Как разрешить противоречие?
При решении поставленной задачи надо сформулировать
наиболее контрастное противоречие или – или
и решение задачи искать в логической композиции
тождества противоположностей и – и.
Роберт Бартини
Для творческого процесса очень важно умение
превращать непривычное в привычное
и наоборот, привычное – в непривычное
Уильям Гордон
Выявление противоречий – важный шаг на пути решения технической задачи. Но для получения решения, как мы уже отмечали, требуется разрешить противоречие, то есть сделать так, чтобы удовлетворялись оба противоположных требования к объекту. Вот примеры физических противоречий: объект должен быть большим и малым, подвижным и неподвижным, легким и тяжелым, острым и тупым и т.п. Как добиться сочетания в объекте таких свойств? Одним из методов разрешения физических противоречий является метод разделения противоречий (РП).
Сущность метода РП состоит в том, что предъявляемые к объекту противоречивые требования разводят, разъединяют, разделяют во времени или в пространстве.
Например, имеем физическое противоречие: объект должен быть подвижным и неподвижным. Примером разделения этого противоречия во времени может быть прерывистое движение объекта – в какой-то момент времени он подвижен, в какой-то момент – неподвижен. Примером разделения этого противоречия в пространстве может быть частичная подвижность – одна часть объекта подвижна, другая – неподвижна.
Соответственно метод РП включает два правила:
1) Разделение противоречия во времени;
2) Разделение противоречия в пространстве.
3.1. Разделение противоречия во времени (РПВ)
Изобрести – значит применить к решению задачи
принцип, в корне отличающийся от всего,
что использовалось для этой цели ранее,
принцип, к которому нельзя прийти
в ходе обычного логического рассуждения
Мередит Тринг
Специалисты вредны тем, что они скорее
других найдут недостатки всякой новой идеи
и тем самым помешают ее применению.
Они так умны и опытны, что в точности знают,
почему нельзя сделать то-то и то-то,
они видят пределы и препятствия,
поэтому я не беру на службу чистокровного специалиста.
Если бы я хотел убить конкурентов нечестными средствами,
я предоставил бы им полчища специалистов.
Генри Форд
Сущность правила РПВ состоит в том, что выполняются оба противоречивые требования физического противоречия, но проявляются они в разные моменты времени.
Правило включает несколько приёмов. Рассмотрим некоторые из них. При этом будем обозначать их соответственно РПВ1, РПВ2 и т.д., а также дадим им краткие названия, отражающие их сущность.
Приём РПВ1 «Оптимизация»: если не обеспечиваются оптимальные условия действия, его нужно разделить так, чтобы в каждый момент объект находился в оптимальных условиях.
Вернёмся к задаче 2.4. На фабрике игрушек готовились к выпуску игрушки «Карлсон». Недостаток опытного образца – Карлсон не летает.
Запишем задачу по АВП.
Проблема:
а) Карлсон не летает;
б) Карлсон должен летать.
Техническое противоречие:
а) полезное свойство – Карлсон похож на Карлсона из мультфильма;
б) вредное свойство – Карлсон не летает.
Идеальное решение:
Карлсон сам обеспечивает способность летать, сохраняя похожесть на Карлсона из мультфильма.
Дефектный элемент – пропеллер.
Физическое противоречие:
а) для обеспечения способности летать пропеллер должен быть большим; для сохранения похожести на Карлсона из мультфильма пропеллер должен быть маленьким;
б) пропеллер должен быть большим и маленьким;
в) пропеллер должен быть и не должен быть.
Для разрешения физического противоречия применим приём РПВ1. Когда пропеллер должен быть большим? Когда Карлсон в полёте. Когда пропеллер должен быть маленьким? Когда Карлсон в руках у ребенка. В этом состоит физическое решение задачи. Осталось найти техническое решение. Таким решением может быть пропеллер, лопасти которого скручены в плоские спирали. При вращении пропеллера спираль под воздействием центробежной силы расправляется, лопасти удлиняются, и Карлсон получает возможность летать. Другим решением может быть пропеллер с телескопическими лопастями, выдвигающимися при вращении и возвращающимися в исходное положение при остановке под действием пружины или резинки.
Задача 3.1. На заре авиации итальянский авиаконструктор Роберт Бартини заявил: «Красные самолёты должны летать быстрее чёрных» – и эмигрировал в Советскую Россию. При создании самолёта «Сталь-6», кстати, по многим показателям существенно превосходящего зарубежные аналоги того времени, потребовалось сварить две детали из разных сталей – жаропрочной и нержавеющей. Для сварки жаропрочной стали необходима высокая температура и, следовательно, большая сила сварочного тока; для сварки нержавеющей стали температура должна быть значительно ниже, поскольку при перегреве она теряет свои свойства, а значит, и сварочный ток должен иметь малую силу.
Как быть?
Решение. Имеем физическое противоречие: сварочный ток должен быть сильным и слабым. Р. Бартини совместно с инженером С. Поповым предложили сначала разогреть место сварки током в течение определенного времени до расплавления нержавеющей стали. Затем подавался импульс тока большой силы. Температура возрастала до величины, необходимой для сварки жаропрочной стали, но из-за краткости импульса структурные изменения в нержавеющей стали не успевали произойти.
Задача 3.2. Известен способ автоматической дуговой сварки ленточным электродом. Благодаря большой ширине ленты-электрода удаётся значительно повысить скорость сварки. Недостатком этого способа является то, что ширина ленты определяется величиной зазора в месте стыка заготовок, а он меняется довольно часто. Поэтому приходится иметь в запасе электроды с различной шириной, что усложняет организацию производства.
А может быть, возможно одним электродом сваривать заготовки с различным зазором?
Решение. Имеем физическое противоречие: электрод должен быть широким, чтобы сваривать заготовки с большим зазором, и должен быть узким, чтобы сваривать заготовки с малым зазором. Предлагается сделать ширину электрода регулируемой. Полосу изгибают вдоль осевой линии ленты в виде жёлоба. Изменяя величину прогиба, удаётся регулировать ширину полосы в зависимости от величины зазора.
