Основы инженерного творчества(Суздальцев А.И

тенсификации поиска решений технических задач. Но даже создатели этих методов прекрасно осознавали, что они являются лишь подспорьем в технической творческой деятельности и каждый из них отражает лишь какую-то одну сторону творческого процесса поиска новых технических решений. А сам этот процесс настолько многогранен и настолько трудно поддаѐтся осмысливанию и изучению, что долгое время техническое творчество, как и художественное, считалось неподвластным изучению, а его закономерности – непостижимыми. Но оказалось, что это не так, и начиная с 60-х годов прошлого столетия начала складываться новая наука о закономерностях технического творчества, которая получила название теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). Именно изучению основ этой теории посвящена следующая глава.

2.7. Контрольные вопросы

1.Перечислить изобретательские способности по М. Трингу.

2.Назвать методы решения изобретательских задач. Сущность метода контрольных вопросов.

3.Сущность метода перебора вариантов.

4.Сущность метода мозгового штурма.

5.Сущность метода фокальных объектов.

6.Сущность метода синектики.

7.Сущность метода морфологического анализа.

8.Сущность метода направленного поиска.

9.Понятие талантливого мышления по Г.С. Альтшуллеру.

2.8. Практические задания

1. Методом мозгового штурма провести с группой слушателей

(20 – 25 человек) решение следующих задач:

а) Из Мценска в Орѐл по железной дороге в цистерне осуществляют перевозку молока, а обратно перевозят мазут. Как очистить цистерну от мазута во Мценске, чтобы опять наливать молоко? Решение должно быть недорого и осуществимо в течение месяца в пределах Орловской области.

б) В одном из аэропортов потерпел крушение самолѐт, который лежит на брюхе на границе аэродрома. Как перевезти самолѐт в ангар аэропорта, не разрушив корпус?

90

2. Методом морфологического анализа решить следующую задачу:

Провести морфологический анализ объекта «чайник», используя его составные части: корпус, дно, носик, крышка. Основное назначение – кипятить воду.

Отчѐт: Морфологическая таблица, расчѐт количества вариантов, выбор 2-3 варианта по заданной цели (например, при кипячении воды на костре исключить осаждение сажи на внешней стороне чайника).

91

ГЛАВА 3. ИТЕНСИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА – ТЕОРИЯ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ (ТРИЗ)

3.1. Изобретательские задачи и законы развития технических систем

3.1.1. Изобретательские задачи и их уровни

Изобретательские задачи часто путают с задачами техническими, инженерными и конструкторскими. Построить дом, имея готовые чертежи и расчѐты, – задача техническая. Рассчитать обычный мост, пользуясь готовыми формулами, – задача инженерная. Спроектировать удобный и дешевый автобус, найдя компромисс между удобно и дѐшево, – задача конструкторская. При решении этих задач не приходится преодолевать противоречия. Задача становится изобрета-

тельской только в том случае, если для еѐ решения необходимо пре-

одолеть противоречие. Противоречия в технических задачах могут быть разные. Выделяют три основных типа: административные, технические и физические [2].

Административные противоречия характерны для первичной

(предварительной) формулировки технической (и не только технической) задачи. Суть их состоит в том, что надо что-то сделать, а как это сделать, не указывается. Такие противоречия лежат на поверхности любой задачи, не обязательно технической. Их не надо выявлять, они содержатся в самой предварительной формулировке задачи. В технических задачах, отвечающих изобретательскому уровню, в глубине административного противоречия всегда скрыто техническое противоречие. Надо лишь его выявить и сформулировать.

Техническое противоречие можно выявить по следующим признакам: если известными способами невозможно улучшить одну часть системы (или некоторые еѐ функции или показатели) без того, чтобы это не повлекло за собой ухудшения другой еѐ части (функций или показателей), то это и есть главный признак, определяющий наличие технического противоречия. Правильно сформулированная техническая задача содержит техническое противоречие в самой формулировке. Однако такие случаи весьма редки. Чаще всего техническое противоречие выявляется только при попытках решить дан-

92

ную задачу. Сделав три-четыре попытки, каждый раз убеждаясь, что улучшение одних качеств приводит к ухудшению других, можно уверенно сказать, что в задаче содержится техническое противоречие, надо только предельно ясно и чѐтко его сформулировать.

Проще всего техническое противоречие выявляется, когда оно определяется физическими или техническими ограничениями, препятствующими традиционному решению поставленной задачи. Например, когда дальнейшему повышению быстродействия электронных систем препятствует ограниченная скорость распространения электрических сигналов по проводникам (физическое ограничение), или когда дальнейшему повышению степени интеграции микросхем препятствует ограниченная возможность теплоотвода от поверхностных слоев полупроводникового кристалла, где и формируются активные структуры микросхемы (техническое ограничение).

