M 54
Министерство образования Республики Беларусь Полоцкий государственный университет
Методические указания
к практическим работам по курсу
"Принципы инженерного творчества"
для студентов III курса специальностей Т. 03.01, Т. 03.02, П. 03.02
Часть 1
Теория решения изобретательских задач
Новополоцк 1999
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Методические указания
к практическим работам по курсу
"Принципы инженерного творчества"
для студентов 3 курса специальностей
Т.03.01, Т.03.02, П.03.02
Часть 1 Теория решения изобретательских Задач
Новополоцк 1999
*
УДК 621.81.(075.8.)
Одобрены и рекомендованы к изданию
Методической комиссией машиностроительного факультета
Кафедра технологии конструкционных материалов
Составители:
А.Л. ЛИСОВСКИЙ, канд. техн. наук, доцент Н.Л. КРАВЧЕНКО, ст. преподаватель
Рецензенты:
А.А. ЛЫСОВ, канд. техн. наук, доцент
В.М. КОНСТАНТИНОВ, канд. техн. наук, доцент
© Полоцкий государственный университет, 1999.
Введение
Из 150 тысяч новых разработок только одна тысяча доводится до внедрения. Можно подсчитать, что КПД нашего интеллектуального труда составляет 0,7 %, т.е. 99,3 % мы работаем впустую. Даже наш знаменитый лозунг "Твори, выдумывай, пробуй" уже содержит в себе разрешение на бестолковую суету в творчестве. Если бы разрешили токарю или слесарю так работать, то вряд ли были бы довольны их трудом. А в чем, собственно, разница между трудом токаря и инженера? Первый, взяв заготовку и следуя определенным правилам и примерам, должен снять лишний металл. Второй, имея свою заготовку и устаревшую техническую конструкцию, следуя определенным правилам, также должен изменить ее и улучшить. Но каким правилам? Ведь работа инженера-изобретателя — это тоже труд, причем один из сложных и ответственных! Следовательно, и для него должна существовать своя технология. Ее отсутствие и приводит к тому, что более 99 % усилий инженера пропадает впустую. Курс "Принципы инженерного творчества" в какой-то мере позволяет, используя некоторые методики активизации творческого мышления, законы диалектического материализма, повысить творческие способности будущих инженеров. В методических указаниях приведены некоторые методики решения технических задач по инженерному творчеству, даны технические задачи для практических занятий.
Любая техническая система уже в зародыше несет в себе начало будущих проблем, которые возрастают по мере увеличения наших потребностей. Тесная взаимосвязь желаемого и не желаемого была отмечена еще в древности. Китайская монада трактовала эту двуединую связь следующим образом: "Нет добра, в котором бы не содержалось зло, и нет зла, в котором бы не содержалось добро". Графически они это выражали следующим образом
Конечно, можно соглашаться или не соглашаться с такими обобщениями, но что касается изобретателя, он обязан видеть в своей новой, только что рожденной им машине и зародыши ее будущих недостатков. Это позволяет своевременно принять меры для устранения противоречий еще до того, как они сами заявят о себе во весь голос.
Допустим, что нам удалось спроектировать автомобиль, развивающий скорость 700—800 километров в час. Какие появятся противоречия? Одно из них — мы должны иметь надежные "мертвые" тормоза, чтобы в случае опасности произвести резкое торможение, и мы не должны их иметь, т. к. при резком торможении могут возникнуть перегрузки, которых не выдержат пассажиры. Придется снабдить наш автомобиль специальной радарной установкой, которая прощупывает дорогу на несколько километров вперед, т.к. тормозной путь составляет более 500 метров. Но это невероятно усложняет автомобиль, и к тому же любая дорога имеет повороты, уклоны, где радарная установка будет бесполезной. Выявленное противоречие заставляет нас отказаться от задуманного автомобиля. А люди все же хотят ездить по земле все быстрее.
