Формулы идеальности
В. Петров
*****@***net. il
Ключевые слова: идеальность, степень идеальности, система, процесс, вещество.
Введение
В 1974 году Борис Голдовский впервые в ТРИЗ выразил степень идеальности в виде формулы (1):
Где:
I – степень идеальности;
F – полезная функция или полезный эффект;
C – затраты, включая вредные воздействия (факторы расплаты).
В дальнейшем эту формулу неоднократно видоизменяли. Мы не смогли установить авторство этих изменений, поэтому приносим свои извинения авторам их осуществивших, что не указываем ссылки на их работы.
Многие сейчас используют формулу (2):
Где:
I – степень идеальности;
F – полезная функция или полезный эффект;
C – затраты времени и средств на осуществление полезной функции;
H – вредное действие (эффект);
В данной статье уточняется формула (2) и описываются другие формулы для идеального вещества и идеального процесса.
1. Показатель степени идеальности
Степень идеальности системы можно представить в виде формулы (3)[1]:
Где:
I – степень идеальности (безразмерная величина);
F – полезная функция или полезный эффект;
Q – качество полезной функции (эффекта);
C – затраты времени и средств на осуществление полезной функции;
H – вредное действие (эффект);
i – порядковый номер функции;
n – количество функций;
a, β, γ – коэффициенты согласования.
В соответствии с формулой для увеличения степени идеальности число полезных функций следует увеличивать и улучшать их качество, а затраты и вредные функции уменьшать. В пределе, когда числитель стремится к бесконечности, а знаменатель стремится к нулю, идеальность стремится к бесконечности.
2. Идеальное вещество
Идеальное вещество – вещества нет, а его функции выполняются.
Вещество тем идеальнее, чем:
- больше полезный эффект оно создает,
- меньше его вес и стоимость,
- меньше оно приносит вред (нежелательный эффект).
Степень идеальности вещества определяться формулой (4):
Где:
IS – степень идеальности вещества (безразмерная величина);
E – полезный эффект или свойство, выполняемое веществом;
M – масса или вес вещества;
C – стоимость вещества;
H – вредное действие, создаваемое веществом;
i – порядковый номер полезного эффекта (свойства);
n – количество полезных эффектов (свойств);
a, β, γ, δ – коэффициенты согласования.
В качестве функций (свойств) вещества, например, можно назвать: прочность, удельный вес, непроницаемость, эластичность, коррозионная и химическая стойкость, тепло - и электропроводимость, тепло - и электроизоляционные свойства и т. д.
Имеются вещества с изменяемыми свойствами, использующие различные эффекты. Условно мы их будем называть «умные вещества[2]». Например, жидкие кристаллы, поляризационные пластины, вещества изменяющие свою прозрачность, материалы с эффектом памяти формы, флуоресцентные вещества, магниты, электреты, тепловые трубы и т. д.
«Умное вещество» можно также определить как преобразователь или источник, осуществляющий определенный эффект (физический, химический, биологический или геометрический).
Для разных видов технических систем подбираются свои «идеальные» вещества.
Г. Альтшуллер писал: «Материал «идеальной машины» работает так, что его свойства используются наилучшим образом, например, металлические части работают только на растяжение, деревянные части – только на сжатие и т. д.» [3]
В качестве одного из идеальных веществ можно назвать пену. Она имеет минимальный вес и выполняет разнообразные функции, например, теплоизоляция, поглощение шума, изоляция потоков газа и т. п.
Пример 1. Защита насаждений от заморозков.
Растения и посевы покрывают полимерной «шубой» из пены, защищая их от заморозков. Она безвредна для растений, долго держится, хорошо защищает почву от мороза, а при необходимости без затруднений смывается водой[4].
Пример 2. Снижение шума при мехобработке.
Способ снижения шума при механической обработке металла. Зону резания покрывают пеной. Это не только глушит шум, но и позволяет улавливать испарения, дым, стружку[5].
Пример 3. Снижение шума вибрации.
Пену предложено использовать в качестве звукоизолирующего наполнителя корпусов различных машин, в частности вибраторов[6].
Рассмотрим примеры других идеальных веществ.
Пример 4. Идеальный корпус подводной лодки.
Идеальный корпус подводной лодки должен иметь минимальную относительную массу, что в первую очередь обеспечивается качествами материала: его малой плотностью, большими удельными прочностью и жесткостью, представляющими соответственно отношения предела текучести и модуля упругости к плотности материала. Кроме того, подводная лодка должна быть не магнитной, чтобы ее было труднее обнаружить.
