淺探TRIZ 理論在機(jī)械創(chuàng)新教學(xué)中的應(yīng)用

羅彬賓

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州市高端制造裝備智能化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州 213164）

創(chuàng)新是一個(gè)國家持續(xù)發(fā)展的最基本的動(dòng)力，是一個(gè)國家擺脫依賴，保持競爭力的最大保障。特別是隨著國家的實(shí)力越來越強(qiáng)大，人們所面臨的科技競爭和封鎖也越來越嚴(yán)重。因此，黨的十九大指出“要堅(jiān)定地實(shí)施科教興國戰(zhàn)略，培養(yǎng)造就一大批具有國際水平的戰(zhàn)略科技人才、科技領(lǐng)軍人才、青年科技人才和高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)[1]”。由此可見創(chuàng)新在國家的大力推行下已經(jīng)深入到國民生活的方方面面，與人們的生活息息相關(guān)。

TRIZ 理論是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒對不同工程領(lǐng)域中的大量發(fā)明專利進(jìn)行研究、整理、歸納、提煉及總結(jié)出來的[2]，他發(fā)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的創(chuàng)新是有規(guī)律的，為了驗(yàn)證他的理論，阿奇舒勒基于此理論做出了多項(xiàng)發(fā)明。筆者是一位從事多年機(jī)械類課程教學(xué)的高校教師，平時(shí)在機(jī)械創(chuàng)新方面也作了一些努力，特別是學(xué)習(xí)過TRIZ 理論后，利用TRIZ理論撰寫專利，獲得了一些發(fā)明專利[3-5]，因此對于TRIZ 理論有一些粗淺的見解，并且利用TRIZ 理論基于自己的專業(yè)，在機(jī)械創(chuàng)新教學(xué)和指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)上作出了一些自己的努力[6-7]。

一般而言，所有機(jī)械結(jié)構(gòu)都是為了實(shí)現(xiàn)特定的功能而設(shè)計(jì)的，而要實(shí)現(xiàn)機(jī)械創(chuàng)新這個(gè)過程不外乎是對結(jié)構(gòu)中零件的形狀進(jìn)行創(chuàng)新以及零件之間相互運(yùn)動(dòng)和力傳遞方式的創(chuàng)新。不管是對于零件形狀的創(chuàng)新，還是對于零件之間相互運(yùn)動(dòng)及力的傳遞方式的改進(jìn)或創(chuàng)新，都是機(jī)械結(jié)構(gòu)之間運(yùn)動(dòng)副[8]的變異和演化方面的創(chuàng)新，比如：運(yùn)動(dòng)副尺寸的變異、運(yùn)動(dòng)副形狀的變異以及運(yùn)動(dòng)副性質(zhì)的變異這三個(gè)方面[8]。阿奇舒勒的TRIZ理論中的矛盾矩陣以及相對應(yīng)的40個(gè)發(fā)明原理對于如何迅速地解決這些問題有很好的參考作用，在此筆者就自己做過的一些創(chuàng)新談?wù)凾RIZ 理論在機(jī)械創(chuàng)新教學(xué)中的應(yīng)用。

