Теоретические основы инженерного творчества

 

1. ОСНОВНЫЕ ИНВАРИАНТНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕХНИКИ

 

1.1. О ПРИНЦИПАХ ВЫБОРА ПОНЯТИЙ

 

В основе любой сформировавшейся научной или учебной дисциплины лежит относительно небольшой набор четко определенных понятий, которые служат строительными блоками всего здания определенного раздела науки. Эти понятия, как правило, связаны между собой и с понятиями фундаментальных наук.

 

В настоящей главе сделана попытка определить основные понятия техники в рамках обобщенных методов ИТ. Система таких понятий позволит рассуждать на одном языке о разных объектах техники и достаточно четко сопоставлять их свойства.

 

При формировании основных понятий руководствовались следующими принципами:

- каждое понятие должно иметь отношение ко всем известным (или почти ко всем) техническим объектам (ТО) и методам ИТ, в чем и заключается инвариантность понятия;

- понятия должны описывать основные свойства ТО, с которыми приходится иметь дело при проектировании, конструировании и изучении ТО;

- понятия должны описывать по возможности измеримые свойства ТО, имеющие количественную характеристику;

- вводимые понятия должны в наибольшей мере использовать и учитывать сложившуюся в технических науках терминологию;

- число основных понятий должно быть минимальным.

 

Правильно выбранные и правильно определенные понятия живут, можно сказать, вечно в соответствующей дисциплине и способствуют ее прогрессивному развитию. К таковым можно отнести, например, понятия вида и рода, органа и клетки, гена и экологической ниши в биологии, массы и ускорения, электрического заряда и напряженности поля, атома и электрона в физике и т. д. Введение ошибочных понятий, напротив, затормаживает развитие науки или способствует возникновению ложных построений, которые затем отбрасываются.

 

1.2.ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ И ТЕХНОЛОГИЯ

 

Результатами ИТ чаще всего являются новые, более совершенные и эффективные технические объекты и технологии или, выражаясь языком патентоведов, новые устройства и способы.

Техническим объектом (ТО) будем называть созданное человеком или автоматом реально существующее устройство, предназначенное для решения определенной потребности.

 

К ТО можно отнести отдельные машины, аппараты, приборы, ручные орудия труда, одежду, здания, сооружения и тому подобные устройства, выполняющие определенную функцию (операцию) по преобразованию объектов живой и неживой природы, энергии или информационных сигналов. К ТО будем также относить любой из элементов (агрегат, блок, узел, деталь), из которых состоят машины, аппараты, приборы, а также любой из комплексов взаимосвязанных машин, аппаратов, приборов. Это может быть технологическая линия, цех, завод и т. п.

Как видно из определения, ТО представляет собой весьма широкое понятие. Так, например, к ТО можно отнести самолет и кофемолку, мачту ЛЭП и лопату, ЭВМ и туфли, завод и выпускаемые им болты и гайки.

 

Как синоним понятия «технический объект» в литературе часто используют еще понятие «техническая система».

Существует иерархическое соподчинение ТО различных уровней. Так, например, машины или станки, являющиеся элементами технологической линии или цеха, могут быть разделены на агрегаты или блоки, которые, в свою очередь, состоят из узлов и деталей. В связи с этим введем понятие надсистемы, которое используется в ряде методов ИТ. Почти у любого ТО существует надсистема, т. е. другой ТО, в который он функционально включается или входит как отдельный элемент.

 

Обработка вещества, энергии или сигналов представляет собой выполнение с помощью ТО некоторой определенной последовательности операций.

 

Технологией будем называть способ, метод или программу преобразования вещества, энергии или информационных сигналов из заданного начального состояния в зaданное конечное состояние с помощью определеных ТО.

 

Разнообразие технологий так же велико, как и разнообразие ТО, и благодаря ИТ продолжает быстро возрастать. Существуют технология добычи угля открытым способом, различные технологии изготовления болтов и гаек, технологии изготовления блинов или тортов и т. д.

 

1.3. ИЕРАРХИЯ ОПИСАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

 

Каждый ТО может быть представлен описаниями, характеризующими иерархическую соподчиненность. Описания характеризуются двумя свойствами:

- каждое последующее описание является более детальным и более полно характеризует ТО по сравнению с предыдущим;

- каждое последующее описание включает в себя предыдущее.

