Введение в специальность

Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ Главные качества современного молодого выпускника ин­женерной специальности – его творческий научно-технический потенциал, способность самостоятельно видеть проблему, уме­ние ставить и решать задачу поиска новых конструкторско – технологических решений на уровне изобретений, обеспечивающих, с одной стороны, создание изделий мирового уровня по качеству, а с другой – всестороннюю интенсификацию и эконо­мию 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, техниче­ских, специальных) в основном построен на решении таких теоретических и практических задач, для которых уже имеется готовая постановка задачи, предложен способ ее решения, да­ется пример решения подобной задачи предложенным спосо­бом. При этом результат решения задачи известен преподава­телю, а во многих случаях - и студенту. В определенной сте­пени этот подход оправдан и даже необходим с точки зрения освоения и закрепления знаний. Однако результативность та­кого способа изучения той или другой научной дисциплины во многих случаях невысока, так как решение поставленной задачи не требуют глубоких творческих размышлений и обычно превращается в рутинную работу. Вместе с тем, чтобы молодой специалист стал созидателем, творцом нового, овладения имеющимися знаниями и приобретения навыков хорошо делать явно недостаточно. В дополнение к этому он должен научиться творчески мыслить, получить возможность активизировать и развивать свои творческие способности. Этому во многом способствуют дисциплины «Инновационные методы инженерного творчества» и «Методы создания инновации в технике», объектом изучения которых является процесс творческой деятельности, в том числе изобретательской. Уместен вопрос: «Можно ли вообще научить творчеству и изобретательству?» Накопленный в те­чение многих столетий богатый опыт приобщения людей к твор­ческой деятельности и обучения их изобретательству позволяет дать в настоящее время однозначный положительный ответ на этот вопрос. Основные задачи дисциплины: - научить молодого специалиста самостоятельно ста­вить задачи создания новой техники, совершенство­вания существующей техники и технологий; - привить навыки применения знаний, полученных при изучении фундаментальных и технических дисцип­лин (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. Творчество и инженерная деятельность Существуют разнообразные виды деятельности: духов­ная, материальная, производственная, научная и т.д. Под творческой деятельностью понимается деятельность, направ­ленная на получение новых знаний об окружающем мире, соз­дание качественно новых ценностей, никогда ранее не суще­ствовавших. Понятие «творчество» неразрывно связано со всеми сторонами жизнедеятельности человека, который, ис­пользуя свои способности, приобретенные знания и навыки, жизненный опыт, что-то создает, совершенствует, изобретает. Творчество – это деятельность субъекта, в процессе которой он ставит или выбирает задачу, ищет условия и способ ее решения и создает нечто новое, не существующее на данный момент. В зависимости от области и результатов творческой дея­тельности выделяют различные виды творчества: научное, на­учно-техническое, техническое, художественное, педагогическое и другие. В области различных искусств результат твор­чества – это произведение искусства: проза, поэзия, картина, скульптура и т. п. Научное творчество направлено на удовлетворение по­требности познания окружающего мира и связано с фундамен­тальными науками - математикой, физикой, химией, философией. Научно-техническое и техническое творчество имеют четкие практические цели и направлены на удовлетворение утилитарных потребностей общества. Эти виды творчества свя­заны 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 дея­тельности могут представлять собой: - материальный продукт (изделие, энергию, вещество); - социально-экономический эффект (снижение себестои­мости, повышение производительности труда, качества матери­ального продукта и т. п.); - информацию (новые знания, отображенные в публика­циях, научные открытия, изобретения и т. д.). Одной из форм инженерного творчества является изобре­тательство. Изобретательство – это процесс воплощения науч­ных идей в технические решения. Следует заметить, что про­дукты изобретательской деятельности – изобретения, являясь результатом технического освоения научных достижений, за­нимают промежуточное положение между научной идеей и ма­териальным объектом техники. Изобретение – это еще не закон­ченная 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 объектах новой техники для удовлетворения существующих или новых потребностей общества. Краткие сведения о методах изучения технических объектов в процессе инженерной деятельности В процессе решения творческой задачи инженер, выпол­няя определенные виды работы, осознанно или интуитивно ис­пользует различные понятия, например сравнение, индукция, идея, синтез и другие, относящиеся к методологическому инст­рументарию изучения любого объекта, независимо от его при­роды (технической, экономической, биологической и т. д.). Поскольку при освоении основ инженерного творчества нередки случаи неправильного толкования и использования магистрантами этих понятий, полезно напомнить их смысл и определения. Сравнение и измерение Сравнение – это операция мышления, посредством кото­рой классифицируется, упорядочивается и оценивается содер­жание действительности. При сравнении осуществляют сопос­тавление объектов с целью выявления их сходных и отличи­тельных признаков, соотношений их свойств и технических характеристик. Сравнивать можно только однородные объекты, образующие определенный класс, группу. При этом сравнение объектов одного класса производится по призна­кам, существенным с точки зрения заданной оценки, так как объекты, сравниваемые по одним признакам, могут быть не сравнимы по другим признакам. Измерение – это операция или процедура получения численного значения размера, характеризующего одно или несколько свойств объекта (предмета, процесса, явления) и удовлетворяющего требованию единства измерений. Изме­рение заключается в сравнении данной величины с однород­ной ей физической величиной, принятой за единичный размер измерения. Индукция и дедукция Индукция – одна из форм умозаключения, обеспечиваю­щая 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 вы­вод 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, являет­ся наличие этого признака у части элементов класса. Попу­лярная индукция имеет неограниченную сферу применения, но ее выводы носят вероятностный характер и нуждаются в последующем доказательстве. Научная индукция также представляет собой вывод от части элементов данного класса ко всему классу, но основанием для вывода служит раскрытие исследуемых элементов класса существенных (причинных) связей, необходимо обусловливающих принадлежность данного признака всему классу. Дедукция – это форма умозаключения, представляющая вывод утверждения (следствия) из одного или нескольких других утверждений (посылок) на основе законов логики. При использо­вании 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. 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, вы­делить главные и второстепенные факторы. Цель анализа – по­знание 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 резуль­тате изучения элементов объекта в их взаимодействии, т. е. когда все элементы действуют как одно целое. Для этого не­обходимо восстановить расчлененное анализом целое. Синтез – это операция практического или мысленного объединения в единое целое отдельных частей, их свойств, отно­шений, выделенных посредством анализа. Синтез акцентирует внимание на функциях частей целого, позволяет понять, почему эти части действуют именно так, и через это понимание роли от­дельных частей объяснить поведение объекта как единого целого. Абстракция Абстракция – одна из форм познания объекта, заклю­чающаяся в мысленном выделении из множества свойств и признаков объекта наиболее существенных в рассматривае­мой ситуации свойств и признаков. Моделирование Моделирование – это процесс познания реально сущест­вующих 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 (геометри­ческие, физические, динамические, функциональные). Выделяют две группы различных видов моделирования: материальное (предметное) и идеальное (мысленное) моделирование. В практике инженерной деятельно­сти и изобретательства широко используются методы матери­ального моделирования и математическое моделирование. Математическое моделирование является одним из ви­дов идеального моделирования, при котором построение моде­ли реального объекта осуществляется путем описания его свойств, отношений и взаимодействия с окружающей средой на языке математики, а исследование модели проводится с ис­пользованием тех или иных математических методов. Аналогии. Аналог и прототип Под аналогией понимают сходство предметов, процессов 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 кон­трольных вопросов, синектике, эмпатии и других. При этом применяют четыре вида аналогии: прямую, личную, символическую и фантастическую. При прямой аналогии совершенствуемый объект сравнивается с более или менее аналогичным объектом из другой области техники или из живой природы и делается попытка применения готовых решений. Личная аналогия – отожествление личности, ищущей решение, с разрабатываемым объектом. Вживаясь в образ объекта, решающий задачу пытается выяснить через свои ощущения качество выполнения объектом функций, его трудности. Символическая аналогия – некоторая обобщенная, абстрактная аналогия, отражающая в парадоксальной форме (буквально в двух словах) сущность объекта. Например, для мрамора символическая аналогия может быть сформулирована как «радужное постоянство», для храпового механизма – «надежная прерывистость». При фантастической аналогии вводится какие-нибудь фантастические средства или персонажи, выполняющие то, что требуется по условиям задачи. Приему фантастической аналогии весьма большое внимание уделяется в теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). 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 совокупно­сти своих признаков соответствует другому объекту. Прототип – это такой единственный аналог из множе­ства аналогов, который имеет наибольшее число признаков, общих с рассматриваемым объектом. Лекция 2 Инвариантные понятия техники Техническая система – определенная совокупность упорядоченно связанных между собой элементов, предназначенных для удовлетворения определенных потребностей, для выполнения определенных полезных функций. Надсистема – более крупная система, частью которой является рассматриваемая техническая система. Подсистема – система, являющаяся частью другой системы и способная выполнять относительно независимые функции, имеющая подцели, направленные на достижение общей цели системы. Технический объект – созданное человеком или автоматом реально существующее или существовавшее устройство, предназначенное для удовлетворения определенной потребности. Технология – способ, метод или программа преобразования вещества, энергии или информационных сигналов из заданного начального состояния в заданное конечное состояние с помощью определенных технических объектов. Техническое решение – это предельно сжатое и формализованное описание технического объекта, т.