Как быть? Противоречие, обнаруженное в задуманном автомобиле, может разрешиться только уже на уровне «надсистемы», в которую он входит, т. е. нам нужно заняться изменением самой дороги. Ее полотно мы должны поднять над уровнем земли, чтобы исключить появление на ней любого случайного предмета, вызывающего необходимость экстренного торможения. Скорее всего эта дорога будет напоминать собой обычный монорельс, который служит не только опорой для колес, но и позволяет транспортировать энергию для движения. Что же осталось от автомобиля? Одна кабина для пассажиров и двигатель электрического или электромагнитного типа. Цель достигнута — мы безопасно перемещаемся со скоростью 700— 800 километров в час.
Кстати, в Японии проектируется и изготавливается высокоскоростная монорельсовая дорога, по которой вагоны с пассажирами будут перемещаться со скоростью 400—500 километров в час.
Преодолевая противоречия, городской транспорт из моносистемы, сегодня представляющей собой отдельные автомобили, неизбежно перейдет в полисистему. Это будут уже и упомянутые монорельсовые дороги, и подвижные высокоскоростные тротуары, и спрятанные под землей пневмотрубопроводный транспорт и другие не менее высокоорганизованные, экологически чистые и безопасные технические системы. Конечно, не исключена возможность присутствия в будущем и нашего обычного автомобиля. Но это будет прогулочный, специальный или спортивный автомобиль, относительно тихоходный и такой же редкий, как сегодня лошадь на улицах города.
вида
Из сказанного следует, что противоречия определяют не только настоящее, но и будущее развиваемой технической системы. Выявление и анализ противоречий представляют собой эффективный инструмент прогнозирования техники будущего.
Среди наслоения и хаоса четко выделяются три противоречий — административное, техническое и физическое.
Выделим основные вехи, на которые должен ориентироваться изобретатель, выявляя новое решение.
Административное противоречие:
Философия административного противоречия проста и звучит обезоруживающе прямолинейно, например: "Так делать нельзя, но делать все-таки нужно!". Убедительно, не правда ли? Административные противоречия, как правило, порождает сам человек, точнее те организованные обстоятельства, которые он создал.
Техническое противоречие, которое возникает между параметрами системы, ее узлами или группами деталей. Техническое противоречие диктует: «Если ты улучшишь одно, то непременно ухудшишь другое!».
Идеальный конечный результат.
Физическое противоречие. Когда мы начинаем «дробить» задачу на элементы и уточнять ее, техническое противоречие заменяется физическим. Можно сказать, что, получив его, мы угадали 5 цифр из 6 в нашей технической лотерее. Физическое противоречие возникает не между параметрами технической системы, а внутри ее в каком-либо одном элементе или даже в части его. Сравнивая существующую ситуацию с идеальной, находим то, что мешает в оперативной зоне достижению поставленной цели. Это и будет искомое физическое противоречие. На этом этапе окончательно завершится постановка задачи. И можно заняться собственно ее решением.
Использование физических явлений и эффектов.
Конструктивная проработка найденной идеи. Отметим, что задача может быть удовлетворительно решена на любом этапе ее обработки. Но чаще всего приходится углубляться в нее, добираясь до последнего препятствия.
Анализ многих тысяч изобретений выявил, что при всем многообразии технических противоречий они разрешаются 40 основными приемами (см. табл.). Сразу же может возникнуть мысль: а нельзя ли заложить эти приемы в ЭВМ и доверить ей решать изобретательские задачи? Пытались это делать, но результаты пока не обнадеживающие.
Работа по составлению списка таких приемов была начата Г.С. Альтшуллером еще на ранних этапах становления теории решения изобретательских задач. Для их выявления понадобился анализ более 40 тысяч авторских свидетельств и патентов.
Приемы указывают лишь общее направление и только обширную область сильных решений. Конкретный вариант решения они не выдают. Эта работа остается за человеком. Как пользоваться таблицей? В горизонтальной колонке ищем то, что нас более всего не удовлетворяет, т.е. техническое противоречие. На пересечении выбранных вертикальных и горизонтальных колонок находим рекомендуемые приемы.
