Статьиcегодня статей - 280

Развертывание состава технической системы

Дата публикации: 03.11.2010

***

Глава из книги "Деревья эволюции. Анализ технической информации и генерация новых идей"

***

Развертывание состава технической системы предусматривает введение новых элементов в ее структуру. Очевидно, что такое усложнение системы оправдано только в том случае, когда ее идеальность повышается, т.е. функциональные возможности системы растут быстрее, чем затраты на их реализацию.
При синтезе новой развернутой технической системы к прототипу может добавляться одна или несколько систем, выполняющих дополнительные функции, полезные для потребителя.
При этом объединенная система имеет несколько рабочих органов, каждый из которых обрабатывает различные по свойствам объекты.

Персональный компьютер
Примером такой структуры может служить персональный компьютер (рис. 1). По мере развития собственно компьютер оснащался дополнительными периферийными устройствами. В составе этой системы появились съемные хранители информации, звуковые колонки, принтер, сканер, модем, веб-камера и прочие устройства, выполняющие дополнительные функции.

Нередко объединенные системы сочетают противоречивые свойства: вся система в целом универсальна, так как она предназначена для обработки нескольких различных объектов, но каждый рабочий орган может обрабатывать только один объект. В таких системах противоречие разрешено или во времени - при последовательном выполнении различных операций (сменные рабочие органы), или в пространстве - при параллельном их выполнении (многофункциональные устройства).

 

Развертывание состава персонального компьютера

Рис. 1.
Развертывание состава персонального компьютера

При развертывании состава системы в нее также могут вводиться новые элементы - носители дополнительных функций, повышающие качество выполнения главной функции системы. Системы становятся более сложными и более эффективными, повышается их надежность, срок службы и безопасность.

Автомобильный тормоз

Самый простой тормоз первых автомобилей - это неподвижный тормозной элемент (колодка или лента) с механизмом прижатия его к вращающемуся валу. Сейчас тормозная система развернута и включает устройства для охлаждения тормозов и контроля износа накладок, антиблокировочное устройство и многие другие. Все эти усовершенствования, несомненно, усложняют и удорожают исходную систему. Однако они позволяют повысить качество выполнения одной из важнейших вспомогательных функций автомобиля - "Обеспечивать его остановку". С точки зрения рынка это с лихвой перекрывает увеличение стоимости тормозной системы.

Компьютерная мышь

Беспроводная мышь, выпускаемая компанией ClickNJoy, не выскользнет из влажной руки пользователя даже в самую сильную жару. В верхней части ее корпуса находятся прорези, а вентилятор, установленный внутри, подает охлаждающий ладонь воздух (рис. 2). Предусмотрено несколько режимов охлаждения.

Компьютерная мышь с введением вентилятора

Рис.2.
Компьютерная мышь с введением вентилятора

Вводимые системы могут быть также дублирующими, как аварийная система запуска двигателей некоторых самолетов или запасный парашют. В дополнение к основной также вводятся и корректирующие дополнительные системы, устраняющие некоторые вредные эффекты, возникающие при работе основной системы. Примером может служить система охлаждения двигателя внутреннего сгорания.

Охлаждение двигателя

Первые двигатели внутреннего сгорания не имели охлаждения, перегревались и быстро выходили из строя. В состав двигателя была введена корректирующая система охлаждения. Одним из типов такой системы было воздушное охлаждение - вращающаяся крыльчатка, подававшая холодный воздух на цилиндры. Надежность работы двигателя сразу повысилась.
Поскольку это была дополнительная система, которая удорожала двигатель, начались работы по ее свертыванию. В качестве частично свернутой можно упомянуть инжекторную систему охлаждения, которая работает за счет энергии выхлопных газов. Выходящие из выхлопной трубы газы проходят через особый кожух и захватывают с собой горячий воздух, окружающий цилиндры двигателя. Двигатель с керамическим блоком цилиндров, которому не страшен нагрев, - это пример полностью свернутой системы охлаждения.

