基于TRIZ理論的平面匯交力系實驗臺創(chuàng)新設(shè)計

張明，董炯，夏宗喜，張群，張利軒

（1.遼東學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，遼寧丹東118003；2.遼東學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，遼寧丹東118003）

基于TRIZ理論的平面匯交力系實驗臺創(chuàng)新設(shè)計

張明1，董炯2，夏宗喜2，張群2，張利軒2

（1.遼東學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，遼寧丹東118003；2.遼東學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，遼寧丹東118003）

針對目前力學(xué)系列實驗臺中尚無對平面匯交力系的受力分析進(jìn)行原理性示教的現(xiàn)狀，利用TRIZ理論進(jìn)行實驗臺創(chuàng)新設(shè)計。設(shè)計中采用TRIZ理論的九屏幕分析方法分析整理了實驗臺的力的性質(zhì)、力的分析和力的平衡等主要要素，明確了要素間的聯(lián)系與矛盾，理清設(shè)計思路。利用TRIZ理論的矛盾矩陣、創(chuàng)新發(fā)明原理等工具解決了力的施加角度、性質(zhì)與數(shù)量的影響、重力作用過程中對匯交力系的影響、力的合成與分解、平衡與非平衡等技術(shù)問題。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的實驗臺能夠演示二力桿及二力桿的平衡、平面內(nèi)任意力在X和Y軸上的投影、平面三力以上匯交的力分解或合成及平面匯交力系平衡條件等，通過實驗方法進(jìn)一步驗證平行四邊形法則，也填補了力學(xué)實驗臺的空白。

TRIZ；匯交力系；實驗臺；設(shè)計

平面匯交力系是力學(xué)中的一種簡單力系，是研究復(fù)雜力系的基礎(chǔ)。教學(xué)中常用幾何法和解析法研究該力系的合成和平衡問題。目前，通過實驗驗證力學(xué)問題的方法主要有：高中物理使用拉力傳感器和細(xì)繩測量力的大小與方向，結(jié)構(gòu)力學(xué)中對桁架受力變形量的測量，工程力學(xué)中對材料力學(xué)性能的測量等，以上實驗方法和設(shè)備無法全面、準(zhǔn)確的對平面匯交力系的受力性質(zhì)、等效分析、分解與合成進(jìn)行原理性示教［1］。本文應(yīng)用TRIZ理論對平面匯交力系實驗臺設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析研究，給出優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計方案，解決了平面匯交力系實驗臺的設(shè)計問題。

1 TRIZ理論簡介

TRIZ是俄文“發(fā)明問題解決理論”單詞的縮寫，該理論是在分析研究世界各國250萬件專利的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了人類在進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理與法則后建立的。TRIZ理論總結(jié)出了解決技術(shù)沖突40條發(fā)明原理和表示技術(shù)矛盾常用的39個通用工程參數(shù)，被世界各國普遍用于解決工程實際問題［2］。

1.1 九屏幕法

九屏幕法是TRIZ理論提出的一種克服思維慣性的獨特創(chuàng)新思維方法，其標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成如圖1所示。它從系統(tǒng)、時間和空間三個維度系統(tǒng)剖析事物間的普通聯(lián)系與因果關(guān)系，從而更好地開發(fā)創(chuàng)新思維與解決問題［3］。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)九屏幕的構(gòu)成

1.2 沖突解決方法

發(fā)明問題的核心是解決沖突，產(chǎn)品的進(jìn)化過程就是不斷解決產(chǎn)品存在沖突的過程。TRIZ理論認(rèn)為，產(chǎn)品創(chuàng)新的標(biāo)志是解決或移走設(shè)計中的沖突，而產(chǎn)生新的競爭力出來［4］。在TRIZ理論中，工程中存在的沖突可歸結(jié)為三類：物理沖突、技術(shù)沖突和管理沖突。物理沖突是指系統(tǒng)（機(jī)器、設(shè)備、材料、儀器等的統(tǒng)稱）中的問題，是由1個參數(shù)導(dǎo)致的，即：系統(tǒng)一方面要求該系統(tǒng)正面發(fā)展，另一方面要求該系統(tǒng)負(fù)面發(fā)展。技術(shù)沖突是指系統(tǒng)中的問題是由2個參數(shù)導(dǎo)致的，2個參數(shù)相互促進(jìn)、相互制約。管理沖突是指子系統(tǒng)之間產(chǎn)生的相互影響［5］。

2 問題分析與沖突的解決方法

2.1 運用九屏幕法分析

運用TRIZ理論中九屏幕法對平面匯交力系進(jìn)行分析，首先畫出九屏幕表格，用平面匯交力系中要解決的實際問題去替換標(biāo)準(zhǔn)九屏幕表格的內(nèi)容，重新獲得的九屏幕構(gòu)成如圖2所示。從圖中得出設(shè)計力系要考慮的因素包括：力的性質(zhì)、力的分析和力的平衡。實驗臺設(shè)計需要考慮力的體現(xiàn)與外界干擾因素的解決方法。

