基于TRIZ理論的大規(guī)格鋼絲繩索具創(chuàng)新設(shè)計(jì)

巨力索具股份有限公司 何海濤

通過(guò)TRIZ理論分析大規(guī)格鋼絲繩索具，設(shè)想出相似實(shí)例，進(jìn)一步對(duì)實(shí)例進(jìn)行功能分析，建立功能模型，裁剪實(shí)例元件;通過(guò)物質(zhì)-場(chǎng)分析解決了創(chuàng)新過(guò)程中產(chǎn)生的新問(wèn)題。本文對(duì)鋼絲繩索具進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用表明TRIZ理論的創(chuàng)新效率。

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，橋梁、電力及石化等行業(yè)采用大模塊整體吊裝可以實(shí)現(xiàn)高空作業(yè)地面機(jī)械化，海上作業(yè)陸地工廠化，大大縮短施工周期。大型模塊的吊裝具有外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、單鉤起吊重量大等特點(diǎn)。在吊裝作業(yè)中高強(qiáng)度和高韌性特點(diǎn)的鋼絲繩索具應(yīng)用最為廣泛，但是僅僅依靠提升鋼絲強(qiáng)度和增大繩徑來(lái)完成大規(guī)格鋼絲繩索具設(shè)計(jì)可能為索具的制作、使用、維護(hù)等方面帶來(lái)不利因素。本文采用TRIZ理論中沖突分析得到相似實(shí)例作為初步領(lǐng)域解，對(duì)初步領(lǐng)域解進(jìn)行功能分析，優(yōu)化改善功能模型，使產(chǎn)品更趨向于理想解。

一、創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的沖突是普遍存在的，TRIZ理論提出了沖突解決的方法，該方法中有40條發(fā)明原理及39個(gè)通用工程參數(shù)。沖突矩陣將工程參數(shù)及發(fā)明原理有機(jī)結(jié)合，通過(guò)矩陣及標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，設(shè)計(jì)者可以找到1～4條發(fā)明原理，每條對(duì)應(yīng)多個(gè)由世界專(zhuān)利庫(kù)中抽象出的不同領(lǐng)域工程實(shí)例，這些原理與實(shí)例稱(chēng)為T(mén)RIZ解。通過(guò)TRIZ解，設(shè)計(jì)者找到未預(yù)見(jiàn)的發(fā)現(xiàn)（UXD），領(lǐng)域沖突解決的設(shè)想同時(shí)產(chǎn)生，這種設(shè)想往往是高質(zhì)量設(shè)想。

TRIZ理論中的功能分析就是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解，得到標(biāo)準(zhǔn)、不足、過(guò)剩和有害功能，以幫助工程師更詳細(xì)地理解工程系統(tǒng)中部件之間的相互作用。裁剪是TRIZ中一種改進(jìn)系統(tǒng)的方法。由功能分析得到的存在與已有產(chǎn)品中的小問(wèn)題可以通過(guò)裁剪來(lái)解決。裁剪是一種對(duì)工程系統(tǒng)刪除部件的方法，以減少或消除被裁剪部件的缺點(diǎn)。其目的是為了增加工程系統(tǒng)的效率，降低其成本。通過(guò)裁剪，將問(wèn)題功能所對(duì)應(yīng)的元件刪除，改善整個(gè)功能模型。

本文通過(guò)沖突分析產(chǎn)生創(chuàng)新概念設(shè)想，根據(jù)設(shè)想得出相似實(shí)例作為初步領(lǐng)域解，將初步領(lǐng)域解代入基于裁剪的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型。圖1所示為本文采用設(shè)計(jì)過(guò)程模型。

