基于TRIZ理論提高盤軸松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性

摘 "要：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在復(fù)雜工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時很容易出現(xiàn)松動故障，為提高對盤軸松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的研究，基于TRIZ理論對問題進(jìn)行分析和求解，該文通過對系統(tǒng)進(jìn)行組件分析、資源分析、功能模型圖和因果分析，找出產(chǎn)生問題的根本原因，再使用最終理想解、九屏幕圖、STC算子、技術(shù)矛盾與發(fā)明原理、物理矛盾與分離原理、物場模型及科學(xué)效應(yīng)與知識庫等工具對問題進(jìn)行求解，為解決盤軸松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)可靠性問題提供創(chuàng)新設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)；TRIZ理論；盤軸松動；動力學(xué)特性；創(chuàng)新方法

中圖分類號：TH113.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0012-05

Abstract： Loose faults are easy to occur when the rotor system is running under complex working conditions. In order to improve the study of the dynamic characteristics of the rotor system with loose spindles， the problem is analyzed and solved based on TRIZ theory. Through component analysis， resource analysis， functional model diagram and causal analysis of the system， the root cause of the problem is found. Then， the final ideal solution， nine-screen diagram， STC operator， technical contradiction and invention principle， physical contradiction and separation principle， matter field model， scientific effect and knowledge base are used to solve the problem， which provides an innovative design scheme for solving the dynamic reliability problem of disk shaft loose rotor system.

Keywords： rotor system; TRIZ theory; disk shaft loosening; dynamic characteristics; innovative method

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在電力、石化和航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如發(fā)電機(jī)、離心機(jī)及航空發(fā)動機(jī)等，并在這些領(lǐng)域具有非常重要的作用。旋轉(zhuǎn)機(jī)械容易發(fā)生裂紋、松動、振動等故障，其中，松動故障是由裝配質(zhì)量不高和長期振動產(chǎn)生的，也是最容易發(fā)生的一種故障，一般發(fā)生在支撐部件、轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)軸等連接件中。然而，現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)機(jī)械松動故障研究主要是對非轉(zhuǎn)動部件的松動故障進(jìn)行研究[1-6]，如軸承座松動、支座松動等，卻忽略了轉(zhuǎn)動部件的松動故障。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要做功部件是轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)軸，其常在大幅度振動、高溫、高速等復(fù)雜工況下工作；在復(fù)雜工況下，轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)軸的裝配界面極易出現(xiàn)松動故障，松動故障會直接對整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動特性造成影響。盤軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)松動故障輕則會影響機(jī)器的工作效率，重則會造成重大的人員和經(jīng)濟(jì)損失。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的松動問題應(yīng)該被人們高度重視，否則，將會給工程應(yīng)用帶來很大的安全問題。因此，只有先掌握了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性，才能提前做出預(yù)警。

目前，發(fā)明問題解決理論（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch， TRIZ）是一種常見的創(chuàng)新理論方法，TRIZ在問題分析、解決領(lǐng)域有著全面而獨(dú)特的理論體系。因此，本文基于TRIZ理論對提高盤軸松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性這一問題進(jìn)行分析，應(yīng)用TRIZ理論[7-12]的最終理想解、九屏幕圖、STC算子、技術(shù)矛盾、物理矛盾、物場模型及科學(xué)效應(yīng)與知識庫等工具提出解決方案，對利用創(chuàng)新理論解決實(shí)際問題具有重要的參考價值。

1 "問題描述

盤軸作為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要做功部件，通常在大幅度振動、高溫、高壓和高速等復(fù)雜工況下工作，盤軸松動故障發(fā)生時，很容易導(dǎo)致其他故障發(fā)生，直接獲取轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性不僅需要巨大的經(jīng)濟(jì)成本，而且對技術(shù)的要求也比較高。因此，對問題進(jìn)行規(guī)范化表述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能為“轉(zhuǎn)子動力學(xué)系統(tǒng)（技術(shù)系統(tǒng)S）分析（施加動作V）盤軸松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)（作用對象O）的動力學(xué)特性（作用對象的參數(shù)P）”。圖1為現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的工作原理流程圖。然而，現(xiàn)有的關(guān)于盤軸松動的研究較少，并且主要是單故障研究，忽略了對耦合故障的研究；盤軸松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)分析結(jié)果與現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)存在一定的差異。通過上述分析，關(guān)于盤軸松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)的可靠性還有待提高，因此使用TRIZ創(chuàng)新方法對其進(jìn)行分析改善。

2 "問題分析

2.1 "系統(tǒng)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。通過對盤軸松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的分析，系統(tǒng)組件主要為動力學(xué)系統(tǒng)，超系統(tǒng)組件為人和外界環(huán)境，子組件包括轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)軸、軸承座、電機(jī)、電渦流傳感器和計算機(jī)等。

