基于TRIZ技術(shù)進(jìn)化分析軸承演進(jìn)

呂桂志

(菏澤學(xué)院 機(jī)電工程系，山東 菏澤 274000)

軸承是各類(lèi)機(jī)械裝備的重要基礎(chǔ)件，在機(jī)械裝備中起著承受載荷和傳遞運(yùn)動(dòng)的作用，被譽(yù)為機(jī)械裝備的“關(guān)節(jié)”。軸承的性能對(duì)主機(jī)性能起著至關(guān)重要的作用。下文以發(fā)明問(wèn)題解決理論(TRIZ)中的技術(shù)進(jìn)化理論為基礎(chǔ)，利用技術(shù)進(jìn)化理論的進(jìn)化模式和進(jìn)化路線對(duì)軸承演進(jìn)發(fā)展歷程進(jìn)行分析，并預(yù)測(cè)了軸承未來(lái)的發(fā)展方向。

1 TRIZ中關(guān)于功能的闡述

TRIZ理論認(rèn)為人們對(duì)技術(shù)系統(tǒng)所需要的是其表達(dá)的功能，技術(shù)系統(tǒng)只是所需功能的表達(dá)形式。技術(shù)系統(tǒng)由執(zhí)行不同功能的子系統(tǒng)組成，其在提供有用功能的同時(shí)，往往還會(huì)對(duì)系統(tǒng)或超系統(tǒng)提供有害功能。技術(shù)系統(tǒng)提供的功能包括有用功能、有害功能和中性功能[1]。

有用功能(UF)包括系統(tǒng)的主要功能、輔助功能和附加功能。主要功能指系統(tǒng)中的物體或物體元素完成特定功能來(lái)滿足超系統(tǒng)的需要。輔助功能用于提高主要功能的性能或提供系統(tǒng)的完整性，如從環(huán)境中保護(hù)系統(tǒng)、供應(yīng)和轉(zhuǎn)換能量、在同一系統(tǒng)中與其他元素相聯(lián)結(jié)等。除主要功能和輔助功能以外的功能為附加功能，附加功能可以為系統(tǒng)提供額外收益[2]。

有害功能(HF)包括所有給定元素相關(guān)的消耗，包括各種負(fù)面影響(銳邊、噪聲、缺損等)以及不需要的參數(shù)(質(zhì)量、尺寸等)。

中性功能(NF)是指僅在一定時(shí)期內(nèi)系統(tǒng)提供的功能可為企業(yè)增加效益(包括在一定時(shí)期可提高主要功能性能的輔助功能和在一定時(shí)期可提供額外收益的附加功能)以及既可提高主要功能性能或提供額外收益，但同時(shí)也會(huì)在一定時(shí)期內(nèi)產(chǎn)生不能去除的有害功能。

有關(guān)功能的算法如表1、表2所示。X,Y為用不同的變量分別表征不同功能，其中X&Y表征相關(guān)功能干涉時(shí)的或運(yùn)算；X·Y表征相關(guān)功能干涉時(shí)的與運(yùn)算。

表1 X&Y

表2 X·Y

2 TRIZ的技術(shù)進(jìn)化理論

2.1 進(jìn)化模式及進(jìn)化路線

技術(shù)進(jìn)化理論是TRIZ的理論基礎(chǔ)，其核心是技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則。TRIZ進(jìn)化理論主要研究技術(shù)在結(jié)構(gòu)上的進(jìn)化趨勢(shì)，即技術(shù)進(jìn)化模式及進(jìn)化路線。在宏觀層次上，可預(yù)測(cè)技術(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)化的為8個(gè)技術(shù)進(jìn)化模式，每一個(gè)宏觀模式在微觀層次上又有多條技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化路線，這些路線可定性地指明技術(shù)系統(tǒng)的演化方向。每條進(jìn)化路線是從結(jié)構(gòu)進(jìn)化的特點(diǎn)描述產(chǎn)品核心技術(shù)所處的狀態(tài)序列。