е. оно выражает свойства и особенности создаваемого технического объекта, обеспечивающие его функционирование в соответствии с поставленными целями. Техническое решение изобретатель получает в результате успешного решения творческой инженерной задачи. Любой технический объект находится в определенном взаимодействии с окружающей средой. К окружающей среде технического объекта относятся его надсистема, объекты живой и неживой природы и другие технические объекты, которые находятся в функциональном или вынужденном взаимодействии и оказывают влияние на него. Взаимодействие ТО с окружающей средой может происходить по разным каналам связи, которые целесообразно подразделить на две группы (рисунок 1). Первая группа включает потоки вещества, энергии и информационных сигналов, от окружающей среды к техническому объекту. К ним относятся: Ат – функционально обусловленные входные воздейст входные воздействия и Ав – вынужденные входные воздействия (тем воздействия (температура, влажность, пыль, деятельность насекомых и т.д.). Вторая группа потоков связи – это потоки, Рисунок 1. которые передаются от рассматриваемого Взаимодействие технического объекта в окружающую среду. технического объекта с К ним относятся: Ст – функционально окружающей средой обусловленные выходные воздействия и Св – вынужденные выходные воздействия (в виде электромагнитных полей, загрязнения воды, земли, воздуха, токи и т.д.). Здесь следует обратить внимание на то, что потоки бывают только трех видов – потоки вещества, энергии или информационных сигналов. Каждый технический объект может быть представлен описаниями, имеющими иерархическую соподчиненность. Описания каждого уровня характеризуются двумя свойствами: - каждое последующее описание является более детальным и более полно характеризует технический объект по сравнению с предыдущим; - каждое последующее описание включает в себя предыдущее. Такие свойства имеют следующие описания: потребность или функция технического объекта, техническая функция (ТФ), функциональная структура (ФС), физический принцип действия (ФПД), техническое решение (ТР), проект (ТП) (рисунок 4). Рассмотрим подробнее эти описания. Описание технического объекта начинается с описания его назначения, цели его создания. Следовательно, потребность – это краткое описание назначения технического объекта или цели его создания. Оно включает следующую информацию: необходимое действие (наименование действие); объект (предмет обработки), на которое направлено это действие; особые условия и ограничения. Техническая функция (ТФ) – это описание действий по реализации техническим объектом определенной физической операции с целью удовлетворения желаемой потребности. Следовательно, Рисунок 4. Уровни описания описание технической функции технического объекта содержит: потребность, которую может удовлетворить технический объект и физическую операцию (преобразование), с помощью которой реализуется потребность. Описание физической операции состоит из указания входного и выходного потоков вещества, энергии или сигналов и действия (операции Коллера) по преобразованию (превращению) входных потоков в выходные. Основные физические операции, составленные Коллером, представлены в таблице 2. После описания физической операции формулируется техническая функция технического объекта. Большинство технических объектов состоят из ряда элементов (агрегатов, блоков, узлов, деталей), поэтому их можно разделить на составляющие элементы. Каждый элемент как самостоятельный технический объект выполняет определенную функцию и реализует определенную физическую операцию, т. е. между элементами имеют место два вида связей и соответственно два вида структурной организации. В связи с этим различают конструктивную функциональную структуру и потоковую функциональную структуру, объединяя их в одно целое, представляют в виде описания функциональной структуры (ФС) технического объекта. Таблица 2 – Физические операции Коллера Наименование операции Описание операции Излучение- поглощение Излучение относится к источникам энергии, вещества или информации, поглощение – к стокам (местам 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. Проводимость – изолирование Для возникновения потока, кроме наличия источника и стока, требуется, чтобы между ними было проводящее пространство, обеспечивающее движение или распространение потока от источника к стоку (здесь не имеется в виду специальная организация потока, например, с помощью трубопровода). Сбор - рассеяние Основная операция «сбор» служит для того, чтобы поток (ресурсы) энергии, вещества и сигналов, распространяющийся по всем направлениям (рассредоточенный в пространстве или движущийся широким фронтом) заставить протекать в одном направлении или сосредоточиться (сфокусироваться) в одной точке. Операция «рассеяние» служит для того, чтобы имеющийся сконцентрированный или упорядоченный поток рассеять, распространить по всем направлениям или направить более широким фронтом. Проведение – непроведение Операция «проведение» обеспечивает движение сконцентрированного потока по определенному заданному пути (траектории) с помощью технических средств, например, трубопровода, электропровода, шарнира. Непроведение означает, что на естественное направление движения и распространения потока технического объекта не оказывает никакого влияния (свободно падающая струя воды, летящая пуля, световой луч). Проведение – это движение, ограниченное связями; непроведение – свободное движение. Преобразование – обратное преобразование Это наиболее распространенные основные операции, противоположные друг другу, обеспечивают изменение свойств энергии, вещества и сигналов. Под преобразованием энергии понимается превращение одного вида энергии в другой. Под преобразованием вещества понимается качественное изменение вещества, добавление или исчезновение определенных свойств вещества. Под преобразованием сигналов следует понимать операции, при которых одна физическая входная величина превращается в другую выходную физическую величину. Увеличение – уменьшение Эти основные операции изменяют состояние потока, т.е. значения какой-либо скалярной или векторной физической величины. При этом на входе и выходе имеем одну и ту же физическую величину. Изменение направления – изменение направления Эти основные операции обеспечивают изменение направления векторной физической величины, значение которой остается неизменным. Заметим, что для реализации операций «изменение направления» и «проведение» в отдельных случаях могут быть использованы одинаковые физические эффекты и соответственно одинаковые конструктивные элементы. Выравнивание – колебание Основная операция «выравнивание» преобразует колеблющийся (пульсирующий или нестационарный) поток в стационарный. Операция «колебание» производит обратное преобразование. Связь – прерывание Основная операция «прерывание» 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. Соединение – разъединение Основные операции «соединение – разъединение» имеют отношение к неоднородным потокам (энергий, веществ и сигналов), имеющим различные значения физических величин. Объединение – разделение Основные операции «объединение – разделение» обеспечивают соответственно объединение нескольких однородных потоков энергии, вещества или сигналов в один поток или, напротив, разделение одного потока на несколько однородных потоков. Накопление – выдача Потоки энергии, веществ и информации могут накапливаться и при необходимости востребоваться из накопителя. Для этого существуют две основные операции «накопление – выдача». Отображение – обратное отображение Операция «отображение» применяется в том случае, когда реальный поток энергии, вещества или физических сигналов на входе в процессе преобразования получает информационное отображение на выходе в графическом, числовом и другом виде, удобном для визуальной оценки, наблюдения или расчета. «Обратное отображение» связано со случаями, когда на входе задается числовое значение или графическое изображение, а на выходе получается поток реального вещества или энергии. Фиксирование – расфиксирование Операция «фиксирование» связана с уменьшением числа свободы движения технического объекта, включая закрепление его в определенной точке пространства и уменьшение числа степеней свободы движения до нуля. Операция «расфиксирование» связана с увеличением числа степеней свободы перемещения или с уменьшением определенности положения в пространстве. Конструктивная функциональная структура отображает функциональные взаимосвязи между отдельными элементами технического объекта и объектами окружающей среды. Таким образом, технический объект делят на несколько элементов, каждый из которых должен иметь хотя бы одну функцию. Результаты деления технического объекта на элементы и описание их функций оформляют в одной таблице анализа функций. Одновременно с этим выделяют объекты окружающей среды, с которыми технический объект находится в функциональном или вынужденном взаимодействии и которые существенно влияют на конструкцию технического объекта. Элементы технического объекта в процессе реализации определенных физических операций образуют потоки преобразуемых (или превращаемых) ими веществ, энергии или информационных сигналов. Эти потоковые связи между входами и выходами отдельных элементов технического объекта отображаются в словесном или графическом оформленном описании – в потоковой функциональной структуре технического объекта. В потоковой функциональной структуре каждый элемент реализует определенную физическую операцию. Такая реализация происходит на основе одного или нескольких физико-технических эффектов. Под физико-техническими эффектами понимают различные приложения физических законов, закономерностей и следствий из них, физические эффекты и явления, которые могут быть использованы в технических устройствах. Как правило, в физико-технических эффектах имеет место определенная причинно-следственная связь между «входом» и «выходом». Физико-технический эффект должен иметь стандартное формализованное (имеющее определенную структуру) описание, удобное для технических приложений и машинной обработки. В настоящее время науке известно и в литературе описано более 3000 физико-технических эффектов. Их число непрерывно увеличивается в связи с возрастающими темпами развития мировой науки и техники. Физический принцип действия (ФПД) – это описание взаимосвязей между элементами технического объекта на уровне реализуемых ими физических процессов и явлений, обеспечивающих выполнение соответствующих функций этих элементов и технического объекта в целом. Как правило, описание физического принципа действия сопровождается принципиальной схемой технического объекта, в которой в упрощенной форме показаны основные конструктивные элементы технического элемента, указаны направления потоков и основные физические величины, характеризующие используемые физико-технические эффекты. Техническое решение (ТР) представляет собой конструктивное оформление физического принципа действия или функциональной структуры. Техническое решение конкретного технического объекта может быть описано с любой степенью детализации в виде двухуровневой иерархической структуры через характерные признаки технического объекта сначала в целом, а затем его элементов (блоков, узлов и т. д.). Описание технического решения дополняется графическими изображениями. В описании технического решения даются: - указания (перечень) основных элементов; - взаимное расположение элементов в пространстве; - способы и средства соединения и связи элементов между собой; - последовательность взаимодействия элементов во времени; - особенности конструктивного исполнения элементов (материал, геометрическая форма и т. п.); - принципиально важные соотношения параметров для технического объекта в целом или отдельных элементов. Значения параметров технического объекта и всех его элементов (узлов, блоков, агрегатов и даже деталей) обычно даются в описании, которое называется техническим проектом. Следует отметить, что здесь под проектом подразумеваются рабочие чертежи и конструкторская