В.Фей

ХРОНОКИНЕМАТИКА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Представление об идеальной технической системе занимает центральное место в ТРИЗ. Весь аппарат теории направлен на развитие технических систем вдоль вектора увеличения степени идеальности.

В ТРИЗ давно и успешно ведутся исследования механизмов идеализации. Касаются они преимущественно того, каким образом совершенствуется вещественно-полевая структура технических систем. Чем меньше веществ и полей участвует в реализации функции, тем система идеальнее.

Кроме критерия минимизации вепольной структуры существенным для оценки степени идеальности технической системы является также время ее функционирования. При прочих равных условиях (вещественно-энергетических затратах, габаритах и т.д.) идеальнее та техническая система, которая тратит на выполнение функции меньшее время.

На пути к идеальности технической системы возникает противоречие: чтобы быть идеальной, система не должна тратить время на функционирование, а для того, чтобы выполнять реальную работу, у нее должны быть ощутимые затраты времени.

Интересно выяснить, как разрешается в процессе эволюции иерархических систем — это противоречие, понять стратегию временной идеализации - хронокинематику - технических систем, выявить ее основные участки.

Существуют три направления идеализации:

1. Функция остается неизменной, но время ее выполнения уменьшается.

2. Техническая система совмещает по времени выполнение нескольких функций.

3. Интегральный путь: увеличение числа функций сопровождается уменьшением времени их выполнения.

В настоящей работе рассмотрено каждое из направлений и представлен результат начального этапа исследования хронокинематических процессов.

 

ПЕРВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ИДЕАЛИЗАЦИИ.

Первое направление идеализации объединяет 4 параллельные линии развития.

ЛИНИЯ 1 - распределение функции между несколькими системами, работающими одновременно, или между несколькими частями одной системы.

ПРИМЕР 1.  А.с. N126079: высокую скорость вращения турбобура получают, соединяя последовательно несколько секций.

ПРИМЕР 2. Увеличение скорости погрузки самолета за счет "разрезания" фюзеляжа на две части.

Линия 1 отражает простейший, наиболее очевидный способ снижения затрат времени: хочешь повысить производительность - увеличивай число одновременно работающих машин, используй преимущества полисистемы.

Х          Х          Х

 

ЛИНИЯ 2 - переход к пиковым режимам работы.

На начальном участке линии в системе возникают колебания.

ПРИМЕР 3. А.с. N399692. В десятки раз возрастает скорость теплообмена в тепловой трубе, в которую встроен ультразвуковой генератор.

ПРИМЕР 4. А.с. N586966. Способ получения металлической дроби, включающий распыление струи жидкого металла, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса получения дроби сферической формы распыливаемой струе расплава сообщают колебательное движение в вертикальной плоскости с частотой 10 имп. в секунду.

ПРИМЕР 5. Американец Джеймс Гриффин предложил способ инъекции без шприца. Подкожное введение кортизона он осуществил с помощью ультразвука: быстро и безболезненно.

(ИР-10-1979, стр.13).

Если в системе уже есть колебания, то появляются боковые линии.

А. Увеличение частоты.

 

ПРИМЕР 6. Патент США N3869759. Устройство для гашения шума реактивного двигателя. Выхлопное сопло реактивного двигателя окружено у выходной кромки выходными каналами малого диаметра, которые направляют отдельные мелкие струи газа назад в виде кольца, окружающего реактивную струю. Эти струи встречаются с расширяющейся границей реактивной струи непосредственно за соплом и создают небольшую вихревую турбулентность с меньшим уровнем звуковой энергии и более высокий частотой.

Б. Сложение колебаний, использование негармонических колебаний.

ПРИМЕР 7. Модуляция радиосигнала в гетеродине - наложение низкочастотного сигнала на высокочастотный.

ПРИМЕР 8. Для решения некоторых задач экспериментальной физики, в частности, для обнаружения гравитационных волн требуется измерять амплитуду колебаний порядка 10(-17) - 10(-20) мм. Зафиксировать такую амплитуду чрезвычайно сложно прямыми измерениями. Поступают иначе: на колеблющуюся с нужной амплитудой мембрану направляют СВЧ-излучение заданной частоты. Отраженное от мембраны излучение имеет измененную (промодулированную) колебаниями мембраны частоту. По разнице падающей и отраженной частот однозначно судят об амплитуде колебаний мембраны.

(Подробнее см. В.Чельцов "Измерение сверхмалых перемещений", "Природа", 1981, N12, стр.95).

 

ПРИМЕР 9. Применение различных модификаций сложного магнитного поля, образованного наложением переменного или пульсирующего поля на постоянное, позволяет осуществлять бесконтактное управление поведением изделий, помещенных в ограниченное пространство. Так можно регулировать скорость перемещения путем изменения амп­литуды и плоскости линейных и угловых колебаний.

(А.А.Иванов "Проектирование систем автоматического манипулирования миниатюрными изделиями", М., "Машиностроение", 1981, стр. 157-169).

В. Выделение из сложного поличастотного колебания его сос­тавляющих.

ПРИМЕР 10. В адаптивной системе управления электроприводом управляющий сигнал корректируется соотношением величин низкочастотной и высокочастотной составляющих сигнала ошибки контура скорости.

(А.В.Башарин и др.  правление электроприводами, Л.,Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1982, стр.303).

Г. Использование резонансных частот.

 

ПРИМЕР 11. А.с. N759603. Способ упрочения стальных деталей, включающий пластическое деформирование поверхности деталей при воздействии на них низкочастотных колебаний при повышенной температуре, отличающийся тем, что, с целью повышения усталостной прочности, детали подвергают воздействию импульсного электромагнитного поля с частотой, кратной частоте колебаний деталей.

Д. Использование автоколебаний.

