Практика применения приемов устранения противоречий (Кудрявцев А. В.)

Приемы устранения технических противоречий (далее просто приемы) — первый информационный массив, введенный в ТРИЗ. Они стали использоваться, начиная с конца шестидесятых годов. Приемы до настоящего времени остаются действенныминструментом решения задач. Их применение требует определенных навыков, которые и будут освоены на данном занятии.

Первый из таких необходимых навыков, это умение преобразовывать обобщенные рекомендации приемов в конкретные технические предложения. Переход от абстрактного к конкретному требует от человека, решающего задачу, умения выделить ключевую позицию, на которую и следует направлять рекомендации, данные в приемах.

Задача 9.1. Промышленные нагревательные печи имеют рабочие окна, позволяющие оценивать обстановку внутри. Через эти окна, однако, уходит много тепла. Потерю горячего воздуха можно устранить с помощью воздушной завесы, нагнетая воздух в зону окна. А как предотвратить унос тепла лучеиспусканием? Окна должны быть открыты все время. Закрывая окна нагревательных печей, можно защищать печи от потерь тепла, но тогда нет информации о процессах, происходящих в печи.

Приемы устранения противоречий целесообразно применять не просто в процессе решения задач, но именно для устранения противоречий, лежащих в основе этих задач. Поэтому первым и обязательным этапом работы с приемами является формулировка задачи в виде противоречия. Построим противоречие для данной задачи.

Вариант ТП: закрывая окна нагревательных печей, можно защищать печи от потерь тепла, но тогда нет информации о процессах, проходящих в печи.

Оставляя окна открытыми, получаем нужную информацию, но снижаем экономичность печей.

Итак, конфликт в том, что нам требуется получать информацию из глубин печи, но она приходит вместе с энергией, которая нам совсем не нужна. Предлагается использовать для решения этой задачи прием № 32 «Принцип изменения окраски».

Первый вопрос, который надо решить, к чему применить этот прием? В связи с тем, что в ТП фигурирует окно печи, целесообразно менять именно его.

Возможны различные варианты использования этого приема. Изобретателями предлагалось вводить в воздушный поток мелкодисперсные твердые или жидкие частицы. Неплохо, если они будут выполнены из материалов, обладающих высокой отражательной способностью (например, мелко нарезанная алюминиевая фольга).

Если же окна нагревательных печей закрыты водяными завесами, то воду целесообразно окрашивать.

Используем еще один прием № 19 «Принцип периодического действия».

Он также может быть направлен на изменение окна. Ясно, что решение задачи может состоять в использовании заслонок, приоткрываемых только на момент получения информации.

Но что произойдет, если мы искусственно наложим ограничение на использование заслонок? Могут ли быть получены иные решения задачи с помощью того же приема № 19? (Подобные «вводные» очень полезны для тренировки, ведь в реальных условиях заказчик может наложить самые различные ограничения).

Принцип периодического действия может быть использован не только для изменения окна. Можно представить себе ситуацию, когда информация о происходящих в печи процессах, собранная (например, через открытые наблюдательные окна) на начальном этапе эксплуатации печей, позволяет полностью отказаться от наблюдения. Процесс сбора информации становится периодическим: обработка в печи новой детали сопровождается сбором информации, серийный выпуск проводится в отлаженном режиме.

Как видно, использование приемов? это процесс достаточно гибкий. В каждом приеме скрыт потенциал, который может быть превращен в разнообразные конкретные решения.

Рассмотрим еще одну задачу, внешне похожую на только что решенную.

Задача 9.2. В камерах дробеструйной обработки деталей желательно иметь смотровые окна. При этом возникает проблема защиты обслуживающего персонала от вылетающей наружу дроби. Установка броневого стекла не решает проблемы, так как через незначительное время стекло теряет свою прозрачность. Дробь мелкая, поэтому установка металлических решеток приводит к ухудшению видимости. Необходимо предотвратить вылет дроби из смотрового окна.

Определим техническое противоречие, скрытое в задаче.

ТП-1: Увеличивая свободную поверхность окна, можно улучшить обзорность, но при этом ухудшается безопасность работы.

