基于TRIZ理論的端極柱改進(jìn)研究

李春景 ，馬換玉 ，陳戰(zhàn)營 ，仲 華，方明學(xué)

（1.浙江天能電池（江蘇）有限公司，江蘇 沭陽 223600；2.青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266033）

0 引言

發(fā)明問題解決理論（TRIZ）是由蘇聯(lián)發(fā)明家和創(chuàng)造學(xué)家阿奇舒勒創(chuàng)立的。阿奇舒勒研究了大約4 萬份高水平專利，并以此為基礎(chǔ)經(jīng)過分析總結(jié)，揭示出專利產(chǎn)生的思維規(guī)律，提煉出發(fā)明家的思維方法[1-2]。

閥控式鉛蓄電池因其使用期間免維護(hù)、不漏酸、不排酸霧等優(yōu)點，廣泛用于通信、電動車等領(lǐng)域。閥控式鉛蓄電池大多采用銅芯型端極柱與外圍設(shè)備連接，傳導(dǎo)電流，這種端極柱具有接觸面好、美觀等特點。使用鍍銀銅芯的端極柱，因銅芯表面鍍層與鉛基結(jié)合不良，在擰螺栓時容易發(fā)生松動，當(dāng)大電流通過時會發(fā)熱，導(dǎo)致端極柱熔化。后經(jīng)過論證，對于使用鍍錫銅芯制造的端極柱，其鍍層防腐蝕能力弱，在生產(chǎn)過程中接觸到硫酸容易被腐蝕，影響美觀。針對上述問題，采用 TRIZ 理論進(jìn)行系統(tǒng)分析，以求找到解決問題的方法。

1 TRIZ解題流程

如圖1所示，當(dāng)遇到難以解決的問題時，先分析技術(shù)發(fā)展的一般規(guī)律，確定難題的技術(shù)成熟程度，展望發(fā)展趨勢，找出理想解。然后分析技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)成，運(yùn)用功能、資源和矛盾分析等工具，理清技術(shù)矛盾，將待解決的問題轉(zhuǎn)化為 TRIZ 問題模型。再利用 TRIZ 理論提供的矛盾矩陣表、物場分析、發(fā)明原理和知識效應(yīng)庫等工具進(jìn)行求解，得出解決方案[3]。

圖1 TRIZ 解題流程

2 銅芯端極柱改進(jìn)研究

2.1 端極柱的類型

鉛蓄電池端極柱的功能是將蓄電池內(nèi)部極板與外部電器連接，起導(dǎo)電作用。因為電池內(nèi)部的集流體是金屬鉛，外部連接線是銅導(dǎo)線，牢固實用的端極柱是保證電量傳遞的重要零件。圖2和表1列舉了常用類型的端極柱，因其結(jié)構(gòu)和材料不同，各有優(yōu)缺點。閥控式鉛蓄電池大多使用帶有銅芯的端極柱。

圖2 端極柱

表1 端極柱類型及其優(yōu)缺點

2.2 銅芯端極柱系統(tǒng)分析

如圖3所示，銅芯端極柱由銅芯和鉛基兩部分組成，銅芯一般使用黃銅表面電鍍金屬，鉛基使用鉛錫合金。銅芯部分上部設(shè)計有螺紋孔，方便使用螺栓固定連接線，圓形銅芯表面與銅鼻子接觸增強(qiáng)導(dǎo)電性能。銅芯下部設(shè)計了凹凸結(jié)構(gòu)，增加表面積，提高與鉛基的結(jié)合力，能承受一定的扭力。鉛基底部與電池內(nèi)部的匯流排焊接到一起，起到導(dǎo)電和固定的作用。

圖3 銅芯端極柱結(jié)構(gòu)圖

所有產(chǎn)品都是不斷由低級向高級演化的[4]，首先利用九屏幕法分析銅芯端極柱的超系統(tǒng)和子系統(tǒng)，可以明晰產(chǎn)品的發(fā)展歷程。如圖4所示，當(dāng)前系統(tǒng)是銅芯端極柱，系統(tǒng)的過去是鉛端極柱，未來可能是無形端極柱，發(fā)揮輸入和輸出電量的作用；超系統(tǒng)是閥控式鉛蓄電池，超系統(tǒng)的過去是開口鉛蓄電池，未來升級為智能蓄電池，具有自動控制功能；子系統(tǒng)是銅芯，其包含包裹銅芯的鍍層，子系統(tǒng)的過去是鉛柱，未來可能發(fā)展為無線傳輸器。通過九屏幕法分析，能夠更加清晰地了解到銅芯端極柱所處的技術(shù)發(fā)展階段，確定了其周邊的資源，為后續(xù)解決問題提供了更多的信息，為未來的產(chǎn)品開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

圖4 九屏幕法分析

為了明確系統(tǒng)內(nèi)部和外部的相互作用關(guān)系，再建立銅芯端極柱的功能模型（圖5），該系統(tǒng)的主要功能是導(dǎo)電。超系統(tǒng)組件匯流排與鉛基連接傳輸電流，蓄電池蓋固定端極柱，螺栓將連接線與銅芯緊固到一起，保證可靠的導(dǎo)電作用。當(dāng)螺栓旋轉(zhuǎn)的扭力過大時，會造成銅芯與鉛基之間發(fā)生相對的轉(zhuǎn)動，增加接觸電阻，使導(dǎo)電性能下降。另外，在電池灌酸充放電的過程中，銅芯可能接觸到硫酸電解液，導(dǎo)致銅芯表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，影響外觀和導(dǎo)電性能。