 

ПРИМЕР 12.  Для перемешивания жидкости и газа надо затратить немало энергии.  Чтобы насыщение газом шло быстрее, в объеме, где происходит смешивание, возбуждают вынужденные колебания.

В а.с. N1037927 предложено использовать автоколебания. При прохождении потока через отверстие генератора с резонирующей кольцевой полостью в потоке возникают автоколебания частотой несколько тысяч герц. Таким образом, газ и жидкость смешиваются практически без затрат энергии.

На втором участке линии 2 колебания переходят в пульсации: появляются хотя и весьма малые, но все же паузы в функционировании технической системы.

 

ПРИМЕР 13. В ИР-9-1977, на странице 31 описана машина для сбора плодов с деревьев. Ветер из вращающихся сопел сбивает плоды в разъезжающую синхронно с машиной тару.

А вот свежее а.с. N1159507: плоды предложено сдувать пульсирующим воздушным потоком.

 

ПРИМЕР 14. А.с. N497551. Система позиционирования мелких изделий, оснащенная пульсирующим пьезокерамическим высокочастотным координатным столом.

 

ЗАДАЧА 1. Для увеличения скорости механической обработки металлических заготовок их нагревают. В частности, известен способ фрезерования, при котором нагрев осуществляется магнитным полем электромагнитов, установленных на фрезе (а.с. N671943). Вращающееся вместе с фрезой магнитное поле наводит в заготовке вихревые токи, размягчающие поверхностный слой металла.

Способ имеет существенный недостаток: он не позволяет получать высокие температуры в зоне резания. Объясняется это тем, что частота вращения магнитного поля (ей пропорционален нагрев) не превышает сравнительно низкой скорости вращения фрезы. Для дости­жения нужной температуры в зоне резания частота вращения фрезы должна быть порядка 10 тыс. об/сек. Но станок такую частоту "выдать" не в состоянии.

Требуется, не меняя схему нагрева заготовки с помощью магнитов, обеспечить заметное увеличение температуры в зоне резания.

РЕШЕНИЕ. А.с. N785000. Способ фрезерования, включающий нагрев припуска изделия магнитными полями... отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, нагрев осуществляют пульсирующими магнитными полями. Магниты, расположенные вдоль окружности фрезы, переключаются с частотой пульсаций.

В формуле изобретения есть пункт 2: частоту пульсаций принимают равной собственной частоте колебаний материала обрабатываемого изделия.

 

ЗАДАЧА 2. В книге Г.С.Альтшуллера "Алгоритм изобретения"(изд."Московский рабочий", 1973, изд.2-е, стр.206) помещена интересная задача.

"Имеется пневматический конвейер. Он представляет собой наклонную трубку, по дну которой снизу-вверх - под действием потока воздуха - перемещаются (катятся) мелкие штучные грузы. В нашем случае - помидоры. Трубка идет с этажа на этаж, в нескольких местах меняет направление (для наглядности можно считать, что труба расположена вдоль обычной лестницы). Недостаток системы: помидоры налетают друг на друга, ударяются, портятся.

Нужен способ пневматической транспортировки, при котором грузы будут двигаться по заданной программе с абсолютной надежностью: на определенном расстоянии друг от друга и в определенном темпе. Отказываться от пневматической системы транспортировки крайне нежелательно: потребуется новое оборудование, а его у нас нет."

РЕШЕНИЕ. Дно трубы имеет небольшие отверстия. Из отверстий отсасывается воздух: сначала из первого отверстия, затем из вто­рого потом из третьего и т.д. Бегущая волна разрежения по очереди продвигает помидоры. Когда помидор продвинется на несколько отверстий, вновь начинается отсос из первого отверстия.

Хотя задача эта и "раскрытая", но все-таки достаточно старая и, надо полагать, неизвестная подавляющему большинству нынешних слушателей.

Третий участок линии 2 характеризуется импульсным режимом (между импульсами видна явная пауза).

 

ПРИМЕР 15. В пневмотранспортную систему "Такт-Шуб" пластмассовые гранулы, кофейные зерна, дробленая руда, мраморная крошка и т.п. вводятся не сплошным потоком, а по тактам, как бы отдельными пробками, которые разделены воздушными прослойками. Такой способ транспортировки облегчает движение по трубопроводу, что экономит энергию на 40% по сравнению с обычными пневмотранспортными системами. (ИР-7-1986, стр.27).

 

ПРИМЕР 16. Спроектирован импульсный снаряд для сооружения скважин, работающий на электрогидравлическом эффекте. В результате электроразряда в жидкости, заполняющей рабочую камеру, создается высокое давление, которое через плунжер заставляет снаряд проникать в породу на определенную глубину. Создавая разряды определенной частоты, можно обеспечить импульсно-непрерывное углубление снаряда.

(В.Е.Копылов "Бурение?...интересно!", М.,"Недра",1981).

 

ПРИМЕР 17. Установка для снятия заусенцев: поверхность детали обрабатывается горящей смесью, подаваемой импульсами.

(ИР-12-1986, МИ-1214).

 

ПРИМЕР 18. В современном электроприводе вращение вала электродвигателя меняется по закону, формируемому импульсной системой питающего напряжения.

 

ЗАДАЧА 3. Качество рентгеновского снимка напрямую зависит от мощности излучения. Чем мощнее лучевая трубка, тем четче выходит изображение, но и больше вреда наносится организму. Как быть? Заменять рентгенографирование ультразвуковым исследованием нельзя (у этих способов диагностики непересекающиеся во многих случаях области применения).

