基于AD_TRIZ的隨車(chē)起重機(jī)支腿創(chuàng)新設(shè)計(jì)

李 偉，肖 超，叢日平

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局的日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，企業(yè)必須掌握先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法并在盡可能短的時(shí)間內(nèi)研制出滿(mǎn)足客戶(hù)需求的產(chǎn)品，才能占領(lǐng)市場(chǎng)先機(jī)。在這一過(guò)程中，融合了現(xiàn)代信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、管理技術(shù)等科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)起著決定性作用[1]。

劉曉敏等[2-5]建立了基于發(fā)明問(wèn)題解決理論(Theory of innovation problem solving，TRIZ)和公理設(shè)計(jì)(Axiomatic design，AD)的概念設(shè)計(jì)模型，彌補(bǔ)了單個(gè)理論運(yùn)用時(shí)的局限性，使設(shè)計(jì)更具創(chuàng)新價(jià)值。張彩麗等[6，7]將質(zhì)量功能展開(kāi)法(Quality Function Deployment，QFD)深度融合于TRIZ理論中，有效解決了TRIZ理論對(duì)問(wèn)題來(lái)源能力不足及QFD解決問(wèn)題能力不足的缺陷。Dou等[8]基于TRIZ/AD/QFD集成創(chuàng)新模型，為產(chǎn)品可持續(xù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了借鑒。

作為隨車(chē)起重機(jī)的重要部件，支腿結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響起重機(jī)的車(chē)輛穩(wěn)定性、防側(cè)翻等使用性能。目前，國(guó)內(nèi)隨車(chē)起重機(jī)支腿的設(shè)計(jì)主要從造型和功能改良入手，缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，且過(guò)多依賴(lài)于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。為此，本文基于AD與TRIZ的集成設(shè)計(jì)方法，對(duì)隨車(chē)起重機(jī)支腿進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，有效地解決了其承載能力與伸縮性能的技術(shù)矛盾。

1 AD與TRIZ集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.1 公理設(shè)計(jì)(AD)概述

公理設(shè)計(jì)(AD)主要通過(guò)獨(dú)立公理和信息公理來(lái)衡量產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，通過(guò)設(shè)計(jì)矩陣評(píng)判產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能的獨(dú)立性。這一過(guò)程常常依賴(lài)設(shè)計(jì)人員的主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)，難以達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)。

1.2 發(fā)明問(wèn)題解決理論(TRIZ)概述

TRIZ理論著力于用39個(gè)通用工程參數(shù)、40個(gè)發(fā)明原理、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解、八大技術(shù)進(jìn)化法則、ARIZ(Algorithm for lnventive-problem Solving,發(fā)明問(wèn)題解決算法)算法對(duì)一系列沖突問(wèn)題高效、創(chuàng)新求解，以期得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品，但無(wú)法識(shí)別待解決的沖突問(wèn)題。

1.3 基于AD_TRIZ的創(chuàng)新模型

針對(duì)上述理論方法在工程設(shè)計(jì)中的不足，建立了AD_TRIZ產(chǎn)品概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型，如圖1所示。模型創(chuàng)新設(shè)計(jì)步驟如下：

圖1 AD與TRIZ的集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)

(1) 獲取用戶(hù)需求。通過(guò)調(diào)研、市場(chǎng)考察等獲得用戶(hù)需求。

(2) 設(shè)計(jì)人員將用戶(hù)需求逐級(jí)轉(zhuǎn)化為功能特性、設(shè)計(jì)特性、設(shè)計(jì)方案。

(3) 沖突判定及分析。通過(guò)TRIZ理論判定步驟(2)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中是否存在沖突，如有沖突，則利用40個(gè)發(fā)明原理找到解決沖突的措施。

(4) 建立設(shè)計(jì)矩陣。應(yīng)用AD建立功能需求與設(shè)計(jì)參數(shù)的映射矩陣A。

(5) 設(shè)計(jì)矩陣A耦合性判定。若設(shè)計(jì)矩陣為準(zhǔn)耦合矩陣，且矩陣中功能數(shù)量較多，可利用計(jì)算機(jī)輔助解耦技術(shù)，以便快速對(duì)其排序調(diào)整。

(6) 沖突求解。若設(shè)計(jì)矩陣A為耦合矩陣，可利用TRIZ工具箱解決沖突問(wèn)題。

(7) 方案評(píng)價(jià)。若只生成一個(gè)方案，可直接選取；若生成多個(gè)方案，則需計(jì)算各個(gè)方案的信息量，以信息量最少的作為最優(yōu)方案。

