基于 TRIZ 理論的磁懸浮橋梁支座創(chuàng)新設(shè)計(jì)

韓家山，曾 敏，宋建平，李 靖，梁文偉，鄭朋飛

（1. 洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司，河南洛陽(yáng) 471000；2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430000）

1 研究背景

由于運(yùn)行速度快，列車懸浮間隙?。?0 mm左右），磁懸浮交通系統(tǒng)對(duì)支撐列車運(yùn)行的橋梁及軌道線型要求較高。當(dāng)支撐磁懸浮列車的橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降或者橫向變位時(shí)，磁懸浮列車的軌道平順性將受到影響；軌道平順性超差時(shí)，會(huì)造成車輛無(wú)法懸浮而出現(xiàn)打軌現(xiàn)象[1-4]。作為連接磁懸浮橋梁和橋墩的“關(guān)節(jié)”，磁懸浮橋梁支座應(yīng)具備適應(yīng)梁部溫升位移、傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載、調(diào)整軌道線型等功能，是保證磁懸浮交通平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵部件。

目前，我國(guó)已經(jīng)建成運(yùn)營(yíng)的磁懸浮交通線主要有上海高速磁懸浮示范線、北京S1磁懸浮線和長(zhǎng)沙磁浮快線等[5-7]。上海高速磁懸浮示范線采用的是可調(diào)式支座，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括上座板、平面摩擦副、傳力座板、中座板、球面摩擦副、內(nèi)襯板、調(diào)高座板、鎖緊螺母、下座板、橫向調(diào)位裝置、底座板等部件。支座調(diào)高采用的是螺紋調(diào)高；橫向調(diào)位通過(guò)調(diào)整楔塊組來(lái)實(shí)現(xiàn)[8]。

北京S1磁懸浮線和長(zhǎng)沙磁浮快線屬于低速磁浮線，采用的支座主體結(jié)構(gòu)為普通球型支座，結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括下座板、球面摩擦副、中座板、平面摩擦副、上座板以及導(dǎo)向摩擦副等部件。支座調(diào)高采用的是墊板調(diào)高方式，在支座錨栓孔中增加可偏心軸套以滿足水平調(diào)位需求。

現(xiàn)有磁懸浮支座雖然已投入使用，但是在使用過(guò)程中已出現(xiàn)調(diào)整困難、調(diào)整精度低等諸多問(wèn)題。另外，隨著磁懸浮交通技術(shù)的發(fā)展，磁懸浮列車速度越來(lái)越快，對(duì)磁懸浮橋梁支座也提出了更高的要求。本文將基于TRIZ理論對(duì)磁懸浮橋梁支座進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以滿足橋梁設(shè)計(jì)、建設(shè)的要求。

2 TRIZ 理論及產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

TRIZ理論是俄文中“發(fā)明問(wèn)題解決理論”的縮寫；前蘇聯(lián)專家Altshuller及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)幾百萬(wàn)份專利文獻(xiàn)和科學(xué)知識(shí)進(jìn)行研究、整理和歸納，抽取了大量發(fā)明中運(yùn)用的規(guī)律，最終形成并創(chuàng)建了一套實(shí)用的、以解決發(fā)明問(wèn)題為主要目的的理論和方法體系[9]。

TRIZ理論中的工具主要包括問(wèn)題模型、解決問(wèn)題的工具以及解決方案模型。問(wèn)題模型主要包括技術(shù)矛盾、物理矛盾、物-場(chǎng)模型以及功能化模型。解決問(wèn)題的工具包括矛盾矩陣、分離原理、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解以及效應(yīng)庫(kù)等。解決方案模型包括40個(gè)發(fā)明原理、標(biāo)準(zhǔn)解的物場(chǎng)模型以及具體的效應(yīng)等。

TRIZ理論發(fā)展至今已成為一個(gè)創(chuàng)新的平臺(tái)。利用它可以解決技術(shù)問(wèn)題，產(chǎn)生創(chuàng)新的解決方案；可以進(jìn)行專利布局；可以用于新產(chǎn)品規(guī)劃布局等。無(wú)論出于何種目的而應(yīng)用，其解決問(wèn)題的典型過(guò)程都主要分為3個(gè)步驟：?jiǎn)栴}識(shí)別、問(wèn)題解決以及概念驗(yàn)證；基于TRIZ理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程如圖3所示[10-11]。

3 磁懸浮橋梁支座創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 產(chǎn)品功能分析和問(wèn)題分析

磁懸浮橋梁支座作為磁懸浮交通系統(tǒng)的重要部件，除應(yīng)具有承受豎向荷載、水平荷載及適應(yīng)梁端變形（位移、轉(zhuǎn)動(dòng)）的基本功能外，在梁體架設(shè)完畢后，還要具備梁體姿態(tài)調(diào)整功能。因此，磁懸浮橋梁支座應(yīng)具備以下功能：豎向承載功能、水平滑移功能、豎向轉(zhuǎn)動(dòng)功能、水平承載功能、豎向高度調(diào)節(jié)功能、橫向位置調(diào)節(jié)功能。