ОСНОВНЫЕ ПРИЕМЫ УСТРАНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОТИВОРЕЧИЙ
Принцип дробления:
а) разделить объекты на независимые части;
б) выполнить объект разборным;
в) увеличить степень дробления объекта.
Принцип вынесения:
а) отделить от объекта "мешающую" часть ("мешающее свойство") или, наоборот, выделить единственно нужную часть или нужное свойство.
Принцип местного качества:
а) перейти от однородной структуры объекта или внешней среды (внешнего воздействия) к неоднородной;
б) разные части объекта должны выполнять различные функции;
в) каждая часть объекта должна находиться в условиях, наиболее благоприятных для ее работы.
Принцип асимметрии:
а) перейти от симметрической формы объекта к асимметрической;
б) если объект уже асимметричен, увеличить степень асимметрии.
Принцип объединения:
а) объединить однородные или предназначенные для смежных операций объекты;
б) объединить во времени однородные или смежные операции.
Принцип универсальности:
а) объект выполняет несколько разных функций, благодаря чему отпадает необходимость в других объектах.
Принцип "матрешки":
а) один объект размещен внутри другого, который, в свою очередь, находится внутри третьего и т. д.;
б) один объект проходит сквозь полость в другом объекте.
Принцип анти - веса:
а) компоновать вес объекта соединенным с другим объектом, обладающим подъемной силой;
б) компенсировать вес объекта взаимодействием со средой (преимущественно за счет аэро - и гидродинамических сил).
Принцип предварительного анти - действия:
а) если по условиям задачи необходимо произвести какое-то действие, надо заранее совершить анти - действие.
Принцип предварительного действия:
а) заранее выполнить требуемое действие (полностью или хотя бы частично);
б) заранее расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие без затрат времени на доставку и с наиболее удобного места.
Принцип "заранее подложенной подушки":
а) компенсировать относительно невысокую надежность объекта заранее подготовленными аварийными средствами.
Принцип эквипотенциальности:
а) изменить условия работы так, чтобы не приходилось поднимать или опускать объект.
Принцип наоборот:
а) вместо действия, диктуемого условиями задачи, осуществлять обратное действие;
б) сделать движущуюся часть объекта или внешней среды неподвижной, а неподвижную - движущейся;
в) повернуть объект "вверх ногами", вывернуть его.
Принцип сфероидальности:
а) перейти от прямолинейных частей к криволинейным, от плоских поверхностей к сферическим, от частей, выполненных в виде куба или параллелепипеда, к шаровым конструкциям;
б) использовать ролики, шарики, спирали;
в) перейти от прямолинейного движения к вращательному, использовать центробежную силу.
Принцип динамичности:
а) характеристики объема (или внешней среды) должны меняться так, чтобы быть оптимальными на каждом этапе работы;
б) разделить объект на части, способные перемещаться относительно друг друга;
в) если объект в целом неподвижен, сделать его подвижным, перемещающимся.
Принцип частичного или избыточного действия:
а) если трудно получить 100 % требуемого эффекта, надо получить "чуть меньше" или "чуть больше" - задача при этом может существенно упроститься.
Принцип перехода в другое измерение:
а) трудности, связанные с движением (или размещением) объекта по линии, устраняются, если объект приобретает возможность перемещаться в двух - трех измерениях;
б) использовать многоэтажную компоновку объектов вместо одноэтажной;
в) наклонить объект или положить его "набок";
г) использовать обратную сторону данной площади;
д) использовать оптические потоки, падающие на соседнюю площадь или на обратную сторону имеющейся площади. Прием 2.17а можно объединить с приемами 2.7 и 2.15а. Получается цепь, характеризующая общую тенденцию развития технологических систем: от точки к линии, затем к плоскости, потом к объему и, наконец, к совмещению многих объектов.
Использование механических колебаний:
а) привести объект в колебательное движение;
б) если такое движение уже совершается, увеличить его частоту (вплоть до ультразвукового);
в) использоватьрезонансную частоту;
г) применить вместо механических вибраторов пьезовибраторы;
д) использовать ультразвуковые колебания в сочетании с электромагнитными полями.
