基于TRIZ理論的雙螺旋軸阻力加載設(shè)計(jì)

張新洋

（濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院 工學(xué)院，山東 蓬萊 265600）

基于TRIZ理論的雙螺旋軸阻力加載設(shè)計(jì)

張新洋

（濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院 工學(xué)院，山東 蓬萊 265600）

本文圍繞阻力加載這一主題，系統(tǒng)地分析了雙螺旋軸阻力加載系統(tǒng)中的技術(shù)沖突，然后運(yùn)用TRIZ理論提供的問(wèn)題分析與解題工具，創(chuàng)造性地提出電磁阻尼效應(yīng)加載阻力。本文設(shè)計(jì)的阻力加載裝置，對(duì)于其他領(lǐng)域的阻力加載具有一定的借鑒意義，同時(shí)對(duì)于運(yùn)用TRIZ理論解決機(jī)械工程實(shí)際問(wèn)題起到一定的參考作用。

TRIZ理論；螺旋軸；阻力加載

螺旋軸是一種常見(jiàn)的傳動(dòng)部件，廣泛應(yīng)用在缽苗移栽機(jī)的移箱機(jī)構(gòu)和送苗裝置中。其工作時(shí)，通常受到來(lái)自外載荷的橫向正應(yīng)力和縱向剪應(yīng)力以及環(huán)向扭矩，它是磨損比較嚴(yán)重的部位。研究螺旋軸的受力分布及磨損規(guī)律是提高其使用壽命的重要途徑。在試驗(yàn)階段，為了更真實(shí)地模擬螺旋軸的工作情況，需要給其加載一定大小的工作阻力。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于阻力加載裝置的研究，常規(guī)手段是利用慣性飛輪或摩擦產(chǎn)生的阻力矩，利用液壓原理以及電液比例閥加載也有人開(kāi)始著手研究。另外，由于雙螺旋軸結(jié)構(gòu)的特殊性及運(yùn)動(dòng)的雙向性，使用常規(guī)阻力加載會(huì)使加載裝置結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。因此，設(shè)計(jì)一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合雙螺旋軸工作特點(diǎn)的阻力加載裝置很有實(shí)際意義。

1 雙螺旋軸阻力加載現(xiàn)有問(wèn)題分析

螺旋軸組件受到軸向和徑向應(yīng)力，磨損比較嚴(yán)重。為研究其磨損規(guī)律，需建立螺旋軸組件磨損試驗(yàn)臺(tái)；而試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)是如何給軸上滑塊加載一個(gè)大小恒定、方向周期性變化的持續(xù)軸向阻力，以真實(shí)地反映雙螺旋軸實(shí)際工作狀態(tài)。

圖1 螺旋軸組件受力分析圖

下圖1為螺旋軸組件主要受力分布圖。如圖1所示，左側(cè)視圖描述雙螺旋軸在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下一直作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)螺旋軸驅(qū)動(dòng)軸上的滑塊向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑塊位于滑槽中的部位左側(cè)受到摩擦力，同時(shí)螺旋軸與滑塊接觸的其他部位也受到摩擦力，尤其是滑槽側(cè)壁；反之，滑塊向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑塊位于滑槽中的部位右側(cè)受到摩擦力。滑塊與滑槽側(cè)壁間的摩擦力的水平分量與加載在滑塊運(yùn)動(dòng)反方向的阻力使滑塊處于平衡狀態(tài)。螺旋軸與滑塊在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到外載阻力的磨損。

2 TRIZ分析工具與常用問(wèn)題解決工具應(yīng)用

針對(duì)以上阻力加載存在的問(wèn)題，本文沿著技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化方向，以最終理想解為目標(biāo)，首先利用TRIZ理論的基本概念將現(xiàn)有問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)化，然后采用TRIZ提供的豐富分析工具，如：系統(tǒng)分析、資源分析、物－場(chǎng)分析以及矛盾分析等，分析現(xiàn)有阻力加載裝置的可利用資源、可引用資源以及存在的技術(shù)沖突等，再針對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題模型分別采用標(biāo)準(zhǔn)解、科學(xué)效應(yīng)知識(shí)庫(kù)和發(fā)明原理等問(wèn)題求解工具，得到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)解，最后應(yīng)用該阻力加載的實(shí)際解決方案。

2.1 系統(tǒng)分析

TRIZ理論認(rèn)為，任何系統(tǒng)都是為實(shí)現(xiàn)功能而建立，履行功能而存在。技術(shù)系統(tǒng)的最低配置，即一個(gè)完備的技術(shù)系統(tǒng)必須包括動(dòng)力裝置、傳輸裝置、執(zhí)行裝置和控制裝置四個(gè)部分，缺一不可［1］。這就是TRIZ提供的八大進(jìn)化法則之一的完備性法則。