(8) 仿真驗(yàn)證。用UG軟件建立三維模型。

2 隨車(chē)起重機(jī)支腿創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 用戶(hù)需求分析

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研、工程實(shí)際使用情況等信息可知用戶(hù)對(duì)隨車(chē)起重機(jī)支腿有如下需求：

(1) 滿(mǎn)足隨車(chē)起重機(jī)不同作業(yè)工況下車(chē)輛穩(wěn)定性的要求。

(2) 方便快捷的設(shè)備操作。

(3) 具有足夠的離地間隙，增強(qiáng)不同底盤(pán)的道路適應(yīng)性。

(4) 支腿跨距不得超過(guò)2.5 m。

2.2 初步設(shè)計(jì)方案

隨車(chē)起重機(jī)H型手動(dòng)伸縮式支腿主要由底座、伸縮梁、支腿油缸等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)起重機(jī)作業(yè)時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置將伸縮梁伸出并與底座承載結(jié)構(gòu)配合接觸，支腿油缸推動(dòng)支腿豎直伸出，當(dāng)支腿在水平和豎直方向完全伸出后即可進(jìn)行吊載操縱，此時(shí)車(chē)架受力通過(guò)支腿傳至地面。

圖2 支腿結(jié)構(gòu)形式

2.3 沖突判定及分析

隨車(chē)起重機(jī)支腿在伸縮過(guò)程中，由于受其重心位置的變化、焊接變形、安裝誤差等因素的影響，因此為方便支腿安裝，保證其伸縮性良好，需要底座與伸縮梁之間具有足夠大的配合間隙；支腿承載時(shí)，為保證其具有良好的受力狀態(tài)，伸縮梁與底座之間必須具有足夠的接觸(面—面接觸)，這就要求兩者之間的配合間隙越小越好。因此，支腿承載功能與伸縮功能對(duì)伸縮梁與底座配合間隙的要求構(gòu)成了一對(duì)物理沖突。

2.4 TRIZ沖突創(chuàng)新設(shè)計(jì)

借助TRIZ理論矛盾沖突問(wèn)題求解方法對(duì)負(fù)相關(guān)功能進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

針對(duì)支腿承載功能與伸縮功能的物理沖突，利用TRIZ理論中的第1條(分割原理)、第16條(未達(dá)或過(guò)度的作用原理)原理，提出一種具有不同配合間隙的伸縮梁(如圖3所示)，從而使支腿伸縮功能與承載功能的空間分離。同時(shí)，設(shè)置有導(dǎo)輪調(diào)節(jié)裝置，以進(jìn)一步提升支腿的伸縮平順性。

圖3 具有不同配合間隙的伸縮梁

為了不改變底盤(pán)離地間隙，保證整車(chē)道路通過(guò)性，在支腿油缸上設(shè)置翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 支腿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

為提高支腿盤(pán)對(duì)地面的適應(yīng)性，改善整車(chē)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了如圖5所示的球形支腳盤(pán)結(jié)構(gòu)。

圖5 球形支腳盤(pán)結(jié)構(gòu) 圖6 隨車(chē)起重機(jī)支腿創(chuàng)新 結(jié)構(gòu)

2.5 建立設(shè)計(jì)矩陣

根據(jù)TRIZ創(chuàng)新推理后，得到的隨車(chē)起重機(jī)支腿的功能需求與設(shè)計(jì)參數(shù)映射關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 起重機(jī)支腿功能需求與設(shè)計(jì)參數(shù)映射關(guān)系

根據(jù)AD理論，可得：

其中：A為設(shè)計(jì)矩陣，1表示功能特性與設(shè)計(jì)參數(shù)之間有關(guān)聯(lián)，0表示功能特性與設(shè)計(jì)參數(shù)之間有無(wú)關(guān)聯(lián)。

2.6 設(shè)計(jì)矩陣A耦合性判定

分析可知，設(shè)計(jì)矩陣A為三角矩陣，該設(shè)計(jì)為非耦合設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足AD獨(dú)立性要求。

2.7 概念模型

基于AD與TRIZ理論的隨車(chē)起重機(jī)支腿創(chuàng)新結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 結(jié)論

基于AD_TRIZ的產(chǎn)品概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型，提出一種隨車(chē)起重機(jī)H型伸縮式支腿結(jié)構(gòu)，解決了支腿設(shè)計(jì)中所遇到的承載功能與伸縮功能技術(shù)沖突的難題，有效地改善了支腿受力，方便了支腿的水平調(diào)整，增強(qiáng)了支腳盤(pán)對(duì)地的適應(yīng)性，為類(lèi)似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了思路和方法。