КейсыСегодня кейсов в Базе - 66

Изобретательская ситуация

 

В постперестроечное время у нас в университете я познакомился с заведующим опытовым бассейном и его научным руководителем. Работали они на кафедре кораблестроения и занимались разработкой темы, касающейся разрушения льда ледоколами. А именно, перед ними была поставлена задача – увеличить в несколько раз скорость разрушения льда. Необходимость увеличения скорости была вызвана повышением требований безопасности речных (и морских) государственных границ в зимнее время. Кроме того, скорость имеет существенное значение при разрушении ледяных заторов и ледяных полей во время весенних ледоходов. Для решения поставленной задачи ими была предложена идея использования в качестве ледоколов судов на воздушной подушке (СВП) /1/.

Ледокольные свойства СВП зависят от режима движения, величины давления воздуха в подушке, толщины и прочности льда. Взламывание льда может осуществляться воздушной подушкой статическим и динамическим способами.

Статический способ применяется при движении с малыми скоростями (до 4 – 5 уз). Под действием давления подушки уровень воды в полынье опускается ниже поверхности ледяного покрова, подо льдом образуется воздушная полость, которая выходит за габариты судна, и ледяной пласт консольно зависает над водой. После того как длина консоли достигнет критической величины, ледяное поле начинает разламываться под действием собственного веса.

Разрушение льда СВП динамическим способом осуществляется при движении судна с большой скоростью (10 – 15 уз). Разрушение происходит в результате возникновения во льду изгибающих волн от перемещающегося источника давления, вызывающего деформацию льда. Амплитуда критической волны, при которой разрушается лед, зависит от его толщины, прочности и протяженности ледяного покрова, а также от глубины водоёма и размеров судна на воздушной подушке. Наиболее эффективное разрушение льда СВП происходит при использовании резонансного метода. Двигаясь по поверхности льда, за счет искусственного и естественного колебаний корпуса, СВП создает резонансные изгибногравитационные волны, под воздействием которых во льду образуются трещины. Такой способ ледокольных работ отличается от традиционных возможностью разрушать ледяной покров на обширных площадях, а также проводить суда на небольших глубинах.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Разрушение сплошного ледового покрова СВП

 

 

 

 

Итак, резонансно-динамический способ взламывания льда отличается от статического большей эффективностью, так как позволяет разрушать лёд с более высокой скоростью. 2

Для доказательства эффективности использования СВП в качестве ледоколов необходимо было провести модельные испытания в опытовом бассейне. Проблема заключалась в том, что университетский опытовый бассейн не был предназначен для испытания ледоколов, то есть в нём не была предусмотрена морозильная установка для создания льда, а испытания необходимо было провести. Более того, в мире существует единственный ледовый опытовый бассейн, который находится в Санкт-Петербурге.

Таким образом, изобретательская ситуация заключалась в следующем: необходимо срочно провести испытания на эффективность использования СВП в качестве ледоколов, что связано с безопасностью государственных границ (в частности речных); есть опытовый бассейн, но он не предназначен для испытания ледоколов.

 

Краткая справка о моделировании ледовых полей (способы и назначение)

 

Для решения сформулированной выше задачи необходимо иметь представление:

– о характеристиках льда;

– процессах, происходящих при разрушении льда ледоколом;

– ледовом опытовом бассейне;

– существующих, к моменту начала работы, способах моделирования ледяных полей.

 

Следует отметить, что приведённые ниже материалы будут касаться более широких вопросов, чем это необходимо (или кажется, что необходимо) для решения конкретной задачи. Во-первых, нам ещё точно не известно, что пригодится, а что нет. Во-вторых, если будут предложены модели ледяных полей, с помощью которых можно будет испытывать не только СВП-ледоколы, но и ледоколы классических типов, то будет решена сверхзадача.

 

Характеристики льда

 

Начнём с классификации льда (морского и речного) /2/. Льды различают по возрасту, подвижности (динамичности), строению, состоянию поверхности и стадиям таяния.

