§ 4. ИДЕАЛЬНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ, ПРОТИВОРЕЧИЕ, ИДЕЯ РЕШЕНИЯ

Техническая задача, не решенная с помощью традиционных, стандартных инженерно-конструкторских приемов, подлежит переводу в класс изобретательских задач и последующей обработке. формулировке условий задачи и поиску идеи решения.

Условия изобретательской задачи должны состоять из трех эле­ментов: краткого описания (модели) реальной технической систе­мы и ее недостатка, идеального конечного результата (ИКР) и технического .противоречия, выявленного в результате сравнения этих двух элементов.

Смысл формулировки ИКР заключается ,в том, чтобы получить ориентир для движения .к сильным техническим решениям высокого уровня Идеальное решение наиболее сильное из всех мыслимых и немыслимых решений данной задачи. Очень важно освоить понятия об идеальной машине (машины нет, но требуемое действие выполняется), идеальном способе (расхода энергии и времени нет, но требуемое действие выполняется, причем саморегулированно) идеальном веществе (вещества нет, но его функция выполняется).

При решении изобретательской задачи необходимо максималь­но приблизиться к ИКР, резко улучшить какие-то показатели не ухудшив других. Идеальность решения достигается тем, что нуж­ный эффект достигается «даром», без использования каких бы то ни было средств [9]. Например, идеальный корабль: корабля нет, а груз сам транспортируется. Такие решения существуют - это пло­ты целиком составленные из груза. Близким к ИКР решением яв­ляется змеевидный корабль (англ. пат. № 1403191): небольшая моторная секция (голова) тянет длинный гибкий состав из контейне­ров (туловище).

От формулировки ИКР зависит выбор дальнейшего направле­ния поисков, и следовательно, это один из творческих этапов, оп­ределяющих успех всего решения.

Формулировка ИКР состоит в закреплении желаемого свойства, функции, действия (результата) за каким-либо элементом. Ее мож­но проводить по формуле, предлагаемой АРИЗом, определяя эле­мент который в наибольшей степени поддается изменениям и при­писывая ему желаемый результат,— такая формулировка ИКР зна­чительно сужает направление дальнейшего поиска и ограничивает его рядом конструктивных изменений.

Если же в качестве такого элемента всегда брать «внешнюю сре­ду» (в дальнейшем просто «среду»), то поле поиска расширяется и среди вариантов решения задачи остаются не только конструктив­ные, но и «тонкие» технологические решения, связанные с изменением значения одного из свойств (параметров) элементов системы. Необходимо иметь в виду, что возможности изменения значений свойств «среды» безграничны, и в связи с этим она может приобре­тать форму любого элемента, предмета или явления.

Технические противоречия  будем рассматривать по схеме, пред­лагаемой АРИЗ [9, 20], условно разделяя их по степени конкрети­зации на технические (ТП) и физические (ФП).

ТП будем представлять в виде: «если улучшать параметр А известным путем, то недопустимо ухудшается параметр В» или «элемент А должен выполнять действие В (обладать какими-либо требуемыми свойствами), но он не может его выполнить (не обла­дает требуемыми свойствами)». Например, «если увеличить проч­ность конструкции, то недопустимо возрастет ее вес» или «трубо­провод должен сам регулировать свое сечение, но его внутренняя часть не может сужаться и расширяться».

ФП будем представлять в виде: «элемент А должен выполнять действие B₁ (обладать каким-то свойством) для того, чтобы осуще­ствлялось C₁, но элемент А должен выполнять действие В₂ (обла­дать противоположным свойством) для того, чтобы осуществлялось С₂» или «элемент А (свойство элемента) должен (должно) быть и не должен (не должно) быть». Например, «элемент должен быть проводником для того, чтобы пропускать электрический ток в на­правлении 1, и должен быть диэлектриком для того, чтобы не про­пускать электрический ток в направлении 2» или «электропровод­ность должна быть и ее не должно быть».

После этого осуществляем поиск идеи решения (принципа) дей­ствия, позволяющего разрешить (преодолеть) выявленное проти­воречие.

