TRIZ 理論在高速滾動軸承動力學(xué)建模中的應(yīng)用

熊鵬偉，李云龍，李志農(nóng)*

（1.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063；2.廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，南寧 530004）

高速滾動軸承是尖端裝備的關(guān)鍵部件，航空發(fā)動機、衛(wèi)星、空間站、導(dǎo)彈、潛艇和航母等重要國防裝備的性能都與軸承技術(shù)密切相關(guān)[1-2]。以航空發(fā)動機為例，航空發(fā)動機的推重比、可靠性和壽命都受到軸承的制約。高速滾動軸承的工作條件非常嚴(yán)苛，例如航空發(fā)動機支撐渦輪熱端部件的軸承的油腔溫度高達250 ℃；同時承受較高的載荷（可達25 000 N）。嚴(yán)苛的工作環(huán)境造成軸承壽命短、故障率高，嚴(yán)重影響其可靠性與使用壽命。因此，保障高速滾動軸承的健康對保證設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)具有重要意義。要對高速滾動軸承的異常做出提前預(yù)警，就必須先掌握其動力學(xué)特性。然而，高速滾動軸承一般都被用于尖端國防裝備，一旦這些裝備出現(xiàn)故障，將會產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此，高速滾動軸承動力學(xué)特性的獲取成為了關(guān)鍵。

如今，由科學(xué)家G.S.Altshuler提出的發(fā)明問題解決理論（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）是常見的一種創(chuàng)新方法[3]。TRIZ有全面而獨特的解決問題體系，在解決矛盾、擴展思維等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。TRIZ歸納了39個工程參數(shù)和40條發(fā)明原理[4]。目前，TRIZ理論已被廣泛地應(yīng)用于解決機械工程領(lǐng)域的問題[5-8]。因此，基于TRIZ理論對高速滾動軸承動力學(xué)特性獲取問題進行分析、分解，查找問題出現(xiàn)的原因，應(yīng)用TRIZ理論的功能組件分析、因果分析、九屏幕圖等工具提出解決方案。

1 問題描述

高速滾動軸承工作環(huán)境特殊，且多工作在極端環(huán)境中，直接獲取高速滾動軸承動力學(xué)特性不僅需要花費巨額成本，而且對技術(shù)的要求也比較高。現(xiàn)有高速滾動軸承動力學(xué)特性獲取方式多采用建立擬動力學(xué)模型系統(tǒng)[9-12]，該技術(shù)系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示。本系統(tǒng)的功能為：高速滾動軸承動力學(xué)系統(tǒng)（技術(shù)系統(tǒng)S）分析（施加動作V）高速滾動軸承（作用對象O）的動力學(xué)特性（作用對象的參數(shù)P）。然而，高速滾動軸承的動力學(xué)系統(tǒng)建模不完善，存在較多假設(shè)：①高速滾動軸承工作時，時刻以高速運轉(zhuǎn)，因此擬動力學(xué)分析模型不能模擬；②忽略了潤滑劑對高速滾動軸承的影響。此外，高速軸承動力學(xué)系統(tǒng)的分析結(jié)果與現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)存在一定的差異，不能完全反映高速軸承的動力學(xué)特性，轉(zhuǎn)速越高，差異越大。

圖1 高速滾動軸承動力學(xué)建模技術(shù)系統(tǒng)的工作原理

通過上述分析，關(guān)于高速滾動軸承動力學(xué)的可靠性還有待提高，因此，有必要尋找到新的高速滾動軸承動力學(xué)建模方法以提高動力學(xué)特性的可靠性。于是利用TRIZ 創(chuàng)新方法對其進行分析改善。

2 分析問題

2.1 TRIZ 解題步驟

TRIZ 使用科學(xué)方法解決問題，即將特殊問題歸于TRIZ 常規(guī)問題，應(yīng)用TRIZ 通用理論尋求解決方案。解題流程如圖2 所示。在描述問題、分析功能組件、功能組件模型和系統(tǒng)資源后，進行因果分析。因果分析是對問題的內(nèi)在因果關(guān)系進行邏輯順序梳理，結(jié)合理想化最終結(jié)果（Ideal final result，F(xiàn)IR）、尺度-時間-成本（Size-Time-Cost，STC）算子、九屏幕法、技術(shù)矛盾、物理矛盾和物場模型標(biāo)準(zhǔn)解法等進行分析，最終得到一系列方案，然后進行方案評價，根據(jù)實際情況選出比較好的方案。

圖2 TRIZ 解題流程

2.2 功能組件分析

在TRIZ 中，組件分析是為了明確系統(tǒng)組件間相互作用的功能屬性。通過對高速滾動軸承動力學(xué)系統(tǒng)的分析，找到了如表1 所示的超系統(tǒng)組件和系統(tǒng)組件。在現(xiàn)有方案中，擬動力建模是基于Hertz 接觸和套圈控制等理論建立的[13]，將滾動體的離心力和陀螺力矩計入平衡方程中。在低速條件下，軸承保持架穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，擬動力學(xué)法適用。建立擬動力學(xué)模型時，通?；趧傂蕴兹僭O(shè)。然而，高速滾動軸承為了提高工作性能，在重量方面做了精簡，多采用薄壁結(jié)構(gòu)，剛性套圈假設(shè)不再適用?？蓮倪@些方面切入尋求解決方案。