По возрасту различают следующие виды льда:

– начальные льды (ледяные иглы, сало, шуга и т. п.);

– ниласовые льды (блинчатый лед, склянка, нилас и т. д.) толщиной до 10 см;

– серые льды толщиной от 10 до 30 см;

– белый лед толщиной от 30 до 70 см;

– однолетние – годовалые льды, прошедшие годовой цикл нарастания в минувшую зиму и сохранившиеся до начала нового осеннего ледообразования;

– двухлетние льды, находящиеся во втором годичном цикле нарастания;

– многолетние льды (пак) толщиной 2,5 м и более, просуществовавшие более двух лет.

 

 

Для нашей конкретной задачи интерес представляет белый и серый лёд с максимальной толщиной 1 м.

 

По динамическому признаку льды разделяются на две категории:

1) неподвижный лед, основной формой которого является припай, – сплошной ледяной покров, связанный с берегом; протяженность припая может достигать нескольких сотен миль;

2) дрейфующий лед – лёд, не связанный с берегом и находящийся в движении под влиянием ветра и течения.

 

По горизонтальным размерам (протяженности) дрейфующий лед подразделяется на две основные группы: ледяные поля и битый лед, образующиеся в результате разрушения припая и последующего дробления более крупных форм дрейфующего льда, развития и 3

нарастания ледяного покрова, смерзания мелких льдин любого возраста. По своим очертаниям поля и отдельные льдины бывают остроугольными и округлыми.

Ледяные поля – наиболее крупные образования дрейфующего льда – делятся на:

– обширные – протяженностью свыше 10 км;

– большие – протяженностью от 2 до 10 км;

– малые – протяженностью от 0,5 до 2 км;

– обломки полей – льдины протяженностью 100…500 м.

 

Битый лед состоит из льдин различных размеров, но меньших, чем обломки полей. Различают следующие формы битого льда:

– крупнобитый – льдины, имеющие в поперечнике 20…100 м,

– мелкобитый – льдины протяженностью от 2 до 20 м;

– куски льда – льдины размером от 0,5 до 2 м.

 

 

Для нашей конкретной задачи интерес представляет неподвижный лёд, ледяные поля и битый лёд.

 

Состояние дрейфующего льда характеризуется сплоченностью и сжатием. Сплоченность льда на наблюдаемом участке водной акватории определяется отношением площади льдин к площади этого участка и оценивается по 10-ти балльной шкале. Например, при сплоченности льда 6 баллов 60 % площади участка покрыто льдом. Различают редкий лед, разреженный лед, сплоченный лед и очень сплоченный лед.

Сжатие льда оценивается по трехбалльной шкале: 1 балл соответствует слабому сжатию, 3 балла – сильному.

Вышеперечисленная классификация позволяет выбрать тот тип льда, который в первую очередь необходимо моделировать для решения поставленной задачи, а именно, оценка эффективности использования СВП в качестве ледокола, а также определение ледокольных характеристик СВП при разных тактиках движения по льду.

 

Для нашей конкретной задачи следует моделировать не менее двух состояний льда: одно состояние НЕПОДВИЖНЫЙ лед и второе – БИТЫЙ лёд (от обломков полей до кусков льда).

 

Физико-механические свойства льда

 

Лед представляет собой вещество, наделенное свойствами, присущими твердому кристаллическому телу /2/.

Образование льда происходит в результате процессов теплообмена между водной средой и атмосферой. Основными факторами, влияющими на интенсивность роста ледяного покрова, являются метеорологическая обстановка и гидрологический режим водоема (скорость течения, глубина, условия перемешивания водных масс и так далее).

Структура льда определяется условиями возникновения и формирования кристаллов, которые первоначально образуются в тонком переохлажденном поверхностном слое воды. В процессе роста лед приобретает неоднородное блочное строение. По границам блоков кристаллов концентрируются посторонние примеси и соляной раствор (в морском льду).

Отметим этот очень важный момент, что лёд имеет БЛОЧНОЕ строение.