Самоходный копёр японской компании «Кобе» на гусеничном ходу сочетает на одной стреле бур и молот. Он не сразу забивает сваю в грунт, а сперва сверлит для неё направляющую скважину спиральным долотом. И только после этого в работу включается дизельный молот. Какие же здесь преимущества? Во-первых, процесс, несмотря на две операции, идёт быстрее. За час свая углубляется на 10 м. Верхний конец её меньше повреждается. Во-вторых, резко уменьшается шум, что немаловажно при строительстве в черте города.
Приём РПВ2 «Растяжение – сжатие»: если действие невозможно или не обеспечивает требуемый эффект, его нужно растянуть (сжать) во времени, то есть выполнять действие существенно быстрее (существенно медленнее).
Задача 3.3. Подвижная система щёковой камнедробилки содержит эксцентриковый вал, шатун, маховик, подвижную щеку. Каждая из этих деталей весит несколько тонн. А вращается вал с маховиком с огромной скоростью. Соответственно и электродвигатель привода дробилки имеет большую мощность, но и её недостаточно, чтобы сдвинуть систему в начальный момент пуска. Если попытаться это сделать, двигатель просто выйдет из строя. Для запуска дробилки мощность двигателя должна во много раз превышать рабочую. Но тогда во время нормальной работы использование его будет неэффективным.
Как быть?
Решение. Физическое противоречие: скорость движения подвижных частей дробилки должна быть большой и малой. В этом и аналогичных случаях применяют вспомогательный привод, который позволяет запустить систему на малых оборотах. После её разгона вспомогательный привод отключают.
Задача 3.4. Фирма занимается изготовлением и монтажом водопроводных систем для дачных участков и ферм. Стальные трубы режут на гильотинных ножницах. При нажатии на подвижный нож гильотины он плавно входит в металл и разрезает трубу. Но однажды было решено перейти от стальных труб к пластмассовым. Последние имеют ряд преимуществ перед стальными – они легче, не подвержены коррозии, не разрушаются блуждающими токами. Ожидалось, что и резать их будет легче, чем металлические. Но оказалось, что при резании трубы сплющиваются.
Как решить проблему, не изменяя способа разрезания?
Решение. Скорость опускания ножа при резке металлических труб была выбрана, видимо, с учетом их прочности. Быстрее резать было нельзя, так как мог сломаться нож. При резании пластмассовых труб возникло физическое противоречие: сила давления ножа должна быть достаточно большой, чтобы резать трубу, и достаточно малой, чтобы не деформировать её. Но поскольку при резке пластмассовых труб можно не бояться поломки ножа, стали резать их с такой скоростью, что они просто не успевали деформироваться.
Задача 3.5. При обработке металлов резанием широко применяется инструмент с режущими пластинами из металлокерамических твёрдых сплавов. Пластину припаивают к стальной державке с помощью специального припоя. При резании инструмент нагревается, причём коэффициенты линейного расширения у материала державки и твёрдого сплава сильно различаются, поэтому они расширяются в разной степени. В месте соединения возникают большие напряжения, припой не выдерживает, и пластина отлетает. Хорошо бы не припаивать, а приваривать её к державке. Но основу металлокерамики составляют карбиды вольфрама и титана (свыше 90% массы), которые не плавятся. А используемый для их связки кобальт хоть и плавится, но его в твёрдом сплаве всего 4…8%. Если кобальт расплавить, твёрдый сплав разрушится.
Как обеспечить надёжное соединение пластины с державкой?
Решение. Место стыка должно быть расплавлено, чтобы осуществить сварку, и не должно быть расплавлено, чтобы не испортить пластину. Предлагается нагрев места стыка вести с помощью мощного импульса электрического тока в течение полсекунды. За это время державка оплавится, а пластина расплавиться не успеет. Их сильно прижимают одну к другой, чтобы расплавленное железо проникло в поры пластины и прочно приклеило её к державке.
Интересное изобретение сделали польские учёные-аграрии. Они создали удобрение в виде гранул диаметром 30-40 мм. Вносят такое удобрение в почву один раз в четыре года. Всё это время гранулы постепенно отдают полезное содержимое в почву.
Прием РПВ3 «Предварительное действие»: если выполнить требуемое действие в данный момент невозможно, его нужно выполнить до начала работы (или после её окончания). Это может быть как полезное действие, так и предотвращение вредного действия.
Простая задача: как добиться, чтобы складки на шторах всегда располагались равномерно? Нужно связать крючки (или кольца) друг с другом прочной ниткой так, чтобы все они были на одинаковом расстоянии. Стоит потянуть за первый крючок, и штора раздвинется, образуя равномерные складки.
Специалисты из Петербургского технического университета предлагают снимать большие припуски при обтачивании заготовок со сверхвысокой подачей. Для этого перед чистовым резцом с широкой режущей кромкой предлагается пускать резец с треугольной режущей частью, проделывающий винтовую канавку на всю глубину. Производительность возрастает в несколько раз.
Или ещё задача: как протянуть толстый кабель через трубу длиной 15 м, да ещё изогнутую? Монтажники из Тольятти применили пневмопистолет, который «выстреливает» тонким тросом, за который теперь можно вытянуть и кабель.
Вернёмся к задаче 2.5 об изготовлении мебели. Имеем физическое противоречие: древесину нужно пропитать и её нельзя пропитывать. Карельские изобретатели предложили оригинальное решение. Около комля растущего дерева сверлят несколько отверстий, к стволу дерева привязывают ёмкость с органическим красителем, из которой он по шлангам поступает в отверстия. Это позволяет получить красивую окраску древесины, причём сохраняя и её текстуру – рисунок, образованный волокнами дерева.