Труднее выявить и сформулировать техническое противоречие, когда традиционное решение задачи в принципе возможно, но недостаточно эффективно, т. е. либо слишком сложно и дорого, либо требует применения дефицитных материалов с труднодостижимыми свойствами, либо недостаточно надѐжно и долговечно, либо снижает какие-то другие параметры технического объекта. Дело в том, что любое традиционное решение технической задачи есть последовательная цепь компромиссов. Мы просто перестаѐм их замечать, считая, что это само собой разумеющиеся вещи. Надо уменьшить скорость вращения вала – применяют редуктор, надо увеличить силу – применяют рычаг, надо повысить величину электрического сигнала – используют электронный усилитель и т. п. И уже забываем, что каждое такое элементарное техническое решение таит в себе техническое противоречие: редуктор, помимо существенного усложнения и удорожания механизма, потребляет значительную долю передаваемой мощности; длинные рычаги, помимо увеличения габаритов механизма, создают большие инерционные моменты и тем самым ограничивают его быстродействие; электронный усилитель, помимо усложнения схемы и увеличения потребляемой ею мощности от источника электропитания, является дополнительным источником искажений сигнала и собственных шумов и т. д.

Но даже если и помнить об этих противоречиях, то в любом сколько-нибудь сложном техническом объекте их можно выявить множество. И тогда возникает не менее сложная задача: как среди этого множества противоречий выявить то главное, что препятствует

93

эффективному решению задачи. Вот здесь и требуется анализ нескольких, по возможности, наиболее разнообразных альтернативных решений. В каждом из них выявляются свои технические противоречия, сопоставляя которые между собой, можно выявить то общее противоречие, которое характерно для всех этих решений. Иногда для выявления главного противоречия полезно провести ранжирование целей и критериев эффективности создаваемого технического объекта и выделить из них главные. Тогда главным техническим противоречием следует считать то, противоречие которое препятствует достижению главной цели или снижает главный показатель эффективности объекта.

Выявив главное техническое противоречие, можно из всех элементов объекта и окружающей среды, с которой данный объект взаимодействует, выявить те элементы, во взаимодействии между которыми это противоречие и проявляется. Не всегда оба эти элемента принадлежат данному объекту. Во многих случаях один из них принадлежит другому объекту (внешней среде), с которым данный объект взаимодействует. Таким образом, из всех элементов, из которых состоит сам объект, и взаимодействующих с ним элементов внешней среды выделяются главные элементы, между которыми и возникает техническое противоречие. Все остальные элементы отбрасываются. При этом должна быть устранена специальная терминология, присущая данной области техники, и отсечены все избыточные сведения. Само же техническое противоречие необходимо формулировать так, чтобы в нѐм подчеркивалось улучшение основной функции объекта. Дело в том, что любое техническое противоречие можно сформулировать двояко:

-если улучшить А, то ухудшится Б;

-если улучшить Б, то ухудшится А.

Если улучшение А является основным требованием к объекту, т. е. повышает эффективность выполнения его основной функции, то выбирать надо первую формулировку.

Рассмотрим с изложенных позиций задачу 1 и попробуем еѐ переформулировать.

Задача 1. При изготовлении предварительно напряжѐнных железобетонных конструкций проволочную арматуру растягивают электротермическим способом и жѐстко закрепляют, после чего заливают бетонной массой и выдерживают до еѐ застывания. Но при нагревании до расчѐтной температуры (700 °С) арматура теряет свои механические качества. Как устранить этот недостаток?

94

Во-первых, надо исключить избыточные сведения и устранить специальную терминологию. Для решения задачи не имеет значения, для какой цели надо растягивать арматуру. Следовательно, все сведения, касающиеся цели, т.е. связанные с изготовлением железобетонных конструкций, являются избыточными. А указание на то, что растягивание производят электротермическим способом, следует заменить словами: растягивание производится за счѐт нагрева, путѐм пропускания по ней электрического тока.

Во-вторых, само противоречие надо сформулировать так, чтобы выполнялась основная функция. Из двух возможных формулировок:

а) если нагреть арматуру до 700 °С, она получит необходимое удлинение, но потеряет прочность; б) если не нагревать арматуру до 700 °С, она сохранит прочность, но не получит необходимого удли-

нения, необходимо выбрать первую, т. к. именно она обеспечивает выполнение основной функции – необходимое удлинение арматуры. В итоге формулировка задачи выглядит следующим образом:

Имеется стальная арматура в виде проволоки, которую необходимо растягивать путѐм нагрева еѐ электрическим током. При нагреве до 700 °С она получит необходимое удлинение, но при этом потеряет прочностные качества. Требуется устранить этот недостаток.