技術(shù)進(jìn)化理論的8個(gè)進(jìn)化模式為[3]：(1)技術(shù)系統(tǒng)都要經(jīng)歷出生、成長(zhǎng)、成熟和退出的生命周期；(2)向增加理想化水平的方向進(jìn)化；(3)子系統(tǒng)的不均衡發(fā)展導(dǎo)致沖突；(4)增加動(dòng)態(tài)性及可控性；(5)先增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，通過(guò)集成使系統(tǒng)簡(jiǎn)單；(6)零部件的匹配與不匹配；(7)由宏觀向微觀進(jìn)化，增加場(chǎng)的應(yīng)用，以得到更好的性能或控制；(8)通過(guò)增加自動(dòng)化水平減少人的參與。

2.2 基于功能分析的核心技術(shù)進(jìn)化

產(chǎn)品核心技術(shù)的意義為某種物理的、化學(xué)的、幾何的等科學(xué)原理實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[4]提出核心技術(shù)的性質(zhì)為：(1)如果產(chǎn)品采用該核心技術(shù)，其性能極限將高于已采用核心技術(shù)的性能極限；(2)如果產(chǎn)品采用該核心技術(shù)，其原有的性能極限將以較快的速度及較低的成本達(dá)到。滿足這兩條性質(zhì)之一即為產(chǎn)品新的核心技術(shù)，該核心技術(shù)可以替代已采用的核心技術(shù)。技術(shù)進(jìn)化的過(guò)程也就是產(chǎn)品進(jìn)化的過(guò)程，而產(chǎn)品進(jìn)化又是指其核心技術(shù)不斷被替代的過(guò)程。

根據(jù)TRIZ技術(shù)系統(tǒng)完整性定律以及產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)子系統(tǒng)之間的關(guān)系，可把技術(shù)系統(tǒng)的功能單元再次分為驅(qū)動(dòng)功能單元、傳動(dòng)功能單元、控制功能單元以及執(zhí)行功能單元等[5]，并可在此基礎(chǔ)上繼續(xù)分解出一系列非重疊的子功能集。文獻(xiàn)[6]提出了功能單元的選擇原則為：(1)功能單元的進(jìn)化能夠提高產(chǎn)品主要功能的效率，至少不影響主要功能；(2)功能單元的進(jìn)化不會(huì)產(chǎn)生新的有害功能；(3)消除原產(chǎn)品有害功能的同時(shí)不影響主要功能的完成。并認(rèn)為執(zhí)行功能單元完成產(chǎn)品的主要功能，其他單元完成產(chǎn)品的輔助功能。

待開(kāi)發(fā)的技術(shù)系統(tǒng)若滿足文獻(xiàn)[4]對(duì)核心技術(shù)性質(zhì)1的闡述，則反映了其所要表達(dá)的主要功能性能極限得以提升，沿此方向進(jìn)行的設(shè)計(jì)往往為具有重大技術(shù)突破的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其相關(guān)技術(shù)原理的改變?yōu)楫a(chǎn)品更新?lián)Q代的重要依據(jù)；待開(kāi)發(fā)的技術(shù)系統(tǒng)若滿足性質(zhì)2的闡述，則反映了其所要表達(dá)的主要功能性能的提升，現(xiàn)有的技術(shù)系統(tǒng)可更快達(dá)到其性能極限，沿此方向的設(shè)計(jì)一般為不同功能單元的組合、分解和裁減，可以依靠輔助功能核心技術(shù)性能極限的不斷提升，在短時(shí)期提高現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)主要功能的性能。

對(duì)產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)而言，如果稱(chēng)沿性質(zhì)1進(jìn)化的S曲線族為主要功能技術(shù)成熟度曲線，沿性質(zhì)2進(jìn)化的S曲線族為輔助或附加功能技術(shù)成熟度曲線，則其關(guān)系如圖1所示。

