Методы инженерного творчества

 

4. ПОСТАНОВКА И АНАЛИЗ ЗАДАЧИ

 

4.1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

 

В этой главе дается методика постановки самого широкого класса задач инженерного творчества, когда требуется улучшить известное устройство, называемое прототипом, внеся в него определенные изменения.

Постановка задачи — нелегкая работа. Однако нужно всегда помнить, что правильная постановка творческой инженерной задачи — это половина ее решения. Она часто связана с отсечением многих бесперспективных и тупиковых направлений поиска. Нередки случаи, когда решение задачи находят в процессе ее постановки. Поэтому не следует экономить время на анализ и постановку задачи.

 

Операция 1. Описание проблемной ситуации.

Эта операция представляет собой самую предварительную краткую формулировку задачи, в которой должны содержаться ответы на следующие вопросы:

1. В чем состоит затруднение или проблемная ситуация и какова ее предыстория?

2. Что требуется сделать для устранения проблемной ситуации, т. е. какую потребность нуж-

но удовлетворить?

3. Что мешает устранению проблемной ситуации или достижению цели?

4. Что дает решение задачи для людей, предприятия, народного хозяйства и т. д.?

 

Операция 2. Описание функции (назначения) ТО.

Описание содержит четкую и краткую характеристику технического средства, с помощью которого можно удовлетворить возникшую потребность. Описание функции выполняется в соответствии с рекомендациями п. 1.3 гл. 1 и п. 2.1 гл. 2. При этом рекомендуется давать сначала качественное, а затем количественное описание функции, которую требуется реализовать с помощью разрабатываемого ТО.

 

Операция 3. Выбор прототипа и составление списка требований.

В описании проблемной ситуации часто указывают прототип, который требуется усовершенствовать. Этот исходный прототип обычно приходится брать за основу при поиске улучшенного решения. Кроме этого, рекомендуется выбрать дополнительно еще 1—2 прототипа, имеющих определенные достоинства по сравнению с исходным. При этом в первую очередь используются существующие в практике изделия на уровне лучших мировых образцов, аналогичные технические решения в ведущем классе ТО. Ведущий класс ТО по сравнению с рассматриваемым имеет близкую функцию и более высокий технический уровень.

 

Операция 4. Составление списка недостатков прототипа.

Каждый используемый ТО обычно имеет некоторый список недостатков, устранение которых обеспечивает получение новой улучшенной модификации ТО. При заполнении списка недостатков прототипа необходимо стремиться выявить все недостатки прототипа, которые могут быть устранены в новом изделии, т. е. для каждого прототипа следует указать:

- критерии развития ТО;

- показатели, не соответствующие сформулированной функции;

- факторы, снижающие эффективность или затрудняющие использование прототипа;

- показатели, которые желательно улучшить;

- для каждого критерия, показателя и фактора следует дать по возможности количественную оценку.

 

Операция 5. Предварительная формулировка задачи.

Кратко обобщаются результаты, полученные при выполнении операций 1—4. При этом задача традиционно содержит две части: «дано» и «требуется». Такое обобщение дает комплексное и легко обозримое представление о задаче, что способствует продуктивной работе.

Дано:

а) качественное или количественное (в зависимости от характера задачи) описание функции и ограничений, накладываемых на реализацию функций;

б) перечень и описание возможных прототипов и списки требований к ним;

в) списки недостатков прототипов.

Требуется:

в процессе решения задачи так изменить прототип, т. е. найти такое новое техническое решение, которое бы реализовало интересующую функцию и не имело (или имело в меньшей мере) недостатки, присущие прототипу.

 

4.2. УТОЧНЕННАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

 

Операция 6. Анализ функций прототипа и построение улучшенной конструктивной функциональной структуры.

Анализ функций прототипа и построение его конструктивной ФС выполняется в соответствии с рекомендациями п. 2.1 гл. 2.

После этого проводят корректировку (улучшение) ФС, для чего необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Какие можно ввести новые функциональные элементы, обеспечивающие устранение не- достатков прототипа или существенное повышение эффективности и качества ТО? Дают название таким элементам и описывают их функции.

2. Какие можно исключить элементы для устранения недостатков прототипа или повышения эффективности и качества ТО?

3. Какие элементы целесообразно исключить путем передачи их функций другим элементам?

4. Для каких элементов, имеющих несколько функций, целесообразно разделение функций и введение вместо одного двух или более элементов? Дают названия новым элементам и описывают их функции.

После ответа на перечисленные вопросы строят улучшенную конструктивную ФС. При этом возможны ситуации, когда не удается изменить ФС прототипа или появляется несколько альтернативных улучшенных ФС.

 

Пример анализа функций бытовой электроплитки.

Разделение электроплитки-прототипа на элементы и описание их функций дано в табл. 8 (гл. 2), а изображение конструктивной ФС — на рис. 10.