ТП-2: Уменьшая свободную поверхность окна, мы улучшаем безопасность работы, но ухудшаем обзорность.

Прием № 10. «Принцип предварительного исполнения».

Заранее изучить, куда будет направлен поток дроби при вращении изделия. Открывать смотровые окна с учетом этой информации. Или менять режим обработки изделия с учетом результатов обработки предыдущего.

Прием № 16. «Принцип частичного или избыточного решения».

Получить информацию о характере обработки одного изделия из партии. Проводить обработку всей партии изделий без непосредственного наблюдения.

Прием № 18. «Использование механических колебаний».

Открывать — закрывать заслонки на смотровых окнах так быстро, чтобы дробь не успевала вылететь из камеры.

Прием № 21. «Принцип проскока».

Идея, аналогичная предыдущей. Получать информацию за очень малое время, за которое дробь не успеет вылететь из камеры.

После выявления вариантов устранения выявленного противоречия в подгруппах они обсуждаются совместно. Цель такого обсуждения — поиск идеи конкретного технического устройства.

Возможный вариант решения

В а. с. № 546465 предлагается в смотровом окне дробеструйной камеры установить вращающуюся крыльчатку. При достаточно быстром вращении лопасти станут «прозрачными», а дробь к стеклу не пропустят. Вращать крыльчатку можно отработанным воздухом, удаляемым из камеры или с помощью специального электродвигателя.

Задача 9.2 решалась с помощью четырех «назначенных» приемов.

Как же решать задачу, если придется выбирать из сорока существующих приемов? Мы знаем, что есть таблица выбора таких приемов. Существует и технология работы по выбору приемов с помощью таблицы. Впервые она была подробно раскрыта в пятой части АРИЗ — 71. Рассмотрим приведенную в нем последовательность действий.

Оперативная стадия

В таблице устранения технических противоречий выбрать в вертикальной колонке показатель, который надо улучшить по условиям задачи.

Как улучшить этот показатель, используя известные пути (если не считаться с проигрышем)?

Какой показатель недопустимо ухудшится, если использовать известные пути?

Выбрать в горизонтальном ряду таблицы показатель, соответствующий шагу алгоритма 5-2б.

Определить по таблице приемы устранения технического противоречия (т. е. найти клетку на пересечении строки, выбранной в 5–1 и ряда 5-2б).

Проверить применимость этих приемов.

Основные проблемы, возникающие в процессе применения таблицы:

— если на стадии постановки задачи было нечетко сформулировано противоречие, это приводит к решению псевдозадачи. Таблица требует от решающего дисциплины формулировок;

— необходимость сведения изменяемых характеристик любого из сформулированных противоречий к жестко заданному набору из 39 параметров. В таблице можно просто не найти «свои» характеристики;

— отсутствие понимания принципов, на основе которых строились рекомендации таблицы.

Задача 9.3. В устройствах автоматического регулирования широко применяется регулятор Уатта — два груза, размещенных на шарнирно отклоняющихся тягах, размещенных на вращающемся валу (рис. 9.1). Изменение количества оборотов приводит к росту центробежных сил. Перемещение элементов конструкции в зависимости от изменения количества оборотов позволяет обеспечивать процесс управления. Такие регуляторы используются на паровых машинах, турбинах. Известно, что повышение точности (чувствительности) можно обеспечить, если увеличить массу грузов. В этом случае увеличение скорости вращения на один оборот в минуту вызовет большую тянущую силу. В процессе создания авиационной техники появилась задача создания простого и надежного регулятора Уатта с повышенной точностью и малым весом.

Сформулируем техническое противоречие.

ТП-1: Увеличение веса шаров позволяет обеспечить высокую чувствительность, но недопустимо для применения в авиации.

ТП-2: Шары малого веса позволяют создать легкий регулятор Уатта, но чувствительность такого устройства низка.

Переформулируем противоречие, сведя улучшающуюся и ухудшающуюся характеристики к тем, которые приведены в таблице устранения противоречий. Изменение веса шаров может быть определено нами как цель и такая характеристика в таблице есть.

