淺探TRIZ 理論在機械創新教學中的應用

羅彬賓

（常州信息職業技術學院常州市高端制造裝備智能化技術重點實驗室，江蘇常州 213164）

創新是一個國家持續發展的最基本的動力，是一個國家擺脫依賴，保持競爭力的最大保障。特別是隨著國家的實力越來越強大，人們所面臨的科技競爭和封鎖也越來越嚴重。因此，黨的十九大指出“要堅定地實施科教興國戰略，培養造就一大批具有國際水平的戰略科技人才、科技領軍人才、青年科技人才和高水平創新團隊[1]”。由此可見創新在國家的大力推行下已經深入到國民生活的方方面面，與人們的生活息息相關。

TRIZ 理論是前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒對不同工程領域中的大量發明專利進行研究、整理、歸納、提煉及總結出來的[2]，他發現技術系統的創新是有規律的，為了驗證他的理論，阿奇舒勒基于此理論做出了多項發明。筆者是一位從事多年機械類課程教學的高校教師，平時在機械創新方面也作了一些努力，特別是學習過TRIZ 理論后，利用TRIZ理論撰寫專利，獲得了一些發明專利[3-5]，因此對于TRIZ 理論有一些粗淺的見解，并且利用TRIZ 理論基于自己的專業，在機械創新教學和指導學生進行創新設計上作出了一些自己的努力[6-7]。

一般而言，所有機械結構都是為了實現特定的功能而設計的，而要實現機械創新這個過程不外乎是對結構中零件的形狀進行創新以及零件之間相互運動和力傳遞方式的創新。不管是對于零件形狀的創新，還是對于零件之間相互運動及力的傳遞方式的改進或創新，都是機械結構之間運動副[8]的變異和演化方面的創新，比如：運動副尺寸的變異、運動副形狀的變異以及運動副性質的變異這三個方面[8]。阿奇舒勒的TRIZ理論中的矛盾矩陣以及相對應的40個發明原理對于如何迅速地解決這些問題有很好的參考作用，在此筆者就自己做過的一些創新談談TRIZ 理論在機械創新教學中的應用。

1 創新設計中的技術矛盾

研究圓柱磁鐵在非磁金屬管中的運動時，筆者發現圓柱磁鐵在非磁金屬管的軸線處緩緩下落。于是根據TRIZ 理論的發明原理4 非對稱性[2]，研究圓柱磁鐵在單縫非磁金屬管中的運動現象，發現圓柱磁鐵在電磁感應的作用下緊貼非磁金屬管縫隙處下落，并發出極其刺耳的摩擦噪音。根據圓柱磁鐵在單縫非磁金屬管運動現象，可以設計一款旅游觀光高空體驗降道，這種旅游觀光降道即安全又刺激，而且還很新奇，既可以寓教于樂，又可以激發前來體驗的觀光者的好奇心，從而激發人們發明創造的欲望。雖然這個設計避免了圓柱磁鐵在無縫非磁金屬管中運行時形成的空間密閉現象，也就是說如果圓柱磁鐵上搭乘體驗者的話，雖然體驗者在圓柱磁鐵的艙體內，隨之下落的速度很緩慢，但是體驗者在圓柱磁鐵的艙體內這個相對密閉的空間，其既看不到外面的景象，也無法擺脫那種懸在空中無依無靠的恐懼感。因此非磁金屬管的單縫設計很好地解決了這個問題，但是其他的問題又隨之而來。由于電磁感應的作用，圓柱磁鐵緊貼非磁金屬管縫隙處下落會發出極其刺耳的摩擦噪音，如果體驗者在這種旅游觀光體驗降道中體驗的話，其體驗的感受肯定會大打折扣，因此如何消除或者是減輕這種摩擦噪音就變得極其重要。

2 TRIZ 阿奇舒勒矛盾矩陣的應用

阿奇舒勒的TRIZ 理論認為，發明問題的核心是解決矛盾，沒有克服矛盾的設計不是好的創新設計，而且產品的創新過程就是不斷解決產品所存在的矛盾的過程[2]。于是筆者根據面臨的問題總結其可能的矛盾，發現噪音變小或消除可以從能量的損失和接觸材料的變化兩個方面入手，那么就確定了阿奇舒勒矛盾矩陣的改善參數——運動物體消耗的能量，如果改善運動物體消耗的能量，那么它圓柱磁鐵的艙體對單縫非磁金屬管的壓力就會變小，從而面臨的情況是圓柱磁鐵的艙體由于沒有足夠的感應阻尼下墜的速度會變得很快，這會造成很大的安全隱患，因此這個過程惡化的參數——應力和壓力，也就是說圓柱磁鐵的艙體會對單縫非磁金屬管的壓力變小，那么總結得出改善參數是運動物體消耗的能量以及對應的惡化參數是應力和壓力。通過查詢阿奇舒勒矛盾矩陣可以得到對應的發明原理是23、14、25，現在可以根據這些發明原理來一一分析。

