признаков изобретения, совпадаю-
щих с признаками прототипа, без которых данное изобретение
не может быть осуществлено. Отличительная часть формулы
содержит только новые признаки изобретения, отличающие его
от прототипа. Название и ограничительная часть отделяются от
отличительной части выражением: «отличающийся (-ющаяся,
-ющееся) тем, что...».
Например, на основе приведенных выше фрагментов из
описания прототипа и сущности изобретения устройства для
размерно-чистовой и упрочняющей обработки шлицев на ва-
лах формула изобретения может иметь вид*:
«Устройство для размерно-чистовой и упрочняющей
обработки шлицев на валах, содержащее корпус, выполнен-
ный в виде цилиндра, размещенные в сепараторе с возможно-
стью вращательного движения относительно своих осей и по-
ступательного перемещения вдоль оси и корпуса профильные
ролики с цапфами, взаимодействующими с опорными планками,
установленными в корпусе, отличающееся тем, что опорные
В приведенном тексте формулы название изобретения и
отличительная часть выделены жирным шрифтом.
186
планки выполнены в виде сегментов, сопряженных по диа-
метральным плоскостям и взаимодействующих цилиндриче-
скими участками с цилиндрической поверхностью корпуса».
Формула изобретения может составляться в виде одного
пункта (однозвенная формула) либо в виде двух и более пунк-
тов (многозвенная формула).
Однозвенная формула применяется тогда, когда сущест-
венные признаки объекта изобретения исчерпывают его основ-
ную техническую характеристику и не требуют дальнейшего
развития в последующих пунктах.
Многозвенная формула применяется при необходимости
развить или уточнить указанную в первом пункте формулы
совокупность признаков применительно к частным случаям
выполнения или использования изобретения или для характе-
ристики группы изобретений, связанных между собой единым
творческим замыслом.
8.3.4. Методические рекомендации
по составлению формулы изобретения
Формула изобретения, относящегося к устройству.
Наиболее важными признаками устройства являются его эле-
менты. Существенные признаки, отражающие элементы устрой-
ства, вводятся в формулу изобретения при помощи следующих
слов: содержит, оснащен, снабжен, размещен, имеет, несет,
установлен, включает, встроен.
Признаки устройства, отражающие взаиморасположе-
ние и взаимосвязи элементов, относятся к менее важным при
оценке технического уровня устройства. Эти признаки вво-
дятся в формулу изобретения словами: прикрепленный, разме-
щенный, размещенный с возможностью перемещения (враще-
ния, возвратно-поступательного движения и др.), зафиксиро-
ванный, сопряженный, соединенный, расположенный, воздей-
ствующий и т. п.
Признаки устройства, характеризующие форму элементов,
соотношение параметров элементов (размеров, массы и т. п.),
187
материал, из которого они изготовлены, вводятся в формулу изо-
бретения с помощью связующих слов: выполненный в виде, пред-
ставляющий собой, в соотношении и т. п.
Перед непосредственным составлением формулы изобре-
тения рекомендуется записать все признаки прототипа и при-
знаки изобретения в виде их простого перечисления. При этом
можно воспользоваться табличной формой записи этих призна-
ков, в которой отдельно выделены общие с прототипом призна-
ки изобретения и его отличительные признаки (см. табл. 6, 7).
Табличная форма делает наглядным представление признаков
изобретения и способствует в дальнейшем правильному состав-
лению формулы изобретения.
При составлении формулы изобретения необходимо
иметь в виду, что пункт формулы представляет собой одно
предложение. Поэтому следует продумать, как и в какой после-
довательности лучше изложить все признаки изобретения в ог-
раничительной и отличительной частях формулы, чтобы обес-
печить возможность понимания специалистом на основании
уровня техники их смыслового содержания.
Формула изобретения, относящегося к способу. По-
скольку признаками способа являются элементы технологи-
ческих процессов (операции и приемы, последовательность
их выполнения, параметры режима, использование веществ
и устройств и т. д.), то они в формуле изобретения излагают-
ся с использованием глаголов в действительном залоге в изъ-
явительном наклонении в третьем лице во множественном
числе: нагревают, увлажняют, подают, вводят, прокалива-
ют и т. п. Эти признаки вводятся в формулу изобретения
с помощью слов: включающий, содержащий, состоящий, ме-
тодом, на основе и т. п.
При составлении формулы изобретения рекомендуется
так же, как при составлении формулы изобретения, относяще-
гося к устройству, записать вначале все признаки прототипа
и признаки изобретения в виде их простого перечисления
188
в табличной форме, а затем изложить эти признаки одним
предложением, выделяя в нем ограничительную и отличи-
тельную части формулы изобретения, например:
«Способ чистовой обработки ограниченных плоских по-
верхностей абразивным бруском, которому сообщают колеба-
тельное движение по плоской замкнутой криволинейной тра-
ектории, отличающийся тем, что колебательное движение
бруску сообщают под углом 3-10° по отношению к обрабаты-
ваемой поверхности, при этом рабочую поверхность распола-
гают параллельно обрабатываемой поверхности».
8.3.5. Примеры описания изобретений
Изобретение, относящееся к устройству. Краткая
справка* ** Установлено, что наличие на деталях типа валов
отверстий, канавок, проточек и т. п. элементов, являющихся
концентраторами напряжений, уменьшает усталостную проч-
ность таких деталей от 2 до 5 раз по сравнению с аналогичны-
ми деталями с гладкими поверхностями. В то же время уста-
лостную прочность валов можно повысить, если упрочнить
металл, охватывающий концентраторы напряжений. С этой
целью используют различные методы поверхностного пласти-
ческого деформирования: раскатывание, упрочнение чеканкой,
дробеструйный наклеп и др. - и устройства их реализации.
Например, в справочнике [19, с. 101] приведено одно из уст-
ройств для обработки прямоугольных канавок валов поверх-
ностным пластическим деформированием, в котором упроч-
нение металла в окрестности канавки осуществляется роли-
ком с винтовыми уступами.
* А. с. 703199 СССР, М. Кл.2 В 21 Н 7/18. Устройство для
накатывания канавок / Л.М. Натапов, М.Д. Медведев (СССР). -
№ 2494271/25-27; заявл. 08.06.77, опубл. 15.12.79. Бюл. № 46.
Данная справка не является частью описания изобретения.
Приводится с целью ознакомления с результатами выполненной
предварительной работы по решению поставленной задачи.
189
Однако результаты контроля качества поверхности ка-
навок, накатанных такими роликами, показали недостаточ-
ную степень упрочнения металла боковых сторон канавок.
Было выявлено, что основной причиной этого недостатка яв-
ляется малая величина давления ролика на боковые поверх-
ности канавки, создаваемого только за счет сил трения роли-
ка с дном канавки.
Вместе с тем известно устройство (прототип), позво-
ляющее производить упрочнение боковых поверхностей ка-
навок и проточек на валах. Оно представляет собой державку
с размещенной в ней оправкой. В оправке установлен корпус
с двумя деформирующими роликами, сумма диаметров кото-
рых больше ширины обрабатываемой канавки. Требуемая
степень упрочнения металла в окрестности канавки достига-
ется за счет заданного натяга между роликами и боковыми
поверхностями канавки. Однако данное устройство способно
упрочнять только торцевые поверхности канавок и прото-
чек на валах.
С целью расширения технологических возможностей
этого устройства было предложено ввести в его конструкцию
дополнительную пару деформирующих роликов для упроч-
нения дна канавки. В результате разработано новое устрой-
ство, обеспечивающее эффективное упрочнение всех поверх-
ностей канавок.
Анализ признаков аналога, прототипа и изобретения.
В табл. 6 приведены наиболее важные признаки аналога, про-
тотипа и изобретения, выделенные в ходе функционального
анализа конструктивной структуры перечисленных устройств.