 

Такие свойства имеют следующие описания: потребность или функция ТО, техническая функция (ТФ), функциональная структура (ФС), физический принцип действия (ФПД), техническое решение (ТР), проект. Иерархия этих описаний показана на рис. 1.

 

 

Рис. 1. Иерархия описаний ТО

 

 

Потребность. Это общепринятое и краткое описание на естественном языке назначения ТО или цели его создания (существования).

 

При описании потребности отвечают на вопрос: «Что (какой результат) желательно иметь (получить) и каким особым условиям и ограничениям при этом нужно удовлетворить?». Если рассматривать более детально описание потребности, то оно должно включать следующую информацию:

- необходимое действие (наименование действия);

- объект (предмет обработки), на которое направлено это действие;

- особые условия и ограничения.

Описание потребности формализовано можно представить в виде трех компонент:

 

Р = (D, G, Н), (1)

 

где: D — указание действия, производимого рассматриваемым ТО и приводящего к желаемому результату, т. е. к удовлетворению (реализации) интересующей потребности; G — указание объекта или предмета обработки, на который направлено действие D; H — указание особых условий и ограничений, при которых выполняется действие D.

В табл. 1 приведены примеры покомпонентного описания потребности.

 

Таблица 1

Примеры описания потребности

Наименование ТО	D	G	H
Светильник	освещение (освещает)	помещение (помещение)
Электроплитка	нагревание (нагревает)	емкость с жидкостью
Мельница	размалывание (размалывает)	зерна (зерно)	на муку
Грузовой автомобиль	перевозка (перевозит)	грузы (груз)	по дороге
Путепровод	обеспечение движения (обеспечивает движение)	автомобили (автомобиль)	через препятствие
Термометр	измерение (измеряет)	температуры среды (температура среды)	—

 

Наряду с понятием потребности в инженерной практике также широко используется понятие функции ТО.

 

Различие между потребностью и функцией:

- Понятие потребности всегда связано с человеком или автоматом (коллективом людей, автоматов), поставившим задачу реализации потребности и выполняющим проектирование соответствующего ТО и его изготовление;

- Понятие функции всегда связано с ТО, реализующим эту потребность.

 

В связи с этим интересно отметить, что человек часто выступает в двух качествах: как субъект, формулирующий потребность, и как элемент ТО, реализующий эту потребность. Мы будем отличать эти понятия только тем, что в описании потребности действия будем пользоваться отглагольным существительным, а функции — глаголом. В табл.1 в скобках указаны описания функции.

Техническая функция (ТФ). Описание ТФ содержит следующую информацию:

- потребность, которую может удовлетворить ТО;

- физическая операция (физическое превращение, преобразование), с помощью которой реализуются потребности).

Таким образом, описание ТФ состоит из двух частей:

 

F = (Р Q), (2)

 

Где: Р — удовлетворяемая потребность, описываемая по формуле (1); Q — физическая операция.

 

Описание физической операции (ФО) формализовано можно представить состоящим из трех компонент:

 

Q=(Aт, Е, Ст), или Q=(Aт ® E ® Cт), (3)

 

Где: Aт, Cт — соответственно входной или выходной поток (фактор) вещества, энергии или сигналов; Е — наименование операции Коллера по превращению Ат в Ст. Это описание отвечает на вопросы «что» (Ат), «как» (Е), «во что» (Ст,) преобразуется с помощью описываемого ТО. Число входов Ат, действий Е и выходов Ст, в общем случае произвольное. Иначе говоря, под физической операцией будем подразумевать физическое преобразование заданного входного потока, или фактора, в выходной поток (фактор). В табл. 2 приведены примеры описания ФО для ТО, указанных в табл. 1.

 

 

Таблица 2

Примеры описания физических операций

Наименование ТО	Ат	Е	Gт
Светильник	Электрический ток	Преобразование	Световой поток
Электроплитка	Электрический ток	Преобразование	Теплота
Мельница	Зерно + механическая энергия	Соединение	Мука
Грузовой автомобиль	Топливо	Преобразование	Движение груза
Путепровод	Масса транспорта (воспринимает проезжая часть)	Передача	Масса транспорта (воспринимают устои моста)
Электрический термометр	Температура среды	Преобразование и сравнение	Электрический ток

 

Компонента Е в описании ФО должна обозначать действие, производимое над входным потоком (фактором), которое превращает Ат в Ст. Р. Коллер предложил 12 пар операций Е (табл. 3), которые, по его мнению, позволяют описывать ФО любого ТО или его элемента независимо от их физического принципа действия.