Рис. 9.1

Но оказывается, что в таблице вес встречается дважды — это «вес подвижного объекта» и «вес неподвижного объекта». Какой из вариантов выбрать? Четких правил здесь нет, но есть рекомендации. Если в процессе работы совершенствуемый объект перемещается относительно иных объектов, описанных в условиях задачи, то его следует относить к подвижным.

Какую характеристику взять как аналог интересующей нас чувствительности регулятора? Можно выбрать «точность измерений». Это в целом корректный вариант. Он мог бы полностью нас устроить в ситуации, когда отсутствует информация о том, за счет чего достигается точность измерений. Но в данном случае вариант не самый лучший. Ведь мы знаем, что точность измерений жестко связана с силой, развиваемой вращающимися шарами. Поэтому в качестве второй характеристики для поиска приемов целесообразно выбрать «силу».

Общее правило работы с таблицей: более точно поставленный вопрос позволит получить более детальный ответ. Выбрав обобщенные формулировки требуемого улучшения и возникающих ухудшений, следует переформулировать для себя задачу. Ведь в случае выбора «точности измерений» таблица будет помогать нам решать задачу, общую для очень многих ситуаций, не связанных с требованием увеличения действующей силы с помощью малых масс.

На пересечении выбранных нами осей будут приемы с номерами 8, 1, 37, 16. Их поочередное использование позволяет найти следующие варианты решений:

Прием № 8 «Принцип антивеса» — предлагается выполнить грузы в виде профиля крыла (Рис 9.2). В этом случае при увеличении скорости движения профиля на нем будет создаваться подъемная сила, увеличивающая тянущую силу. Решение можно развить, если профиль сделать с изменяемым углом атаки.

Это позволит подбирать для каждого режима вращения наиболее оптимальную чувствительность.

Рис. 9.2

Прием № 1 «Принцип дробления». Мы можем работать здесь с различными элементами: валом, скоростью его вращения, шарами, рычагами, на которых они закреплены, пружинами. Возьмем для примера шары. Начнем их дробить — представим себе, что их не два, а четыре, причем суммарная масса шаров осталась прежней. Что изменилось? Центр масс шаров несколько удалился от оси вала, а это может дать дополнительный момент при раскручивании шаров.

Доведем процесс дробления до предела — заменим два шара на две части плоского кольца (рис. 9.3).

Для принципа термического расширения и частичного или избыточного решения эффективных вариантов решения пока не найдено.

Рис. 9.3

Задача 9.4. Из поколения в поколение передается легенда о незадачливом изобретателе, который пришел к Эдисону наниматься на работу. При этом он заявил, что работает над универсальным растворителем — веществом, которое сможет растворять буквально все. Собственно легендой стал вопрос Эдисона — «Как же вы собираетесь его хранить?» Говорят, что обескураженный изобретатель немедленно покинул лабораторию Эдисона. Но времена меняются и задача, казавшаяся смешной или абсурдной, вновь становится все более актуальной. Сегодня нам очень нужен универсальный растворитель. Предположим, что создать его можно. Осталось решить, как его хранить.

Рассмотрим эту задачу с помощью таблицы устранения технических противоречий (ТУТП).

ТП: Повышая способность вещества растворять, мы сужаем перечень материалов, из которых можно сделать емкость для его хранения.

Выберем оси из данного нам перечня. Мы улучшаем способность вещества растворять. Такой характеристики системы нет в нашей таблице и поэтому важной задачей является выбор характеристики аналога. К сожалению, отсутствуют точные рекомендации по такого рода переходу. Мы можем выбрать в качества аналога «силу» (№ 10), «универсальность» (№ 35), «производительность» (№ 39). Наиболее подходящей характеристикой будем считать универсальность.

Рассмотрим второй параметр, введенный нами в противоречие. Создав универсальный растворитель, мы получаем ситуацию, в которой портятся все возможные хранилища. При этом можно выбрать в качестве недопустимо ухудшающихся такие параметры, как «ухудшение устойчивости состава объекта» (№ 13), «потери вещества» (№ 23), «вредные факторы, генерируемые самим объектом» (№ 31). Здесь наиболее подходящей характеристикой будут «вредные факторы, генерируемые самим объектом».

