基于TRIZ的變載荷滑動軸承試驗臺創新設計

劉晟杰

（1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，唐山 063012）

滑動軸承因其承載力高、抗振性能好、工作平穩可靠以及壽命長等特點，在選礦設備中得到了廣泛應用[1]。它的性能好壞將直接影響設備的可靠性和穩定性，因此對滑動軸承的測試尤為重要[2-4]。隨著礦產資源開發工藝的進一步發展，人們對選礦設備的要求越來越高，使得設備結構和使用的工況越來越復雜。現階段，原有的測試設備已不能滿足復雜工況下的測試需求，需要不斷對試驗臺進行創新設計[5-6]。

本文在深入理解發明問題解決理論（Theory of Inventive Problem Solving，TRIZ）[7-8]各工具的前提下，結合現有滑動軸承試驗臺，提出一種滑動軸承試驗臺創新設計流程，并運用此方法開展了不同要求下的試驗臺創新設計探索。

1 基于TRIZ的創新方法

功能分析作為TRIZ中一個重要的分析問題的工具，能夠幫助人們系統分析問題情境，快速發現問題本質或者矛盾，更好地從根源上解決問題[9]。技術系統功能的實現，最終會落腳到科學效應上[10]。科學效應是最基礎的實現方式。因此，在應用功能和科學效應的基礎上提出創新設計流程，如圖1所示。先從功能角度出發確定設計目標，通過模塊劃分分解目標，挖掘功能，尋找目標的關鍵點，并準確描述定義目標功能，抽象化處理功能定義，以便在科學效應庫中檢索到更多的科學效應。運用篩選機制篩選檢索出的科學效應，選擇合適的科學效應產生概念方案并設計結構系統。最后，通過仿真等手段驗證方案的可行性，并將方案落地，完成預期設計目標。

2 變載荷滑動軸承試驗臺創新設計

運用圖1流程，針對目前徑向滑動軸承試驗臺的局限性進行創新設計。徑向滑動軸承試驗臺如圖2所示，需要測量軸瓦不同位置的油膜壓力和摩擦系數，通過壓力表人工讀取數據。傳動方式由電機通過皮帶帶動試驗主軸旋轉，電機實現無極調速，調速范圍在0～1 000 r·m-1。加載采用機械加載方式，施加0～1 000 N的靜態載荷。潤滑方式為通過試驗主軸旋轉帶入潤滑油進行潤滑。

圖1 滑動軸承試驗臺創新設計流程

圖2 滑動軸承試驗臺結構簡圖

2.1 確定設計目標

設計目標往往是為了滿足某一類或者某一種工況下滑動軸承的測試需求，將其實現的功能定義為總功能。該類試驗臺只能施加靜態載荷，沒有涉及變載荷的工況，因此將施加變載荷確定為設計目標，使試驗臺不僅可以施加靜態載荷，還能施加任意規律的變載荷。

2.2 劃分模塊

劃分模塊是將設計目標實現的總功能分解成分功能，把復雜問題簡單化的過程。滿足滑動軸承測試需求需要模擬滑動軸承運行工況，實現對滑動軸承支撐、潤滑以及加載等功能，并且還需滿足能夠測量、收集試驗數據等條件。因此，將滑動軸承試驗臺分為機械系統、潤滑系統、加載系統、控制系統以及數據采集系統幾個部分。該設計目標針對施加載荷的類型，主要對加載系統的結構進行創新設計。

2.3 挖掘功能

挖掘功能是對分功能的細化、分解。將分功能分解到能直接由科學效應實現的子功能，并且判斷各子功能間的關系。有些子功能間是And關系，必須滿足所有的子功能時，分功能才能滿足。有些子功能間是Or關系，滿足任意一個即可實現分功能。上述流程與功能間的關系如圖3所示。

圖3 流程與功能關系

該設計目標針對加載系統，加載部分需要模擬滑動軸承受力情況，實現對滑動軸承施加載荷的功能。但是，載荷的施加位置具有多樣性，可以施加在滑動軸承上、試驗軸上或者軸承座上。

