TRIZ理論在優化膜片聯軸器設計中的應用

TRIZ理論內涵

發明問題解決理論TRIZ(Theory of InventiveProblem Solving，TRIZ)是在分析世界各國專利的基礎上提出的一種創新問題解決理論，由解決技術問題和實現創新開發的各種方法、工具和算法組成。TRIZ的問題模型共有四種形式：技術矛盾，物理矛盾，物質—場問題，知識使能問題。近年來，許多世界級公司如福特、摩托羅拉等也開始應用TRIZ進行產品創新，TRIZ目前已成為解決創新性問題最有力的方法之一。該法具有工序集中，降低生產成本，減少加工時間和搬運次數，增加單位時間工件數量，提高工作效率等優點。

基于TRIZ理論的膜片組結構設計

TRIZ的工具也有四種：矛盾矩陣、分離原理、知識與效應庫和標準解法系統。技術矛盾指當技術系統的某—個特性或參數得到改善的同時，導致另—個特性或參數發生惡化而產生的矛盾。TRIZ理論將導致技術矛盾的因素總結成39個通用工程參數，建立了矛盾矩陣表，提供了40個解決技術矛盾的刨新原理。把實際問題轉化為技術矛盾之后，利用矛盾矩陣，可以得到推薦的解決所定義的技術矛盾的刨新原理。以這些創新原理作為依據，根據總結歸納的類似問題的類似的標準解決方法，將這些類似的標準解決方法，應用到實際問題之中，就容易找到針對實際問題的一些可行方案。如表1所示，為矛盾矩陣(部分)，它將39個工程參數與40條發明原理建立了對應關系，很好的解決了設計過程中選擇發明原理的難題。矩陣中行描述的工程參數為沖突中惡化的—方，列則表示改善的—方，行列交叉出的數字為解決此矛盾所推薦的原理序號。

根據膜片聯軸器的結構及膜片實際損壞情況，確定改進參數為強度，惡化參數為應力或壓力。由于膜片組件的損壞主要出現在膜片鉸接點附近，本文僅選用局部質量原理來設計與分析膜片組的構成。

局部質量原理具有以下含義：(1)將物體、環境或外部作用的均勻結構變為不均勻的;(2)讓物體的不同部分各具不同的功能;(3)讓物體的各部分處于執行各自功能的最佳狀態。由此可以看出局部質量原理解決問題的途徑有3個，采用“將物體、環境或外部作用的均勻結構變為不均勻的”方式，設計出了如圖1所示的膜片組結構。

強度分析

膜片是膜片聯軸器的主要部件。數片膜片疊加組裝在一起，傳遞扭矩時允許傳動軸有一定的軸向、角度位移，能補償動力機械和工作機械的安裝誤差，提高機組工作的可靠性。

用厚度為1mm的5片膜片和2片補片組成膜片組。對膜片組施加軸向位移lmm，載荷400N.m。膜片及補片材料為AISl304，材料密度p=8000 kg/m3，楊氏模量E=198 GPa，泊松比u=0.29，屈服強度€%l=206MPa。用SolidWorks軟件構建膜片組幾何模型，用集成于SolidWorks軟件中的CosmosWorks分析膜片組的von Mises應力及疲勞強度。

基于最大von Mises應力準則進行的應力分析。最后得出結論：⑴最大應力出現在膜片上鉸接點附近;⑵增加補片的膜片組，應力幅值明顯小于傳統結構膜片組;⑶補片能夠起到減小局部(膜片鉸接點附近)應力值作用。

膜片聯軸器作為動力機械和工作機械之間的連接設備，工作條件復雜多變。當動力機桶或工作機械存在安裝誤差，或者動力機械、工作機械工作時存在震動，會使膜片組產生軸向、角度位移，產生附加應力。隨著動力機械和工作機械反復啟動、正反轉，膜片聯軸器承受著交變應力作用，膜片損壞形式為疲勞破壞。以前面的vonMises應力分析為基礎，分析膜片的疲勞狀態，模擬工況條件為聯軸器處于經常反復啟動、正反轉頻繁狀態。分析結果可以看出帶補片的膜片組結構的安全性能明顯高于不帶補片的膜片組結構，說明帶補片膜片組的抗疲勞能力遠高于不帶補片的膜片組，補片起到了一定的抵抗疲勞破壞的作用。

考慮到異形補片制作、安裝，以及運轉過程中可能存在某些問題，故此，可以用圓形補片代替異形補片。圓形補片基本能夠起到與異形補片一樣的作用。

利用TRIZ原理，分析膜片聯軸器存在的技術矛盾，利用矛盾矩陣，并結合膜片的工況，選用局部質量原理，設計出帶補片的膜片聯軸器新結構。利用SilodWorks軟件建模，利用CosmsoWorks軟件對帶補片的膜片組和傳統膜片組機構進行分析，通過比較分析，得出以下結論：(1)在膜片數量相同的情況下，增加補片，膜片組的抗疲勞性能明顯提高;(2)在膜片數量相同的情況下，增加補片，有效地降低了膜片組中應力大小;(3)最大應力集中在膜片上孔邊緣附近，其它地方較安全。可以根據需要，適當地增加補片數量，或改變補片形狀，以設計出結構簡單、受力合理、使用壽命長的膜片組件。

（作者單位：長江大學機械工程學院）