圖5 功能模型圖

2.3 銅芯端極柱的改進(jìn)方案

從功能模型可以定義出銅芯端極柱的物理矛盾，對銅芯表面材料有兩個不同要求，分別是：制造端極柱時，要求銅芯表面穩(wěn)定性低，和鉛基緊密結(jié)合，防止相對運(yùn)動；組裝成電池后，要求銅芯表面穩(wěn)定性高，防止腐蝕。

TRIZ 理論針對解決物理矛盾提出了分離原理，包括空間分離、時間分離、基于條件的分離、整體和部分的分離[3]，這 4 個分離原理與 40 個創(chuàng)新原理的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 分離原理與創(chuàng)新原理的對應(yīng)關(guān)系

按照分離原理的指引方向，結(jié)合工作經(jīng)驗選取可行的創(chuàng)新原理，形成如下的改進(jìn)方案。

方案 1：利用創(chuàng)新原理“01 分割”，將銅芯分割為銅套和螺紋孔芯兩部分，如圖6所示，在螺紋孔芯電鍍穩(wěn)定性較低的錫鍍層，保證了銅芯與鉛基的結(jié)合度。銅套在加酸充電過程完成后安裝，能完全避免表面被硫酸腐蝕。

方案 2：利用創(chuàng)新原理“01 分割”，將銅芯端極柱分割為銅芯和鉛極柱兩部分，如圖7所示，銅芯部分增加銅片結(jié)構(gòu)，電鍍穩(wěn)定性較高的銀鍍層，銅芯、銅片和鉛極柱分別用焊錫絲焊接，結(jié)合度高，不容易發(fā)生轉(zhuǎn)動。在加酸充電過程中，對鍍銀銅芯涂抹防酸油進(jìn)行防護(hù)，能夠保證絕大多數(shù)不被腐蝕。

方案 3：利用創(chuàng)新原理“30 柔性外殼或薄膜”，圖8是導(dǎo)線式端子，它使用有絕緣層的銅導(dǎo)線代替銅芯，能有效規(guī)避腐蝕和扭力的問題，還增加了防水的功能，并且符合系統(tǒng)從有形到無形的進(jìn)化方向[5]。

圖6 銅芯分離

圖7 極柱分離

圖8 導(dǎo)線式端子

方案 4：利用創(chuàng)新原理“30 柔性外殼或薄膜”，加酸充電過程前將鍍錫銅芯表面覆蓋塑料薄膜，防止其與硫酸接觸。

方案5：利用創(chuàng)新原理“11 事先防范”，加酸充電過程前先安裝連體加酸壺，防止硫酸濺到電池表面。

方案6：利用創(chuàng)新原理“21 減少有害作用的時間”，增加電池的充電電流，縮短充電時間，減少端極柱腐蝕發(fā)生的數(shù)量。

方案7：利用創(chuàng)新原理“物理或化學(xué)參數(shù)改變”，使用壓力鑄造技術(shù)生產(chǎn)銅芯端極柱，能提高鍍銀銅芯與鉛基的結(jié)合度，提高耐受扭力的能力[6]。

結(jié)合生產(chǎn)工藝的實際情況和效益分析，選取方案 1、5 和 6 進(jìn)行了改進(jìn)試驗，明顯改善了銅芯端極柱松動和腐蝕的問題，取得了良好的效果。

3 結(jié)論

通過 TRIZ 理論的實際應(yīng)用，幫助技術(shù)人員快速找到解決問題的方向，對于解決端極柱的松動和腐蝕問題起到了非常有效的作用。在技術(shù)問題的解決過程中，提升了企業(yè)技術(shù)人員的創(chuàng)新能力，提高了產(chǎn)品的設(shè)計水平，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，更找到了立足企業(yè)自主創(chuàng)新和產(chǎn)品實現(xiàn)的新思路。

[1] 牛占文, 徐燕申, 等.發(fā)明創(chuàng)造的科學(xué)方法論——TRIZ[J].中國機(jī)械工程, 1999, 10(1): 84-89.

[2] Emily M Smith.From Russia with TRIZ[J].Mechanical Engineering, 2003, 125: 18-20.

[3] 趙萍萍.發(fā)明問題解決理論（TRIZ）培訓(xùn)教材[M].南京: 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社, 2011.

[4] 張簡一, 郭艷玲, 楊樹財, 王義文.基于 TRIZ 理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計, 2009, 26(2):35-37.

[5] 馬軍.鉛蓄電池的防水絕緣導(dǎo)線式端子[P].中國專利, 200820079730.5.2008-12-31.

[6] 李軍, 李春景, 楊惠強(qiáng), 方明學(xué).閥控式鉛酸蓄電池高扭矩銅芯極柱的研究[J].電動自行車, 2011(8): 20-21.