§ 3. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

По условиям технической задачи нам дана система, обладающая: недостатком и состоящая из элементов Э₁, Э₂, ..., Э_i, ..., Э_п. Они связаны между собой, и каждый элемент выполняет ту или иную функцию, в какой-то степени определяющую основную функцию» для выполнения которой система предназначена. Проведем иссле­дование данной технической системы, установим структуру, а так­же параметры, характеризующие ее работу.

Для этого следует составить список основных элементов техни­ческой системы, без которых ее функционирование принципиально невозможно. Перечислить остальные ее элементы, расположив их в порядке функциональной значимости для существования и функ­ционирования системы, составить матрицу связей всех элемен­тов.

Важно определить главную функцию (назначение) системы, выяснить, какие основные и вспомогательные параметры могут ка­чественно и количественно характеризовать ее работу, какие фак­торы влияют на параметры системы и в чем состоит механизм их воздействия. Таким образом, на этом этапе мы должны выяснить основной принцип и механизм действия нашей системы, исследо­вать ее «изнутри». Кроме того, мы изучаем научно-техническую литературу, посвященную исследованию технической системы, а также можем дополнительно провести соответствующие научные исследования.

Главная наша цель—получить мысленную (а может быть, так­же математическую и физическую) адекватную модель объекта. Все последующие исследования и преобразования в процессе ре­шения задачи будут своего рода модельными экспериментами.

Производной от нашей модели системы является модель техни­ческого недостатка. Необходимо выяснить, какой параметр техни­ческой системы может качественно и количественно характеризо­вать его, каковы причины этого недостатка, какие элементы систе­мы связаны с его появлением и изменением, следует также устано­вить, какие факторы, действующие на систему, и параметры, опре­деляющие ее работу, влияют на величину параметра, который ха­рактеризует технический недостаток. Можно составить таблицу связей элементов, факторов и параметров технической системы с недостатком.

После построения модели технической системы (и вытекающей из нее модели технического недостатка) надо попытаться решить задачу путем стандартных преобразований (целесообразно исполь­зовать здесь фонд «стандартов» на решение технических задач [9, 10], изложенный частично в главе 4, представив основные эле­менты и их взаимодействия в вещественно-полевой форме).

Если инженерным или конструкторским путем техническая за­дача в результате таких попыток не решена, необходим ее даль­нейший более глубокий анализ с переводом в класс изобретатель­ских задач.

На этом этапе важно также выяснить возможности изменения технической системы и их пределы. Такой цели служит метод ана­лиза свойств (АС).

Человек видит, как правило, то, что укладывается в рамки его знаний (понятий, теорий, параметров и т. д.) о материальном мире (увидеть больше—значит сделать открытие). Объем наших зна­ний определяет множество свойств (параметров), по значениям ко­торых мы судим о тех или иных предметах и явлениях, восприни­маем их. Эта совокупность свойств материального мира представ­ляет собой как бы совокупность каналов, по которым поступает информация на переработку в наш мозг. Например, свет мы оце­ниваем по таким свойствам: цвету (частоте, длине волны электро­магнитных колебаний), интенсивности его составляющих (число со­ставляющих—это еще один параметр).

Рассмотрим два предмета: стеклянный стакан и линзу. Если проанализировать совокупность свойств, характеризующих оба эти объекта, то в конце концов окажется, что различие между ними может состоять лишь в форме, массе и составе стекла.

Или возьмем два одинаковых железных стержня и один из них намагнитим, превратив в постоянный магнит. Различие между этими объектами будет в значениях только одного свойства.

Современный инженер в состоянии описать любой материаль­ный объект, предмет или явление несколькими сотнями свойств. Но для многих объектов в определенной области техники список изменяющихся свойств, значения которых характеризуют эти объекты, может быть (в упрощенном варианте) представлен лишь не­сколькими десятками.

В принципе любой объект можно рассматривать как определен­ное множество свойств (одинаковых для любого объекта и харак­теризующих объем наших знаний о материальном мире), каждое из которых принимает в конкретном случае определенное значе­ние. Действительно, геометрические, кинематические, динамиче­ские, физико-химические, тепло- и электротехнические, оптические я другие свойства характеризуют любой объект. Например, та­кое свойство, как скорость перемещения, может описывать состоя­ние любого объекта, в том числе движущегося автомобиля и не­подвижного здания. Но значения его будут различны для этих объектов в одном случае скорость равна 60 км/час, а в другом — нулю.

Если мы возьмем какой-либо элемент системы и определим зна­чение каждого свойства из общего списка свойств материальных объектов, то таким образом мы опишем этот элемент.

