Использование законов развития технических систем в инженерном творчестве

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Задание

1. Внимательно ознакомиться с описанием изобретения и уяснить принцип действия устройства или устройства, реализующего способ.

2. Изложить принцип действия устройства в пояснительной записке (ПЗ) с приведением всех необходимых рисунков и графиков.

3. Проанализировать устройство с точки зрения проявления основных законов развития технических систем (ТС), а именно:

- закона полноты частей системы

- закона энергетической и информационной проводимости ТС

- закона согласования-рассогласования ТС

- закона увеличения степени идеальности ТС

- закона неравномерности развития ТС

- закона повышения динамичности и управляемости ТС

- закона развертывания и свертывания ТС

- закона перехода ТС на микроуровень и использование полей

4. На основе анализа и синтеза выявить несколько технических противоречий в ТС. Выбрать одно из них и разрешить его по алгоритму решения изобретательских задач.

5. Построить вепольную структуру всех рассматриваемых задач. Произвести синтез или разрушение веполей.

6. Проанализировать одну из задач при помощи оператора “размеры-время-стоимость”.

7. На основания решения полученного в пункте 5 составить описание учебного изобретения и необходимыми чертежами.

2. Принцип работы устройства

Патент: 1500890 Защитное устройство для приборов.

Чертеж устройства представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - защитное устройство для приборов

Устройство содержит корпус 1, обратный клапан 2, установленный в штуцере 3 корпуса, пружину 4, втулку 5 с центральным каналом 6, размещенную в отверстии корпуса 1. На внешней цилиндрической поверхности втулки 5 и ее торце выполнены пазы 7 и 8. Корпус I частично заполнен абсорбентом 9, а в его нижней части установлен сливной вентиль 10. В верхней части корпуса по оси втулки 5 закреплен взаимодействующий с ней шток 11. Выходной канал 12 сообщает внутреннюю полость измерительного прибора с полостью корпуса 1.

Устройство работает следующим образом:

Газ поступает через отверстие в штуцере 3, открывает обратный клапан 2 и по пазам 7 и 8 втулки 5 попадает в полость корпуса 1, где, барботируя через абсорбент, отдает ему содержащуюся в нем влагу, т.е. происходит осушение газа, после чего он через выходной канал 12 попадает к измерительному устройству. При смене абсорбента с помощью штока 11 втулка 5 перемешается в крайнее положение и закрывает обратный клапан 2. В результате подача газа прекращается. Через вентиль 10 отработанный абсорбент сливают, а через канал 12 заливают новый.

3. Анализ устройства по законам развития технических систем

3.1 Закон полноты частей системы

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности ТС является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы. Таких основных частей четыре: двигатель (Дв), трансмиссия (Тр) или передача, рабочий орган (Ро) и орган управления (Оу).

Сначала определим рабочий орган - Ро. Система предназначена для осушения газа, путем пропускания его через абсорбент. Ясно, что рабочим органом будет абсорбент 9, т.к. именно он изменяет газ.

Далее определим Дв. Здесь двигателем является клапан 2. Тогда трансмиссией является пазы 7 и 8 втулки 5, по которым газ попадает в абсорбент. К органу управления можно отнести шток 11, поскольку он может прекратить подачу газа и так же возобновить ее. Таким образом, с точки зрения закона система является полной.

Чтобы получить новое техническое решение с использованием закона полноты частей системы, используем линию на вытеснение человека из ТС. На первый взгляд система полностью работает автоматически, но абсорбент со временем теряет свои функции, и следовательно его нужно периодически менять, а меняет его конечно же человек.

Новое техническое решение (НТР1): для автоматической смены абсорбента, введем дополнительные элементы - таймер, электроприводы. В таймере установим время отработки абсорбента. При срабатывании таймера, будет идти сигнал на электропривод, который опустит шток 11 и на второй электропривод, который откроет вентиль 10 и вентиль подачи абсорбента в канал 12. Причем сделать так, чтобы электроприводы через определенное время возвращали бы все в исходное положение.

3.2 Закон энергетической и информационной проводимости

Проанализируем систему по закону энергетической проводимости. Начнем построение линии с клапана 2, он открывается (механически) и пропускает газ в пазы 7 и 8 втулки 5, пружина 4 сжимается. Пазы проводят газ к абсорбенту 9 под давлением. В абсорбенте газ химически обрабатывается и попадает в корпус 1, откуда он переходит в канал 12 и на измерительные приборы, под давлением.

Рисунок 2 - Линия сквозного перехода энергии

Очевидно, что не все элементы охвачены этой линией. Остались шток 11 и вентиль 10. НТР 2. Для полного прохода энергии через все элементы замкнем систему обратной связью.