根據(jù)技術(shù)系統(tǒng)的完備性法則分析目前試驗(yàn)臺(tái)裝置可得：以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力裝置，通過(guò)傳動(dòng)裝置螺旋軸及滑塊，電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)為整個(gè)系統(tǒng)的控制裝置。如果以滑塊的正壓力來(lái)提供整個(gè)系統(tǒng)的摩擦阻力顯然達(dá)不到阻力加載效果，因此目前阻力加載系統(tǒng)缺少執(zhí)行裝置。故完善執(zhí)行裝置是本系統(tǒng)進(jìn)化的方向，本研究將設(shè)計(jì)兩種方案給雙螺旋軸加載阻力。

為了進(jìn)一步地理解系統(tǒng)，分析系統(tǒng)的問(wèn)題本質(zhì)，設(shè)計(jì)者通常要從功能的角度分析系統(tǒng)。功能分析的目的是優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)功能并減少實(shí)現(xiàn)功能的消耗，使技術(shù)系統(tǒng)以很小的代價(jià)獲得更大的價(jià)值，從而提高系統(tǒng)的理想度［2］。經(jīng)分析，該阻力加載系統(tǒng)的基本功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為來(lái)回往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)；有用功能為螺旋軸支撐滑塊左右水平運(yùn)動(dòng)；系統(tǒng)的問(wèn)題功能為滑塊的單側(cè)變換阻力加載。

另外，該系統(tǒng)表面上是給軸上的滑塊施加阻力，實(shí)質(zhì)上可衍生出實(shí)現(xiàn)控制物體位移的功能。根據(jù)TRIZ提供的How To模型與科學(xué)效應(yīng)知識(shí)庫(kù)分析知，設(shè)計(jì)者可以考慮采用慣性力或安培力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸上的滑塊位移的控制。

2.2 理想化目標(biāo)分析

最終理想解（IFR）指明了系統(tǒng)進(jìn)化的最終方向。它有助于設(shè)計(jì)者克服思維障礙，避開(kāi)慣性思維。要實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的最終理想解需要?jiǎng)?chuàng)造者充分挖掘系統(tǒng)資源。經(jīng)分析，本阻力加載系統(tǒng)的最終理想解——當(dāng)滑塊水平向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，它到向左的阻力；反之，受到向右的阻力。

2.3 資源分析

善于利用系統(tǒng)中的物質(zhì)資源是高水平發(fā)明家的標(biāo)志。九屏圖就是一種從時(shí)間、空間多維角度分析和查找解決問(wèn)題所用資源的有效途徑。經(jīng)分析，該阻力加載系統(tǒng)九屏圖如圖2所示：

圖2 雙螺旋軸阻力加載的九屏圖

經(jīng)分析，利用子系統(tǒng)的資源可得到的解決方案有：改變滑塊結(jié)構(gòu)，使它變成旋轉(zhuǎn)可動(dòng)，利用滑塊可動(dòng)部分的慣性力改變滑塊的受力方向。

從當(dāng)前系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的角度，可得到的解決方案有：利用滑動(dòng)摩擦力的方向總是與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向相反的特點(diǎn)，給滑塊施加阻力或利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的電磁阻尼阻礙滑塊與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。相比而言，這類方案較優(yōu)，為解決滑塊的單側(cè)阻力加載提供了新思路。

技術(shù)系統(tǒng)問(wèn)題的解決離不開(kāi)當(dāng)前系統(tǒng)的資源。資源包含系統(tǒng)內(nèi)部資源和外部可引用資源，其中系統(tǒng)內(nèi)部資源又包括現(xiàn)有資源、派生資源。經(jīng)分析，該阻力加載系統(tǒng)的資源如下表1所示：

表1 系統(tǒng)資源分布

2.4 物－場(chǎng)分析與標(biāo)準(zhǔn)解的綜合應(yīng)用

TRIZ理論認(rèn)為，任何功能的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)至少2種物質(zhì)和1種場(chǎng)。其中物質(zhì)S1為被作用對(duì)象，物質(zhì)S2為“工具”，即作用的施予者；場(chǎng)為維系兩種物質(zhì)的“能量”、“力”。本文先分析當(dāng)前阻力加載系統(tǒng)所涉及的物質(zhì)和場(chǎng)元素，然后判斷現(xiàn)有模型存在的問(wèn)題，再根據(jù)物－場(chǎng)分析的一般解法［3］（見(jiàn)表2）及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解建立有效作用的物－場(chǎng)模型。

表2 物－場(chǎng)分析的一般解法

其具體解法如下：

2.4.1 識(shí)別元件

功能＝單側(cè)變換加載；

螺旋軸＝S1，滑塊＝S2，能量＝F。

要實(shí)現(xiàn)螺旋軸滑塊組件單側(cè)變換加載功能，原有系統(tǒng)中滑塊不足以給螺旋軸加載一定量的阻力，該系統(tǒng)的工具對(duì)作用對(duì)象作用效應(yīng)不足。