РЕШЕНИЕ. В Румынии разработана принципиально новая система рентгеновского обследования. Между рентгеновской трубкой и пациентом установили свинцовый диск, через мелкие отверстия которого, расположенные по спирали, проходят рентгеновские лучи. Устройство вращается и получается, что лучи исследуют объект точка за точкой, как бы сканируя его. Изображение синхронно передается на телевизионный экран. Облучение свелось к отдельным крохотным участкам.

(ТиН-12-1982, стр.35).

ЗАДАЧА 4. В некоторых областях техники, например, в установках для гидроструйной обработки, необходимо получать скорости струй порядка 300-500 м/сек. Чтобы разогнать струю до такой скорости, требуется давление в 500 атмосфер. Но иметь дело с такими давлениями очень трудно: вода прорывается сквозь мельчайшие неплотности, грозит разорвать трубы, цилиндры. Установки получаются громоздкими и ненадежными. Как быть?

РЕШЕНИЕ. В специальную криволинейную трубку, в которую сбоку вставлено несколько ускоряющих сопел, сплошной струей подается жидкость. Как только она доходит до первого сопла, ее подхлестывает небольшой гидравлический удар - импульс давления, создаваемый вибронасосом. Часть потока приобретает дополнительную скорость и отрывается от остальной массы.  Подойдя к следующему соплу, она снова испытывает удар и ускоряется еще больше.  Так происходит до тех пор, пока не будет достигнута необходимая скорость.

(Е.Муслин "Машины ХХ века", М., 1971, стр.262).

На четвертом участке системы переходят к пиковым режимам работы. Здесь серия импульсов заменяется одним, но чрезвычайно интенсивным импульсом. Часто переход к пиковому режиму связан с изменением принципа работы системы (например, с использованием нового физического или химического эффекта).

 

ПРИМЕР 19. Решение задачи о разгоне шарика в сверхбыстрой струе газа: взрыв упрочняет шарик.

ПРИМЕР 20. Смесь пропана и кислорода, разогретая до 3000 градусов, взрывается, уничтожая заусеницы на деталях из алюминиевых или цинковых сплавов.

( ИР-2-1986, стр. 40).

Сравните это изобретение с примером 17, где для тех же целей использовались импульсы горящей смеси.

ПРИМЕР 21. Патент США N3396444. Способ взрывного лужения подшипников. На покрываемую поверхность укладывают тонкую металлическую сетку, а поверх нее оловянную фольгу и взрывчатку. Под действием взрыва олово плавится и прочно сцепляется с поверхностью вкладыша подшипника.

ПРИМЕР 22. Известен способ разрушения камней в мочевом пузыре с помощью ультразвука. Несколько лет назад в Японии научились разрушать камни взрывом. Тонким катетером в пузырь вводится частица взрывчатого вещества размером с булавочную головку. Заряд подводится к камню и подрывается электрической искрой. Предварительно в пузырь нагнетается вода, чтобы защитить его стенки от осколков камня.

ПРИМЕР 23. А.с. N480420: безигольный инъектор. В рабочей камере создается давление в 2000 атм. Диаметр сопла 0,15мм. Струйка новокаина вылетает со скоростью свыше 700 км/час. Анестезия - практически мгновенная.

(Сравните с безигольным инъектором, в котором использовались ультразвуковые колебания - пример 5).

Чтобы не создалось впечатление, будто пиковый режим работы основан преимущественно на одном физическом эффекте (взрыве) - несколько разнообразных примеров.

ПРИМЕР 24. Радиотехника начиналась с использования аналоговых, т.е. непрерывных синусоидальных сигналов. В дальнейшем возникла импульсивная радиотехника, имеющая дело с квантованными во времени, прерывистыми сигналами. Следующим шагом в развитии стало использование аппаратуры, оперирующей одиночными импульсами. В такой аппаратуре сигнал, генерируемый передатчиком, не поступает сразу на антенну, а накапливается в специальном устройстве. По мере заполнения этого устройства, вся заложенная в него информация "выстреливается" в эфир с большой скоростью. Подобные системы нашли применение в аппаратуре закрытой связи, в радиолокации (патент США N3905033).

ПРИМЕР 25. А.с. N 436242: для измерения глубины водоема вместо обычной серии импульсов используют единичный импульс.

ПРИМЕР 26. А.с. N 213590: электроимпульсная система колки льда И.Левина.

ЗАДАЧА 5. Существует ультразвуковая установка для снятия заусенцев со всевозможных деталей. Ультразвук генерирует в рабочей камере кавитационные пузырьки, которые разрушают заусенцы. В рабочей камере повышенное давление жидкости, поскольку оно усиливает разрушающую способность уже возникших и выросших до предельных размеров пузырьков. Однако, физика процесса такова, что повышенное давление одновременно препятствует возникновению пузырьков. Генератор ультразвука должен своей мощью преодолеть это препятствие. Поэтому генераторы получаются мощными, громоздкими. Вся установка выходит также очень громоздкой.

Но часто возникает нужда в миниатюрных установках для снятия заусенцев. Уменьшение размеров ведет к снижению мощности генератора и, заодно, к ухудшению качества обработки деталей. Как быть?

РЕШЕНИЕ. А.с. N 285394. Пузырьки зарождаются при нормальном давлении. Для этого достаточно маломощного генератора ультразвука. А в момент захлопывания пузырьков в камере создается повышенное статическое давление, захлопывание ускоряется, и сила кавитационного удара приумножается. Время импульса давления 5-6 микросекунд.

ЗАДАЧА 6. Геркон - герметический контакт. Он состоит из двух тоненьких пружинящих ферромагнитных пластинок, покрытых серебром, между которыми есть небольшой зазор. Пружины помещены в стеклянную трубку, на которую намотана обмотка. При прохождении по обмотке тока пружинки намагничиваются и притягиваются, замыкая внешнюю цепь. Для размыкания цепи ток в обмотке отключают. Предложите следующую по логике развития конструкцию геркона.