 

Таблица 3

Список операций Коллера Е

 

№	Наименование прямой операции Е	Обобщенная структурная формула	Наименование обратной операции Е	Обобщенная структурная формула
	Излучение		Поглощение
	Проводимость		Изолирование
	Сбор		Рассеяние
	Проведение		Непроведение
	Преобразование		Обратное преобразование
	Увеличение		Уменьшение
	Изменение направления		Изменение направления
	Выравнивание		Колебания
	Связь		Прерывание
	Соединение		Разъединение
	Объединение		Разделение
	Накопление		Выдача

 

Дополнительные операции Е

 

	Отображение		Обратное отображение
	Фиксирование		Расфиксирование

 

В табл. 3 приняты следующие обозначения:

G_A, G_B — два качественно отличающихся вида энергии, вещества или сигнала, имеющих различные свойства, измеряемые различными физическими величинами;

G_A1, G_A2 — два количественно отличающихся состояния энергии, вещества или сигнала, измеряемые одной и той же физической величиной;

G_AB — энергия, вещество или сигнал, представляющие собой композицию из двух разнородных компонент G_A, G_В, имеющих качественное различие;

G_A1+А2 — энергия, вещество или сигнал, представляющие собой композицию из двух однородных компонент G_A1, G_A2, различающихся количественно.

 

В операциях 10, 11 может участвовать и более двух компонент. При построении цепочек, комбинирующих различные основные операции, индексы в структурных формулах выбирают исходя из логики преобразования потоков энергии, веществ или сигналов.

Для облегчения выбора наиболее подходящей операции Коллера из табл. 3 в приложении 1 даны характеристика и отличительные признаки каждой операции. Сразу же заметим, что, несмотря на пояснения в приложении 1, в некоторых случаях невозможно однозначно указать наиболее подходящую операцию Коллера. В этих случаях не следует затруднять себя выбором и обоснованием единственно правильной операции Е, а нужно брать ту, которая по интуитивным соображениям кажется более верной. При этом ошибочный выбор наименования Е не будет иметь «роковых» последствий.

Проведенная проверка полноты предложенного Р. Коллером списка операций Е показала, что может встретиться ТО, для которого более уместны будут другие операции Е. Поэтому при затруднениях в выборе операции из списка Коллера (табл. 3) можно давать свое подходящее наименование и обозначение. В связи с этим в табл. 3 даны две часто встречающиеся дополнительные операции Ё под номерами 13 и 14, а их пояснение также приведено в приложении 1.

 

Функциональная структура (ФС). Подавляющее большинство ТО состоит из нескольких элементов (агрегатов, блоков, узлов) и может быть естественным образом разделены на части. Каждый элемент как самостоятельный ТО выполняет определенную функцию и реализует определенную физическую операцию (ФО), т. е. между элементами имеют место два вида связей и соответственно два вида их структурной организации.

 

Во-первых, элементы имеют определенные функциональные связи друг с другом, которые образуют конструктивную функциональную структуру.

 

Конструктивная ФС представляет собой ориентированный граф, вершинами которого являются наименования элементов, а ребрами - функции элементов.

V1 втулка колеса

V2 ось колеса

 

Пример:

Е1 наружное кольцо

Е0 шарик

Е2 Внутреннее кольцо

Е3 Сепаратор

 

 

Рис. 2. Конструктивная ФС шарикоподшипника

 

Во-вторых, кроме функциональных связей, между элементами ТО имеются еще потоковые связи, т. е. элементы, реализуя определенные физические операции, образуют поток преобразуемых или превращаемых веществ, энергии, сигналов или других факторов.

 

Например: 1. В прокатном стане на входе такого потока имеются заготовки сечением 200х200 мм, а на выходе — стальная лента толщиной 1 мм, шириной 2 м;

2. В гидроэлектростанции на входе — поток воды с напором 20 м и расходом 150 м³/с, а на выходе — электрический ток напряжением 380 В и частотой 50 Гц.

Такие потоки определенным образом объединяют и связывают элементы ТО и соответственно их ФО. В сложных ТО часто присутствуют несколько взаимосвязанных потоков.