А вот задача на предотвращение вредного действия.
Задача 3.6. При обрезке плодового дерева места спила сучков долго не заживают. Дерево, как говорят, «болеет». В дереве содержатся и питательные, и «лечащие» вещества, они устремляются к больному месту, и дерево в конце концов «выздоравливает».
А нельзя ли сократить время «болезни» дерева?
Решение. Имеем физическое противоречие: «лечащие» вещества должны быть заранее сконцентрированы в месте спила, а дерево даёт команду на концентрацию только после спиливания сучка.
Предлагается за несколько дней до спиливания наложить на место спила стягивающие кольца. Дерево, чувствуя «боль», направляет туда питательные и «лечащие» вещества, что затем способствует быстрому заживанию спила.
Задача 3.7. Одна фирма покупала у другой растительное масло и перевозила его в автоцистернах ёмкостью 3000 л. И вот обнаружилось, что каждый раз в цистерне не хватает около 10 л масла. Проверили контрольные приборы, герметичность цистерны, пломбы на заливном люке – всё в порядке. Подумали на шофёра, стали посылать с ним экспедитора – ничего не помогло.
В чём причина потерь?
Решение. Давайте представим себя на месте водителя, который поставил цель похитить масло. Сделать это во время его заливки в цистерну, транспортировки и слива практически невозможно. Имеем противоречие: требуется отлить ведро масла, а сделать это невозможно. Водитель поступал просто: он заранее подвешивал в цистерну пустое ведро. Когда её наполняли маслом, наполнялось и оно. При сливе масла из цистерны ведро так и оставалось полным. Ну а дальше – дело техники.
Задача 3.8. Гипсовую повязку накладывают на место перелома для фиксации сломанной кости в исходном положении. Когда она срастётся, гипс нужно снимать. Его распиливают специальной пилкой. О том, что гипс перепилен, узнают просто: пациент вскрикивает от боли.
А нельзя ли избежать болезненного ощущения?
Решение. Конечно, можно. Физическое противоречие: чтобы гипс был распилен до конца, пилка должна коснуться кожи больного, и она не должна её коснуться, чтобы не причинить ему боль. Разрешить это противоречие несложно. Пусть пилка коснётся тела не в конце, а в начале работы. Для этого предлагается поместить её в полиэтиленовую трубку, наложить на место перелома и загипсовать. А пилить гипсовую повязку нужно теперь от тела наружу без опасения задеть кожу.
Вот ещё несколько примеров.
Чтобы устранить изгиб вала при обработке резцом, с противоположной резцу стороны заготовки прикладывают усилие, равное по величине и противоположное по направлению усилию резания.
Чтобы увеличить несущую способность железобетонных строительных конструкций, в них создают напряжение сжатия (так называемые предварительно напряжённые конструкции) путём предварительного упругого растяжения арматуры перед заливкой бетона.
Перед напрессовкой втулки на вал её разогревают. Отверстие расширяется, и втулка легко одевается на посадочную шейку вала. После остывания втулка сжимается, создаётся натяг в сопряжении. Можно для этой же цели охлаждать участок вала под втулку в жидком азоте.
Прием РПВ4 «Опережение - запаздывание»: если выполнить действие в данный момент времени или заранее (позднее) невозможно, его нужно выполнить чуть раньше (чуть позже).
Задача 3.9. При открытых взрывных разработках для борьбы с распространением пыли одновременно с подрывом основного заряда создают (тоже взрывным способом) водяную завесу. Но при этом, опередив её образование буквально на долю секунды, часть пыли успевает проникнуть за пределы этой преграды. Можно создать завесу заранее, но к моменту взрыва её плотность заметно снизится и тогда её нужно будет искусственно поддерживать, что сложно осуществить по техническим причинам.
Как быть?
Решение. Завеса должна быть создана заранее и завеса должна быть создана одновременно с подрывом основного заряда. Предлагается создать водяную завесу на 0,1…0,2 с раньше подрыва основного заряда, благодаря чему резко повышается эффективность её защитного действия.
Задача 3.10. Для снижения прочности и твёрдости заготовки её с целью уменьшения сил резания перед обработкой подогревают. При этом применяются различные способы нагрева: газовой горелкой, в печи, электроконтактным методом, токами высокой частоты, плазменной струёй и др. Но всем этим способам присущ один недостаток. Если мы нагреем заготовку так, что к началу обработки она будет иметь оптимальную температуру, то к концу работы она понизится, и силы резания возрастут. Если мы нагреем заготовку до более высокой температуры из расчёта, что к концу обработки она понизится до оптимальной, то в начале работы режущий инструмент будет перегреваться, что может стать причиной его быстрого затупления.
Как добиться поддержания оптимальной температуры в течение всего периода обработки?
Решение. Имеем противоречие: температура резания должна быть высокой, чтобы уменьшить твёрдость заготовки, и должна быть низкой, чтобы не перегревался режущий инструмент. Очевидно, разница между температурой подогрева и оптимальной температурой будет тем меньше, чем меньше времени проходит между нагревом и обработкой. Следовательно, нагревать зону обработки нужно непосредственно перед началом работы. Например, установить на суппорте станка перед резцом плазменную горелку или лазерный источник, отрегулировав их мощность так, что они будут нагревать зону резания до оптимальной температуры.
Приём РПВ5 «Перестановка»: если последовательность действий не обеспечивает требуемый эффект, нужно изменить последовательность действий, совместить действия, устранить лишнее действие.
Задача 3.11. Технология производства бетона на бетонном заводе предусматривает подачу компонентов (цемент, щебень, песок, вода) в бетоносмеситель. Все составляющие здесь перемешиваются, идёт реакция воды с цементом, и через некоторое время бетонная смесь приобретает необходимые вяжущие свойства. Её выливают в кузов самосвала, который доставляет бетон на стройку. В последнее время появились специальные машины – бетоновозы с вращающейся ёмкостью.