Необходимость наличия этих признаков оценивалась с точки
зрения реализации каждым из объектов заданной технической
функции и достижения требуемого технического результата.
Заявка 2367996 СССР, М. Кл. В 24 В 39/04, 1976, по которой
принято решение о выдаче авторского свидетельства.
190
Таблица 6
Признаки устройств
Аналог Прототип Изобретение
1. Деформирующий ролик 2. Корпус, содержащий деформирующий ролик 3. Державка 4. Корпус размещен в державке 5. Ролик упрочняет дно канавки 6. Ролик помимо вра- щательного движе- ния совершает посту- пательное переме- щение вдоль своей оси 7. Ролик имеет два вин- товых уступа проти- воположных направ- лений 8. Значения диаметров ролика и канавки не являются кратными величинами 1. Два деформиру- ющих ролика 2. Корпус, содер- жащий ролики, деформирующие боковые поверх- ности канавки 3. Державка 4. Оправка 5. Оправка установ- лена в державке 6. Корпус размещен в оправке 7. Ролики соверша- ют только враща- тельное движе- ние 8. Сумма д иаметров роликов больше ширины нака- тываемой канавки 1. Две пары деформи- рующих роликов 2. Корпус, содержащий ролики, деформиру- ющие боковые по- верхности канавки 3. Державка 4. Оправка 5. Оправка установлена в державке 6. Корпус размещен в оправке 7. Ролики совершают только вращательное движение 8. Сумма диаметров роликов, упроч- няющих боковые поверхности канав- ки, больше ее ши- рины 9. Оправка содержит ролики, деформиру- ющие дно канавки 10. Оси роликов, деформирующих дно канавки, распо- ложены в плоскости, перпендикулярной оси оправки 11. Державка имеет винтовой паз 12. Корпус содержит штифт, вставленный в винтовой паз державки
Из приведенных данных следует, что все устройства объ-
единяет наличие следующих общих конструктивных элементов:
деформирующего ролика, корпуса и державки. Дополнитель-
191
ними общими признаками для прототипа и заявляемого изо-
бретения устройства являются следующие:
- оправка установлена в державке;
- корпус содержит пару роликов, деформирующих бо-
ковые поверхности канавки, причем сумма диаметров этих
роликов больше ширины канавки;
- корпус размещен в оправке.
Отличительные признаки изобретения:
- оправка содержит дополнительную пару роликов, дефор-
мирующих дно канавки;
- оси роликов, деформирующих дно канавки, располо-
жены в плоскости, перпендикулярной оси оправки;
- державка имеет винтовой паз;
- корпус содержит штифт, вставленный в винтовой паз
державки.
Описание изобретения
М. Кл.2В21Н7/18
В 24 В 39/04
Устройство для накатывания канавок
Изобретение относится к обработке металлов давлением
и может быть использовано для обработки поверхностным
пластическим деформированием прямоугольных канавок.
Известно устройство для обработки поверхностным пла-
стическим деформированием прямоугольных канавок, выпол-
ненное в виде корпуса, содержащего деформирующий ролик
с двумя винтовыми уступами и размещенного в державке [1].
Однако поверхности, обработанные таким роликом,
имеют недостаточную степень упрочнения металла боковых
сторон канавок вследствие малой величины давления ролика
на торцы канавки, создаваемого только за счет сил трения ро-
лика с дном канавки.
Известно устройство для накатывания канавок и прото-
чек на валах, содержащее оправку, установленную в державке,
192
и размещенный в оправке корпус с двумя деформирующими
роликами, сумма диаметров которых больше ширины накаты-
ваемой канавки [2].
Однако это устройство имеет малые технологические
возможности, так как позволяет накатывать только боковые
стороны канавок.
Целью изобретения является расширение технологиче-
ских возможностей раскатника путем обеспечения возможно-
сти накатывания дна и боковых сторон канавки.
Эта цель достигается тем, что устройство снабжено дву-
мя дополнительными деформирующими роликами с осями,
закрепленными на оправке и расположенными в плоскости,
перпендикулярной оси оправки, при этом державка выполнена
с винтовым пазом, а корпус выполнен со штифтом, размещен-
ным в пазу державки.
На фиг. 1 изображено устройство, общий вид, в разрезе;
на фиг. 2 - разрез А - А на фиг. 1.
Устройство включает в себя деформирующие ролики 1,
установленные в пазу корпуса 2 и предназначенные для обра-
ботки боковых сторон канавки, и деформирующие ролики 3,
установленные в оправке 4 и предназначенные для обработки
дна канавки. Ролики 1 удерживаются от выпадания в радиаль-
ном направлении втулкой 5, а в осевом - штифтом 6, который
запрессован во втулку 5 и находится в контакте с проточками
на роликах 1. Ролики 1 выступают над торцом втулки 5 на ве-
личину, превышающую глубину накатываемой канавки. Рас-
стояние между торцами роликов 1 и дном обрабатываемой ка-
навки (при контакте роликов 3 с дном канавки), определяемое
взаимным осевым положением оправки 4 и корпуса 2, регули-
руется с помощью гаек 7 через упорные подшипники 8.
В хвостовике корпуса 2 закреплен штифт 9, взаимодей-
ствующий с винтовым пазом державки 10. Опора 11 устройст-
ва связана с державкой 10 и оправкой 4 пружинами 12 и 13.
Шпонки 14 и 15 служат для фиксации оправкой 4 определенно-
го углового положения с целью точного попадания ее роликов 3
193
в канавку детали 16. Пружина 17 предназначена для возвра-
щения державки 10 в нерабочее положение при отходе уст-
ройства от обрабатываемой детали, т. е. при упоре шпонки 14
в ограничитель хода 18, установленный на оправке 4. Позици-
ей 19 обозначен бурт державки.
Устройство работает следующим образом.
Для обработки канавок устройство устанавливается на
суппорте токарного станка так, чтобы его ось пересекала ось
вращения обрабатываемой детали 16, а деформирующие роли-
ки 3 находились против накатываемой канавки. Детали 16 со-
общается вращательное движение, а опоре 11 устройства-
движение подачи в указанных стрелками направлениях.
При перемещении устройства с движением подачи дефор-
мирующие ролики 3 начинают взаимодействовать с дном обра-
батываемой канавки. В этот момент подача оправки 4 и корпуса
2 в направлении оси детали 16 прекращается, а опора устройства
11 продолжает перемещаться вместе с движением подачи. При
этом сжимаются пружины 12,13 и 17. Дно канавки накатывается
роликами 3 с силой, создаваемой пружинами 12 и 17.
Перемещение опоры И через пружину 13 обеспечивает
перемещение державки 10 относительно оправки 4 и соответ-
ственно относительно закрепленного в оправке 4 корпуса 2.
При этом в результате взаимодействия винтового паза дер-
жавки 10 со штифтом 9, закрепленным в корпусе 2, последний
поворачивается относительно державки 10 и соответственно
относительно оправки 4. В результате поворота корпуса раз-
мер по роликам 1 в осевом направлении детали 16, который
в исходном положении устройства был меньше ширины ка-
навки и обеспечивал свободный вход роликов 1 в зону обра-
ботки, увеличивается, и ролики 1 входят в контакт с боковыми
поверхностями канавки и накатывают их. Сила накатки роли-
ками 1 определяется силой пружины 13. По окончании обра-
ботки движение подачи опоры 11 реверсируется, пружины 12,
13 и 17 разжимаются, и при упоре опоры 11 в бурт 19 держав-
ки устройство отходит от обработанной детали.
194
Формула изобретения
Устройство для накатывания канавок, преимущественно
проточек на валах, содержащее оправку, установленную в дер-
жавке, и размещенный в оправке корпус с двумя деформи-
рующими роликами, сумма диаметров которых больше шири-
ны накатываемой канавки, отличающееся тем, что оно снаб-
жено двумя дополнительными деформирующими роликами
с осями, закрепленными на оправке и расположенными в плос-
кости, перпендикулярной оси оправки, при этом державка вы-
полнена с винтовым пазом, а корпус выполнен со штифтом,
размещенным в пазу державки.