Поиск улучшенной конструктивной ФС:

- при ответе на вопрос 1) введён «регулятор», который позволяет сократить время нагревания и далее поддерживать кипение при пониженном потреблении энергии;

 

 

Рис. 21. Улучшенный вариант конструктивной ФС бытовой электроплитки

 

-при ответе на вопрос 3) функция элемента Е4 (табл. 8) была передана элементу Е3, в результате чего вместо «огнеупорного элемента» появляется «огнеупорный несущий элемент». Добавлен также регулятор E5 с функцией Ф5 (изменение потребляемой мощности Е0 от электросети Vl), Улучшенная функциональная структура приведена на рис. 21.

 

Операция 7. Анализ функций вышестоящей по иерархии системы.

Почти всегда рассматриваемый ТО можно представить как элемент в другой, более сложной технической системе (например, деталь в узле, узел в машине, машина в технологической линии цеха и т. д.).

Для анализа необходимо:

1. Выделить вышестоящую по иерархии систему, в которой в качестве отдельных элементов (подсистем) выступают рассматриваемой ТО и другие смежные с ним объекты (другие ТО, окружающая среда, человек и т. д.).

2. Описать функции всех элементов, входящих в выделенную систему, и построить конструктивную ФС.

3. Выяснить возможность удовлетворения потребности, т. е.:

- можно ли выполнить функцию рассматриваемого ТО путем внесения изменений в смежные объекты;

- нельзя ли какому-либо смежному объекту частично или полностью передать выполнение функции рассматриваемого ТО;

- что мешает внесению необходимых изменений и нельзя ли устранить мешающие факторы.

4. Сформулировать по аналогии с операцией 5 задачу внесения изменений в смежные объекты.

 

Провести технико-экономическое сравнение первоначальной постановки задачи по операции 5 с задачей внесения изменений в смежные объекты. Если последняя задача более эффективна, то следует проработать ее по операциям 1—6.

 

Операция 8. Выявление причин возникновения недостатков.

Проводятся более углубленный анализ и изучение задачи в направлении выявления причин возникновения недостатков в прототипе, сформулированных при выполнении операции 4.

Следует сопоставить каждый недостаток и причину его возникновения и попытаться ответить на вопрос: можно ли полностью или частично избавиться от недостатка, исключив причину его возникновения?

 

Операция 9. Выявление и анализ противоречий развития.

Улучшение многих ТО связано с преодолением так называемых противоречий развития, которые могут иметь место в следующей типичной ситуации.

Улучшение какого-либо желаемого показателя ТО приводит к существенному ухудшению одного или нескольких других важных показателей (например, увеличение грузоподъемности моста приводит к увеличению расхода материалов; снижение помех от деформации антенны радиотелескопа приводит к резкому повышению стоимости антенны).

Возможно и другое противоречие развития, когда улучшение желаемого показателя ограничено некоторым фактором. Например, увеличение диаметра и частоты вращения бегуна и постава водяной мельницы в средние века ограничивалось прочностью и конструкцией деревянных водяных колес; возрастание быстродействия ЭВМ ограничено скоростью передачи сигналов внутри машины.

 

Операция 10. Уточнение списка прототипов и формирование идеального технического решения.

Операция 11. Улучшение других показателей ТО.

Операция 12. Уточненная постановка задачи.

По форме она излагается, как и предварительная постановка задачи в операции 5.

 

4.3. Составление морфологических таблиц

 

В данном разделе рассмотрена наиболее распространенная модификация метода морфологической комбинаторики, изложенная Цвикки и основанная на функциональном подходе. В качестве признаков берутся функции элементов (узлов, деталей) рассматриваемого ТО, а в качестве альтернативных вариантов – различные способы реализации каждой функции.

Ниже рассмотрен использование морфологического подхода к поиску улучшенных ТО.

 

Заготовка формуляра таблицы. Морфологическую таблицу строят на основе конструктивной ФС. Она состоит из нескольких столбцов, число которых обычно равно числу функциональных элементов. Заглавиями столбцов являются описания функций элементов.

 

В формуляре морфологической таблицы функции Фi лучше располагать в таком порядке, чтобы наиболее конструктивно связанные элементы Ei находились по возможности в соседних столбцах.

 

В процессе подготовки формуляра оценивают возможность и целесообразность заполнения альтернативными вариантами каждого столбца. Это связано с тем, что часто встречаются случаи, когда в ФС прототипа некоторые функциональные элементы или нельзя заменять альтернативными, или не имеет смысла их изменять. Для таких элементов (функций) в морфологической таблице не предусматривают отдельных столбцов.

Морфологическую таблицу иногда целесообразно строить не на основе ФС конкретного прототипа, а на основе обобщения ряда прототипов, выделяя в них характерные функциональные элементы и формулируя для них обобщенные функции, которые становятся заглавиями столбцов морфологической таблицы.

