© 2007, Николай Шпаковский, компания ТРИЗ-профи
Если задаться вопросом, какой должна быть машина, то ответ может быть только один: простой, хорошо работающей и надежной. Неоправданная сложность конструкции, проблемы с ее обслуживанием, высокая стоимость далеко уводят машину от образа идеальной технической системы, которая почти ничего не стоит, проста как грабли и работает не только много, но и надежно. С граблями все понятно, скажете вы, но как же быть с теми машинами, которые выполняют более сложные операции, уж их то, наверняка, нельзя сделать проще.
И ошибетесь. Практика показывает, что предела упрощению, оптимизации конструкции, - нет, практически во всех машинах имеются солидные резервы для упрощения. Нужно только знать, как это сделать.
Что здесь можно порекомендовать?
Один из эффективных методик упрощения технических систем - свертывание их состава. Свертывание всегда направлено на упрощение системы и снижение ее стоимости при сохранении количества и качества выполняемых функций. Это достигается за счет удаления из состава системы элементов, определенных в результате функционально-стоимостного анализа как необязательные [1, 2]. При этом выполнение функций удаляемых элементов перекладывается на элементы, остающиеся в составе системы.
Методика свертывания, согласно такому разделу ФСА, как функционально-идеальное моделирование [3] предполагает следующий порядок действий:
- Сначала определяются состав, структура и функции улучшаемой системы. Для этого проводится ее структурный и функциональный анализ с разделением всех функций на основные, вспомогательные и ненужные. Затем строится структурно-элементная схема технологического процесса, реализуемого данной системой. После этого определяется условная суммарная оценка каждого элемента, которая зависит от важности функции, выполняемой с участием этого элемента, стоимости его изготовления и эксплуатации. Элементы с высокой суммарной оценкой - первые кандидаты на удаление из состава системы.
- После анализа системы начинается творческий этап - собственно свертывание технологического процесса. Цель свертывания - удалить все элементы-носители ненужных и вспомогательных функций, а по возможности и элементы-носители основных функций. Вспомогательные и ненужные функции должны быть ликвидированы, а основные переданы оставшимся элементам системы. При этом используется стандартная формулировка:
- Функцию можно не выполнять, если возможно ее осуществление: а) за счет предыдущих операций, б) за счет последующих операций".
- После удаления ряда элементов строится функционально-идеальная модель процесса. Следующий шаг - построение на основе данной модели реальной конструкции улучшенного изделия.
При свертывании важно мыслить творчески, без психологической инерции. Чем решительнее при этом будет действовать команда, работающая над задачей, тем более радикальные изменения претерпевает система. Задачи, возникающие при этом, содержат, как правило, обостренные противоречия, которые можно разрешить с использованием инструментов ТРИЗ и других инновационных методик.
Если действовать осторожнее и ограничиться только частичным свертыванием, то возникнет меньше сложных проблем, но трудно ожидать значительных преобразований. Можно выбрать какой-то средний компромиссный уровень свертывания. Но лучше проводить свертывание как бы на двух уровнях: рациональном, когда целью ставится оптимальное для данных условий преобразование системы, и идеальном, когда действия нацелены на получение системы с высокой степенью идеальности.
Кейс: Льдоделательная машина
Каждый холодильник имеет устройство для замораживания воды в ледяные кубики. В самом простом варианте это ванночка, разделенная перегородками на ячейки. В ванночку наливается вода, и она ставится в морозильную камеру. Через непродолжительное время кусочки льда готовы, их можно выложить в емкость-накопитель и налить в ванночку следующую порцию воды.
Практически так же работает машина для производства льда и в большом дорогом холодильнике, но там процесс автоматизирован. Как правило, такой холодильник имеет два отсека, расположенных рядом. Один из них - это высокая и узкая морозильная камера, другой - собственно холодильник. Льдоделательная машина устанавливается в морозильной камере.
Рис. 1.
Схема льдоделательной машины:
вид сбоку и спереди
В верхней части льдоделателя расположена обычная ячеистая ванночка. Ванночка заполняется водой, таймер выжидает нужное для замерзания воды время. Затем особый двигатель с червячным редуктором переворачивает ванночку. Толкатель прикреплен к одной стороне ванночки. Когда ванночка почти перевернута вниз ячейками, вторая ее сторона упирается в специальный выступ. Ванночка перекашивается, ледяные кубики отделяются от ее стенок и падают вниз, в сборник (рис. 1).
Так повторяется до тех пор, пока сборник не заполнится.
Для получения порции льда достаточно подставить стакан в специальную нишу в дверце холодильника и нажать на рычаг (рис. 2). В сборнике начинает вращаться прутковый шнек, и кусочки льда сыплются в подставленную посуду. В некоторых моделях холодильников можно дополнительно измельчить их, превратив в ледяную крупу.