對于發明原理23 反饋，其根本的方法是：①引入反饋改善過程或動作；②如果反饋已經存在，改變反饋信號的大小或靈敏度[2]。通過仔細研究該發明原理以及參照其給定的大量案例發現，無法根據此發明原理同時改善圓柱磁鐵艙體在單縫非磁金屬管中下落過程中運動物體能量的消耗以及壓力和應力兩個矛盾參數。

對于發明原理14 曲面化，其根本的方法是：①將直線、平面用曲線、曲面代替，立方體結構改為球體結構；②使用滾筒、球體、螺旋狀等結構；③從直線運動改為旋轉運動，利用離心力[2]。從這個發明原理發現，可以在改善運動物體消耗的能量的同時保證應力和壓力的不變甚至增大。也就是說可以在圓柱磁鐵艙體靠近單縫非磁金屬管的縫隙處設計兩列均勻分布的滾輪，那么圓柱磁鐵艙體在單縫非磁金屬管下落時，由于電磁感應的作用圓柱磁鐵艙體上的滾輪作用在單縫非磁金屬管縫隙的兩端緩緩下落，這個改動做到了將圓柱磁鐵艙體與單縫非磁金屬管的滑動摩擦變為圓柱磁鐵艙體上的滾輪與單縫非磁金屬管的滾動摩擦，大大減小其相互運動期間的能量的消耗，也大大減小了因滑動摩擦產生的刺耳的噪音，形成了一個很好的解決方案。

發明原理25 自服務，其根本的方法是：①使物體具有自補充和自恢復功能以完成自服務；②利用廢氣的資源、能量和物資。通過仔細研究該發明原理以及參照其給定的大量案例筆者發現無法根據此發明原理同時改善圓柱磁鐵艙體在單縫非磁金屬管中下落過程中運動物體能量的消耗以及壓力和應力兩個矛盾參數。所以最終得到的方案是使用發明原理14 曲面化。

3 TRIZ 發明原理的應用

根據阿奇舒勒矛盾矩陣所獲得的發明原理，最終確定的觀光高空體驗降道的設計方案如圖1 所示。該旅游觀光高空體驗降道是由絞盤、纜線、觀光艙體及金屬管道、安全矯正臺等組成的。其中觀光艙體的軸線在纜線和重力的作用下與金屬管道的軸線基本一致，金屬管道的管口直徑稍大于觀光艙體的直徑，且金屬管道的一側開一道可供觀賞管外景色的縫隙，這樣觀光艙體既可以輕松地落入金屬管道之中，又能讓體驗者欣賞到管外的美景。通過滑輪、纜線及絞盤讓觀光艙體保持在金屬管道上方，當突然放開絞盤的制動系統或斷開纜線與觀光艙體的連接，那么觀光艙體在重力的作用下就會下落到金屬管道中，由于觀光艙體本身是一個電磁鐵，那么觀光艙體在短暫加速后勻速地緊貼金屬管道的縫隙兩端中緩緩下落。當處于極端情況下，也就是在電磁感應產生的電磁阻尼消失的情況下以及在觀光艙體呈自由落體下落的情況下，安全矯正臺作為最后的緩沖保障，保證體驗者安然無恙地著陸。

圖1 旅游觀光高空體驗降道示意圖

觀光艙體如圖2 所示，觀光艙體兩側設計了滾輪，其作用是將觀光艙體與金屬管道滑動摩擦轉變為滾輪與金屬管道的滾動摩擦，這樣既可以消除滑動摩擦產生的刺耳噪音，也可以將觀光艙體因為滑落產生的損耗轉變為艙體上滾輪的損耗，可以隨時根據滾輪的損耗狀態更換滾輪，而不是更換觀光艙體。

圖2 觀光艙體

4 結束語

TRIZ 理論與工業的各個方面聯系都非常緊密，而機械是工業最重要的組成部分，可以說只要有實體結構的地方就有機械，因此一個好的機械創新可以大大提高其工作效率，從而降低其運營成本。TRIZ 理論在解決機械創新問題上有很好的參照作用，使用者可以通過尋找其工程矛盾參數迅速地找到其可能解決的方案，極大地提高了機械創新效率，本文通過筆者在機械創新教學方面體會，深感在機械創新教學中引入TRIZ 理論是非常必要的。