基于TRIZ和Pro/Innovator的軸承概念設計創新模式

牛青波，葉軍，王瓊

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

TRIZ是俄文теории решения изобр-етательских задач 的英文音譯Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的縮寫，英文全稱為Theory of the Solution of Inventive Problems(發明問題解決理論)，其是基于知識的、面向人的發明問題解決系統化方法學[1]。該理論是前蘇聯Altshuller G S 及其領導的一批研究人員自1946年開始花費大量人力物力，在研究分析世界各國250萬件專利的基礎上提出的技術創新設計理論，主要目的是研究人類進行發明創新、解決技術問題過程中所遵循的原理和法則。20世紀80年代中期前，該理論對其他國家保密，前蘇聯解體后，隨著一批科學家移居美國等西方國家，逐漸把該理論介紹給世界產品開發領域，其應用效果明顯超過其他革新與創造的理論和方法，在美國和歐洲國家得到企業的廣泛支持與應用[2]，在全球的創新研究中占有重要的一席之地。

Pro/Innovator是TRIZ與計算機軟件技術相融合的新一代計算機輔助創新(Computer-Aided Innovation， CAI)設計工具平臺。下文基于TRIZ和Pro/Innovator探索軸承概念設計的創新求解思路和模式。

1 概念設計

產品設計的過程一般可分為概念設計、具體設計和細節設計3個階段。對于機械產品來說，具體設計和細節設計的工作重點是運用機械設計原理、材料力學、工程圖學等基礎知識完成產品的總裝圖、零件裝配圖、零件圖及有關的設計計算，這些通常認為是產品設計中的常規產品設計。概念設計則是產品策劃的設計，是構思和選擇產品工作原理的階段，也是產品設計的關鍵階段和產品創新的核心，很大程度上決定產品的性能、創造性、成本、市場競爭力和生產效率等。據統計，產品設計成本的70%以上在概念設計階段確定[3]。

概念設計的過程是一個發散思維和創新設計的過程，包括方案構思和方案設計與驗證，其中方案構思是創新設計研究的重點。文獻[4]是TRIZ應用于產品概念設計的專題研究，表明TRIZ不僅適用于工程中新產品的概念創新，也適用于產品的優化改進設計。

2 TRIZ體系及其解決問題的模型

TRIZ是由解決技術問題和實現創新開發的各種方法、算法組成的綜合理論體系，其主要內容包括TRIZ創新解決方法(包括九屏幕法、小人法、金魚法、IFR法、STC算子等)、技術系統進化法則(包括S技術進化曲線、完備性法則、能量傳遞法則、協調性法則、動態性法則、子系統不均衡進化法則等)、矛盾矩陣(40個創新原理)、物質場分析(利用76個標準解)、發明問題解決算法(ARIZ)及工程效應知識庫等。TRIZ體系如圖1所示。

圖1 TRIZ體系

根據TRIZ體系，當無法直接找到問題的解決方案時，可建立TRIZ問題模型，然后利用TRIZ體系中的理論和工具方法獲得TRIZ的解決方案模型，從而解決問題。TRIZ解決問題流程如圖2所示。TRIZ體系具體分析工具及方法過程如圖3所示。TRIZ常要解決工程問題中存在的技術矛盾，即在改善系統中某一參數時，常會引起系統中另一參數的惡化，解決技術矛盾的傳統方法是尋求“中間解”，每一個參數都不能達到最佳值，而TRIZ則是通過獨特求解工具和方法消除矛盾，獲得創新性解決方案。

圖2 TRIZ解決問題流程

圖3 TRIZ體系具體分析工具及方法過程

圖2中的矛盾矩陣將39個通用工程參數作為縱橫坐標，與40個創新原理整合在一張坐標圖上形成矩陣，該矩陣建立起技術矛盾與創新原理間的對應關系。TRIZ中39個通用工程參數見表1，40個創新原理見表2，簡略的TRIZ矛盾矩陣見表3。

表1 TRIZ中39個通用工程參數

表2 TRIZ中40個創新原理

表3 TRIZ矛盾矩陣

3 Pro/Innovator平臺

Pro/Innovator平臺是TRIZ研究成果的一種具體化表現。借助Pro/Innovator強大的綜合分析工具、自帶的世界優秀專利庫和可自行創建的方案庫，技術開發人員可打破思維定勢、拓寬思路，快速得到可操作的高效解決方案。利用Pro/Innovator平臺進行創新設計時，創建要解決問題的系統分析模塊非常重要。通過建立問題功能模型全面描述問題的系統，明確系統中各部件的功能。系統分析模塊提供組件價值分析和流分析。組件價值分析應用價值工程理論和價值分析方法[3]找出系統中最關鍵的環節，也就是解決問題的方向，通過計算每個系統組件的理想度指數來分析整個技術系統的理想度；流分析可得到比組件價值分析更客觀的結果，其構建組件間相互作用鏈的結構和目的，描述系統內組件間的能量流和信息流。

4 軸承工程實例

4.1 問題描述

極限轉速是軸承正常運轉時所能達到的最高轉速，是軸承的一個重要性能指標，幾乎所有軸承制造商都將其列入通用軸承樣本中。軸承用戶也把極限轉速作為選擇軸承時確定速度參數的一個重要依據。近年來，隨著主機高速化的要求，軸承工作轉速越來越接近極限轉速，由于摩擦發熱和潤滑介質性能降低，易出現早期失效，所以提高極限轉速、改善潤滑性能成為非常重要的課題。