документация. Проект содержит всю необходимую информацию для изготовления и эксплуатации технического объекта. При разработке любого технического объекта, когда ставится цель получить изделие выше уровня лучших мировых образцов, конструктору необходимо решить иерархическую последовательность задач выбора проектно-конструкторских решений. Эта последовательность имеет полное соответствие с иерархией описания технического объекта. Лекция 3 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. Элементы управления – это элементы, выполняющие сбор, хранение и обработку информации с целью формирова­ния 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 связи обеспечивают определенную степень свободы движения одних элементов относительно других. Это необходимые для реализации связей отверстия в несущих и дру­гих элементах, разъемные и неразъемные неподвижные соединения (болтовые, винтовые, шлицевые, сварные, паяные и др.), различные кинематические пары (подшипники, подпятники шар­ниры 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 зако­нов движения, моментов, сил и их направлений. Это гибкие валы, зубчатые, ременные, фрикционные и другие передачи, а также винтовые, реечные, кривошипно-шатунные механизмы. Элементы гашения скоростей и ускорений обеспечи­вают уменьшение скорости движения, амплитуды колебаний технических объектов, твердых тел, газообразных, жидких, сыпучих веществ и их смесей. Это различные амортизаторы, тормоза, гасители и т. п. Функциональный анализ технической систе­мы включает в себя следующие процедуры: Разделение технической системы на элементы является одной из важных операций в функциональном анализе. Правильному и однозначному разделению технической системы на функциональные элементы во многом способствует классификация элементов в зависимости от выполняемых ими функций. Эта классификация включает в себя сле­дующие группы функциональных элементов, инвариантных для большинства областей техники: Разделение технической системы на элементы и описание технических функций. После описания функций технической системы и установления объек­тов 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 технической системы на агре­гаты, 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 образу­ются элементы, не имеющие самостоятельной или выполняющие одинаковые функции. Приведенная классификация элементов технических систем позволяет во многих случаях правильно определить функцию того или иного элемента системы. В затруднительных случаях можно воспользоваться правилом исключения, суть которого заключается в следующем. По отношению к рассматриваемому элементу задается вопрос: «Если исключить этот элемент, то какие отрицательные последствия появятся в работе других элементов или самой технической системе?» Действия по предотвращению выявленных таким образом отрицательных последствий и пред­ставляют собой функцию рассматриваемого элемента. При описании функций элементов технической системы особое внимание уделяют правильному отражению содержания функций и отне­сению 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: Построение конструктивной функциональной структуры технической системы. Построение конструктивной функциональной структуры технической системы заключается в представлении в табличной или графической форме результатов ее разделения на элементы и описаний их функций. Особое внимание при разделении системы на функцио­нальные элементы уделяют так называемым главным элементам. Главные элементы – это элементы технической системы, которые непосредственно взаимодействуют с объектами окружающей среды и функция которых, как правило, совпадает с функцией самой системы. Главными элементами обычно являются исходные элементы технической системы – спираль электроплитки, инструмент металлорежущего станка (резец, фреза, сверло), стержень шариковой авторучки и т. д. Основы функционального анализа технических систем Описание функций технической системы. Функции технической системы описывают в словесной форме с указанием выполняемого технической системой действия, объекта (объектов) ее воздействия и при необходимо­сти условий и ограничений, при которых выполняется действие системы. При описании функции технической системы, прежде всего, учитывают класс технических объектов, к которому относится рассматриваемая техническая система (обрабатывающая машина, машина-двигатель, транс­портирующая машина и т. д.). В целом описание функции стре­мятся сформулировать конкретно, включая при необходимости требования, которым должна удовлетворять техническая система. 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. Наиболее распространенным классом задач инженерного творчества являются задачи, в которых требуется улучшить из­вестный технический объект (устройство, процесс, вещество) путем введения в него определенных изменений. Такой объект называют прототипом для разрабатываемой улучшенной моде­ли. С целью получения достаточно полного представления об устройстве прототипа как технической системы осуществляют его функциональный анализ. Функциональный анализ техниче­ских систем позволяет получить достаточно полное представ­ление об устройстве технической системы с функциональной точки зрения. В ходе анализа стремятся установить, каков состав элементов техниче­ской системы, какие технические функции выполняют выде­ленные 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 рассматривае­мой технической системы. Методика функционального анализа Классификация элементов технических систем Исходные – это элементы, непосредственно взаимодейст­вующие с объектами, на которые направлено действие технической системы. К ним относятся рабочие органы машин, датчики приборов, регистри­рующие состояние технической системы, например, ковш экскаватора, лопа­сти гребного винта, шлифовальный круг станка и т. д. Во многих системах функции исходных элементов частично или полностью совпадают с функцией самой технической системы. Движители обеспечивают преобразование энергии дви­гателя или другого источника энергии в работу по преодолению сопротивления движению технической системы или обрабаты­ваемых тел (твердых, жидких, пастообразных и др.). Это дви­жители различных транспортных средств (колеса, гусеницы, гребные винты и т. д.), шнеки, ленты транспортеров, толкатели. Двигатели обеспечивают получение необходимой мощ­ности в результате преобразования заданного вида энергии в механическую энергию. К ним относятся паровые машины и турбины, двигатели внутреннего сгорания, электродвигате­ли, инерционные и пружинные механизмы и др. Выявление объектов окружающей среды. В качестве объектов окружающей среды могут быть элементы надсистемы технической системы (для двигателя автомобиля – сцепление и рама или кузов, для монитора компьютера – системный блок и т.д.), предметы живой и неживой природы (люди, животные, расте­ния, вода, камни) и т.д. При определении объектов окру­жающей среды, с которыми взаимодействует конкретная техническая система, исходят из того, что взаимодействие технической системы с окружающей средой представляет собой взаимный об­мен потоками вещества, энергии или информации. Источники и приемники, с которыми техническая система не­посредственно обменивается входными и выходными потока­ми, и составляют объекты окружающей среды технической системы. В основу функционального анализа положен принцип выделения и рассмотрения структур с двухуровневой иерархи­ей, согласно которой любую техническую систему можно раз­делить на элементы, каждый из которых имеет не менее одной определенной функции по обеспечению работы технической системы или других ее элементов. При этом рассматриваемая система представляет собой верхний уровень, а выделенные функциональные эле­менты – нижний. В случае более детального анализа каждый из выделенных элементов нижнего уровня рассматривается как самостоятельная система, которая также может быть раз­делена на несколько функциональных элементов и т. д. в зависимости от выполняемых функций 9) движители. 8) элементы формирования потоков и объемов; 7) элементы гашения скоростей и ускорений; 6) элементы управления; 5) двигатели; 4) элементы передачи; 3) элементы связи; 2) несущие; 1) исходные; - разделение технической системы на элементы и описание выполняемых ими технических функций; - построение конструктивной функциональной струк­туры технической системы. - основную функцию обычно выполняет весь элемент в целом, а не отдельные его части; - основная функция, как правило, направлена на обес­печение работы элементов вышестоящих уровней и часто того элемента, при разделении которого был получен рассматри­ваемый элемент. - определение объектов окружающей среды, с которы­ми взаимодействует система; - описание функций рассматриваемой технической сис­темы; Лекция 4 Критерии развития технических объектов Понятия качества и технического уровня технического объекта Качество технического объекта – это совокупность свойств технического объекта, обусловливающих его пригодность удовлетворять существующие и предполагаемые потребности в соответствии с его назначением. Оценку качества технического объекта осуществляют с помощью показателей, являющихся количественными характе­ристиками свойств объекта, входящих в его качество и рас­сматриваемых применительно к определенным условиям соз­дания, эксплуатации (потребления) и утилизации этого технического объекта. Относительной характеристикой каче­ства технического объекта является его технический уровень. Технический уровень технического объекта – это относительная характеристика качества технического объекта, основанная на сопоставлении значений показате­лей, 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 объекта представляет собой совокупность операций, включающую выбор номенклату­ры показателей, характеризующих качество оцениваемого объек­та, определение значений этих показателей и установление оцен­ки (градации) технического уровня изделия. По результатам оценки технического уровня технический объект в сопоставлении его с аналогичными образцами мирового уровня может быть отнесен к одной из трех градации: - оцениваемый технический объект превосходит мировой уровень; - оцениваемый технический объект соответствует мировому уровню; - оцениваемый технический объект уступает мировому уровню. Среди параметров и показателей, характеризующих любой технический объект, всегда имеются один или несколько таких, которые на протяжении длительного времени (иногда всей истории существования рассматриваемого класса технического объекта) имеют тенденцию монотонного изменения или тенденцию поддержания на определенном уровне при достижении своего предела. Эти показатели всеми осознаются как мера совершенства и прогрессивности, и они оказывают очень сильное влияние на развитие отдельных классов технического объекта и техники в целом. Такие параметры и показатели называют критериями развития технического объекта. Они имеют большое значение при оценке качества технического объекта. Значение критериев развития особенно важно для специалистов, которые стремятся при разработке новых изделий превзойти уровень лучших мировых достижений. Для решения этих задач критерии развития играют роль компаса, указывающего направления магистрального прогрессивного развития изделий и технологий. Технический уровень любого изделия характеризуется, как правило, несколькими критериями развития. Потому в соответствии с принципом прогрессивного развития разработчики каждого нового поколения технического объекта стремятся максимально улуч­шить одни критерии и не ухудшить другие. Классификация критериев развития технических объектов Наборы критериев развития для различных классов технических объектов в значительной степени совпадают, поэтому в целом развитие техники в большей мере подчинено единому набору критериев, определяющих развитие техники. Этот единый набор критериев развития включает следующие четыре группы критериев: - функциональные критерии, характеризующие важнейшие показатели реализации функции технического объекта; - технологические критерии, связанные только с изготовлением технического объекта; - экономические критерии, определяющие только экономическую целесообразность реализации функции с помощью рассматриваемого технического объекта; - антропологические критерии, связанные с вопросами человеческого фактора или воздействия положительных и отрицательных факторов на людей, вызванного созданным техническим объектом. Единичный критерий, каким бы важным он ни был, не может всесторонне характеризовать эффективность функ­ционирования разрабатываемого технического объекта и про­цесс его создания. Поэтому рабочая группа, т.