 

Взаимосвязанный набор ФО, реализующих один определенный поток преобразований вещества, энергии или сигналов, либо несколько взаимосвязанных потоков будем называть потоковой функциональной структурой.

Потоковая ФС представляет собой граф, вершинами которого являются наименования элементов ТО или наименования операций Коллера Е, а ребрами — входные Aт и выходные Ст потоки (факторы).

Различают две разновидности потоковой ФС:

- конкретизированная потоковая ФС, у которой в вершинах графа указаны наименования элементов;

- абстрагированная потоковая ФС, у которой в вершинах графа указаны наименования операций Коллера.

Таким образом, существуют функциональные структуры ТО двух видов: конструктивная ФС и потоковая ФС, которые дополняют друг друга. При решении различных прикладных задач (конструирования, обучения и т. д.) используют или только конструктивную ФС, или потоковую ФС, или одновременно обе разновидности.

В потоковой ФС каждый элемент реализует определенную ФО. Такая реализация происходит на основе одного или нескольких физико-технических эффектов.

Под физико-техническими эффектами будем понимать различные приложения физических законов, закономерностей и следствий из них, физические эффекты и явления, которые могут быть использованы в технических устройствах. Как правило, в физико-технических эффектах имеет место определенная причинно-следственная связь между «входом» и «выходом». Физико-технический эффект должен иметь стандартное формализованное (имеющее определенную структуру) описание, удобное для технических приложений и машинной обработки.

Наиболее обобщенное качественное описание физико-технического эффекта состоит из трех компонент:

(А, В, С) или (А ® В ® С), (4)

 

где: А — входной поток вещества, энергии или сигналов;

С — выходной поток;

В — физический объект, обеспечивающий или осуществляющий преобразование А в С.

 

Для входного А и выходного С потоков, так же как и для компонент Ат, Ст в формуле (3), можно указать носители потоков и их качественные и количественные характеристики. В табл. 4 приведены примеры описания физико-технических эффектов по формуле (4).

Таблица 4

Примеры описания физических эффектов

Наименование физико-технического эффекта	А	В	С
Закон Гука	Сила	Твердое тело	Линейная деформация
Закон Джоуля Ленца	Электрический ток	Проводник	Теплота
Термоэлектронная эмиссия	Теплота (нагревание)	Оксидная суспензия	Поток электронов
Пьезоэлектрический эффект	Деформация (сила)	Пьезо кристалл	Электрическое поле
Ультразвуковой капиллярный эффект	Ультразвук	Жидкость в капилляре	Подъем жидкости

 

Главная трудность состоит в том, что инженер обычно знает до 200, а достаточно свободно использует не более 100 ФТЭ, хотя в научно-технической литературе их описано более 3000. Кроме того, в связи с возрастающими темпами развития науки и техники, число ФТЭ постоянно увеличивается. Таким образом, в наше время у разработчиков новой техники существует очень большой и возрастающий дефицит информации, необходимой для решения задач поиска новых ФПД.

 

В основе поиска лежит база данных, в которой каждый ФТЭ имеет трехуровневое описание. На первом уровне дается самое короткое качественное описание ФТЭ. Определение компонент и примеры описания на первом уровне даны ранее.

Второй уровень — это стандартная карта описания ФТЭ размером в одну страницу, где дается наиболее важная и легко обозримая информация о ФТЭ и его использование в технике. В табл. 5 приведен пример карты описания эффекта теплового расширения, из которого понятно содержание рубрик описания, а также видно, что первый уровень описания включается в карту описания.

 

Таблица 5

Пример карты описания физико-технических эффектов (ФТЭ)

 

Тепловое расширение твердых тел	3—21
Тепловое расширение
Основные компоненты ФТЭ Температура Деформация Изменение ¾¾¾¾® Твердое тело ¾¾¾® Относительная температуры деформация
Сущность и схема ФТЭ	Математическая модель ФТЭ
Тепловое расширение твердых тел связано с несимметричностью (ангармонизмом) тепловых колебаний атомов, благодаря чему межатомные расстояния с ростом температуры увеличиваются, что приводит к изменению линейных размеров тела	e = a DТ,
где e = D l / l 1 — относительное удлинение (D l = l 2- l 1 l 2 и l 1 — линейные размеры тела соответственно при температурах T1 и Т2 (DТ = Т2 — Т1,); a — коэффициент линейного расширения (берется из таблицы)
	Существование обратного ФТЭ
Нет
Диапазоны изменения	Применение ФТЭ в технике
Диапазоны температур T1 и Т2 должны принадлежать одной аллотропической модификации и быть меньше температуры плавления	В приборостроении, электротехнической промышленности, энергетике; при конструировании установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях, а также использующих тепловое расширение тел