Важно при этом помнить, что процедура выбора осей приводит к корректировке, изменению задачи. Выбрав конкретную пару осей, например, «увеличение силы приводит к ухудшению состава объекта», мы получим рекомендации по использованию приемов для решения уже не исходной задачи, а новой, именно той, что складывается в новом противоречии (увеличивая действующую силу, мы ухудшаем состав объекта). Поэтому применение приемов также требует некоторой адаптации.

Для противоречия, выбранного нами (строка 35, столбец 31) в таблице нет рекомендаций. Это значит, что в патентном фонде Г. С. Альтшуллер не смог найти сильных решений, позволяющих бороться с поставленным противоречием. (Видно, легенда не обманывает нас, в прошедшие времена задача была неразрешима…)

Возьмем иную пару характеристик.

Увеличивая силу (строка 10) воздействия растворителя, мы получаем ухудшение устойчивости состава объекта (столбец 13). Объект здесь? емкость для хранения растворителя.

В таблице для выбранного нами противоречия предлагаются приемы:

№ 35 изменение физико — химического состояния.

Растворитель можно заморозить и хранить в таком неактивном состоянии.

№ 10 принцип предварительного исполнения.

Растворитель можно хранить так, как хранят бинарные химические отравляющие вещества, в виде неактивных составляющих, которые соединяют непосредственно перед применением.

№ 21 принцип проскока.

Хранилище всеобщего растворителя может быть выполнено в виде магнитной ловушки (для этого растворителю придется придать магнитные свойства) или иной системы удержания полями (в струях воздуха и т. д.).

Также могут быть рассмотрены и иные пары улучшающихся и ухудшающихся характеристик. Рассматривая все варианты выбранных нами осей, мы получим девять клеток.

Работа практически с каждым из представленных приемов может привести к позитивному результату. Но как выбрать из такого многообразия? Предлагается рассмотреть частоту повторения выбранных приемов.

Наиболее часто встречаются приемы 39 (пять раз), 10 (три раза). Именно с их рассмотрения и стоит начать работу.

Прием № 39 предлагает заменить среду инертной средой, вести процесс в вакууме. Детализируя данное предложение для поставленной задачи, можем предположить, что хранилище для растворителя выполнено из модифицированного вещества самого растворителя. И опять нам рекомендуется хранить растворитель вне контакта с чем? либо (в вакууме). Это предполагает бесконтактное полевое удержание вещества в какой? то ловушке.

Задача 9.5. Внутренние полости многих отливок (например, корпусов электродвигателей) очищают от остатков формовочной смеси подачей воды под высоким давлением (например 40 атм). Если вода не содержит в себе взвешенных частиц, она чистит плохо; если же пустить воду с песком, то быстро изнашиваются сопла гидромониторов.

ТП-1: Подавая через гидромонитор воду, насыщенную песком, можно эффективно очищать отливку, но при этом быстро изнашивается сопло гидромонитора.

ТП-2: Подача чистой воды позволяет сохранить сопло гидромонитора, но отливка очищается хуже.

Перефразирование характеристик с целью выбора осей может дать вариант:

Улучшаем производительность (39) — ухудшается продолжительность действия неподвижного объекта (16).

Рекомендуемые в этом случае приемы:

№ 20 — принцип непрерывности полезного действия,

№ 10 — принцип предварительного исполнения,

№ 16 — принцип частичного или избыточного действия,

№ 30 — использование гибких оболочек и тонких пленок.

Рассмотрим эти приемы.

№ 20. В чем же на сегодня можно увидеть прерывистость процесса? Очистка происходит при соударении частичек песка, увлекаемого водой, с частичкой удаляемой формовочной смеси. Частички песка поступают дискретно, они разделены водой. Хорошо бы сделать процесс механического воздействия непрерывным. Может быть перейти к пескоструйной обработке?

№ 10. Предварительное исполнение может состоять в том, что каким — то образом изменяется формовочная смесь. Например, уменьшается ее способность к смачиванию заливаемым металлом. В этом случае обработка после залавки будет более простой или вообще не потребуется.

№ 16. Частичность действия может состоять в том, что внутренние части отливки не очищают вовсе. А может быть, песок подавать не по всему сечению струи гидромонитора? Или не по всей ее длине?

