基于TRIZ理論的擋水裝置優化設計①

萬心華 徐 暢 錢長成 王永志 閔鵬飛 付本事 尹彬灃

（揚州大學機械工程學院 江蘇揚州225127）

農業現代化的快速推進為我國經濟與社會發展提供了有力保障，但洪澇災害仍然危害著農業生產，尤其在南方及黃河流域，大棚、地窖和倉庫等區域常遭受著洪水的威脅［1]，其中，2017年，洪澇災害造成長江流域直接經濟損失達939億元［2]。

現有的擋水方式主要為安裝防洪擋板、堆砌沙袋。這些方式擋水效果雖有保障，但需耗費大量時間和人力物力，且面對瞬息萬變的天氣，若處理不及時，仍無法解決問題。

本設計基于TRIZ 理論，對現有的擋水裝置進行智能優化，分析擋水裝置智能優化過程中的技術沖突，添加預警、自動升降、模塊化設計功能。設計并分析參數，保證可根據不同需求選用不同規格的擋水板，進行電機模塊化組裝，保證擋水質量，滿足擋水需求。

1 TRIZ理論概述

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）的含義是發明問題的解決理論，由理想解、技術沖突矩陣、物質-場分析、ARIZ 算法等多個部分構成［3-4]，本設計主要采用技術沖突矩陣進行智能優化。

技術沖突是指當系統的一個方面得到優化時，對另一方面會造成了劣化。TRIZ 提供了39 個標準參數［5]，任何一個技術沖突都可用其中的一對參數來描述，而其中一對參數描述的任一技術沖突都有可確定的創新方法進行解決，這些方法被歸納出40 條，構成了技術沖突矩陣。研究者只需描述相關技術沖突，即可根據技術沖突矩陣找到解決問題的方法［6-7]。

2 優化過程中技術沖突的分析

2.1 擋水裝置問題分析

現有的擋水裝置以單一的擋水板為主，只具備最基本的擋水功能，在現實的使用過程中，主要存在以下問題：（1） 使用不方便。在風雨、洪澇災害到來時，現有擋水裝置需要人工安裝到所需地點，險情結束后需人工拆除，耗費時間和人力物力；（2） 響應不及時?，F有擋水裝置的安裝大多在災害發生過程中，若安裝不及時，會有安裝危險，產生嚴重損害；（3） 缺乏適用性。由于各區域需要的擋水面積不同，現有擋水裝置需要專門訂制不同尺寸的框架和擋水板以滿足不同的需求，費時耗力。

2.2 技術沖突的描述

通過上述問題的分析，可提高裝置的操作性使其易于使用；提高裝置的智能化、自動化程度使其響應速度快；提升裝置因地制宜的能力使其廣泛應用。

優化后的擋水板要實現操作簡易、響應快速和應用廣泛等特點，可從可操作性、智能化、因地制宜的角度來優化裝置，但這些優化方式會導致裝置結構復雜化，構成技術沖突。將其轉化為TRIZ 提供的通用工程參數，通過建立TRIZ 參數模型，確定通用的工程參數，可進一步解決上述問題。

通過分析擋水裝置存在的技術沖突，可以從39 個通用工程參數中遴選出以下幾個與技術沖突相關的參數［5]：33 號操作性，即裝置的操作簡便，屬于改善的參數；38 號自動化水平，即裝置在無人操作的情況下可以實現其功能，屬于改善參數；35 號適應性，即裝置在不同環境中實現其功能，屬于改善的參數；36 號裝置的復雜程度，即裝置的形態結構復雜，屬于劣化的參數。

2.3 發明原理的確定

分析確定出與技術沖突相關的通用工程參數［5，8]，在表1中查找技術沖突矩。

表1 部分技術沖突矩陣

根據實際需要，從技術沖突矩陣中篩選可用于優化的發明原理：

17 號一維變多維，24 號中介，26 號代用品，28號機械系統的替代，29號空壓機構、液壓機構，32 號改變顏色，37 號熱膨脹。以上發明原理不適用于本裝置的優化，在此不做考慮。

我們遴選出以下適用于本裝置優化的發明原理：

10 號動作預置：預置必要的動作、機能。使用單片機、迷你電腦板，通過預設指令操控裝置的運動。

12 號等位性：改變物體的動作、作業狀況。裝置由原來的人工安裝優化為自動起降。

15 號動態性：①將物體分割成既可變位又可相互配合的個數構成要素，然后將裝置進行模塊化處理，根據場合差異使用不同的模塊滿足需求。②使不動的物體可動或相互交換，可將擋水裝置可以通過形態的改變轉化為工作狀態。

3 智能化擋水裝置的設計

3.1 設計方案

由篩選出的發明原理對擋水裝置進行智能優化，優化后的結構見圖1。

該裝置采用模塊化設計，將擋水板及安裝基座制作成寬1m 的模塊，為實現不同模塊兩兩接合，使用卯榫結構。擋水板根部設有轉軸，安裝于基座的軸套中，兩端安裝由電腦控制的伺服電機［9]，帶動擋水板轉動。基座設有液位傳感器，向電腦板傳輸信號，當水位到達預設高度時，電腦板向綁定的終端設備發出預警信息，及時通知相關人員，控制電機正轉，帶動擋水板立起并自鎖；當水位回落，電腦板接收傳感器信號，控制電機反轉，使擋水板放置于基座上。

圖1 擋水裝置優化結構

3.2 尺寸確定

當設計方案完成后，對尺寸參數進行計算和選用。這里分析單個寬1m的模塊，即b=1m，通過簡化設計方案，最終確定出圖2結構。

圖2 設計方案的數學模型

（1）為保證裝置不影響正常情況下的通行，基座高度應低于車輛底盤高度，此處參照減速帶的高度設計，取用a=70mm。

（2）為保證擋水板強度，使其不出現變形影響擋水性能，參考現有擋水板材質與部分尺寸，取用鋁合金材質，ρ=2 700 kg/m3，取用擋水板厚度s=40mm。

（3）為保證擋水板在工作時保持豎直狀態，在動電機自鎖時需承受外界積水及擋水板自重造成的轉矩。為最大化利用擋水板，設擋水板與積水自由液面等高，由此計算出積水對擋水板作用力：

式（1）中yc為擋水板質心至自由液面距離；H為自由液面至擋水板根部距離；A為擋水板面積；g為重力加速度。

力的作用點至自由液面的距離：

式（2）中Icx為擋水板對x軸慣性矩。

積水對點P的轉矩：

式（3）中L為力的作用點至基座上表面的距離。

擋水板自重：

擋水板自重對點P的轉矩：

電機自鎖時需要承受的轉矩：

通過上述計算結果，模擬出積水深度H與電機自鎖時所需承受轉矩T之間的函數關系，見圖3。

在實際使用過程中，為保證擋水效果。擋水板的高度應比積水深度高10～20mm?？筛鶕數胤e水深度，參照深度與轉矩關系圖，自行選用合適的擋水板與電機。

4 結論

基于TRIZ 理論，分析現有擋水裝置不足，建立技術沖突，根據技術沖突矩陣查找解決沖突的發明原理，篩選出可應用于實際狀況的方案。通過篩選的方案，結合多學科領域知識，對現有擋水裝置進行智能優化，可有效解決農業生產過程中作物所在區域在遭受水災害和雨澇災害下易被水淹的問題，有效地保證擋水效果。

圖3 H與T的函數關系