С точки зрения механических качеств, лед естественного образования можно принять за поликристаллическое тело. При этом, если в направлении, параллельном плоскости намерзания, ледяной покров можно рассматривать как изотропное тело, то в направлении, перпендикулярном плоскости намерзания, наблюдаются анизотропные свойства, обусловленные в основном температурным перепадом между верхними и нижними слоями льда, как тела, находящегося на границе двух сред с различными температурами.

К числу наиболее важных физико-механических свойств ледяного покрова, влияющих на движение судна во льдах, относятся: прочность льда, его упруго-пластические и фрикционные характеристики.

Движение судна в сплошных и крупнобитых льдах сопровождается разрушением ледяного покрова, происходящим в основном за счет изгиба (хотя имеют место также дефор-4

мации среза и смятия в случае применения классических ледоколов). Поэтому при определении сопротивления ледяного покрова движению судна, наибольшее значение имеют его прочностные характеристики: пределы прочности на изгиб, срез и смятие.

Известно, что в естественных условиях при отсутствии снега температура верхних слоев льда близка к температуре окружающего воздуха, а температура нижних – к температуре воды. Вследствие такого температурного перепада во льду образуются слои неодинаковой прочности. Наличие снега на ледяном покрове уменьшает температурный градиент внутри льда, поэтому разница в свойствах слоев заснеженного льда оказывается не такой значительной, как у бесснежного. Хотя слои имеют различные физико-механические свойства ледяной покров под нагрузкой работает как единое целое.

Отметим этот очень важный момент, ледяной покров под нагрузкой работает как единое целое.

В качестве расчетных значений предела прочности на изгиб σ_р могут быть приняты следующие величины:

– для пресноводного льда σ_р = 12,5 кГ/см²;

– для морского (соленого) льда σ_р = 8 кГ/см².

 

Что касается пределов прочности льда на смятие и срез, которые играют менее важную роль при разрушении ледяного покрова судном, то можно принять следующие значения для пресноводного льда: предел прочности на смятие – 12,5…30 кГ/см²; предел прочности на срез – 1,5…6,0 кГ/см².

Известно, что материалы при температуре, близкой к их точкам плавления, в той или иной мере обладают пластичностью. Натурный лед как твердое тело в этом отношении не является исключением. Опыты показывают, что характер деформирования льда в значительной степени зависит от времени действия нагрузки. При длительном воздействии нагрузки появляется пластичность, которая может выражаться как в виде ползучести (увеличение деформации во времени при постоянной нагрузке), так и в виде релаксации (уменьшение прочности во времени при постоянной деформации).

Упругие свойства льда обычно характеризуются модулем упругости E, который для материалов, подчиняющихся закону Гука, является коэффициентом пропорциональности между деформацией и напряжениями. Опытные данные показывают, что значение этой характеристики, зависящей от структурного строения льда и температуры, изменяется в довольно широких пределах. Тем не менее, для практических целей, связанных с движением судна во льдах, рекомендуется использовать следующие значения модуля упругости:

– для пресного льда от 35 000 до 62 000 кГ/см²;

– для зимнего, соленого льда – 30 000 кГ/см².

 

Внешнее трение льда является одним из важнейших факторов, обусловливающих процесс движения судна во льдах. В особенности это относится к плаванию судна в битых льдах, так как в этих условиях роль сил трения особенно велика. По современным представлениям трение льда – это трение с самосмазкой, возникающей в результате плавления льда. Причиной плавления является тепло, мгновенно возникающее в местах истинного (фактического) контакта, имеющего дискретный характер. Знание закономерностей трения льда имеет большое значение для моделирования движения судна во льдах. Рекомендуемое среднее расчетное значение коэффициента динамического трения льда о судовую сталь и льда по льду может быть принято равным f_T – 0,08…0,13.

Для нашей конкретной задачи интерес представляют: факт блочного строения льда; то, что ледяной покров под нагрузкой работает как единое целое, а также значения предела прочности на изгиб σ_р , значения модуля упругости E и значения коэффициента динамического трения льда по льду f_T .