Описание технической системы возможно и в матричной фор­ме. Матрица свойств строится следующим образом: по вертикали расположен их список, по горизонтали—список элементов технической системы, а на пересечении строчек и столбцов (в ячейках матрицы) — значения свойств (параметров) элементов.

Следующий шаг — определение потенциальных изменений свойств элементов системы. Подход, положенный в основу метода АС, предполагает широкие возможности изменения значений многих свойств в каждом объекте. Но есть и свойства, у которых значения меняются в довольно узких пределах или практически не изменяются. Это в первую очередь те, что определяют понятия об объекте. Например, стакан определяет в основном форма, со­отношение размеров, т. е. конкретный интервал значений некото­рых геометрических свойств (параметров), благодаря которым он становится стаканом. Линзу же определяют не только значения геометрических параметров, но и оптические свойства материала.

Для того чтобы выяснить, в чем и насколько следует менять нашу систему, нужно проанализировать и оценить возможности изменения значения каждого свойства. Такая оценка может про­изводиться с помощью баллов по определенной шкале. Например, в одном из простейших случаев это трехбалльная шкала: если зна­чения свойства меняются в широких пределах, ставится «+», в уз­ких пределах «0», а если их изменить нельзя «—».

Характеристика потенциальных изменений свойств элементов системы может быть представлена в матричной форме. Эта мат­рица так же, как и описанная прежде, содержит по вертикали список свойств, а по горизонтали — список элементов технической системы. В ячейках матрицы содержится оценка возможно­сти изменения значений того или иного свойства (в ней предусмот­рена и вспомогательная колонка для элемента «х», в которой в дальнейшем при поиске идеи решения будут закодированы но­вые свойства и функции системы).

Упомянутые две матрицы можно совместить в одну, заложив в ячейки одновременно и существующее значение свойства эле­мента, и оценку возможностей его изменения.

Кроме того, анализ свойств элементов способствует трениров­ке и развитию воображения, снижению действия психологической инерции. Устанавливая пределы изменения значений свойств, мы мысленно представляем элемент при наибольшем и наименьшем значениях свойства (содержащийся в АРИЗ оператор РВС пред­писывает произвести такие изменения лишь с тремя параметрами-свойствами: размерами, временем и стоимостью).

Предположим, мы описали форму стакана, и тут же это свой­ство отделилось от его первоначального носителя. Теперь перед нами бесформенная масса материала (например, стекло). Опи­сали значения свойств этого материала — и уже ничего не оста­лось от нашего объекта (в воображении). После такого мысленно­го расщепления объекта на множество свойств и описания значения каждого из них он перестает для нас существовать в привычном виде, но вместо него остается список значений свойств, сложив которые, можно опять получить объект в первоначальном виде.

Такой подход удобен тем, что он позволяет уйти от представ­лений об объекте на общий для всех, даже самых разных объек­тов, уровень — описание форм существования материи, общей суб­станции, конкретными выражениями (состояниями) которых являются различные предметы и явления. Любой объект описыва­ется теперь одним и тем же набором параметров, а каждый от­дельно взятый параметр уже не характеризует сам объект, так как описывает только одно свойство из множества других и при этом. значение данного свойства может быть одинаково для совершен­но разных объектов. Таким образом, в совершенно разных пред­метах и явлениях можно увидеть нечто общее, провести между ними аналогию, основанием для которой является совпадение или близость значений отдельных свойств этих, в целом разных, объ­ектов.

Рассмотрим анализ конкретных технических задач, выбранных нами в предыдущем параграфе.

Задача 1

Непрерывный трубопрокатный справочный стан содержит 8— 9 пар валков в последовательно расположенных клетях. Они обжи­мают гильзу на находящейся внутри ее длинной смазанной свобод­но перемещаемой оправке (рис. 16). Матрица взаимодействий эле­ментов данной технической системы представлена на рис. 17. Ме­ханизм изменения эксцентричной разностенности те исследован. Известно из практики, что относительная разностенность гильзы перед прокаткой и трубы после прокатки близки по величине.

Рис. 16. Схема прокатки трубы в непрерывном справочном стане.

Рис. 17. Матрица взаимодействия элементов (Э) непрерывного справочного стана («+» —есть взаимодействие).

Технологическими факторами, которыми можно варьировать в про­цессе прокатки трубы, являются; степень деформации трубы в от­дельных клетях, количество смазки на оправке, температура про­катки и скорость вращения валков (три последних фактора допу­скают изменение значений в узком интервале). Скорость оправ­ки—величина не управляемая непосредственно: она соответствует средней скорости деформируемого металла, который скользит по оправке как вперед, обгоняя ее в последних клетях стана, так и назад, отставая от нее в первых клетях стана.

