ТРИЗ для «чайников» – 4. Микростандарты

Пример 1

Крестьянская лошадка могла тащить только один небольшой плуг с одним лемехом, который переворачивал пласт земли нужного размера. То есть происходила вспашка на нужную глубину. Современный трактор может перевернуть огромный пласт, да так, что не только плодородный слой перевернет, но и глину выворотит. В результате – не вспашка, а порча земли. Если же установить старенький лошадиный плуг, то тогда вспашка будет правильной, но трактор будет использовать малую часть своей мощности, и мы потеряем производительность. Решение, как известно простое – трактор тащит раму, на которой установлено много рабочих элементов, каждый из которых обеспечивает заданное дозированное действие в оперативной зоне. Установлены они не параллельно, а с небольшим сдвигом друг относительно друга – «цугом». Этим обеспечивается то, что каждый плуг не влияет на работу соседних.

Рис. 4. Лошадь тянет один плуг, на тракторе установлено на раме несколько плугов со сдвигом

Пример 2

При нарезке зубьев шестерен мощности станка бывает достаточно, чтобы прорезать весь металл, в месте формирования зуба, но при этом образуются трещины, заусенцы, металл будет смят. Избежать этого легко – заставить резец несколько раз ходить в месте зуба, срезая металл все глубже и глубже. Но тогда мы теряем много времени (ход резца + реверс). Как быть?

Берется фреза, на которой устанавливается много режущих кромок (по существу – маленьких резцов). Первая делает неглубокий надрез, вторая – углубляет его и т. д. Наконец, последняя завершает работу. При этом в каждый момент времени несколько режущих кромок работает одновременно. В результате, несколько кромок, работающих «цугом», полностью вырезают зуб.

Пример 3

На Нижнетагильском металлургическом комбинате нам встретилась следующая задача: При восстановлении рабочей поверхности прокатного валка, ее наплавляют, а затем обрабатывают на токарном станке резцом. При обработке необходимо срезать слой металла толщиной около 5 мм, чтобы получить ровную поверхность. Мощность станка достаточно велика, чтобы срезать такой слой за один проход. Однако после наплавки поверхностный слой металла становится настолько твердым, что если попытаться срезать сразу все 5 мм за один раз, то резец будет быстро нагреваться и выходить из строя. Вот и приходится осуществлять обработку за несколько проходов, срезая каждый раз по 1—2 мм. Естественно, производительность падает. Как быть?

Как легко убедиться, налицо стандартное противоречие, поэтому и решение было предложено стандартное – на суппорт установить несколько резцов, работающих «цугом». Такое решение было принято задачедателем.

1.3. Совместная обработка

Для лучшей стыковки двух полос линолеума одну полосу накладывают на другую и производят рез через обе полосы. Получается идеальная стыковка полос, поскольку срез одной полосы повторяет по форме срез другой.

МКС: Если технология такова, что точность обработки изделия недостаточна, то более высокую точность сопряженной пары деталей можно обеспечить за счет совместной (одновременной) обработки этой пары деталей.

Пример 1

Во всех автомашинах главная пара шестерен заднего моста нарезается одним резцом сразу на обеих деталях, чтобы избежать в них большого люфта.

Рис.5. Главная пара шестерен заднего моста.

Пример 2

Для обеспечения максимальной симметричности при проведении ортопедических операций на двух конечностях, их проводят на обеих конечностях руками одного хирурга в течение одного операционного дня.

Пример 3

Если в двух деталях должны быть отверстия для их соединения, в которые затем нужно будет вставлять винт или другой стыковочный элемент, то сверление этих деталей надо делать одновременно за одну операцию. В этом случае отверстия идеально совпадут.

1.4. Потянем за ниточку

Стерильный бинт помещается в упаковку из нескольких слоев пергаментной бумаги, обеспечивающую стерильность в течение 6 месяцев. Разорвать ее достаточно трудно. Нужно значительное усилие. Поэтому, чтобы вскрыть упаковку аккуратно и без больших усилий, в нее заранее вкладывают нить. Затем тянут за свободный конец нити. В этом случае все усилие в каждый момент будет прикладывается в точке. Концентрированное усилие достаточно, чтобы разрушать бумагу, но недостаточно, чтобы порвать нить, через которое оно передается. В этом случае упаковка вскрывается легко и аккуратно.