圖1 基于功能單元核心技術(shù)進(jìn)化的S曲線族

在表達(dá)產(chǎn)品主要功能的技術(shù)系統(tǒng)到達(dá)成熟期時(shí)，企業(yè)可以在研發(fā)可提高產(chǎn)品主要功能性能極限核心技術(shù)的同時(shí)，采用提高表達(dá)產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)輔助功能性能極限的方式，進(jìn)一步提高產(chǎn)品主要功能的性能。或者采用提高附加功能性能來(lái)增加企業(yè)收益，推遲現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)品退出期的到來(lái)，為產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)更新?lián)Q代的創(chuàng)新設(shè)計(jì)贏取時(shí)間。

3 軸承技術(shù)的演進(jìn)

3.1 軸承技術(shù)沿動(dòng)態(tài)性路線的演進(jìn)

TRIZ中給出的動(dòng)態(tài)性進(jìn)化路線為：固定→單關(guān)節(jié)→多關(guān)節(jié)→全柔性→液體、氣體→場(chǎng)。軸承的主要功能為支承相對(duì)旋轉(zhuǎn)的軸，并承受由軸傳遞的載荷。動(dòng)態(tài)性進(jìn)化路線也是軸承主要功能核心技術(shù)的進(jìn)化路線。

早期的旋轉(zhuǎn)軸承是無(wú)潤(rùn)滑的軸套軸承，其只是一個(gè)夾在車(chē)輪和輪軸之間的襯套，輪軸和軸承之間的摩擦為干摩擦。這種設(shè)計(jì)隨后被滾動(dòng)軸承替代(滾動(dòng)摩擦替代滑動(dòng)摩擦)，即用很多圓柱滾子替代原先的襯套，每個(gè)滾子就像一個(gè)單獨(dú)的車(chē)輪。1883年，F(xiàn)riedrich Fischer在德國(guó)發(fā)明了球磨機(jī)，使大批量、高精度的鋼球生產(chǎn)成為可能，從而開(kāi)始了球軸承的制造。

1886年，英國(guó)Reynold建立的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論為流體動(dòng)壓軸承的研究和應(yīng)用打下了理論基礎(chǔ)，由于液體潤(rùn)滑軸承的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使得其在工作轉(zhuǎn)速極高、特大沖擊與振動(dòng)、徑向空間尺寸受到限制或必須剖分安裝以及需要在水或腐蝕性介質(zhì)中工作的條件下占有重要地位。1932年，美國(guó)在陀螺儀上第1次進(jìn)行了氣體軸承的試驗(yàn)；1939年，德國(guó)為提高導(dǎo)彈精度而成功地將氣體動(dòng)壓軸承應(yīng)用于慣性導(dǎo)航儀上，開(kāi)始了氣體潤(rùn)滑軸承的研究使用。

1937年，德國(guó)的Kemper申請(qǐng)了第1個(gè)磁懸浮技術(shù)專(zhuān)利，國(guó)際上在20世紀(jì)60年代中期也開(kāi)始對(duì)電磁軸承進(jìn)行研究。其是利用電磁力使轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定懸浮起來(lái)且軸心位置可以由控制系統(tǒng)控制的一種新型軸承，具有無(wú)接觸、無(wú)摩擦磨損、轉(zhuǎn)速高、無(wú)需潤(rùn)滑和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其性能是目前使用的一般軸承所無(wú)法比擬的。

軸承主要功能沿動(dòng)態(tài)性路線演進(jìn)的趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 軸承主要功能核心技術(shù)動(dòng)態(tài)性進(jìn)化的S曲線族

由圖2可知，現(xiàn)有軸承中電磁軸承擁有最高的性能極限。因此，大力發(fā)展電磁軸承技術(shù)，進(jìn)一步完善其輔助功能核心技術(shù)以提高其主要功能核心技術(shù)的性能，將是軸承的重要發(fā)展方向之一。

