基于TRIZ理論的多維振動(dòng)時(shí)效激振器創(chuàng)新設(shè)計(jì)

王成軍，劉慶

(安徽理工大學(xué)人工智能學(xué)院，安徽淮南 232001)

0 前言

船舶、橋梁、重型機(jī)械設(shè)備等大型鋼結(jié)構(gòu)件在鑄造、焊接、鍛壓和機(jī)械切削加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使工件在成品使用過(guò)程中因殘余應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生變形和失效。振動(dòng)時(shí)效處理能降低或勻化金屬結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力，且具有成本低、能耗低的優(yōu)點(diǎn)[1]。MOHANTY等[2]利用電磁激振器對(duì)鋼板進(jìn)行殘余應(yīng)力處理后，應(yīng)力值明顯減小。EBRAHIMI等[3]研究結(jié)果表明：當(dāng)加載的激振頻率提高到工件固有頻率的95%時(shí)，縱向殘余應(yīng)力降低更為明顯。劉楊等人[4]對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行了振動(dòng)時(shí)效實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后床身殘余應(yīng)力明顯減小。蔡敢為等[5]提出了針對(duì)大剛度工件的振動(dòng)時(shí)效方法和裝置設(shè)計(jì)理論。顧邦平等[6]設(shè)計(jì)了一種高頻振動(dòng)能量放大裝置，提高了高頻振動(dòng)時(shí)效，達(dá)到消除殘余應(yīng)力的效果。趙林等人[7]運(yùn)用振動(dòng)時(shí)效方法降低了隧道式洗衣機(jī)組內(nèi)筒焊接件殘余應(yīng)力。

很多學(xué)者對(duì)振動(dòng)時(shí)效激振裝置的應(yīng)用進(jìn)行了分析，但很少有針對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)件振動(dòng)時(shí)效激振裝置的研究。對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理時(shí)，現(xiàn)有慣性激振裝置適應(yīng)性不足、激振效果差，本文作者運(yùn)用TRIZ理論分析慣性激振裝置適應(yīng)性不足的原因，創(chuàng)新設(shè)計(jì)多維振動(dòng)時(shí)效激振器，并對(duì)主支架進(jìn)行模態(tài)分析與驗(yàn)證。

1 基于TRIZ理論的系統(tǒng)分析

1.1 問(wèn)題描述

現(xiàn)有振動(dòng)時(shí)效激振裝置主要是單自由度慣性激振裝置，不僅激振頻率較低，且與鋼結(jié)構(gòu)件的固定主要靠夾具固定，適應(yīng)性差。對(duì)于外部沒(méi)有可夾持結(jié)構(gòu)的大型鋼結(jié)構(gòu)件，存在安裝使用不便、激振方向不可調(diào)節(jié)的問(wèn)題，振動(dòng)時(shí)效的效果受到影響。

1.2 系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)功能分析對(duì)改善系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新至關(guān)重要。首先定義與系統(tǒng)有關(guān)的全部元件，辨別元件間的功能關(guān)系，并分析系統(tǒng)的主要功能，從而找到產(chǎn)生問(wèn)題的原因[8-10]。對(duì)于當(dāng)前問(wèn)題，構(gòu)建慣性激振裝置的系統(tǒng)組件關(guān)系模型矩陣，如圖1所示。

圖1 組件關(guān)系矩陣

在所建立系統(tǒng)組件模型的基礎(chǔ)上，建立慣性激振裝置的系統(tǒng)功能模型，如圖2所示。

圖2 慣性激振裝置的功能模型

由系統(tǒng)功能模型可知，各系統(tǒng)組件相互作用對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，其中功能不足的為殼體對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件的固連、固定夾具對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件的固定、偏心塊對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件的激振和控制器對(duì)電機(jī)的控制，有害功能為固定夾具對(duì)殼體的夾緊和鋼結(jié)構(gòu)件對(duì)傳感器的激振，過(guò)渡功能為人對(duì)固定夾具的操作。

