КейсыСегодня кейсов в Базе - 66

Разбор задачи по АРИЗ-85в

 

ВВЕДЕНИЕ

 

При решении задач по АРИЗ-85в [1] нередко возникаю вопросы о том, как формулировать противоречия, если сама задача сформулирована недостаточно полно, отсутствуют актуальные сведения, а Заказчик по тем или иным причинам не готов предоставить полную информацию об объекте исследования и предпринятых ранее попытках решить проблему. Как быть?

Подобные затруднения легко преодолеть, если Заказчик соглашается на новые эксперименты. Но если и это невозможно, решатель вправе предполагать, проводить мысленные эксперименты. ТРИЗ специалист может смоделировать действия инженеров-практиков, указывая альтернативные направления решения, которые затем легко трансформируются в искомые технические противоречия ТП-1 и ТП-2.
История задачи

В конце 2007 года АРИЗ-85в был включен в программу обучения, проводимого компанией IWINT в одного из научно-исследовательских институтов Пекина. Сотрудники института попросили рассмотреть одну из задач, которая ранее ставилась перед ними. Речь шла о перекачке жидкого водорода при помощи поршневого насоса, который не обладал требуемой надежностью и эффективностью. В качестве уплотнителя пары цилиндр-поршень использовалось фторопластовое кольцо:

1Увеличение числа и ширины уплотнительных колец повышало производительность насоса, но приводило к нагреву жидкости, быстрому износу и поломке приводного механизма из-за высокого трения.
Использование одного уплотнительного кольца обеспечивало надежную работу, однако вело к потере герметичности и эффективности перекачки.
Как быть?
Как обеспечить надежную и эффективную работу насоса без увеличения силы трения?

 

 

ЧАСТЬ 1. АНАЛИЗ ЗАДАЧИ

 

Шaг 1.1: Формулировка мини-задачи:
Машина для перекачки жидкого водорода включает цилиндр, поршень, уплотнительные кольца, механизм привода поршня и жидкий водород.

ТП-1: Если уплотнительных колец много, они плотно закрывают зазор между цилиндром и поршнем, но затрудняют движение поршня и вызывают поломки привода.

ТП-2: Если уплотнительных колец мало, машина работает без поломок, но с низкой производительностью.

Необходимо одновременно повысить надежность и эффективность перекачки, при этом высокая надежность должна быть достигнута в первую очередь.

Шaг 1.2: Изделие и инструмент
Изделие - жидкий водород под давлением на выходе насоса.
Инструмент - пара цилиндр-поршень, однако основная действующая часть инструмента - поршень.

Шaг 1.3: Графические схемы ТП-1 и ТП-2

Схема ТП-1:

AZOT_2

 

 

 

 

Комментарий 1: Обилие уплотнительных колец обеспечивает высокую герметичность и эффективную перекачку, однако большая сила трения приводит к нагреву жидкости, быстрому износу и поломке приводного механизма.

Схема ТП-2

Комментарий 2: Использование одного или двух тонких уплотнительных колец снижает силу трения, увеличивает надежность механизма привода поршня, однако и снижает давление на выходе насоса и его производительность.

Шaг 1.4: Выбор ТП

AZOT_3

 

 

 

 

Следует выбрать ту из двух схем конфликта (ТП-1 и ТП-2), которая обеспечивает наилучшее выполнение главного производственного процесса (основной функции технической системы). В нашем случае основная функция - перекачка жидкости, однако приоритетный параметр - надежность. Поэтому мы вынуждены выбрать ТП-2, как потенциально более перспективное направление для обеспечения высокой надежности.

AZOT_4

 

 

 

 

 

Шaг 1.5: Усиление ТП
Усилить конфликт в нашем случае означает полностью устранить причину трения:

Трение полностью устраняется за счет удаления уплотнительных колец, но при этом жидкость свободно проходит через зазор между поршнем и цилиндром.