Для выяснения механизма изменения разностенности провели экспериментальное исследование по прокатке гильзы в одной паре валков на длинной оправке, в соответствии с правилами теории эксперимента: составили список изучаемых параметров и факторов; с помощью анализа размерностей вывели критерии подобия процес­са, сократив одновременно число переменных; применив математи­ческие методы планирования эксперимента, построили матрицу эксперимента, после реализации и обработки которой получили ма­тематическую модель процесса изменения эксцентричной разностенности и связи ее с различными факторами.

В частности, в результате исследования был установлен опти­мальный температурно-деформационный режим прокатки. Однако данное решение (авт. св. № 555924), как показал последующий его анализ, имеет ограниченные возможности и, будучи прямым след­ствием экспериментальных исследований в условиях поиска опти­мума, не является результатом преодоления технического противо­речия и поэтому не представляет методологического интереса при изучении технического творчества.

Кроме того, было установлено, что большое влияние на изме­нение относительной эксцентричной разностенности оказывает од­новременное действие трех факторов, характеризующих направле­ние скольжения деформируемой трубы по оправке, силы трения на оправке и степень деформации трубы. Если скорость оправки ниже скорости деформируемого металла, то относительная эксцент­ричная разностенность труб снижается пропорционально степени деформации и тем интенсивней, чем выше коэффициент трения на оправке. И наоборот, если оправка движется быстрее металла, то относительная разностенность увеличивается пропорционально сте­пени деформации и величине коэффициента трения на оправке. Выявленный эффект является наиболее существенным способом регулирования разностенности, но конкретные производственные условия таковы, что механизмы для принудительного уменьшения скорости оправки применить нельзя.

Взаимосвязь различных факторов, показателей и технологиче­ских параметров может быть представлена в виде матрицы (рис. 18).

Рис. 18. Матрица взаимосвязи факторов и параметров процесса прокатки трубы в непрерывном стане.

Задача 2

Техническая система состоит из нагретой цилиндрической за­готовки (Э₁), прошивной оправки (Э₂), косо расположенных валков прошивного стана (Э₃) — основные элементы. Имеется также и ряд других элементов: технологические линейки (Э₄), удерживающие заготовку между валками и ограничивающие поперечную деформа­цию; устройства для удержания и центрирования оправки (Э₅); заталкиватель заготовки в валки (Э₆); спрейеры для охлаждения валков и оправки (Э₇) и т. д. (рис.19).

Рис. 19. Матрица взаимодействия элементов (Э) прошивного стана («+»— есть взаимодействие).

Из научно-технической литературы известно, что увеличение деформации в прошивном стане и в особенности до внедрения в заготовку оправки уменьшает разностенность гильзы (лучшая про­работка сердцевины заготовки облегчает внедрение оправки в ме­талл). Однако увеличение степени деформации заготовки перед оп­равкой выше определенной (критической) величины вызывает раз­рушение металла в центре заготовки до раскатки на оправке, что ухудшает качество внутренней поверхности гильз.

Причина разностенности гильз—смещение оправки от оси за­готовки из-за ее упругого изгиба и биения (колебаний) при враще­нии деформируемой заготовки, несимметричного распределения напряжений на контакте оправки с деформируемой заготовкой.

Таблица. 9. Матрица потенциальных изменений свойств элементов технической системы — процесса прошивки

Свойства элементов	Элементы технической системы								Х
	Э1	Э2	Э3	Э4	Э5	Э6	Э7	…
Геометрические и кинематические: размер форма количество частей площадь объем частота вращения скорость ускорение объемный расход Статические и динамические: сила масса плотность момент силы давление градиент давления количество движения энергия мощность динамическая вязкость напряжение нормальное напряжение касательное модуль упругости прочность сопротивление деформации пластичность жесткость Теплотехнические: количество теплоты температура температурный градиент тепловой поток Электротехнические: плотность электрического тока сила тока электрическое напряжение электрическое сопротивление магнитный поток магнитная индукция напряженность электро­магнитного поля	0 0 - 0 0 + + + +   0 0 - 0 0 0 + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0   0 0 0 0   + + + + + + +	0 0 + 0 0 + - - -   - 0 - - - - - - - + - - + + + + 0   0 0 0 0   + + + + + + +	0 0 + 0 0 + + + -   - 0 - 0 - - - 0 0 - - - 0 + 0 0 0   - - 0 0   + + + + + + +	0 0 + + + 0 0 - 0   0 + + - 0 0 - - - - 0 0 0 0 0 0 0   0 0 0 0   + + + + + + +	0 + + + + + + 0 -   + + 0 + 0 0 0 0 0 - 0 0 0 0 0 0 0   + + + +   + + + + + + +	0 0 + 0 0 0 + + -   + + 0 0 + 0 0 + + - 0 0 0 + + + +   0 0 0 0   + + + + + + +	0 0 0 0 0 0 0 0 +   0 0 0 0 0 0 - 0 0 - - - - - - - -   + 0 + +   0 0 0 0 + + +	… … … … … … … … … …   … … … … … … … … … … … … … … … … … …   … … … … …   … … … … … … …	+ +

Анализ потенциальных изменений свойств элементов техниче­ской системы (табл. 9) показывает значительные возможности в изменении многих из наиболее характерных для такого типа систем групп свойств: геометрических и кинематических, статических и динамических, теплотехнических и др.