圖2 平面匯交力系的九屏幕構(gòu)成

2.2 沖突的分析

運用TRIZ理論的矛盾參數(shù)表對平面匯交力系進(jìn)行分析，得出設(shè)計平面匯交力系需要考慮39通用工程參數(shù)表中編號為：2、4、6、8、9、10、11、12、13、14、16、20、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36和37等矛盾參數(shù)，本文就矛盾參數(shù)對應(yīng)的相對突出的幾個問題進(jìn)行分析：

2.2.1 技術(shù)沖突

（1）匯交點的質(zhì)量高于其他部分，為測量各力之間的角度關(guān)系需在匯交點設(shè)置量角器，又增加了匯交點的質(zhì)量；

（2）作用力采用重力可以節(jié)約能源，但重力鉛垂向下，分析復(fù)雜力，不可能全是鉛垂向下的力；

（3）多角度施加力，逐一設(shè)計各點位置，不方便、不現(xiàn)實，也不節(jié)約；

（4）多力合力作用實驗臺上，其合力的大小要通過達(dá)到平衡來直觀反映出來，需要準(zhǔn)備各種質(zhì)量的砝碼，計算后加載在合力方向的同一直線上，計算量大，很不方便；同時力的分解也會出現(xiàn)同樣的問題。

2.2.2 物理沖突

（1）力與匯交點的連線既要求有足夠的強(qiáng)度保證施加力和施加力后的安全，又要線徑細(xì)、質(zhì)量輕；

（2）力轉(zhuǎn)換方向的裝置在使用時既要安裝牢固，又要方便快捷等。

3沖突的解決

依據(jù)TRIZ理論對沖突問題的分析，找尋技術(shù)沖突（1）的解決方法是：將平面匯交力系實驗臺設(shè)計為水平式，匯交點增加滑動小車，如圖3所示，該結(jié)構(gòu)克服了匯交點的質(zhì)量影響，保證在多力作用時，在平面內(nèi)自動尋求平衡位置，并能及時獲取各力間的角度，具體結(jié)構(gòu)詳見專利［6-7］。

技術(shù)沖突（2）的解決方法是：平面匯交力系實驗臺設(shè)計為水平式，實驗臺四周固定多個滑輪，如圖3所示，牽引重物的繩索繞過滑輪交匯在匯交點上，完成力的方向變化。

技術(shù)沖突（3）的解決方法是：采用技術(shù)沖突（2）的解決方法，僅僅將滑輪固定裝置改為方便快捷的夾持結(jié)構(gòu)，使其在實驗臺邊任意一點可以夾持固定，實現(xiàn)無級變化。

技術(shù)沖突（4）的解決方法是：被分析的力借助重物連接繩索繞過滑輪交匯在匯交點上，分析部分的結(jié)構(gòu)采用彈簧秤或拉力傳感器，將彈簧秤或拉力傳感器一端固定在實驗臺上，另一端連接繩索繞過滑輪交匯在匯交點上，通過觀察彈簧秤或拉力傳感器及量角器示值，得到匯交力合力或分力的大小，以及與作用力間的關(guān)系，驗證平行四邊形法則，如圖4所示，具體結(jié)構(gòu)詳見文獻(xiàn)［6］。

圖3 臥式平面匯交力系等效實驗臺

圖4 立式平面匯交力系等效實驗臺

為了避免實驗臺只能在實驗室使用的局限性，設(shè)計了便攜式平面匯交力系的等效實驗臺，由滑輪、繩索、活動支架、彈簧秤、砝碼盤、砝碼、可活動的量角刻度盤等組成，如圖5所示，具體結(jié)構(gòu)詳見（ZL201420705488.3）便攜式平面匯交力系的等效實驗臺［8］，任意選取一個帶邊桌子，固定活動支架，通過繩索繞過對應(yīng)的滑輪后分別連接砝碼盤或彈簧秤，在砝碼盤上加減砝碼，達(dá)到平衡后，驗證同向力、反向力，及其它復(fù)雜條件下的平面匯交力系分力與合力的等效性，通過讀取砝碼質(zhì)量、彈簧秤刻度和測量繩索間平衡條件下的夾角，獲得復(fù)雜的平面匯交力系的力的等效與替換、合力與分力的條件，進(jìn)一步驗證平行四邊形法則。

圖5 便攜式平面匯交力系等效實驗臺

4 結(jié)論

本設(shè)計通過支座連接滑輪固定在桌子上，繩索分別繞過對應(yīng)的滑輪后與砝碼盤和砝碼連接，驗證復(fù)雜條件下的平面匯交力系分力與合力的等效性，通過讀取砝碼質(zhì)量、彈簧秤測量值和測量繩索間實際工作條件下繩索間的夾角，獲得復(fù)雜平面匯交力系力的等效與替換、合力與分力的條件，進(jìn)一步驗證平行四邊形法則；由于量角刻度盤和量角刻度盤座的水平放置，并有量角刻度盤座萬向輪支撐，可在實驗桌上移動，繩索垂直力經(jīng)滑輪轉(zhuǎn)變?yōu)樗搅Γ?，量角刻度盤、量角刻度盤座和量角刻度盤座萬向輪的質(zhì)量對實驗沒有影響。本設(shè)計只借助重力作為實驗的源動力，不需要任何其他力，低碳環(huán)保；特別是便攜式的實驗裝置，可在任意有邊沿的桌子上夾持、安裝和固定，位置隨意可調(diào)，可進(jìn)行任一條件下平面匯交力系的驗證，不需要單獨定制實驗桌；整套裝置攜帶方便，不需要單獨實驗室，在教室或?qū)嬍业扔胁僮骺臻g的場所均可進(jìn)行實驗；實驗設(shè)備簡潔、直觀、易學(xué)，可裝箱隨身攜帶。