1.3 因果軸分析

因果軸分析法通過(guò)建立因果鏈找到事件發(fā)生的原因和產(chǎn)生結(jié)果之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)表面問(wèn)題后存在的真正問(wèn)題，找到問(wèn)題的根本解決辦法[11-12]。

根據(jù)上述系統(tǒng)功能分析，對(duì)現(xiàn)有慣性激振裝置進(jìn)行因果軸分析。因果軸分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 因果軸分析結(jié)果

由分析結(jié)果可知，激振裝置適應(yīng)性不足的原因?yàn)椋?/p>

(1)激振器的振動(dòng)自由度少、激振頻率較低。

(2)固定夾具對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件表面的適應(yīng)性差。

(3)激振器工作時(shí)，對(duì)其他操作者產(chǎn)生振動(dòng)，缺乏減振器。

(4)夾具的固定與夾緊依賴人工操作，自動(dòng)化程度低。

2 運(yùn)用TRIZ理論解決問(wèn)題

2.1 基于“技術(shù)矛盾解決原理”解決問(wèn)題

根據(jù)因果軸分析可知，激振裝置適應(yīng)性不足的原因有4種，其中激振器的振動(dòng)自由度少、激振頻率低和固定夾具對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件表面的適應(yīng)性差的問(wèn)題運(yùn)用技術(shù)矛盾原理解決。

針對(duì)激振器自由度少、激振頻率低的問(wèn)題，現(xiàn)有解決方法是增加高頻定向激振器，提高激振器的適應(yīng)性，但增加了激振裝置的負(fù)載和復(fù)雜性。分析總結(jié)出第1組技術(shù)矛盾：惡化的技術(shù)特征參數(shù)為36(設(shè)備復(fù)雜性)；改善的技術(shù)特征參數(shù)為06(形狀)和35(適應(yīng)性及通用性)。

針對(duì)固定夾具對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件表面的適應(yīng)性差的問(wèn)題，現(xiàn)有解決方法是使用自適應(yīng)夾具，提高固定夾具的適應(yīng)性，但增加了激振裝置的負(fù)載和復(fù)雜性。分析總結(jié)出第2組技術(shù)矛盾：惡化的技術(shù)特征參數(shù)為36(設(shè)備復(fù)雜性)和改善的技術(shù)特征參數(shù)為06(形狀)、33(可操作性)和35(適應(yīng)性及通用性)。建立矛盾矩陣表如表1所示。

表1 矛盾矩陣

針對(duì)激振器自由度少、激振頻率低的問(wèn)題，根據(jù)第1組技術(shù)矛盾的矛盾矩陣表選擇發(fā)明原理，得到以下3種方案：

(1)結(jié)合發(fā)明原理01分割原理，把一個(gè)物體分成相互獨(dú)立的部分，由此得到方案1：把高頻定向激振器分解成高頻激振器和定向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2個(gè)相互獨(dú)立的部分。

(2)結(jié)合發(fā)明原理15動(dòng)態(tài)化原理，如果一個(gè)物體是靜止的，使它移動(dòng)或可動(dòng)，由此得到方案2：設(shè)計(jì)定向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)整激振器的方向和位置。定向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由支撐臂、側(cè)臂、調(diào)姿缸和安裝底座組成，激振器通過(guò)調(diào)姿缸上下運(yùn)動(dòng)調(diào)整激振方向和位置。定向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

(3)結(jié)合發(fā)明原理28機(jī)械系統(tǒng)替代原理，用電磁系統(tǒng)替代機(jī)械系統(tǒng)，由此得到方案3：使用激振電磁鐵替代激振電機(jī)，提高激振器的激振頻率。

針對(duì)固定夾具對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件表面的適應(yīng)性差的問(wèn)題，根據(jù)第2組技術(shù)矛盾的矛盾矩陣表選擇發(fā)明原理，得到以下2種方案：

(1)結(jié)合發(fā)明原理01分割原理，將物體分成容易組裝和拆卸的部分，由此得到方案4：把夾具設(shè)計(jì)成可拆卸的多個(gè)部分，對(duì)不同的鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行激振作業(yè)時(shí)，根據(jù)不同的鋼結(jié)構(gòu)表面更換不同的夾具。