3адача 3

Техническая система состоит из нагретой деформируемой заго­товки (Э₁), линеек (Э₂), валков (Э₃) —основных элементов, а так­же ряда других элементов (аналогичных элементам задачи 2).

Деформируемый металл заготовки, совершая геликоидальное (винтовое) движение, трется о линейки. Действие значительных сжимающих напряжений на контакте заготовки с линейками, высо­кой температуры заготовки и выделения тепла на контактной по­верхности от трения, а также адгезионного взаимодействия метал­ла заготовки и линейки приводит к тому, что в отдельных местах контактной поверхности происходит сварка металлов этих двух элементов (схватывание). В результате крупные частицы металла заготовки оказываются вырванными из нее и приваренными к по­верхности линейки, образуя резкий выступ (нарост) па ней. Пос­ледний делает на поверхности заготовки глубокие царапины, кото­рые являются причиной брака. Задачу пытались решать подбором материала линеек, однако удовлетворительное решение не было по­лучено.

Анализ потенциальных изменений свойств элементов системы по­казывает, что для линейки важны ее форма и размеры (требуется соответствие форме и размерам части очага деформации), прочность (нужно выдерживать силовое воздействие металла заготовки). Зна­чения этих свойств должны быть неизменны (или изменяться в узких пределах), так как они обеспечивают выполнение основной функции линейки. Возможность из­менения значений свойств заготовки такая же, как в задаче 2 (табл. 10).

Таблица 10. Матрица потенциальных изменений свойств элементов технической системы – процесса удаления окалины

Свойства элементов	Элемент системы			X
	Э1	Э2	Э3
Геометрические и кине­матические: размеры форма количество частей площадь объем частота вращения скорость Статические и динами­ческие: сила масса плотность момент силы давление градиент давления  количество движения энергия, мощность напряжение модуль упругости прочность сопротивление дефор­мации пластичность количество теплоты жесткость Теплотехнические: количество теплоты температура температурный градиент тепловой поток Электротехнические: плотность электриче­ского тока сила тока электрическое на­пряжение электрическое со­противление магнитный поток магнитная индукция напряженность электро­магнитного поля	0 0 - 0 0 + +   0 0 - 0 0 0 0 0 0 - 0 0 0 0     0 0 0 0   + + + + + + +	- - + - - + +   0 0 0 0 + + 0 + + 0 0 0 0 0     + + + +   + + + + + + +	0 0 + + + + +   + + + + + + + + + + 0 0 0 0     + + + +   + + + + + + +	+ +

Задача 4

Окалина на поверх­ности нагретой заготовки представляет собой пори­стый слой окислов метал­ла, не очень прочно со­единенный с основным не­окисленным металлом. При транспортировке по наклонному столу и по роликовому конвейеру окалина осыпается лишь частично. Отдельные уча­стки поверхности заготов­ки, попадая в валки про­катного стана, выходят из него с пятном вдавленной окалины (причина брака).

Применение водяной струи давлением до 10 атм (так называемый паровзрывной способ) улучшает сбив окалины, создавая распирающие усилия между металлом и слоем окислов за счет давления пара. Но от­дельные участки окалины, под которые пар не попа­дает, остаются на поверх­ности заготовки. Установ­ки же для гидросбива с давлением воды около 100 атм. требуют сооруже­ния отдельной насосной станции, что громоздко и дорого и поэтому не всег­да применимо в конкретных условиях.

Рассматриваемая система состоит из нагретой круглой заготов­ки (Э₁), слоя окалины (Э₂) и транспортирующих устройств (Э₃). Анализ потенциальных изменений свойств элементов системы (см. табл. 10) показывает, что значения свойств элементов заготовки могут изменяться в таких же пределах, как и в задачах 2 и 3. Возможности изменения (использования) свойств окалины зна­чительно больше, не изменяются или изменяются в узких пределах значения лишь тех свойств окалины, которые непосредственно связаны с ее материалом (механические свойства) и заготовкой (фор­ма, размеры).