Какие изменения можно в связи с этим внести в технологию приготовления бетона?
Решение. Бетон необходимо долго перемешивать по условиям изготовления и не следует долго перемешивать, так как это снижает производительность. Для повышения производительности изменили порядок операций. В бетоносмесителе компоненты перемешивают и выливают в ёмкость бетоновоза, которая вращается во время транспортировки, в результате чего бетон за время пути доводится до кондиции.
Задача 3.12. Массивные медные контакты изготавливают литьём по выплавляемым моделям и потом обрабатывают на металлорежущих станках. Затем поверхность контакта покрывают тонким слоем серебра. Но для нормальной работы контакта достаточно серебрить всего 6 см2 из общей его площади поверхности 2000 см2. Чтобы исключить большой перерасход серебра, подлежащие серебрению поверхности стали покрывать специальными съёмными накладками. После чего весь контакт окунали в лак, сушили, снимали накладки и серебрили. На лак серебро не осаждается. Но при этом резко возросла трудоёмкость: контакты выпускаются самых различных типоразмеров, целая бригада рабочих ставит и снимает накладки.
Как можно усовершенствовать технологический процесс?
Решение. Имеем физическое противоречие: поверхности, подлежащие серебрению, должны быть изолированы при окунании в лак и должны быть открыты при серебрении. Если изоляция их накладками неприемлема, то, может быть, найдется другой её способ? Такой изоляцией может быть сам металл контакта, который будем снимать не до окунания в лак, а после него. Последовательность операций такая: окунаем необработанный контакт в лак, сушим, обрабатываем резанием поверхности, подлежащие серебрению, серебрим и, наконец, обрабатываем остальные поверхности.
Задача 3.13.При изготовлении осевого режущего инструмента (сверло, развёртка, метчик) стружечные канавки фрезеруют в цилиндрической заготовке специальной профильной фрезой. После этого заготовку термически обрабатывают (калят) для повышения твёрдости, а затем стружечную канавку шлифуют (затачивают) абразивным кругом такого же профиля. При этом острые кромки инструмента в результате резкого охлаждения в процессе термообработки становятся концентраторами напряжений, отчего на них появляются явные или скрытые дефекты: выкрашивание, микротрещины, большие остаточные напряжения растяжения. Такой инструмент при работе быстро выйдет из строя. Изменять режим термообработки нецелесообразно, так как он обеспечивает требуемую твёрдость материала инструмента.
Как быть?
Решение. Инструмент должен иметь режущие кромки, чтобы осуществлять резание, и не должен иметь их, поскольку они являются концентраторами напряжений при термообработке. Путь к разрешению этого противоречия очевиден: при термообработке кромок не должно быть, а в готовом инструменте они необходимы. Следовательно, их нужно получать после термообработки. Для этого сначала надо закалить цилиндрическую заготовку, а затем вышлифовать в ней стружечные канавки на всю глубину профильным абразивным кругом.
Приём РПВ6 «Прерывистость»: если непрерывное (прерывистое) действие неэффективно, его нужно заменить прерывистым (непрерывным), изменить соотношение импульсов и пауз, использовать паузы между импульсами одного действия для другого действия.
Рассмотрим пример. Два полюса эксплуатационной прочности металла – твёрдость и пластичность. Применяя различные виды и режимы термообработки, мы регулируем соотношение этих свойств в зависимости от условий работы детали в машине. Закалив, например, деталь мы делаем её твердой, но хрупкой. Этому имеется известное объяснение. При нагреве металла перед закалкой он переходит в аустенитное состояние. Но при этом одновременно начинается рост зерна. При охлаждении аустенит переходит в твёрдый мартенсит, но крупная величина зерна сохраняется, в результате чего он теряет пластичность. Ленинградскими учеными предложен новый способ термообработки – термоциклическая обработка. Не нужно ждать, пока весь металл перейдёт в аустенитное состояние, а зерно неизбежно увеличится до неприемлемых размеров. Можно нагреть металл, и, пока зерно ещё не начало расти, перевести быстрым охлаждением в твёрдое, стабильное мартенситное состояние. Затем снова нагреть и опять охладить. За 5-6 циклов обеспечивается заданная твёрдость стали при сохранении высокой пластичности.
Вернемся к задаче 2.7 о прижогах при шлифовании.
Решение. Имеем противоречие: чтобы шлифовать, круг должен находиться в контакте с деталью, а чтобы поверхность охлаждалась, он не должен контактировать с нею. Противоречие разрешается, если рабочую поверхность круга сделать прерывистой, выполнив на ней пазы или отверстия. Тогда в процессе контактов выступов круга с деталью будет осуществляться шлифование, а во время перерывов – охлаждение обрабатываемой поверхности. Поскольку скорость круга составляет 35…50 м/с, охлаждение зоны обработки происходит почти непрерывно, и температура контакта не поднимается до критического значения.
Задача 3.14.Учёные исследовали процесс электросварки. Их интересовало, как плавится металлический стержень, внесённый в дугу, и как при этом ведёт себя сама дуга. Сняли процесс на киноплёнку. Оказалось, что на экране видна только дуга. Осветили капли другой дугой, более яркой. Теперь стали видны только они, а сварочной дуги не видно.
Что делать?
Решение.Физическое противоречие: вспомогательная дуга должна быть ярче основной, чтобы были видны капли металла, и она не должна быть яркой, чтобы было видно основную дугу. Иначе говоря, вспомогательная дуга должна быть и не должна быть. Предлагается включать вспомогательную дугу в импульсном режиме. В моменты вспышки будут видны капли металла, а между вспышками – основная дуга. Процесс снимают на видеокамеру. Частота импульсов выбрана таким образом, что для глаз эти два процесса сливаются, и видны как капли металла, так и основная дуга.