е. исполнители зака­за на создание нового технического объекта, формирует совместно с заказчиком состав критериев развития, достаточно полно отражающий технический уровень проектируемого объекта и процесс его изготовления. Процедуру выбора критериев развития и при­знание важности этой процедуры иногда называют политикой или стратегией выбора. При выборе критериев развития разрабатываемого технического объекта ориентируются, прежде всего, на государственный стандарт ГОСТ 23851-77 «Выбор номенклатуры показателей качества промышленной продукции», а также на показатели качества, приведенные в международных стандартах (ISO, SAE и др.), в национальных зарубежных и отечественных стандартах, ка­талогах, проспектах фирм-изготовителей данного вида технического объекта и других источниках. После выделения набора критериев развития для инте­ресующего класса технических объектов производится описа­ние каждого критерия. Описание критерия включает в себя следующие сведения: 1) Сущность критерия; 2) Формулу или способ измерения критерия, включая указание шкалы или единицы измерения; 3) Диапазон и характер изменения значений критерия во времени; 4) Оценку степени общности критерия по трехбалльной шкале: - критерий имеет отношение к рассматриваемому классу технических объектов с одинаковыми или близкими функциями; - критерий имеет отношение к нескольким классам технических объектов с различными функциями, но определен­ными общими свойствами; - критерий имеет отношение к техническим объектам с любой функцией. Оценка степени общности критерия отражает возможно­сти заимствования улучшенных технических решений из дру­гих (по отношению к рассматриваемому техническому объекту) областей техники; 5) Оценку изменения относительной значимости (актуальности) критерия в прошлом и обозримом будущем по трехбалльной шкале: - актуальность возрастает; - актуальность остается неизменной; - актуальность снижается. 6) Основные способы и средства улучшения критерия. Характеристика групп критериев развития технических объектов Функциональные критерии развития технических объектов Функциональные критерии развития характеризуют полезный эффект от эксплуатации (потребления) технического объекта, конструктивные и технологические возможности его применения в конкретных условиях использования, т. е. коли­чественно оценивают основные показатели реализации его функции. К функциональным критериям развития технических объектов относятся критерии производительности, точности, надежности и специальные критерии. Критерий производительности характеризует объем вещества, энергии или информации, обрабатываемый в единицу времени. Он представляет собой интегральный показатель технического уровня развития технического объекта и всегда может быть измерен или вычислен через единичные показатели: скорость обработки объекта, величину выходного потока и др. Критерий точности характеризует качество выполнения техническим объектом заданных технических функций, и представляют собой количественную оценку точности обработки входного по­тока вещества, энергии или информации. В зависимости от технической функции технического объекта выделают критерии точности измерения, точности обработки, точности попадания в цель и др. Критерий надежности. Надежность – это свойство технического объекта сохранять в установленных пределах времени значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения, транспортировки и других действий. Как сложное свойство надежность проявляется в виде продолжительности безотказной работы или вероятности безотказной работы в течение заданного времени, количества отказов за рассматриваемый период времени, среднего технического ресурса до капиталь­ного ремонта, срока службы, способностей к восстановлению рабочего состояния, объема работ по техническому обслужи­ванию и ремонту, срока хранения и других признаков. Специальные критерии. Эти критерии являются част­ными критериями и оценивают специфические способности конкретных технических объектов выполнять свои функции в соответствии с назначением. Технологические критерии развития технических объектов Технологические критерии характеризуют затраты тру­да, материальных и финансовых средств, времени и других ресурсов при технической подготовке производства, при из­готовлении, подготовке к эксплуатации (монтаже), при экс­плуатации, техническом обслуживании и ремонте технического объекта. К технологическим критериям развития технических объектов относятся критерий трудоемкости изготовления, технологических возможностей, использования материалов, расчленения технического объекта на элементы. Критерий трудоемкости изготовления технического объекта представля­ет собой отношение суммарной трудоемкости проектирова­ния, изготовления и подготовки к эксплуатации технического объекта к его глав­ному показателю эффективности, т. е. определяет удельную трудоемкость создания технического объекта на единицу полу­чаемой эффективности: Критерий технологических возможностей изготовления технического объекта является обобщенным критерием и отражает коли­чественный и качественный состав элементов технического объекта с точки зрения возможностей их изготовления и приобретения. В состав любого технического объекта может входить до пяти типов элементов (блоков, узлов, деталей): - стандартные или покупные элементы, приобретае­мые в готовом виде; - унифицированные элементы, заимствованные из существующих технических объектов; - оригинальные (новые) элементы, изготовление кото­рых не вызывает затруднении, но требует разработки и отлад­ки технологии их изготовления; - оригинальные элементы, изготовление которых вы­зывает значительные, но преодолимые трудности (требуется разработка новой технологии, изготовление сложной техноло­гической оснастки); - оригинальные элементы, изготовление которых вызывает принципиальные и непреодолимые в данный момент трудности (отсутствует в принципе или нельзя приобрести не­обходимое оборудование, нужные материалы, требуется пред­варительное проведение НИР и ОКР и т. д.). Критерий использования материалов представляет собой отношение массы изделия к массе израсходованного материала (без учета покупных комплектующих изделий). Критерий расчленения технического объекта на элементы характеризует трудоемкость разработки, доводки, изготовления, монтажа, ремонта, а также необходимую преемственность данного технического объекта – его унифицированность. Этот критерий обеспечивает в каж­дом новом поколении изделий приближение к оптимальному числу отдельных элементов технического объекта (деталей, узлов, блоков и т. д.). Экономические критерии развития технических объектов Экономические критерии характеризуют те свойства технического объекта, которые отражают его техническое совершенство с точки зрения экономного использования ресурсов (материалов, энергии, топлива, информации и т. д.) при изготовлении и эксплуатации технического объекта. К экономическим критериям развития технических объектов относятся критерий расхода материалов, расхода энергии, затрат на информационное обеспечение, габаритных размеров. Критерий расхода материала равен отношению массы технического объекта к его главному показателю эффек­тивности. Критерий расхода энергии определяется как отношение затрат энергии на изготовление и эксплуатацию технического объекта к величине полезного эффекта за время его эксплуатации. Критерий затрат на информационное обеспечение есть отношение затрат на подготовку и обработку информации, включающие стоимость и затраты на эксплуатацию вычислительной техники, разработку программного и информационного обеспечения к его главному показателю эффективности. Критерий габаритных размеров технического объекта равен отношению габаритных размеров технического объекта к его главному показателю эффективности. Антропологические критерии развития технических объектов Антропологические критерии оценивают приспособленность технических объектов к антропометрическим, биомеха­ническим, физиологическим и психологическим свойствам человека, использующего эти объекты, а также влияние вред­ных или опасных воздействий технического объекта на человека. К антропологическим критериям развития технических объектов относятся критерии эргономичности, эстетичности, безопасности, экологичности технического объекта. Критерий эргономичности технического объекта – это обобщенный показатель, характеризующий совокупность эргономических свойств технического объекта, позволяющих человеку вы­полнять функции управления, обслуживания и использова­ния техники с требуемым качеством и без ущерба для его здоровья. Эргономические 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 размерам и форме тела человека, его весу, силовым, зрительным, слуховым, осязательным и другим возможностям. Критерии эстетичности технического объекта является обобщенным по­казателем, отражающим на основе сложившихся в обществе на данный момент эстетических представлений и культурных норм соответствие реализованных в техническом объекте формы и конструктив­ных решений его назначению, художественной выразительно­сти и гармоничности частей и изделия в целом, а также качест­во выполнения поверхностей и сочленений элементов изделия, четкость изображения фирменных знаков, надписей, рисунков и т.д. В состав критерия эстетичности входят такие групповые показатели, как информационная выразительность, рациональ­ность формы, целостность конструкции и другие. Критерий безопасности технического объекта отражает уровень опасности для обслуживающего персонала, а также окружающих людей со стороны технического объекта в процессе его эксплуатации, хранения и утилизации. Величина критерия безопасности зависит от количества вредных и опасных воздействий, степени возмож­ных повреждений (профессиональных заболеваний, травм, увечий) и других факторов. Критерий экологичности технического объекта оценивает уровень вредного воздействия технического объекта на окружающую среду. Свойства экологичности технического объекта проявляются в форме вредных химических, механических, физических, биологических воз­действий на окружающую среду. Эти свойства обусловлены использованием природных материальных и энергетических ресурсов (нефти, песка, древесины, воды и т. д.) при изготов­лении, эксплуатации, ремонте и утилизации технического объекта, а также воз­можными выбросами различного вида загрязнений в окружающую среду на всех стадиях жизни технического объекта. Такими загрязнениями могут быть вредные вещества и пыль, потоки радиационного, электромагнитного, светового и других видов излучения. Лекция 5 Законы строения и развития технических систем Современное состояние науки о законах техники представлено пока системой инвариантных понятий техни­ки, понятиями о законах и закономерностях строения и раз­вития техники, рядом возможных формулировок законов техники и другими результатами фундаментальных иссле­дований, относящихся к техносфере. Однако даже имею­щиеся результаты исследований истории техники позволя­ют разрабатывать эффективные методологию и методы ин­женерного творчества, определять оптимальные структуру и параметры технических объектов в их следующих поко­лениях. Поколения и модели технических объектов В новых технических объектах выделяют новые поколения и новые модели. Новое поколение технического объекта обладает более существенными отличиями от предыдущего по­коления, чем новая модель его от предшествующей модели. Новое поколение технического объекта от его предыдущего поколения может отличаться функциональной структурой, принципом действия или значительными различиями в техническом реше­нии и имеет более высокие потребительские качества. Как пра­вило, любое поколение технического объекта реализуется в виде нескольких различающихся моделей этого технического объекта. Новые модели технического объекта имеют общие признаки технического объекта поколе­ния, к которому они относятся (функциональную структуру, физический принцип действия, техническое решение). Моде­ли технического объекта отличаются между собой конструк­тивным исполнением на уровне параметров и признаков тех­нического решения (размерами и геометрической формой отдельных элементов, их взаимным расположением, спосо­бом закрепления и т.