Комментарий 3: Предельное состояние системы - "ноль уплотнительных колец", "отсутствие трущихся элементов" или даже "отсутствие поршня", но при этом обостряется и недостаток, усиливается протечка, ослабевает или исчезает главная функция насоса.

Шaг 1.6: Введение Х-элемента
Х-элемент обеспечивает герметичность пары цилиндр поршень, сохраняя зазор между ними, не усложняя систему и не вызывая вредных явлений.

Шaг 1.7: Применение системы стандартов
Применимость системы стандартов для решения конкретной задачи существенно зависит от воображения решателя, его способности сопоставить проблемные ситуации со стандартами и из общих рекомендаций извлекать частные решения. Пробуем сделать это:

AZOT_5

 

Стандарт 1.1.3. Переход к комплексному веполю

 

 

 

Недостаточно взаимодействие между жидкостью и поршнем (В1 и В2) может быть улучшено при помощи вещества В3. Например, на поверхность поршня (в зазор) может быть введено некое дополнительное вещество В3, препятствующее протечке.
Формула решения: Ввести новое вещество, устраняющее протечку, но не вызывающее трения или иных вредных явлений. Х-элемент должен генерировать вещество, устраняющее протечку и помогающее толкать жидкость.

AZOT_6

 

 

 

Стандарт 1.2.4. Противодействие вредным связям с помощью поля

 

 

 

 

Механическое поле П посредством поршня В2 перемещает жидкость В1, но частично ее пропускает. Для нейтрализации вредного действия (протечки) вводится второе поле П2, которое устраняет протечку.
Формула решения: Ввести дополнительное поле, устраняющее протечку и помогающее толкать жидкость. Х-элемент должен генерировать поле, устраняющее протечку и помогающее толкать жидкость.

 

AZOT_7

 

 

Стандарт 2.1.2. Переход к двойному веполю:

 

 

 

 

 

Взаимодействие между жидкостью В2 и поршнем В1, который должен выталкивать жидкость полностью, но пропускает, может быть улучшено при помощи дополнительного поля П2.

Формула решения: Ввести дополнительное поле, обеспечивающее перекачку.
Х-элемент должен генерировать поле, помогающее толкать жидкость.

Стандарт 2.2.1. Переход к более управляемым полям (замена поля)
Эффективность перекачки может быть повышена заменой плохо управляемого "механического поля", создаваемого поршнем и ненадежным механизмом привода, на более надежное и управляемое поле, способное воздействовать (давить) на всю жидкость, без зазоров и пропусков. Подобное сплошное поле давления может создать газ или звук.
Формула решения: Удалить поршень, ввести новое поле, обеспечивающее перекачку. Х-элемент должен генерировать поле, обеспечивающее перекачку без поршня.

Кроме того, мы можем потребовать более корректного выполнения законов развития технических систем (ЗРТС), например, закона повышения проводимости потоков вещества и энергии, а так же закона повышения эффективности потоков вещества и энергии [3], которые могут быть применены следующим образом:
1) Небольшая часть потока жидкого водорода может быть использована для преобразования в газ, способный выполнять функцию поршня - давить на жидкость.
2) Прямое преобразование энергии, выделенной для питания привода насоса, в энергию поля, толкающего жидкость внутри насоса.
Итак, на основании упомянутых выше стандартов [2] и ЗРТС [3] могут быть предложены две концепции решения:

Концепция 1. Газ вместо поршня

Принцип заключается в том, чтобы использовать небольшую часть жидкого водорода, нагревая и превращая в газ, который будет создавать давление в цилиндре и перемещать жидкий водорода:

AZOT_8

 

 

 

 

 

 

Рис. 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Концепция 2. Акустический насос

 

 

 

AZOT_9

 

 

 

Рис. 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Предварительное заключение

Представленные концепции решений (рис. 1 и 2) иллюстрируют известную тенденцию поэтапного продвижения технических систем к идеалу. Механические узлы насоса (поршень и его привод) вначале заменены пневматическим устройством, а затем акустической системой. Прослеживается известный тренд развития инструмента: твердое тело - газ - поле.