Фиг. 1
195
Источники информации
1. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным
пластическим деформированием: справочник / Л.Г. Один-
цов. - М.: Машиностроение, 1987. - С. 101.
2. Заявка 2367996 СССР, М. Кл. В 24 В 39/04, 1976, по кото-
рой принято решение о выдаче авторского свидетельства
(прототип).
Изобретение, относящееся к способу. Краткая справка.
Во многих отраслях промышленности (в машиностроении,
авиастроении и др.) элементы машин и механизмов, работаю-
щих в условиях возникновения пластической деформации, изго-
тавливают из материалов, обладающих высокой пластичностью.
Высокая пластичность материала необходима также в случаях,
когда в процессе изготовления деталей используются методы
пластического деформирования.
Для повышения пластичности металлов и их сплавов
наиболее часто применяют метод термической обработки, при
котором заготовки нагревают до определенной температуры
и медленно охлаждают.
Известен способ повышения пластичности металла путем
его пластического деформирования при повышенных темпера-
турах в условиях сложного напряженного состояния.
Основным недостатком приведенных способов является
необходимость применения сложного оборудования, в частно-
сти нагревательных печей, прессов, прокатных станов, что уве-
личивает себестоимость изготовленных изделий.
С целью устранения этого недостатка предложен способ
повышения пластичности металла, заключающийся в дефор-
мировании металла или изделий из него в направлении, про-
тивоположном тому, деформация в котором вызвала упрочне-
ние металла (уменьшение его пластичности). При этом каждое
последующее деформирование в направлении, противополож-
ном заданному, осуществляют многократно.
196
Анализ признаков аналога, прототипа и изобретения.
Напомним, что признаками способа, например способа полу-
чения вещества или иного объекта, способа обработки, добычи
и т. п., являются операции и приемы, последовательность вы-
полнения действий во времени, использование веществ и уст-
ройств при выполнении этих действий.
В табл. 7 приведены наиболее важные признаки аналога,
прототипа и изобретения, выделенные в ходе анализа функцио-
нальной структуры рассматриваемых способов повышения пла-
стичности металла.
Из приведенных данных следует, что общим призна-
ком прототипа и заявляемого способа является пластическое
деформирование металла в заданном направлении. Отличи-
тельными признаками являются повторное пластическое де-
формирование в направлении, противоположном заданному
направлению, и то, что каждое последующее деформирова-
ние в направлении, противоположном заданному, осуществ-
ляют многократно.
Таблица 7
Признаки способа
Аналог Прототип Изобретение
1. Нагрев до заданной температуры 2. Выдержка при заданной температуре нагрева 3. Медленное охлаждение 1. Нагрев до заданной температуры 2. Пластическое дефор- мирование в задан- ном направлении 3. Пластическое деформирование осуществляют при повышенной темпе- ратуре металла 1. Пластическое деформи- рование в заданном нап- равлении 2. Повторное пластичес- кое деформирование в направлении, противо- положном заданному направлению 3. Каждое последующее деформирование в нап- равлении, противопо- ложном заданному, осуществляют много- кратно
197
Описание изобретения
М. Кл. С 21d 7/10
Способ обработки металлов
Изобретение относится к области металлообработки,
в частности к технологии повышения пластичности, разупроч-
нения и восстановления измененных пластической деформаци-
ей механических свойств металлов и их сплавов.
Для повышения пластичности металлов и их сплавов
применяют метод термической обработки, при котором заго-
товки нагревают до определенной температуры и медленно
охлаждают.
Известен способ повышения пластичности металла путем
его пластического деформирования при повышенных темпера-
турах в условиях сложного напряженного состояния.
Основным недостатком приведенных способов является
необходимость применения сложного оборудования, в частно-
сти нагревательных печей, прессов, прокатных станов, что уве-
личивает себестоимость изготовленных изделий.
Цель изобретения - повысить пластичность металла бо-
лее доступным в практике способом.
Эта цель достигается с помощью технологической опера-
ции, в которой осуществляется деформирование металла или
изделия из него в направлении, противоположном тому направ-
лению, деформация в котором вызвала упрочнение металла
(уменьшение его пластичности). При этом каждое последующее
деформирование в направлении, противоположном заданному,
может осуществляться многократно.
Последовательность технологических операций при дан-
ном способе такова.
Первая операция - деформация в заданном направлении
материала или изделия. Эта операция проводится в соответст-
вии с технологией изготовления изделия из данного материала
или с условиями эксплуатации изделия.
198
Вторая операция - однократная или периодически повто-
ряемая в зависимости от конкретных условий деформация ме-
талла или изделия в направлении, противоположном приме-
нявшемуся в первой операции.
Третья операция - деформирование материала или изде-
лия в том же направлении, что и в первой операции.
Данный способ проверен в опытах с алюминием.
Пример 1. Алюминий деформировался кручением при
100 °C при напряжении 20 МПа. Упрочнение алюминия было
полностью снято деформированием (кручением) в обратную
сторону при 100 °C (такой же эффект получен и деформиро-
ванием при 20 °C).
Пример 2. Алюминий деформировался кручением при
20 °C со скоростью 10-3c-1. При этом он разрушался при дости-
жении деформации 370 %. Если же алюминий после деформа-
ции 200% деформировался в обратную сторону при 20 °C со
скоростью КГ2с-1 на 50 %, то в последующем деформация в пер-
воначальном направлении до разрушения достигала 540 %.
Повторные операции деформирования в обратном направ-
лении значительно усиливали эффект.
Формула изобретения
1. Способ обработки металлов пластическим деформи-
рованием в заданном направлении, отличающийся тем, что
производят последующее пластическое деформирование в на-
правлении, противоположном заданному.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что последующее
пластическое деформирование в направлении, противополож-
ном заданному, осуществляют многократно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абовский Н.П. Творчество: системный подход, законы
развития, принятие решений / Н.П. Абовский. - М.: СИНТЕГ,
1998.-312 с.
2. Автоматизация поискового конструирования / под ред.
А.И. Половинкина. - М.: Радио и связь, 1981. - 344 с.
3. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука / Г.С. Альт-
шуллер. - М.: Сов. радио, 1979. - 176 с.
4. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения / Г.С. Альт-
шуллер. - М.: Московский рабочий, 1973. - 296 с.
5. Балашов Е.П. Эволюционный синтез систем / Е.П. Бала-
шов. - М.: Радио и связь, 1985. - 328 с.
6. Беляев Н.М. Сопротивление материалов / Н.М. Беляев. -
М.: Наука, 1976. - 608 с.
7. Болотин Х.Л. Станочные приспособления / Х.Л. Болотин,
Ф.П. Костромин. - М.: Машиностроение, 1973. - 344 с.
8. Введение в математическое моделирование: учеб, посо-
бие / В.Н. Ашихмин [и др.]; под ред. П.В. Трусова. - М.:
Интермет Инжиниринг, 2000. - 336 с.
9. Голдовский Б.И. Рациональное творчество / Б.И. Голдов-
ский, М.И. Вайнерман. - М.: Речной транспорт, 1990. - 120 с. -
(Методы анализа проблем и поиска решений в технике).
10. Заенчик В.М. Основы творческо-конструкторской дея-
тельности: Методы и организация: учеб, для студ. высш. учеб,
заведений / В.М. Заенчик, А.А. Карачев, В.Е. Шмелев. - М.:
Академия, 2004. - 256 с.
11. Исследования и изобретательство в машиностроении:
практикум / под общ. ред. М.М. Канне. - Минск: УП
«Технопринт», 2003. - 237 с.