 

Разрушение льда ледоколом

Ледокол классического типа разрушает лёд форштевнем, носовой частью и бортами. При встрече ледокола с полем форштевень ударяется о лед и носовая часть судна налезает на ледяной покров, который не разрушается изгибом, а «прорезается» форштевнем. По мере продвижения судна вперед, во время которого его дифферент увеличивается на корму, в контакт со льдом вступают борта ледокола, разрушающие лед изгибом на отдельные секторы, располагающиеся в один, два и более рядов вдоль каждого борта. Неодновременность ломки льда различными участками бортов, а также отсутствие разрушения льда впереди форштевня приводит к тому, что в процессе движения носовая часть судна не опускается до первоначального положения. Таким образом, ледокол, преодолевая ровный сплошной лед, движется с практически постоянным дифферентом на корму, приобретенным в начальный период при налезании форштевня на лед. Величина этого дифферента, как показывают наблюдения, зависит от толщины и прочности льда, формы обводов корпуса и скорости. Имеют место лишь сравнительно небольшие изменения посадки, обусловленные разрушением ледяного покрова отдельными участками бортов, а также небольшое рыскание и изменение крена, связанные с неодновременностью ломки льда и левым и правым бортами.

Форштевень судна в процессе движения образует во льду прорезь. Снеговой покров и частично верхний слой льда оказываются выдавленными из этой прорези на ледяной покров и образуют снежный валок. Изгибные трещины впереди форштевня отсутствуют. Наблюдения показывают, что величина зоны прорезания льда форштевнем зависит от физико-механических качеств льда, скорости движения ледокола и формы носовой оконечности корпуса. Иной характер носит разрушение льда бортами ледокола (рисунок 2). Первоначально в районе контакта борта со льдом происходит местное смятие верхней кромки льда, которое продолжается вплоть до момента разрушения льда изгибом. Размеры указанных зон смятия кромки зависят от толщины, прочности льда, формы обводов корпуса и скорости движения судна.

 

 

Рисунок 2. Разрушение льда бортом ледокола: а – образование трещин; б – начало притапливания льдины; в – поворачивание льдины на ребро

 

 

Момент разрушения льда изгибом характеризуется появлением одной, двух и более концентрических трещин, образующихся в результате растяжения верхних слоев льда. Обычно окончательный облом льда происходит по ближайшей к борту трещине, в то время как трещины II и III закрываются. Прилегающая к корпусу льдина притапливается. Если ширина зоны разрушенного льда в этом месте недостаточна для прохождения корпуса ледокола, то происходит притапливание льдины, расположенной между трещинами I и II, и так далее. Число рядов секторов, выламываемых каждым бортом от форштевня до кромки неразрушенного ледяного покрова, а также абсолютные размеры этих секторов в основном зависят от толщины льда, скорости движения ледокола и его ширины. Отношение длины сектора к его ширине во всех случаях довольно стабильно и равно 3 – 5. При сравнительно небольших скоростях движения и предельных толщинах льда обычно наблюдается «однорядная» (рисунок 3), редко «двухрядная» ломка бортами. Длина секторов, выламываемых бортами ледокола при однорядной ломке, может достигать 50 – 80 м, при ширине 20 м.

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Схема однорядной ломки льда

 

 

 

 

При применении СВП-ледоколов реализуется другой механизм разрушения льда. Начнём рассматривать этот механизм немного издалека. Очевидно, что если на лёд действует некоторая нагрузка (автомашина, вертолёт, СВП и так далее), то он прогнётся. Если же эта нагрузка будет двигаться, то по льду будут расходиться волны. Естественно, что эти волны могут вызывать разрушение льда. Причём чем «острее» профиль этих волн (больше амплитуда или меньше длина волны), тем вероятность разрушения льда выше. Оказалось, что «острота» профиля максимальна при достижении скорости перемещения нагрузки (ν) некоторого критического значения (ν_р) – резонансной скорости (рисунок 4) /1/. а)

 

 

 

Рисунок 4. Прогибы ледяного покрова в зависимости от скорости: а – ν < ν_р; б – ν > ν_р

Кроме того, если во льду есть полыньи (майны), то начинает проявляться эффект «щелкающего хлыста» и лёд разрушается ещё легче.