3.2 無(wú)潤(rùn)滑軸承沿空間分割路線的演進(jìn)

TRIZ中給出的空間分割路線為：實(shí)體→洞→多洞→毛孔→添加活性因子。無(wú)潤(rùn)滑軸承提高其性能的演進(jìn)趨勢(shì)與此路線有相符之處。無(wú)潤(rùn)滑軸承起初采用的是實(shí)體結(jié)構(gòu)，為了快速發(fā)散干摩擦產(chǎn)生的熱量以及其他一系列問(wèn)題并提高其性能，無(wú)潤(rùn)滑軸承發(fā)展為擁有洞、多洞等結(jié)構(gòu)的軸承；直至鋼球在無(wú)潤(rùn)滑軸承上使用，為其添加了可滾動(dòng)的活性因子，再次提高了其性能。無(wú)潤(rùn)滑軸承沿空間分割路線演進(jìn)以提高產(chǎn)品性能與S曲線的關(guān)系如圖3所示。

圖3 無(wú)潤(rùn)滑軸承沿空間分割的演進(jìn)

從目前來(lái)看，無(wú)潤(rùn)滑軸承沿空間分割進(jìn)化路線的演進(jìn)已沒(méi)有了發(fā)展?jié)摿?。為了提高其輔助功能或附加功能核心技術(shù)的性能以使企業(yè)獲得更大收益，可以對(duì)無(wú)潤(rùn)滑軸承產(chǎn)品系列再次進(jìn)行分析，采用適合其發(fā)展的其他進(jìn)化路線。

3.3 滾動(dòng)軸承沿相似物體由單一到雙向再到多樣路線的演進(jìn)

沿相似物體由單一到雙向再到多樣的進(jìn)化路線為：?jiǎn)我幌到y(tǒng)→雙系統(tǒng)→三系統(tǒng)→多系統(tǒng)。與此相對(duì)應(yīng)的滾動(dòng)軸承演進(jìn)為：?jiǎn)瘟休S承→雙列軸承→多列軸承。

起初使用的軸承皆為只有一列滾動(dòng)體的單列軸承，直到1905年，瑞典工程師Winquist發(fā)明了世界上第1個(gè)調(diào)心球軸承，將軸承的性能提升到一個(gè)新的階段。以后又逐漸發(fā)展為多于兩列滾動(dòng)體、承受同一方向載荷的滾動(dòng)軸承，即多列軸承。

滾動(dòng)軸承在沿由單一到雙向再到多樣路線進(jìn)化的同時(shí)，也沿其他的進(jìn)化路線進(jìn)化，通過(guò)提高其輔助功能或附加功能核心技術(shù)的性能極限，提高其主要功能核心技術(shù)的性能，從而形成了滾動(dòng)軸承的多種結(jié)構(gòu)。

3.4 液體、氣體潤(rùn)滑軸承沿動(dòng)作調(diào)整路線的演進(jìn)

動(dòng)作調(diào)整的進(jìn)化路線為：不同步動(dòng)作→局部同步動(dòng)作→同步動(dòng)作→間隔時(shí)動(dòng)作。

液體動(dòng)壓軸承只有當(dāng)軸達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，軸頸才能穩(wěn)定在一定的偏心位置上，使軸承處于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)；在軸啟動(dòng)、停止或低速運(yùn)行時(shí)，會(huì)使軸頸和軸承處于不完全液體摩擦狀態(tài)，加大了啟動(dòng)力矩和軸承磨損，軸頸和軸承之間為不同步的動(dòng)作。

液體靜壓軸承依靠一個(gè)液壓系統(tǒng)供給壓力油，壓力油進(jìn)入軸承間隙里，強(qiáng)制形成壓力油膜以隔開(kāi)摩擦表面，保證軸頸在任何轉(zhuǎn)速和預(yù)定載荷下都與軸承處于液體摩擦狀態(tài)。但是靜壓軸承在工作轉(zhuǎn)速足夠高時(shí)也會(huì)產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，這一點(diǎn)在重載場(chǎng)合尤為明顯。此時(shí)，軸頸和軸承達(dá)到局部同步動(dòng)作的程度。