Задача 3.15. При обработке штампов и других сложных поверхностей применяют электрохимическую обработку. Заготовку погружают в электролит и присоединяют к положительному полюсу источника тока, а инструмент – к отрицательному. Рабочая поверхность инструмента имеет форму будущей обработанной поверхности. Под воздействием тока металл на поверхности заготовки переводится в ионное состояние и растворяется в электролите – растворе поваренной соли. Максимальный ток проходит в том месте, где расстояние в зазоре между заготовкой и инструментом минимальное. Здесь и происходит наиболее интенсивное растворение металла. В результате обрабатываемая поверхность принимает форму поверхности инструмента.
Однако при обработке возникает противоречие. При малой величине зазора он быстро забивается шлаком, и процесс прекращается. Увеличение зазора позволяет вымывать шлак, но при этом теряется точность обработки, так как мелкие детали рельефа «размываются».
Требуется обеспечить высокую производительность, не снижая точности обработки.
Решение. Имеем физическое противоречие: зазор между инструментом и заготовкой должен быть большим, чтобы обеспечить высокую производительность, и малым, чтобы обеспечить высокую точность. Разделим процесс во времени: идёт обработка – зазор уменьшается, прокачивается электролит – зазор увеличивается, т.е. инструменту нужно сообщить поперечные колебания.
Задача 3.16. При токарной обработке незакаленных сталей образуется так называемая сливная стружка. Она сходит непрерывной лентой с огромной скоростью. С одной стороны, это хорошо т.к. свидетельствует о том, что процесс резания протекает спокойно, равномерно. Но с другой стороны, стружка наматывается на заготовку и инструмент, занимает большой объём, её трудно собирать, упаковывать и транспортировать, да и к тому же возникает опасность для рабочего. Приходится применять специальные стружколомы, что усложняет конструкцию инструмента или приспособления. К тому же они малоэффективны, так как весьма чувствительны к изменениям условий обработки (марка стали, глубина, подача и скорость резания), их приходится перенастраивать при изменении условий.
Предложите более простой и надёжный способ дробления стружки.
Решение. Итак, стружка должна быть непрерывной, чтобы обеспечить нормальный плавный процесс резания, и прерывистой, чтобы обеспечить обзор зоны обработки и уборку отходов. Одно из решений – сообщить режущему инструменту колебания (осцилляцию) вдоль подачи (вдоль обрабатываемой поверхности) с амплитудой, примерно равной подаче инструмента за один оборот заготовки. В зоне резания стружка будет сливная, но сходить станет не в виде сплошной ленты, а отдельными кусочками, величина которых будет определяться соотношением скорости резания и частоты колебаний. Дробления не требуется.
Это интересно:
Один из в общем-то прогрессивных русских военачальников генерал Драгомиров дал такой отзыв на изобретение пулемёта:
- 600 выстрелов в минуту! Если бы одного и того же человека нужно было убивать по нескольку раз, то это было бы чудесное оружие. Но на беду поклонников столь быстрого выпускания пуль, человека достаточно подстрелить один раз, и расстреливать его вдогонку, пока он будет падать, надобности нет.
Первый зерноуборочный комбайн изобрел русский крестьянин Андрей Романович Власенко. Он назвал своё детище «жнейкой-молотилкой». Производительность ее была в 8 - 9 раз выше, чем у обычной жнейки. В 1869 году изобретатель был удостоен Золотой медали экономического общества. Появившийся в 1879 году в Калифорнии комбайн уступал машине Власенко по производительности. Но зато дал это название всем уборочным машинам.
3.2.Разделение противоречия в пространстве (РПП)
Изобретатель – это человек, нашедший новую
комбинацию уже известных вещей для
наиболее экономичного удовлетворения
человеческих потребностей
Альберт Эйнштейн
Это открытие было результатом
того духа противоречия,
которому я обязан большинством
других своих открытий
Акад. Б.С.Якоби
Сущность правила РПП состоит в том, что выполняются оба противоречивых требования физического противоречия, но проявляются они в разных частях объекта.
Приём РПП1 «Дробление»: если объект не выполняет достаточно эффективно свою функцию, его нужно разделить на части, выполняющие одинаковые функции.
Задача 3.17. На химическом заводе вышел из строя фильтр. Фильтр представляет собой стеклянный цилиндр диаметром 1 м и длиной 2 м. Вдоль цилиндра выполнены сквозные отверстия диаметром 2 мм – несколько сот отверстий. Конечно, тут же заказали на стекольном заводе новые фильтры. Но технологический процесс на химзаводе непрерывный, нельзя остановить производство ни на час. Нужно срочно поставить хотя бы временный фильтр.
Как же изготовить такой фильтр?
Решение. Имеем физическое противоречие: отверстия нужно делать, так как это требуется по условиям задачи, и отверстия не нужно делать, поскольку это очень сложно. Иначе говоря, отверстия должны быть и их не должно быть. Противоречие легко разрешается с помощью дробления. Изготовим фильтр не из цельного стеклянного цилиндра, а в виде пучка стеклянных трубок требуемого диаметра. Ещё проще будет выглядеть фильтр из стеклянных стержней. Наконец, совсем простое решение – фильтр из битого стекла.
Задача 3.18. При создании авиалайнера Ту-114 за прототип был принят самолет Ту-104. В связи с увеличением грузоподъёмности для нового самолета понадобились более мощные двигатели с винтом диаметром 9 м. Для этого крыло самолета пришлось бы поднять ещё на 3 м, что вызвало бы коренное изменение всей конструкции. Если диаметр винта сохранить прежним, потребовалось бы восемь двигателей вместо четырёх, а их негде разместить.
Конструкторы нашли выход, использовав приём дробления.
Решение. Физическое противоречие состоит в том, что винтов должно быть много, чтобы обеспечить нужную тягу, и их должно быть мало, чтобы уложиться в заданные габариты. Было предложено количество двигателей оставить прежним, но на каждом из них расположить по два винта, причём так, чтобы вал одного винта находился внутри полого вала другого.