Избыточность действия? необходимость последующей обработки на станках всей поверхности отливки. В этом случае можно не проводить предварительной очистки.

№ 30. Сопло гидромонитора надо чем?то защищать от абразивного воздействия песка. Это можно сделать, пуская вдоль поверхности сопла тонкую пленку чистой (без песка) воды.

А.с. № 569388. Способ очистки отливок, включающий подачу на очищаемую поверхность струи воды под высоким давлением, отличающийся тем, что с целью уменьшения износа сопел гидромонитора перед подачей струи отливки помещают в ванну с водой и песком.

То есть предлагается подавать монитором чистую воду, но сделать так, чтобы струя воды из монитора подхватывала песок и направляла его на отливку.

Задача 9.6. При спуске судна на воду с продольного стапеля возникает необходимость поддержания в незатопленном положении быстро входящей в воду кормовой части судна. Применяемые для этой цели поддерживающие поплавки неудобны, поскольку очень громоздки, а кроме того, они после выхода судна в воду нежелательно поднимают корму. Необходимо разработать простое устройство для поддержания кормовой оконечности судна при спуске на воду.

ТП: Используя поплавки, можно гарантировать поддержание кормы судна на плаву при наклонном входе в воду, но при этом после спуска корма будет задрана.

Составим таблицу возможных пар улучшений-ухудшений.

Можно представить себе и иной вариант таблицы. В нем улучшаемые характеристики более «физичны», в большей степени раскрывают то, что требуется по условиям.

В качестве возможного варианта решения рассмотрим идею группы ленинградских корабелов. Они предложили заменить громоздкий поплавок на подводное крыло. При входе судна в воду крыло обеспечивает создание подъемной силы. Но как только корабль полностью сошел со стапеля в воду и остановился, подъемная сила исчезает а.с. № 281197).

Задача 9.7. Для вновь создаваемого морского порта необходимо разработать систему фиксации плавучих объектов (баржи, плавучие контейнеры, лихтеры) в заранее заданных точках акватории. Сложность в том, что запрещено использовать механическую фиксацию объектов. Параметры объектов варьируются в широких пределах: объем от сотен кубометров до десятков тысяч, осадка от полуметра до восьми метров. Необходимо дать предложения по организации такой системы.

Применяя механические фиксаторы, можно удерживать объекты в заданных точках акватории, но они часто повреждаются.

Существуют различные предложения по реализации необходимого требования. К числу наиболее интересных можно отнести: создать под объектом воронки, гребни воды по периметру объекта (фонтаны), уменьшить плотность воды под объектом (например, подавая пресную воду или газируя ее), помещая объект в своего рода потенциальную яму, то есть увеличивая осадку судна, а следовательно, создавая необходимость работы по выходу из области его фиксации.

Задача 9.8. Вибрационные машины широко применяются в тех областях, где требуются уплотнение, сепарация, транспортировка. Чаще всего основой привода таких машин является дебалансный вибровозбудитель (неуравновешенный груз? дебаланс, жестко насаженный на вращающийся вал). Однако такие конструкции при запуске потребляют большую мощность, чем в установившемся режиме работы. Значит, мощность приводного электродвигателя приходится завышать (в установившемся режиме он работает с недогрузкой). Кроме того, при пуске и останове машина проходит через резонансную зону, при этом резко увеличиваются амплитуда колебаний и динамические нагрузки на несущие конструкции. Конструкцию приходится рассчитывать с большим запасом прочности. Необходимо найти идею дебалансной машины, лишенную перечисленных недостатков.

ТП: Увеличивая дисбаланс на валу вибрационной машины, можно повышать производительность, но при этом ухудшаются ее весовые и энергетические характеристики.

Изобретатели дебаланс посадили на вал свободно, а посадочную шейку выполнили с небольшим эксцентриситетом относительно вала. Электродвигатель запускается практически вхолостую, но по достижении определенной скорости вращения центробежная сила «захватывает» дебаланс, и в дальнейшем он с валом вращается как единое целое. Предлагается также выполнить дебаланс составным, а каждую часть посадить со своим эксцентриситетом. Тогда по мере возрастания оборотов составные дебалансы будут «захватываться» поочередно и запуск вибровозбудителя будет еще более плавным.