2.4 功能定義

現代TRIZ對功能的定義為“一個組件改變或保持了另外一個組件的某個參數的行為[11]。”通過“動詞+名詞”的形式進行描述。在描述功能時，通常采用SVOP模型，S（主語）V（謂語）O（賓語）P（參數）或者主語-謂語-賓語（Subject-Verb-Object，SVO）模型對功能進行刻畫。

針對某一種情景、某一種工況往往會對謂語V或賓語O或屬性參數P有具體的約束（Constraint）。這些約束是為了滿足現實的需求而制定的，通常都是規定的設計要求，因此可采用SV（C）O（C）P（C）或者SO（C）V（C）模型對功能進行描述。

在對滑動軸承試驗臺加載系統的功能進行描述時，先任意選擇一個對象進行描述，抽象化后并不影響科學效應的查找。生成方案時，對不同的作用對象產生的結構會存在差異，再驗證合理性。因此，可以將此功能描述為加載機構在靜態力或者動態力下擠壓滑動軸承。

2.5 功能抽象化

在檢索科學效應時，功能定義越精確越具體，所能檢索出來的科學效應越少。描述越抽象，檢索到的科學效應越多。設計階段，應查找盡可能多的科學效應，從中得到啟發。在抽象化時需要將謂語動詞V、賓語O以及屬性參數P進行規范化處理。謂語動詞V規范化為35個最具有代表性的功能名詞，同時把賓語O簡化歸類為5種最一般形態的物質（場）[8]，如表1所示。屬性參數P規范化為36個通用屬性為基礎的屬性參數[8]，如表2所示。

表1 35個規范化功能動作及5類作用對象

具體的抽象化步驟如下。

（1）SV（C）O（C）P（C）模型：主語+謂語（具體動作）（對具體動作的約束）+賓語（具體物質）（對具體物質的約束）+屬性參數（具體的屬性參數）（對屬性參數的約束）。

（2）去除主語S和各約束C，變為VOP模型：謂語（具體動作）+賓語（具體物質）+屬性參數（具體的屬性參數）。

（3）目前，最常用檢索科學效應庫的方法是通過功能（VO）或者屬性參數（MP）來檢索，不同的檢索方法對功能定義的抽象化過程也有所不同。第一種，通過功能（VO）進行檢索。將描述的屬性參數P去除，將謂語V和賓語O進行規范化處理，即VO模型——謂語（規范化動作）+賓語（一般形態物質）。第二種，通過屬性（MP）來檢索。將賓語O去除，對謂語V和屬性參數P進行規范化處理，即VP模型——謂語（規范化動作）+屬性參數（規范化屬性參數）。