Задача 3.19. При проколе камеры водителю необходимо срочно остановиться и сменить колесо. А «запаска» не всегда есть. Нельзя ли сделать такие шины, чтобы при проколе можно было доехать до ближайшей мастерской?
Решение. Имеем физическое противоречие: чтобы воздух не выходил из камеры, он не должен соединяться с атмосферой; однако при проколе он обязательно будет соединяться с атмосферой. Предлагается разделить камеру на изолированные ёмкости.
Вернёмся к задаче 2.8 о необходимости уменьшения длины протяжки. Физическое противоречие можно сформулировать следующим образом: сечение стружки должно быть большим, чтобы протяжка была короткой, и малым, чтобы исключить обрыв протяжки от действия сил резания.
Предлагается сделать режущую кромку каждого зуба прерывистой, по типу шлицевой протяжки. Режущие участки по ширине чуть больше впадин. Обработку отверстия такой протяжкой следует выполнять за два хода. За первый ход прорезают канавки, а за второй – срезают оставшуюся часть. Обычная протяжка была бы в два раза длиннее предлагаемой.
Иллюстрацией к приёму РПП1 может быть создание автопоездов различной конструкции. Так, польские изобретатели предложили грузовую автомашину разделить на три части: передняя – кабина водителя и начало кузова, средняя – кузовная вставка и задняя – хвостовая часть кузова и задние колёса. Под погрузку подают грузовик необходимой вместимости.
Интересное решение предлагает школьник из Братска Сергей Молотков. Тележки автопоезда выполнены складными: до погрузки они сдвинуты вплотную одна к другой, наподобие мехов гармошки. Контейнер с грузом подают внутрь сложенных тележек и крепят к первой из них. Тягач трогается и выдвигает вперёд первую тележку и контейнер, остальные тележки пока неподвижны. Другой край контейнера крепят ко второй тележке. Затем подают второй контейнер и крепят его к третьей тележке, тягач снова трогается и раздвигает автопоезд ещё больше и т.д. Выгружают контейнер в обратном порядке.
Представляет интерес и аэродромный топливозаправщик, который напоминает Тянитолкая из сказки Корнея Чуковского. У заправщика две кабины – спереди и сзади. Поэтому ему не надо разворачиваться, что немаловажно для работы в тесноте аэродромных стоянок.
Японские судостроители предложили делать сборно-разборными и суда. Судно разделено на три отсека: первый – для экипажа, второй – трюм, третий – для двигательной установки. При прибытии судна в порт средняя часть ставится под разгрузку, а первый и третий отсеки могут отправляться в рейс с новым трюмом.
Применение сменных быстроизнашивающихся элементов – зубьев режущих инструментов, лопастей гребного винта и т.п. – позволяет существенно увеличить общий срок службы устройств, а также замену вышедшего из строя элемента вместо замены всего устройства в аварийной ситуации.
Ещё одно японское изобретение – напильник, который собирается из ножовочных полотен. Его преимущество – более острые режущие зубья, удобство очистки при засаливании, отсутствие концентраторов напряжений и трещин.
А белорусские изобретатели предложили зубчатое колесо, набранное из стальных дисков, чередующихся с дисками из легкоплавкого материала, служащего твердой смазкой. По мере расходования смазывающих дисков стальные поджимаются в осевом направлении.
Приём РПП2 «Деление»: если объект не выполняет требуемых функций, его нужно разделить на части, каждая из которых выполняет свою функцию.
Задача 3.20. Австрийский музей решил купить во Франции картину известного художника. Подлинность её была подтверждена группой компетентных экспертов. В их присутствии нотариус поставил на обратной стороне холста печать, удостоверяющую подлинность картины, и она со всеми предосторожностями была доставлена в Австрию. Когда же в музее провели повторную экспертизу, оказалось, что картина – подделка.
Решение. Перед аферистами стояло физическое противоречие: картина должна быть подлинной, так как экспертов обмануть не удастся, и она должна быть поддельной – в этом смысл аферы. Жулики разрешили это противоречие очень просто: на подрамник натянули копию картины, на нее – подлинник и все это поместили в раму. Эксперты оценили одну картину, а печать была поставлена на другой, поддельной.
Задача 3.21. Для равномерного освещения всей площади карьера было предложено использовать подвешенные на аэростате источники света. Прожекторы имеют большой вес (источник питания, отражатель, провода), поэтому понадобились аэростаты большого объёма. В результате большой парусности их трудно было удержать при большом ветре.
Как быть?
Решение. Прожекторы должны иметь большую массу, чтобы содержать источник питания, отражатель, провода, и должны быть лёгкими, чтобы можно было поднять их аэростатом небольшого объёма. А так ли необходимо поднимать прожектор целиком? А если поднимать только часть его? Так и поступили. Предлагается поднимать только лампу с отражателем, а источник питания оставить на земле. Если и это не решит проблему, поднимем на аэростатах только отражатели, направив на них лучи прожекторов с земли.
Задача 3.22. Внутренние полости отливок очищают от остатков формовочной смеси струей воды под давлением до 40 атмосфер. Для повышения эффективности очистки в воду добавляют песок. Но гидроабразивная струя изнашивает сопло гидромонитора.
Как быть?
Решение. Физическое противоречие: струя воды должна содержать песок для повышения эффективности очистки и не должна его содержать, чтобы не изнашивать сопло гидромонитора. Изобретатели предложили помещать отливку в ванну с водой и песком и подавать под давлением струю чистой воды. Можно также подавать абразивную пульпу в зону действия водяной струи.
С помощью приёма РПП2 можно предложить ещё одно решение задачи 3.19 о езде с проколотой камерой. В США и Канаде на ступице колеса автомашины за покрышкой монтируют диск из прочного полимера. Диаметр его на 70-80 мм меньше диаметра колеса, но этого достаточно чтобы доехать со скоростью 40 км/ч до ближайшей мастерской.