4.2 系統分析

隨著數控機床轉速的提升，機床配套主軸軸承或電主軸配套軸承在高速環境中由于摩擦發熱和潤滑系統作用不足，易出現剛度降低、精度喪失甚至失效等現象。在系統建模時，分析系統中所有組件，畫出組件間的作用關系，利用Pro/Innovator平臺的流分析功能構建的高速主軸軸承功能模型及組件系統分析圖如圖4所示，并生成“How to”問題模型以便逐一解決技術問題。

圖4 高速主軸軸承功能模型及組件系統分析

系統分析生成的“How to” 問題模型列表有：

How to prevent 生熱 of 內圈?

How to prevent 離心力擠壓 of 外圈?

How to prevent 生熱 of 保持架?

How to prevent 潤滑不足失效 of 內圈?

How to prevent 潤滑不足失效 of 外圈?

How to prevent 內圈膨脹擠壓 of 滾動體?

以上提出當前系統中要解決的問題，組件價值分析中理想度診斷分析可確定系統的關鍵環節，并從眾多“How to”問題列表中找出解決系統問題的突破口。組件價值理想度診斷分析如圖5所示。

由圖5可知，內圈在A與B區之間，改進的策略是降低生命周期成本；保持架在C區縱軸上，改進的策略是提高功能性；滾動體在C與D區之間，由于滾動體不可缺少，所以也應提高功能性；潤滑油(脂)在D區，但由于潤滑系統在軸承中具有重要位置，按照組件價值分析，其在簡化之列，應首先改進。

圖5 組件價值理想度診斷分析

4.3 方案生成

Pro/Innovator平臺向技術人員提供獨有的基于本體論的創新方案知識庫，利用系統分析中的“How to”問題模型，技術人員可迅速掌握知識庫中有效解決同一類技術問題的不同方案，為快速獲得本領域中的創新技術方案奠定基礎。Pro/Innovator平臺通過知識庫解決“How to”問題模型截圖如圖6所示。Pro/Innovator平臺通過知識庫查找解決“How to”問題模型的技術方案見表4。同時還可采用TRIZ矛盾矩陣，使用技術矛盾和物理矛盾分析有規可循地解決技術問題。

表4 Pro/Innovator平臺通過知識庫查找解決“How to”問題模型的技術方案

圖6 Pro/Innovator平臺通過知識庫解決“How to”問題模型截圖

定義技術矛盾的2個參數：根據問題描述，希望改善軸承極限轉速——速度參數(9)，降低軸承系統溫度，而軸承轉速改善的后果是軸承系統溫度升高，導致軸承壽命可靠性變差，惡化可靠性參數(27)。由表3找出適用的創新原理：第11，35，27，28條。

創新原理本身較抽象，只是給技術設計人員指出思考問題的方向，只有與具體的技術問題相結合后才具有實際意義。結合該工程實例，對以上創新原理一一進行分析。

第11條：預先防范原理。該原理采用事先準備好的應急措施補償物體相對較低的可靠性，結合“How to”問題模型和組件價值分析解決問題，為了減小滾動體與滾道表面的摩擦，降低軸承系統溫升，預先在套圈滾道表面增加涂層。

第35條：物理或化學參數改變原理。該原理在于改變系統組件中的物理或化學參數，結合“How to”問題模型和組件價值分析，改變潤滑油(脂)參數，提高潤滑介質性能。

第27條：廉價替代品原理。該原理用若干便宜的物體代替昂貴的物體，同時降低某些質量要求，對解決該技術問題貢獻度不大。

第28條：機械系統替代原理。該原理主要是更換系統組件中的系統，改善系統性能，在解決該技術問題時，結合“How to”問題模型和組件價值分析，滾動體或套圈更換成線膨脹系數小的陶瓷和不銹鋼等。

當然，不同的技術人員會根據自身經驗從不同角度考慮和應用創新理論。

根據以上應用，結合系統分析中的參考技術方案，遵循TRIZ技術進化法則S曲線，為提高軸承極限轉速，可得出以下概念設計方案：

(1)為減小高速軸承滾動體離心力對外圈的擠壓，使用小尺寸滾動體，減小滾動體質量；

(2)在高轉速下，由于離心力導致內圈膨脹，在設計中采用線膨脹系數較小的材料，如陶瓷和不銹鋼等；

(3)為增加系統潤滑性能，保持架選用自潤滑材料，也可改善潤滑油性能，增加制冷物質；

(4)從軸承潤滑系統看出，最理想的技術系統法則是“功能齊全、結構消失”，簡化軸承潤滑系統，從微觀改進軸承潤滑結構或系統，如增加軸承滾道表面涂層、改善潤滑介質等，實現自潤滑功能。

5 結束語

我國制造業技術創新能力不足，關鍵是缺乏產品概念設計創新能力。基于TRIZ的CAI技術的研究和應用符合我國制造業技術發展需求，具有廣闊的應用前景。應用TRIZ給出軸承創新設計(主要是概念設計)的求解思路和模式，有助技術人員掌握解決問題的方向，有效提高技術創新能力。