 

Ледовые опытовые бассейны (краткая характеристика)

Первый и единственный опытовый бассейн для испытаний моделей судов во льдах был построен в 1955 г. в научно-исследовательском институте Арктики и Антарктики /2/. Этот бассейн (точнее лаборатория для испытаний моделей судов во льдах) состоит из охлаждаемого помещения, в котором расположена чаша бассейна; машинного зала с аммиачной холодильной установкой и двух вспомогательных помещений для приборов, устройств и приспособлений, обеспечивающих проведение модельных испытаний.

Чаша бассейна выполнена в виде канала прямоугольного сечения со следующими размерами (в метрах):

длина по зеркалу воды 13,4;

ширина 1,85;

высота от днища до уровня борта 1,95;

возвышение борта над уровнем пола 1,1;

объем при наибольшем уровне наполнения 1,7 м.. 42 м³.

Чаша бассейна представляла собой двухслойную железобетонную конструкцию. Водонепроницаемость обеспечивалась специальной гидроизоляцией. Бассейн наполнялся водой через донный кингстон.

Помещение, в котором расположена чаша бассейна, охлаждалось с помощью рассольных батарей с поверхностью охлаждения 340 м². Холодильная установка позволяла довести температуру воздуха в помещении бассейна до –17 °С и поддерживать ее длительное время. Суммарная холодопроизводительность установки 140 000 ккал/ч.

 

 

 

 

 

Рисунок 5. Общий вид ледового опытового бассейна

 

Общий вид бассейна показан на рисунке 5. В диаметральной плоскости чаши бассейна расположено устройство для буксировки модели (рисунок 5). На колеса 1 и 13, установленные на противоположных концах бассейна, надет бесконечный трос. В его нижнюю ветвь включена запряжка модели. С ведущим колесом жестко связан барабан, на котором уложен трос рабочего груза. Рабочий груз, приводящий в движение модель, подвешивается к подвижному ролику полиспаста. К бесконечному тросу, в целях исключения его проскальзывания по ободу колеса, приложено усилие, создаваемое натяжным устройством. Колесо 13 подвешено шарнирно, и к его оси прикреплены пружинные динамометры и талрепы. Талрепы позволяют создать заданное постоянное натяжение, поскольку в процессе эксплуатации буксировочный трос вытягивался. Колеса 1 и 13 крепятся в специальных каретках, конструкция которых позволяет поднимать и опускать их на некоторое расстояние по отношению к уровню воды в бассейне. Это необходимо для того, чтобы при испытании моделей различных размеров не менять уровень воды в бассейне.

 

 

Рисунок 6. Схема устройства для буксировки модели:

1, 13 — колеса: 2 — рабочий груз; 3 — полиспаст; 4, 6 — направляющие ролики; 5 — подвижный ролик полиспаста; 7 — барабан; 8 — бесконечный трос; 9 — запряжка модели; 10 — модель; 11 — шарнир подвески колеса; 12 — натяжное устройство и динамометр

Модель ледяного поля

Согласно теории моделирования, лабораторный лед, в котором проводятся испытания моделей судов, должен удовлетворять следующим условиям /1/:

– равенство коэффициентов трения натуры и модели;

– равенство отношений h_н/h_м= w_н/w_м= E_н/E_м= (σ_р)_н/(σ_р)_м= H_н/H_м= λ, где индексы «н» и «м» указывают к чему относится соответствующий параметр к натурному льду или модели; h – толщина льда, w – прогиб льда, E – модуль Юнга, σ_р – предел прочности на изгиб, H – глубина водоёма; λ – масштаб моделирования.

 

Методика приготовления лабораторного льда в условиях ледового бассейна, помимо соблюдения указанных требований, должна обеспечить возможность многократного воспроизведения льда заданной толщины и физико-механических характеристик.

В ледовом бассейне применяется натуральный поликристаллический ослабленный лед. Ослабление прочности льда достигается внедрением в его кристаллическую решетку примесей и созданием значительных межкристаллических прослоек. Практически это достигается растворением в воде поваренной соли. Однородность льда и его поликристаллическое строение достигается внесением в верхний переохлажденный слой воды большого количества мелких частиц льда, которые являются центрами кристаллизации, поэтому рост льда начинается во всех точках ледяного покрова одновременно.