С помощью приёма РПП2 можно получить и решение задачи 2.8 об уменьшении длины протяжки, альтернативное полученному выше. Воспользуемся зависимостью силы резания Р от толщины S и ширины b среза:
P = C·Sx·by (3.1)
Значения показателей степени при обработке стали определены экспериментально: х=0,75; y=1, то есть влияние ширины среза на силу Р больше, чем толщины. Если, к примеру, b увеличить вдвое, во столько же раз возрастёт и Р. При аналогичном увеличении S сила возрастёт лишь в 1,7 раза. Это явление положено в основу так называемой протяжки с прогрессивной схемой резания. Зубья такой протяжки расположены в шахматном порядке. Каждый зуб срезает стружку половинной ширины, но зато толщина S её может быть увеличена не в 2, а в 2,5 раза.
Грузинские изобретатели предложили поворотную оконную раму, в которой одна сторона стекла покрыта теплоотражающим составом, а другая – теплопоглощающим. В зависимости от температуры на улице раму поворачивают нужной стороной.
Приём РПП3 «Оптимизация»: если объект не выполняет своих функций, потому что к нему предъявляются противоположные требования, его нужно разделить так, чтобы каждая его часть находилась в условиях, наиболее благоприятных для неё.
Если условиями работы объекта к нему предъявляют противоположные требования, следует выполнить его из двух частей. Первая часть должна соответствовать одному требованию физического противоречия, а вторая – противоположному требованию.
Вот пример применения такого приёма.
Известно, что лес лучше не пилить, а срезать – тогда и опилок не будет. Раньше инженеры предлагали стволы деревьев перерезать раскалённой проволокой. Но удавалось углубиться лишь на несколько сантиметров. Пробовали резать мощной струёй воды, но она, проходя твёрдые горные породы, оказалась бессильной при встрече с мягким деревом. Пытались приспособить даже квантовые генераторы. Однако плохое качество реза и низкая производительность заставили отказаться и от них. Тогда-то и вернулись к механическому способу. Сделали так. Ножи, почти такие же тонкие, как обычное пильное полотно, словно бритва резали дерево, легко углубляясь в толщу ствола, а вслед пустили массивные стальные клинья. Усилие резания по сравнению с толстыми ножами уменьшилось почти в три раза. Срез получался чистым и ровным.
Вернемся к задаче 2.6 о точении нежёсткого вала. Имеем физическое противоречие: главный угол в плане j должен быть большим, чтобы уменьшить составляющую РY силы резания, и должен быть малым, чтобы обеспечить малую шероховатость поверхности.
Рассмотрим зону резания. Шероховатость поверхности формируется не всей режущей кромкой, а лишь небольшим её участком, прилегающим к вершине (микрометры, в худшем случае – десятки микрометров). Сила же резания формируется на всей активной части режущей кромки. Поэтому на небольшом участке, прилегающем к вершине, угол 
нужно выполнить малым, а на остальной режущей кромке – большим, близким к 900. Можем воспользоваться и жёсткой формулировкой физического противоречия: угол должен быть и не должен быть. Такой формулировке отвечает режущая кромка, закругленная у вершины. В каждой её точке есть угол - он измеряется от касательной в этой точке, а в целом нельзя сказать, что режущая кромка наклонена под таким-то углом .
Задача 3.23. Корм скоту приготавливают из смеси разных трав. Для этого скошенные травы перемешивают с помощью специальных дозирующих устройств. Проще было бы посеять все их вперемешку, как на лугу. Но дело в том, что удобрения, стимулирующие рост одних трав, не оказывают влияния на развитие других, а то и подавляют его. Кроме того, не все травы совместимы: некоторые из них угнетают другие.
Как быть?
Решение. Мы имеем противоречие: травы должны быть посеяны вперемешку, чтобы сразу получать готовую смесь, и должны быть посеяны раздельно, чтобы обеспечить оптимальные условия их роста. Предлагается разные травы высевать узкими параллельными полосами, а уборку их вести поперек рядов. Травы смешиваются прямо в кузове машины, идущей за косилкой.
Задача 3.24. Инструмент для ультразвуковой обработки отверстий должен быть высокотеплопроводным, чтобы уменьшить нагрев обрабатываемой зоны, и износостойким против ударов абразивных зёрен. Но теплопроводные материалы относительно мягкие, не износостойкие, а твёрдые, износостойкие имеют, как правило, низкую теплопроводность.
Решение. Физическое противоречие содержится в самой формулировке задачи: материал инструмента должен быть твёрдым и мягким, или теплопроводным и нетеплопроводным. Используя приём оптимального разделения, делаем контактную поверхность его из твёрдого, нетеплопроводного материала, а всё остальное – из мягкого, теплопроводного.
Вернёмся к задаче 2.1 о запаивании ампул с лекарством. Имеем противоречие: температура должна быть высокой, чтобы стекло расплавилось, и низкой, чтобы лекарство не испортилось. Оптимальным является способ запайки, при котором температура будет высокой в месте нагрева и низкой там, где расположено лекарство. Предлагается поместить кассету с ампулами в воду так, чтобы над поверхностью остались только их носики – теперь к ним можно подводить мощное пламя и запаивать, не боясь испортить лекарство.
Задача 3.25. В плавучей ёмкости нужно хранить несколько видов нефтепродуктов, вязкость отдельных из которых сильно увеличивается при снижении температуры, что нежелательно.
Как быть?
Решение. Физическое противоречие может иметь вид: ёмкость должна контактировать с водой по условиям задачи и не должна контактировать, чтобы при понижении температуры не увеличивалась вязкость нефтепродуктов. Разделив эти требования, приходим к решению: снаружи расположить отсеки с продуктами, вязкость которых мало зависит от снижения температуры, а внутри – отсеки с продуктами, для которых охлаждение нежелательно.