На уровне ТП поиск идеи решения может, в частности, прово­диться с применением таблицы и списков типовых приемов преодо­ления противоречия [9, 20] и фонда эвристических приемов [29] (см. гл. 4, § 3), а на уровне ФП — с применением фондов и указате­лей физических, физико-химических и прочих эффектов и явлений [9, 29] (см. гл. 4, § 1). На обоих уровнях формулирования усло­вий изобретательской задачи могут применяться аналоги из различ­ных областей техники (см. гл. 4, § 2) и фонд вещественно-полевых преобразований [9, 10] (см.гл.4,§ 4).

При конкретизации идеи решения (переходе от концепции к принципу) обязательно учитывается взаимосвязь многих свойств элементов системы и взаимообусловленность их значений. Напри­мер, вес зависит от массы, масса—от размеров, давление—от температуры и т. д. Эти взаимосвязи могут быть выявлены при анализе свойств, а также путем составления матрицы взаимосвязи свойств элементов, аналогичной матрице связей элементов системы (см. рис. 17—19). Если же идея решения не найдена, то необ­ходимо вернуться к одному из предшествующих этапов. Выбрать другую техническую задачу и все процедуры повторить с ней: еще раз проанализировать, глубже изучить техническую и физическую сущность системы; изменить условия изобретательской задачи.

Рассмотрим содержание этого этапа на примере выбранных на­ми конкретных задач.

Задача 1

Дана система, состоящая из нескольких пар валков непрерыв­ного стана, длинной смазанной свободно перемещаемой оправки и деформируемой трубы. Существует эксцентричная разностенность гильзы, которая после деформации остается и у трубы. Не­обходимо в несколько раз снизить разностенность труб, не изме­няя ее у гильз.

Примечание. Изменение разностенности зависит от условий трения деформируемой трубы с оправкой и степени деформации: при скольжении трубы по оправке вперед и увеличенном коэффи­циенте трения на оправке относительная разностенность уменьша­ется пропорционально степени деформации; при скольжении тру­бы относительно оправки назад, наоборот, она увеличивается.

ИКР: «Среда сама создает условия трения на контакте трубы с оправкой, благоприятствующие снижению разностенности».

ТП: «Среда должна создать условия, при которых деформиру­емая труба в клети стана скользят по оправке вперед при отно­сительно большом коэффициенте трения на оправке, но она не может этого сделать, так как скольжение по оправке вперед про­исходит в последних клетях стана, а назад—в первых клетях (ес­ли в первых клетях стана на оправке будет большой коэффициент трения, то разностенность значительно возрастет)».

ФП: «Коэффициент трения на оправке в последних клетях ста­на должен быть высоким, чтобы уменьшить разностенность, в пер­вых клетях— низким, чтобы она не увеличивалась».

Сокращенный вариант ФП: «Коэффициент трения должен быть высоким и должен быть низким».

Анализ связей факторов и параметров процесса (см. рис. 19) показывает, что величина коэффициента трения определяется тол­щиной слоя или составом технологической смазки. Если взять за основу первый фактор, то для него скорректированный вариант ФП может быть сформулирован так: «Слой смазки на оправке должен быть малым в последних клетях стана и большим в пер­вых клетях стана». Но слой смазки из первых клетей переносится оправкой в последние клети, и толщина его при этом приблизи­тельно одинакова.

Данное противоречие можно разрешить, если в последние кле­ти непрерывного стана придет с тонким слоем смазки участок оправки, на котором труба не деформировалась в первых клетях. Такой участок есть—это передний конец оправки, который вы­двигают из гильзы перед прокаткой (см. рис. 16). На нем передний конец гильзы деформируется только в последних клетях стана; если здесь снизить толщину слоя смазки, то это уменьшит разностенность переднего конца трубы. А этого уже достаточно, так как именно на переднем конце гильзы (и соответственно трубы) дли­ной 0,3—0,7 м (передний конец трубы длиной 1—3 м) эксцентрич­ная раэностенность была в 1,5—3 раза выше, чем на остальной части. Мы не достигаем полного устранения недостатка, но в не­сколько раз снижаем его величину именно в том месте, где она максимальна.

Идея решения такова. Надо на оправке создать переменный по ее длине слой смазки (типовой прием «принцип местного ка­чества»): на переднем конце, выдвинутом из гильзы, — тонкий, а на остальной части — толстый. В такой форме идея решения настолько близка к конкретному техническому решению, что уже поддается правовой защите.