物－場(chǎng)分析：需要給滑塊施加足夠的阻力，原系統(tǒng)雖然是一個(gè)結(jié)構(gòu)完整系統(tǒng)，但功能不完整，滑塊與螺旋軸之間的“場(chǎng)”的作用不足。

2.4.2 構(gòu)造模型

利用物質(zhì)－場(chǎng)分析和76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解中第2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解或表2中提供的一般解法5，引入移動(dòng)托盤(pán)物質(zhì)S2和機(jī)械能場(chǎng)F1或引入金屬框S2和磁場(chǎng)F2可實(shí)現(xiàn)螺旋軸滑塊單側(cè)變換加載。對(duì)于機(jī)械場(chǎng)模型，本文引入新物質(zhì)S3—移動(dòng)托盤(pán)，對(duì)于磁場(chǎng)模型，本文引入另一物質(zhì)S3—導(dǎo)體棒。其原有及兩次改進(jìn)后的物－場(chǎng)模型表示如下圖3所示：

圖3 應(yīng)用解法5前后的物－場(chǎng)模型

2.4.3 標(biāo)準(zhǔn)解的具體應(yīng)用

對(duì)于引入的機(jī)械場(chǎng)模型，設(shè)計(jì)阻力加載裝置簡(jiǎn)圖如圖4所示，移動(dòng)托盤(pán)與滑塊通過(guò)套筒連接和導(dǎo)軌構(gòu)成摩擦副。通過(guò)托盤(pán)與導(dǎo)軌的滑動(dòng)摩擦力來(lái)給滑塊加載阻力；為了阻力加載的需要，移動(dòng)托盤(pán)可以增減重物砝碼。

設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)：斜置移動(dòng)托盤(pán)質(zhì)量m，導(dǎo)軌兩端沖擊力F，螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f約為2Hz，雙螺旋軸的導(dǎo)程l選為268mm。滑塊水平移動(dòng)速率v大約為0.04m/s，通過(guò)試驗(yàn)可以測(cè)試質(zhì)量m與沖擊力F之間的關(guān)系。沖擊力F過(guò)大會(huì)引起運(yùn)動(dòng)副工作的穩(wěn)定性。

圖4 機(jī)械場(chǎng)阻力加載裝置簡(jiǎn)圖

雖然上述方案可以實(shí)現(xiàn)螺旋軸－滑塊組件的單側(cè)變換加載，然而，摩擦力場(chǎng)并非是一個(gè)容易控制的場(chǎng)，且摩擦力帶來(lái)物質(zhì)損耗和能量損失。根據(jù)TRIZ理論提供的八大進(jìn)化法則之一的向微觀級(jí)和場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)化法則的提示。場(chǎng)應(yīng)用可按以下路徑進(jìn)化：重力場(chǎng)→機(jī)械場(chǎng)→電場(chǎng)或磁場(chǎng)→輻射場(chǎng)。本文考慮更高效、作用力更強(qiáng)和便于控制的磁場(chǎng)來(lái)給滑塊加載阻力。

該方案引入了另一種新物質(zhì)－導(dǎo)體棒，將導(dǎo)體棒與滑塊上的軸套固定，將導(dǎo)軌的一端連接與導(dǎo)體棒構(gòu)成一個(gè)閉合回路。亥姆霍茲線圈（如圖5）置于導(dǎo)軌平面上下，使導(dǎo)軌平面區(qū)域產(chǎn)生均勻近似恒定的磁場(chǎng)。當(dāng)導(dǎo)體棒切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖6所示，其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，與此同時(shí)，導(dǎo)體棒受到一個(gè)與其運(yùn)動(dòng)方向相反的安培阻力，這樣也可實(shí)現(xiàn)螺旋軸－滑塊組件的單側(cè)變換加載。

圖5 亥姆霍茲線圈模型圖

圖6 導(dǎo)體棒在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)示意圖

亥姆霍茲線圈是一對(duì)密繞、N匝、同軸截流圓繞圈。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

線圈內(nèi)徑r1=40cm，外徑r2=44cm，寬度3cm，兩線圈間距R=20cm，匝數(shù)N＝300，施加均勻電流密度20 000A/m2，真空中的磁導(dǎo)率u0＝4π·10-7N/A2，空氣中的磁導(dǎo)率可近似為u0。其中兩線圈中間點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