 

Третий уровень описания совместно с информацией второго уровня дает более подробное описание ФТЭ, объем которого обычно составляет 5—10 машинописных страниц.

 

Третий уровень имеет следующие рубрики описания ФТЭ:

 

1. Наименование ФТЭ.

2. Наименование физических законов и явлений, на которых основан ФТЭ.

3. Вход А.

4. Объект В.

5. Выход С.

6. Сущность и схема ФТЭ.

7. Математическая модель ФТЭ.

8. Существование обратного ФТЭ.

9. Применение ФТЭ в технике.

10. Инженерно-технические характеристики ФТЭ.

11. Дополнительная полезная информация.

12. Карта описания ФТЭ.

13. Список литературы, где дано более подробное описание ФТЭ.

 

 

Система автоматизированного синтеза ФПД имеет два варианта: для учебных целей и для промышленного использования. База данных системы первого варианта содержит около 200 ФТЭ на первом и втором уровнях описания. В настоящей главе изложено содержание только учебной системы и методика ее использования. В приложении 3 приведен фонд ФТЭ этой системы.

 

Физический принцип действия (ФПД).

Под ФПД будем понимать ориентированный граф, вершинами которого являются наименования физических объектов В, а ребрами входные А и выходные С потоки вещества, энергии и сигналов. Таким образом, во многих случаях ФПД легко построить с помощью потоковой ФС путем замены наименований элементов или физических операций на наименования объектов

 

Описание ФПД, как правило, содержит изображение принципиальной схемы ТО, в которой в упрощенно-идеализированной форме показаны основные конструктивные элементы, обеспечивающие реализацию ФПД, и указаны направления потоков и основные физические величины, характеризующие используемые физико-технические эффекты. Принципиальная схема облегчает последующую разработку (конструирование) технического решения.

 

Техническое решение (ТР). Оно представляет собой конструктивное оформление ФПД или ФС.

 

ТР конкретного ТО, как правило, описывается в виде двухуровневой структуры через характерные признаки ТО в целом и его элементов. При этом используют следующие группы признаков:

- указание (перечень) основных элементов;

- взаимное расположение элементов в пространстве;

- способы и средства соединения и связи элементов между собой;

- последовательность взаимодействия элементов во времени;

- особенности конструктивного исполнения элементов (геометрическая форма, материал и т. д.);

- принципиально важные соотношения параметров ТО в целом или отдельных элементов.

 

В зависимости от вида рассматриваемого ТО элементом может быть часть детали, деталь, узел, блок, агрегат, техническая система (ТС), комплекс ТС. При описании ТР некоторых ТО может использоваться только часть признаков.

ТР конкретного ТО может быть описано с любой степенью детализации. Для этого используют иерархический набор двухуровневых описаний ТР, т. е. сначала описывают ТР устройства в целом, затем ТР каждого блока, затем — каждого узла и т. д. Описание ТР на естественном языке, как правило, дополняют его графическим изображением.

 

Способы описания ТР достаточно хорошо разработаны и изложены в методических и инструктивных материалах по патентоведению, поскольку во всех патентах и авторских свидетельствах на устройства дает описание ТР прототипа и нового решения.

 

Для большей ясности рассматриваемого понятия приведем следующий пример (фрагмент) описания ТР широко известного ТО.

 

 

Рис. 3. Дорожный велосипед

 

Дорожный велосипед (рис. 3) состоит из следующих элементов:

переднего колеса 1, на ось которого опираются концы вилки 2;

передней вилки 2, соединенной с рамой шарниром 3, обеспечивающим поворот вилки вокруг вертикальной (или близкой к вертикальной) оси;

руля 4, жестко соединенного с вилкой 2;

ромбовидной рамы 5, сваренной из металлических трубок, и имеющихся сзади вилок 7, 10, концы которых соединены между собой;

седла 6, жестко соединенного с верхним узлом рамы;

педалей 9, соединенных цепной передачей 8 с задним колесом;

заднего колеса 11, на ось которого опираются концы вилок 7, 10.