 

Заполнение морфологической таблицы. Альтернативные варианты исполнения или реализации функций в столбце будем обозначать через , где i— порядковый номер столбца-функции (i = 1, 2,...); k—порядковый номер альтернативного варианта в i-ом столбце (k = 1, 2,...).

 

В морфологическую таблицу сначала вносят элементы прототипа. Затем записывают возможные наиболее интересные и эффективные варианты. При подготовке таблиц могут быть использованы:

- собственные знания и результаты опроса специалистов;

- справочники и энциклопедии;

- словари технических функций;

- международный классификатор изобретений и патентные описания по интересующим рубрикам;

- каталоги выставок для поиска технических решений элементов, соответствующих уровню лучших мировых образцов.

 

При заполнении столбцов альтернативными вариантами рекомендуется использовать методы мозговой атаки и метод эвристических приемов. В последнем случае для каждого элемента с помощью эвристических приемов ищут улучшенные варианты его модификаций.

 

Выявление эффективных комбинаций альтернативных вариантов, принадлежащих одному столбцу. В каждом столбце путем объединения двух и более альтернативных вариантов выявляют эффективную (взаимоусиливающую) комбинацию со следующим свойством: она в значительно большей мере устраняет какой-либо недостаток (недостатки) или улучшает критерий качества, чем отдельные альтернативные варианты.

Такие эффективные комбинации записывают в столбец в качестве дополнительных альтернативных вариантов. Так, например, табл. 17(41) можно дополнить следующими альтернативами: для реализации Ф₁— (), () и др.; для Ф2 — (), () и др.; для Ф3, - () и др.

Если описания альтернативных вариантов в морфологической таблице недостаточно ясны, то для них выполняются графические эскизы или даются на отдельном листе дополнительные комментарии.

 

4.4.ВЫБОР НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

 

Определение числа возможных ТР. Выбрать из морфологической таблицы наиболее приемлемые или эффективные комбинации ТР нелегко из-за большого числа комбинаций. Поэтому сначала оценивают число возможных вариантов ТР, которые можно получить (синтезировать) на основе морфологической таблицы:

 

N == n₁ n₂... n_m, (21)

 

где n — число альтернативных вариантов в столбце; m — число столбцов.

 

Сокращение числа альтернативных вариантов в столбцах и числа столбцов. Наиболее эффективные ТР из множества всех возможных вариантов можно выбрать путем последовательного сокращения этого множества за счет отбрасывания наименее эффективных и наименее перспективных ТР. Первое сокращение проводят для выполнения неравенства N £ Nоб.

где N вычисляется по формуле (21); Nоб — некоторое обозримое число возможных вариантов ТР. Для относительно простых технических объектов, для которых сравнение двух любых вариантов ТР занимает в среднем не более 10 с, можно принять Noб = 10 000. Для сложных объектов Noб = 1000. Если по формуле (21) получают N > Noб, то в каждом столбце проводят сравнительный анализ альтернативных вариантов для выявления среди них наилучших и наихудших по степени удовлетворения основным требованиям, по степени снижения недостатков прототипа и улучшения его критериев качества. Отбрасывая наихудшие альтернативные варианты в каждом столбце, можно добиться N £ Nоб.

Другой путь уменьшения числа N заключается в сокращении числа столбцов в морфологической таблице. При этом среди всех столбцов (функциональных элементов) выделяют главные или основные, которые решающим образом влияют на эффективность и качество изделия, а также самые второстепенные и малозначащие функциональные узлы, которые можно исключать.

 

Сокращение множества возможных вариантов ТР путем исключения наихудших комбинаций элементов. В морфологической таблице, имеющей N £ Nоб, можно последовательно по разным правилам синтезировать (составлять) варианты ТР и сравнивать их между собой для выбора наилучших. Однако такой способ, несмотря на его простоту, является весьма трудоемким. Поэтому здесь предлагается более экономная процедура сокращения числа вариантов.

При выполнении этой процедуры образуют различные альтернативные комбинации из нескольких элементов и исключают из них наихудшие. К наихудшим комбинациям относятся нереализуемые или несовместимые комбинации, трудно реализуемые и наиболее дорогие по затратам комбинации,

 

 

а также комбинации, в наименьшей мере устраняющие недостатки прототипа или улучшающие критерий качества и т. п. Опишем эту процедуру, используя абстрактный пример (абстрактную морфологическую табл. 17/41).

1. В исходной морфологической табл. 17/41 выбираем два столбца, имеющих наименьшее число альтернативных вариантов, и образуем из их элементов все возможные парные комбинации (табл. 18/42). Пусть в нашем абстрактном примере обе комбинации—допустимые и равноценные, потому ни одну из них не относим к наихудшим и не исключаем.