Рисунок 3 - Линия прохождения энергии для НТР 2

Такая система не только осушивает газ, но и автоматически меняет отработанный абсорбент. Как и в НТР1 ставится таймер, только он выдает сигнал на элекропривод который открывает вентиль 10, как только вентиль 10 открылся нажимается концевой выключатель и идет сигнал на эл. привод, который опускает шток 11.

3.3 Закон согласования-рассогласования

Составляющие части технической системы должны быть согласованы или, наоборот, рассогласованы между собой по тем или иным параметрам.

НТР 3. Рассогласуем температуру внутри и за пределами корпуса. Так как мы работаем с газом, а газ вещество взрывоопасное, необходимо чтобы температура внутри корпуса оставалась постоянной и примерно равная комнатной, вне зависимости от изменений температуры окружающей среды. Для этого корпус изготавливается из вещества с плохой теплопроводностью, возможно применение теплоизоляционных материалов как внутри так и снаружи. Для избежания попадания воздуха из вне, вентиль 10 должен быть герметичен, канал 12 так же не должен пропускать воздух, между штоком 11 и корпусом 1 не должно быть промежутков, т.е. они должны плотно прилегать друг к другу. Данное решение можно применять при работе системы в условиях повышенной температуры, не применяя никаких дополнительных устройств и соответственно затрат.

НТР4. Вместо того чтобы изготавливать корпус из теплоизоляционных материалов можно внутри корпуса установить датчик температуры, который будет контролировать температуры и при превышении установленной нормы включать систему охлаждения. Этот вариант требует больших затрат, но более эффективен.

защитный устройство прибор проводимость

3.4 Закон увеличения степени идеальности

В процессе своего развития степень идеальности увеличивается либо за счет увеличения выполняемых системой функций (полезных), либо за счет уменьшения факторов расплаты (либо за счет изменения того и другого одновременно).

Под увеличением степени идеальности в ТРИЗ понимается рост отношения суммы выполняемых системой полезных функций к сумме факторов расплаты :

НТР 5. Заменим газ на воздух, что позволит удешевить систему и увеличить полезные функции выполняемые системой. Система будет выполнять совершенно другую функцию - осушивать помещение. Например, склад с досками, для поддержания досок в сухом виде (чтобы не гнили). Воздух проходя через абсорбент 9, подобно газу будет осушиваться и поступать в канал 12, который выводит этот воздух в помещение. Осушенный воздух будет забирать влагу из помещения, досок, а следовательно снова становиться влажным. Для того чтобы воздух в помещении постоянно был сухим необходимо организовать вентиляцию, которая высасывала бы воздух из помещения и подавала бы его в начало нашей системы, но это уже другая задача.

3.5 Закон неравномерного развития ТС

Для получения новых технических решений перечислим основные количественные признаки имеющегося устройства:

- быстродействие;

- габариты устройства;

- изменение температуры;

- количество составных частей.

Будем улучшать первый признак - увеличивать быстродействие системы, чтобы у системы не было простоев.

При замене отработанного абсорбента, нам приходится перекрывать подачу газа во избежании его попадания в неосушенном виде на измерительные приборы. Возникает техническое противоречие, когда меняем абсорбент на новый, что несомненно улучшает (обновляет) систему, но при этом быстродействие сводится к нулю, т.е. система прекращает свою работу. Разрешим это противоречие с помощью алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ).

Анализ задачи.

Задача. Дана техническая система для осушивания газа, состоящая из самого газа, корпуса 1, обратного клапана 2, установленного в штуцере 3 корпуса, пружины 4, втулки 5 с центральным каналом 6, размещенную в отверстии корпуса 1, пазов 7 и 8, абсорбента 9, сливного вентиля 10, штока 11 и выходного канала 12.

Сформулируем техническое противоречие. Если меняем абсорбент, то система прекращает функционировать, но после замены газ так же хорошо будет осушиваться, если же не меняем абсорбент то газ не будет осушиваться, но система будет постоянно работать.

Выбор конфликтующей пары. В качестве инструмента выберем абсорбент, так как он больше всего подвержен изменению, в качестве изделия - газ (его прохождение).

Графическая схема технического противоречия представлена на рисунке 4. ТП-1 ТП-2

Рисунок 4 - Графическая схема технического противоречия

В качестве главного производственного процесса выберем ТП-2, так как здесь обеспечивается бесперебойная работа системы.

Усиление конфликта. Абсорбент настолько отработался, что не осушивает газ совсем. Необходимо ввести Х-элемент, который бы позволял менять абсорбент, но при этом бы система не останавливала подачу газа.

Анализ ресурсов. Определение оперативной зоны (ОЗ). ОЗ включает в себя клапан, который перекрывает подачу газа и сам газ. Определение оперативного времени (ОВ).

где T1 - время до конфликта, Т2 - время конфликта, Т3 - время после конфликта.

Предварительный анализ вещественно-полевых ресурсов (ВПР) представлен в таблице 1.

