基于TRIZ理論的擋水裝置優(yōu)化設(shè)計①

萬心華 徐 暢 錢長成 王永志 閔鵬飛 付本事 尹彬灃

（揚州大學(xué)機械工程學(xué)院 江蘇揚州225127）

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速推進為我國經(jīng)濟與社會發(fā)展提供了有力保障，但洪澇災(zāi)害仍然危害著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，尤其在南方及黃河流域，大棚、地窖和倉庫等區(qū)域常遭受著洪水的威脅［1]，其中，2017年，洪澇災(zāi)害造成長江流域直接經(jīng)濟損失達939億元［2]。

現(xiàn)有的擋水方式主要為安裝防洪擋板、堆砌沙袋。這些方式擋水效果雖有保障，但需耗費大量時間和人力物力，且面對瞬息萬變的天氣，若處理不及時，仍無法解決問題。

本設(shè)計基于TRIZ 理論，對現(xiàn)有的擋水裝置進行智能優(yōu)化，分析擋水裝置智能優(yōu)化過程中的技術(shù)沖突，添加預(yù)警、自動升降、模塊化設(shè)計功能。設(shè)計并分析參數(shù)，保證可根據(jù)不同需求選用不同規(guī)格的擋水板，進行電機模塊化組裝，保證擋水質(zhì)量，滿足擋水需求。

1 TRIZ理論概述

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）的含義是發(fā)明問題的解決理論，由理想解、技術(shù)沖突矩陣、物質(zhì)-場分析、ARIZ 算法等多個部分構(gòu)成［3-4]，本設(shè)計主要采用技術(shù)沖突矩陣進行智能優(yōu)化。

技術(shù)沖突是指當(dāng)系統(tǒng)的一個方面得到優(yōu)化時，對另一方面會造成了劣化。TRIZ 提供了39 個標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)［5]，任何一個技術(shù)沖突都可用其中的一對參數(shù)來描述，而其中一對參數(shù)描述的任一技術(shù)沖突都有可確定的創(chuàng)新方法進行解決，這些方法被歸納出40 條，構(gòu)成了技術(shù)沖突矩陣。研究者只需描述相關(guān)技術(shù)沖突，即可根據(jù)技術(shù)沖突矩陣找到解決問題的方法［6-7]。

2 優(yōu)化過程中技術(shù)沖突的分析

2.1 擋水裝置問題分析

現(xiàn)有的擋水裝置以單一的擋水板為主，只具備最基本的擋水功能，在現(xiàn)實的使用過程中，主要存在以下問題：（1） 使用不方便。在風(fēng)雨、洪澇災(zāi)害到來時，現(xiàn)有擋水裝置需要人工安裝到所需地點，險情結(jié)束后需人工拆除，耗費時間和人力物力；（2） 響應(yīng)不及時?，F(xiàn)有擋水裝置的安裝大多在災(zāi)害發(fā)生過程中，若安裝不及時，會有安裝危險，產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害；（3） 缺乏適用性。由于各區(qū)域需要的擋水面積不同，現(xiàn)有擋水裝置需要專門訂制不同尺寸的框架和擋水板以滿足不同的需求，費時耗力。

2.2 技術(shù)沖突的描述

通過上述問題的分析，可提高裝置的操作性使其易于使用；提高裝置的智能化、自動化程度使其響應(yīng)速度快；提升裝置因地制宜的能力使其廣泛應(yīng)用。

優(yōu)化后的擋水板要實現(xiàn)操作簡易、響應(yīng)快速和應(yīng)用廣泛等特點，可從可操作性、智能化、因地制宜的角度來優(yōu)化裝置，但這些優(yōu)化方式會導(dǎo)致裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，構(gòu)成技術(shù)沖突。將其轉(zhuǎn)化為TRIZ 提供的通用工程參數(shù)，通過建立TRIZ 參數(shù)模型，確定通用的工程參數(shù)，可進一步解決上述問題。

通過分析擋水裝置存在的技術(shù)沖突，可以從39 個通用工程參數(shù)中遴選出以下幾個與技術(shù)沖突相關(guān)的參數(shù)［5]：33 號操作性，即裝置的操作簡便，屬于改善的參數(shù)；38 號自動化水平，即裝置在無人操作的情況下可以實現(xiàn)其功能，屬于改善參數(shù)；35 號適應(yīng)性，即裝置在不同環(huán)境中實現(xiàn)其功能，屬于改善的參數(shù)；36 號裝置的復(fù)雜程度，即裝置的形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于劣化的參數(shù)。