Приём РПП4 «Противопоставление»:если объект не выполняет свои функции, его нужно разделить так, чтобы каждая его часть обладала свойствами, противоположными свойству объекта в целом.
Для разрешения физического противоречия одно из его требований предъявляется к объекту в целом, а противоположное – к его составным частям.
Задача 3.26. В 1896 году российский инженер Владимир Григорьевич Шухов продемонстрировал на художественно-промышленной выставке в Нижнем Новгороде ажурную 32-метровую башню из восьми поставленных друг на друга гиперболоидов вращения. Ещё более высокая башня подобного типа высотой 160 м была сооружена по его проекту в 1922 году в Москве, на Шаболовке (её изображение и сейчас является эмблемой Гостелерадио). Почему же Шухов избрал в качестве основы конструкций именно гиперболоид?
Решение. Известно, что гиперболоид вращения – это фигура, образуемая вращением гиперболы вокруг оси, перпендикулярно линии, соединяющей фокусы двух её ветвей. Но не все, наверное, помнят, что тот же гиперболоид можно получить ещё и вращением наклонной прямой вокруг той же оси. По условиям прочности и устойчивости В.Г. Шухову нужна была криволинейная конструкция. Но с точки зрения технологичности, то есть возможности её простого изготовления, элементы такой конструкции должны быть прямыми. Этим требованиям и отвечает гиперболоид: секции башни изготовлены из наклонных прямолинейных стержней.
Вернемся к задаче 2.3 о закреплении детали при фрезеровании. Мы имеем противоречие: губки должны быть твёрдыми, чтобы обеспечить надёжный зажим, и эластичными, чтобы обеспечить малое давление их на деталь. Предлагается губки сделать полыми и заполнить шариками, а их рабочую поверхность – гибкой, например, в виде тонкой плёнки. По мере зажатия детали при сближении губок шарики перекатываются внутри их полостей, охватывая поверхность детали. При дальнейшем усилении зажатия шарики теряют подвижность и, наконец, при окончательном сжатии губки жёстко крепят деталь.
Задача 3.27. При сборке изделий для прочного соединения винт вводят в резьбовое отверстие с эпоксидным клеем. В состав его входят эпоксидная смола и отвердитель. Но время полимеризации эпоксидного клея составляет всего несколько минут. Приходится часто готовить новые порции клея, а неиспользованный остаток старого выбрасывать. Это, конечно, нерационально.
Как быть?
Решение. Физическое противоречие имеет вид: отвердитель должен находиться в контакте со смолой, чтобы смесь обладала способностью склеивать, и не должен находиться в контакте, чтобы она могла храниться. Налицо разделение во времени: в контакте со смолой отвердитель должен находиться только в момент склеивания, а в остальное время он должен быть отделён от неё. Но это ещё не решение задачи. Применяем разделение в пространстве: смолу и отвердитель помещаем в микрокапсулы размером в несколько микрометров. Микрокапсулы смешиваем в нужной пропорции и мелкими порциями насыпаем в места склеивания. При нажатии винта капсулы раздавливаются, и отвердитель входит в контакт со смолой.
Выводы
1.Одним из методов решения технических задач является метод разделения противоречий (РП): разделение противоречивых требований физического противоречия во времени или в пространстве.
Метод включает два правила:
1) Разделение противоречия во времени (РПВ);
2) Разделение противоречия в пространстве (РПП).
2. Правило РПВ: выполняются оба противоречивые требования физического противоречия, но в разные моменты времени.
Правило РПВ включает приёмы:
РПВ1 «Оптимизация» – разделение действия так, чтобы в каждый момент объект находился в оптимальных условиях;
РПВ2 «Растяжение – сжатие» – выполнение действия быстрее или медленнее;
РПВ3 «Предварительное действие» – выполнение действия до начала работы;
РПВ4 «Опережение – запаздывание» – выполнение действия чуть раньше;
РПВ5 «Перестановка» – изменение последовательности действий;
РПВ6 «Прерывистость» – замена непрерывного действия прерывистым.
3. Правило РПП: выполняются оба противоречивые требования ФП, но применительно к разным частям объекта.
Правило РПП включает приемы:
РПП1 «Дробление» – разделение объекта на части с одинаковыми функциями;
РПП2 «Деление» – разделение объекта на части с разными функциями;
РПП3 «Оптимизация» – разделение объекта на части так, чтобы каждая часть находилась в оптимальных условиях;
РПП4 «Противопоставление» – разделение объекта на части со свойствами, противоположными свойствам объекта в целом.
Вопросы для самоконтроля
3.1. В чём сущность метода разделения противоречий?
3.2. В чём сущность правила РПВ?
3.3. В чём сущность приёма РПВ1 «Оптимизация»? Приведите пример.
3.4. В чём сущность приёма РПВ2 «Растяжение - сжатие»? Приведите пример.
3.5. В чём сущность приёма РПВ3 «Предварительное действие»? Приведите пример.
3.6. В чём сущность приёма РПВ4 «Опережение - запаздывание»? Приведите пример.
3.7. В чём сущность приёма РПВ5 «Перестановка»? Приведите пример.
3.8. В чём сущность приёма РПВ6 «Прерывистость»? Приведите пример.
3.9. В чём сущность правила РПП?
3.10. В чём сущность приёма РПП1 «Дробление»? Приведите пример.
3.11. В чём сущность приёма РПП2 «Деление»? Приведите пример.
3.12. В чём сущность приема РПП3 «Оптимизация»? Приведите пример.
3.13. В чем сущность приёма РПП4 «Противопоставление»? Приведите пример.
Это интересно:
Однажды реставратору принесли старинную картину с изображением двух простых людей на чёрном фоне. Этот фон показался ему подозрительным. И когда он начал осторожно смывать чёрную краску, на заднем плане возникло изображение паровозика с большими колёсами и длинной трубой. Реставратор понял, что перед ним портрет отца и сына Черепановых - создателей первого русского паровоза.