Принцип периодического действия:
а) перейти от непрерывного действия к периодическому (импульсному);
б) если действие уже осуществляется периодически, изменить периодичность;
в) использовать паузу между импульсами для другого действия.
Принцип непрерывности полезного действия:
а) вести работу непрерывно (все части объекта должны все время работать с полной нагрузкой);
б) устранить холостые и промежуточные ходы.
Принцип проскока:
а) вести процесс или отдельные его части (например, вредные или опасные) на большой скорости.
Принцип "обратить вред в пользу":
а) использовать вредные факторы (в частности, вредное воздействие среды) для получения положительного эффекта;
б) устранить вредные факторы за счет сложения с другими вредными факторами;
в) усилить вредные факторы до такой степени, чтобы они перестали быть вредными.
Принцип обратной связи:
а) ввести обратную связь;
б) если обратная связь есть, изменить ее.
Принцип "посредника":
а) использовать промежуточный объект, переносящий или передающий действие;
б) на время присоединить к объекту другой (легко удаляемый) объект.
Принцип самообслуживания:
а) объект должен сам себя обслуживать, выполняя вспомогательные и ремонтные операции;
б) использовать отходы (энергии, вещества).
Принцип копирования:
а) вместо недоступного, сложного, дорогостоящего, неудобного или хрупкого объекта использовать его упрощенные и дешевые копии;
б) заменить объект или систему объектов их оптическими копиями (изображениями). Использовать при этом изменение масштаба (увеличить или уменьшить копии);
в) если используются видимые оптические копии, перейти к копиям инфракрасным или ультрафиолетовым.
Дешевая недолговечность взамен дорогой долговечности:
а) заменить дорогой объект набором дешевых объектов, поступившись при этом некоторыми качествами (например, долговечностью).
Замена механической системы:
а) заменить механическую систему оптической, акустической или "запаховой";
б) использовать электрические, магнитные и электромагнитные поля для взаимодействия с объектом;
в) перейти от неподвижных полей к движущимся, от фиксированных к меняющимся во времени, от неструктурных к имеющим определенную структуру;
г) использовать поля в сочетании с ферромагнитными частицами.
Использование пневмо- и гидроконструкций:
а) вместо твердых частей объекта использовать газообразные и жидкие: надувные и гидронаполняемые, воздушную подушку, гидростатические и гидрореактивные.
Использование гибких оболочек и тонких пленок:
а) вместо обычных конструкций использовать гибкие оболочки и тонкие пленки;
б) изолировать объект от внешней среды с помощью гибких оболочек и тонких пленок.
Применение пористых материалов:
а) выполнить объект пористым или использовать дополнительные пористые элементы (вставки, покрытия и т. д.);
б) если объект уже выполнен пористым, предварительно заполнить поры каким-то веществом.
Принцип изменения окраски:
а) изменить окраску объекта или внешней среды;
б) изменить степень прозрачности объекта или внешней среды;
в) для наблюдения за плохо видимыми объектами или процессами использовать красящие добавки;
г) если такие добавки уже применяются, использовать люминофоры.
Принцип однородности:
а) объекты, взаимодействующие с данным объектом, должны быть сделаны из того же материала (или близкого ему по свойствам).
Принцип отброса и регенерации частей:
а) выполнившая свое назначение и ставшая ненужной часть объекта должна быть отброшена (растворена, испарена и т. д.) или изменена непосредственно в ходе работы;
б) расходуемые части объекта должны быть восстановлены непосредственно в ходе работы.
Изменение агрегатного состояния объекта:
а) сюда входят не только простые переходы, например, от твердого состояния к жидкому, но и переходы к "псевдосостояниям" ("псевдожидкость1') и промежуточным состояниям, например, использование эластичных твердых тел.
Применение фазовых переходов:
а) использовать явления, возникающие при фазовых переходах, например, изменение объема, выделение или поглощение тепла и т. д.).
Применение теплового расширения:
а) использовать тепловое расширение или сжатие материалов;
б) использовать несколько материалов с разными коэффициентами теплового расширения.