РЕШЕНИЕ. Феррит - геркон, у которого магнитные параметры пружинок подобраны так, что после прохождения по обмотке короткого импульса тока контакт замыкается и удерживается за счет остаточного магнетизма до тех пор, пока по обмотке не пройдет ток обратного направления. Феррит потребляет значительно меньше тока, чем обычный геркон.

ЗАДАЧА 7. Перед штамповкой тонколистовых заготовок их нагревают в печи. Но при переноске от печи к прессу заготовки остывают. Чтобы компенсировать быстрое охлаждение, заготовки часто перегревают, ухудшая структуру и механические свойства металла. Пытаются переносить заготовки как можно быстрее, связывают пресс и печь специальными транспортными линиями. Заготовки стынут меньше, но резко удорожается процесс штамповки. Пробуют даже нагревать сами штампы. Однако, и это не дает эффекта, особенно при штамповке быстроокисляющихся сплавов, технология обработки которых предусматривает вакуум или защитную атмосферу из защитных газов.

Как быть?

РЕШЕНИЕ. А.с. N 172866. Заготовку обмазывают термитом (раствором пороха в ацетоне) и укладывают в штамп. Термит поджигается, и лист мгновенно нагревается до необходимой температуры. Горение продолжается во время хода пуансона вниз, так что в течение всего процесса штамповки заготовка остается горячей.

На импульсных участках линии 2 есть свои боковые переходы. Во многом они повторяются - резонанс, увеличение частоты, автоколебания, использование импульсов непрямоугольной формы.

Х          Х          Х

 

Прервем ненадолго рассмотрение способов временной идеализации технических систем и обратимся к общим представлениям о хронокинематических процессах.

ОСОБЕННОСТИ ХРОНОКИНЕМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ.

Прежде всего, надо отметить, что способ получения нового результата путем изменения режима работы ведет к появлению систем, близких к идеальным. Действительно: необходимо повысить эффективность системы, не меняя существенно ее вещественно-полевую структуру, - достаточно изменить график ее работы. Обычно эти изменения затрагивают конструкцию машин лишь минимально, а в отдельных случаях происходит резкое упрощение системы по сравнению с прототипом (традиционный пресс, например, гораздо сложнее и менее надежен, чем установка для электрогидравлической штамповки).

Х          Х          Х

 

Количество работы, выполняемой системой при любом режиме, должно, как минимум, сохраняться. Поэтому уменьшение времени работы системы (оперативного времени) компенсируется ростом интенсивности функционирования. Эта зависимость отражена условно на схеме неизменной площадью под графиком работы.

Х          Х          Х

 

Введение пауз в процессы аналогично введению пустот в вещество. Пауза - та же пустота, только во времени. Как и пустоты в веществе, разрывы во времени создают полезные эффекты.

Полости в веществе делают технические системы более легкими, позволяя, условно, из одного куска вещества получить большее число систем.

Переход к образованию пауз ведет к росту производительности за счет автоматического увеличения интенсивности.

Часто пустота в веществе способствует динамизации структуры технической системы. Так, своими преимуществами перед тканевыми фильтрами магнитные фильтры на основе ферропорошка обязаны свободному пространству, внутри которого могут перемещаться частицы, образуя нужную пространственную структуру.

Пустота во времени также позволяет динамизировать поведение системы, поскольку появляется возможность маневра импульсом в промежутке между соседними импульсами.

 

Не исключено, что между линиями пустотности в веществе и хронокинематическими линиями существует определенная связь.

Х          Х          Х

 

Сокращение времени действия системы во многих случаях достигается за счет использования инерционных свойств (система уже не работает, а действие сохраняется).

В сущности, тут приходится преодолевать противоречие, обусловленное системной природой техники. Любая машина работает в окружении других машин. Встречаются ситуации, когда машине А выгодно перейти в импульсный режим работы, но она жестко связана с машиной Б, для которой, в силу закона неравномерного развития системы, прерывистый процесс неприемлем.

К примеру, традиционная технология токарной обработки основана на непрерывном вращении детали. Следовательно, вал электродвигателя, вращающего патрон с деталью, также должен крутиться непрерывно. Но управлять работой двигателя удобнее (экономичнее, точнее), если подавать на него импульсное напряжение.

Конфликт устраняется просто: частота импульсов или интенсивность единичного импульса подбираются так, что потребитель как бы "не замечает" пауз, работая по инерции.

В этих ситуациях действует "принцип кинематографа": на экране 24 раза вспыхивают картинки, но благодаря инерции зрения они сливаются в нераздельное движение.

Х          Х          Х

 

Теперь легко вывести критерий для оценки временной идеальности технической системы.

Чем меньше отношение оперативного времени к паузе, в течение которой действие продолжается, тем система идеальнее.

Здесь уместно провести аналогию с действием лекарственных препаратов. Сильнее то лекарство, которое приносит исцеление после меньшего числа приемов его пациентом. И наоборот, чем чаще и дольше следует употреблять лекарство, тем оно слабее, менее эффективно.

Удивительная сила паузы проявляется не только в технике, но и в искусстве. В.Катаев в очерке "Ливановы" ("Юность",N11,1972) вспоминал игру удивительного актера МХАТа Бориса Ливанова:

"Начало второго или третьего акта. Идет занавес с белой чайкой. На авансцене длинный, по-провинциальному обильный праздничный стол. То ли именины, то ли еще что-то. По-видимому, ожидаются гости, но пока еще сцена пуста. Лишь один молодой человек - высокий, могучего телосложения, с малообещающим плотоядным лицом и развязными манерами уездного хама - первый гость - ходит вокруг стола, пристально разглядывая закуски и бутылки.

Он не произносит ни одного слова. Мимическая сцена длится минут пять. Пять минут сценического времени это целая вечность.