Однако найденные концепции могут не устроить Заказчик, поскольку требуют радикальных изменений в конструкции насоса и отчасти противоречат инструкции АРИЗ-85в: "Все остается без изменений или упрощается, но при этом появляется требуемое действие (свойство) или исчезает вредное действие (свойство). Требование - результат должен быть получен "без ничего"…" - не выполнено.
Стремление решить задачу быстро и с минимальными изменениями, может существенно скорректировать ход решения и потребовать более глубокого анализа имеющихся ресурсов. И если установки "без изменений" и "без ничего" доминируют, необходимо продолжать поиск, следуя канве АРИЗ-85в.

 

 

ЧАСТЬ 2. АНАЛИЗ МОДЕЛИ ЗАДАЧИ

 

Шаг 2.1: Определение оперативной зоны
Оперативная зона (ОЗ) - пространство, в пределах которого возникает конфликт. В нашем случае ОЗ - пространство зазора и вблизи него.

Шаг 2.2: Определение оперативного времени
Оперативное время (ОВ) может быть определено как период возвратно-поступательного движения поршня, которое можно разделить на интервал Т1 (всасывание порции жидкости внутрь цилиндра насоса) и Т2 (выталкивание жидкости из насоса).

Шаг 2.3: Определение вещественно-полевых ресурсов (ВПР)
Внутрисистемные ВПР

AZOT_10

 

 

Рис. 3

 

 

 

 

ВПР инструмента - поверхность и пространство внутри поршня, поверхность и пространство за рабочей стенкой цилиндра, а также компоненты приводного механизма, например, на приводной механизм может быть возложена функция трубопровода или генератора вещества/поля, закрывающего зазор между поршнем и цилиндром.

ВПР изделия - поле низких температур и присущие ему уникальные свойства, например, сверхпроводимость и/или магнитная левитация. Кроме того, жидкость можно превратить в газ и вводить его в зазор при повышенном давлении. Подобный газовый "Х-элемент" не усложнит систему, но потенциально может устранить протечку, не создавая иных проблем, поскольку за пределами зазора газообразный водород будет немедленно поглощен холодным жидким водородом.

 

ЧАСТЬ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИДЕАЛЬНОГО КОНЕЧНОГО РЕЗУЛЬТАТА (ИКР) И ФИЗИЧЕСКОГО ПРОТИВОРЕЧИЯ (ФП)

 

Шаг 3.1: Формулировка ИКР-1
Х-элемент, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, устраняет протечку жидкости в течение ОВ в пределах ОЗ, сохраняя зазор и свободный (без трения) ход поршня.

Шаг 3.2: Усиленная формулировка ИКР-1
Варианты ИКР-1+:
Видоизмененная жидкость устраняет протечку.
Видоизмененный поршень устраняет протечку.
Видоизмененный поршень совместно с видоизмененной жидкостью устраняют протечку.

Комментарий 4: На данном шаге Х-элемент надлежит заменить конкретным веществом, полем или некоторой комбинацией из доступных ВПР. Требуемая функция закрыть зазор должны быть возложена на конкретные элементы системы, в данном случае на жидкость и/или поршень.

Шаг 3.3: Формулировка физического противоречия (ФП) на макроуровне:
Зазор между поршнем и цилиндром должен быть закрыт, чтобы эффективно давить на жидкость и зазор должен быть открыт (свободен), чтобы обеспечить ход поршня без трения и нагрева жидкости.

Комментарий 5: Формулировка физического противоречия на макроуровне это противоположные требования к физическому состоянию зазора, который должен быть открыт и закрыт одновременно. Однако Х-элемент (вещество и/или поле, заполняющее зазор) не обязан быть твердым, абразивным и статичным. Это может быть жидкость или газ под достаточно высоким давлением. На шаге 3.2, мы пришли к выводу, что видоизмененный (модифицированный) поршень может вводить в зазор газ или жидкость под давлением более высоким, чем давление в цилиндре (над поршнем, рис. 3). В этом случае цель будет достигнута, протечка будет устранена.

