基于TRIZ的鋼管十字卡扣創(chuàng)新設(shè)計(jì)

郭南初

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

鋼管十字(直角)卡扣，用于緊固連接外徑為48 mm的鋼管成直角，卡扣材料為可鍛鑄鐵?？凼褂脮r，應(yīng)確保其內(nèi)壁弧面與鋼管壁充分接觸，并通過T型螺栓緊固。《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：扣件緊固力矩“不應(yīng)小于40 N·m，且不應(yīng)大于65 N·m”，并非卡扣螺栓擰得越緊越好?？鄣脑O(shè)計(jì)合理與否，不僅影響施工效率，還會影響腳手架的安全性，這正是鋼管十字(直角)卡扣創(chuàng)新設(shè)計(jì)的初衷。

1 TRIZ創(chuàng)新方法概述

TRIZ創(chuàng)始人根里奇·阿奇舒勒認(rèn)為：產(chǎn)品的創(chuàng)新其實(shí)就是其技術(shù)系統(tǒng)的創(chuàng)新，它和生物系統(tǒng)一樣也有其發(fā)展規(guī)律。依據(jù)TRIZ理論進(jìn)行創(chuàng)新，不是將技術(shù)系統(tǒng)的矛盾平衡或抑制，而是利用一些有規(guī)律的創(chuàng)新原理將技術(shù)矛盾解決，進(jìn)而達(dá)到產(chǎn)品的有效創(chuàng)新。技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的理想狀態(tài)是用盡量少的資源實(shí)現(xiàn)盡可能多的功能[1]。

TRIZ創(chuàng)新問題解決模式可應(yīng)用到多個領(lǐng)域。首先設(shè)定其理想目標(biāo)，其次在問題解決過程中沿理想目標(biāo)前進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)問題的解決。這個技術(shù)問題的解可能是理想解，也可能是接近理想解。TRIZ使技術(shù)創(chuàng)新有章可循，創(chuàng)新過程可以按照一定的流程來進(jìn)行，這樣解決問題就變得不是那么復(fù)雜了。TRIZ創(chuàng)新的方法就是解決問題的矛盾，即TRIZ里的技術(shù)矛盾和物理矛盾，解決問題的應(yīng)用與分析工具是物－場模型和矛盾矩陣表等，解決問題的知識數(shù)據(jù)庫是40個發(fā)明原理和76個標(biāo)準(zhǔn)解決方法。TRIZ是在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，利用可行的法則，解決矛盾，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新[2]。TRIZ主要構(gòu)成要素與解決問題的方法如圖1所示。

TRIZ理論將矛盾分為三類，即技術(shù)矛盾、物理矛盾和管理矛盾。技術(shù)矛盾在產(chǎn)品創(chuàng)新過程中出現(xiàn)的頻率最高，它也是鋼管卡扣創(chuàng)新設(shè)計(jì)中存在的主要矛盾。技術(shù)矛盾就是產(chǎn)品系統(tǒng)中的兩個參數(shù)互相制約，改善產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)矛盾的某個參數(shù)，可能會導(dǎo)致該技術(shù)系統(tǒng)矛盾的另一個參數(shù)發(fā)生惡化[3]，這是解決問題的常見現(xiàn)象，TRIZ通過創(chuàng)新原理試圖解決這些矛盾，達(dá)到產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新。

本研究鋼管十字(直角)卡扣創(chuàng)新設(shè)計(jì)采用的是技術(shù)矛盾解決方法，因此需要引入39個工程參數(shù)和40個創(chuàng)新原理[4]。

圖1 TRIZ主要構(gòu)成要素與解決問題的方法

2 鋼管十字(直角)卡扣創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 問題描述

傳統(tǒng)的鋼管十字(直角)卡扣如圖2所示，采用兩組螺栓分別對兩根鋼管進(jìn)行緊固，安裝與拆卸的速度慢，因而影響施工進(jìn)度。此外，多一組螺栓就會多一份安全隱患，扣件節(jié)點(diǎn)的連接質(zhì)量受扣件本身質(zhì)量和工人操作的影響。因此，對傳統(tǒng)鋼管十字(直角)卡扣進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，有助于提高其工作效率和安全系數(shù)。