2.3 發(fā)明原理的確定

分析確定出與技術(shù)沖突相關(guān)的通用工程參數(shù)［5，8]，在表1中查找技術(shù)沖突矩。

表1 部分技術(shù)沖突矩陣

根據(jù)實際需要，從技術(shù)沖突矩陣中篩選可用于優(yōu)化的發(fā)明原理：

17 號一維變多維，24 號中介，26 號代用品，28號機械系統(tǒng)的替代，29號空壓機構(gòu)、液壓機構(gòu)，32 號改變顏色，37 號熱膨脹。以上發(fā)明原理不適用于本裝置的優(yōu)化，在此不做考慮。

我們遴選出以下適用于本裝置優(yōu)化的發(fā)明原理：

10 號動作預(yù)置：預(yù)置必要的動作、機能。使用單片機、迷你電腦板，通過預(yù)設(shè)指令操控裝置的運動。

12 號等位性：改變物體的動作、作業(yè)狀況。裝置由原來的人工安裝優(yōu)化為自動起降。

15 號動態(tài)性：①將物體分割成既可變位又可相互配合的個數(shù)構(gòu)成要素，然后將裝置進行模塊化處理，根據(jù)場合差異使用不同的模塊滿足需求。②使不動的物體可動或相互交換，可將擋水裝置可以通過形態(tài)的改變轉(zhuǎn)化為工作狀態(tài)。

3 智能化擋水裝置的設(shè)計

3.1 設(shè)計方案

由篩選出的發(fā)明原理對擋水裝置進行智能優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)見圖1。

該裝置采用模塊化設(shè)計，將擋水板及安裝基座制作成寬1m 的模塊，為實現(xiàn)不同模塊兩兩接合，使用卯榫結(jié)構(gòu)。擋水板根部設(shè)有轉(zhuǎn)軸，安裝于基座的軸套中，兩端安裝由電腦控制的伺服電機［9]，帶動擋水板轉(zhuǎn)動。基座設(shè)有液位傳感器，向電腦板傳輸信號，當(dāng)水位到達預(yù)設(shè)高度時，電腦板向綁定的終端設(shè)備發(fā)出預(yù)警信息，及時通知相關(guān)人員，控制電機正轉(zhuǎn)，帶動擋水板立起并自鎖；當(dāng)水位回落，電腦板接收傳感器信號，控制電機反轉(zhuǎn)，使擋水板放置于基座上。

圖1 擋水裝置優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3.2 尺寸確定

當(dāng)設(shè)計方案完成后，對尺寸參數(shù)進行計算和選用。這里分析單個寬1m的模塊，即b=1m，通過簡化設(shè)計方案，最終確定出圖2結(jié)構(gòu)。

圖2 設(shè)計方案的數(shù)學(xué)模型

（1）為保證裝置不影響正常情況下的通行，基座高度應(yīng)低于車輛底盤高度，此處參照減速帶的高度設(shè)計，取用a=70mm。

（2）為保證擋水板強度，使其不出現(xiàn)變形影響擋水性能，參考現(xiàn)有擋水板材質(zhì)與部分尺寸，取用鋁合金材質(zhì)，ρ=2 700 kg/m3，取用擋水板厚度s=40mm。

（3）為保證擋水板在工作時保持豎直狀態(tài)，在動電機自鎖時需承受外界積水及擋水板自重造成的轉(zhuǎn)矩。為最大化利用擋水板，設(shè)擋水板與積水自由液面等高，由此計算出積水對擋水板作用力：

式（1）中yc為擋水板質(zhì)心至自由液面距離；H為自由液面至擋水板根部距離；A為擋水板面積；g為重力加速度。

力的作用點至自由液面的距離：

式（2）中Icx為擋水板對x軸慣性矩。

積水對點P的轉(zhuǎn)矩：

式（3）中L為力的作用點至基座上表面的距離。

擋水板自重：

擋水板自重對點P的轉(zhuǎn)矩：

電機自鎖時需要承受的轉(zhuǎn)矩：

通過上述計算結(jié)果，模擬出積水深度H與電機自鎖時所需承受轉(zhuǎn)矩T之間的函數(shù)關(guān)系，見圖3。

在實際使用過程中，為保證擋水效果。擋水板的高度應(yīng)比積水深度高10～20mm?？筛鶕?jù)當(dāng)?shù)胤e水深度，參照深度與轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖，自行選用合適的擋水板與電機。

4 結(jié)論

基于TRIZ 理論，分析現(xiàn)有擋水裝置不足，建立技術(shù)沖突，根據(jù)技術(shù)沖突矩陣查找解決沖突的發(fā)明原理，篩選出可應(yīng)用于實際狀況的方案。通過篩選的方案，結(jié)合多學(xué)科領(lǐng)域知識，對現(xiàn)有擋水裝置進行智能優(yōu)化，可有效解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中作物所在區(qū)域在遭受水災(zāi)害和雨澇災(zāi)害下易被水淹的問題，有效地保證擋水效果。

圖3 H與T的函數(shù)關(guān)系