Задача 2

Дана система, состоящая из цилиндрической заготовки, про­шивной оправки и валков, сообщающих заготовке вращательно-поступательное движение. В процессе прошивки оправка откло­няется с оси заготовки, что приводит к появлению разностенности (рис. 20). Необходимо в несколько раз снизить разностенность.

Рис. 20. Схема прошивки сплошной заго­товки в гильзу при смещении оправки от оси заготовки (.7— заготовка; 2— оправка; 3—гильза; 4—валок).

Рассмотрим два варианта решения задачи.

1. Согласно АРИЗ, выберем из элементов системы такой, ко­торый легко изменить. Заготовка исключается—это изделие. В какой-то мере можно изменять инструменты—оправку и валки.

ИКР-1: «Оправка сама центрируется по оси заготовки в процес­се ее прошивки».

ТП-1: «Оправка должна сама держать себя точно посредине между валками (на оси прошивки), но она не может этого делать».

Выполнению ИКР препятствует наружная часть оправки.

Между оправкой и валками есть зазор, в котором оправка ко­леблется. Если бы его не было, т. е. диаметр оправки был бы ра­вен расстоянию между валками, то оправка была бы жестко уста­новлена на оси прошивки и не отклонялась бы от нее. Но зазор нужен для свободного выхода прошитой заготовки, и поэтому оправка должна иметь ди­аметр, меньший расстоя­ния между валками.

ФП-1: «Оправка дол­жна быть большего диа­метра, чтобы обеспечить свою центровку, и долж­на быть малого диамет­ра, чтобы обеспечить вы­ход прошитой заготовки».

Сокращенный вариант ФП-1: «Зазор» между оп­равкой и валками должен быть и его быть не долж­но».

Идея решения —1: В момент внедрения оправки в заготовку кольцевой зазор между валками и оправкой должен быть запол­нен чем-то жестким, а затем освободиться.

2. Сформулируем ИКР, согласно предложению выбирать всег­да для его достижения среду.

ИКР-2: «Среда сама создает условия, при которых оправка дви­жется точно по оси заготовки».

ТП-2: «Среда должна центровать оправку, но она не обла­дает свойствами, позволяющими направлять оправку по оси заго­товки». Таким образом, среде надо создать определенный закон движения оправки в заготовке. Он есть — это закон наименьшего сопротивления (условие минимума энергии): оправка перемеща­ется по такому пути, где ей оказывается наименьшее сопротивле­ние. Но центр заготовки не всегда является таким местом, где со­противление внедрению оправки минимально.

В данном случае сопротивление определяется прочностными свойствами материала заготовки.

ФП-2: «Материал заготовки должен обладать низкими значени­ями прочностных свойств при движении оправки по оси заготовки и одновременно обладать высокими их значениями в стороне от центра заготовки». (Но при этом состав материала нельзя изме­нять).

Сокращенный вариант ФП-2: «Прочность материала должна быть высокая и должна быть низкая».

Анализ взаимосвязи свойств заготовки показывает, что ее проч­ностные свойства непосредственно связаны с теплотехническими (температура, температурный градиент).

Идея решения — 2: нужно по сечению заготовки создать осесимметричный градиент значений прочностных свойств (в цент­ре—низкие, а на периферии—высокие). Этого можно добить­ся, имея в центре более горячий металл, а на периферии—менее горячий.

Задача 3

Дана система, состоящая из деформируемой заготовки, сколь­зящей по неподвижной линейке. Металл заготовки схватывается с материалом линейки из-за его разогрева и силового взаимодей­ствия этих двух элементов. Необходимо устранить схватывание.

ИКР-1: «Среда сама предохраняет заготовку и линейку от схва­тывания при их взаимодействии».

ТП-1: «Среда должна разделять два материала, но она не мо­жет проникнуть между двумя плотно прижатыми элементами».

При этом на заготовку нельзя наносить какой-либо защитный слой для разделения ее с поверхностью линейки, так как анти­фрикционный слой ухудшит захват заготовки валками, а фрик­ционный — приведет к еще большему разогреву и износу ли­неек. Малоэффективен он и на поверхности линейки (быстро истирается).

Недостатка не было бы, если б не было линейки, но в этом случае заготовку нечем будет удерживать в стане.