2. Выбираем из табл. 17/41 следующий столбец с наименьшим числом альтернатив— столбец Ф2. С помощью вариантов этого столбца и допустимых комбинаций из табл. 18/42 образуем все возможные комбинации из трех элементов (табл. 19/43). Сравнительный анализ этих комбинаций позволил три из них отнести к наихудшим и исключить.

3. Выбираем из табл. 17/41 — следующий столбец с наименьшим числом альтернатив — столбец Ф1 и с помощью оставшихся допустимых комбинаций из табл. 19/43 образуем все возможные комбинации из четырех элементов (табл. 20/44). Поскольку комбинации легко образуются мысленно, то их не обязательно выписывать в клетках таблицы. В табл. 20/44 на основе сравнительного анализа зачеркнуты клетки с наихудшими комбинациями.

По аналогии с п. 1—3 образуем таблицы вариантов до последнего столбца, имеющего наибольшее число альтернатив. В последней таблице (после исключения наихудших) остается множество допустимых вариантов ТР. Если допустимых вариантов окажется довольно много, то проводят сокращение по дополнительным наиболее важным показателям (надежность, расход энергии или дефицитных материалов, трудоемкость и т. д.).

 

Выбор наиболее эффективных вариантов ТР. Множество допустимых вариантов ТР, полученное после сокращения множества возможных вариантов ТР путем исключения наихудших комбинаций элементов, упорядочивают по критерию качества от лучших к худшим. При равных или близких значениях критерия качества в упорядочиваемых вариантах учитывают степень устранения недостатков в прототипе. После упорядочивания выбирают 3—5 наиболее эффективных вариантов ТР для дальнейшей проработки.

Если упорядочение и выбор наиболее эффективных вариантов ТР вызывает затруднения, то рекомендуется воспользоваться таблицей сравнения вариантов, в которой дается обзорная сравнительная расчетно-экспертная оценка вариантов. Фрагмент такой сравнительной оценки для одного аппарата приведен в табл. 21.

Таблица 21

Сравнительная оценка вариантов

Показатели сравнения	Варианты ТР
S1	S2	S3
Затраты меди, кг	26,2	21,5	34,0
Трудоемкость сборки	Высокая	Средняя	Низкая
КПД	0,89	0,92	0,94
Внешний вид	Некрасивый	Красивый	Удовлетворительный

 

 

Оформление предварительных эскизов ТР и их описание. Для выбранных выше вариантов дают краткое их описание с приведением схем и эскизов, как это принято в патентных описаниях.

После составления предварительных эскизов проводят более детальную конструкторскую проработку найденных ТР с учетом дополнительного списка требований (надежность работы, удобство обслуживания, трудоемкость изготовления, расход энергии и дефицитных материалов, общая стоимость и т. д.). При этом отдельные наиболее важные и сложные элементы могут быть рассмотрены и проработаны по данной методике в соответствии с рекомендациями, приведенными выше.

Дополнительные рекомендации по дальнейшей проработке полученных ТР даны в прил. 5 (этапы 5—7).

Замечание 1. Если в морфологической табл. 17/41 полифункциональные элементы выполняют одновременно несколько функций, то для них иногда целесообразно составлять отдельно наборы

альтернативных средств реализации каждой функции или меньшего числа функций. После этого для получения более эффективных вариантов ТР нужно попробовать заменить полифункциональные элементы на элементы, реализующие отдельные функции или меньшее число функций.

Замечание 2. При решении задач методом морфологического анализа и синтеза часто имеет большой практический смысл использовать только готовые элементы. В этих случаях морфологическая таблица заполняется наименованиями только стандартных, унифицированных и серийно производимых элементов, для которых известны такие показатели, как стоимость, масса и т. д. Синтезируемые в этой таблице допустимые варианты, как правило, легко и быстро изготовляются и осваиваются на практике. Наилучший вариант - легко выбирать по суммарным показателям стоимости, массы и т. п.

 

4.5.ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

 

1. Описание проблемной ситуации. Описание выполняется по этапам.

Этап 1. Индивидуальные бытовые электроплитки имеют низкий КПД (30—40 %) и по сравнению с газовой плитой чрезмерно большое время Т_К доведения до кипения воды с начальной температурой 10—20 °С.

Этап 2. Необходимо создать электроплитку с КПД 60—80 % и временем Т_К не большим, чем у газовой плитки.

Этап 3. Низкий КПД связан с большими потерями теплоты, идущей на нагревание элементов плитки и окружающего пространства. Большое время Т_К обусловлено в первую очередь с предварительным нагреванием элементов плитки и ее низким КПД.

Этап 4. Устранение указанных недостатков электроплитки позволит получить значительную экономию электроэнергии и времени на приготовление еды, а также заменить менее гигиеничные и более опасные газовые плитки на электроплитки.

 

 

Рис. 22. Бытовая электроплитка