Рис. 6. Бинт

МКС: Если

– необходимо аккуратно и быстро разрушить прочную упаковку в заданном месте;

или в процессе работы системы образуется нежелательное прочное соединение элементов, которое необходимо разрушить при обслуживании,

то это можно обеспечить за счет введения заблаговременно в место предполагаемого разделения нити (проволоки или иной аналогичный элемент).

Упаковка или соединение разрушаются, когда усилие прикладывается к свободному концу нити. В этом случае все усилие, прикладываемое к нити, концентрируется в точке контакта (очень маленькой оперативной зоне) освобожденной части нити с местом не разрушенной части соединения. Большое направленное усилие в этой точке приводит к разрушению упаковки или нежелательного соединения. Процесс происходит до тех пор, пока упаковка или соединение не будут разделено полностью по всей длине заранее заложенной нити.

Пример 1

Нить в целлофановой упаковке сигарет или других продуктов.

Рис. 7. Нить (золотая) позволяет легко вскрыть упаковку

Пример 2

Извлечение ТЭНа из реактора (из практики Л. Певзнера).

Это произошло 25 лет назад, когда я работал в составе команды Бориса Злотина на Норильском ГОКе. Там мы столкнулись со следующей задачей:

В специальном реакторе (реактор – это горизонтально установленная бочка диаметром около 4-х метров, длиной около 12 метров, с толщиной стальных стенок 12 мм, внутри которых выложен слой свинца – 10 мм и огнеупорный кирпич) происходил процесс перевода серы из пульпы колчеданов в чистую серу. Для этого в реакторе пульпу под давлением 10—15 атм. при температуре 130—140 С и перемешивали ее, добавляя кислород. Как происходил процесс точно не помню, но задача была выглядела простой. Температуру поддерживали четыре ТЭНа (ТЭН представлял из себя трубу длиной 4 метра и диаметром 70 мм), которые вводили через торцы реактора сбоку, через специальные стальные гильзы полуметровой длины. Их внутренний диаметр был на 2 мм больше диаметра ТЭНа (рис. 8). И все было бы ничего, если бы не регулярное обслуживание, при котором необходимо было вынимать ТЭНы. Пространство между гильзой и ТЭНом за время работы реактора между обслуживанием, заполнялось гипсом (выделяемым из раствора пульпы), намертво соединяя ТЭН с гильзой. Каждый раз был большой риск повреждения реактора при извлечении ТЭНов. Уж больно велики были усилия.

Рис.8. Схема входа ТЭНа в реактор.

Решение: на ТЭН спирально наворачивается тонкая стальная проволока, полностью закрывающая зону контакта ТЭНа и гильзы. В то время, когда необходимо извлечь ТЭНы мы тянем за выступающий конец проволоки, вытягивая проволоку на всей длине. Загипсованное соединение между гильзой и ТЭНом разрушается, и ТЭН легко извлекается.

1.5. Зонтичные структуры

В фильме «Укрощение огня» показывается, как Конструктор ракетных двигателей зашел в тупик. Простое линейное увеличение мощности двигателя не позволяло создать требуемой тяги, чтобы запустить ракету, а параллельное соединение нескольких двигателей в пакет недопустимо усложняло управление ракетой. И тогда Главный Конструктор предложил объединить стандартные двигатели в несколько пакетов. Так родилась ракета «Восток».

Ракетоноситель (первая ступень) корабля «Восток» – полисистема 5-ти групп двигателей из полисистем по 4 двигателя в каждой группе.

Рис. 9. Ракета-носитель «Восток». Пакеты двигателей.

МКС: Если недопустимо увеличение единичной мощности системы

и недопустимо параллельное объединение в полисистему необходимого количества систем для достижения необходимой мощности,

то решением может стать переход к зонтичной структуре позволяющей снизить нежелательный эффект от сложного объединения большого количества систем.

Зонтичная структура представляет из себя объединение в полисистему нескольких систем, каждая из которых, в свою очередь, является полисистемой из одинаковых элементов.

В природе этот микростандарт демонстрируют растения семейства зонтичных, например укроп.

Рис. 10. Укроп

За счет чего достигается эффект?

1. Эффективность полисистемы вместо одной системы большой мощности обеспечивается за счет:

– повышения серийности производства отдельных элементов;

– снижения вредных факторов, возникающих при росте единичной мощности системы.