Рисунок 4.7 - Схема взаємодії підсистем ТС та черговість витіснення з неї людини

У міру вдосконалення ТС і досягнення нею певного рівня керування з’являється можливість використання давачів, що відображають її стан, і пристроїв керування. Це третій етап. На четвертому етапі людину усувають із ТС завдяки використанню автоматичних систем із зворотним зв’язком. Це можливо тільки в ТС, що досягли високого рівня у своєму розвитку - інформаційного. Яскравим прикладом витіснення людини із ТС на рівні керування та інформаційному може бути створення на літаках автопілота.

Верстати з ЧПУ і з керуванням від ЕОМ витіснили людину із рівня керування і поступово витіснять з інформаційного рівня.

Отже, цей закон підказує розробнику, що ТС варто вдосконалювати в напрямку витіснення людини з неї, все більше передаючи функції складникам самої системи.

З (6) Закон нерівномірності розвитку частин системи. Частини системи розвиваються нерівномірно: що складніша система, то нерівномірніше розвивання її частин.

Нерівномірність розвивання частин системи є причиною виникнення технічних та фізичних суперечностей і, відповідно винахідницького завдання.

Технічна суперечність (ТСП) - суперечність, за якої одна якість (функція, властивість, параметр) ТС погіршується, коли поліпшується інша її якість (функція, властивість, параметр) і
навпаки. Що докладніше виявлено умови, які призводять до неба­жаного ефекту (складники причинно-наслідкового ланцюжка), то більше потенційних шляхів долання суперечностей можна намітити.

Фізична суперечність (ФСП) - суперечність усередині системи, на рівні властивостей і взаємодії складників.

Кожній ТСП відповідає ФСП і навпаки. ФСП - штучно створені взаємоунеможливчі вимоги до складника ТС. Долаючи цю суперечність, усувають ТСП системи та вдосконалюють її.

Наприклад, ТСП: зубці сталевих пилок мусять мати високу тривкість щодо спрацьовування, яка насамперед зростає разом зі збільшуванням твердості сталі. Водночас твердість не повинна бути вищою від такої значйни, що за неї сталь стає крихкою та не дає змоги розводити чи плющити зубці. Цій ТСП відповідає ФСП, зумовлена наявністю хімічних елементів у сталі, насамперед вуглецю. Що більше вуглецю в сталі, то вища її міцність, але нища в’язкість.

Отже, технічна суперечність у ТС виступає як джерело її розвивання. Тому розробник повинен правильно визначити ТСП, що заважає розвивати ТС, та вдосконалювати її в напрямі усунення цієї ТСП, під час цього формулюючи ФСП та використовуючи заходи усування їх [6].

4 (7) Закон збільшення ступеня ідеальності ТС. Усі системи розвиваються в напрямку збільшення ступеня ідеальності Це головний закон розвитку техніки

Ідеальна технічна система - це система, маса, об’єм і площи­на якої наближаються до нуля, хоча її спроможність виконувати роботу під час цього не зменшується. Інакше кажучи, ідеальна система - це тоді, коли системи немає, а функція її виконується

Ступінь ідеальності можна виразити формулою

І = ФК/ФР,

де Фк - сума корисних функцій;

Фр - витрати на створення, експлуатування та утилізування системи, а також шкідливі функції системи.

Конкретною оцінкою ступеня ідеальності є ідеальний остаточний результат (ЮР). ЮР - уявний абсолютний підсумок розв’язання поставленого завдання.

ЮР формують так:   один із складників системи чи

зовнішнього середовища сам усуває шкідливу (непотрібну, зайву) дію і це відбувається без додаткового споживання енергії - абсолютно «без нічого». Звичайно, реально досягнути такого результату неможливо. ЮР - це маяк, що нього можна орієнтуватися як на найкращий розв’язок.

Приклад 4.2

Як витягнути кубик льоду з металевої форми холодиль­ника? Для цього використовують важільний механізм, або чекають, поки лід підтане.

Сформулюємо ТСП: щоб отримати лід, воду у формі охолоджують, але водночас вода розширюється, тому лід важко витягувати з форми. Ідеальним був би розв’язок, коли вода замерзає, а лід легко витягувати з форми.

ЮР: «лід замерзає і сам витягує себе з форми». Що може бути ідеальнішим?