另外，由于磁懸浮橋梁對(duì)懸浮距離的精確度要求較高，支座豎向調(diào)高及水平調(diào)位精度要達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)整的程度?，F(xiàn)有磁懸浮橋梁支座的結(jié)構(gòu)形式及功能經(jīng)過(guò)分析，主要存在以下幾方面問(wèn)題：螺紋調(diào)高支座螺紋承載能力差，對(duì)接觸部位材料的性能要求高；墊板調(diào)高支座調(diào)整精度差，不滿足無(wú)級(jí)調(diào)整的精度要求；橫向位置調(diào)整不方便；支座結(jié)構(gòu)尺寸偏大，結(jié)構(gòu)不緊湊。

3.2 技術(shù)矛盾確定與解決思路

TRIZ理論認(rèn)為發(fā)明問(wèn)題的核心是解決矛盾；TRIZ中的矛盾被分為技術(shù)矛盾和物理矛盾。技術(shù)矛盾是指實(shí)際工程問(wèn)題中2個(gè)工程參數(shù)之間的矛盾，即改善一個(gè)技術(shù)參數(shù)的同時(shí)，帶來(lái)了另外一個(gè)技術(shù)參數(shù)的惡化。TRIZ理論解決技術(shù)矛盾利用的工具是矛盾矩陣和40條發(fā)明原理：首先從特定的工程問(wèn)題中分析出矛盾和沖突，將矛盾用39個(gè)工程參數(shù)進(jìn)行表述，通過(guò)查詢矛盾矩陣，然后從40條發(fā)明原理中找出可借鑒的發(fā)明原理通解，最后得出實(shí)際的工程問(wèn)題解決方案。

整個(gè)磁懸浮交通系統(tǒng)在引用磁懸浮橋梁支座后，梁部載荷、位移可以自由傳遞到下部墩臺(tái)，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定可靠；明顯改善的參數(shù)是力、穩(wěn)定性、作用于物體的有害因素以及適應(yīng)性、通用性。由于現(xiàn)有支座存在有害功能以及不足功能，對(duì)于系統(tǒng)來(lái)講，惡化的參數(shù)有應(yīng)力、壓強(qiáng)、強(qiáng)度、物體產(chǎn)生的有害因素以及可維修性等，綜合以上分析得出矛盾矩陣表如表1。

表1 矛盾矩陣表

根據(jù)磁懸浮橋梁支座的特點(diǎn)，在上述發(fā)明原理中有5條發(fā)明原理可以應(yīng)用，分別是發(fā)明原理7、發(fā)明原理9、發(fā)明原理13、發(fā)明原理14以及發(fā)明原理15，原理名稱及解釋見(jiàn)表2。

表2 發(fā)明原理及解釋說(shuō)明

3.3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.3.1 無(wú)級(jí)調(diào)高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前支座調(diào)高主要采用填充鋼墊板的方式進(jìn)行，針對(duì)不同的調(diào)高量需加工特定厚度的鋼板，實(shí)際施工中調(diào)高精度較低[12-13]。針對(duì)磁懸浮橋梁支座調(diào)高的功能需求，依據(jù)發(fā)明原理14曲面化發(fā)明原理中的原則2和原則3，使用螺旋結(jié)構(gòu)，改直線運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但是，單純地使用螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋結(jié)構(gòu)承受豎向荷載，會(huì)導(dǎo)致支座承載能力差、疲勞性能不好等問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，采用發(fā)明原理9預(yù)先反作用中的原則2，在結(jié)構(gòu)中施加1個(gè)預(yù)先反作用力，分擔(dān)螺旋結(jié)構(gòu)承受的豎向荷載。

具體方案是采用高性能的梯形螺紋傳動(dòng)調(diào)高結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)支座的無(wú)級(jí)調(diào)高功能，然后在調(diào)高結(jié)構(gòu)中加入楔塊，通過(guò)楔塊的楔緊功能，分擔(dān)螺旋結(jié)構(gòu)承受的豎向荷載，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

3.3.2 倒置球面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足支座的轉(zhuǎn)動(dòng)功能，利用發(fā)明原理14曲面化發(fā)明原理中的原則1，引入球面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；同時(shí)利用發(fā)明原理13中的原則3，將球面進(jìn)行倒置，支座上部結(jié)構(gòu)可以一體轉(zhuǎn)動(dòng)，螺紋結(jié)構(gòu)受力性能更好，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