Применение сильных окислителей:
а) заменить обычный воздух обогащенным;
б) заменить обогащенный воздух кислородом;
в) воздействовать на воздух или кислород ионизирующими излучениями;
г) использовать озонированный кислород;
д) заменить озонированный (или ионизированный) кислород озоном.
Применение инертной среды:
а) заменить общую среду инертной;
б) вести процесс в вакууме. Этот прием можно считать антиподом предыдущего.
Применение композиционных материалов:
а) перейти от однородных материалов к композиционным.
СТАНДАРТНЫЕ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ (ФРАГМЕНТЫ)
Класс 1. Построение и разрушение веполыиых систем
Синтез веполей
Если дан объект, плохо поддающийся нужным изменениям, и условия задачи не содержат ограничений на введение веществ и полей, задачу решают синтезом веполя, вводя недостающие элементы
Если дан веполь, плохо поддающийся нужным изменениям, а условия задачи не содержат ограничений на введение добавок в имеющиеся вещества, задачу решают переходом (постоянным или временным) к внутреннему комплексному веполю, вводя в Bi или Ва добавки, увеличивающие управляемость или придающие веполю нужные свойства
Здесь В1—изделие, В2—инструмент, Вз—добавка; скобками обозначена комплексная связь (внешняя комплексная связь обозначается без скобок).-
Если дан веполь, плохо поддающийся нужным изменениям, и условия задачи содержат ограничения на введение добавок в имеющиеся вещества B1 или B2, задачу решают переходом (постоянным или временным) к внешнему комплексному веполю, присоединяя к В1 или В2 внешнее В3, увеличивающее управляемость или придающее веполю нужные свойства
Если дан веполь, плохо поддающийся нужным изменениям, и условия задачи содержат ограничения на введение в него или присоединение к нему веществ, задачу решают постройкой веполя, используя в качестве вводимого вещества имеющуюся внешнюю среду. А. с. 175835. Саморазгружающаяся баржа по а. с. 163914 отличается тем, что с целью повышения надежности возврата баржи в исходное положение после разгрузки при любых углах крена и опрокидывания она выполнена с балластной килевой цистерной, имеющей отверстия в наружных стенках, постоянно сообщающиеся с забортным пространством. В воде такой киль ничего не весит, а когда баржа опрокинута, киль оказывается в воздухе и приобретает вес. Вода не успевает вытечь из отверстий — киль возвращает баржу в нормальное положение.
Если внешняя среда не содержит веществ, необходимых для построения веполя по стандарту 1.1.4., это вещество может быть получено заменой внешней среды, ее разложением или введением в нее добавок.
А. с. 796500. В опорном узле скольжения используют «пузырьковую» смазку (в данном случае—это внешняя среда). Для улучшения демпфирования смазку газируют, разлагая ее электролизом.
Если нужен минимальный (дозированный, оптимальный) режим действия, а обеспечить его по условиям задачи трудно или невозможно, надо использовать максимальный режим, а избыток убрать. При этом избыток поля убирают веществом, а избыток вещества — полем.
Избыточное действие обозначено двумя стрелками.
А. с. 242714. При получении тонкого слоя краски на изделие наносят избыточное покрытие, окуная изделие в бак с краской. Затем изделие вращают — центробежные силы сбрасывают избыток краски.
Если нужно обеспечить максимальный режим действия на вещество, а это по тем или иным причинам недопустимо,
А. с. 120909. При изготовлении предварительно напряженного железобетона нужно максимальное действие следует сохранить, но растянуть стальные растяжки. Для этого их нагревают: от тепла стержни удлиняются, и в таком виде их закрепляют. Однако если вместо стержней используют проволоку, ее нужно нагревать до 700', а допустимо нагревать только до 400° (при большом нагреве проволока теряет свои свойства). Предложено нагревать нерасходуемый жаропрочный стержень, который от нагрева удлиняется и в таком виде соединяется с проволокой. Охлаждаясь, стержень укорачивается и растягивает проволоку, оставшуюся холодной.