Шаг 3.4: Формулировка ФП на микроуровне
В оперативной зоне (в зазоре) должны быть быстрые (горячие) частицы вещества, чтобы обеспечить давление на жидкость (остановить протечку), и их не должно быть (горячих), чтобы обеспечить прокачку жидкости без нагрева и трения.

Шаг 3.5: Формулировка ИКР-2

Версия 1.
Жидкий водород внутри зазора в течение оперативного времени Т2 должна сама превращаться в газовую муфту с высоким давлением, а на интервале Т1 жидкий водородом должен сам поглотить газообразный водород.

Версия 2.
Поршень в течение оперативного времени Т2 должен сам создавать запирающую муфту из жидкого водорода.

Комментарий 6:
1) Наиболее легкий способ создания быстрых молекул газа с высоким давлением, это локальный нагрев пленки жидкого водорода непосредственно в зазоре между поршнем и цилиндром для превращения её в скользкую газовую муфту, способную удерживать жидкость.
2) Боле сложная версия может предполагать создание встроенного в поршень дополнительного насоса, который в оперативное время Т2 создаст запирающую муфту из жидкого водорода.

Шаг 3.6: Применение системы стандартов к решению физической задачи
Успешный опыт применения стандартов был на шаге 1.7. Здесь мы можем подтвердить рекомендации, сделанные на шаге 1.7.

 

ЧАСТЬ 4. МОБИЛИЗАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ВПР

 

Шаг 4.1: Для решения данной задачи метод моделирования "маленькими человечками" (ММЧ) можно считать избыточным, поскольку уже получено несколько плодотворных образов и концепций, дающих представление о том, каким должно быть идеальное решение. Однако ММЧ весьма полезен для юных изобретателей как метод стимулирования и развития их воображения.

Шаг 4.2: Шаг назад от ИКР

ИКР-2 (в версии 1) предполагает, что жидкий водород внутри зазора должен сам превращаться в газовую уплотнительную муфту с высоким давлением. Однако для этого требуется энергия и специальные условия, например, нагрев за счет внутреннего трения жидкости, а также за счет трения жидкости о неоднородности на поверхность поршня (кавитация).
Такие условия (с минимальными изменениями в системе), могут быть созданы, например, так как показано на рис. 4а.


AZOT_11

 

 

 

 

 

 

Рис. 4

 

 

 

  

Более значительным шагом от ИКР может быть решение на основе кольцевого
нагревателя на поверхности поршня (рис.4 б) для преобразования тонкого слоя жидкого водорода в газовую уплотнительную муфту. При этом оптимизация концепции "газовой муфты" может быть достигнута за счет дополнительных исследований и экспериментов с вариацией числа нагревателей, их мощности и положения на поверхности поршня.

ИКР-2 (в версии 2) предполагает создание запирающей муфты из жидкого водорода с избыточным давлением, которое создается дополнительным поршнем внутри рабочего поршня насоса, как показано на рисунке 5.

 

 

AZOT_12

 

 

 

 

 

 

Рис. 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Комментарий 7: Шаги 4.3…4.7 (АРИЗ-85в) можно рассматривать как дополнительные "подсказки" для получения корректных решений, если таковые еще не были получены. Для нас это дополнительная проверка и подтверждение полученных концепций, которые можно интерпретировать как решения на основе смеси ресурсных веществ (шаг. 4.3), или как использование производных от ресурсных веществ (шаг. 4.5) или как применение пары поле-вещество (шаг. 4.7).

