基于TRIZ的3工位作動(dòng)筒創(chuàng)新設(shè)計(jì)

金文棟，杜桂賢

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ）是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller，1926～1998） 于 1946年創(chuàng)立的理論。TRIZ是研究人類進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過(guò)程中所遵循的科學(xué)原理和法則，其基本原理是技術(shù)系統(tǒng)在消除內(nèi)部沖突的進(jìn)化過(guò)程中遵循的客觀規(guī)律，曾經(jīng)被稱作前蘇聯(lián)的“國(guó)術(shù)”和“點(diǎn)金術(shù)”。TRIZ指出：產(chǎn)品及其技術(shù)的發(fā)展總是遵循著一定的客觀規(guī)律，解決發(fā)明問(wèn)題過(guò)程中所尋求的科學(xué)原理和法則是客觀存在的，大量發(fā)明面臨的基本問(wèn)題和矛盾（技術(shù)矛盾和物理矛盾）也是相同的，同樣的技術(shù)創(chuàng)新原理和相應(yīng)的解決問(wèn)題方案，會(huì)在后來(lái)的發(fā)明創(chuàng)新中被反復(fù)應(yīng)用，只是所屬的技術(shù)領(lǐng)域可能不同，因此，提煉和重組已有的知識(shí)，形成1套系統(tǒng)化的理論，可以指導(dǎo)后來(lái)的發(fā)明創(chuàng)造、創(chuàng)新和開發(fā)，從而能動(dòng)地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)并預(yù)測(cè)產(chǎn)品的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員而言，產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程就是不斷解決其存在的基本問(wèn)題和矛盾的過(guò)程，而TRIZ正是工程設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中最有用的工具之一。

本文通過(guò)應(yīng)用TRIZ中的部分工具體系，提出了1種具有3工位工作的作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)，并在TRIZ的指導(dǎo)下對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，最終得到1種適用于工程實(shí)際的方案結(jié)構(gòu)。

1 3工位作動(dòng)筒創(chuàng)新設(shè)計(jì)

TRIZ體系是以辯證法、系統(tǒng)論和認(rèn)識(shí)論為哲學(xué)指導(dǎo)，以自然科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)和思維科學(xué)的分析和研究成果為根基和支柱，以技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則為理論基礎(chǔ)，以技術(shù)系統(tǒng)或技術(shù)過(guò)程矛盾、資源、理想化為4大基本概念，包括了解決工程矛盾問(wèn)題和復(fù)雜發(fā)明問(wèn)題所需的各種分析方法、解題工具和算法流程。利用ARIZ解決具體問(wèn)題的思路如圖1所示。首先將1個(gè)待解決的具體問(wèn)題轉(zhuǎn)化并表達(dá)為TRIZ的問(wèn)題模型，利用TRIZ中的工具獲得解決方案模型；然后針對(duì)具體問(wèn)題，應(yīng)用專業(yè)知識(shí)將TRIZ的解決方案模型轉(zhuǎn)化為具體問(wèn)題的最終解決方案。這種解決問(wèn)題的模式比以往靠“經(jīng)驗(yàn)法”、“試錯(cuò)法”、“頭腦風(fēng)暴法”等傳統(tǒng)創(chuàng)新方法來(lái)的更快、效率更高；同時(shí)，縮小了解決問(wèn)題的思路方向與最終理想解的偏差，使創(chuàng)新變得容易，比直接利用專業(yè)知識(shí)求解的效率更高，而且最終解的質(zhì)量也更高。下面以3工位作動(dòng)筒的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹。

圖1 TRIZ解決問(wèn)題的思路

1.1 現(xiàn)有作動(dòng)筒存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)噴管一般由液壓作動(dòng)筒控制，當(dāng)作動(dòng)筒活塞桿處于兩端機(jī)械限位時(shí)，對(duì)應(yīng)噴管面積也處于1個(gè)機(jī)械最大或最小位置。液壓作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可見(jiàn)，在活塞桿完全伸出時(shí)處于1個(gè)機(jī)械限位位置，其收回時(shí)處于另外1個(gè)機(jī)械限位位置，而當(dāng)噴管需要在中間某一特定位置長(zhǎng)時(shí)間停留時(shí)，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械限位，只能通過(guò)位移傳感器給出位移信號(hào)，然后由控制系統(tǒng)操縱作動(dòng)筒來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就使得噴管結(jié)構(gòu)、控制及整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜且經(jīng)濟(jì)成本較高。為使作動(dòng)筒活塞桿可在中間某一特定位置實(shí)現(xiàn)機(jī)械限位，而不需要其余復(fù)雜的位移信號(hào)及控制系統(tǒng)，需設(shè)計(jì)1種具有3工位工作的作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)。