Подобные паузы потом входят в историю театра, как легенда. В то время ходила легенда о знаменитой паузе Топоркова...  когда он повсюду искал свалившееся с носа пенсне, а оно болталось на шнурке.

Эта пауза считалась рекордом.

Ливанов побил этот рекорд, "перекрыв" Топоркова на одну минуту".

Х          Х          Х

 

Словосочетание "линия развития технических систем" объединяет, как минимум, два различных, хотя и взаимосвязанных, процесса.

Во-первых, речь может идти о развитии конкретной технической системы. Например, о закономерностях развития расходомеров, винтовки, радиоэлектронных устройств, тепловых труб и т.д.

Во-вторых, и это, пожалуй, важнее, изучаться может эволюция технической структуры.

Хорошо, конечно, если выводы, полученные при исследовании частной технической системы, справедливы для более обширного класса систем.

Для строителя кирпич - традиционный элемент, из которого собирают здания. Для него же пористый кирпич, пропитанный азотистым материалом и вводимый в расплав чугуна для дозированной подачи азота, - "чужая" техническая система. А специалист по ТРИЗ видит в обоих кирпичах различные этапы развития единой техновещественной структуры.

Та же двойственность видна и в хронокинематических линиях. Иногда ясно просматривается развитие одной и той же системы вдоль хронокинематической линии или значительного ее участка.

Например:

пневмотранспортер с постоянным давлением в направлении транспортирования - пневмотранспортер, использующий переменное давление (а.с. N1133195), - пневмоструйный транспортер, работающий в пульсирующем режиме (один из аналогов - в задаче о бьющихся помидорах) - пневмоимпульсная система "Такт-Шуб" (пример 15);

аналоговая радиотехника - импульсная радиотехника - радиосистемы, обрабатывающие сложные одиночные импульсы.

Но часто бывает так, что на каком-либо участке линии происходит смена систем: вместо системы А появляется система Б, выполняющая ту же функцию.

Между ковких заготовок тяжелым прессом и штамповкой взрывом - "две большие разницы". Тем не менее, обе системы отнесены к одной линии развития.

Противоречия здесь нет. Просто хронокинематические линии отражают общие закономерности изменения ритма работы систем для достижения заданного результата. Главным тут становится не столько развитие конкретной системы (хотя и это важно), сколько эволюция режима выполнения функции. А выполнять одну и ту же функцию могут различные системы.

Сейчас определенно можно сказать лишь одно: если дана система А, работающая в режиме Р, то на смену ей придет система, работающая в режиме Р+1(Р+2,...); эта система может быть видоизменением А или совершенно иной системой Б.

Х          Х          Х

Управление структурой процессов осуществляется не только ради снижения затрат времени, но и для повышения качества работы.

 

ПРИМЕР 27. А.с. N 483190. Способ получения отливок, включающий воздействие магнитного поля на жидкий металл, залитый в литейную форму, и одновременное пропускание электрического тока через него, отличающийся тем, что, с целью повышения качества отливок, электрический ток пропускают импульсами, а частоту повторения импульсов настраивают в резонанс с собственной частотой отливки, после чего регулируют величину скважности импульсов при неизменной частоте их повторения.

Другие примеры: а.с. N 244357,а.с. N 759603.

В принципе проблему повышения качества, точности можно свести к задаче обеспечения роста интенсивности работы.

Если параметры системы ниже эталонных, то часто это просто брак, подлежащий уничтожению или переделке (как заметил классик, свежесть бывает только одна - первая, она же и последняя). В других случаях увеличение качества работы в данном процессе отменяет необходимость в последующих процессах (доводке, упрочнении и т.д.).

Х          Х          Х

 

 

 

Может возникнуть вопрос: что является исходным пунктом для хронокинематических линий? На общей схеме хронокинематики технических систем начальным является график с неизменной во времени интенсивностью функционирования. Изображение это условное и сделано ради простоты восприятия. Реальные графики работы систем, конечно же, сложнее.

Существует четкая закономерность: нерегулируемая система или система со слабым регулированием - ступенчато-регулируемая система - плавно-регулируемая система (число ступеней регулирования стремится к бесконечности).

Пример: лазер с не перестраиваемой длиной волны - лазер с набором светофильтров - лазер с плавно меняющимся спектром излучения.

Регулирование системы может выполняться по любому произвольному закону. Схема хронокинематики (например, линия 2) отражает изменения ритма работы как бы "внутри" закона регулирования, который является основным. один из возможных вариантов изображен на рисунке.

Что же касается правильных геометрических форм колебаний, пульсаций и импульсов, то среди них также наблюдается эволюция: от гармонических колебаний к негармоническим, от прямоугольных импульсов к импульсам сложной формы.

Интересно, что с математических позиций, негармоническое колебание и импульс непрямоугольной формы можно представить в виде суммы соответственно гармонических колебаний и прямоугольных импульсов - своего рода переход в полисистему.

Х          Х          Х

 

 Возвратимся к дальнейшему изучению хронокинематических линий. ПЕРВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ИДЕАЛИЗАЦИИ (ПРОДОЛЖЕНИЕ) Следующая по счету - линия 3 предварительного исполнения. Сначала система стремится выполнить часть действий заранее.

ПРИМЕР 28. А.с. N 986309: для рыхления в почву предварительно вносятся ферромагнитные частицы; под действием магнитного поля проезжающей по полю установки частицы выходят на поверхность перфорируя грунт.

ПРИМЕР 29. А.с. N 249901. Способ поперечной резки и проката труб. Прутки и трубы рвут резким скручиванием. Чтобы заготовка скручивалась в определенном месте, на поверхность металла наносят риску, которая служит концентратором напряжений.

