基于 TRIZ 理論的磁懸浮橋梁支座創(chuàng)新設(shè)計

韓家山，曾 敏，宋建平，李 靖，梁文偉，鄭朋飛

（1. 洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南洛陽 471000；2. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430000）

1 研究背景

由于運行速度快，列車懸浮間隙小（10 mm左右），磁懸浮交通系統(tǒng)對支撐列車運行的橋梁及軌道線型要求較高。當支撐磁懸浮列車的橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降或者橫向變位時，磁懸浮列車的軌道平順性將受到影響；軌道平順性超差時，會造成車輛無法懸浮而出現(xiàn)打軌現(xiàn)象[1-4]。作為連接磁懸浮橋梁和橋墩的“關(guān)節(jié)”，磁懸浮橋梁支座應具備適應梁部溫升位移、傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載、調(diào)整軌道線型等功能，是保證磁懸浮交通平穩(wěn)運行的關(guān)鍵部件。

目前，我國已經(jīng)建成運營的磁懸浮交通線主要有上海高速磁懸浮示范線、北京S1磁懸浮線和長沙磁浮快線等[5-7]。上海高速磁懸浮示范線采用的是可調(diào)式支座，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括上座板、平面摩擦副、傳力座板、中座板、球面摩擦副、內(nèi)襯板、調(diào)高座板、鎖緊螺母、下座板、橫向調(diào)位裝置、底座板等部件。支座調(diào)高采用的是螺紋調(diào)高；橫向調(diào)位通過調(diào)整楔塊組來實現(xiàn)[8]。

北京S1磁懸浮線和長沙磁浮快線屬于低速磁浮線，采用的支座主體結(jié)構(gòu)為普通球型支座，結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括下座板、球面摩擦副、中座板、平面摩擦副、上座板以及導向摩擦副等部件。支座調(diào)高采用的是墊板調(diào)高方式，在支座錨栓孔中增加可偏心軸套以滿足水平調(diào)位需求。

現(xiàn)有磁懸浮支座雖然已投入使用，但是在使用過程中已出現(xiàn)調(diào)整困難、調(diào)整精度低等諸多問題。另外，隨著磁懸浮交通技術(shù)的發(fā)展，磁懸浮列車速度越來越快，對磁懸浮橋梁支座也提出了更高的要求。本文將基于TRIZ理論對磁懸浮橋梁支座進行創(chuàng)新設(shè)計，以滿足橋梁設(shè)計、建設(shè)的要求。

2 TRIZ 理論及產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程

TRIZ理論是俄文中“發(fā)明問題解決理論”的縮寫；前蘇聯(lián)專家Altshuller及其團隊通過對幾百萬份專利文獻和科學知識進行研究、整理和歸納，抽取了大量發(fā)明中運用的規(guī)律，最終形成并創(chuàng)建了一套實用的、以解決發(fā)明問題為主要目的的理論和方法體系[9]。

TRIZ理論中的工具主要包括問題模型、解決問題的工具以及解決方案模型。問題模型主要包括技術(shù)矛盾、物理矛盾、物-場模型以及功能化模型。解決問題的工具包括矛盾矩陣、分離原理、76個標準解以及效應庫等。解決方案模型包括40個發(fā)明原理、標準解的物場模型以及具體的效應等。

TRIZ理論發(fā)展至今已成為一個創(chuàng)新的平臺。利用它可以解決技術(shù)問題，產(chǎn)生創(chuàng)新的解決方案；可以進行專利布局；可以用于新產(chǎn)品規(guī)劃布局等。無論出于何種目的而應用，其解決問題的典型過程都主要分為3個步驟：問題識別、問題解決以及概念驗證；基于TRIZ理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程如圖3所示[10-11]。

3 磁懸浮橋梁支座創(chuàng)新設(shè)計

3.1 產(chǎn)品功能分析和問題分析

磁懸浮橋梁支座作為磁懸浮交通系統(tǒng)的重要部件，除應具有承受豎向荷載、水平荷載及適應梁端變形（位移、轉(zhuǎn)動）的基本功能外，在梁體架設(shè)完畢后，還要具備梁體姿態(tài)調(diào)整功能。因此，磁懸浮橋梁支座應具備以下功能：豎向承載功能、水平滑移功能、豎向轉(zhuǎn)動功能、水平承載功能、豎向高度調(diào)節(jié)功能、橫向位置調(diào)節(jié)功能。