Що може створити виштовхувальну силу? Під час замерзання об’єм збільшується на 9 % порівняно з вихідним об’ємом води. Нехай ця сила й виштовхує лід. Виходить,

Рисунок 4.8 - Схематичне зображення 10 Р - створювання виштовхувальної сили, щоб витягнути кубик льоду з форми

1 - еластична переділка;

2 - підсолена вода

потрібно розділити воду: частина її замерзає, утворюючи потрібний кубик льоду, а друга частина замерзає, щоб створити виштовхувальну си­лу. А щоб нижній шар замер­зав і виштовхував кубик після того, як він замерзне, нижній шар повинен бути з трішки підсоленої води з температу­рою замерзання - -4°С.

Технічний розв’язок: у формі подвійне дно з верхньою еластичною переділкою 1, під якою міститься шар підсо­леної води 2 (рис. 4.8).

Головне правило, коли використовують ІОР. не варто зазда­легідь загадувати, можливо чи не можливо досягти ідеального результату. Коли формулюють ІОР, не повинно бути ніяких психологічних бар’єрів. Саме формулювання є потужним засо­бом зменшення психологічної інерції. Перехід від ситуації «це неможливо» до твердження «це вже працює» допомагає позбутися відчуття незвичайної сміливості розв’язку.

5 (8) Закон роігортання-згортання ТС. У реальних ТС ідеальність підвищується як розгортанням, коли збільшення кількості та якості виконуваних корисних функцій досягають внаслідок ускладнення системи, так і згортанням, тобто спрощенням системи зі збереженням або збільшенням кількості та якості корисних функцій.

На всіх етапах розвитку процеси розгортання та згортання можуть чергуватися, приходячи на зміну один одному, частково або повністю перекриватися, діяти паралельно, тобто із загальним розгортанням системи окремі її підсистеми можуть згортатися, і навпаки.

нова система, що виконує іу ж функцію

ТС» ГКФ

ГКФ - головна корисна функція Рисунок 4.9 - Просторово-часова модель розвитку ТС:

Наприклад, розвиток токарних верстатів:

Такий процес розвитку описують хвилеподібною кривою, що є справедлива для всіх рівнів ієрархії - над- і підсистем, речовини (рис. 4.9).

А

 система оброблювання різцем заготованки, що обертаєть­ся; приєднання корисно-функційних підсистем: шпиндель, задня бабка, центри, коробка швидкостей, механізований поздовжній супорт, програмне керування тощо - це розгортання системи;

 згортання: створено токарний верстат з електронним блоком регулювання швидкості, в якому електродвигун постій­ного струму з’єднано зі шпинделем верстата, а коробка швидкос­тей, зубчасті колеса, вали та муфти зникли.

Закони завершального етапу розвитку та переходу до нової системи

1 (9) Закон підвищування динамічності і керованості ТС.

ТС розвиваються в напрямку збільшення ступеня дисперсності, гнучкості та рухомості, тобто підвищення ступеня динамічності та керованості.

Суть цього закону полягає в тому, що підвищення динамічності надає системі можливість зберігати високу ідеаль­ність із значними змінами зовнішніх умов, тобто змогу пристосовуватися до зовнішніх умов, зберігаючи водночас свою роботоздатн ість.

Наприклад, верстати з варіаторами дають змогу змінювати швидкість на ходу, гідро- і пневмоурухомник замість редукторів дає змогу підвищити керованість системи.

На законі динамізації грунтуються два стандартних розв’язки: динамізація речовини та динамізація поля.

Динамізування речовини здебільшого починають з ділення речовини на дві шарнірноз’єднані частини. Далі динамізування виконують уздовж лінії: один шарнір - багато шарнірів - гнучка речовина - рідина - газ - поле. Інколи динамізування закінчують заміненням речовинного зв’язку польовим.

Динамізується насамперед та частина системи, що зазнає в певний момент найсильнішого впливу чинників, які затримують її розвиток. Наприклад, щодо введення одного шарніра. У прасці найчастіше порушується цілісність шнура в місці його виходу з корпуса через перегинання та перекручування, тому першим кроком динамізування стало шарнірне приєднання шнура до праски, як це запропоновано в а. с. 1161614; цікаво, що цей винахід зроблено в 1985 р., тобто із запізненням на кілька десятиріч.