12. Каменев А.Ф. Технические системы: закономерности
развития / А.Ф. Каменев. - Л.: Машиностроение, 1985. - 216 с.
13. Макагонова Н.В. Авторское право: учеб, пособие /
Н.В. Макагонова; под ред. Э.П. Гаврилова. - М.: Юрид. лит.,
1999.-288 с.
200
14. Мелещенко Ю.С. Техника и закономерности ее разви-
тия / Ю.С. Мелещенко. - Л.: Лениздат, 1970. - 246 с.
15. Методы поиска новых технических решений / под
ред. А.И. Половинкина. - Йошкар-Ола: Маркнигоиздат, 1976. -
192 с.
16. Михелькевич В.Н. Основы научно-технического творчес-
тва / В.Н. Михелькевич, В.М. Радомский. - Ростов н/Д: Феникс,
2004. - 320 с. - (Высшее профессиональное образование).
17. Муштаев В.И. Основы инженерного творчества: учеб,
пособие для вузов / В.И. Муштаев, В.Е. Токарев. - М.: Дрофа,
2005.-254 с.
18. Обзор методов создания новых технических решений
/ сост. А.В. Кудрявцев; ВНИИПИ. - М., 1998.
19. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхност-
ным пластическим деформированием: справочник / Л.Г. Один-
цов. - М.: Машиностроение, 1981. - 160 с.
20. Ожегов С.И. Толковый словарь русского языка: 80000
слов и фразеологических выражений / С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведо-
ва; РАН; Российский фонд культуры. - М.: АЗЪ, 1995. - 928 с.
21. Одрин В.М. Морфологический анализ систем / В.М. Од-
рин, С.С. Картавов. - Киев: Наукова думка, 1977. - 148 с.
22. Патентный закон Российской Федерации: федер. закон
от 23.09.92 № 3517-1: с изм. и доп., внесенными федер. законом
от 7.02.03 № 22-ФЗ / Информ.-изд. центр Роспатента. - М.,
2005.-47 с.
23. Пойлов В.З. Основы инженерного творчества: учеб, по-
собие / В.З. Пойлов; Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2001. - 76 с.
24. Пойа Д. Как решать задачу? / Д. Пойа. - М.: Учпедгиз,
1961.-207 с.
25. Половинкин А.И. Теория проектирования новой техники:
закономерности техники и их применение / А.И. Половинкин. -
М.: Информэлектро, 1991. - 104 с.
26. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: учеб,
пособие для студентов втузов / А.И. Половинкин. - М.:
Машиностроение, 1988. - 368 с.
27. Половинкин А.И. Законы строения и развития техники.
Постановка проблемы и гипотезы / А.И. Половинкин; Волгогр.
политехи, ин-т. - Волгоград, 1985. - 202 с.
201
28. Половинкин А.И. Методы инженерного творчества:
учеб, пособие / А.И. Половинкин; Волгогр. политехи, ин-т. -
Волгоград, 1984. - 364 с.
29. Правила игры без правил / сост. А.Б. Селюцкий. -
Петрозаводск: Карелия, 1989. - 280 с.
30. Саламатов Ю.П. Как стать изобретателем: 50 часов
творчества: кн. для учителя / Ю.П. Саламатов. - М.: Просве-
щение, 1990. - 240 с.
31. Степанов Ю.С. Эвристические методы в технологии
машиностроения: Альбом типовых приемов: учеб, пособие /
Ю.С. Степанов, А.Е. Щукин, В.И. Афонасьев. - М.: Машино-
строение, 1996. - 128 с.
32. Товмасян С.С. Философские проблемы труда и техники /
С.С. Товмасян. - М.: Мысль, 1972. - 279 с.
33. Торбило В.М. Алмазное выглаживание / В.М. Торбило. -
М.: Машиностроение, 1972. - 105 с.
34. Тринг М. Как изобретать? / М. Тринг, Э. Лейтуэйт. - М.:
Мир, 1980.-272 с.
35. Федюкин В.К. Методы оценки и управление качеством
промышленной продукции: учеб. / В.К. Федюкин, В.Д. Дурнев,
В.Г. Лебедев. - М.: Филины Рилант, 2000. - 328 с.
36. Физические эффекты в машиностроении: справочник
/В.А. Лукьянец [и др.]; под общ. ред. В. А. Лукьянца. - М.:
Машиностроение, 1993. - 224 с.
37. Философский словарь / под ред. М.М. Розенталя. -
М.: Политиздат, 1975. -496 с.
38. Штерн Э.Т. Введение в научно-техническое творчество /
Э.Т. Штерн; Омск, политехи, ин-т. - Омск, 1989. - 87 с.
39. Чус А.В. основы технического творчества / А.В. Чус,
В.Н. Данченко. - Киев; Донецк: Вища школа, 1983. - 184 с.
202
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Характеристика и отличительные
признаки операций Коллера
1. Излучение - поглощение. Излучение будем соотносить
с источником энергии, вещества или информации, поглощение -
со стоком (местом впадения) энергии, вещества или информации
(сигналов). Эти две основные операции, противоположные друг
другу, представляют собой необходимое условие для создания
или ликвидации потока (вещества, энергии или информации).
Источники и стоки могут быть природные и искусственные (на-
пример, источники - солнце, топливо, генераторы; стоки - зву-
копоглощающее покрытие, заземление и т. п.).
Источниками являются также все естественные источ-
ники энергии, вещества или сигналов. В технических системах
стоком в большинстве случаев служит природная окружающая
среда. Для практического конструирования ТО обе эти опера-
ции, по мнению Р. Коллера, обычно имеют сравнительно не-
большое значение.
2. Проводимость - изолирование. Для возникновения по-
тока, кроме наличия источника и стока, требуется, чтобы между
ними было проводящее пространство, обеспечивающее движе-
ние или распространение потока от источника к стоку (здесь
не имеется в виду специальная организация потока, например,
с помощью трубопровода). Примеры проводящего пространства:
воздушное пространство, электролит и т. п.; примеры изолирова-
ния: непрозрачные шторки, изолятор, стенка и т. п.
3. Сбор - рассеяние. Основная операция «сбор» служит
для того, чтобы поток (ресурсы) энергии, вещества и сигналов,
распространяющийся по всем направлениям (рассредоточен-
ный в пространстве или движущийся широким фронтом) за-
ставить протекать в одном направлении или сосредоточиться
(сфокусироваться) в одной точке. Операцию «сбор» осуществ-
203
ляет, например, параболическая антенна, фокусирующая лин-
за, патрубок, через который вытекает жидкость из бассейна.
Операция «рассеяние» служит для того, чтобы имеющий-
ся сконцентрированный или упорядоченный поток рассеять,
распространить по всем направлениям или направить более
широким фронтом. Операцию «рассеяние» осуществляет, на-
пример, антенна радиопередатчика, наконечник душа, рассеи-
вающая линза и т. п.
Отметим различия между операциями «сбор - рассеяние»
и «излучение - поглощение». Операции «излучение» и «погло-
щение» соответствуют первому (начальному) и последнему
(конечному) участкам в потоке энергии, вещества или инфор-
мации. До и после этих участков, можно сказать, нет организо-
ванного потока. Операции «сбор» и «рассеяние» соответствуют
промежуточным участкам потока; до и после этих участков
также существует организованный поток.
4. Проведение - непроведение. Операция «проведение»
обеспечивает движение сконцентрированного потока по опре-
деленному заданному пути (траектории) с помощью техниче-
ских средств, например трубопровода, электропровода, шар-
нира. Непроведение означает, что на естественное направле-
ние движения и распространения потока технический объект
не оказывает никакого влияния (свободно падающая струя во-
ды, летящая пуля, световой луч). Проведение - это движение,
ограниченное связями; непроведение - свободное движение.