(2)結(jié)合發(fā)明原理15動(dòng)態(tài)化原理，調(diào)整物體的性能，使它在工作的各階段達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，由此得到方案5：設(shè)計(jì)自適應(yīng)夾具，對(duì)平面和曲面均可實(shí)現(xiàn)有效固定，適應(yīng)不同的鋼結(jié)構(gòu)件表面。

圖4 定向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2.2 基于“物理矛盾解決原理”解決問(wèn)題

物理矛盾雙方存在著對(duì)立的關(guān)系及統(tǒng)一的關(guān)系，反映唯物辯證法中的對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律[13-14]。由因果軸分析可知，激振器工作時(shí)，對(duì)其他操作者產(chǎn)生振動(dòng)，缺乏減振器。

對(duì)激振裝置進(jìn)行物理沖突判斷，確定沖突參數(shù)，當(dāng)激振裝置消除工件殘余應(yīng)力時(shí)，需要激振裝置提供激振力；為避免對(duì)其他操作者產(chǎn)生振動(dòng)，不需要激振裝置提供激振力，所以激振力為此問(wèn)題的物理矛盾參數(shù)?？纱_定物理矛盾的2種需求，需求1：需要激振力；需求2：不需要激振力。

為滿足理想狀態(tài)下對(duì)激振力提出的要求，定義2種不同的空間：激振器與工件之間要求產(chǎn)生激振的空間S1，激振器與其他操作者之間要求不產(chǎn)生振動(dòng)的空間S2。

通過(guò)判斷可知空間S1、S2不交叉。運(yùn)用空間分離原理，得出方案6：在激振器上增加減振器。減振器由減振殼、減振彈簧和調(diào)節(jié)螺釘共同組成，在減振殼后端安裝2個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧壓縮量的改變，調(diào)節(jié)減振強(qiáng)度。減振器如圖5所示。

圖5 減振器

2.3 基于“物-場(chǎng)模型”解決問(wèn)題

物-場(chǎng)分析是指從物質(zhì)和場(chǎng)的角度分析和構(gòu)造最小技術(shù)系統(tǒng)的理論與方法[15-16]。根據(jù)因果軸分析可知，夾具的固定與夾緊依賴人工操作，自動(dòng)化程度低。在鋼結(jié)構(gòu)件和固定夾具之間的物-場(chǎng)模型效應(yīng)不足，根據(jù)TRIZ理論中效應(yīng)不足的完整物-場(chǎng)模型，應(yīng)用一般解法4：用另外一個(gè)場(chǎng)F2來(lái)替代原有的場(chǎng)F。由此得到方案7：引入電磁場(chǎng)替代原有的機(jī)械場(chǎng)，使用電磁吸盤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件表面進(jìn)行吸附固定，減少夾具固定與夾緊的人工操作，提高自動(dòng)化程度。鋼結(jié)構(gòu)件與固定夾具的物-場(chǎng)模型如圖6所示。

圖6 鋼結(jié)構(gòu)件與固定夾具的物-場(chǎng)模型

3 方案設(shè)計(jì)實(shí)施

3.1 方案評(píng)價(jià)

基于以上TRIZ理論解決問(wèn)題的分析，結(jié)合實(shí)際情況，匯總提出的所有方案得到方案評(píng)價(jià)如表2所示。由于方案4可拆卸夾具設(shè)計(jì)成本高且安裝復(fù)雜，使用不方便，故不可行。

表2 方案評(píng)價(jià)

3.2 方案選擇

結(jié)合方案5、7，設(shè)計(jì)浮動(dòng)式磁吸座，包括吸附支座、電磁吸盤，電磁吸盤通電后激振器不需要任何夾具便可固定吸附在大型鋼結(jié)構(gòu)件上，提高夾具表面適應(yīng)性和夾具固定自動(dòng)化程度。3個(gè)電磁吸盤外輪廓構(gòu)成一個(gè)同心圓，電磁吸盤通過(guò)球鉸鏈與吸附支座連接實(shí)現(xiàn)空間三維轉(zhuǎn)動(dòng)，且3個(gè)球鉸鏈的球心構(gòu)成一個(gè)等邊三角形。浮動(dòng)式磁吸座結(jié)構(gòu)如圖7所示。