1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的技術(shù)矛盾

研究圓柱磁鐵在非磁金屬管中的運(yùn)動(dòng)時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)圓柱磁鐵在非磁金屬管的軸線處緩緩下落。于是根據(jù)TRIZ 理論的發(fā)明原理4 非對稱性[2]，研究圓柱磁鐵在單縫非磁金屬管中的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)圓柱磁鐵在電磁感應(yīng)的作用下緊貼非磁金屬管縫隙處下落，并發(fā)出極其刺耳的摩擦噪音。根據(jù)圓柱磁鐵在單縫非磁金屬管運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，可以設(shè)計(jì)一款旅游觀光高空體驗(yàn)降道，這種旅游觀光降道即安全又刺激，而且還很新奇，既可以寓教于樂，又可以激發(fā)前來體驗(yàn)的觀光者的好奇心，從而激發(fā)人們發(fā)明創(chuàng)造的欲望。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)避免了圓柱磁鐵在無縫非磁金屬管中運(yùn)行時(shí)形成的空間密閉現(xiàn)象，也就是說如果圓柱磁鐵上搭乘體驗(yàn)者的話，雖然體驗(yàn)者在圓柱磁鐵的艙體內(nèi)，隨之下落的速度很緩慢，但是體驗(yàn)者在圓柱磁鐵的艙體內(nèi)這個(gè)相對密閉的空間，其既看不到外面的景象，也無法擺脫那種懸在空中無依無靠的恐懼感。因此非磁金屬管的單縫設(shè)計(jì)很好地解決了這個(gè)問題，但是其他的問題又隨之而來。由于電磁感應(yīng)的作用，圓柱磁鐵緊貼非磁金屬管縫隙處下落會(huì)發(fā)出極其刺耳的摩擦噪音，如果體驗(yàn)者在這種旅游觀光體驗(yàn)降道中體驗(yàn)的話，其體驗(yàn)的感受肯定會(huì)大打折扣，因此如何消除或者是減輕這種摩擦噪音就變得極其重要。

2 TRIZ 阿奇舒勒矛盾矩陣的應(yīng)用

阿奇舒勒的TRIZ 理論認(rèn)為，發(fā)明問題的核心是解決矛盾，沒有克服矛盾的設(shè)計(jì)不是好的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，而且產(chǎn)品的創(chuàng)新過程就是不斷解決產(chǎn)品所存在的矛盾的過程[2]。于是筆者根據(jù)面臨的問題總結(jié)其可能的矛盾，發(fā)現(xiàn)噪音變小或消除可以從能量的損失和接觸材料的變化兩個(gè)方面入手，那么就確定了阿奇舒勒矛盾矩陣的改善參數(shù)——運(yùn)動(dòng)物體消耗的能量，如果改善運(yùn)動(dòng)物體消耗的能量，那么它圓柱磁鐵的艙體對單縫非磁金屬管的壓力就會(huì)變小，從而面臨的情況是圓柱磁鐵的艙體由于沒有足夠的感應(yīng)阻尼下墜的速度會(huì)變得很快，這會(huì)造成很大的安全隱患，因此這個(gè)過程惡化的參數(shù)——應(yīng)力和壓力，也就是說圓柱磁鐵的艙體會(huì)對單縫非磁金屬管的壓力變小，那么總結(jié)得出改善參數(shù)是運(yùn)動(dòng)物體消耗的能量以及對應(yīng)的惡化參數(shù)是應(yīng)力和壓力。通過查詢阿奇舒勒矛盾矩陣可以得到對應(yīng)的發(fā)明原理是23、14、25，現(xiàn)在可以根據(jù)這些發(fā)明原理來一一分析。

對于發(fā)明原理23 反饋，其根本的方法是：①引入反饋改善過程或動(dòng)作；②如果反饋已經(jīng)存在，改變反饋信號的大小或靈敏度[2]。通過仔細(xì)研究該發(fā)明原理以及參照其給定的大量案例發(fā)現(xiàn)，無法根據(jù)此發(fā)明原理同時(shí)改善圓柱磁鐵艙體在單縫非磁金屬管中下落過程中運(yùn)動(dòng)物體能量的消耗以及壓力和應(yīng)力兩個(gè)矛盾參數(shù)。

對于發(fā)明原理14 曲面化，其根本的方法是：①將直線、平面用曲線、曲面代替，立方體結(jié)構(gòu)改為球體結(jié)構(gòu)；②使用滾筒、球體、螺旋狀等結(jié)構(gòu)；③從直線運(yùn)動(dòng)改為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用離心力[2]。從這個(gè)發(fā)明原理發(fā)現(xiàn)，可以在改善運(yùn)動(dòng)物體消耗的能量的同時(shí)保證應(yīng)力和壓力的不變甚至增大。也就是說可以在圓柱磁鐵艙體靠近單縫非磁金屬管的縫隙處設(shè)計(jì)兩列均勻分布的滾輪，那么圓柱磁鐵艙體在單縫非磁金屬管下落時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用圓柱磁鐵艙體上的滾輪作用在單縫非磁金屬管縫隙的兩端緩緩下落，這個(gè)改動(dòng)做到了將圓柱磁鐵艙體與單縫非磁金屬管的滑動(dòng)摩擦變?yōu)閳A柱磁鐵艙體上的滾輪與單縫非磁金屬管的滾動(dòng)摩擦，大大減小其相互運(yùn)動(dòng)期間的能量的消耗，也大大減小了因滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的刺耳的噪音，形成了一個(gè)很好的解決方案。