圖1 設(shè)計(jì)過(guò)程模型

二、問(wèn)題描述

在大型模塊的吊裝中，連接吊具與大型模塊、通用吊具與專(zhuān)業(yè)吊具時(shí)，鋼絲繩索具扮演重要角色。隨著各行業(yè)的發(fā)展，大型模塊的重量屢創(chuàng)新高。提升鋼絲繩索具承載能力是滿(mǎn)足吊具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了滿(mǎn)足大型吊裝，方法一是增加吊點(diǎn)數(shù)量，降低單根鋼絲繩索具受力；方法二是選取破斷強(qiáng)度較高的鋼絲繩；方法三是增加單根鋼絲繩直徑。在吊具設(shè)計(jì)之初，多數(shù)情況大型模塊吊點(diǎn)數(shù)量已確定。而在選取同等強(qiáng)度鋼絲繩條件下，大規(guī)格鋼絲繩索具采用大直徑鋼絲繩是提升鋼絲繩索具承載能力的常規(guī)方法。隨著鋼絲繩直徑的增大，其自由彎曲半徑增大，其單位長(zhǎng)度重量也會(huì)增大，為以后的安裝、使用、維護(hù)帶來(lái)不便，此為原始問(wèn)題1。

三、相似實(shí)例選取

根據(jù)上述描述，確定上述問(wèn)題為技術(shù)沖突，依據(jù)TRIZ理論的39個(gè)通用工程參數(shù)，上述問(wèn)題為第10力與第33可操作性之間的矛盾。查閱TRIZ理論的矛盾矩陣，找到解決的發(fā)明原理，如表1所示。

表1 沖突矩陣簡(jiǎn)表

對(duì)比矩陣中選取的各發(fā)明原理，本文采用第1條發(fā)明原理對(duì)前面的沖突進(jìn)行解決。第1條發(fā)明原理：分割，（1）將一個(gè)物體分成相互獨(dú)立的部分。（2）使物體分成容易組裝及拆卸的部分。（3）增加物體相互獨(dú)立部分的程度。結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分析，由多根細(xì)直徑鋼絲繩代替單根粗直徑鋼絲繩，常用機(jī)械結(jié)構(gòu)中，滑輪組系統(tǒng)采用單根鋼絲繩纏繞在定滑輪組與動(dòng)滑輪組間形成多根鋼絲繩受力結(jié)構(gòu)。滑輪組系統(tǒng)兩端固定方式修改后可直接應(yīng)用于吊裝作業(yè)，如圖2所示。采用滑輪組系統(tǒng)作為本文相似實(shí)例代替原鋼絲繩索具后，其需求發(fā)生了變化，各元件作用特性也隨之發(fā)生變化。按同等載荷進(jìn)行滑輪組系統(tǒng)設(shè)計(jì)，鋼絲繩直徑的減小提高了系統(tǒng)的可操作性，兩端滑輪組設(shè)計(jì)較大，導(dǎo)致整體重量未減小反而增大，產(chǎn)生新的問(wèn)題2。

圖2 滑輪組系統(tǒng)

四、優(yōu)化改進(jìn)過(guò)程

1.功能分析

對(duì)滑輪組系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，建立系統(tǒng)功能模型如圖3所示，功能模型用圖形的方式描述了工程系統(tǒng)中的制品、元件和超系統(tǒng)元件以及它們之間的相互關(guān)系，并對(duì)這些關(guān)系進(jìn)行了分析。

圖3 功能模型

根據(jù)當(dāng)前工作特性發(fā)現(xiàn)其有害作用、不足作用及過(guò)剩作用等問(wèn)題?；喗M間取消相對(duì)運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩在工作中處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)平衡鋼絲繩受力影響降低。軸承成為裁剪元件，與其相關(guān)作用成為裁剪的有用作用。鋼絲繩靜止?fàn)顟B(tài)下，可以減小對(duì)其彎曲半徑的要求，原直徑尺寸滑輪對(duì)鋼絲繩彎曲和磨損的防護(hù)顯然成為過(guò)剩作用。

根據(jù)功能分析改進(jìn)：（1）取消軸承元件，由滑輪軸直接支撐滑輪；（2）取消滑輪隔套元件，由滑輪架直接限位滑輪；（3）減小滑輪直徑，相應(yīng)滑輪架和滑輪罩尺寸變小，降低滑輪、滑輪架和滑輪罩重量。