如圖5所示倒置球面結(jié)構(gòu)后，支座上部結(jié)構(gòu)可以一體轉(zhuǎn)動(dòng)，且傳力均勻，梯形螺紋結(jié)構(gòu)受力性能更好，結(jié)構(gòu)更加可靠。

3.3.3 橫向位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有支座的橫向位置調(diào)節(jié)功能在實(shí)際應(yīng)用中存在位置調(diào)整程序復(fù)雜、調(diào)節(jié)不便利等缺點(diǎn)，不利于支座的安裝施工及后期維護(hù)。根據(jù)磁懸浮橋梁支座的橫向調(diào)位需求，依據(jù)發(fā)明原理7嵌套發(fā)明原理的原則2，讓某物體穿過(guò)另一物體的空腔；同時(shí)利用發(fā)明原理15動(dòng)態(tài)特性的原則1，分割物體使其各部位可以改變相對(duì)位置，將物體分割成容易拆卸和組裝的部分，增加物體的分割程度。

具體方案是提出一種組合墊片式位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，如圖6所示。位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的調(diào)位螺栓穿過(guò)頂推板側(cè)面設(shè)置的螺紋，并與上部結(jié)構(gòu)頂推部位相接觸，旋動(dòng)調(diào)位螺栓推動(dòng)支座上部位置進(jìn)行移動(dòng)，達(dá)到位置調(diào)節(jié)的目的。

位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的底板頂推部位與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置間隙調(diào)整墊片組合；墊片組合由多個(gè)特定厚度的墊片組成，可根據(jù)位置調(diào)節(jié)量選取不同的墊片組合，通過(guò)增加或減少兩側(cè)的墊片數(shù)量，填充兩側(cè)位置調(diào)節(jié)的間隙。另外，為提高位置調(diào)整精度，將其中1組調(diào)整墊片做成楔形墊片；位置調(diào)整結(jié)束后，利用楔形墊片進(jìn)行楔緊，從而達(dá)到橫向無(wú)級(jí)調(diào)整的精度要求。

3.3.4 支座總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)支座進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，利用發(fā)明原理7嵌套發(fā)明原理的第1個(gè)發(fā)明原則，將無(wú)級(jí)調(diào)高結(jié)構(gòu)、倒置球面結(jié)構(gòu)以及橫向位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分步嵌套，同時(shí)為滿足支座水平滑移功能，利用發(fā)明原理15動(dòng)態(tài)特性的第2個(gè)發(fā)明原則，增加活動(dòng)導(dǎo)向板結(jié)構(gòu)。另外，為增加結(jié)構(gòu)的可靠性，在調(diào)高楔塊處增加楔塊擋板結(jié)構(gòu)，防止楔塊在交變荷載下出現(xiàn)松動(dòng)；在活動(dòng)導(dǎo)向板處增加蓋板結(jié)構(gòu)，對(duì)活動(dòng)導(dǎo)向板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向限位。

支座結(jié)構(gòu)示意如圖7所示，主要包括下座板、平面摩擦副、中座板、球面摩擦副、調(diào)高座板、導(dǎo)向摩擦副、活動(dòng)導(dǎo)向板、調(diào)位墊片、調(diào)位螺栓、蓋板、楔塊、楔塊擋板、上座板等部件。支座能夠傳遞豎向壓載、水平荷載，可實(shí)現(xiàn)水平滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)功能，同時(shí)又可以調(diào)節(jié)支座的高度和橫向位置。

4 樣品試驗(yàn)

根據(jù)磁懸浮橋梁支座的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案試制樣品。為驗(yàn)證支座的整體性能及各項(xiàng)功能是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)樣品支座進(jìn)行了系列試驗(yàn)；試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括豎向承載力試驗(yàn)、水平承載力試驗(yàn)、摩擦系數(shù)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)、調(diào)高試驗(yàn)及水平調(diào)位試驗(yàn)，樣品支座試驗(yàn)照片如圖 8、圖9所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，樣品支座的整體力學(xué)性能及各項(xiàng)功能完全符合設(shè)計(jì)要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。此試驗(yàn)同時(shí)也驗(yàn)證了基于TRIZ理論所得的磁懸浮橋梁支座創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的有效性和可行性。

表3 樣品支座試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

基于TRIZ理論，對(duì)磁懸浮橋梁支座進(jìn)行了功能分析和問(wèn)題分析，然后建立了矛盾矩陣，并用典型的發(fā)明原理對(duì)磁懸浮橋梁支座進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了樣品試制，并對(duì)樣品支座進(jìn)行了系列試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明支座整體力學(xué)性能及各項(xiàng)功能完全符合設(shè)計(jì)要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的磁懸浮橋梁支座，具有傳力可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、高度無(wú)級(jí)可調(diào)、橫向位置無(wú)級(jí)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，可以為相關(guān)的磁懸浮橋梁工程建設(shè)提供參考。