 (10) Закон переходу з макрорівня на мікрорівень.

Робочі органи системи спочатку розвиваються на макро-, а потім на мікрорівні.

У більшості сучасних ТС робочі органи є металеві складники конструкцій - «залізячки»: гвинти літаків, колеса автомобілів, пилки, різці тощо. Такі «залізячки» увесь час вдосконалюють, але вони залишаються металевими, тобто розвиваються в межах макрорівня. Однак неодмінно настає момент, коли дальший розвиток на макрорівні стає неефективним чи навіть неможливим. Система, зберігаючи свою функцію, принципово перебудовується: її робочий орган починає діяти на мікрорівні.

Замість «залізячок» робочими органами є молекули, атоми, іони, електрони тощо.

Прикладом переходу інструменту з макро- на мікрорівень змінюванням речовини полем є застосування для ділення деревини замість твердих різальних інструментів лазерного проміння [2].

 (11) Закон узгоджування-розузгоджування ТС. Аналіз історії розвитку ТС показує, що всі вони проходять чотири етапи узгоджування-розузгоджування параметрів, що забезпечують їх ефективне функціювання:

й етап. Створюючи систему, підбирають та узгоджують потрібні підсистеми, що утворюють основний функційний ланцюжок. До підсистем, крім вимоги забезпечення мінімальної працездатності, ставиться вимога сумісності одна з одною, тому трапляється, що підсистема, яка найкраще виконує свою функцію поза системою, виявляється не кращою для системи, що її створюють.

й етап. Узгоджування-розузгоджування супроводжується підвищенням ідеальності системи як унаслідок зменшення ідеальності функції розплати, так і завдяки підвищенню якості виконання корисних функцій. Водночас часто виникає типова суперечність: узгодження одних параметрів призводить до погіршення узгодження інших.

й етап. Узгоджування цілеспрямоване змінювання окремих параметрів підсистеми або всієї системи, щоб отримати додаткового корисного ефекту (надефекту).

й етап. Динамічне узгодження-розузгодження, за якого параметри системи змінюються керовано (а надалі і самокеро- вано), так, щоб набувати оптимальних значень залежно від умов роботи, аж до переходу в надсистему.

Чотири етапи чітко проглядаються у розвитку ТС, наприклад, автомобіля.

На першому етапі виникали запитання узгодження підсистем: що таке автомобіль, з чого він повинен складатися? Спочатку відбувався пошук «складу»: що таке автомобіль у принципі? Педальний двигун плюс візок? Паровий двигун плюс візок? У 1902 році французький інженер Леон Серколле побудував паровий автомобіль, що розвивав швидкість 120 км/год - це був світовий рекорд швидкості. 1 все-таки у автомо­біля виявився інший склад - двигун внутрішнього згорання та візок.

Розпочався другий етап - пошук структури. Скільки повинно бути коліс? Три колеса, як у візку Бенца, або чотири, як у візку Даймлера? Може шість коліс, як у американського «гардінгульманса» випуску 1903 року? Або навіть вісім, як у «октоуато» винахідника Ривза? А якщо всього два, як у «гідрокара» інженера Миловського? Допустимо чотири колеса. Але їх можна розмістити по-різному, не тільки прямокутником, але й ромбом. А скільки можливих варіантів під час вибирання розмірів колеса?

У третій етап автомобіль тільки вступає: правда, самоскиди з’явилися уже давно, але більшість «розузгоджувальних» та «динамізувальних» винаходів донедавна залишалися на папері, у патентах і авторських свідоцтвах. Фірма СІІІА «Мюллер інтернейшнл» повідомила що наприкінці 90-х років вона випускає першу партію літальних автомобілів «Мюллер-400» здатних на землі розвивати швидкість до 100 км/год, у повітрі - 640 км/год і літати на відстані 1360 км.

Під час створювання нових та поліпшення наявних ТС потрібно врахувати послідовність етапів. Інакше не уникнути невдач. Не можна, наприклад, переходити з першого етапу на третій, обминувши другий. Наприкінці 20-х років конструктори почали створювати «динамічні» танки: по дорозі вони рухалися на колесах, а по бездоріжжю - на гусеницях. Проте, танки не пройшли ще другий етап, ще не була очевидна їх структура. Скільки повинно бути башт - одна (Т-34) чи багато (5 башт на Т- 35)? Як розмістити озброєння: в один ярус чи в кілька? Який оптимальний розмір танка і що сильніше - багато танкеток чи один супертанк? Ці питання ще не було розв’язано, і передчасно створені «динамічні» танки виявилися не вдалими.