另外，由于磁懸浮橋梁對懸浮距離的精確度要求較高，支座豎向調(diào)高及水平調(diào)位精度要達到無級調(diào)整的程度。現(xiàn)有磁懸浮橋梁支座的結(jié)構(gòu)形式及功能經(jīng)過分析，主要存在以下幾方面問題：螺紋調(diào)高支座螺紋承載能力差，對接觸部位材料的性能要求高；墊板調(diào)高支座調(diào)整精度差，不滿足無級調(diào)整的精度要求；橫向位置調(diào)整不方便；支座結(jié)構(gòu)尺寸偏大，結(jié)構(gòu)不緊湊。

3.2 技術(shù)矛盾確定與解決思路

TRIZ理論認為發(fā)明問題的核心是解決矛盾；TRIZ中的矛盾被分為技術(shù)矛盾和物理矛盾。技術(shù)矛盾是指實際工程問題中2個工程參數(shù)之間的矛盾，即改善一個技術(shù)參數(shù)的同時，帶來了另外一個技術(shù)參數(shù)的惡化。TRIZ理論解決技術(shù)矛盾利用的工具是矛盾矩陣和40條發(fā)明原理：首先從特定的工程問題中分析出矛盾和沖突，將矛盾用39個工程參數(shù)進行表述，通過查詢矛盾矩陣，然后從40條發(fā)明原理中找出可借鑒的發(fā)明原理通解，最后得出實際的工程問題解決方案。

整個磁懸浮交通系統(tǒng)在引用磁懸浮橋梁支座后，梁部載荷、位移可以自由傳遞到下部墩臺，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定可靠；明顯改善的參數(shù)是力、穩(wěn)定性、作用于物體的有害因素以及適應性、通用性。由于現(xiàn)有支座存在有害功能以及不足功能，對于系統(tǒng)來講，惡化的參數(shù)有應力、壓強、強度、物體產(chǎn)生的有害因素以及可維修性等，綜合以上分析得出矛盾矩陣表如表1。

表1 矛盾矩陣表

根據(jù)磁懸浮橋梁支座的特點，在上述發(fā)明原理中有5條發(fā)明原理可以應用，分別是發(fā)明原理7、發(fā)明原理9、發(fā)明原理13、發(fā)明原理14以及發(fā)明原理15，原理名稱及解釋見表2。

表2 發(fā)明原理及解釋說明

3.3 創(chuàng)新設(shè)計

3.3.1 無級調(diào)高結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前支座調(diào)高主要采用填充鋼墊板的方式進行，針對不同的調(diào)高量需加工特定厚度的鋼板，實際施工中調(diào)高精度較低[12-13]。針對磁懸浮橋梁支座調(diào)高的功能需求，依據(jù)發(fā)明原理14曲面化發(fā)明原理中的原則2和原則3，使用螺旋結(jié)構(gòu)，改直線運動為旋轉(zhuǎn)運動。但是，單純地使用螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋結(jié)構(gòu)承受豎向荷載，會導致支座承載能力差、疲勞性能不好等問題。針對該問題，采用發(fā)明原理9預先反作用中的原則2，在結(jié)構(gòu)中施加1個預先反作用力，分擔螺旋結(jié)構(gòu)承受的豎向荷載。

具體方案是采用高性能的梯形螺紋傳動調(diào)高結(jié)構(gòu)實現(xiàn)支座的無級調(diào)高功能，然后在調(diào)高結(jié)構(gòu)中加入楔塊，通過楔塊的楔緊功能，分擔螺旋結(jié)構(gòu)承受的豎向荷載，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

3.3.2 倒置球面結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足支座的轉(zhuǎn)動功能，利用發(fā)明原理14曲面化發(fā)明原理中的原則1，引入球面結(jié)構(gòu)設(shè)計；同時利用發(fā)明原理13中的原則3，將球面進行倒置，支座上部結(jié)構(gòu)可以一體轉(zhuǎn)動，螺紋結(jié)構(gòu)受力性能更好，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

如圖5所示倒置球面結(jié)構(gòu)后，支座上部結(jié)構(gòu)可以一體轉(zhuǎn)動，且傳力均勻，梯形螺紋結(jié)構(gòu)受力性能更好，結(jié)構(gòu)更加可靠。