Поэтому корпуса современных подводных лодок изготовляют из титана. Он обладает высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью в морской воде и не ферримагнитен.
Пример 5. Корпус самолета.
В самолетах не нужно выдерживать повышенное давление, поэтому используют дюралюминий. Он достаточно прочен и легок.
Пример 6. Автомобильные материалы.
В автомобилях сейчас многие детали делают из магния, а корпуса из стеклопластика.
Приведем пример использования «умных» веществ.
Пример 7. Соединительная втулка из никелида титана
Компания Raychem Corporation (США) в 1971 году разработала втулку для соединения труб гидравлической системы военных самолетов из материала с эффектом памяти формы - нитинола (никилид титана - NiTi). Эта втулка получила название Cryofit. Она показала себя очень надежной. Из 300000 поставленных втулок не было ни одной поломки.
Внешний вид соединительной втулки показан на рис. 1а. Ее функциональными элементами являются внутренние выступы.
Способ применения таких втулок показан на рис. 1б.
1. Втулка в исходном состоянии при температуре 20˚C.
2. Втулку помещают в криостат, где при температуре −196˚C плунжером развальцовываются внутренние выступы.
3. Холодная втулка становится изнутри гладкой.
4. Специальными клещами втулку вынимают из криостата и надевают на концы соединяемых труб.
5. Комнатная температура является температурой при которой данный состава сплава «вспоминают» свою исходную форму. Внутренние выступы врезаются во внешнюю поверхность соединяемых труб.
Получается прочное вакуумное соединение, выдерживающее давление до 800 атм.
По сути дела этот тип соединения заменяет сварку. И предотвращает такие недостатки сварного шва, как неизбежное разупрочнение металла и накопление дефектов в переходной зоне между металлом и сварным швом.
Кроме того, этот метод соединения хорош для финального соединения при сборке конструкции, когда сварка из-за переплетения узлов и трубопроводов становится трудно доступной.
|
|
|
а) Внешний вид втулки | б) Принцип действия | |
Рис. 1. Втулка Cryofit |
3. Показатель степени идеальности процесса
Технологический процесс происходит тем идеальнее, чем он производительней, качественней и чем меньше требуется затрат (вещества, энергии и труда, в том числе и на управление процессом), и чем меньше вредных воздействий он производит.
Особым фактором в процессах является время.
Идеального процесса быть не должно, а имеется результат (продукт или действие, осуществляемое процессом).
Степень идеальности процесса можно представить в виде формулы (5):
Где:
IP – степень идеальности процесса (безразмерная величина);
T – время выполнения операции i;
Q – качество выполнения операции i;
C – затраты времени и средств на осуществление операции i;
H – вредное действие, создаваемое операцией i;
i – порядковый номер операции;
a, β, γ, δ – коэффициенты согласования;
n – количество операций в процессе.
Итак, идеальный процесс производит качественный продукт (результат) с нулевыми затратами вещества, энергии, времени и управления вредное действие.
3.2. Способы идеализации процесса[7]
Сокращение времени выполнения процесса и повышение его эффективности может осуществляться способами:
1. Не выполнять процесс, а использовать результат
2. Выполнение действий заранее (предварительно)
Заранее (предварительно) выполнить требуемое действие полностью или хотя бы частично. Предварительное выполнение части процесса.
2.1. Заранее обдумать последовательность выполнения операций в процессе.
2.1.1. Заранее расставить объекты так, что бы они могли вступить в действие без затрат времени на доставку с наиболее удобного места.
2.1.2. Устранить ненужные (лишние), повторяющиеся и вредные операции.
2.1.2.1.Объединить во времени однородные или смежные операции.
2.1.2.2.Использование пауз и холостых ходов.
2.1.2.3.Вести работу непрерывно.
2.2. Заранее ввести нужные для выполнения процессов «отзывчивые» вещества и поля
3. Устранить отдельные операции процесса, передав их функции другим операциям (предыдущим или последующим).
4. Параллельное выполнение процессов.
5. Встречное выполнение процессов.
6. Процесс разбивается на отдельные операции, если возможно, каждая операция выполняется параллельно и встречено;
7. Выполнение процесса многими системами или частями.
8. Использование более управляемых полей и веществ, в частности, замена механического движение на движение более управляемого поля;
9. Использование ресурсов.
3.3. Примеры способов осуществления идеализации процесса
3.3.1. Выполнить действия заранее
– Предварительное выполнение части процесса.
Пример 1. Компьютерная программа для цифровой печати.