Якщо система перебуває на першому етапі, не можна переходити до масового впровадження. Якщо система не вступила в третій етап, не можна створювати із системи надсистему.

ТС у своєму розвитку обов’язково проходить етапи вивчен­ня складу системи, взаємозв'язку її елементів, цілеспрямованих змін окремих параметрів і «динамізації».

Спільна дія законів розвитку ТС

Виокремлювання законів розвитку ТС є грубим порушенням. Насправді вони діють сукупно, забезпечуючи ефективний, всебічний розвиток системи. Наслідок одного закону нерідко тісно переплітається із наслідком іншого, тобто часто йдеться про одну й ту ж закономірність, що її розглядають із різних боків.

Закони розвитку ТС виявлено на основі аналізування наявних тепер систем. Проте вони мають прогнозну силу, що дає змогу на їхній базі створювати техніку майбутнього. Відбувається це тому, що в їхню основу покладено прогресивні тенденції розвитку різних систем, виявлених, коли аналізували багато сотень тисяч винаходів.

Дію законів розвитку ТС можна простежити, наприклад, на еволюції дереворізальних верстатів [12]. У найперших верстатах всі основні рухи виконувала людина - вона тримала чи обертала деталь, переміщувала однолезові (долото, струг тощо) чи багатолезові (пилки) інструменти. Потім функцію двигуна виконували водяне колесо, коні. На початку ХГХ сторіччя, щоб урухомлювати верстати почали, застосовувати парову машину. У 1798 р англієць Генрі Моделі винайшов поворотний механічний супорт, з появою якого, власне кажучи, й почалося сучасне верстатобудування.

Черговим етапом усування людини була поява верстатів- автоматів, якими керували різноманітні механічні пристрої. Нині є верстати з програмним керуванням, що пов’язане з комп’ютером, який, за кресленнями сам без участі людини, розробляє програму та керує виготовлянням деталі.

Верстати розвивають у напрямку підвищення ідеальності. Сучасний верстат має значно меншу масу та більше можливостей, ніж аналогічний верстат навіть кінця 80-х років минулого сторіччя. Наочно проявляється й підвищення динамічності та керованості. Створені верстати, що самі, завдяки системі зворотного зв’язку, в процесі роботи налагоджуються на оптимальний режим. Проведено максимальне узгодження матеріалів, форми та розмірів деталей, ритміки роботи й параметрів окремих підсистем.

Перехід у надсистему в деревообробленні розпочався зі збільшенням кількості інструментів на одному верстаті та суміщення під час дії різних інструментів на револьверних та комбінованих багатоопераційних верстатах. На наступних етапах розвитку з’явилися надсистеми, які складаються із багатьох верстатів - автоматичні потокові лінії. Потім з’явилися оброблювальні центри, в котрих нероздільно з’єднані безліч різних верстатів.

Використовують у деревообробленні і перехід на мікрорівень, і різні поля. Оброблення голкофрезами, поділяння лазерним променем набувають дедалі ширшого застосування.

Еволюція зубців, яка полягає у використанні стійкіших до спрацювання матеріалів (вуглецева сталь, швидкорізальна сталь, тверді сплави, металокераміка) майже не відбивалася на розвитку дереворізальних верстатів до певного моменту. А різальні інструменти з ельборовим чи алмазним лезом уже потребують змін у конструкції верстата. А застосування лазерного випромі­нювання майже повністю змінює верстат.

Взаємна дія законів розвитку техніки - складний процес.

Вивчення історії розвитку техніки показує, що закономірні не тільки описані вище тенденції розвитку, але й певні, регулярно повторювані помилки, які допускають ті, хто створює нову техніку. Закони розвитку об’єктивні, але їх реалізує людина, котра, використовуючи метод спроб та помилок, допускає неправильні рішення, і вони, будучи втілені у вироби, можуть загальмувати розвиток, тимчасово спрямувати його помилковим, неперспективним шляхом. Ці помилки завжди потім виправ­ляються, але згаяно час, даремно витрачено засоби. Знання зако­номірного ходу розвитку техніки знижує ймовірність таких помилок.