表1 高速滾動軸承動力學(xué)系統(tǒng)功能組件

2.3 系統(tǒng)資源分析

資源分析通過梳理系統(tǒng)可用資源，使“隱性顯性化、顯性系統(tǒng)化”。根據(jù)來源不同，資源可分為系統(tǒng)內(nèi)部資源（系統(tǒng)、子系統(tǒng)）和外部環(huán)境資源（超系統(tǒng)）；根據(jù)類型不同，還可分為物質(zhì)、能量、信息、時間、空間和功能等資源類型。高速滾動軸承動力學(xué)系統(tǒng)的資源列表見表2。

表2 高速滾動軸承動力學(xué)系統(tǒng)的資源列表

2.4 系統(tǒng)功能模型

經(jīng)過對功能組件和系統(tǒng)資源的分析，下一步就是要繪制系統(tǒng)的功能模型圖。功能模型采用規(guī)范化的描述來表達組件的相互關(guān)系，有助于對系統(tǒng)進行更深入的分析。圖3 展示了本系統(tǒng)的功能模型圖。直線代表充分作用，虛線代表不足作用。

圖3 系統(tǒng)功能模型圖

分析功能模型圖，可以看出圖中組件的相互作用：①電機對轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動作用；②轉(zhuǎn)軸對高速滾動軸承的連接作用；③轉(zhuǎn)盤對高速滾動軸承的加載作用；④潤滑劑對高速滾動軸承的潤滑作用；⑤阻尼器對高速滾動軸承的摩擦作用；⑥軸承座對高速滾動軸承的支撐作用；⑦檢測系統(tǒng)對高速滾動軸承的監(jiān)測作用；⑧計算機對檢測系統(tǒng)的存儲作用；⑨計算機對動力學(xué)特性的求解作用。通過組件功能模型圖，可得出導(dǎo)致高速軸承動力學(xué)特性可靠性問題的功能因素如下。

負面功能1：高速滾動軸承擬動力學(xué)建模過程沒有考慮潤滑劑的潤滑作用。

負面功能2：阻尼器對高速滾動軸承的摩擦作用沒被正確處理。

負面功能3：檢測系統(tǒng)對高速軸承的監(jiān)測作用。

負面功能4：計算機對動力學(xué)特性的求解作用。

2.5 因果分析

通過分析圖3，得到了4 個結(jié)果，分析引發(fā)問題的根本原因，得到了如圖4 所示的因果關(guān)系圖。

圖4 系統(tǒng)因果關(guān)系圖

這4 條因果鏈條最終都導(dǎo)致高速滾動軸承動力學(xué)特性可靠性不足。針對這4 條因果鏈條，利用TRIZ 求解方法進行分析。

3 解決問題

3.1 IFR

IFR 表示系統(tǒng)的理想狀態(tài)，即系統(tǒng)能實現(xiàn)所有有用功能，且不占任何時間和空間，不消耗資源，也不產(chǎn)生任何有害功能。IFR 可能在現(xiàn)實世界中永遠無法達到。高速滾動軸承動力學(xué)系統(tǒng)的終極目標(biāo)是為了提高其動力學(xué)特性的可靠度，則理想化的最終結(jié)果是高速滾動軸承不發(fā)生故障。因此，得到如下方案。

方案1：優(yōu)化滾動軸承的設(shè)計參數(shù)，提高其使用性能和使用壽命。

方案2：改善滾動軸承的運行環(huán)境，提高其使用性能和使用壽命。

方案3：使用仿真軟件分析軸承動力學(xué)特性。

3.2 九屏幕圖

九屏幕法是典型的“系統(tǒng)思維”方法，同時考慮當(dāng)前情境以及在系統(tǒng)層次和時間上的情境[14]。橫軸表示時間，縱軸表示系統(tǒng)層次（超系統(tǒng)、系統(tǒng)和子系統(tǒng)）。通過分析可以得到如圖5 所示的九屏幕圖。因此，得到了如下概念方案。