表2 36個作用對象屬性參數及對應屬性

再將表1中35個規范化功能動作進一步抽象簡化為5個更一般話的操作M——變、增、減、測、穩，變為MP模型，即操作（一般話動作）+屬性參數（規范化屬性參數）。

按照上述步驟，將功能描述抽象化為VO模型（壓縮固體）和MP模型（改變力）兩種模型。

2.6 查找科學效應庫

通過屬性MP模型檢索科學效應檢索到145項科學效應，如聲學、汽轉球、機翼形、角動量守恒、拱以及阿基米德原理等。

2.7 篩選科學效應

在檢索到眾多的科學效應中，有些并不能滿足工程設計要求，因此需要對這些科學效應進行有效篩選，主要包含以下幾個方面：

（1）是否滿足功能定義中謂語、賓語或屬性參數的具體約束；

（2）科學效應產生條件是否容易實現，以及應用此科學效應產生的結構復雜程度和操作難易程度；

（3）軸承工作的外部環境是否對科學效應實現的功能產生影響；

（4）應用此科學效應產生的成本；

（5）可通過類比方法查找科學效應在其他領域的相似工程應用實例，實現所需的功能，并產生相應的結構；

（6）某些功能的實現不能靠單個科學效應來完成，需要不同科學效應的組合共同實現，因此需將不同科學效應進行組合來實現功能。

根據上述篩選機制，篩選出可能實現功能的科學效應，如離心力、壓縮、凸輪、曲軸、形變、偏心輪、電場、液壓缸、沖擊力、機械力、偽斯特林循環、反作用輪以及輥。

2.8 生成概念方案

分析篩選的科學效應，得到思路啟發，擬采用的方案之一是用機械力、凸輪效應形成的概念方案。運用機械力實現對滑動軸承的加載。凸輪根據設計的輪廓曲線，可以帶動從動件實現規律的往復運動。運用彈簧可將這種規律的往復運動轉化成載荷變化，實現動載荷的施加。

但是，機械凸輪只能實現一種規律的運動，如需改變運動規律，則需要更換凸輪，操作較麻煩。為了解決這個問題，使用電子凸輪，利用構造的凸輪曲線模擬機械凸輪，采用旋變作為位置傳感器將位置信息反饋給中央處理器。中央處理器將接收到的位置信號進行解碼、運算處理，并按設定要求在指定位置設置并輸出信號，從而實現任意規律的運動。

2.9 設計結構

滑動軸承試驗臺加載系統結構簡圖如圖4所示。滑動軸承座通過4個加載桿與下加載板相連，試驗主軸上的編碼器將旋轉信號傳送給伺服電機驅動器，驅動伺服電機按照設定好的運動規律運轉。伺服電機通過轉向箱帶動滾珠絲杠旋轉，滾珠絲杠通過絲杠螺母帶動上加載板上下移動，并通過彈簧擠壓下加載板，將載荷施加到滑動軸承座上。

圖4 滑動軸承試驗臺加載系統結構簡圖

3 仿真驗證

通過虛擬樣機對加載機構進行運動仿真，驗證了實驗臺可以施加變載荷。將加載機構如圖4所示進行連接配合，通過定義伺服電機的角位置變化實現機構運動。由于加載機構是滾珠絲杠通過絲杠螺母帶動上加載板移動，并壓縮彈簧實現加載，因此可以得到載荷F的計算公式為

式中：F為載荷，N；A為角位置變化量，°；P為滾珠絲杠螺距，mm；n為滾珠絲杠線數；k為彈簧勁度系數，N·mm-1。

角位置變化量A為從初始位置到計算位置時伺服電機轉過的角度，初始位置可以根據需要進行設定。由式（1）可知，試驗臺載荷由角位置變化量A、滾珠絲杠螺距P、滾珠絲杠線數n和彈簧勁度系數k共同決定。當選擇好滾珠絲杠型號和彈簧時，式（1）中的P、n、k皆變為常量。此時，載荷的大小只與角位置變化量相關。載荷的變化規律也只與角位置變化的規律相關。

以得到的載荷正弦規律變化為例，最大載荷值不超過1 000 N，周期為4 s，驗證實驗臺可以施加變載荷。

設置好伺服電機初始角位置，滾珠絲杠螺距為7 mm，線數為1，彈簧勁度系數為10 N·mm-1，設置伺服電機角位置變化規律如圖5所示，得到載荷變化趨勢如圖6所示。

圖5 伺服電機角位置變化

從圖5和圖6可以看出，載荷變化的規律和伺服電機角位置變化規律一致。因此，只要合理控制伺服電機輸出信號，就能得到期望的任意規律變載荷。

圖6 載荷變化趨勢

4 結語

以滑動軸承試驗臺為設計目標，在TRIZ指導下，提出了一套創新設計流程。運用此流程對變載荷施加設計要求，對滑動軸承試驗臺進行創新設計。經虛擬樣機模擬仿真，證明了創新流程和設計方案的可行性。此流程不僅可以啟發設計人員從不同領域得到不同的創新方案，還能縮短設計周期，加快創新設計的進程，為滑動軸承試驗臺創新設計提供了一種探索途徑。