Закони розвитку ТС незвичайні, але, мабуть, ще незвичайніші ті подальші наслідки, які спричинені відкриттям і вивченням цих законів. Якщо життя ТС підлегле законам, то з моменту появи нової системи можна скласти план її розвитку, заздалегідь визначивши, які закони належить пройти системі та які завдання виникнуть на тому чи іншому етапі. Так, для зрілої системи типові конфлікти з навколишнім середовищем. Чому б не врахувати це раніше? У 20-ті роки XX століття ніхто не думав, що швидке зростання кількості автомобілів і збільшення потужності їх двигунів призведе до забруднення атмосфери в містах. Сьогодні доводиться вирішувати невідкладні завдання, а можна було б це зробити півстоліття тому.

Аналогічна ситуація складається з лазерною технікою. Сьогодні вона молода, квантові генератори порівняно нечисельні і слабкі. Але квантова оптика має все нове і нове застосування, потужність генераторів швидко зростає. Між іншим, за великої потужності лазерний промінь спричиняє хімічні реакції в повітрі, виникають шкідливі сполуки. Це означає, що вже сьогодні необхідно передбачити, ставити і вирішувати завдання для запобігання практично поки що не помітному лазерному забрудненню атмосфери.

Закінчуючи розгляд законів розвитку ТС, варто зазначити, що використовуючи ці закони, можна побудувати програму вирішення винахідницького завдання і без блукання пошуковим полем вийти в район розв’язку, тобто скоротити кількість варіантів. Однак для цієї мети вони не дуже зручні - занадто загальні та громіздкі На основі цих законів для вирішення винахідницького завдання у ТВВЗ розроблено свій інструмент- тарій та інформаційний фонд, які зручніші та ефективніші. Як писав Паркінсон. “Мистецтво інженера полягає у тому, щоб знати момент, коли треба зупинити вивчення явищ і почати оволодівати ними ”.

Контрольні запитання

 У чому полягає суть системного підходу під час вирішування творчого завдання?

 Охарактеризуйте багатоекранну схему мислення.

 Сформулюйте визначення технічної системи.

 Які чотири головні ознаки має технічна система?

 Охарактеризуйте функціональність ТС.

 Охарактеризуйте цілісність ТС.

 Коли виникає організація ТС?

 Охарактеризуйте типи системних властивостей ТС.

 Якими трьома групами законів описують розвиток системи?

 Які закони належать до законів принципової життєздатності

ТС?

 Охарактеризуйте закон повноти частин системи.

 У чому полягає суть закону енергетичної провідності системи? Наведіть приклад.

 У чому полягає перше правило, яке витікає із закону узгодження ритміки частин системи? Наведіть приклад.

 У чому полягає друге правило, яке витікає із закону узгодження ритміки частин системи? Наведіть приклад.

 У чому полягає третє правило, яке витікає із закону узгодження ритміки частин системи? Наведіть приклад.

 Які закони належать до законів періоду' росту та розвитку

ТС?

 Охарактеризуйте закон етапності розвитку' ТС і переходу в над систему. Наведіть приклад.

 У чому полягає суть закону витискання людини із ТС? Наведіть приклад.

 Охарактеризуйте закон нерівності розвитку частин системи. Наведіть приклад.

 У чому проявляється технічна суперечність в ТС? Наведіть приклад

 Що такс фізична суперечність і як вона пов'язана з технічною? Наведіть приклад.

 Охарактеризуйте закон збільшення ступеня ідеальності ТС. Наведіть приклад.

 Що таке ідеальний кінцевий результат і як його формують? Наведіть приклад.

 Охарактеризуйте закон розгортання-згортання ТС. Наведіть приклад.

 Які закони належать до законів завершального розвитку та переходу до нової системи?

 Охарактеризуйте закон підвищення динамічності і керованості ТС. Наведіть приклад

 У чому полягає суть закону переходу з макрорівня на макрорівень? Наведіть приклад.

 Охарактеризуйте закон узгодження-розузгодження ТС. Наведіть приклад.

 Який основний принцип дії законів розвитку ТС?

 Які типові конфлікти притаманні зрілій системі? Наведіть приклад.

п Див. ГУТ 1