圖2 傳統(tǒng)液壓作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)

1.2 基于TRIZ的問(wèn)題分析

圖3 利用TRIZ解決問(wèn)題的流程

TRIZ的解題模式如圖3所示。TRIZ中問(wèn)題模型的建立與其工具都有1套完整的理論體系。對(duì)作動(dòng)筒進(jìn)行功能分析發(fā)現(xiàn)，該作動(dòng)筒缺乏無(wú)法實(shí)現(xiàn)在中間特定位置機(jī)械限位的功能。對(duì)該非結(jié)構(gòu)化問(wèn)題，利用TRIZ中的物場(chǎng)模型和標(biāo)準(zhǔn)解法，建立該待解決問(wèn)題的問(wèn)題模型，并得到相應(yīng)的解決方案模型，如圖4所示。在建立的物場(chǎng)模型中，作動(dòng)筒對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)噴管而言存在1個(gè)不充分的作用，即不具備在中間特定位置機(jī)械限位的功能，通過(guò)物場(chǎng)模型的標(biāo)準(zhǔn)解，必須在作動(dòng)筒系統(tǒng)中引入1個(gè)新的組件，以實(shí)現(xiàn)該功能。

F1—機(jī)械場(chǎng)；S1—噴管；S2—作動(dòng)筒；S3—新組件； —不充分作用

1.3 應(yīng)用TRIZ工具得出的創(chuàng)新方案

在TRIZ體系中，ARIZ是解決發(fā)明問(wèn)題的完整算法，是指對(duì)1個(gè)初始問(wèn)題進(jìn)行了一系列變形再定義等非計(jì)算性的邏輯過(guò)程，集成了TRIZ體系中大多數(shù)的觀點(diǎn)和工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題的逐步深入分析和轉(zhuǎn)化，最終解決問(wèn)題。該算法強(qiáng)調(diào)問(wèn)題矛盾與理想解的標(biāo)準(zhǔn)化，一方面技術(shù)系統(tǒng)向理想解的方向進(jìn)化，另一方面如果1個(gè)技術(shù)問(wèn)題存在矛盾需要克服，則該問(wèn)題就變成1個(gè)創(chuàng)新問(wèn)題。利用ARIZ算法解決創(chuàng)新問(wèn)題的流程如圖5所示。

圖5 ARIZ算法解決創(chuàng)新問(wèn)題的流程

針對(duì)作動(dòng)筒缺少中間機(jī)械限位的初始問(wèn)題，利用ARIZ解題主要步驟如下。

（1）最小問(wèn)題選定。通過(guò)對(duì)該技術(shù)系統(tǒng)矛盾的定義與分析，根據(jù)現(xiàn)有作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需引入1個(gè)新的組件，使其能夠?qū)崿F(xiàn)作動(dòng)筒中間特定位置機(jī)械限位的功能；同時(shí)，要求對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不做大的改動(dòng)。

（2）問(wèn)題模型分析。在作動(dòng)筒系統(tǒng)中，活塞桿可實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒兩端機(jī)械限位的功能，為使作動(dòng)筒能實(shí)現(xiàn)中間特定位置的機(jī)械限位，引入1個(gè)新的活塞桿，利用其功能，即可實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒中間位置機(jī)械限位功能。

（3）最終理想解和物理矛盾。在作動(dòng)筒系統(tǒng)中引入1個(gè)新的活塞桿，可實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒3工位要求，又不會(huì)喪失原作動(dòng)筒功能。為了實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒中間位置機(jī)械限位功能，新引入活塞桿限位位置必須位于作動(dòng)筒中間，而為了使作動(dòng)筒原兩端機(jī)械限位功能不喪失，新引入活塞桿限位位置又不能位于作動(dòng)筒中間。對(duì)此，需要思考如何使新引入的活塞桿限位位置既能位于作動(dòng)筒中間，又不能使作動(dòng)筒原兩端機(jī)械限位功能喪失。