ПРИМЕР 30. На начальных этапах развития вычислительной техники программист был вынужден для каждой новой задачи составлять новую программу. Сейчас реализована идея непрерывно пополняющегося банка типовых прикладных программ. Если в алгоритме встретился стандартный "кусок", его обработку передают заранее заготовленной программе из пакета прикладных программ.

ПРИМЕР 31. Больные диабетом вынуждены в течении всей жизни, ежедневно, пользуясь шприцем, вводить себе порцию инсулина. Процедура, мягко говоря, не из приятных. Кроме того, каждый укол, особенно в руках непрофессионала - шанс схватить инфекцию.

В Швеции предложено помещать под кожу живота больного небольшую пластмассовую иглу, которая удерживается на теле пластырем. Тонким катетером в иглу вводят лекарство. безболезненность и антисептика гарантированы.

(ИР-7-88, стр.45).

ПРИМЕР 32. Окраска древесины введением краски под кору саженцев.

ПРИМЕР 33. Патент США N 2879821: жесткий металлический диск, расположенный внутри автомобильной шины, позволяет продолжать движение автомобиля после повреждения шины.

Иногда используется принцип предварительного антидействия.

ПРИМЕР 34.  В снотворное добавляют рвотное вещество, которое, в случае опасного превышения дозы, освобождает организм от яда.

ЗАДАЧА 8. У людей, работающих со взрывными устройствами, часто страдают органы слуха. При взрыве создается взрывная волна, которая при уровне 100дБ может легко разорвать барабанную перепонку. С целью защиты от ударных шумов, используют специальные наушники. Они ослабляют ударную волну лишь частично, к тому же создают неудобства в работе.

Как ослабить воздействие звукового удара, не применяя наушников?

РЕШЕНИЕ. А.с. N 270186. Предварительно подают короткий звуковой сигнал, медленно нарастающий до 100дБ. Стремянная и тензорная мышцы, сокращаясь, натягивают барабанную перепонку и немного оттягивают ее внутрь. Жесткость уха возрастает, акустическое сопротивление его увеличивается, и большая часть звуковой энергии отражается. Время срабатывания устройства, подающего защитный сигнал, подобрано так, что достижение сигналом уровня 100дБ совпадает с моментом взрыва.

При предварительном исполнении действия совершенно не имеет значения, сколько времени на него затрачено. Период до оперативного времени может быть сколь угодно большим - в этом главное преимущество развития технических (впрочем, и других - социальных, биологических) систем вдоль линии 3.

Х          Х          Х

 

Частным случаем принципа предварительного исполнения (боковой ветвью линии 3) является программированное действие.

Смысл его состоит в предварительном задании закона изменения функции (структуры) во времени.

Примерами программирования действий служат многочисленные устройства, использующие эффект памяти формы. В этих устройствах программируемость функции обеспечивается уникальными свойствами рабочего вещества.

Х          Х          Х

 

ЛИНИЯ 4 - передача функции другой системе. ПРИМЕР 35. Гидравлические передачи обладают серьезным недостатком - они текут.  Приходится принимать специальные меры против утечки.  В а.с. N 664914 предложено заменить жидкость в

поршне подъемного устройства твердыми шариками, посылаемыми в под- и надпоршневое пространство механизмом подачи.

При развитии вдоль линии 4 отпадает необходимость в исходной системе, поскольку исчезает задача, которую она решает (вместе с ней исчезает и проблема снижения затрат времени).

Идеально, если функция передается одному из элементов надсистемы или подсистеме.

ПРИМЕР 36. Система торможения самолетов при посадке на авианосцы натянутым канатом.

ПРИМЕР 37. Паяльник, поддерживающий свою температуру постоянной за счет использования сердечника из материала с заданной температурой Кюри.

 

ВТОРОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ИДЕАЛИЗАЦИИ.

Содержание этого направления - совмещение по времени выполнении нескольких функций.

ПРИМЕР 38.  А.с. N 1000236: смазочно-охлаждающая жидкость с введенным в нее абразивным порошком еще и шлифует.

ПРИМЕР 39. А.с. N 235547. При работе в зимних условиях приходится останавливать роторный экскаватор и отогревать грунт. На роторе устанавливают газовые форсунки, которые отогревают грунт в процессе работы экскаватора.

ПРИМЕР 40.  Танкер, на котором расположена нефтеперерабатывающая установка.

Каждое из совмещенных действий стремится стать импульсным. И тогда возникает еще одна параллель с пустотообразованием в веществе. Так же как в полости можно разместить другое вещество (техническую систему), так и в паузу легко ввести импульсы сторонней системы.

Между отдельными хронокинематическими линиями и направлениями, скорее всего, существуют связи. Во всяком случае, одна такая связь видна отчетливо. Как только система переходит в импульсный режим (линия 2), паузы между импульсами заполняются действием другой системы. Если же этого не происходит, значит, налицо упущенная возможность повысить идеальность системы.

ПРИМЕР 41. В импульсной радиотехнике непрерывное колебание сигнала заменено серией модулированных импульсов. В промежутках между импульсами одного сообщения вставлены импульсы других сообщений. Так организована многоканальная связь, в которой используется по одному передатчику и приёмнику.

Примерно так же работает процессор компьютера, обслуживающего сразу несколько пользователей. Часть времени (миллисекунды) он работает с одной программой, часть времени - с другой. Скорость обработки информации велика, поэтому для потребителя паузы остаются незаметными.

ПРИМЕР 42. А.с. N 302622. Способ контроля термопары: нагревают термопару периодическими импульсами тока, а в промежутки времени между ними проверяют наличие термо-э.д.с.

ПРИМЕР 43. А.с. N 1062311. С целью ускорения чистки труб, подачу моющего средства чередуют с подачей воздуха.