3.3.3 橫向位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)有支座的橫向位置調(diào)節(jié)功能在實際應用中存在位置調(diào)整程序復雜、調(diào)節(jié)不便利等缺點，不利于支座的安裝施工及后期維護。根據(jù)磁懸浮橋梁支座的橫向調(diào)位需求，依據(jù)發(fā)明原理7嵌套發(fā)明原理的原則2，讓某物體穿過另一物體的空腔；同時利用發(fā)明原理15動態(tài)特性的原則1，分割物體使其各部位可以改變相對位置，將物體分割成容易拆卸和組裝的部分，增加物體的分割程度。

具體方案是提出一種組合墊片式位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，如圖6所示。位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的調(diào)位螺栓穿過頂推板側(cè)面設(shè)置的螺紋，并與上部結(jié)構(gòu)頂推部位相接觸，旋動調(diào)位螺栓推動支座上部位置進行移動，達到位置調(diào)節(jié)的目的。

位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的底板頂推部位與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置間隙調(diào)整墊片組合；墊片組合由多個特定厚度的墊片組成，可根據(jù)位置調(diào)節(jié)量選取不同的墊片組合，通過增加或減少兩側(cè)的墊片數(shù)量，填充兩側(cè)位置調(diào)節(jié)的間隙。另外，為提高位置調(diào)整精度，將其中1組調(diào)整墊片做成楔形墊片；位置調(diào)整結(jié)束后，利用楔形墊片進行楔緊，從而達到橫向無級調(diào)整的精度要求。

3.3.4 支座總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在對支座進行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，利用發(fā)明原理7嵌套發(fā)明原理的第1個發(fā)明原則，將無級調(diào)高結(jié)構(gòu)、倒置球面結(jié)構(gòu)以及橫向位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)進行分步嵌套，同時為滿足支座水平滑移功能，利用發(fā)明原理15動態(tài)特性的第2個發(fā)明原則，增加活動導向板結(jié)構(gòu)。另外，為增加結(jié)構(gòu)的可靠性，在調(diào)高楔塊處增加楔塊擋板結(jié)構(gòu)，防止楔塊在交變荷載下出現(xiàn)松動；在活動導向板處增加蓋板結(jié)構(gòu)，對活動導向板等結(jié)構(gòu)進行豎向限位。

支座結(jié)構(gòu)示意如圖7所示，主要包括下座板、平面摩擦副、中座板、球面摩擦副、調(diào)高座板、導向摩擦副、活動導向板、調(diào)位墊片、調(diào)位螺栓、蓋板、楔塊、楔塊擋板、上座板等部件。支座能夠傳遞豎向壓載、水平荷載，可實現(xiàn)水平滑移和轉(zhuǎn)動功能，同時又可以調(diào)節(jié)支座的高度和橫向位置。

4 樣品試驗

根據(jù)磁懸浮橋梁支座的創(chuàng)新設(shè)計方案試制樣品。為驗證支座的整體性能及各項功能是否滿足設(shè)計要求，對樣品支座進行了系列試驗；試驗項目主要包括豎向承載力試驗、水平承載力試驗、摩擦系數(shù)試驗、轉(zhuǎn)動試驗、調(diào)高試驗及水平調(diào)位試驗，樣品支座試驗照片如圖 8、圖9所示，試驗結(jié)果見表3。通過表3試驗結(jié)果可以看出，樣品支座的整體力學性能及各項功能完全符合設(shè)計要求及相關(guān)標準的規(guī)定。此試驗同時也驗證了基于TRIZ理論所得的磁懸浮橋梁支座創(chuàng)新設(shè)計方案的有效性和可行性。

表3 樣品支座試驗結(jié)果

5 結(jié)論

基于TRIZ理論，對磁懸浮橋梁支座進行了功能分析和問題分析，然后建立了矛盾矩陣，并用典型的發(fā)明原理對磁懸浮橋梁支座進行了創(chuàng)新設(shè)計。根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計方案，進行了樣品試制，并對樣品支座進行了系列試驗。試驗結(jié)果表明支座整體力學性能及各項功能完全符合設(shè)計要求及相關(guān)標準的規(guī)定。運用TRIZ理論進行創(chuàng)新設(shè)計的磁懸浮橋梁支座，具有傳力可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、高度無級可調(diào)、橫向位置無級可調(diào)等優(yōu)點，可以為相關(guān)的磁懸浮橋梁工程建設(shè)提供參考。