（4）物理矛盾去除方法。調(diào)動(dòng)和使用物場(chǎng)資源，用“小人法”模擬，并利用物場(chǎng)資源，充分考慮第3步提出所需解決的問(wèn)題，用作動(dòng)筒系統(tǒng)中“空間＋物質(zhì)”的組合資源，初步得到1個(gè)技術(shù)方案，如圖6所示。在該技術(shù)方案結(jié)構(gòu)中，原作動(dòng)筒活塞桿位置未發(fā)生變化，其機(jī)械兩端的機(jī)械限位方式也保持不變。新引入的活塞桿位于作動(dòng)筒右側(cè)，并相應(yīng)增加1個(gè)容腔，當(dāng)作動(dòng)筒需要在中間特定位置限位時(shí)，其左端和中間油路同時(shí)進(jìn)油，對(duì)每個(gè)活塞桿而言，其有桿腔與無(wú)桿腔之間始終存在1個(gè)壓力差，使得左端活塞桿向右移動(dòng)，而新引入活塞桿向左移動(dòng)。當(dāng)2個(gè)活塞桿頂靠在一起時(shí)，由于新引入活塞桿有桿腔面積大于原活塞桿的，雖兩端壓力相同，但新引入活塞桿向左的作用力始終大于原活塞桿向右的，此時(shí)2個(gè)活塞桿同時(shí)向左移動(dòng)，當(dāng)新引入活塞桿上限位螺母與作動(dòng)筒中間部分頂靠在一起時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械限位，而新引入活塞桿向左移動(dòng)的距離即為原活塞桿所需中間機(jī)械限位位置。

（5）分析已得到的方案。由第4步所得出的初步技術(shù)方案可知，新引入的活塞桿不但實(shí)現(xiàn)了作動(dòng)筒中間機(jī)械限位的功能，同時(shí)原活塞桿的功能也沒(méi)有被破壞，基本上解決了該作動(dòng)筒技術(shù)系統(tǒng)存在的矛盾，實(shí)現(xiàn)了初始問(wèn)題的順利解決。

由上述ARIZ算法主要解題步驟可知，該算法具有優(yōu)良的操作性、系統(tǒng)性、實(shí)用性以及易流程化等特性，成為TRIZ理論的重要支撐，對(duì)于解決那些問(wèn)題情景復(fù)雜、矛盾不明顯的非標(biāo)準(zhǔn)發(fā)明問(wèn)題，可行且有效。

圖6 3工位作動(dòng)筒初步方案

2 應(yīng)用TRIZ工具進(jìn)行方案優(yōu)化

上文描述的初步方案雖然有效，但距工程應(yīng)用依然有一定距離，主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)比原作動(dòng)筒的復(fù)雜，不便于維修。為此，必須在該方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用TRIZ工具優(yōu)化方案的主要步驟是，首先對(duì)該方案用TRIZ術(shù)語(yǔ)定義其存在的技術(shù)矛盾，然后利用TRIZ工具解決。在TRIZ工具體系中，技術(shù)系統(tǒng)中出現(xiàn)的絕大部分技術(shù)矛盾可用39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)來(lái)定義，然后利用矛盾矩陣找出相應(yīng)的創(chuàng)新原理，對(duì)技術(shù)矛盾加以解決。

在現(xiàn)方案中，要解決的主要技術(shù)矛盾是指作動(dòng)筒系統(tǒng)的復(fù)雜性與可維修性之間的矛盾，優(yōu)化的目的在于改善系統(tǒng)的復(fù)雜性，由此根據(jù)矛盾矩陣，可利用40個(gè)創(chuàng)新原理中的分割和反向作用原理來(lái)優(yōu)化該方案。在得到的初步方案中，系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜的原因主要是：為使新引入的活塞桿起到應(yīng)有作用，而同時(shí)原活塞桿功能不喪失，新引入活塞桿的同時(shí)引入了相關(guān)輔助功能的零件。利用分割原理，若將原活塞桿一分為二，既可實(shí)現(xiàn)新引入活塞桿功能，又可保留原活塞桿功能，則不需要引入更多輔助功能的零件，使系統(tǒng)的復(fù)雜性得到改善。優(yōu)化后的方案如圖7所示。在優(yōu)化后的方案結(jié)構(gòu)中，原作動(dòng)筒活塞桿左端保留了原活塞桿功能，右端實(shí)現(xiàn)了新引入活塞桿功能，其工作原理與初步方案基本相同，惟一變化的是利用分割原理實(shí)現(xiàn)了2個(gè)活塞桿“共行程”，使整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，達(dá)到了預(yù)期優(yōu)化目的，可應(yīng)用于工程實(shí)踐。

圖7 優(yōu)化后3工位作動(dòng)筒方案

3 結(jié)束語(yǔ)

利用TRIZ創(chuàng)新思想和自身經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，指導(dǎo)整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及優(yōu)化的全過(guò)程，不僅肯定了人們的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，同時(shí)提高了整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)；但同時(shí)要求設(shè)計(jì)人員必須掌握一定的TRIZ運(yùn)用技巧和專業(yè)知識(shí)。將二者很好地結(jié)合是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。3工位作動(dòng)筒的設(shè)計(jì)，打破了常規(guī)設(shè)計(jì)的慣性思維，使作動(dòng)筒獲得了新功能，在設(shè)計(jì)及優(yōu)化過(guò)程中較好地應(yīng)用了TRIZ理論和專業(yè)知識(shí)，得到了最終問(wèn)題的理想解。

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