Перед приготовлением моделированного льда температуру воздуха в бассейне понижают до –10 °С, а поверхность воды тщательно очищают от остатков битого льда и «сала», измеряют температуру воды в бассейне и при наличии температурных перепадов воду перемешивают. Затем над спокойным зеркалом воды распыляется 0,15…0,20 л воды. Частицы воды, переохлаждаясь в воздухе, превращаются в кристаллы льда и, попадая на водную поверхность, производят «зарядку ледяного поля» – дают начало кристаллообразованию.

Существуют и другие модели ледовых полей, для реализации которых не требуются низкие температуры.

Например, сплошной ледяной покров моделируют с помощью устройства, содержащего упругую пленку, располагающуюся на поверхности воды /1/. В другой модели пластины положительной плавучести (например, из полиэтилена), размещаются в опытовом бассейне, причём эти пластины взаимодействуют между собой боковыми поверхностями, но не образуют сплошного «ледяного поля».

Все вышеперечисленные модели ледовых полей имеют существенные недостатки:

– изготовление лабораторного льда в ледовом бассейне требует чрезмерно больших затрат времени и ресурсов, в первую очередь энергетических;

– модель льда в виде упругой плёнки не позволяет промоделировать влияние полыней и трещин на работу СВП-ледоколов;

– модель льда в виде несплочённых пластин положительной плавучести не позволяет промоделировать основной механизм действия СВП-ледокола, то есть не позволяет промоделировать разрушения сплошного ледяного покрова.

 

Подводя итог, можно сказать, что целью изобретения является обеспечение моделирования разрушения сплошного ледяного покрова в неледовом опытовом бассейне.

Желаемое системное свойство модели ледяного поля:

– не разрушаться (не разделяться на фрагменты), если воздействия на модель не превышают критическую величину (докритическое воздействие);

– разрушаться (разделяться на фрагменты), если воздействия на модель превышают критическую величину (сверхкритическое воздействие);

– не сплачиваться (не соединяться) самопроизвольно после снятия сверхкритического воздействия;

– сплачиваться (соединяться) после поступления внешнего командного воздействия.

 

Решение задачи по АРИЗ.

При решении задачи использовалось описание методики АРИЗ-85В, взятое из /3/.

1. Анализ задачи.

Шаг 1.1. Формулировка мини-задачи.

Техническая система для испытания моделей судов ледового плавания включает: взаимодействующие между собой боковыми поверхностями пластины положительной плавучести, модель судна, заполненный водой опытовый бассейн с системой буксировки модели судна, устройство сплачивания пластин положительной плавучести.

Комментарий.

1. В описании изобретательской ситуации были представлены три возможных варианта моделирования ледяного поля; имитация льда на уровне физического эффекта «жидкое-твердое вещество»; имитация ледяного поля гибкой плёнкой и имитация ледяного поля взаимодействующими между собой боковыми поверхностями пластины положительной плавучести. При формулировке мини-задачи выбор был сделан в пользу последней модели из трёх, представленных в описании изобретательской ситуации, по следующим причинам. Идеальность последней модели, на первый взгляд, выше, чем первой и второй, так как первая модель требует значительных энергетических ресурсов, а также тщательной очистки зеркала воды от остатков разрушенного ледяного поля; вторая модель не позволяет моделировать разрушение ледяного поля. Кроме того, в описании характеристик льда отмечалось его блочное строение, которое прекрасно моделируется в последней модели.

 

ТП-1. Если сплочённые пластины положительной плавучести хорошо (с достаточным усилием) сопротивляются воздействию, вызванному моделью судна, существенно повышается сложность устройства сплачивания пластин положительной плавучести.

Комментарий.

2. При формулировке этого противоречия слова, выделенные курсивом, могли быть представлены и в следующей редакции «… воздействию модели судна…», но в этом случае речь могла идти только об испытании моделей классических ледоколов, которые непосредственно воздействуют на лёд. При испытании же СВП-ледоколов на лёд (его отдельные фрагменты) воздействует как сам ледокол, так и волны, распространяющиеся в воде и во льду (это разные волны), вызванные движением модели СВП-ледокола.