ЗАДАЧА 9. Чтобы металл не выливался из сварочной ванны, его удерживают магнитным полем. Но при таком способе, шов получается бугристым и пористым. Дело в том, что внешнее магнитное поле "сдувает" дугу, и она начинает "скакать" с одной кромки шва на другую.

Как быть?

РЕШЕНИЕ. А.с.  N 510337: магнитное поле удерживает металл в промежутках между горением сварочной дуги.

 

ТРЕТЬЕ НАПРАВЛЕНИЕ ИДЕАЛИЗАЦИИ.

Вектор этого направления - увеличение числа функций при уменьшении времени их выполнения.

ПРИМЕР 44. Патент США N 3438110. Способ изготовления труб с рядом сквозных отверстий. На одной из продольных кромок полосы, являющейся заготовкой для изготовления трубы, специальным круговым инструментом накатывают ряд пазов. Возможна накатка таких пазов на обеих кромках полосы. Затем из полосы известным способом формируют прямоугольную трубу. В результате по линии стыка получают ряд сквозных отверстий.

На этом примере видно, как в начале линии предварительно выполняется часть функций. Еще пример.

ПРИМЕР 45. При постройке судов по ленд-лизу строители столкнулись с серьезной проблемой: как в кратчайшие сроки поставить в СССР большое число кораблей? Известная в то время технология постройки судов предполагала ведение всех работ, начиная от кройки листов обшивки для корпуса до сборки агрегатов, непосредственно на судостроительном заводе. Такой подход не мог обеспечить и близко требуемой производительности.

Пришлось изобрести модульный принцип постройки, согласно которому все части корабля изготавливались заранее на разных заводах крупными партиями, а уже потом в готовом виде собирались в одно целое на сборочном предприятии.

В дальнейшем все функции выполняются предварительно.

ПРИМЕР 46. Гибкая производственная система на базе станка типа "обрабатывающий центр" и робота способна "обслужить" деталь почти всеми основными видами механической обработки по заранее составленной программе.

ПРИМЕР 47. Сюда относятся устройства на основе эффекта памяти формы, реализующие несколько функций или структур.

Предварительное исполнение нескольких функций может быть реализовано в виде программы. Программирование нескольких функций встречается двух видов: жесткое и динамичное.

При жестком программировании законы изменения функций во времени задаются раз и навсегда без возможности внесения коррекции.

Динамическое программирование отличается способностью к многократным изменениям программ.

Примером жестко запрограммированного устройства является грампластинка с записями нескольких мелодий. Стереть мелодии или записать новые на ней невозможно.

Иное дело - магнитофонная лента, позволяющая тысячекратно менять записанную информацию. Это пример динамического программирования.

Технические системы развиваются в направлении перехода от программируемых жестко к динамически программируемым.

Феррожидкость, электрореологическая суспензия, металлы с памятью формы - вещества, которые успешно применяются в динамически программируемых системах.

ЗАДАЧА 10. В лаборатории намечено провести серию испытаний системы фильтров (например, для двигателей внутреннего сгорания). В ходе испытаний в фильтры вместе с поступающим туда воздухом надо подавать песок, пыль, частицы глины и прочие добавки. Для каждого испытания имеется график подачи добавок. Иногда надо подавать только одну какую-нибудь добавку, а нередко требуется подавать до 24 видов добавок. Каждая добавка подается в свое время по заранее составленному графику, поэтому смешивать добавки и подавать усредненную смесь нельзя. Вес каждой добавки от 0,01 кГ до 0,03 кГ. Время подачи 10 сек. Потом установку разбирают и исследуют.

Нужно предложить способ подачи сыпучих добавок. Основные требования: простота, точность, легкость переналадки (предполагается проверить сотни различных сочетаний добавок).

РЕШЕНИЕ. А.с. N 305363: добавки в соответствие с требуемыми графиками наносят на поверхность гибкой ленты из легковоспламеняющегося вещества, подают ее с заданной скоростью в зону нагрева и сжигают, а добавки отводят к испытуемому объекту.

(см. Г.С.Альтшуллер "Алгоритм изобретения", изд-е 2-е, стр. 198).

Интересный пример на динамически программируемую систему.

 

ОТДЕЛЬНО О ПРЕДВАРИТЕЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ.

Вспомним основное хронокинематическое противоречие: система должна тратить время на работу, и затрат времени у нее быть не должно. Из всех способов манипуляций со временем принцип предварительности как нельзя лучше устраняет это противоречие: действие совершается, но заранее, до оперативного времени. Казалось бы, предварительность действия - способ предельно эффективный. И все же, нельзя ли "выжать" из идеи предварительности максимальную эффективность? Оказывается, можно.

Принцип предварительности очень прост. Однако, сама предварительность действия многолика и применение ее выражено в определенных тенденциях.

Как и всякий "идеальный способ", принцип предварительности имеет недостаток. Проявляется он в том, что предварительно созданную систему нужно где-то хранить. До момента востребования, в ожидании работы система бесполезно занимает часть пространства. Существует несколько способов борьбы с этим недостатком.

Во-первых, в преддверии своего часа система может по совместительству выполнять стороннюю функцию.

ПРИМЕР 48. Для ускорения погрузочно-разгрузочных работ на самолете устанавливают кран. Чтобы не мешать в полете, кран на время убирается и становится частью фюзеляжа.

Второй способ состоит в том, что вместо вещества хранят поле.

ПРИМЕР 49. Система теплоснабжения дома (Швеция) использует способность солей кальция запасать солнечное тепло. Зимой в соль добавляют воду, начинается экзотермическая реакция растворения. Температура в комнатах поддерживается на уровне 20-25 град.С.

(ТиН-5-1985).