При вращении педалей 9 вращающий момент посредством цепной передачи 8 передается от оси педалей на заднее колесо, которое служит движителем и обеспечивает движение велосипеда с сидящим на нем человеком. Руль 4 обеспечивает управление движением на поворотах.

Если требуется более детальное описание велосипеда, то аналогично описывают ТР выделенных элементов. Например, переднее колесо состоит из оси, опирающейся через два шарикоподшипника на втулку, металлического обода с резиновой пневмошиной, 36 спиц, соединяющих с предварительным натяжением втулку с ободом. Здесь ввиду простоты и ясности изображение колеса не дается.

 

ТР представляет собой как бы безразмерное описание ТО, которое может иметь самые различные реализации по параметрам. К параметрам будем относить размеры ТО и его элементов, количественные характеристики входных и выходных потоков и другие важные измеряемые свойства ТО. Например, асинхронный электродвигатель при одинаковом ТР имеет десятки модификаций по размерам, силе тока, напряжению, частоте тока, частоте вращения, мощности и другим параметрам.

 

 

Проект. В отличие от технического решения в проекте указываются значения параметров ТО и всех элементов до деталей. Он содержит всю необходимую информацию для изготовления и эксплуатации ТО. В зависимости от сложности ТО описание проекта составляет от нескольких до сотен томов, т. е. проекты ТС — это многотомные уникальные собрания сочинений, недоступные широкому читателю, но, как правило, осязаемые в виде готовых изделий и сооружений.

 

Следует отметить, что здесь под проектом подразумеваются рабочие чертежи и конструкторская документация. Для сложного ТО часто предварительно разрабатывают менее детальные проекты (техническое предложение, эскизный проект, технический проект и т. д.). В этих промежуточных проектах степень детальности описания ТР обычно возрастает от технического предложения к рабочим чертежам. С понижением сложности ТО число промежуточных проектов сокращается.

 

1.4. СИСТЕМАТИКА ЗАДАЧ ПОИСКА И ВЫБОРА

ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ

 

При разработке любого ТО, когда ставится цель получить изделие выше уровня лучших мировых образцов, конструктору предстоит решить иерархическую последовательность задач выбора проектно-конструкторских решений. Эта последовательность имеет полное соответствие с иерархией описаний ТО (рис. 1).

Рассмотрим различные типы задач.

 

1. Составление или уточнение описания потребности (функции). Наряду с качественным описанием указывают основные количественные характеристики действия Z, объекта G, условий и ограничений Н.

2. Выбор ФО. Чаще всего для реализации одной и той же потребности существует несколько альтернативных ФО (рис. 4,5). Проектировщику предстоит выбрать наиболее перспективную из них.

3. Выбор ФС. Для реализации одной и той же технической функции исходя из описаний потребности и ФО и с учетом ФС близких и аналогичных ТО возможно построение нескольких альтернативных ФС (см. рис. 4) предстоит выбрать наиболее рациональную.

 

Рис. 4. Иерархия задач выбора проектно-конструкторских решений

 

4. Выбор ФПД. У одной и той же потоковой ФС различные элементы могут быть реализованы на основе различных физико-технических эффектов. В связи с этим иногда может быть синтезировано большое число возможных ФПД, из которых также предстоит выбрать наиболее эффективный вариант (см. рис. 4,5).

5. Выбор ТР. Один и тот же ФПД может быть реализован несколькими, а иногда очень большим числом (сотни и тысячи) практически приемлемых вариантов ТР, из которых предстоит выбрать лучшее решение (см. рис. 4,5).

6. Выбор параметров ТО и его элементов. При решении этой задачи ставят и решают иерархическую последовательность подзадач поиска и выбора оптимальных параметров ТО и его элементов. В каждой такой подзадаче производится выбор по существу на бесконечном множестве возможных вариантов (см. рис. 4,5).

 

Хотя все эти типы задач можно отнести к творческим инженерным задачам, однако наиболее ярко выраженную принадлежность к таковым имеют задачи типов 3—5.