п.), обеспечивающих некоторое улучше­ние потребительских качеств. Законы и закономерности строения техники На основе результатов статистического анализа патент­ного фонда изобретений Г.С. Альтшуллер выявил три условия принципиальной жизнеспособности технических систем, кото­рые он сформулировал в виде трех законов строения техни­ческих систем: - закона полноты частей системы; - закона энергетической проводимости частей системы; - закона согласования ритмики частей системы. Закон полноты частей системы Закон полноты частей системы отражает необходи­мость наличия в любой жизнеспособной технической системе четырех частей: - рабочего органа, осуществляющего обработку предме­та труда; - двигателя, преобразующего вещество или извне полу­ченную энергию в конечный вид энергии, необходимый для реализаций рабочим органом технологической функции; - трансмиссии, передающей энергию от двигателя к рабочему органу; - органа управления, осуществляющего управляющее воздействие на части 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 управле­ния. Этот отсутствующий в луке элемент, как и отсутствующий внешний источник энергии, восполняет человек. Закон энергетической проводимости частей системы 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, необходимостью выполнения технической системой заданной логической функции по преобразованию вещества, энергии или информации. Например, для осуществления транспортирования груза в пространстве с помощью автомобиля в нем должны осуществляться обмен потоками вещества и энергии между подсистемой хранения топлива и двигателем, двигателем и движителем (ведущими колесами), человеком и элементами трансмиссии автомобиля (сцеплением, коробкой передач, рулевым управлением и т.д.). Закон согласования ритмики частей системы Закон согласования ритмики частей системы. Этот за­кон указывает на имеющееся в жизнеспособных системах согласование ее подсистем между собой и с объектами внешней среды по форме, размерам, материалам, частоте колебаний и другим параметрам (прочности, надежности, температуре и т. д.). Закон соответствия между функцией и структурой технической системы А.И. Половинкин предложил иную трактовку законов строения техники. Он сформулировал закон соответствия ме­жду функцией и структурой технической системы. Сущность закона соответствия между функцией и структурой технической системы заключается в следующем. «В материальной структуре правильно спроектирован­ного и нормально работающего технического объекта каждый элемент (блок, узел, деталь) и его конструктивный признак имеют вполне определенную функцию (назначение) по обес­печению 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». В краткой форме сущность этого закона выражается так. «У правильно спроектированного технического объекта нет лишних деталей». Данный закон имеет ряд следствий – закономерностей, отражающих особенности конструкторско-технологических решений, имеющих место в различных классах технических систем. А.И. Половинкин обосновывает действие таких зако­номерностей строения техники, как закономерность обобщен­ной функциональной структуры, закономерность симметрии, закономерность оптимального соотношения параметров технического объекта и другие. При этом рассматриваются четыре класса технических систем, объединяющие подавляющее боль­шинство технических объектов в зависимости от их назначения: - обрабатывающие машины – металлорежущие станки, нагревательные печи, транспортные средства, насосы и сепара­торы, грузоподъемное оборудование и др., осуществляющие обработку материального предмета труда (сырье, заготовки, детали и т. п.); - источники энергии – водяные колеса и ветряные дви­гатели, паровые машины, электрические генераторы и двига­тели, аккумуляторы и др., преобразующие вещество или извне полученную энергию в конечный вид энергии, необходимый для использования; - информационные приборы и системы – шкальные и другие измерительные приборы, вычислительная техника, системы автоматического управления (без приводов и испол­нительных органов), осуществляющие преобразование ин­формации (сигналов) из одного вида в другой; 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. Например, согласно за­кономерности обобщенной функциональной структуры обра­батывающих машин в систему этих машин входят четыре под­системы S1, S2, S3, S4 (рисунок), реализующие соответственно четыре фундаментальные функции Ф1, Ф2, Ф3, Ф4: - подсистема S1, выполняющая технологическую функ­цию (Ф1), превращает предмет труда Ао, взятый в исходном состоянии, в конечную продукцию Ак; - подсистема S2, выполняющая энергетическую функцию (Ф2), преобразует вещество или извне полученную энер­гию Wо в конечный вид энергии Wк, необходимый для реали­зации технологической функции Ф1; - подсистема S3, выполняющая функцию управления (Ф3), осуществляет управляющие воздействия U1, U2 на под­системы S1, S2 в соответствии с заданной программой Q и полученной информацией U1° U2° о количестве и качестве выработанной конечной продукции Ак и конечной энергии Wк; - подсистема S4, выполняющая функцию планирования (Ф4), осуществляет сбор (получение) информации Qо о произведенной продукции Ак и определение потребных качественных и количественных характеристик Q конечной продукции. Закономерности обобщенных функциональных структур источников энергии и информационных приборов и систем также отражают наличие в них четырех подсистем S1, S2, S3, S4, реализующих функции Ф1, Ф2, Фз, Ф4. К ним относятся: - подсистема S1, выполняющая функцию получения пер­вичной энергии (информации) Ф1, превращает вещество или извне полученную энергию (информацию) в определенный промежу­точный вид энергии (информации), удобный для дальнейшего преобразования Рисунок 1. Обобщенная (например, топливо в тепловую энергию); функциональная структура - подсистема S2, выполняющая функцию обрабатывающих машин преобразования (Ф2), превращает энергию (информацию) промежуточного вида в энергию конечного вида, необходимую для использования (например, тепловую энергию в механическую); - подсистема S3, выполняющая функцию управления (Ф3), осуществляет управляющие воздействия на подсистемы S1 и S2 в соответствии с заданной программой и полученной информацией о количестве и качестве произведенного конеч­ного вида энергии (информации); - подсистема S4, выполняющая функцию планирования (Ф4), производит сбор (получение) информации о выработан­ной энергии (информации) и определяет потребные качест­венные и количественные характеристики конечной энергии (информации). В отдельных технических объектах этих классов техни­ческих систем подсистемы S1 и S2 могут совмещаться. Напри­мер, в электрической лампочке накаливания ее спираль преоб­разует полученную извне электрическую энергию в тепловую (промежуточный вид) и световую энергию одновременно. Закон прогрессивной эволюции техники К законам развития техники относятся: закон прогрессивной эволюции техники и закон стадийного развития техники. Анализ эволюционной цепочки развития технического объекта позволяет сформулировать закон прогрессивной эволюции техники. Закон прогрессивной эволюции технических объектов отражает изменения в технике за период одной стадии ее разви­тия, которые направлены на устранение недостатков, выявлен­ных в процессе использования техники. Наличие и действие этого закона проявляются в виде устойчивой тенденции улучшения какого-либо критерия эффективности или какого-либо количественно выражаемого конструктивного признака на про­тяжении многих поколений в историческом развитии техниче­ских систем. Он выражает действие совокупности причинных, необходимых и устойчивых связей между человеком и техникой и содержит ответы на вопросы, чем вызван переход от предшест­вующего поколения технической системы к следующему, улуч­шенному поколению; при каких условиях и какие структурные изменения происходят при переходе от поколения к поколению. Сущность закона прогрессивной эволюции техники за­ключается 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 на­личии 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. Качественные скачки в технике совершаются только в результате накопления в техническом объекте недостатков (технических противоречий), откуда следует, что при решении творческих инженерных задач необходимо искать технические противоречия. Качественные скачки в развитии технического объекта возможны только при наличии определенных условий (научно-технического уровня, социально-экономических предпосылок). Закон стадийного развития техники Закон стадийного развития техники отражает революционные изменения в технике, обусловленные передачей техническим средствам трудовых функций человека. Сущность закона стадийного развития техники заключается в следующем. Технический объект с функцией обработки материального предмета имеет четыре стадии развития, связанные с последовательной реализацией с помощью технических средств четырех фундаментальных функций и последовательным исключением из технологического процесса соответствующих функций, выполняемых человеком: - на первой стадии технический объект реализует только функцию обработки предмета труда (технологическая функция); - на второй стадии, наряду с технологической, технический объект реализует еще функцию обеспечения энергией процесса обработки предмета труда (энергетическая функция); - на третьей стадии технический объект реализует еще функцию управления процессом обработки предмета труда; - на четвертой стадии технический объект реализует также и функцию планирования для себя объема и качества продукции, получаемой в результате обработки предмета труда; при этом человек полностью исключается из технологического процесса, кроме более высоких уровней планирования. Переход к каждой очередной стадии происходит при исчерпании природных возможностей человека в улучшении показателей выполнения соответствующей фундаментальной функции в направлении дальнейшего повышения производительности труда и (или) качества производимой продукции, а также при наличии необходимого научно-технического уровня и социально-экономической целесообразности. Практическое применение данного закона связано с проведением исследований по его привязке к интересующему классу технического объекта, а также к функционально близкому классу технических объектов, имеющих опережающие темпы развития. При выполнении этих исследований даются ответы на следующие вопросы: - На какой стадии развития находится рассматриваемый технический объект? - Ограничивают ли возможности человека существенное улучшение основных показателей технического объекта? - Имеются ли необходимые научно-технические и технологические возможности для перехода на следующую стадию? - Имеется ли социально-экономическая целесообразность перехода на следующую стадию? На основе такого анализа делается вывод о целесообразности перехода на следующую стадию и формируется соответствующее задание на научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки. Жизненный цикл технических систем С рассмотренными законами развития техники тесно свя­зана закономерность изменения главных критериев эффективно­сти технических систем (производительности, мощности, скоро­сти и т. д.). А.