Таблица 1 - ВПР системы

Проанализируем приведенную выше таблицу и попробуем найти какие-нибудь решения. Поместим в оперативную зону в оперативное время воздух, воду или песок. Ни один из этих элементов ничего нам не даст, так как просто будет спешиваться с газом, а нам это ни к чему. Поместим в ОЗ в ОВ пустоту. Все останется как и прежде.

Формирование физического противоречия и идеального конечного результата (ИКР)

Предварительный ИКР. Дана техническая система для осушения газа, состоящая из абсорбента и Х-элемент, помещенный в оперативную зону в оперативное время такой, чтобы при смене абсорбента не прекращал работу системы. Усиленный ИКР. Введем в систему Х-элемент, который будет разделять нашу систему на две аналогичные, когда в первой системе будет меняться абсорбент, вторая будет функционировать и наоборот.

Физическое противоречие на макро уровне. Предъявим требования к Х-элементу. Он должен быть плотным и непроницаемым для газа и жидкости, чтобы отработанный абсорбент не смешивался с новым; и в то же время должен быть не плотным, чтобы производить слив, так как сливной вентиль только с одной стороны. Физическое противоречие на микро уровне. В оперативной зоне должны быть тесно связанные частицы, чтобы препятствовать проникновению воздуха и жидкости и слабо связанные чтобы организовывался слив.

Метод маленьких человечков (ММЧ).

Представим структуру стенок корпуса в виде маленьких человечков (рисунок 5).

А Б

Рисунок 5 - Использование метода маленьких человечков

(а - время до конфликта; б - время конфликта).

Если исполнить перегородку из какого-то материала принцип которого показан на рисунке 5, то у нас не выполниться условие того что отработанный и новый абсорбент не должны смешиваться.

НТР 6. Поэтому перегородку оставим плотной, так как система в таком варианте работает бесперебойно. При замене абсорбента в первом отсеке газ начинает подаваться во второй и наоборот. Нам необходимо только организовать дополнительный слив жидкости из второго отсека, для этого просто организуем в его части сливной вентиль аналогичный вентилю 10. На основе НТР2 получим новую систему, которая бесперебойно осушивает газ.

Закон повышения динамичности и управляемости.

В процессе своего развития ТС повышается способность ее к целенаправленным изменениям, обеспечивающим наилучшее приспособление к изменяющейся среде.

Главное проявление этого закона и разрешение противоречий, возникающих при встраивании развивающейся системы в среду ее функционирования, заключается в превращении неизменных прежде параметра, свойства, характеристики, части системы в изменяющиеся согласно нашим требованиям. Тем самым повышается и идеальность системы.

Такое приспособление к изменяющейся внешней среде имеется в полученном ранее решении НТР 4: датчик температуры позволяет вносить поправку в изменение в температуру внутри корпуса.

НТР 7. Целесообразней будет установить ЭВМ, который будет управлять сразу несколькими процессами: автоматический слив отработанного абсорбента, который приведен в моем НТР2, и управление системой охлаждения в корпусе (НТР4), при получении сигналов с датчика температуры. Так же ЭВМ позволит визуально наблюдать за параметрами системы, такими как температура, давление и т.п.

Закон развертывания-свертывания.

Повышение идеальности ТС осуществляется путем развертывания - увеличения количества и качества выполняемых функций, приносящих пользу, но за счет увеличения сложности системы, и свертывания - упрощения системы при сохранении или увеличении количества и качества полезных функций.

Развертывание проявляется в НТР 1, 2, 3, 4 и 6: появляется новая функция - автоматической замены абсорбента поддержание определенной температуры путем добавления в систему датчика температуры, электропривода, таймера. Свертывание проявляется в НТР5, где мы ничего не добавляя в систему получаем совершенно новую функцию - сушка досок. В НТР7 наблюдается свертывание по отношению к НТР2 и НТР4 система управления собирается в единую, а следовательно старые убираются.

Закон перехода на микроуровень и использование полей.

В процессе своего развития ТС дробится на более мелкие части (развертывается) или формируется из более мелких частей в целое (свертывается). При этом для организации мелких частей системы необходимо поле.

НТР 8. Объединим шток 11 и перегородку, приведенную в НТР6, так как шток может выполнять функции перегородки, но только должен плотно прилегать к втулке 5, для того чтобы абсорбенты в двух отсеках не смешивались. Так же шток должен иметь продолговатую форму, чтобы занимать весь объем корпуса 1.

4. Вепольный анализ

Построим вепольную структуру системы и решим задачи на построение и разрушение.

4.1 Задача на построение

Изобразим систему в виде неполного веполя (рисунок 6а). Решение будем искать таким, чтобы оно соответствовало виду на рисунке 6б.

а б

Рисунок 6 - а) неполный веполь; б) полный веполь.