Все было бы в порядке, если бы лед полностью расходовался по мере его приготовления. Но поскольку приготовленные кубики какое-то время надо хранить, возникает нежелательное явление: если открыть дверь, то теплый воздух попадает в морозильную камеру и кусочки льда в сборнике слегка подтаивают. Затем холод берет свое, и отдельные кусочки могут смерзнуться в единый монолит, разбить который будет очень трудно. Поэтому прутковый шнек, который подает ледяные кубики, выполняет еще одну важную функцию. Раз в час или около того шнек, приводимый во вращение мощным электродвигателем, проворачивается в обратную сторону, разрушая смерзающиеся кубики. Сопровождается это действие сильным грохотом.
Такой "мини-завод" по производству льда весьма сложен и дорог в производстве и в эксплуатации. Кроме того, он занимает почти треть объема морозильной камеры, съедая драгоценное внутреннее пространство.
Целью свертывания было удешевление льдоделательной машины, уменьшение ее габаритов и снижение расхода энергии. В качестве метода было выбрано функционально-идеальное моделирование.
Рис.2.
Технологический процеcc работы машины
После построения структурно-элементной схемы технологического процесса (рис. 3), анализа функций и выявления нежелательных эффектов, связанных с каждым элементом схемы, выяснилось, что самым дорогим и "беспокойным" элементом системы является сборник ледяных кубиков.
Рис. 3
Структурно-элементная схема технологического процесса приготовления льда
Проанализировав возможность свертывания технологических операций за счет предшествующих или последующих операций, приходим к парадоксальному выводу: для того чтобы устранить операцию "Периодическое разбивание смерзшихся кубиков" и ее носители - сборник, прутковый шнек и электродвигатель с редуктором, кусочки льда не нужно вынимать из ванночки. Чтобы они не смерзлись вместе, каждый кубик должен лежать в своей ячейке, как патрон в обойме, до того времени, как он будет использован.
Рис. 4.
Функционально-идеальная модель
процесса приготовления льда.
Тогда функционально-идеальная модель процесса будет совсем простой (рис. 4)
К ванночке предъявляются взаимоисключающие требования: она должна занимать мало места, но количество брикетов в ней должно быть достаточным для потребностей пользователя, а в идеале - бесконечно большим. Как разрешить это противоречие?
Говорят, если хочешь придать ограниченному свойство бесконечного, пусти его по кругу, т.е. нам нужна, скорее, не обойма, а нечто вроде вращающегося барабана или пулеметной ленты. Если соединить концы такой ленты, получится подобие ячеистого транспортера с ледяными брикетами (рис. 5). Такой транспортер можно расположить непосредственно под потолком морозильной камеры или лучше - в виде утолщенной полки в верхней трети этой камеры, там, где в холодильнике размещается устройство для подачи пользователю ледяных кубиков [4].
Рис. 5.
Схема транспортерного льдоделателя
Остается решить ряд технологических вопросов, например, как добывать лед из ячеек. Сразу представляется некий вращающийся экстрактор, своими выступами выдавливающий ледяные брикеты (рис. 6). Однако это решение снижает идеальность нашего транспортера, целесообразнее найти более простой способ извлечения льда, без использования экстрактора.
Здесь уместно вспомнить, что ледяные брикеты из ванночки исходной льдоделательной машины извлекаются за счет ее перекашивания (рис. 1). Эта аналогия подсказывает, что следует организовать такие условия, чтобы при удалении брикетов ряд ячеек тоже перекашивался. Реализовать это довольно просто: нужно установить ячейки рядами под углом к направлению движения. Когда такой ряд ячеек наедет на ролик, каждая ячейка деформируется и брикеты отделятся от их стенок. Теперь достаточно предупредить слишком раннее выпадение ледяных брикетов, установив, например, поддерживающую пластину; тем самым мы обеспечим поочередную подачу брикетов по мере движения транспортера (Рис. 7).
Рис. 6.
Устройство для извлечения льда
Идеальный же "льдоделатель" представляется чем-то вроде трубки, внутри которой находится ледяной брусок (рис. 8). При необходимости брусок подается вперед, а измельчитель отделяет от него кусочки необходимого размера. Пустое место в задней части трубки по мере его образования заполняется водой.
Рис. 7..
Удаление кусочков льда из транспортера с наклонным расположением ячеек
Если разрешить противоречия, которые неизбежно возникнут при реализации этой идеи, можно получить "льдоделатель" с высокой степенью идеальности.
Рис. 8.
Идеальный льдоделатель
Подробнее этот и другие примеры упрощения систем и решения других технических задач описаны в книге: "Н.А. Шпаковский. Деревья эволюции. Анализ технической информации и генерация новых идей. Пульс. Москва. 2006".
Литература:
1. Справочник по ФСА./Под редакцией Карпунина М.Г. и Майданчика Б.И.- М:. Финасы и статистика. 1988.
2. Devoino I., Skuratovich A. Idealization of Engineering Systems through Trimming: Engineering Systems as Technological Proceeding of TRIZ Future 2002. - Strasbourg, 2002.
3. Герасимов В.М., Литвин С.С. Учет закономерностей развития техники при проведении функционально-стоимостного анализа технологических процессов. 1986.
4. US Patent 7013657.