Благодаря появлению цифровой печати стало возможным печатать документы или книги по требованию (print on demand – POD). Печатается столько документов, сколько их заказали в данный момент, причем с очень хорошим качеством. Это позволяет избавиться от складов и от неликвидов. Кроме того, документ печатается в том месте, где он требуется. Таким образом, отпадает необходимость в транспортировке на значительные расстояния больших объемов готовой продукции.
При такой печати очень критично, чтобы печатающая машина не простаивала в ожидании, когда программа успеет подготовить ей очередной лист для печати.
С этой целью поступивший на печать документ предварительно обрабатывают и записывают в буферную память. Объем такой памяти ограничен и не хватает для записи больших документов, например, книг.
В этом случае документ предварительно обрабатывается, и определяются повторяющиеся места они и записываются в буферную память. Они, как правило, занимают не много места в памяти компьютера. Эти записи вызываются в момент, когда они необходимы для печати. Таким образом, выполняется часть процесса обработки информации заранее, что позволяет сократить общее время печати.
Пример 2. Посадка черенков.
Процесс посадки и выращивание черенков плодово-ягодных и других культур включает посадку и последующее подкормку, требующую точной дозировки вводимых удобрений, которое осуществляют достаточно длительное время после посадки. Тем не менее, далеко не все черенки укореняются. Некоторые из них погибают вследствие недостатка питательных веществ в черенке.
Чтобы убыстрить процесс ухаживания за черенками и повысить их выживаемость создают запас питательных веществ заранее, насыщая перед посадкой черенки в ванне с питательной смесью[8].
Пример 3. Сборка судов.
Раньше суда собирались из отдельных листов стали непосредственно на стапеле. Это требовало больших затрат времени. Количество стапелей на заводе ограничено, поэтому было невозможно начинать работы по сборке нового судна.
Далее в цеху стали сваривать отдельные листы, получая отдельные блоки.
Затем делали отдельные шпации - небольшие части корпуса судна.
На следующем этапе развития шпации в цеху оснащали необходимым оборудованием.
Потом стали спускать на воду отдельные загерметизированные шпации, которые собирали на воде.
Безусловно, работа в цеху более благоустроена, ее легче механизировать и автоматизировать. Все это улучшает качество труда и повышает производительность, а сборка блоков требует меньше времени и не требует специалистов высшей квалификации. Кроме того, в это время стапель не занимался сборкой данного судна.
Так, секционный способ сборки судов заменен более прогрессивным - блочным. При секционном способе сначала на стапеле из отдельных секций (палубных, бортовых, днищевых и т. д.) собирали корпус судна, а затем вели монтаж оборудования.
Блочный способ сборки заключается в том, что на стапель подают блоки, представляющие собой крупные объемные части судна с вмонтированным оборудованием. Блоки собирают в сборочном цехе из отдельных секций. Тут же устанавливают необходимое оборудование. Таким образом, на стапеле остается только состыковать отдельные блоки.
Постоянная борьба за повышение скорости транспортировки груза также характеризует тенденцию стремления к идеальному процессу. Увеличение скорости транспортировки груза добиваются неуклонным ростом скорости транспортных средств и сокращением времени на погрузочно-разгрузочные операции.
Пример 4. Рост скорости передвижения судов.
Средняя скорость судов-контейнеровозов с 1960 г. по 1975 г. возросла с 15 до 25 узлов. Снижение времени погрузочно-разгрузочных операций в морском флоте обеспечивается средствами, приближающимися к идеалу.
Суда с горизонтальным способом погрузки-выгрузки (например, через откидывающуюся корму). Это суда типа "ро-ро[9]" (ролкеры), на них груз "сам" въезжает на судно и выезжает с него на колесиках (рис. 2).
На лихтеровозе (судно, перевозящее специальные баржи - лихтеры) груз "сам" плывет к судну (рис. 2) и от него к месту назначения (своего рода "вагончики). Лихтервозы часто используют там, где больше суда не могут подойти к причалу из-за недостаточной глубины или по другой причине. Лихтеры загружают у причала, транспортируют буксиром к лихтервозу и поднимают на его борт. Разгрузка производится в обратном порядке.
|
|
а) Судно с горизонтальным способом погрузки (ро-ро) | б) Причал для обработки судов с горизонтальной погрузкой через кормовую рампу; одновременно на палубу погружаются контейнеры с помощью специального перегружателя. Сверху – место стоянки трейлеров; снизу – площадка для складирования контейнеров |
Рис. 2. Суда типа ро-ро |
|
|
а) Судно лихтеровоз | б) Морской интегральный толкаемый состав. Состав из собранных вплотную лихтеров буксируется специальным буксиром-толкачем. По приходе к порту назначения состав разбирается на отдельные лихтеры с помощью малых буксиров |
Рис. 3. Лихтеровоз |
– Заранее расставить объекты.