經(jīng)計(jì)算，線圈中間部分（x?6～6cm）磁場(chǎng)分布比較均勻，磁場(chǎng)強(qiáng)度在0.18～0.2T之間［4］。

本裝置中導(dǎo)體棒受到的安培阻力計(jì)算公式如下：

其中l(wèi)為導(dǎo)軌寬度，S為導(dǎo)體棒的截面面積，R0為導(dǎo)體棒的電阻，P為導(dǎo)體棒室溫時(shí)的電阻率，v為導(dǎo)體棒的移動(dòng)速率，忽略導(dǎo)軌的電阻，綜合考慮導(dǎo)體棒的材料的力學(xué)性能和電阻率，本文選用鋁合金棒，代號(hào)6A02，狀態(tài)T6，電阻率，S為0.01πm2。

導(dǎo)軌寬度選為0.35m，將數(shù)據(jù)代入公式（2），經(jīng)計(jì)算，在磁場(chǎng)公布均勻區(qū)域得到的安培阻力約為439.6N。

2.5 技術(shù)矛盾與發(fā)明原理應(yīng)用

由于螺旋軸轉(zhuǎn)速越大，克服的慣性力越大，軸受到的阻力也越大，但滑塊的方向轉(zhuǎn)變也變得困難，產(chǎn)生對(duì)軸的沖擊力越大。

本文利用矛盾矩陣和40條發(fā)明原理解決運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量（托盤(pán)或?qū)w棒）和沖擊力之間的技術(shù)沖突；利用第10條預(yù)操作原理和第18條振動(dòng)發(fā)明原理在導(dǎo)軌兩端焊接擋板并加彈簧，解決了移動(dòng)托盤(pán)質(zhì)量大帶來(lái)的慣性力（或安培阻力）和沖擊力的弊端。具體解決方法如下：

定義技術(shù)矛盾：為了給滑塊施加一定的阻力，移動(dòng)托盤(pán)質(zhì)量必須足夠大，而大質(zhì)量的移動(dòng)托盤(pán)必然帶來(lái)大的慣性力，給滑塊在兩端的移動(dòng)變換帶來(lái)麻煩。如果在導(dǎo)軌兩側(cè)加擋板，又會(huì)給擋板帶來(lái)大的沖擊力。于是構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量和力之間的技術(shù)矛盾。如下表3

表3 矛盾矩陣簡(jiǎn)表

本文采用發(fā)明原理10（預(yù)操作）和發(fā)明原理18（振動(dòng)），在導(dǎo)軌兩端焊接擋板并加彈簧。

3 結(jié)論

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：引入系統(tǒng)外摩擦力和電磁阻尼實(shí)現(xiàn)摩擦副的阻力單向變換加載。解決的關(guān)鍵技術(shù)：克服了試驗(yàn)臺(tái)的螺旋軸阻力加載不足和加載過(guò)大產(chǎn)生的副作用以及阻力加載的單向性。

本設(shè)計(jì)參照TRIZ理論問(wèn)題解決一般流程，先對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析、理想化目標(biāo)分析和資源分析，得到問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)模型，然后采用相應(yīng)的基于知識(shí)的問(wèn)題解決工具，解決了原來(lái)系統(tǒng)單側(cè)阻力加載及阻力加載不足的弊端。磁場(chǎng)的引入優(yōu)化了利用摩擦力來(lái)提供摩擦阻力導(dǎo)致的新物質(zhì)損耗。引入新的物質(zhì)和有競(jìng)爭(zhēng)力的場(chǎng)增強(qiáng)了原有的物－場(chǎng)模型，但難免會(huì)產(chǎn)生一系列新的沖突，形成沖突鏈。利用矛盾矩陣和發(fā)明原理進(jìn)一步解決新的沖突，徹底解決了系統(tǒng)矛盾。

［1］張明勤.TRIZ入門(mén)100問(wèn)-TRIZ創(chuàng)新工具導(dǎo)引［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］高常青.TRIZ發(fā)明問(wèn)題解決理論［M］.北京：科學(xué)出版社，2011.

［3］孫峰華.TRIZ創(chuàng)新理論與應(yīng)用原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［4］王之魁，樊慶文，等.基于亥姆霍茲線圈的均勻磁場(chǎng)發(fā)生器設(shè)計(jì)分析及應(yīng)用［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014（10）：1-3，10.

Double Spiral Shaft Resistance Load Design based on TRIZ

Zhang Xinyang
（SchoolofEngineering,Universityof Jinan Quancheng College，PenglaiShandong265600）

Around with the theme of resistance load，systematic analysis of technology conflictin the double spiral shaft load resistance system was carried out in this paper，and then by using the analysis and problem-solving toolsprovided byTRIZ theory，the loading resistance with electromagnetic damping effect wasput forward creative?ly.The resistance loading device in this paperhas certain reference significance in other areas，andusing TRIZ the?ory to solve practical problems ofmechanical engineering plays a reference role.

TRIZtheory；spiral shaft；resistance load

TH122

A

1003-5168（2015）05-0050-4

2015-4-10

張新洋（1987-），男，碩士，助教。