圖2 傳統(tǒng)的鋼管十字卡扣

2.2 產(chǎn)品最終理想解

設(shè)計(jì)的最終目的是快速裝拆，同時提高可靠性。理想解是安裝鋼管腳手架時不需要時間，裝拆卡扣需要擰緊或卸開兩個螺母是達(dá)到理想解的障礙。目前的障礙是擰緊或卸開兩個螺母都需要很長時間，而且為了安全必須擰緊到一定程度。為了使障礙消失或減少障礙的影響，需要合理設(shè)計(jì)卡扣的結(jié)構(gòu)以減少卡扣螺栓的數(shù)量，或者改變螺紋緊固方法。目前，在其他領(lǐng)域或用其他工具暫時還沒發(fā)現(xiàn)可以解決這個問題的方法。

2.3 矛盾分析

安裝與拆卸的速度慢，轉(zhuǎn)換為TRIZ的工程參數(shù)就是“時間損失”。安全系數(shù)不高，轉(zhuǎn)換為TRIZ的工程參數(shù)就是“可靠性”。需要通過增加安裝時間解決，但這種解決方案費(fèi)時費(fèi)力，影響施工進(jìn)度。定義技術(shù)矛盾是改善“時間損失”，惡化“可靠性”。查技術(shù)矛盾解決矩陣表：M(25-27)=[10 30 4]。對應(yīng)的創(chuàng)新原理為：預(yù)先作用原理，柔殼薄膜原理，不對稱原理。

對獲得的三個原理，利用機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)知識進(jìn)行簡單分析，得出重點(diǎn)解決問題的創(chuàng)新原理。預(yù)先作用原理，對螺栓的緊固顯然沒有作用；柔殼薄膜原理，實(shí)現(xiàn)起來有難度，即使實(shí)現(xiàn)了也會存在安全隱患；最后只有從不對稱原理上下工夫。

2.4 解決辦法與創(chuàng)新結(jié)果

不對稱原理，顧名思義，就是將產(chǎn)品的對稱形式轉(zhuǎn)為不對稱形式，如果物體不是對稱的，則加強(qiáng)它的不對稱程度。眾所周知，機(jī)械零件可以采用非對稱結(jié)構(gòu)，非對稱原理可以使機(jī)械結(jié)構(gòu)有更多的選擇。由圖2可知，傳統(tǒng)的鋼管十字(直角)卡扣有對稱的特征，顯然創(chuàng)新的方式就是增加其不對稱性。

通過TRIZ不對稱原理獲得的新的鋼管十字卡扣如圖3所示。新的卡扣將原來的兩組螺栓緊固鋼管變成了一組螺栓緊固鋼管。其工作原理為：上扣板和下扣板分別與扣座以及上扣板銷和下扣板銷連接，上扣板和下扣板分別可繞上扣板銷和下扣板銷旋轉(zhuǎn)?？圩蟽砂雸A槽垂直相交，T型螺栓可繞下端軸轉(zhuǎn)動。該卡扣與圖2所示傳統(tǒng)卡扣相比，具有裝拆速度快且安全系數(shù)高的特點(diǎn)。

基于TRIZ的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程如圖4所示[5-6]，該流程圖也適用其他產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

圖3 新的鋼管十字卡扣

圖4 基于TRIZ的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

3 結(jié)論

扣件式鋼管腳手架是我國應(yīng)用最廣泛的一種架構(gòu)形式，但在扣件式鋼管腳手架的施工、運(yùn)行和拆除過程中常伴有各種事故的發(fā)生，因此在提高其工作效率的同時，還要提高其安全系數(shù)。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、裝拆速度快且安全系數(shù)高。設(shè)計(jì)中只要找準(zhǔn)了技術(shù)矛盾，利用TRIZ理論就可以很快找到解決問題的方向，再結(jié)合專業(yè)知識就不難找到問題的理想解。