Ф. Каменев установил, что, несмотря на индивиду­альные особенности, присущие разным техническим системам, имеет место одинаковый характер изменения во времени их кри­териев эффективности. «Жизненный цикл» технической системы представляет собой последова­тельность трех периодов ее развития и графически отображается в виде S-образной кривой, показывающей, как изменяется во времени ее главный критерий эффективности (рисунок 2): - период медленного развития созданной системы (период «детства»). Для него характерно медленное возраста­ние критерия эффективности (участок А на рисунке 2), обуслов­ленное освоением новой технической системы; - период интенсивного развития системы и ее массово­го применения (период «зрелости»). В этом периоде наблюдаются высокие темпы роста критерия эффективности за счет использования новых конструкторско-технологических реше­ний (участок В); - период замедленного развития системы (период «ста­рости»). При этом ее критерий эффективности, медленно воз­растая, приближается к своему предельному значению (уча­сток С). Далее техническая система 1 либо деградирует, сме­няясь принципиально новой системой 2, либо продолжается ее эксплуатация при сохранении достигнутого системой значения критерия эффективности (участок D). Эта закономерность имеет большое значение для выяс­нения резервов дальнейшего развития технических систем и определения целесообразности либо дальнейшего совершен­ствования применяемой системы, либо создания принципи­ально новой системы. Рисунок 2. Линии жизненного цикла технической системы Лекция 6 Методы активизации творческого мышления Методы активизации творческого мышления делятся на эвристические и алгоритмические методы. К эвристическим методам относят метод «проб и ошибок», метод эвристических приемов, метод мозговой штурма, метод синектики, метод морфологического анализа, метод контрольных вопросов и другие. Алгоритмические (компьютерные) методы поиска новых идей и технических решений основаны на использовании современных компьютеров, работающих по заранее разработанным алгоритмам (программам) с применением различных банков данных, например, алгоритм решения изобретательской задачи. Метод «проб и ошибок» Создание орудий труда и удовлетворение потребностей человека невозможно без его активной изобретательской деятельности. По мере накопления опыта и научных знаний о природе и создаваемой технике изменялись представления человека о них и трудности решаемых задач. Однако методы решения изобретательских задач менялись очень мало, и до недавнего времени основным из них являлся метод «проб и ошибок», суть которого заключается в переборе всевозможных вариантов (рисунок 1). С ростом степени трудности решаемых задач этот метод вошел в противоречие с современными требованиями научно-технической революции, т.е. необходимостью быстрого и эффективного решения. Это потребовало создания методов активизации поиска технических решений, суть которых заключалась в интенсификации этого процесса. Решая задачу методом «проб и ошибок», каждый творческий человек получает при успешном ее решении два результата: - методический результат, представляющий собой найденный (изобретенный) способ поиска решения поставлен­ной задачи; - искомое техническое решение, полученное с помощью изобретенного способа поиска. Встречаясь с новой задачей, прежде всего, пытаются ее решить путем использования ранее найденных Рисунок 1. Схема поиска методом способов, приемов. Если это не удается «проб и ошибок» (встретился иной тип задачи), то опять ищут решение методом «проб и ошибок». Успешный по­иск дает новый способ решения задачи. В итоге постепенно формируется определенный набор способов, приемов, правил поиска решения задач. Метод эвристических приемов Способы, приемы или правила, в которых содержится краткое предписание или указание, как преобразовать имею­щийся объект задачи или в каком направлении нужно искать, чтобы получить решение задачи, называют эвристическими приемами. Эвристические приемы не содержат прямого одно­значного указания, как именно следует преобразовать данный объект. Приемы играют только роль подсказок, которые об­легчают получение искомого решения, не гарантируя, однако, его похождение. Естественно, что разным людям потребуется приложить различные усилия, чтобы с помощью таких подсказок найти приемлемое решение. Обобщая опыт работы инженеров и изобретателей, российские ученые (Г.С. Альтшуллер, А.И. Половинкин и др.) во второй половине XX в. составили списки различных эвристиче­ских приемов, которые применяются для поиска идей решения инженерных задач. Эти спи­ски явились основой метода эвристических приемов. В настоя­щее время известно около десяти его модификации, использую­щих различные фонды эвристических приемов. В частности, А.И. Половинкин составил межотраслевой фонд, содержащий 180 отдельных эвристических приемов. Эти прие­мы 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. Метод мозгового штурма Наиболее известным методом психологической активизации мышления является метод мозгового штурма, предложенный А. Осборном (США) в 40-х годах ХХ в. Метод мозгового штурма является коллективным методом поиска изобретательских решений, основная особенность которого заключается в разделении участников на критиков и генераторов, а также разделение процесса генерации и критики идей во времени. Кроме этого метод мозгового штурма предусматривает выполнение ряда правил: 1) Нельзя критиковать предлагаемые идеи, споры и обсуждения запрещаются; 2) Приветствуются любые идеи, в том числе фантастические. Нет плохих идей; 3) Поощряется развитие, усовершенствование и комбинирование чужих идей; 4) Идеи следует излагать кратко, не прерывать эстафету идей. 5) Главная цель – получить как можно больше идей. Обязательными условиями проведения мозгового штурма является создание благоприятных условий для преодоления психологической инерции и боязни высказывать нелепые идеи из-за боязни их критики, привлечение в группу специалистов различного профиля, склонность их к творческой работе. Руководителем группы (ведущим) должен быть специалист по методам технического творчества. Мозговой штурм достаточно универсальный метод, применение которого возможно в научной, технической, рекламной деятельности, как для поиска нестандартных решений в технике, так и для поиска новых бизнес идей (рисунок 2). Одной из разновидностей мозгового штурма является обратный мозговой штурм. Здесь процесс поиска технических решений разделен на три этапа. На первом этапе выявляются все возможные Рисунок 2. Схема поиска методом недостатки совершенствуемого мозгового штурма объекта. На основании этих недостатков формулируются задачи. Вторым и третьим этапами являются этапы обычного мозгового штурма. Таким образом, отражая более полно недостатки объекта, удается находить большее число изобретательских решений по его совершенствованию (рисунок 3). Рисунок 3. Схема поиска методом обратной мозговой атаки Метод синектики Также к методам психологической активации мышления относится метод синектики, предложенный американским ученым У.Гордоном. В основу синектики положен мозговой штурм, но штурм ведется профессиональной или полупрофессиональной группой, которая постоянно накапливает опыт решения задач. Этот метод допускает элементы критики. Также здесь используются специальные приемы, основанные на аналогии, к которым относится прямая аналогия (анализ путей решения задачи, похожей на данную задачу), личная аналогия (попытка войти в образ данного в задаче объекта и оценка ситуации с этой точки зрения), символическая аналогия (нахождение в двух словах образного определения сути задачи), образного определения сути задачи), фантастическая аналогия (решение этой задачи сказочными персонажами). Метод морфологического анализа Известным методом систематизированного поиска новых идей является морфологический анализ, предложенный швейцарским астрофизиком Цвики (рисунок 4). Метод морфологического анализа основан на построении таблицы, в которой перечисляются все основные элементы, составляющие объект и указывается, возможно, большее число известных вариантов реализации этих элементов. Комбинируя варианты реализации элементов объекта, можно получить самые неожиданные новые решения. Рисунок 4. Схема поиска методом морфологического анализа Последовательность действий при этом следующая: 1) Точно сформулировать проблему; 2) Определить важнейшие элементы объекта; 3) Определить варианты исполнения элементов; 4) Занести их в таблицу; 5) Оценить все имеющиеся в таблице варианты; 6)Выбрать оптимальный вариант. Основной идеей морфологического анализа является упорядочение процесса выдвижения и рассмотрения различных вариантов решения задачи. Расчет строится на том, что в поле зрения могут попасть варианты, которые ранее не рассматривались. Принцип морфологического анализа легко реализуется с помощью компьютерных средств. Однако для сложных объектов, имеющих большое число элементов, таблица становится слишком громоздкой. Появляется необходимость рассмотрения огромного числа вариантов, большая часть которых оказывается лишенной практического смысла, что делает использование метода слишком трудоемким. Таким образом, главными недостатками метода является упрощенность подхода к анализу объекта и возможность получения слишком большого для рассмотрения числа вариантов. Функциональный анализ позволяет абстрагироваться от конкретного исполнения объекта, и сосредоточить внимание на его функциях. Поиск альтернативных вариантов реализации функций осуществляется с целью снижения затраты и повышения уровня выполнения функции. Функциональный анализ может с одинаковым успехом применяться для совершенствования как технических, так и нетехнических объектов и процессов. Лекция 7 Метод контрольных вопросов Метод контрольных вопросов является одним из методов психологической активизации творческого процесса. Цель его – с помощью наводящих вопросов подвести к решению задачи. Списки таких вопросов предлагались различными авторами с 20-х годов ХХ в. Суть метода контрольных вопросов состоит в том, что изобретатель отвечает на вопросы, содержащиеся в списке, и в связи с ними рассматривает свою задачу. Широко распространены универсальные вопросники, составленные А.Осборном, Т.Эйлоартом, Д.Пирсоном и другими. Они состоят из различного числа вопросов. За рубежом чаще пользуются вопросником, разработанным А.Осборном, содержащим 9 групп вопросов: 1) Какое новое применение техническому объекту вы можете предложить? Возможны ли новые способы применения? Как модифицировать известные способы применения? 2) Возможно ли решение изобретательской задачи путем приспособления, упрощения, сокращения? Что напоминает вам данный технический объект? Вызывает ли аналогия новую идею? Имеются ли в прошлом аналогичные проблемные ситуации, которые можно использовать? Что можно скопировать? Какой технический объект нужно опережать? 