5. Преобразование - обратное преобразование. Эти наи-
более распространенные основные операции, противоположные
друг другу, обеспечивают изменение свойств энергии, вещества
и сигналов. Под преобразованием энергии понимается превра-
щение одного вида энергии в другой, которое происходит, на-
пример, в электродвигателе или двигателе внутреннего сгорания.
К различным видам энергии относятся: тепловая, кинетическая,
потенциальная, звуковая, оптическая и другие виды энергии.
204
Под преобразованием вещества понимается качествен-
ное изменение вещества, добавление или исчезновение опре-
деленных свойств вещества (например, изменения агрегатного
состояния, нормальная проводимость- сверхпроводимость,
немагнитное - магнитное вещество и т. п.).
Под преобразованием сигналов следует понимать опе-
рации, при которых одна входная физическая величина пре-
вращается в другую выходную физическую величину.
6. Увеличение - уменьшение. Эти основные операции
изменяют состояние потока, т. е. значения какой-либо скаляр-
ной или векторной физической величины. При этом на входе
и выходе имеем одну и ту же физическую величину. Приме-
рами реализации операций «увеличение» и «уменьшение» яв-
ляются: система рычагов, зубчатые передачи, передачи с изме-
няемым крутящим моментом, электрические трансформаторы,
механические и электрические усилители, вентили, задвижки,
регулирующие площадь сечения потока.
7. Изменение направления - изменение направления.
Эти основные операции обеспечивают изменение направления
векторной физической величины, значение которой остается
неизменным. Изменение направления осуществляют: коленча-
тые и равноплечные рычаги, передачи с коническими шестер-
нями, зеркала и отражательные пластины, изогнутые трубопро-
воды или световоды и т. п.
Заметим, что для реализации операций «изменение на-
правления» и «проведение» в отдельных случаях могут быть
использованы одинаковые физические эффекты и соответст-
венно одинаковые конструктивные элементы. Например, све-
товод может применяться для проведения светового пучка
и для изменения направления пучка лучей, такую же двой-
ную функцию может иметь резиновый шланг с жидкостью.
Это объясняется тем, что конструктивные элементы имеют
не одно, а несколько свойств.
205
8. Выравнивание - колебание. Основная операция «вы-
равнивание» преобразует колеблющийся (пульсирующий или
нестационарный) поток в стационарный (электрические выпря-
мители, муфты свободного хода, обратные запорные клапаны
и т. п.). Операция «колебание» производит обратное преобразо-
вание (кривошипный механизм, преобразующий равномерное
вращательное движение в колебательное, прерыватель, колеба-
тельный контур и т. п.).
9. Связь - прерывание. Основная операция «прерыва-
ние» аналогично выключателю прерывает (останавливает)
поток энергии, вещества или информации и соответственно
прекращает их передачу от одного пункта к другому. Операция
«связь», напротив, восстанавливает (возобновляет) движение
или передачу энергии, вещества и сигналов в потенциально
существующем потоке. Примеры реализации этих операций:
выключатели, соединительные муфты, затворы, задвижки,
запорные клапаны и т. п.
Следует заметить, что для реализации операций «связь -
прерывание» и «увеличение - уменьшение» в отдельных слу-
чаях могут быть использованы одинаковые конструктивные
(функциональные) элементы, которые обеспечивают реализа-
цию двух основных операций (например, задвижка на трубо-
проводе и т. д.).
10. Соединение - разъединение. Основные операции
«соединение - разъединение» имеют отношение к неоднород-
ным потокам (энергий, веществ и сигналов), имеющим различ-
ные значения физических величин (массу, плотность, окраску,
aiperainoe состояние, амплитуду, длину волны, геометриче-
скую форму, размеры и т. д.). Примеры реализации операции
«соединение»: смесители механических компонентов, частот,
электрических сигналов, карбюраторы и насосы, соединяющие
энергию и вещество, и т. п. Примеры реализации операции
«разъединение»: сепараторы, центрифуги, различные фильтры,
спектроскопы, сортирующие устройства, гидравлические дви-
206
гатели, или турбины, радиаторы водяного отопления, разъеди-
няющие энергию и вещество, и т. п.
11. Объединение - разделение. Основные операции «объ-
единение - разделение» обеспечивают соответственно объедине-
ние нескольких однородных потоков энергии, веществ или сиг-
налов в один поток или, напротив, разделение одного потока на
несколько однородных потоков (т. е. устройства, реализующие
операции «объединение - разделение», взаимодействуют с таки-
ми потоками энергии, веществ и сигналов, в которых параметры
потока, кроме количества энергии, вещества или сигналов, до
и после устройств объединения - разделения остаются неизмен-
ными). Примеры реализации операций «объединение - разделе-
ние»: тройники и разветвления в водопроводных, тепловых,
газовых, электрических и измерительных сетях передачи с рас-
пределением энергии, вещества или сигналов; дифференциалы;
устройства для сварки, пайки и резки материалов и т. п.
12. Накопление - выдача. Потоки энергии, веществ
и информации могут накапливаться и при необходимости
востребоваться из накопителя. Для этого существуют две ос-
новные операции «накопление - выдача». Примеры реализа-
ции этих операций:
- для потоков энергии - механические, гидравлические,
пневматические, электрические и тепловые аккумуляторы;
- для веществ - резервуары, баки, газовые баллоны, бун-
керы, элеваторы и т. п.;
- для сигналов - перфокарты, магнитные ленты и диски,
фотопленки и т. п.
13. Отображение - обратное отображение. Операция
«отображение» применяется в том случае, когда реальный
поток энергии, вещества или физических сигналов на входе
в процессе преобразования получает информационное ото-
бражение на выходе в графическом, числовом и другом виде,
удобном для визуальной оценки, наблюдения или расчета.
Это может быть код, запись, изображение числового значения
207
на цифровом индикаторе, показания на шкале прибора, изобра-
жение на экране дисплея или телевизора и т. д. «Обратное ото-
бражение» связано со случаями, когда на входе задается число-
вое значение или графическое изображение, а на выходе полу-
чается поток реального вещества или энергии.
14. Фиксирование - расфиксирование. Операция «фик-
сирование» связана с уменьшением числа свободы движения
технического объекта, включая закрепление его в определенной
точке пространства и уменьшение числа степеней свободы
движения до нуля. Операцию «фиксирование» осуществляют
приспособления и объекты, которые закрепляют одни элементы
ТО или системы на других, поддерживают составные части ТО
на определенном расстоянии друг от друга, фиксируют задан-
ное положение объекта. Здесь имеется в виду не только умень-
шение степеней свободы какого-либо элемента относительно
другого, а закрепление его на строго определенном расстоянии.
В последнем случае на входе имеется неопределенная коорди-
ната (одна или несколько), а на выходе - координаты, имеющие
для данного технического объекта определенное значение.
Операция «расфиксирование» связана с увеличением числа
степеней свободы перемещения или с уменьшением определен-
ности положения в пространстве.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Межотраслевой фонд эвристических приемов
преобразования объекта [26]
1. Преобразование формы
1.1. Использовать круговую, спиральную, древовидную,
сферическую или другую компактную форму.
1.2. Сделать в объекте (элементе) отверстия или полости.
Инверсия приема.
1.3. Проверить соответствие формы объекта законам симмет-
рии. Перейти от симметричной формы и структуры
к асимметричной. Инверсия приема.
1.4. Перейти от прямолинейных частей, плоских поверхнос-
тей, кубических и многогранных форм (особенно в местах
сопряжений) к криволинейным, сферическим и обтека-
емым формам. Инверсия приема.
1.5. Объекту (элементу), работающему под нагрузкой, при-
дать выпуклую (более выпуклую) форму.
1.6. Компенсировать нежелательную форму сложением с об-
ратной по очертанию формой.
1.7. Выполнить объект в форме:
- другого технического объекта, имеющего аналогичное
название или назначение;
- животного, растения или их органа;
- человека или его органов.