Этот способ основан на закономерности постепенной замены вещества в веполях полями. Естественно поэтому, что предпочтительнее хранить не просто поля, а структурированные поля.

ПРИМЕР 50. Использование электретов в запоминающих уст­ройствах (электретные материалы способны запоминать распределение заряда вдоль электрода произвольной формы).

Другие примеры: хранение структуры светового потока (голограмма), предварительно напряженные конструкции (запоминание распределений усилий в пространстве).

И наконец, третий, наиболее перспективный способ - хранение программы синтеза технической системы. Преимущество этого способа опирается на возможность компактной "записи" больших массивов вепольных структур. В принципе, именно так осуществляется репродуктивная функция в "передовой области" - биологических системах.

В современной технике способ синтеза по программе находит все большее применение. Взять, хотя бы, эффект памяти формы. В материалах, обладающих свойством памяти, изначально заложена программа по перестройке структуры.

Видимо, одним из фундаментов будущих технологий станут химические транспортные реакции, позволяющие осуществлять программную сборку систем с точностью до молекулы или атома.

 

ИСКЛЮЧЕНИЯ ИЗ ПРАВИЛ.

Встречаются технические системы, в которых время не сжимается, не "уничтожается", а наоборот - растягивается.

Например, патент Англии N 1367277: устройство, ослабляющее, рывок парашюта при раскрытии. Торможение при раскрытии парашюта бывает столь сильным, что парашютист может потерять сознание. Устройство позволяет раскрывать купол не сразу, а в два этапа. Сначала раскрытие задерживается шнуром, пропущенным через кольца в куполе. Когда давление под куполом достигает максимума, шнур лопается, и парашют раскрывается полностью.

Другой пример - а.с. N 442945. При штамповке взрывом происходит скачок давления, сжимающий вещество. Этот скачок вызывает противодействующий сжатию нагрев вещества. Повышение температуры ведет к расширению вещества, компенсирующему силы сжатия. С какого-то порога "тепловое давление" полностью компенсирует сжатие, и дальнейшее увеличение силы взрыва бесполезно.

Возникает противоречие: для эффективной штамповки взрыв должен быть сильным, и он должен быть слабым, чтобы сжать вещество.

Устранено противоречие в специальной установке. Между взрывчаткой и сжимаемым объектом расположили набор пластин разной плотности (из латуни, алюминия, магния, плексигласа). После взрыва пластины летят в сторону объекта с разными скоростями. Пластины располагают так, что более легкая из них ударяется раньше, чем более тяжелая. Таким образом, действие ударной волны растягивается во времени (но энергия взрыва передается полностью).

Подобного рода примеры относятся к случаям, когда времясокращающие режимы вредны из-за специфических особенностей системы. Доминирующей же, определяющей генеральное направление развития является тенденция к снижению затрат времени.

 

ПЕРСПЕКТИВЫ.

Предположительно, разработка темы пойдет в двух направлениях:

а) будут изучаться связи между отдельными направлениями временной идеализации и хронокинематическими линиями, а также конкретные механизмы продвижения технических систем вдоль этих направлений и линий;

б) должна быть скорректирована система стандартов (сейчас в ней отсутствует линия временной идеализации).

 

О ПРЕПОДАВАНИИ ТЕМЫ "ХРОНОКИНЕМАТИКА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ". На занятиях слушатели обычно рассматривают примеры и решают задачи, в которых присутствуют операции над временем. Однако, информация это, как правило, не систематизирована и не объединена общей идеей.

Среди известных мыслительных действий манипуляции над временем относятся отнюдь не к самым очевидным. Поэтому так важны занятия, на которых приемы работы со временем преподносятся с единых позиций.

К сожалению, данный материал не опробован на занятиях, и рекомендации по их проведению носят общий характер.

Первое из двух занятий желательно провести после изучения линий пустотности. Начать занятие удобно с задачи о гидроструйной обработке. В задаче явное противоречие: мощность насоса должна быть велика, чтобы разогнать струю до нужной скорости, и мощность должна быть мала, чтобы не разорвало установку. противоречие устраняется переходом к импульсному режиму работы.

Здесь хорошо бы нарисовать две картинки - постоянный и импульсный график работы - и предложить слушателям достроить недостающие узлы линии.

Решение этой задачи выводит на общий принцип решения целого класса задач. Если возникают принципиальные трудности с передачей веществу большой энергии, то необходимо перейти от режима непрерывной "накачки" к импульсно-резонансной, квантованной. Нечто подобное используется в ускорителях элементарных частиц циклотронного типа.

В дальнейшем, строя вместе со слушателями линию импульсно -пиковых режимов, решить задачи 1, 3, 5 и 6.

По ходу решения обратить внимание на особенности хронокинематических процессов: преимущество хронокинематического подхода при совершенствовании систем, рост интенсивности работы, использование инерционных свойств, оценку временной идеальности системы.

Выделить первое направление идеализации: функция не изменяется, но время ее выполнения сокращается.

Домашнее задание: задачи 2 и 7 ; построить остальные 3 линии первого направления и подумать над содержанием других возможных направлений.

На втором занятии провести разбор домашнего задания и пройтись примерами и задачами по линиям 2-4 и направлениями 2 и 3.

Остановимся на аналогии между пустотностью в веществе и паузами во времени. Абсолютная пустота во времени достигается при использовании принципа предварительности. Рассказать об особенностях применения этого принципа.

Попытаться спрогнозировать - с позиций хронокинематики - развитие конкретных технических систем (например, игрушек, кровати, здания и т.д.).

--------------------------------

Я благодарен Генриху Сауловичу Альтшуллеру за помощь при обсуждении этой работы.

05.08.1988

Заранее благодарен за предложения, замечания, рекомендации по дальнейшей разработке темы.

Фей Виктор Рувимович .