發(fā)明原理25 自服務(wù)，其根本的方法是：①使物體具有自補(bǔ)充和自恢復(fù)功能以完成自服務(wù)；②利用廢氣的資源、能量和物資。通過仔細(xì)研究該發(fā)明原理以及參照其給定的大量案例筆者發(fā)現(xiàn)無法根據(jù)此發(fā)明原理同時(shí)改善圓柱磁鐵艙體在單縫非磁金屬管中下落過程中運(yùn)動(dòng)物體能量的消耗以及壓力和應(yīng)力兩個(gè)矛盾參數(shù)。所以最終得到的方案是使用發(fā)明原理14 曲面化。

3 TRIZ 發(fā)明原理的應(yīng)用

根據(jù)阿奇舒勒矛盾矩陣所獲得的發(fā)明原理，最終確定的觀光高空體驗(yàn)降道的設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。該旅游觀光高空體驗(yàn)降道是由絞盤、纜線、觀光艙體及金屬管道、安全矯正臺等組成的。其中觀光艙體的軸線在纜線和重力的作用下與金屬管道的軸線基本一致，金屬管道的管口直徑稍大于觀光艙體的直徑，且金屬管道的一側(cè)開一道可供觀賞管外景色的縫隙，這樣觀光艙體既可以輕松地落入金屬管道之中，又能讓體驗(yàn)者欣賞到管外的美景。通過滑輪、纜線及絞盤讓觀光艙體保持在金屬管道上方，當(dāng)突然放開絞盤的制動(dòng)系統(tǒng)或斷開纜線與觀光艙體的連接，那么觀光艙體在重力的作用下就會(huì)下落到金屬管道中，由于觀光艙體本身是一個(gè)電磁鐵，那么觀光艙體在短暫加速后勻速地緊貼金屬管道的縫隙兩端中緩緩下落。當(dāng)處于極端情況下，也就是在電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁阻尼消失的情況下以及在觀光艙體呈自由落體下落的情況下，安全矯正臺作為最后的緩沖保障，保證體驗(yàn)者安然無恙地著陸。

圖1 旅游觀光高空體驗(yàn)降道示意圖

觀光艙體如圖2 所示，觀光艙體兩側(cè)設(shè)計(jì)了滾輪，其作用是將觀光艙體與金屬管道滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L輪與金屬管道的滾動(dòng)摩擦，這樣既可以消除滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的刺耳噪音，也可以將觀光艙體因?yàn)榛洚a(chǎn)生的損耗轉(zhuǎn)變?yōu)榕擉w上滾輪的損耗，可以隨時(shí)根據(jù)滾輪的損耗狀態(tài)更換滾輪，而不是更換觀光艙體。

圖2 觀光艙體

4 結(jié)束語

TRIZ 理論與工業(yè)的各個(gè)方面聯(lián)系都非常緊密，而機(jī)械是工業(yè)最重要的組成部分，可以說只要有實(shí)體結(jié)構(gòu)的地方就有機(jī)械，因此一個(gè)好的機(jī)械創(chuàng)新可以大大提高其工作效率，從而降低其運(yùn)營成本。TRIZ 理論在解決機(jī)械創(chuàng)新問題上有很好的參照作用，使用者可以通過尋找其工程矛盾參數(shù)迅速地找到其可能解決的方案，極大地提高了機(jī)械創(chuàng)新效率，本文通過筆者在機(jī)械創(chuàng)新教學(xué)方面體會(huì)，深感在機(jī)械創(chuàng)新教學(xué)中引入TRIZ 理論是非常必要的。