3) Какие модификации технического объекта возможны? Возможна ли модификация путем вращения, изгиба, скручивания, поворота? Какие изменения назначения (функции), цвета движения, запахи, формы, очертания возможны? Другие возможные изменения? 4) Что можно увеличить в техническом объекте? Что можно присоединить? Допустимо ли увеличение времени службы, воздействия? Увеличить частоту, размеры, прочность? Повысить качество? Присоединить новый ингредиент? Дублировать? Возможна ли мультипликация рабочих элементов или всего объекта? Возможно ли преувеличение, гиперболизация элементов или всего объекта? 5) Что можно в техническом объекте уменьшить? Что можно заменить? Можно ли что-нибудь уплотнить, сжать, сгустить, конденсировать, применить способ миниатюризации, укоротить, сузить, отделить, раздробить? 6) Что можно в техническом объекте заменить? Что, сколько замещать и с чем? Другой ингредиент? Другой материал? Другой процесс? Другой источник энергии? Другое расположение? Другой цвет, звук, освещение? 7) Что можно преобразовать в техническом объекте? Какие компоненты можно взаимно заменить? Изменить модель? Изменить разбивку, разметку, планировку? Изменить последовательность операций? Транспонировать причину и эффект? Изменить скорость или темп? Изменить режим? 8) Что можно в техническом объекте перевернуть наоборот? Транспонировать положительное и отрицательное. Нельзя ли обменять местами противоположно размещенные элементы? Повернуть их задом наперед? Перевернуть низом вверх? Обменять местами? Поменять ролями? Перевернуть зажимы? 9) Какие новые комбинации элементов технического объекта возможны? Можно ли создать смесь, сплав, новый ассортимент, гарнитур? Комбинировать секции, узлы, блоки, агрегаты? Комбинировать цели? Комбинировать привлекательные признаки? Комбинировать идеи? Метод контрольных вопросов является усовершенствованием метода проб и ошибок. В сущности, каждый вопрос является пробой (или серией проб). Составляя списки вопросов, их авторы, естественно, отбирают из изобретательского опыта наиболее сильные вопросы. Поэтому рассматриваемый метод сильнее обычного метода проб и ошибок. Но отбор без понимания внутренней механики изобретательства приводит к накоплению в списках внешних, поверхностных вопросов. Алгоритмом решения изобретательских задач Одной из научно обоснованных и хорошо зарекомендовавших себя в практике массового технического творчества является методика программного решения технических задач, созданная изобретателем Г.С.Альтшуллером. Он назвал ее алгоритмом решения изобретательских задач. Методика основана на учении о противоречии. Алгоритм – это комплекс последовательно выполняемых действий (шагов, этапов), направленных на решение изобретательской задачи (понятие "алгоритм" используется здесь не в строгом математическом, а более широком смысле). Процесс решения рассматривается как последовательность операций по выявлению, уточнению и преодолению технического противоречия. Последовательность, направленность и активизация мышления достигаются при этом ориентировкой на идеальный конечный результат, то есть идеальное решение, способ, устройство. Совершенствуемый технический объект рассматривается как целостная система, состоящая из подсистем, взаимосвязанных элементов, и одновременно являющаяся частью надсистемы, состоящей из взаимосвязанных систем. Перед решением прямой задачи, связанной с техническим объектом, производят поиск задач в надсистеме (обходные задачи) и выбирают наиболее приемлемый путь. Стратегия поиска технического решения по алгоритму решения изобретательских задач (рисунок 9) состоит в следующем. Формулируют исходную задачу в общем виде. Учитывая действие вектора психологической инерции и технические решения в данной отрасли и других областях техники, проводят уточнение исходной задачи. Излагают условия задачи, состоящие из перечисления элементов технической системы и нежелательного эффекта, производимого одним из элементов. Затем формулируют по определенной схеме идеальное техническое решение. Оно служит ориентиром, в направлении которого идет процесс решения задачи (при формулировке идеального технического решения не нужно задумываться над тем, как он будет достигнут). В сравнении идеального технического решения ЗИ – исходная задача; ВИ – вектор психологической с реальным техническим инерции; ЗО – обработанная задача; ИКР – идеальное объектом выявляется техническое решение техническое противоречие, Рисунок 9. Схема поиска технического решения по а затем его причина – алгоритму решения изобретательских задач физическое противоречие (на рисунке 9 противоречие между идеальным техническим решением и обработанной задачей может быть проиллюстрировано расстоянием между ними на плоскости поискового поля). Понятие о техническом противоречии основано на том, что всякая техническая система, машина или процесс характеризуется комплексом взаимосвязанных параметров: вес, мощность и т.д. Попытка улучшить один параметр при решении задачи известными способами неизбежно приводит к ухудшению какого-либо другого параметра. Так, увеличение прочности конструкции может быть связано с недопустимым увеличением веса, увеличение производительности – с недопустимым ухудшением качества, повышение точности – с недопустимым увеличением расходов и т.д. Смысл алгоритма решения изобретательских задач состоит в том, чтобы путем сравнения идеального и реального выявить техническое противоречие или его причину – физическое противоречие – и устранить (разрешить) их, перебрав относительно небольшое число вариантов. Вепольный анализ Дальнейшим развитием алгоритма решения изобретательских задач является теория решения изобретательских задач, предложенная Г. Альтшуллером, в которой используется упрощенная схема функционирования технической системы. Упрощенную схему функционирования технической системы или ее части представляют в виде как взаимодействующее между собой два «вещества», обозначаемых буквой В. Первое вещество, подвергающееся какому-то воздействию называют изделием В1, второе, воздействующее на изделие В1, – инструментом В2. Посредником между ними всегда является некое поле П, энергия которого обеспечивает или воздействие В1 на В2, или определяет состояние В1 и В2. Эти три компонента – В1, В2 и П – необходимы и достаточны для получения полезного эффекта. Такая условно минимальная система названа веполем, производная от слов «вещество» и «поле». Для того чтобы оперировать с веполем при решении изобретательских задач (применять вепольный анализ), необходимо иметь в виду следующее. 1) Под «веществом» условно понимаются любые объекты независимо от степени их сложности, например, от шплинта и гайки до космического корабля. Так, например, при рассмотрении задачи о повышении скорости движения ледокола во льдах за одно «вещество» принимают лед (В1), а за другое – ледокол (В2). 2) Понятие «поле» охватывает не только поля электромагнитные, гравитационные слабых и сильных взаимодействий, но и любые другие виды взаимодействия между веществами, например, механическое, тепловое, акустическое и др. В примере с ледоколом полем П считают механическое взаимодействии ледокола на лед. В случае показа взаимных связей между В1, В2 и П строят так называемую вепольную формулу (модель), в которой связи, воздействие, результат воздействия изображают графически (рисунок 11). а б в г д е ж Рисунок 11. Графическое изображение видов связи, взаимодействий На рисунке 1а показан переход от условий задачи (дано) к результату (получено). Взаимодействие вещества друг на друга (взаимодействие) показывается как на рисунке 1б. Воздействие одного компонента на другой изображается как на рисунке 1в. Действие или взаимодействие, которое нужно ввести по условиям задачи изображается как на рисунке 1г. Неудовлетворительное действие или необходимость изменения взаимодействия показывается как на рисунке 1д. Разрушение связи изображается как на рисунке 1е. Связь веществ и поля показывается как на рисунке 1ж. В качестве примера рассмотрим две вепольные формулы (рисунок 12). а б Рисунок 12. Изображение вепольного поля Такое изображение наглядно показывает характер взаимодействия всех трех компонентов системы. Формула на рисунке 12а означает: вещество В1, воздействуя на вещество В2, преобразует его так, что в результате образуется поле, например, тепловое, электромагнитное (видимый свет) или какое-то другое. По формуле на рисунке 12б поле П1 преобразуется веществом В2 в новое поле П2, при этом вещество В2 связано с веществом B1 (например, перемещает­ся вместе с ним). Для обозначения процесса решения изобретательской задачи и управления им с помощью вспольной формулы намечается ход необходи­мых преобразований системы, осуществляемых для получения нужного результата. Однако следует помнить, что вепольные формулы (модели) от­ражают не строение технической системы, а лишь структуру задачи, на­правление (ориентир), способ (прием) ее решения. При испольном моделировании используется два основных правила преобразования веполей с целью разрешения противоречий. Правило достройки истин применяется, когда встречается не не­полная система, в которой не хватает вещества или поля. В этом случае решение задачи сводится к достройке системы до полного веполя, т.е. к введению в нее вещества или поля, или того и другого. Правило разрушения веполя применяется в тех случаях, когда не­обходимо устранить вредное взаимодействие объектов. Тогда их нужно разъединить, например, поместив между ними третье вещество, являющее­ся либо новым в этой технической системе, либо видоизменением одного из двух имеющихся веществ, либо их сочетанием. Функционально-стоимостной анализ Функционально-стоимостной анализ в целом относится к группе методов технико-экономического анализа. С точки зрения функционально-стоимостного анализа все затраты на изготовление продукции могут быть разделены на две основные группы: полезные, необходимые для выполнения изделием и его составными частями функционального на­значения, и бесполезные, излишние, вызванные несовершенством конст­рукции, неправильным выбором материала и технологии, недостатками в организации производства. Бесполезные затраты представляют собой яв­ные или завуалированные потери ресурсов. Чем их больше, тем выше стоимость и ниже качество, надежность, экономичность изделия, а, значит, ниже его полезность, потребительская стоимость. В современных условиях функционально-стоимостной анализ рассматривается как метод системно­го исследования объекта (изделия, процесса, структуры и др.), направлен­ный на повышение эффективности использования материальных и трудо­вых ресурсов. Функционально-стоимостной анализ обычно ведется по типизированной программе (методике), предусматривающей последовательные этапы работы: подготовительный, информационный, аналитический, творческий, исследовательский, реко­мендательный и внедренческий. На практике при проведении экспресс-ФСА часть этапов обычно объединяется. В общем случае краткое изложение содержания работ на каждом из этапов следующее. Подготовительный этап. Выбирают объект, который надо подверг­нуть анализу, определяют конкретную цель, затем формируют кол­лектив исполнителей, как правило, в форме временной творческой рабочей группы. Завершается этап составлением детального плана проведе­ния функционально-стоимостного анализа, графика работы группы, подготовкой других документов. Информационный этап. Ведут поиск, сбор, систематизацию, изу­чение информации о конструкции, технологии изготовления, об эксплуа­тационных и экономических показателях, как анализируемого объекта, так и его аналогов. Составляется структурная схема объекта, таблицы техни­ческих параметров и основных экономических показателей. Аналитический