ФП-1: «Линейка должна быть, чтобы удерживать заготовку, и ее не должно быть, чтобы с ней не схватывался металл заго­товки».

Все-таки линейка необходима, но между ней и заготовкой ну­жен тонкий слой среды, который обеспечивает отвод тепла от ли­нейки и уменьшает их силовое взаимодействие.

ИКР-2: «Среда сама возникает между заготовкой и линейкой при их взаимодействии, уносит с собой выделяющееся тепло и уменьшает трение на линейке».

ТП-2: «Среде надо проникнуть между заготовкой и линейкой, но она не может пройти сквозь них». Заготовка—изделие, его наделять какими-то новыми свойствами трудно.

ФП-2: «Линейка должна быть сплошной для обеспечения проч­ности при взаимодействии с заготовкой и должна быть проницае­мой, чтобы через нее на поверхность вышла среда».

На этом этапе появляется несколько идей решения.

1. Сделать линейку многослойной из изнашиваемого материа­ла, который не допускает схватывания с ним металла. После из­носа одного слоя линейку поджимают к заготовке.

2. Выполнить линейку из пористого материала и подавать че­рез нее охладитель — жидкость или газ, а лучше сжиженный газ.

Вторая идея оригинальней и уже близка к техническому реше­нию. Но у нее тоже есть некоторые недостатки: газовая подушка может в отдельных местах контакта поверхностей заготовки и ли­нейки продавливаться, что опять приведет к их схватыванию.

ФП-3: «Среда должна быть твердой, чтобы надежно предох­ранить линейку от контакта с металлом заготовки, и не должна быть твердой, чтобы проникнуть сквозь пористую линейку на кон­тактную поверхность».

Идея решения: веществу, подаваемому сквозь линейку, нужно быть жидким или газообразным, но на контактной поверхности становиться твердым. Для этого можно, например, воспользовать­ся химическим разложением газа или жидкости под действием вы­сокой температуры заготовки.

Задача 4

Дана система, состоящая из нагретой до высокой температуры круглой заготовки и слоя окалины на ее поверхности. Неудален­ная окалина вдавливается в поверхностный слой заготовки при ее деформации (прокатке), что приводит к браку. Необходимо на­дежно, быстро и дешево удалить слой окалины с заготовки.

ИКР-1: «Среда сама должна оторвать окалину и удалить ее».

ТП-1: «Среда должна оторвать слой окалины, но она не обла­дает этой способностью (не может приложить к ней отрывающую силу)».

Возникает несколько идей. Одна из них — применить для сры­ва окалины магнитное поле. Окалина является ферромагнетиком при температурах, которые лежат ниже точки Кюри (ниже 560— 600°С), и тогда может быть притянута (сорвана) магнитным по­лем. Но металл заготовки (сталь) также является ферромагнетиком при этих температурах, так как точка Кюри для него лежит выше 720°С (для железа она равна 768°С). При воздействии внеш­него магнитного поля на заготовку с окалиной при температурах ниже 600°С собственное магнитное поле заготовки, возникающее под его действием, притянет к себе окалину и не даст ее сорвать.

При температурах выше 600°С окалина не может взаимодейст­вовать с внешним магнитным полем и собственным полем заго­товки, т. е. действие магнитного поля на заготовку не приводит ни к какому результату.

ИКР-2: «Среда сама обеспечивает взаимодействие магнитного поля только с окалиной».

ТП-2: «Среде нужно сделать ферромагнетиком лишь внешний слой заготовки, но она этого не может, так как точка Кюри у внут­ренних слоев выше, чем у наружных».

ФП-2: «Внешний слой заготовки должен иметь температуру ниже 600°С, чтобы обеспечить взаимодействие магнитного поля с окалиной, и должен .иметь температуру выше 720—768°С для то­го, чтобы не было взаимодействия магнитного поля с металлом».

Сокращенный вариант ФП-2: «Внешний слой заготовки должен быть и холодным, и горячим».

Анализ взаимосвязей свойств окалины и металла заготовки по­казывает, что, кроме связи с магнитными свойствами, температура связана с температурным градиентом.

Идея решения: необходимо создать большой температурный градиент по сечению заготовки (резко охладив ее поверхность) и воздействовать на нее внешним магнитным полем.