1.8. Сделать объект (элемент) приспособленным к форме
человека или его органов.
1.9. Использовать в аналогичных условиях работы природный
принцип формирования в живой или неживой природе.
1.10. Сделать рациональный (оптимальный) раскрой листового
или объемного материала; внести изменения в форму
деталей для более полного использования материала.
209
1.11. Выбрать конструкцию деталей, в наибольшей мере приб-
лижающуюся к форме и размерам выпускаемого проката
и других профильных заготовок.
1.12. Найти глобально-оптимальную форму объекта.
1.13. Найти наибольшую цельную форму объекта (зрительно
выделить главный функциональный элемент, устранить
или прикрыть многие ненужные детали и т. д.).
1.14. Использовать различные виды симметрии и асимметрии,
динамические и статические свойства формы, ритма
(чередования одинаковых или схожих элементов), нюан-
сов и контраста.
1.15. Осуществить гармоническую увязку форм различных
элементов (выбрать масштабы и соотношения между
объектами и окружающей предметной средой, использо-
вать эстетически предпочтительные пропорции).
1.16. Выбрать (придумать) наиболее красивую форму объекта
и его элементов.
2. Преобразование структуры
2.1. Исключить наиболее напряженный (нагруженный)
элемент.
2.2. Исключить элемент при сохранении объектом всех
прежних функций. Один элемент выполняет несколько
функций, благодаря чему отпадает необходимость в дру-
гих элементах. Убрать «лишние детали» даже при потере
«одного процента эффекта».
2.3. Присоединить к объекту новый элемент в виде жестко
или шарнирно соединенной пластины (стержня, оболоч-
ки или трубы), находящейся в рабочей среде или в кон-
такте с ней.
2.4. Присоединить к базовому объекту дополнительное спе-
циализированное орудие труда, инструмент и т. п.
2.5. Заменить связи (способ или средства соединения) между
элементами; жесткую связь сделать гибкой или наоборот.
2.6. Заменить источник энергии, тип привода, цвет и т. д.
210
2.7. Заменить механическую схему электрической, тепловой,
оптической или электронной.
2.8. Существенно изменить компоновку элементов; умень-
шить компоновочные затраты.
2.9. Сосредоточить органы управления и контроля в одном
месте.
2.10. Объединить элементы единым корпусом, станиной или
изготовить объект цельным.
2.11. Ввести единый привод, единую систему управления или
энергоснабжения.
2.12. Соединить однородные или предназначенные для
смежных операций объекты.
2.13. Объединить в одно целое объекты, имеющие самостоя-
тельное назначение, которое сохраняется после объедине-
ния в новом комплексе.
2.14. Использовать принцип агрегатирования. Создать базо-
вую конструкцию (единую раму, станину), на которую
можно «навесить» различные (в различных комбинациях)
рабочие органы, агрегаты, инструменты.
2.15. Совместить или объединить явно или традиционно несов-
местимые объекты, устранив возникающие противо-
речия.
2.16. Выбрать материал, обеспечивающий минимальную тру-
доемкость изготовления деталей и обработки заготовок.
2.17. Использовать раздвижные, раскладные, сборные, надув-
ные и другие конструкции, обеспечивающие значитель-
ное уменьшение габаритных размеров при переводе
технического объекта из рабочего состояния в нерабочее.
2.18. Найти глобально-оптимальную структуру.
2.19. Выбрать (придумать) наиболее красивую структуру.
3. Преобразования в пространстве
3.1. Изменить традиционную ориентацию объекта в простран-
стве: заменить горизонтальное положение вертикальным
или наклонным; положить на бок; повернуть низом вверх;
повернуть путем вращения.
211
3.2. Использовать «пустое пространство» между элементами
объекта. Один элемент проходит сквозь полость в другом
элементе.
3.3. Объединить известные порознь объекты (элементы)
с размещением одного внутри другого по принципу
«матрешки».
3.4. Размещение по одной линии заменить размещением по
нескольким линиям или по плоскостям. Инверсия приема.
3.5. Заменить размещение по плоскости размещением по
нескольким плоскостям или в трехмерном пространстве;
перейти от одноэтажной (однослойной) компоновки
к многоэтажной (многослойной). Инверсия приема.
3.6. Изменить направление действия рабочей силы или среды.
3.7. Перейти от контакта в точке к контакту по линии; от
контакта по линии к контакту по поверхности; от контакта
по поверхности к объемному (пространственному). Инвер-
сия приема.
3.8. Осуществить сопряжение по нескольким поверхностям.
3.9. Приблизить рабочие органы объекта к месту выполнения
ими своих функций без передвижения самого объекта.
3.10. Заранее расставить объекты так, чтобы они могли
вступить в действие с наиболее удобного места и без
затрат времени на их доставку.
3.11. Перейти от последовательного соединения элементов
к параллельному или смешанному. Инверсия приема.
3.12. Разделить объект на части так, чтобы приблизить каждую
из них к тому месту, где она работает.
3.13. Разделить объект на две части - «объемную» и «необъем-
ную»; вынести «объемную» часть за пределы, ограничи-
вающие объем.
3.14. Вынести элементы, подверженные действию вредных
факторов, за пределы их действия.
3.15. Перенести (поместить) объект или его элемент в другую
среду, исключающую действие вредных факторов.
3.16. Выйти за традиционные пространственные ограничения
или габаритные размеры.
212
4. Преобразования во времени
4.1. Перенести выполнение действия на другое время. Выпол-
нить требуемое действие до начала или после окончания
работы.
4.2. Перейти от непрерывной подачи энергии (вещества) или
непрерывного действия (процесса) к периодическому
или импульсному. Инверсия приема.
4.3. Перейти от стационарного во времени режима к изме-
няющемуся.
4.4. Исключить бесполезные («вредные») интервалы време-
ни. Использовать паузу между импульсами (периодичес-
кими действиями) для осуществления другого действия.
4.5. По принципу непрерывного полезного действия осущес-
твлять работу объекта непрерывно, без холостых ходов.
Все элементы объекта должны все время работать с пол-
ной нагрузкой.
4.6. Изменить последовательность выполнения операций.
4.7. Перейти от последовательного осуществления операций
к параллельному (одновременному). Инверсия приема.
4.8. Совместить технологические процессы или операции.
Объединить однородные или смежные операции. Инвер-
сия приема.
5. Преобразование движения и силы
5.1. Изменить направление вращения.
5.2. Заменить поступательное (прямолинейное) или возврат-
но-поступательное движение вращательным. Инверсия
приема.
5.3. Устранить или сократить холостые, обратные и проме-
жуточные ходы и движения.
5.4. Существенно изменить направление движения, в том
числе на противоположное.
5.5. Заменить традиционную сложную траекторию движения
прямой или окружностью. Инверсия приема.
213
5.6. Заменить изгиб растяжением или сжатием. Заменить
сжатие растяжением.
5.7. Разделить объект на две части - «тяжелую» и «легкую»,
передвигать только «легкую» часть.
5.8. Изменить условия работы так, чтобы не приходилось
поднимать или опускать обрабатываемый объект.
5.9. Заменить трение скольжения трением качения. Инверсия
приема.
5.10. Перейти от неподвижного физического поля к движуще-
муся. Инверсия приема.
5.11. Разделить объект на части, способные перемещаться
относительно друг друга. Сделать движущиеся элемен-
ты неподвижными, а неподвижные - движущимися.
5.12. Изменить условия работы так, чтобы опасные или
«вредные» моменты осуществлялись на большой
скорости. Инверсия приема.
5.13. Использовать магнитные силы.
5.14. Компенсировать действие массы объекта соединением
его с объектом, обладающим подъемной силой.
6. Преобразование материала и вещества
6.1. Рассматриваемый элемент и взаимодействующие с ним
элементы сделать из одного и того же материала или
близкого ему по свойствам. Инверсия приема.