Пример 5. Строительство домов.
Раньше панели для строительства домов привозили заранее и их складировали. Для этого нужно было иметь дополнительные площади. Кроме того, панели могли повредиться из-за плохой погоды или небрежного обращения.
Ввели способ строительства «с колес». Панели привозили точно в то время, когда они нужны. Их выгружали и тут же ставили на место.
3.3.2. Процессы идут встречено.
Пример 6. Сварка листов.
При сварке листов процесс будет идти быстрее, если его вести с двух сторон навстречу друг другу [10]. Можно двигать навстречу друг другу лист и дугу[11].
3.3.3. Разбиение процесса на отдельные операции.
Пример 7. Сварка листов.
Процесс сварки будет идти быстрее, если будет использоваться не два, а большее количество электродов, которые попарно двигаются навстречу друг другу[12].
3.3.4. Замена механического движения на полевое.
Пример 8. Сварка листов.
Можно вообще не тратить время на перемещение электродов, если их расставить заранее в нужном месте на расстоянии, меньшем, чем тепловое пятно. Каждый из электродов подсоединяется к источнику питания и последовательно включается. Таким образом, дуга движется, а электроды стоят на месте[13].
3.3.5. Использование имеющихся ресурсов.
Пример 9. Использование процесса сварки.
При сварке можно предложить и попутное использование процесса нагревания для последующей термообработки (отжига или закалки).
Пример 10. Как отыскать в стене трассу скрытой проводки?
Это можно осуществить при помощи приемника. Для этого в розетку нужно включить какой-нибудь слабый источник помех, например электробритву с отсоединенным помехозащитным фильтром. Приемник настроить в средневолновом диапазоне (но не на станцию) и начать водить им вдоль стены. При пересечении трассы проводки треск из динамика будет усиливаться.
Пример 11. Как пропустить электрический провод через трубки, вделанные в стенах, если в трубе отсутствует веревка?
Воспользуемся домашним пылесосом. Необходимо сделать бумажный шарик, на котором закреплена капроновая нитка. Помещаем шарик в трубу. С противоположной стороны трубу соединяем со шлангом пылесоса и заматываем липкой лентой. Включаем пылесос, который вытягивает шарик с ниткой. Если нитка не достаточно прочная, то к нитке можно привязать более прочную веревку. После чего остается привязать провод к нитке и протащить его в трубу. Можно шарик выдувать напором воздуха с той же стороны, что мы поместили шарик.
Заключение
В работе автор попытался уточнить формулу степени идеальности систем, вывести формулы для идеального вещества и процесса.
Данные формулы, по мнению автора, дают возможность оценить количественно степень идеальности существующей системы, вывить существующие недостатки (задачи) и определить направления по улучшению (увеличению) ее степени идеальности, оценить результаты решения задачи.
[1] Здесь представлена незначительная модернизация формулы описанной автором в Vladimir Petrov, Avraam Seredinski. Progress and Ideality. – TRIZ Futures 2005. 5th ETRIA Conference. November 16 to 18, 2005. Graz, Austria. pp. 195-204 conference. – The TRIZ Journal. http://www. /archives/2006/02/01.pdf
[2] Под умными веществами мы понимаем и простейшие устройства типа тепловых труб, электретов и т. п.
[3] Как работать над изобретением. О теории изобретательства. – Азбука рационализатора. – Тамбов, Кн. изд-во, 19с. (с. 300-301).
[4] А. с. № 000.
[5] Патент США № 3
[6] А. с. № 000
[7] Подробнее способы идеализации процесса изложены в Закон увеличения степени идеальности. – Тель-Авив, 2002. http://www. *****/trizba/pdf-books/zrts-08-ideal. pdf
[8] А. с. № 000.
[9] Название «ро-ро» образовано от Roll-on / roll-off – в переводе с английского закатываться / скатываться. Роллер (от англ. roll — катить) – судно для накатных грузов (RoRo ship), перевозящее контейнеры, лес, прокат металлов, автомобили и др. грузы с горизонтальным способом погрузки-выгрузки (например, через откидывающуюся корму, которая называется «аппарелью»).
[10] А. с. №№ , 1
[11] А. с. № 1
[12] А. с. №
[13] А. с. №