由于滑輪組系統(tǒng)的需求發(fā)生變化，才對(duì)功能模型中元件進(jìn)行優(yōu)化和裁剪，因此不易產(chǎn)生新的問(wèn)題。

2.物質(zhì)-場(chǎng)分析

功能分析前產(chǎn)生的新問(wèn)題2未根本解決，滑輪軸在功能分析中未進(jìn)行更改，仍需分析優(yōu)化。功能分析中滑輪對(duì)鋼絲繩起支撐作用，滑輪軸對(duì)滑輪起支撐作用?；唽?duì)滑輪軸的作用會(huì)導(dǎo)致滑輪軸發(fā)生彎曲變形，建立物質(zhì)-場(chǎng)模型如下圖4所示?；哠2作用在滑輪軸S1的力產(chǎn)生有害效應(yīng)。選取標(biāo)準(zhǔn)解中第9項(xiàng)消除有害效應(yīng)。第9項(xiàng)定義：在一個(gè)系統(tǒng)中有用及有害效應(yīng)同時(shí)存在。S1及S2不必直接接觸，引入S4消除有害效應(yīng)。在系統(tǒng)中增加套S4加強(qiáng)系統(tǒng)抗彎強(qiáng)度。其次合并滑輪S2和套S4，使其成為一體。性變形。鋼絲繩彎曲變形后確定了各股鋼絲繩長(zhǎng)度，從而保證了此種索具應(yīng)用于吊裝時(shí)各股鋼絲繩受力均衡。

圖4滑輪軸承載模型

圖5索具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

五、方案實(shí)施效果

應(yīng)用 TRIZ 理論進(jìn)行分析，最終得出問(wèn)題的理想解?；喗M系統(tǒng)隨發(fā)生較大變化，先后分析了原始問(wèn)題1和過(guò)程問(wèn)題2，并進(jìn)行了6點(diǎn)主要優(yōu)化改進(jìn)，最終確定如圖5所示方案。其中原滑輪架、滑輪軸成為超系統(tǒng)元件布置于吊具和被吊物中。根據(jù)此產(chǎn)品制作特性可更名為鋼絲繩預(yù)制纏繞索具。我公司已獲得鋼絲繩預(yù)制纏繞索具相關(guān)專(zhuān)利。

六、結(jié)語(yǔ)

本文以TRIZ理論為指導(dǎo)，對(duì)鋼絲繩索具產(chǎn)品進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高了發(fā)明成功率、縮短發(fā)明周期。此產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用，證明了運(yùn)用TRIZ技術(shù)創(chuàng)新理論確實(shí)可以有效地解決鋼絲繩索具產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域的工程技術(shù)問(wèn)題。

根據(jù)物質(zhì)-場(chǎng)分析改進(jìn)：在套的外圓上加工環(huán)槽代替滑輪繩槽功能；減小軸直徑，相應(yīng)滑輪架、滑輪罩和套尺寸變小，進(jìn)一步降低系統(tǒng)重量。

由于取消了多片滑輪，鋼絲繩受力時(shí)，軸套對(duì)鋼絲繩的調(diào)節(jié)受力功能減弱，采用發(fā)明原理第10項(xiàng)：預(yù)操作解決此問(wèn)題，改進(jìn)：鋼絲繩預(yù)先纏繞在上、下兩軸套上，并加載一定載荷，鋼絲繩彎曲受力后發(fā)生變形，利用鋼絲繩此特點(diǎn)，對(duì)纏繞后的鋼絲繩多步施加拉伸載荷，初步拉伸時(shí)，檢查各股鋼絲繩受力狀況，并調(diào)整鋼絲繩保證其受力均衡。拉伸載荷逐步增大使鋼絲繩與軸套接觸處發(fā)生永久性彎曲變形和彈