 

ТП-2. Если сплочённые пластины положительной плавучести плохо (с недостаточным усилием) сопротивляются воздействию, вызванному моделью судна, устройство сплачивания пластин положительной плавучести реализуется просто.

Комментарий.

3. В ситуации, описанной вторым противоречием, пластины вообще не сплачиваются, поэтому-то они и плохо сопротивляются. Соответственно по этой же причине и просто реализуется устройство сплачивания, оно просто напросто вообще отсутствует.

4. В формулировки технического противоречия поясняется, что понимается в данном случае под «хорошо» (с достаточным усилием) и «плохо» (с недостаточным усилием).

5. При описании изобретательской ситуации описывались все известные на то время модели ледового поля, предназначенные для испытания ледоколов. Среди этих моделей не было моделей, состоящих из пластин с магнитными элементами по периметру, поэтому при разборе задачи они не рассматривались.

6. Второе противоречие имеет место в «…модели льда с пластинами положительной плавучести (например, из полиэтилена), размещаются в опытовом бассейне, причём эти пластины взаимодействуют между собой боковыми поверхностями, но не образуют сплошного «ледяного поля»...» (цитата из описания изобретательской ситуации). То есть в этой модели пластины просто плавают в воде, поэтому-то они и плохо сопротивляются воздействию модели судна, но их никак не сплачивают, поэтому и простое (отсутствующее) устройство сплачивания. Именно эта модель используется как прототип.

 

Шаг 1.2. Выявление конфликтующей пары.

Изделия: модель судна (МС), устройство сплачивания пластин положительной плавучести (УС).

Инструмент: пластины положительной плавучести (Пл), в дальнейшем просто пластины.

Комментарий.

7. Реально, если рассматривать известные на момент изобретения модели ледяного поля, устройство сплачивания это некоторый абстрактный элемент. Для первой модели ледяного поля (ледяное поле из натурального льда) устройством сплачивания выступает холодильная установка. Для второй (гибкая плёнка) моделей устройство сплачивания отсутствует, так как во второй модели ничего не разрушается. Для третьей (полиэтиленовые пластины) моделей устройство сплачивания тоже отсутствует. Но так как именно третья модель взята за прототип, то мы добавляем устройство сплачивания, которое должно осуществлять соединение полиэтиленовых пластин боковыми поверхностями. Реализация устройства зависит от того, как будут изменены боковые поверхности пластин. Например, если на боковые поверхности прикрепить ленты «липучки» (крючки и петли), устройство сплачивания должно будет развернуть пластины так, чтобы они соприкасались разнородными элементами (крючки с петлями, а не крючки с крючками или петли с петлями), затем сдавить пластины между собой, чтобы ленты «липучки» вошли в зацепление.

8. В этой задаче есть определённые сложности в выявлении инструмента и изделия.

С одной стороны, модель судна и устройство сплачивания действуют на пластины положительной плавучести. Модель судна (МС) действует, чтобы разъединить пластины, а устройство сплачивания (УС), чтобы, наоборот, их соединить. То есть можно предположить, что МС и УС – это инструменты, но тогда по логике АРИЗ-85В их и следует менять для решения задачи (инструменты легче меняются, чем изделия). Но нам-то по условию задачи нужно создать модель ледяного поля, то есть изменениям должны подвергаться именно пластины положительной плавучести. С другой стороны, пластины положительной плавучести сопротивляются действию модели судна к разъединению пластин и подчиняются действию устройства сплачивания, то есть являются инструментом, обрабатывающим МС и УС.

 

Взаимодействие конфликтующей пары. Пластины положительной плавучести (Пл) должны сильно сопротивляться воздействиям, вызванным моделью судна (МС) и должны слабо сопротивляться воздействиям, вызванным моделью судна (МС).

Комментарий.

9. В этом пункте мы практически вышли уже к физическому противоречию: пластины должны и сильно и слабо сопротивляться воздействиям, вызванным моделью судна.