* * *
Особым случаем развертывания функций системы при оптимизации ее состава можно считать объединение конкурирующих или альтернативных систем, т.е. систем, которые выполняют одну и ту же функцию различными способами. Все варианты преобразований, полученные при патентном поиске, являются альтернативными системами, поэтому такая методика является ценной для работы с информацией, организованной в Дерево эволюции.
Главная идея методики объединения альтернативных систем заключается не в механическом их соединении, а в переносе свойств более продвинутой системы на улучшаемый прототип. Для этого нужно взять за прототип одну из систем, придать ей необходимые свойства одной или нескольких альтернативных систем и разрешить возникающие при этом противоречия. В качестве прототипа выбирается, как правило, более дешевый вариант системы. Приведем примеры объединения альтернативных систем.

Цистерна

Бортовой автомобиль хорошо приспособлен для перевозки твердых грузов. Но нередко возникает ситуация, когда в одну сторону необходимо перевозить твердый груз, а в другую -жидкий. Для перевозки твердых грузов подходит кузов, а для перевозки жидкостей - цистерна.
Как объединить достоинства грузовика и цистерны в одном автомобиле?
Возьмем за прототип грузовик. Пусть он перевозит жидкость в бочках. Это заведомо неправильно, поскольку грузовик с бочками более дорогой вариант, чем цистерна. Кроме того, возникает необходимость везти назад сами бочки, занимающие место в кузове. Посмотрим, что получится в результате переноса свойств цистерны на прототип.

Перевозка жидкости в цистерне и в бочках

 

Рис. 3.
Перевозка жидкости в цистерне и в бочках

Какое свойство цистерны, необходимое для перевозки жидкостей, надо перенести на грузовик? Очевидно, это герметично закрытая оболочка, например, та же бочка (рис. 4.49).
Возникает противоречие: бочки должны быть, чтобы обеспечить перевозку жидкости, и бочек не должно быть, чтобы не везти их назад.

Рис. 4 Гибкая оболочка, рис. 5 Цистерна с плоским дном

 

Рис. 4 Гибкая оболочка, рис. 5 Цистерна с плоским дном

Такое противоречие можно разрешить, если перевозить жидкость в эластичной оболочке. При перевозке твердых грузов оболочку можно сворачивать и хранить, например, на крыше автомобиля. В этом варианте бочки заменены одной эластичной оболочкой (рис. 4).
Однако необходимо затрачивать время на сворачивание и разворачивание оболочки, предусмотреть место для ее хранения. Вряд ли это решение можно считать удачным, а систему - идеальной. Это происходит потому, что прототип был выбран неправильно - в качестве него взят более дорогой в эксплуатации вариант системы.
Повторим анализ, выбрав в качестве прототипа цистерну как наиболее дешевый вариант перевозки жидкости.
Какое свойство грузовика, необходимое для перевозки твердых грузов, надо перенести на цистерну? Наличие плоской горизонтальной площадки, на которой располагается груз Традиционная форма цистерны - цилиндрическая. Если изменить ее форму, выполнив верхнюю часть плоской, то такая цистерна вполне сможет служить "подставкой" для грузов.
Конечно, высота цилиндрической цистерны чрезмерно большая. Положение изменится, если полностью перекомпоновать цистерну и выполнить ее в виде невысокого параллелепипеда. Подобная цистерна, разработанная в Швеции, вмешает 20 тонн жидкости, а ее верхняя плоская поверхность расположена всего лишь на 40 см выше, чем днище кузова автомобиля аналогичного класса (рис. 5).