圖5 系統(tǒng)九屏幕圖

方案4：運用信息資源產(chǎn)生新的概念方案，采用Comsol 軟件代替數(shù)學(xué)建模。

方案5：運用物質(zhì)資源產(chǎn)生新的概念方案，用云服務(wù)器代替計算機，提高計算能力和計算速度。

方案6：運用信息資源產(chǎn)生新的概念方案，建立滾動軸承動力學(xué)系統(tǒng)。

方案7：運用信息資源產(chǎn)生新的概念方案，在建立動力學(xué)系統(tǒng)時考慮潤滑劑對滾動軸承的影響。

3.3 STC 算子

STC 算子分析尺度、時間和成本3 個因素的極限變化，尋求解決問題的辦法。3 種極限條件下的情況見表3。因此，得到如下方案。

表3 STC 算子3 種極限條件下的情況

方案8：在成本無窮小的條件下，產(chǎn)生新的概念方案，實時監(jiān)測滾動軸承的運動狀態(tài)，確保滾動軸承一直處于良好狀態(tài)。

方案9：在成本無窮大的條件下，產(chǎn)生新的概念方案，頻繁更換滾動軸承。

方案10：在時間無窮大的條件下，產(chǎn)生新的概念方案，人工測量滾動軸承的動力學(xué)特性。

3.4 物-場模型分析

物-場模型一般用于描述帶有問題的系統(tǒng)[15]，通過建立模型用符號語言描述系統(tǒng)構(gòu)成要素及其相互聯(lián)系。兩物體間的作用可用2 個物質(zhì)（對象物質(zhì)S1 和工具物質(zhì)S2）和一個場的模式來描述。因此，得到了如下概念方案：

方案11：運用標(biāo)準(zhǔn)解1.2.4（引入場），引入流體場計算潤滑劑摩擦力，新物-場模型如圖6 所示。

圖6 物-場模型1

方案12：運用標(biāo)準(zhǔn)解1.1.1（由不完整的向完整的物-場模型轉(zhuǎn)換），運用分數(shù)階微積分的方法計算阻尼力，新的物-場模型如圖7 所示。

圖7 物-場模型2

3.5 技術(shù)矛盾和物理矛盾

針對現(xiàn)有的高速滾動軸承動力學(xué)系統(tǒng)，如果降低動力學(xué)特性的可靠度，那么可以快速求解滾動軸承動力學(xué)模型，但是軸承的壽命會減少；如果提高軸承動力學(xué)特性的可靠度，那么滾動軸承的壽命提高，但是建立滾動軸承動力學(xué)模型變得復(fù)雜。因此，形成了如圖8 所示的物理矛盾和技術(shù)矛盾。選擇參數(shù)描述系統(tǒng)的技術(shù)矛盾并查詢矛盾矩陣得到表4。根據(jù)對矛盾的分析，得到如下方案。

表4 技術(shù)矛盾查詢與對應(yīng)的發(fā)明原理

圖8 技術(shù)矛盾與物理矛盾

方案13：利用發(fā)明原理2 抽出原理，產(chǎn)生新的概念方案，僅對單個部件建模，其他部件的功能以參數(shù)的形式體現(xiàn)。

方案14：利用發(fā)明原理3 局部特性原理，產(chǎn)生新概念方案，用1/4 的滾動軸承代替整個滾動軸承。

方案15：利用發(fā)明原理3 局部特性原理，產(chǎn)生新概念方案，用局部的滾動軸承的動力學(xué)特性即可表示整個滾動軸承。

方案16：運用空間分離，產(chǎn)生新的概念方案，即將數(shù)值方程的計算過程分在多個計算機中完成。

3.6 科學(xué)效應(yīng)與知識庫

科學(xué)效應(yīng)是在科學(xué)指導(dǎo)下實施科學(xué)現(xiàn)象的結(jié)果[16]。效應(yīng)知識庫大致分為3 類：學(xué)科效應(yīng)庫、功能庫、屬性庫。表5 為提煉的可改變的功能。查詢效應(yīng)庫，得到表6的功能庫和屬性庫。因此，得到了概念方案17。

表5 提煉的欲改變的系統(tǒng)功能

表6 功能庫和屬性庫

方案17：查詢“改變速度”，運用科學(xué)效應(yīng)庫“改變對象表面的狀態(tài)或性質(zhì)”，產(chǎn)生新的概念方案，即在建立高速滾動軸承動力學(xué)系統(tǒng)時，考慮潤滑劑引起的滾動體打滑。

4 方案評價及決策

4.1 方案評價

基于TRIZ 理論對高速滾動軸承動力學(xué)特性可靠度問題改善研究得出了17 個方案。對所有方案從成本、可行、可靠進行可行性評估，最終結(jié)果見表7。

表7 方案評價表

4.2 方案選擇

根據(jù)綜合得分，最佳方案為6、12、17，即建立基于分數(shù)階阻尼高速滾動軸承漸進動力學(xué)模型。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合TRIZ 研究了高速滾動軸承動力學(xué)特性可靠性問題。采用了TRIZ 中提出問題、分析問題、解決問題的流程，運用了STC 算子、物場模型等方法，提出了多個方案。關(guān)于高速滾動軸承動力學(xué)特性可靠性問題，首先創(chuàng)建模型，畫出關(guān)系矩陣，構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型和功能模型；提出新的解決方案，分析方案可行性，得到最優(yōu)方案。最優(yōu)解決方案通過對航空發(fā)動機滾動軸承進行數(shù)值模擬的創(chuàng)新性設(shè)計，解決了當(dāng)前航空發(fā)動機滾動軸承動力學(xué)特性難以獲取及不準(zhǔn)確的問題，極大地改善了航空發(fā)動機滾動軸承的動力學(xué)建模與實際工況間誤差較大的不足。