 

Верификация

 

Созданные концепции необходимо проверить и подкрепить технологическими подробностями и предшествующим опытом, если таковой удается найти.
Готовые концепции позволяют точно определять признаки изобретений (ключевые технологии и компоненты), по которым легко проводить информационный поиск, в частности, патентное исследование.
Например, на запрос через поисковую машину американского патентного ведомства USPTO с использованием ключевых слов "acoustic pump" (акустический насос), был получен список из 17 патентов, один из которых по основной идее полностью совпал с концепцией, представленной выше (рис. 2). Жидкость в "acoustic micropump" [4] перемещается под действием акустических волн:

AZOT_14

Данная ситуация не только подтверждает практику изобретателей, которые находят в internet и патентных библиотеках аналоги для 80% своих пробных идей, но также является весомым аргументом в пользу концепции акустического насоса, его реализуемости как минимум на микроуровне. Для насосов большой мощности данная идея может иметь существенные ограничения, поскольку акустический сигнал высокой интенсивности наверняка будет нагревать жидкость, что ограничит применимость данной концепции для жидкого водорода. Однако использование нескольких мини- акустических насосов, работающих параллельно, может устранить это ограничение и одновременно повысить надежность системы.

Подтверждением работоспособности концепции ИКР-2 (в версии 1, рис.4а) может быть экспериментальная установка П.Л. Капицы [5] по ожижению гелия, в которой использовался поршень с канавками глубиной и шириной около 0,25 мм. Величина зазора между поршнем и цилиндром составляла 0,04-0,05 мм.
Данная концепция может быть признана приоритетной, поскольку подкреплена авторитетом великого физика, инженера и экспериментатора [6], достаточно детализирована и может быть осуществлена с минимальными изменениями в системе.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Искусство решения по АРИЗ складывается из нескольких ключевых компонент:

  • Владения стандартами (способности сопоставить проблемные ситуации со стандартами и умении извлекать частные решения из общих рекомендаций).
  • Аналитических навыков (способности увидеть весь спектр ВПР и выделять из них ближайшие и наиболее подходящие для решения).
  • Воображения (способности формировать абстрактные образы ИКР-1 и Х-элемента).
  • Способности моделировать, создавать образы простых решений (ИКР-2) с использованием наиболее доступных ВПР.
  • Настойчивого стремления к использованию принципа самоорганизации.
  • Способности находить технические подробности, подтверждающие и уточняющие выдвинутые концепции.

Всего в данном разборе был представлено 4 концепции, которые существенно отличаются друг от друга, получены с использованием разных инструментов и на разных этапах (шагах АРИЗ). Эти концепции формируют некоторую панораму и дают Заказчику возможность выбрать приемлемое направление, согласованное с его представлениями об идеале, его технологическими возможностями и его ресурсом времени для данной задачи. При этом лучшим может быть признано не самое "продвинутое" и "хитроумное" решение, а самое простое, осуществимое здесь и сейчас (в данных условиях и немедленно).

Основания:

1. Альтшуллер Г.С., АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ АРИЗ-85В http://www.altshuller.ru/triz/ariz85v.asp
2. Альтшуллер Г.С., СТАНДАРТНЫЕ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ (76 стандартов) http://www.altshuller.ru/triz/standards.asp
3. Любомирский А., Литвин С. Законы развития технических систем http://www.metodolog.ru/00826/00826.html
4. Acoustic micropump, US Patent # 6010316, January 4, 2000
5. Проблема ожижения гелия http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/KAPITZA/HELIUM.HTM
6. Петр Леонидович Капица (1894-1984) http://kapitza.ras.ru/history/PLKapitza/mainK.html

Для кого:  Инженер,Предприниматель

Тип решаемой задачи:  Химия,Физика,Техника

Приобретаемые навыки:  решение задачи

Добавить в блокнотБлижайшие мероприятия
(Голосов: 0, Рейтинг: 0)



Добавить комментарий:

Комментарии:
  • LaRcrycleOM|2015-02-18|средства укрепляющие ногти

    Сайт косметики La Rosa предлагает большой ассортимент парфюмерных и косметических средств из Испании и Кореи. Различная направленность вы­соко­качест­вен­ной уходовой косметики - для ногтей, рук, ног, волос, а также косметики для визажа и различных аксессуаров дают возможность удобного поиска покупок в нашем магазине. Мы предлагаем качественную продукцию - набор косметики для макияжа, кабуки купить, аксессуары для маникюра, женская туалетная вода. Большой арсенал косметики для лица - минеральная маска для лица, средства по уходу за руками, антицеллюлитное масло для массажа сделают Вас и близких людей более привлекательными и продлят молодость. Для подарка отлично подойдут - купить скраб для тела, чтобы обеспечить профессиональный уход за волосами можно приобрести укрепляющий бальзам. Магазин лаков для ногтей предлагает купитьлак для ногтей и решить частую проблему простым выходом - средства укрепляющие ногти, также для ухода за руками есть в наличии жидкость для снятия гель лака. Интернет магазин имеет большой выбор таких товаров, как губная помада, пигменты для татуажа, основа под тени, тушь для ресниц vov, жидкая подводка, контурный карандаш для глаз, тени для бровей купить, накладные ресницы купить, базы под макияж, рассыпчатая пудра для лица, тональный крем, тональная основа, корректирующее средство, бронзер для лица. Надеемся, что посещение нашего интернет магазина парфюмерии оставит Вас удовлетворёнными покупками! Larosa.com.ua - плюс упоминаем сами товары

  • MBKWeigneeGO|2015-04-11|Предлагаем Вам сдать новые картриджи Sharp, Xerox, Brother и прочие. Кроме того, мы можем выгодно принять у Вас бумагу для печати

    Приемный пункт реализует прием картриджей, которым не нашли применения. Предлагаем Вам сдать новые картриджи Sharp, Xerox, Brother и других марок. Принимаем различную новую оргтехнику по разумной цене. Black-Msk.Ru: скупка картриджей Xerox

Для кого:  Инженер,Предприниматель

Тип решаемой задачи:  Химия,Физика,Техника

Приобретаемые навыки:  решение задачи

Добавить в блокнотБлижайшие мероприятия
(Голосов: 0, Рейтинг: 0)



Добавить комментарий:

Комментарии:
  • LaRcrycleOM|2015-02-18|средства укрепляющие ногти

    Сайт косметики La Rosa предлагает большой ассортимент парфюмерных и косметических средств из Испании и Кореи. Различная направленность вы­соко­качест­вен­ной уходовой косметики - для ногтей, рук, ног, волос, а также косметики для визажа и различных аксессуаров дают возможность удобного поиска покупок в нашем магазине. Мы предлагаем качественную продукцию - набор косметики для макияжа, кабуки купить, аксессуары для маникюра, женская туалетная вода. Большой арсенал косметики для лица - минеральная маска для лица, средства по уходу за руками, антицеллюлитное масло для массажа сделают Вас и близких людей более привлекательными и продлят молодость. Для подарка отлично подойдут - купить скраб для тела, чтобы обеспечить профессиональный уход за волосами можно приобрести укрепляющий бальзам. Магазин лаков для ногтей предлагает купитьлак для ногтей и решить частую проблему простым выходом - средства укрепляющие ногти, также для ухода за руками есть в наличии жидкость для снятия гель лака. Интернет магазин имеет большой выбор таких товаров, как губная помада, пигменты для татуажа, основа под тени, тушь для ресниц vov, жидкая подводка, контурный карандаш для глаз, тени для бровей купить, накладные ресницы купить, базы под макияж, рассыпчатая пудра для лица, тональный крем, тональная основа, корректирующее средство, бронзер для лица. Надеемся, что посещение нашего интернет магазина парфюмерии оставит Вас удовлетворёнными покупками! Larosa.com.ua - плюс упоминаем сами товары

  • MBKWeigneeGO|2015-04-11|Предлагаем Вам сдать новые картриджи Sharp, Xerox, Brother и прочие. Кроме того, мы можем выгодно принять у Вас бумагу для печати

    Приемный пункт реализует прием картриджей, которым не нашли применения. Предлагаем Вам сдать новые картриджи Sharp, Xerox, Brother и других марок. Принимаем различную новую оргтехнику по разумной цене. Black-Msk.Ru: скупка картриджей Xerox