 

Выделенные типы задач и последовательность их решения имеют определенную идеализацию и условность, поскольку на практике проектирование и конструирование идут итерационно с многочисленными возвратами, а решение смежных задач часто совмещается.

 

Перечисленные задачи поиска и выбора проектно-конструкторских решений имеют одно интересное свойство. С повышением уровня задачи (от типа 6 до типа 1) ее успешное решение дает больший экономический эффект, вызывает более заметный технический прогресс в данной области и обеспечивает разработку изделий с большим сроком морального старения. Так, например, решение задачи 6 обычно улучшает интересующие технико-экономические показатели изделий на 10—15 %, решение задачи 5 — на 20—30 %, задачи 4 — на 30—50 % (иногда в несколько раз). Еще более важным оказываются изобретение и обоснование новых ФО и потребностей.

 

 

Рис, 5. Пример иерархии или систематики ТО

 

 

1.5. ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА

 

Каждый ТО находится в определенном взаимодействии с окружающей средой. Для конкретного ТО в качестве окружающей среды могут выступать его надсистема, объекты неживой и живой природы и другие ТО, которые находятся в функциональном или вынужденном взаимодействии с рассматриваемым ТО и оказывают заметное влияние на его проектно-конструкторское решение.

Взаимодействие ТО и окружающей среды может происходить по нескольким каналам связи, которые легко расчленить на две группы.

Первая группа включает потоки вещества, энергии и сигналов, передаваемые от окружающей среды к техническому объекту. К ним относятся (рис. 6):

A_T — функционально обусловленные входные воздействия (входные потоки в ТО);

А_В — вынужденные входные воздействия (температура, влажность, пыль, деятельность насекомых и т. д.).

Вторая группа — это потоки, которые передаются от ТО окружающей среде (рис. 6):

Ст — функционально обусловленные выходные воздействия (выходные потоки в ФО);

СЕ — вынужденные выходные воздействия (загрязнение воды, земли и воздуха, токи СВЧ и т. д.).

 

ТО

АВ

GТ

GВ

АТ

 

 

Рис. 6. Взаимодействие ТО с окружающей средой

 

1.6. СПИСОК ТРЕБОВАНИЙ

 

При разработке и проектировании ТО всегда имеет место определенный список требований, которым должен удовлетворять ТО. Здесь речь идет о необходимом и достаточном наборе требований, при выполнении которых изделие будет иметь допустимую (ожидаемую) работоспособность, эффективность, ремонтопригодность и т. п. Если в таком наборе не будет учтено и выполнено хотя бы одно требование, то в спроектированном ТО проявится хотя бы один существенный недостаток или ТО будет неработоспособен. Отсюда следует важность необходимого и достаточного списка требований, который в инженерных разработках составляет ядро технического задания.

Следует отметить, что в процессе разработки и проектирования ТО задают и уточняют несколько иерархически взаимосвязанных списков требований, которые соответствуют определенным этапам разработки. При этом каждый последующий список больше предыдущего и включает его в себя.

В общем случае представляется естественным иерархию указанных списков (рис. 7) поставить в соответствие с выделенными задачами выбора проектно-конструкторских решений (рис. 4). Дадим краткую характеристику содержания списков требований для каждого типа задач (этапа разработки).

 

 

 

Рис. 7. Иерархия списков требований (СТ)

 

Список требований 1 (СТ 1) включает функциональные требования, т. е. перечень количественных показателей производимого действия, количественных показателей объекта (предмета обработки), на который направлено действие ТО, количественных показателей особых условий и ограничений, при которых выполняется действие. К таковым в первую очередь относятся надежность, вид и показатели используемой энергии, особые воздействия окружающей среды и т. п.

СТ 2 может включать дополнительно (рис. 7) перечень потоков веществ, энергии, сигналов на входе и выходе ТО или перечень требований и условий к выбору таких потоков, значения физических величин, характеризующих потоки, условия и ограничения на потоки, вызванные взаимодействием ТО с надсистемой и окружающей средой, условия и ограничения на потоки, связанные с их преобразованием внутри ТО. Уточненный список требований в основном зависит от выбранных потоков на входе ТО.

СТ 3 включает дополнительно наборы требований, аналогичные СТ 1 и СТ 2, но относящиеся к функциональным элементам, из которых состоит ТО. Уточненный СТ 3 зависит от принятой функциональной структуры.