В этой формулировке уже выделены главные элементы: арма-

турная проволока и действующее на неѐ тепловое поле, и чѐтко сформулировано техническое противоречие: проволока должна быть нагрета до 700 °С, но при этом должна быть устранена потеря еѐ прочностных свойств.

Такая формулировка уже отсекает множество тривиальных вариантов, связанных с достижением каких-то компромиссов. Например, нагревать проволоку не до 700 °С, а до меньшей температуры, при которой ещѐ не будут потеряны прочностные свойства. При этом, конечно, снизится нагрузочная способность полученной железобетонной конструкции. Но ведь мы привыкли за всѐ чем-то платить. Данная формулировка задачи таких решений не допускает – основная функция должна выполняться полностью. Способ растяжения проволоки тоже должен сохраняться прежним – путѐм нагрева электрическим током, поскольку он имеет существенные преимущества по сравнению с механическими способами. Таким образом, поле выбора решений существенно сужается и смещается в область сильных решений, обеспечивающих преодоление противоречия, а не достижение

95

компромисса. Теперь до получения модели задачи остался лишь один шаг: из технического противоречия получить физическое, которое должно формулироваться в виде противоречивых физических требований к конфликтующей паре.

Рассматривая физическую сторону их взаимодействия, можно выявить те физические свойства элемента, принадлежащего создаваемому объекту, которые препятствуют достижению главной цели или повышению главного качественного показателя объекта. Это и будет означать переход от технического противоречия к физическому. Само физическое противоречие формулируется обычно в виде двух противоречивых физических свойств, которыми должен обладать выделенный элемент объекта, чтобы разрешить техническое противоречие.

Объект одновременно должен быть холодным и горячим или белым и чѐрным, или кислым и солѐным, или подвижным и неподвижным и т.

п. В нашем случае его можно сформулировать следующим образом: проволока должна быть нагрета до 700 °С, чтобы получить необходимое удлинение, и в то же время не должна быть нагрета, чтобы не потерять прочностных свойств.

В теории решения изобретательских задач для устранения технических противоречий используются четыре механизма (см. раз-

дел 3.2):

-переход от данной в модели задачи технической системы к идеальной системе путѐм формулирования идеального конечного результата (ИКР);

-переход от технического противоречия (ТП) к физическому противоречию (ФП);

-использование вепольных преобразований для устранения ФП;

-применение системы операторов (списки типовых приѐмов, таблицы и указатели применения физических эффектов и явлений).

Научный подход к изучению изобретательского творчества должен начинаться с простой истины: изобретательские задачи бывают разные не только по предметному содержанию, но и по степени сложности. Есть задачи очень простые. Их может после нескольких попыток решить любой технически грамотный человек, не обязательно даже специалист в данной области. А есть задачи, которые требуют для своего решения многолетней работы группы высококвалифицированных специалистов и знания малоизвестных физических или химических эффектов, а иногда и новых открытий. Естественно, что и подход к решению задач разной степени сложности должен быть разным.

96

В теории решения изобретательских задач принято делить изобретательские задачи по степени сложности на пять уровней.

К первому уровню относятся наиболее простые задачи, которые могут быть решены традиционными для данной области техники методами. Строго говоря, они не являются собственно изобретательскими, так как не содержат технического противоречия, а точнее, техническое противоречие относится к тому типу, который преодолевается традиционными методами путѐм достижения разумного компромисса между противоречивыми требованиями или свойствами. Это обычные инженерные задачи, которые возникают в инженерной и конструкторской практике на каждом шагу.

Нужно повысить максимальную скорость и приѐмистость (время разгона) автомобиля – увеличивают мощность двигателя. Но при этом возрастают его вес и расход топлива. Увеличение веса двигателя в свою очередь требует увеличения прочности несущих конструкций (рамы и кузова автомобиля), узлов трансмиссии и мощности тормозной системы. Это неизбежно приводит к возрастанию общей массы автомобиля и уменьшению его полезной нагрузки, что сводит на нет почти весь выигрыш, достигнутый за счѐт увеличения мощности двигателя.

Искусство конструктора как раз и состоит в том, чтобы достичь разумного компромисса между этими противоречивыми требованиями. То есть, чтобы плата за улучшение одних показателей была бы допустима – ухудшение других показателей было бы в допустимых пределах. Решение при этом достигается известными в данной отрасли техники средствами. Но, конечно, конструктивные отличия от прототипа при этом будут, что и является юридическим основанием для признания этого решения изобретением. То, что такие задачи относят к изобретательским задачам, является результатом неполного соответствия между юридическим понятием изобретения и его действительной сущностью. Примером решения такой задачи является изобретение по а. с. СССР № 317707 «Устройство для подачи жидкого кислорода в расплавленный металл» [2]:

Задача 2. Имеется устройство для подачи жидкого кислорода в расплавленный металл, выполненное в виде четырѐх концентрически расположенных охлаждаемых труб и наконечника. Основная проблема заключается в том, чтобы жидкий кислород, подаваемый в печь по внутренней трубе, не газифицировался вплоть до выхода в расплавленный металл.