этап. Детально изучают свойства объекта анализа. Исследуют функции объекта (включая его сборочные единицы и детали) и выделяют среди них основные и вспомогательные, а среди последних – лишние. Составляют матрицу функций, таблицу диагностики недостатков, перечень требований к объекту и другие рабочие документы. Формулиру­ют задачи поиска идей, новых творческих или организационных решений, призванных обеспечить достижение цели. Творческий этап. Генерируют идеи и предложения по совершенствованию объекта, устранению выявленных недостатков. Ведут поиск ре­шений с использованием эффективных методов творчества. Рекомендательный этап. Подвергают экспертизе предложения и решения, а затем представляют на утверждение руководству предприятия (фирмы). После утверждения они обретают статус официальных рекомен­даций. Сроки реализации и ответственные исполнители устанавливаются планом-графиком внедрения. Внедренческий этап. В соответствующих службах предприятия (фирмы) па основании плана-графика разрабатывают техническую и дру­гую документацию, осуществляют подготовку производства и реализуют запланированные работы. Завершающая процедура - составление отчета о результатах функционально-стоимостного анализа и акта внедрения. Как правило, реализация большинства дельных предложений, вне­сенных в процессе функционально-стоимостного анализа, позволяет достигать большого экономического эффекта. Лекция 8 Постановка технической задачи Процесс создания нового технического объекта, в общем случае, представляет собой последовательный поиск и выбор проектно-конструкторских решений шести типов задач. При этом постановка задачи очередного типа во многом опре­деляется найденным решением задачи предыдущего типа, что обусловливает иерархию инженерных задач, аналогичную ие­рархической соподчиненности инвариантных понятий техни­ки, приведенной на рисунке 4. Задачи 1-го типа – это задачи выбора удовлетворяе­мой потребности. Эти задачи являются задачами внешнего проектирования и относятся к области маркетинга и марке­тинговых исследований. Поиск решения задач этого типа за­ключается в выборе ответа на вопрос: «Какую потребность должно удовлетворять новое изделие и сколько примерно потребителей этого изделия следует ожидать?» В соответствии с принятым решением выполняется качественное описание технической функции нового изде­лия, обосновываются и определяются значения его критериев эффективности: производительности, надежности, эко­номичности и других. Задачи 2-го типа – это задачи выбора физической опера­ции для реализации заданной потребности. В настоящее время практически любая потребность и, следовательно, техническая функция объекта, удовлетворяющая эту по­требность, может быть реализована выполнением одной или некоторого множества физических операций над различными по виду и физической сущности входными потоками ве­щества, энергии и информации. Выбор конкретной физической операции осуществляют, 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. 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 выбранной физической операции. Выбор наиболее рациональной из них производится с учетом достижения требуемых потре­бительских качеств и оптимального распределения функций между человеком и технической системой. Задачи 4-го типа – это задачи выбора физического прин­ципа действия. В отличие от задач 3-го типа, в которых поиск решения осуществляется на уровне конструктивной функцио­нальной структуры изделия (состава его элементов и их функ­ций), задачи 4-го типа рассматриваются на физическом уровне, т. е. на уровне свойств функциональных элементов, обусловливающих их способность выполнять заданные функции. Разработка физического принципа действия – один из самых вы­соких по творческому уровню этапов создания новых техниче­ских объектов, поскольку решение задач этого типа связано с поиском и выбором таких физико-технических эффектов, ко­торые позволяют каждому элементу изделия и изделию в целом с наибольшей эффективностью выполнять заданную техниче­скую функцию. Задачи 5-го типа – это задачи выбора технического ре­шения. Поиск решения задач этот типа направлен на разра­ботку оптимального технического решения по составу элемен­тов изделия, их взаимному расположению, способам и сред­ствам их соединения, применяемым материалам и другим признакам конструктивного исполнения элементов и изделия в целом, позволяющим с наибольшей эффективностью реализовать выбранный физический принцип действия. Задачи 6-го типа – это задачи определения оптимальных значений параметров выбранного технического решения. Дан­ный тип задач наиболее трудоемкий из рассмотренных, так как любой технический объект обычно характеризуется множеством параметров: габаритами и массой его элементов, их физико-механическими свойствами, а также показателями самого объекта – надежностью, производительностью, мощностью установленных двигателей и т. д. При решении задачи 6-го типа ставят и решают частные подзадачи по определению оптимальных значений па­раметров технического объекта и его отдельных элементов. Следует отметить, что с повышением иерархического уровня задачи (от 6-го типа до 1-го) дает все более весомый технико-экономический эффект. Самый большой эффект обеспечивает выявление новых потребностей на этапе маркетинговых исследований. Основные операции процесса постановки технической задачи В процессе решения технической задачи условно можно выделить следующие этапы: 1) Изучение проблемной ситуации и постановка исходной 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 техни­ческого объекта; 5) Определение идеального технического решения; 6) Поиск идей решения задачи в направлении идеального технического решения; 7) Синтез нового технического решения. В этом перечне этапов можно выделить два направления поиска решения поставленной задачи: - поиск решения традиционными инженерными методами (этапы 2-3); - поиск решения на изобретательском уровне (этапы 4-6). Важнейшим этапом решения любой задачи (техниче­ской, экономической и т. д.) является этап постановки задачи. Насколько правильно будет поставлена творческая задача, настолько эффективным будет поиск ее решения. Опыт показывает, что правильная постановка задачи – это половина успеха ее решения. Нередки случаи, когда решение задачи находят в процессе ее постановки. При постановке технической задачи осуществляют следующие операции: - краткое описание проблемной ситуации; - описание функции (назначения) технического объек­та; - выбор прототипа; - составление списков недостатков прототипа и требова­ний к разрабатываемому техническому объекту; - формулирование исходной задачи. Краткое описание проблемной ситуации Непосредственной постановке технической задачи пред­шествует изучение проблемной ситуации. Обычно в описании проблемной ситуации приводятся сведения о техническом объекте, условиях его функционирования и его недостатках в виде указания показателей качества, значения которых не соответст­вуют предъявляемым требованиям (низкий КПД, малые техно­логические возможности и т. д.). В ходе изучения проблемной ситуации стремятся вы­делить две относительно самостоятельные части: ситуацию и саму проблему. Проблема формулируется как несоответствие свойств объекта на уровне его внешнего функционирования, т. е. пока­зателей качества объекта, предъявляемым к ним требованиям. В ситуации выявляют условия и обстоятельства, в кото­рых возникает проблема или в рамках которых предполагается ее устранение. Они, по сути, являются причинами возникновения проблемы и, как правило, связаны с внутренним функционированием рассматриваемого технического объекта. Эти при­чины предопределены составом и взаимодействием элементов технического объекта, их свойствами. Возникновение проблемы может быть обусловлено также изменением внешних условий функционирования технического объекта, например, расширением номенклатуры обрабаты­ваемых изделий, повышением уровня требований к безопасно­сти эксплуатации технического объекта. 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 же­лаемый результат необходимо получить? 3) Что мешает устранению проблемы (причины возник­новения проблемы)? 4) Какого положительного эффекта для людей, предпри­ятия, народного хозяйства и т. д. можно ожидать в результате устранения проблемы? Описание функции (назначения) технического объек­та Описание функции технического объекта, с помощью ко­торого можно удовлетворить возникшую потребность, выпол­няется в соответствии с правилами описания этой потребности, приведенными ранее. При этом вначале для поиска идей решения поставленной в дальнейшем задачи достаточно дать качественное описание функции технического объекта. Количественные значения параметров функционирования разрабатываемого объекта мо­гут быть указаны позднее при доведении идеи до технического решения. Выбор прототипа Как правило, в описании проблемной ситуации указывается 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 прото­типа, имеющие определенные достоинства по сравнению с исходным. При этом стремятся выбрать из известных технических объектов такие, которые относятся к лучшим мировым образ­цам-аналогам. Поиск прототипов технического объекта может быть осуществлен также в его ведущем классе технических систем, в котором объекты имеют близкую функцию, но более высокий технический уровень развития по сравнению с рассматриваемым. Составление списков недостатков прототипа и требова­ний к разрабатываемому техническому объекту Согласно закону прогрессивной эволюции техники, каж­дый используемый технический объект обычно имеет опреде­ленные недостатки. Устранение этих недостатков обеспечивает получение новой, улучшенной модификации технического объекта. При составлении списка недостатков, прежде всего, учи­тывают результаты анализа проблемной ситуации, указываю­щие на причины необходимости разработки новой модели технического объекта. В дальнейшем рассматривают недостатки, обнаруженные при изготовлении, эксплуатации и ремонте существующего технического объекта и его аналогов, а также те, которые могут возникнуть в обозри­мом будущем в улучшаемом объекте. В самом общем случае список недостатков может содержать: - критерии развития (качества) технического объекта, значения которых не соответствуют требуемым; - факторы, снижающие эффективность технического объекта иди затруд­няющие его использование; - параметры и показатели техническог8о объекта, которые необходимо улучшить; - другие недостатки. Формулирование исходной задачи Постановка технической задачи представляет собой обобщение результатов выполнения предыдущих операций: анализа проблемной ситуации, описания технической функции, выбора прототипа, составления списков недостатков и требова­ний. В технической задаче, как и в любой другой (экономической, математической и др.), формулируют цели задачи, описы­вают условия, при которых эти цели должны быть достигнуты, и указывают ограничения, которым должны удовлетворять ре­зультаты решения. Формулировка задачи традиционно содержит две части: «дано» и «требуется». В общем случае она имеет следующий вид. Дано: - исходный технический объект (выбранный прототип, краткое его описание); - описание технической функции технического объекта; - список недостатков прототипа; - перечень требований к новой модели технического объекта. Требуется: - найти такое техническое решение, чтобы ТО выполнял нужную техническую функцию, а недостатки, присущие про­тотипу, были в нем выражены в меньшей степени или отсут­ствовали. 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. Естест­венно, что при доведении найденных идей до нового техническо­го решения информация о требуемых значениях тех или иных параметров технического объекта становится необходимой.