Автоматическая стиральная машина

Стиральная машина представляет собой емкость с моющим раствором (вода и стиральный порошок), в которую помешается белье. При стирке раствор в емкости активируется либо за счет вращения самой емкости, либо за счет использования специальных лопастных мешалок. Затем раствор сливается, а оставшаяся в белье вода отжимается. Для этого емкость начинает быстро вращаться, и центробежная сила удаляет остатки воды.
Все разнообразие стиральных машин можно свести к двум основным типам: машины, в которых ось вращения емкости с бельем расположена горизонтально (рис. 6, а), и машины, в которых емкость вращается вокруг вертикальной оси (рис. 6, б)
Сведем достоинства и недостатки обоих вариантов в таблицу:

 

Рис. 6.
Стиральная машина: а) с горизонтальным баком, б) с вертикальным баком

По сути дела мы имеем здесь две альтернативные системы: что хорошо у одного типа машины, то плохо у другого, и наоборот. Как мы уже знаем, необходимо объединить их таким образом, чтобы новая система получила только положительные свойства от обеих альтернативных систем.

 
Стирка и полоскание
Отжим воды
Машина с горизонтальным барабаном
+
-
Машина с вертикальным баком
-
+

Основное противоречие стиральной машины можно сформулировать следующим образом:

  • ось вращения емкости должна быть горизонтальной, чтобы обеспечить качественную стирку и полоскание белья,
  • ось вращения емкости должна быть вертикальной, чтобы обеспечить хорошую балансировку при отжиме воды из белья.

Схема поворотной стиральной машины

 

Рис. 7.
Схема поворотной стиральной машины

Разрешить это противоречие можно за счет дополнительной динамизации. Представим себе обычную вертикальную стиральную машину, которая шарнирно закреплена на дополнительной раме (рис. 7). Тогда для стирки достаточно просто повернуть машину набок, сделав ось вращения емкости горизонтальной. Для отжима и выгрузки белья необходимо вернуть машину в исходное положение. Наличие дополнительной рамы и поворотного устройства несколько усложняет машину, но зато из ее конструкции можно удалить лопастную мешалку и балансировочное устройство.
Решение это далеко не идеальное и его требуется упростить. Если свернуть полученную конструкцию, т.е. удалить из нее ненужные элементы и оптимизировать оставшиеся, можно прийти к парадоксальному выводу: стиральная машина должна иметь сферическую форму (рис. 8).

ческая стиральная машина
Рис. 8.
Сферическая стиральная машина

Емкость сферической формы с водой и бельем устанавливается на основании, в котором расположены электродвигатели и водоподводящие трубопроводы. Из основания выступают три или четыре ролика, каждый из которых приводится в действие своим электродвигателем. Ролики могут раскручивать емкость в разных направлениях и поворачивать из вертикального положения в горизонтальное и наоборот.
На рис. 9 показано положение при основных режимах работы машины.
Ролики установлены параллельно и медленно вращаются в одну сторону - емкость поворачивается из вертикального положения в горизонтальное (рис. 9, а). Чтобы при стирке и полоскании в горизонтальном положении ось вращения емкости проходила через загрузочный люк машины, ролики нужно развернуть на 90 градусов (рис. 9, б).

Работа машины

 

Рис. 9.
Работа машины

Если ролики установить так, чтобы их оси вращения пересекались в центре окружности (рис. 9, в), то можно раскрутить сферическую емкость для отжима белья. Поскольку вода будет при вращении отжиматься к экватору сферы, необходимо предусмотреть внутри нее дополнительный сетчатый каркас для белья и вращать барабан с остановками, чтобы дать возможность стечь накопившейся воде.

Добавить в блокнот

(Голосов: 0, Рейтинг: 0)


Добавить комментарий:

Комментарии:
      
    Креативная неделя

    Купить электронные книги


    Купить книги по ТРИЗ

    книги по ТРИЗ Анализ технической информации и генерация новых идей Денис изобретатель ТРИЗ найти идею книга
    Петров ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач. Учебник по дисциплине "Алгоритмы решения нестандартных задач" Правила творческого мышления, или Тайные пружины ТРИЗ Приключения колобка

    Подписка на рассылку