液體動(dòng)靜壓軸承是在液體動(dòng)壓軸承和液體靜壓軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的油膜軸承。動(dòng)靜壓軸承兼有動(dòng)壓和靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn)，其既有動(dòng)壓腔，又有靜壓腔。當(dāng)軸靜止或轉(zhuǎn)速低于臨界值時(shí)，靜壓供油系統(tǒng)向靜壓腔送入高壓油，將軸托起并承受載荷，使軸承處于完全液體摩擦狀態(tài)；當(dāng)軸在高速下正常運(yùn)行時(shí)，由動(dòng)壓供油系統(tǒng)向動(dòng)壓腔送入低壓油，使軸承在動(dòng)壓效應(yīng)下工作。若動(dòng)壓效應(yīng)仍不能形成足夠的承載力，則可同時(shí)向動(dòng)壓和靜壓腔供油，使軸承同時(shí)具備動(dòng)壓效應(yīng)和靜壓效應(yīng)，提高軸承承載力[7]，從而使軸頸與軸承之間的動(dòng)作達(dá)到同步。同理，氣體潤(rùn)滑軸承的演化規(guī)律與液體潤(rùn)滑軸承相似。液體或氣體潤(rùn)滑軸承沿動(dòng)作調(diào)整進(jìn)化與其對(duì)應(yīng)S曲線的關(guān)系如圖4所示。

圖4 液體或氣體潤(rùn)滑軸承沿動(dòng)作調(diào)整進(jìn)化

根據(jù)TRIZ沿動(dòng)作調(diào)整路線進(jìn)化分析可知，液體或氣體潤(rùn)滑軸承沿此路線仍具有向間隔時(shí)動(dòng)作方向進(jìn)化的潛力。

3.5 電磁軸承沿智能材料路線的演進(jìn)

沿智能材料進(jìn)化的路線為：被動(dòng)材料→單面適應(yīng)材料→雙面適應(yīng)材料→全適應(yīng)材料。沿此進(jìn)化路線的電磁軸承材料也由鐵磁材料、混合材料向超導(dǎo)材料的方向發(fā)展，對(duì)應(yīng)的電磁軸承形式也由有源磁力軸承經(jīng)混合磁力軸承向永磁磁力軸承的方向演進(jìn)[8-9]。

電磁軸承憑借其固有的優(yōu)勢(shì)將逐漸帶領(lǐng)機(jī)電行業(yè)走向一個(gè)沒(méi)有摩擦、沒(méi)有損耗和沒(méi)有限速的嶄新境界。從多條進(jìn)化路線分析探討電磁軸承的發(fā)展，對(duì)電磁軸承進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)以提高其主要功能核心技術(shù)性能，將具有重大意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

TRIZ中技術(shù)系統(tǒng)生命周期模式可以確定產(chǎn)品在S曲線上的位置。基于功能分析產(chǎn)品的核心技術(shù)，認(rèn)為產(chǎn)品的核心技術(shù)又可進(jìn)一步分為表達(dá)產(chǎn)品主要功能的核心技術(shù)和表達(dá)產(chǎn)品輔助功能的核心技術(shù)。企業(yè)可以先根據(jù)表達(dá)主要功能的核心技術(shù)，再根據(jù)表達(dá)輔助功能的核心技術(shù)，判斷出產(chǎn)品目前所處S曲線位置的狀況，對(duì)產(chǎn)品發(fā)展做出相應(yīng)合理的決策。

根據(jù)研究結(jié)果，分析了軸承沿TRIZ進(jìn)化路線進(jìn)化的規(guī)律，同時(shí)給出了可提高目前表達(dá)其主要功能核心技術(shù)性能的輔助功能沿TRIZ進(jìn)化路線的發(fā)展方向。