綜合方案1、2、3、5、6、7，設(shè)計(jì)多維振動(dòng)時(shí)效激振器，主要由定向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、安裝底座、減振器、主支架、復(fù)位裝置、固定支架、傳感器、激振電磁鐵、浮動(dòng)式磁吸座等組成，設(shè)計(jì)方案效果如圖8所示。

圖7 浮動(dòng)式磁吸座

圖8 設(shè)計(jì)方案效果

3.3 工作原理

多維振動(dòng)時(shí)效激振器工作過(guò)程：使用前，選擇大型鋼結(jié)構(gòu)件合適的固定區(qū)域進(jìn)行安裝，將浮動(dòng)式磁吸座中的電磁吸盤與鋼結(jié)構(gòu)件表面接觸，通電后電磁吸盤可將激振器固定在鋼結(jié)構(gòu)件上。然后啟動(dòng)激振電磁鐵對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理作業(yè)，根據(jù)激振方向工作需要，調(diào)整定向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變激振方向。最后振動(dòng)時(shí)效處理作業(yè)完成后，斷開(kāi)電磁吸盤電源取下激振器。

4 模態(tài)分析仿真實(shí)驗(yàn)

多維振動(dòng)時(shí)效激振器的主支架與激振電磁鐵通過(guò)焊接方法固定連接，激振器工作時(shí)，電磁鐵會(huì)對(duì)主支架造成振動(dòng)沖擊。如果振動(dòng)沖擊頻率接近主支架的某1階固有頻率，主支架結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生共振而產(chǎn)生較大的形變，破壞激振器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，影響振動(dòng)時(shí)效的效果，因此對(duì)主支架進(jìn)行模態(tài)分析。

將主支架模型導(dǎo)入Workbench中，添加模態(tài)分析模塊Modal。主支架材料選擇為結(jié)構(gòu)鋼，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，添加固定約束，求解后得到主支架前6階模態(tài)云圖如圖9所示。

由求解結(jié)果得到，主支架前6階固有頻率在1 312.0～2 374.2 Hz之間。多維振動(dòng)時(shí)效激振器實(shí)際工作時(shí)對(duì)主支架的激振頻率為50 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主支架的最小固有頻率，激振器不會(huì)與主支架產(chǎn)生共振，因此激振電磁鐵工作過(guò)程中不會(huì)破壞激振器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，驗(yàn)證了多維振動(dòng)時(shí)效激振器設(shè)計(jì)的可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)運(yùn)用TRIZ理論對(duì)慣性激振裝置進(jìn)行分析，確定了導(dǎo)致激振裝置適應(yīng)性不足的原因。運(yùn)用技術(shù)矛盾解決原理、物理矛盾解決原理和物-場(chǎng)模型法創(chuàng)新設(shè)計(jì)了適應(yīng)于大型鋼結(jié)構(gòu)件的多維振動(dòng)時(shí)效激振器，不僅可節(jié)省固定夾具，且激振頻率高，激振方向任意可調(diào)，提高了激振器的適應(yīng)性。

(2)對(duì)多維振動(dòng)時(shí)效激振器的關(guān)鍵部件主支架進(jìn)行模態(tài)分析仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果與振動(dòng)時(shí)效處理作業(yè)實(shí)際要求進(jìn)行對(duì)比分析。仿真分析結(jié)果表明：主支架前6階最小固有頻率為1 312.0 Hz，多維振動(dòng)時(shí)效激振器對(duì)主支架實(shí)際激振頻率為50 Hz，不會(huì)對(duì)主支架結(jié)構(gòu)造成破壞，多維振動(dòng)時(shí)效激振器的設(shè)計(jì)滿足實(shí)際振動(dòng)時(shí)效作業(yè)要求。