所不足的是：（1）臥式和便攜式平面匯交力系的等效實驗臺課堂演示使用時，學(xué)生只能近前觀察，立式的則因為無法克服量角器的重力作用，測量結(jié)果偏差較大，所以，可以考慮在臥式和便攜式平面匯交力系的等效實驗臺上臨時架設(shè)反光鏡，將實驗結(jié)果鏡像出來；（2）目前的實驗臺僅能夠驗證二力桿和平面匯交力系的問題，尚不能對空間匯交力系進(jìn)行驗證。

［1］張琦躍.平面力系簡化結(jié)果的進(jìn)一步分析［J］.中國計量學(xué)院學(xué)報，2002，13（1）：40-42.

［2］劉波，梅瑛，李瑞琴.基于TRIZ理論的圖書分揀機(jī)的設(shè)計研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2013（2）：23-25.

［3］李弘，顏惠庚，肖玉.TRIZ理論中九屏幕法的幾個問題［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012，11（17）：93-94.

［4］賈潔，萬一品，宋緒丁，等.基于TRIZ理論的按摩椅創(chuàng)新設(shè)計方法研究［J］.包裝工程，2015，61（20）：61-83

［5］趙萍萍，季玲.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，2011：31.

［6］董炯.平面匯交力系的等效實驗臺：ZL201420134865.2［P］. 2014-08-20.

［7］董炯，姚立昂，董逸翔，等.臥式平面匯交力系的等效實驗臺：ZL20142059929.9［P］.2015-01-28.

［8］董炯，王廣浩，徐允振，等.便攜式平面匯交力系的等效實驗臺：ZL201420705488.3［P］.2015-03-18.

［9］黃慶，周賢永，楊智懿.TRIZ技術(shù)進(jìn)化理論及其應(yīng)用研究述評與展望［J］.科學(xué)學(xué)與科學(xué)技術(shù)管理，2009（4）：58-60.

［10］張簡一，郭艷玲，楊樹財.基于TRIZ理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計［J］.機(jī)械設(shè)計，2006，26（2）：35-38.

［11］馬力輝，檀潤華.基于TRIZ進(jìn)化理論和TOC必備樹的沖突發(fā)現(xiàn)與解決方法［J］.工程設(shè)計學(xué)報，2007，14（3）：177-180.

［12］丁俊武，韓玉啟，鄭稱德.基于TRIZ的產(chǎn)品需求獲取研究［J］.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，12（5）：648-653.

［13］檀潤華，張青華，紀(jì)純.TRIZ中技術(shù)進(jìn)化定律、進(jìn)化路線及應(yīng)用［J］.工業(yè)工程與管理，2003（1）：34-36.

［14］李燕平，程鯤，周廣才，等.基于九屏幕法的礦泉水瓶標(biāo)識設(shè)計研究［J］.科技創(chuàng)業(yè)，2016，13：130-131.

［15］劉波，梅瑛，李瑞琴.基于TRIZ理論的圖書分揀機(jī)的設(shè)計研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2013（2）：23-25.

（責(zé)任編輯：龍海波）

A plane concurrent force system experimental table designed with TRIZ theory

ZHANG Ming1，DONG Jiong2，XIA Zong-xi2，ZHANG Qun2，ZHANG Li-xuan2
（1.School of Engineering and Technology，Eastern Liaoning University，Dandong 118003，China；2.School of Mechanical and Electronic Engineering，Eastern Liaoning University，Dandong 118003，China）

Presently，the forces of a plane concurrent force system can not be analyzed and demonstrated on mechanical experimental tables.In this study，with the nine-screen analysis method of TRIZ theory，the key elements such as the nature,analysis and balance of the forces on the experimental tables were settled.With the contradiction matrix and innovation principle of TRIZ，the influence of force-application angle，nature and magnitude of the forces，the influence of the gravity on the concurrent force system，the synthesis and decomposition of the forces，as well as the issue of the balance and imbalance，were discussed.The new-designed experimental table can be used to demonstrate two-force rod and its balance，the projection of any force in the plane on the X and Y axis，the decomposition or synthesis of more than three forces concurrent on a plane and the balance conditions of the plane concurrent force system.Besides，the parallelogram law can be further verified.

TRIZ；concurrent force system；experimental platform；design

TQ016.5

A

1673-4939（2017）03-0176-05

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.03.05

2017-03-13

遼東學(xué)院科技攻關(guān)項目（2016QN027）

張明（1970—），男，遼寧丹東人，工程碩士，講師，研究方向：模具設(shè)計與加工。