97

Решение задачи очевидно: раз существующей теплоизоляции недостаточно, надо снабдить трубу, по которой поступает жидкий кислород, более эффективной теплоизоляцией, а между наружными слоями многослойной трубы прокачивать охладитель. В наружном слое эффективным охладителем является вода, которая, испаряясь, поглощает большое количества тепла, а для внутренних слоев эффективным охладителем является сам жидкий кислород, важно, чтобы во внутренней трубе он не испарялся раньше времени. Именно так данная задача и была решена. Формула изобретения имеет следующую формулировку:

«Устройство для подачи жидкого кислорода в расплавленный металл, выполненное в виде четырѐх концентрически расположенных охлаждаемых труб и наконечника, отличающееся тем, что с целью предотвращения газификации кислорода в потоке, внутренняя труба изолирована от окружающих тепловой изоляцией с толщиной

15 – 20 мм».

Из формулы изобретения следует, что прототип устройства уже содержал систему из четырех концентрически расположенных охлаждаемых труб и наконечника, но теплоизоляция внутренней трубы оказалась недостаточной для предотвращения газификации поступающего по ней жидкого кислорода. Понятно, что простейшим решением является усиление теплоизоляции внутренней трубы, что и выполнено путѐм увеличения еѐ толщины до 15 – 20 мм. Как видим, данная задача была решена традиционными для данной отрасли техники средствами, для чего не понадобилось преодолевать какое-то техническое противоречие и существенно изменять уже имеющуюся систему. Просто усилили уже имеющуюся теплоизоляцию при сохранении той же конструкции. Такие задачи не нуждаются в усовершенствовании технологии изобретательского творчества. Они и без этого решаются если не с первой, то с третьей попытки.

Задачи второго уровня уже характеризуются наличием явного технического противоречия и требуют для своего решения введения в

систему каких-то новых элементов, которые в прототипе отсутствовали, или существенного изменения уже имевшихся элементов. Для еѐ решения методом перебора уже понадобится перебрать несколько десятков вариантов. Примером может служить изобретение по а. с.

СССР № 715406 [2].

Задача 3. Для обеспечения достаточной вместимости овощехранилища при заданной площади оно должно быть достаточно глубо-

98

ким. Но в этом случае при его загрузке овощи, падая с высоты, повреждаются и их срок хранения и качество резко ухудшаются. Как обеспечить большую вместимость без повреждений овощей при загрузке?

Противоречие здесь в том, что для обеспечения достаточной вместимости при заданной площади овощехранилище должно быть достаточно глубоким, но в этом случае при его загрузке овощи, падая с большой высоты, повреждаются.

Решение состояло в том, что дно овощехранилища делается подвижным с возможностью вертикального перемещения и ставится на пружины с достаточно большим ходом. У пустого хранилища дно под действием пружин поднимается до верхнего предельного уровня, и овощи при загрузке первого слоя не разбиваются. А по мере загрузки пружины под тяжестью уже загруженных овощей сжимаются, и дно опускается, увеличивая вместимость овощехранилища. Высота, с которой падают овощи при загрузке, не повреждаясь при этом, остаѐтся всѐ время примерно постоянной. Для получения решения пришлось существенно изменить главный элемент системы – дно овощехранилища, сделав его подвижным, и введя новые элементы – пружины. Но для этого не понадобилось привлекать малоизвестные физические эффекты или решения из другой области техники. Средства, использованные для решения, просты и общеизвестны.

Может возникнуть вопрос, а где же тут другие возможные варианты решения, которых для задач данного уровня должно быть несколько десятков? Их и в самом деле несколько десятков. Можно организовать загрузку с помощью наклонного транспортѐра, при которой овощи также не будут повреждаться. Можно использовать просто наклонный жѐлоб, по которому овощи сами будут скатываться на дно овощехранилища, а чтобы они при этом равномерно заполняли всѐ хранилище, жѐлоб надо по мере загрузки переставлять или принудительно разравнивать (вручную или с помощью какой-то механической системы) уже загруженные овощи. Можно поставлять овощи уже упакованными в специальные сетки, а загрузку сеток производить с помощью ручного или механизированного подъѐмника. Можно придумать ещѐ, по крайней мере, десяток различных вариантов решений, обеспечивающих достаточную вместимость овощехранилища и уменьшение повреждений овощей при загрузке, и все они будут требовать введения в систему каких-то дополнительных элементов или существенного изменения уже существующих. Но по просто-

99