В1 - газ; Пт - тепловое поле. Вредное действие теплового поля на газ - опасность взрыва. Необходимо найти такое вещество В2, которое бы оттягивало на себя это воздействие

Вещества лучше всего искать среди тех, которые уже существуют в модели задачи. Если добавим еще газу, то это вряд ли поможет, хотя и оттянет на себя часть теплоты, немного замедлив процесс нагрева всего газа.

Другое решение - использовать покрытие, которое бы поглощало тепловую энергию, отводя ее от газа.

4.2 Задача на разрушение

Для получения нового технического решения найдем в исходном устройстве вредное действие одного вещества на другое. Разрушим это действие введением третьего вещества.

Рисунок 7 - Разрушение веполя

В1 - воздух, который нагревается и действует на газ В2. Необходимо найти такое вещество В3, которое препятствовало бы передаче тепла от воздуха к газу

Чтобы изолировать рабочий орган от вредного теплового воздействия, стенки корпуса не должны пропускать тепло. Сделаем стенки двойными, а между ними поместим вещество В3, которое препятствует передаче тепла. Это вещество должно быть достаточно плотным.

5. Морфологический анализ

Выделим все элементы исходного устройства и припишем каждому из них по одному или несколько характерных признаков. Полученные данные сведем в таблицу 2.

Таблица 2

Из таблицы получаем 35 вариантов исполнения устройства. Реально имеющихся - 20. Максимальное число возможных изобретений - 18. Рассмотрев все пары, приведем новые возможные технические решения:

- нетеплопроводный корпус;

- гибкий (эластичный) корпус;

- нетеплопроводный шток;

- гибкий шток;

- нетеплопроводный сливной вентиль;

- нетеплопроводное пружинное выходной канал;

Нетеплопроводимость корпуса, штока и остальных частей неоднократно рассматривалась выше в нескольких НТР.

Возможное применение гибкости частей - уменьшение габаритов устройства.

6. Анализ одного из решений при помощи оператора «размеры-время- стоимость».

Рассмотрим устройство, полученное в НТР5 с точки зрения зависимости от размера, времени, стоимости.

Будем уменьшать и увеличивать каждый параметр согласно шкале

1. Размеры.

Уменьшая размер устройства, получаем устройство для сушки малых пространств (коробок). Увеличивая - устройство сушки больших помещений (складов, ангаров и т.д.)

2. Время.

Увеличим время жизни устройства, то есть получим хорошо защищенную систему от всех негативных внешних воздействий, состоящую из прочных материалов. Уменьшим время - получим одноразовое устройство для применения в «критических» условиях (высокие температуры, давление).

3. Стоимость.

При увеличении стоимости получаем многофункциональное устройство, предназначенное для осушения воздуха с минимальными усилиями человека. Уменьшение стоимости приведет к получению системы с минимальным набором компонентов, усилие человека значительно увеличится.

7. Описание учебного изобретения

Устройство содержит корпус 1, обратный клапан 2, установленный в штуцере 3 корпуса, пружину 4, втулку 5 с центральным каналом 6, размещенную в отверстии корпуса 1, на внешней цилиндрической поверхности втулки 5 и ее торце выполнены пазы 7 и 8, корпус 1 частично заполнен абсорбентом 9, а в его нижней части установлен сливной вентиль 10. В верхней части корпуса по оси втулки 5 закреплен взаимодействующий с ней шток 11, выходной канал 12 сообщает внутреннюю полость измерительного прибора с полостью корпуса 1, ЭВМ, на который поступает информация с датчика температуры, установленного в корпусе 1, так же ЭВМ выдает сигналы на электроприводы, которые осуществляют автоматическую перезарядку абсорбента, перегородка совмещенная с штоком 11, располагается в центре корпуса, таким образом делит его на два резервуара.

Заключение

В данной курсовой работе было рассмотрено использование законов развития технических систем в инженерном творчестве. Использование этих законов, вепольный и морфологический анализ позволили легко получить множество новых технических решений для улучшения системы, используя основные законы физики и электротехники. Создание и усиление технических противоречий помогает получить новые изобретения. Законы развития предлагают целенаправленный подход к созданию изобретений. Во многих технических решениях проявляется сразу несколько законов развития, что говорит об их тесной взаимосвязанности и изобретательском уровне получаемых устройств.

Список литературы

1. Бушуев А.Б., Смирнов А.В. Использование законов развития технических систем в инженерном творчестве. Методические указания по выполнению курсовой работы. СПб ГИТМО 1992г., с.28.

2. Бушуев А.Б., Григорьев В.В., Смирнов А.В. Решение изобретательских задач в электротехнике и автоматике. Методические указания, ЛИТМО., 1990г., с.64.

3. Петров В. Базовый курс теории решения изобретательских задач. Тель- Авив 2002г.

4. Конспект лекций Бушуева А. Б.- 2007г.

Размещено на Allbest.ru