6.2. Выполнить элемент или его поверхность из пористого
материала. Заполнить поры каким-либо веществом.
6.3. Разделить объект (элемент) на части так, чтобы каждая
из них могла быть изготовлена из наиболее подходящего
материала.
6.4. Убрать лишний материал, не несущий функциональной
нагрузки.
6.5. Изменить поверхностные свойства объекта (элемента);
упрочнить поверхность объекта; нейтрализовать свой-
ства материала на поверхности объекта.
6.6. Заменить жесткую часть элементами из материала,
допускающего изменение формы при эксплуатации,
214
вместо жестких объемных конструкций использовать
гибкие оболочки и пленки. Инверсия приема.
6.7. Изменить физические свойства материала, например,
изменить агрегатное состояние.
6.8. Заменить некоторые объекты среды объектами с другими
физико-механическими и химическими свойствами.
6.9. Использовать другой материал (более дешевый, новей-
ший и т. д.).
6.10. Использовать детали из материала с последующим
отвердением.
6.11. Отделить вредные или нежелательные примеси от
вещества.
6.12. Заменить традиционную окружающую среду. Рассмот-
реть возможность использования вакуума, инертной,
водной, космической или какой-либо другой среды.
6.13. Заменить объекты их оптическими копиями (изображе-
ниями); использовать изменение масштаба изображения.
Перейти от видимых оптических копий к инфракрас-
ным, ультрафиолетовым и другим изображениям.
6.14. Дорогостоящий долговечный элемент заменить деше-
вым, недолговечным.
6.15. Заменить разнородные по материалу и форме элементы
одним унифицированным или стандартным элементом.
6.16. Выполнить элементы из материалов с различающимися
характеристиками, дающими нужный эффект (напри-
мер, с разным термическим расширением).
6.17. Вместо твердых частей использовать жидкие или газо-
образные (надувные, гидронаполняемые, воздушные
подушки, гидростатические, гидрореактивные). Инвер-
сия приема.
6.18. Выбрать материалы, обеспечивающие снижение отходов
при изготовлении деталей. Например, перейти от
применения деталей, изготовляемых обработкой резани-
ем, к деталям из пластмассы (изготовляемых формов-
кой) или металлокерамики.
215
6.19. Перейти к безотходным технологиям, например, полу-
чить отходы материалов в более ценном виде, позволяю-
щем использовать их для изготовления других деталей.
6.20. Осуществить упрочнение материалов механической, тер-
мической, термохимической, электрофизической, электро-
химической, лазерной и другими видами обработки.
6.21. Использовать материалы с более высокими удельными
прочностными, электрическими, теплофизическими и дру-
гими характеристиками.
6.22. Использовать армированные, композиционные, порис-
тые и другие новые перспективные материалы.
6.23. Использовать материал с изменяемыми во времени
характеристиками (жесткостью, прозрачностью и т. д.).
7. Приемы дифференциации
7.1. Разделить движущийся поток (вещества, энергии, инфор-
мации) на два или несколько.
7.2. Разделить сыпучий, жидкий или газообразный объект на
части.
7.3. Сделать элемент съемным, легко отделяемым.
7.4. Дифференцировать привод и другие источники энергии;
приблизить их к исполнительным органам и рабочим
зонам.
7.5. Сделать автономным управление каждым элементом
и отдельный привод каждому элементу.
7.6. Провести дробление традиционного целого объекта на
мелкие однородные элементы с аналогичной функцией.
Инверсия приема.
7.7. Разделить объект на части, после чего изготовлять, обра-
батывать, грузить и т. п. каждую часть отдельно, а затем
выполнять сборку.
7.8. Разделить объект на части так, чтобы их можно было
заменять при изменении режима работы.
7.9. Разделить объект на части - «горячую» и «холодную»,
изолировать одну от другой.
216
7.10. Представить объект в виде составной конструкции,
изготовить его из отдельных элементов и частей.
7.11. Придать объекту блочную структуру, при которой
каждый блок выполняет самостоятельную функцию.
7.12. Выделить в объекте самый нужный элемент (нужное
свойство) и усилить его или улучшить условия его
работы.
8. Количественные изменения
8.1. Резко изменить (в несколько раз, в десятки и сотни раз)
параметры или показатели объекта (его элементов,
окружающей среды).
8.2 Увеличить в объекте число одинаковых или подобных
друг другу элементов (или сделать наоборот). Изменить
число одновременно действующих или обрабатывае-
мых объектов (элементов), например, рабочих машин,
их рабочих органов, двигателей и т. д.
8.3. Изменить габаритные размеры, объем или длину
объекта при переводе его в рабочее или нерабочее
состояние.
8.4. Увеличить степень дробления объекта (или сделать
наоборот).
8.5. Допустить незначительное снижение требуемого эффекта.
8.6. Использовать идею избыточного решения (если трудно
получить 100 % требуемого эффекта, задаться целью
получить несколько больше).
8.7. Изменить (усилить) вредные факторы так, чтобы они
перестали быть вредными.
8.8. Уменьшить число функций объекта и сделать его
более специализированным, соответствующим только
оставшимся функциям и требованиям.
8.9. Гиперболизировать, значительно увеличить размеры
объекта и найти ему применение. Инверсия приема.
8.10. Повысить интенсивность технологических процессов с ра-
бочей зоной в виде площадки или замкнутого объекта.
217
8.11. Создать местное локальное качество; осуществить лока-
льную концентрацию сил, напряжения и т. п.
8.12. Найти глобально-оптимальные параметры ТО по различ-
ным критериям развития.
9. Использование профилактических мер
9.1. Предусмотреть прикрытие и защиту легко повреж-
дающихся элементов. Экранировать объект.
9.2. Ввести предохранительные устройства или блокировку.
9.3. Разделить хрупкий и часто повреждающийся объект на
части.
9.4. Выполнить объект (элемент) разборным так, чтобы
можно было заменить отдельные поврежденные части.
9.5. Для уменьшения простоев и повышения надежности
создать легко используемый запас рабочих органов
или элементов. Предусмотреть в ответственных
частях объекта дублирующие элементы.
9.6. Защитить элемент от воздушной или другой агрессивной
среды.
9.7. Заранее придать объекту напряжения, противоположные
недопустимым или нежелательным рабочим напряжениям.
9.8. Заранее придать объекту изменения, противоположные
недопустимым или нежелательным изменениям, возника-
ющим в процессе работы.
9.9. Заранее выполнить требуемое изменение объекта (пол-
ностью или хотя бы частично).
9.10. Обеспечить автоматическую подачу смазочных матери-
алов к трущимся частям.
9.11. Изолировать объект от внешней среды с помощью
гибких оболочек и тонких пленок (поместить объект
в оболочку, капсулу, гильзу). Инверсия приема.
9.12. Придать объекту новое свойство, например, обеспечить
его плавучесть, герметизацию, самовосстановление,
сделать его прозрачным, электропроводным и т. д.
9.13. Сделать объект (элементы) взаимозаменяемым.
218
9.14. Предусмотреть компенсацию неточностей изготовления
объекта.
9.15. Разделить объект на части так, чтобы при выходе из строя
одного элемента объект в целом сохранял работо-
способность.
9.16. Для повышения надежности заранее подготовить аварий-
ные средства.
9.17. Обеспечить снижение или устранение вибрационных,
ударных нагрузок и инерционных перегрузок.
9.18. Использовать объекты живой и неживой природы
в формировании зоны эстетического воздействия.
9.19. Исключить из окружающей предметной среды объекты,
вызывающие отрицательные эмоции (создать зеленую
изгородь из деревьев и кустарников, использовать мими-
крию, маскировку под предметы, вызывающие положи-
тельные эмоции, и т. д.).