10. В АРИЗ-85В нет явных указаний, что необходимо описывать взаимодействия в конфликтующей паре, нужно только выявить конфликтующую пару, хотя в некоторых материалах такое и встречается /4/. В данном случае выявление взаимодействий в конфликтующей паре позволило выйти на физическое противоречие на несколько шагов раньше.

 

Шаг 1.3. Графическая схема ТП-1 и ТП-2.

Графическая схема ТП-1.

Графическая схема ТП-2.

ПлМСУС

где – полезное взаимодействие;

– вредное взаимодействие.

Шаг 1.4. Выбор технического противоречия.

В качестве основного выбираем ТП-1 (если сплочённые пластины положительной плавучести хорошо (с достаточным усилием) сопротивляются воздействию, вызванному моделью судна, существенно повышается сложность устройства сплачивания пластин положительной плавучести.)

Критерием выбора является соответствие действий, представленных в ТП-1, основному производственному процессу.

Комментарий.

11. Основной производственный процесс заключается в исследовании возможности модели судна разрушать (разъединять) сплочённые пластины положительной плавучести, то есть на моделировании упругого сопротивления и разрушения сплочённых пластин под воздействием модели судна.

 

Шаг 1.5. Усиление конфликта.

Пластины САМИ соединяются (сплачиваются), чтобы сопротивляться воздействию, вызванному моделью судна, и САМИ не соединяются (не сплачиваются) друг с другом после разъединения, без использования устройства сплачивания.

Комментарий. 13

 

12. В качестве основы для такой формулировки были использована формулировка пункта 1.5 на 330 страницы книги Альтшуллер Г.С. и др. Поиск новых идей: от озарения к технологии (Теория и практика решения изобретательских задач), Кишинёв: Картя Молдовеняска, 1989, 383 с. и статьи Г.Северинец «Незаметные нюансы – заметной задачи», http://www.trizland.ru /nezamet _o_shalke.pdf . В статье Г.Северинец, в частности приводится такая последовательность формулировок (стр.4).

«Шаг 1.4. Выбор ТП

Выбрать из двух схем конфликта (ТП-1 и ТП-2) ту, которая обеспечивает наилучшее осуществление главного производственного процесса (основной функции технической системы, указанной в условиях задачи).

Главная цель системы ШЛАКОВОЗ - перевезти жидкий шлак быстро и без потерь.

Выбираем ТП-1:

ТП 1:если слой (горячего) воздуха возле поверхности расплавленного шлака неподвижен (воздух хороший теплоизолятор), то не образуется твердой, толстой корки застывшего шлака, но удержать (горячий) воздух неподвижным у поверхности очень трудно, нужно специальное устройство.

Шаг 1.5. Усиление ТП

САМ Воздух (выделено мною ВБ) у поверхности остается все время неподвижным с момента заливания шлака в ковш, до момента слива шлака из ковша, без применения дополнительных устройств. При этом шлак не образует твердой, толстой корки».

 

Шаг 1.6. Модель задачи.

Даны отсутствующее сплачивающее устройство и пластины положительной плавучести.

Пластины САМИ соединяются (сплачиваются), чтобы сопротивляться воздействию, вызванному моделью судна, и САМИ не соединяются (не сплачиваются) друг с другом после разъединения.

Комментарий.

13. Здесь также за основу бралась статью Г.Северинец стр.5.

Шаг 1.6. Модель задачи

Записать формулировку модели задачи, указав:

1. конфликтующую пару;

2. усиленную формулировку конфликта;

3. что должен сделать вводимый для решения задачи иксэлемент (что он должен сохранить и что должен устранить, улучшить, обеспечить и т.д.)

Даны расплавленный шлак и неподвижный воздух.

САМ Воздух у поверхности остается все время неподвижным с момента заливания шлака в ковш, до момента слива шлака из ковша, без применения дополнительных устройств. На шлаке не образует твердой, толстой корки.

Необходимо найти такой иксэлемент, который, сохраняя способность «воздуха быть неподвижным» не замедляя при этом слив шлака, и предотвращая образование твердой, толстой корки на поверхности шлака.