基于TRIZ 理論的1500 ℃拉伸試驗變形測量裝置優化*

◆張曉明 孫琳琳 高赫 王亞洲 何金光

作者：張曉明，吉林省科技創新平臺管理中心助理研究員，研究方向為創新思維及創新技法、管理科學與工程；孫琳琳，通信作者，吉林大學機械學院工業工程系講師，博士研究生，研究方向為創新思維及創新技法、人類工效學（130012）；高赫，吉林省科技創新平臺管理中心（132000）；王亞洲，長春機械科學研究院（130103）；何金光，長春富維—江森自控汽車飾件系統有限公司（130000）。

1 引言

高溫下使用的結構材料，其力學性能需要在實際使用溫度下測定，而且需要專門的測試設備。高溫拉伸試驗同其他高溫力學性能測試一樣，必須根據試樣尺寸和試驗要求設計某種特定結構型式的加熱裝置。國內外對材料的高溫試驗，都給予極大的重視。

國內外高溫拉伸試驗裝置發展概況尖端科學技術的飛速發展，對難熔金屬和金屬陶瓷材料的使用日益迫切。目前，國外高溫加熱裝置的最高工作溫度：電阻幅射加熱爐是3000 ℃和3200 ℃，直接通電加熱是4000 ℃左右。裝置的加熱方式，有直接通電加熱、電阻幅射加熱、高頻感應輻射加熱和電子束輻射加熱等，裝置的結構多數為圓筒式。溫度控制多采用調壓器穩壓辦法。我國的加熱裝置，從種類和數量上看，是極其有限的，試驗條件簡單（真空或充氣） ，特別是高溫變形測量與國外有較大差距。近年來，國內某些科研單位結合TRIZ 的相關理論，已經著手建立了1500 ℃的力學、物理性能測試方法。

TRIZ 理論TRIZ 的意思是“theory of inventive problem solving”。該理論是由蘇聯發明家Altshuller 和他的同事們在研究了大量的發明專利后，于1946年提出的，為發明問題的解決理論。它使新產品從開發過程到上市時間縮短50%，提升60%～70%的新產品開發效率，增加80%～100%的專利數量并提高專利的質量。

本文結合TRIZ 理論中的組件分析法、因果分析法、物理分析法、矛盾沖突分析法等相關知識，對1500 ℃高溫拉伸試驗裝置做了更深一步的改進。

2 基于TRIZ 理論中組件分析法的1500 ℃高溫拉伸試驗裝置優化方案

圖1 為1500 ℃高溫拉伸試驗系統，其工作原理是金屬試樣固定在夾具上，在開口的金屬爐體內通過鎢絲迅速加熱至1500 ℃，測量傳感器則通過引申桿對金屬試樣的變形進行測量，并進一步計算出金屬試樣的力—變形曲線。

問題描述

問題一：測量試驗溫度要達到1500 ℃，而傳感器的使用溫度只能承受200 ℃，所以要用引申桿將傳感器放置在距離金屬試樣很遠的地方，這樣降低了傳感器的測量精度。

問題二：由于引申桿需要穿過爐體進行工作，因此在爐體需要開口，而開口降低了鎢絲的升溫速度，并且溫度無法保持恒溫。

設定目標對以上兩個出現的問題設定改進目標，分解為可實施的三部分：1）實現對金屬試樣的快速升溫（1500℃）；2）保持試樣恒溫區域的溫度；3）解決試樣軸向變形的精確測量。

對新系統的要求：1）達到系統要求的技術指標；2）盡量不增加系統的復雜性；3）有效控制成本和加工難度；4）控制系統的體積和對外界影響。

基于以上分析，設定技術系統的IFR 為：爐體自主保持恒溫區域的溫度，引申桿帶動測量儀器能夠自主完成高精度的測量。

3 基于TRIZ 理論中40 個發明原理的1500 ℃高溫拉伸試驗裝置優化方案

在詳細了解了系統中組件的相互關系之后，找到影響高溫拉伸試驗裝置的主要因素有：1）由于爐體開口導致的鎢絲冷卻；2）傳感器溫度過高影響測量精度；3）引申桿阻隔傳感器，導致測量精度不準確。

對此提出問題求解及具體的解決方案。

1）從“鎢絲易冷卻”入手解決問題。通過查找矛盾矩陣，得到方案一：運用機械系統替代原理，即利用其他加熱方式代替熱輻射加熱，可以解決矛盾問題。由于試樣是金屬的，因此考慮采用電磁加熱的模式。

通過查找相應的矛盾矩陣，得到方案二：運用未達到或過度的作用原理，即改變加熱鎢絲的形狀，將原來相同密度的鎢絲變為恒溫區域密度較大、隔熱區域密度較小的結構，提高恒溫區域的升溫能力，同時較少地消耗了能量，也有利于溫度的穩定和保持。

2）從“傳感器溫度過高”入手解決問題。通過查找矛盾矩陣得到方案三：運用預先作用原理，即在兩個引申桿上分別加一個擋片，擋片隨著引申桿運動，擋住從爐身沖出的熱量，既降低了熱量擴散，又變相降低了熱浪對傳感器沖擊，也不會影響引申桿的運動。

通過查找矛盾矩陣得到方案四：運用中介物質原理，即引入超系統的“水”，利用水冷結構，降低傳感器溫度，在傳感器殼體、測量臂、應變體等位置進行水循環，可有效降低傳感器溫度，長時間保持傳感器正常運轉。

3）從引申桿阻隔傳感器入手解決問題。通過查找2003年最新版本的矛盾矩陣表和采用系統分離法，得到方案五：金屬存在電阻，當有電流通過時會產生熱量而升溫，利用通電加熱直接加熱試樣技術取代熱輻射方式。

通過之前的功能分析，形成方案六：在每個引申桿上都安裝金屬螺旋機構，螺旋小的一面固定在引申桿上，大的一面固定在金屬殼體上，螺旋結構讓引申桿自由活動，又可以擋住熱量散失。

4 方案選擇

通過TRIZ 理論得到以上六個方案，之后應用方案評價模型，從可操作性、有用作用、成本和有害作用四個方面來對以上六個方案進行分析。最后得出優先考慮高溫拉伸裝置的復雜度，其次考慮高溫拉伸裝置的可靠性。通過進一步的實驗研究，這三項方案現均已應用于現實高溫拉伸試驗裝置中，并已獲得專利：

方案一：將爐體開口取消，采用無開口下引出式高溫試驗裝備

方案二：根據擋板隔熱啟示，采用上下加移動擋板保持溫度恒定的隔熱高溫試驗裝備

方案三：從降低傳感器溫度的角度出發，采用外置水冷系統高溫試驗裝備

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