9.20. Исключить шумы и запахи, вызывающие отрицательные
эмоции; трансформировать их в более эстетические звуки
и ароматы.
9.21. Создать замкнутые безотходные технологии с утилиза-
цией и возвращением в производство загрязняющих
веществ в виде сырья и материалов.
9.22. Осуществить разработку новых устройств и технологий,
обеспечивающих резкое снижение загрязнения и измене-
ния среды (например, геотехнология, приливные гидро-
электростанции и т. д.).
10. Использование резервов
10.1. Использовать массу объекта (элемента) или периоди-
чески возникающие усилия для получения дополнитель-
ного эффекта.
10.2. Компенсировать чрезмерный расход энергии получением
какого-либо дополнительного положительного эффекта.
10.3. Исключить подбор и подгонку (регулировку и выверку)
деталей и узлов при сборе объекта.
10.4. Устранить вредный фактор (например, за счет компен-
сации его другим вредным фактором).
219
10.5. Использовать или аккумулировать тормозную и другую
попутно получаемую энергию.
10.6. Вместо действия, диктуемого условиями задачи, осущест-
вить обратное действие (например, не охлаждать объект,
а нагревать).
10.7. Выполнивший свое назначение или ставший ненужным
элемент, отходы (энергию, вещество) использовать для
других целей.
10.8. Использовать вредные факторы (в частности, вредные воз-
действия среды) для получения положительного эффекта.
10.9. Выбрать и обеспечить оптимальные параметры (темпе-
ратуру, влажность, освещение и др.).
10.10. Уточнить расчетные напряжения в элементах на основе
использования более точных математических моделей
и ЭВМ.
10.11. Перейти на другие физические принципы действия
с более дешевыми или доступными источниками энергии
или более высоким КПД.
10.12. После конструктивного улучшения какого-либо элемента
определить, как должны быть изменены другие элементы,
чтобы эффективность объекта в целом еще повысилась.
11. Преобразования по аналогии
11.1. Применить объект, предназначенный для выполнения
аналогичной функции в другой отрасли техники, пользу-
ясь классификаторами патентов.
11.2. Использовать природный принцип повторяемости одно-
типных элементов (пчелиные соты, клетки, листья, крис-
таллы и т. п.).
11.3. Использовать в качестве прототипа искомого техничес-
кого решения объект неживой или живой природы,
близкой или отдаленной области техники.
11.4. Применить решение, аналогичное имеющемуся:
- в ведущей отрасли техники или в древних и созданных
в прошлом технических объектах;
- в неживой природе (физика, химия, биохимия и др.);
220
- в современных или вымерших живых организмах;
- в экономике или общественной жизни людей;
- в научно-фантастической литературе.
Ответить на вопрос, как решаются подобные задачи
в указанных областях.
11.5. Использовать аналоги свойств других объектов; исполь-
зовать свойства без самого объекта.
11.6. Применить принцип имитации, заключающийся в созда-
нии таких объектов, которые по форме, цвету, внешнему
виду и другим необходимым свойствам аналогичны дру-
гому объекту.
11.7. Использовать эмпатию: мысленно превратить себя
в объект (элемент), с помощью своих ощущений найти
наиболее целесообразное решение.
11.8. Использовать в качестве прототипа детские игрушки.
11.9. Вместо недоступного, сложного, дорогостоящего или
хрупкого объекта использовать его упрощенные и деше-
вые копии, модели, макеты.
12. Повышение технологичности
12.1. Упростить форму и конструкцию деталей путем сок-
ращения числа обрабатываемых поверхностей, неплос-
ких и некруговых поверхностей, рабочих ходов при
обработке.
12.2. Выбрать форму и конструкцию элементов, обеспечиваю-
щие применение наиболее производительного технологи-
ческого оборудования, приспособлений и инструмента.
12.3. Выбрать конструкцию деталей узлов, обеспечивающую
максимальное совмещение и одновременное выполне-
ние операций обработки и сборки.
12.4. Уменьшить или исключить пригоночные работы при
сборке. Использовать средства компенсации неточности
изготовления.
12.5. Осуществить технологическую унификацию конструк-
ций, формы и размеров деталей.
221
12.6. Заменить механическую обработку резанием обработкой
без снятия стружки.
12.7. Использовать саморегулирующиеся, восстанавливающиеся,
самозатачивающиеся элементы и инструменты, сокращаю-
щие трудоемкость профилактического ухода и ремонта.
12.8. Максимально применять стандартные элементы, имею-
щие весьма широкую область применения.
12.9. Использовать модульный принцип конструирования, ког-
да из небольшого числа стандартных элементов (универ-
сального набора) можно собрать любое изделие в задан-
ном классе (например, универсально-сборные приспособ-
ления, универсальная система элементов промышленной
пневмоавтоматики).
12.10. Максимально использовать в проектируемом объекте
освоенные в производстве узлы и детали.
12.11. Максимально использовать заготовки с размерами, близ-
кими к размерам готовой детали. Использовать точное
литье, штамповку, сварку.
12.12. Выбрать наиболее целесообразное расчленение объекта
на блоки, узлы и детали.
12.13. Выбрать материал, обеспечивающий минимальную трудо-
емкость изготовления деталей.
Оглавление
Введение............................................. 3
Глава 1. Основные понятия и определения инженерного
творчества........................................... 6
1.1. Творчество и инженерная деятельность...... 6
1.2. Краткие сведения о методах изучения
технических объектов в процессе инженерной
деятельности.................................. 8
1.3. Инвариантные понятия техники............. 15
1.4. Основы функционального анализа технических
систем....................................... 31
Глава 2. Критерии развития технических объектов 41
2.1. Общие сведения о критериях развития ТО... 41
2.2. Характеристика групп критериев развития ТО 52
Глава 3. Законы строения и развития техники 63
3.1. Законы и закономерности техники. Основные
понятия...................................... 64
3.2. Законы и закономерности строения техники .66
3.3. Законы и закономерности развития техники. 71
Глава 4. Методы инженерного творчества.............. 80
4.1. Метод проб и ошибок...................... 83
4.2. Метод мозговой атаки..................... 87
4.3. Метод контрольных вопросов................96
4.4. Метод эвристических приемов ..............98
4.5. Метод морфологического анализа и синтеза
технических решений .........................101
4.6. Алгоритм решения изобретательских задач 113
4.7. Автоматизированный синтез физических
принципов действия.......................... 118
Г лава 5. Постановка технической задачи 121
5.1. Иерархия задач поиска и выбора
проектно-конструкторских решений...............121
5.2. Основные операции процесса постановки
технической задачи.............................125
223
Глава 6. Поиск решения технической задачи
традиционными методами 134
6.1. Поиск решения методом функционального
анализа прототипа.....................134
6.2. Поиск решения методом анализа причин
возникновения исходного недостатка............138
Глава 7. Поиск решения технической задачи на уровне
изобретения........................................142
7.1. Понятие изобретательской задачи.........142
7.2. Противоречия в технических объектах 144
7.3. Идеальное техническое решение 148
7.4. Выявление и анализ технического
противоречия 153
Глава 8. Основы патентоведения ....................171
8.1. Интеллектуальная собственность.
Основные понятия............................. 171
8.2. Международная патентная классификация.
Патентные исследования....................... 175
8.3. Объекты изобретения. Содержание заявки
на изобретение................................179
Список литературы................................. 200
Приложение 1.......................................203
Приложение 2.......................................209
Учебное издание
Донсков Анатолий Сергеевич
ОСНОВЫ
ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА
Учебное пособие
Издание второе, стереотипное
Редактор и корректор Е.В. Копытина
Подписано в печать 27.09.09. Формат 60x90/16.
Усл. печ. л. 14,06. Тираж 55 экз. Заказ № 1623/2009.
Издательство
Пермского государственного технического университета.
Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, к. 113.
Тел. (342) 219-80-33.