2.2 "系統(tǒng)資源分析

在TRIZ理論中，資源是一切可被人類開發(fā)利用的物質(zhì)、能量和信息的總稱，資源分析則是整理系統(tǒng)中的可用資源，從而使“隱性資源顯性化、顯性資源系統(tǒng)化”。因此，創(chuàng)造性的利用系統(tǒng)可用資源，能夠提高系統(tǒng)的理想度水平。通過對資源進(jìn)行合理分類，可以分為物質(zhì)、能量、信息、時間、空間和功能等資源類型，根據(jù)常見的資源類型對轉(zhuǎn)子動力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析，見表1。

2.3 "系統(tǒng)功能模型

系統(tǒng)功能分析就是對系統(tǒng)進(jìn)行分解，確定系統(tǒng)的主要功能，明確各組件的有用功能及其對系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，建立并繪制功能模型圖，如圖2所示，其中直線代表充分作用，虛線代表不足作用。功能模型采用規(guī)范化的描述來表達(dá)組件的相互關(guān)系，有助于對系統(tǒng)進(jìn)行更深入的分析。

2.4 "系統(tǒng)因果分析

因果關(guān)系在生活中無處不在，因果分析就是找出事件發(fā)生的原因與結(jié)果這兩者之間的關(guān)系，要循因?qū)Ч?、?zhí)果索因，從不同方向用不同的思維方式進(jìn)行分析。因此，通過分析可以得到如圖3所示的因果分析圖，這4條因果鏈最終都會導(dǎo)致盤軸松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性可靠性不足。

3 "問題求解

3.1 "最終理想解IFR

隨著系統(tǒng)的改進(jìn)，期望能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)中所有有用的功能，卻不占用時間、空間，不消耗資源，也不產(chǎn)生有害功能，這種系統(tǒng)稱為理想系統(tǒng)，這種理想化的狀態(tài)稱為最終理想化的結(jié)果（Ideal Final Result， IFR），而尋找這種結(jié)果的解決方案的過程稱為最終理想解[13]。為了提高盤軸松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的可靠性，最終理想解是準(zhǔn)確獲取故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性，因此，IFR具體分析過程見表2，同時得到如下概念方案。

方案1：優(yōu)化轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，提高其使用性能和使用壽命。

方案2：改善轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，提高其使用性能和使用壽命。

方案3：使用高效的仿真軟件分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性。

3.2 "九屏幕圖

九屏幕法是典型的TRIZ“系統(tǒng)思維”方法，即對情境進(jìn)行整體考慮，不僅考慮目前的情境和探討的問題，還考慮其在層次和時間上的位置和角色。通過分析可以得到如圖4所示的九屏幕圖。因此，得到了如下概念方案。

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

方案5：運(yùn)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(jī)，提高計算能力。

方案6：運(yùn)用信息資源產(chǎn)生新的概念方案，建立盤軸松動轉(zhuǎn)子動力學(xué)系統(tǒng)。

方案7：運(yùn)用信息資源產(chǎn)生新的概念方案，在建立盤軸松動轉(zhuǎn)子動力學(xué)系統(tǒng)時考慮偏心故障對系統(tǒng)的影響。

3.3 "STC算子

STC算子對物體的尺寸（size）、時間（time）、成本（cost）這3個因素的極限變化進(jìn)行分析，以打破常規(guī)的對物體的尺寸、時間和成本的認(rèn)識。系統(tǒng)在3種極限條件下的情況見表3。因此，得到了如下概念方案。

方案8：在成本無窮小的條件下產(chǎn)生新的概念方案，實(shí)時監(jiān)測轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)，確保轉(zhuǎn)子系統(tǒng)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，頻繁更換轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)軸。

方案10：在時間無窮大的條件下，產(chǎn)生新的概念方案，人工測量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性。

3.4 "技術(shù)矛盾與發(fā)明原理

技術(shù)矛盾指相互制約的2個系統(tǒng)參數(shù)，提高某一參數(shù)時，會使另一參數(shù)惡化的矛盾[14]。針對現(xiàn)有的盤軸松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型，如果降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的可靠性，那么將可以快速獲取轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)模型，但是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的壽命將會減少；如果提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的可靠性，那么轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的壽命將會提高，但是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)模型將會變得復(fù)雜。因此，得到了如下概念方案。

方案11：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12：利用發(fā)明原理3局部特性原理，產(chǎn)生新的概念方案，用1/4的轉(zhuǎn)子代替整個轉(zhuǎn)子。

方案13：利用發(fā)明原理3局部特性原理，產(chǎn)生新的概念方案，用局部轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性即可表示整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

3.5 "物理矛盾與分離原理

為了實(shí)現(xiàn)某種功能，要求同一對象或同一子系統(tǒng)的某個參數(shù)互斥，這稱為物理矛盾。為了快速獲取準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性，要求降低性能；與此同時，為了提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)壽命，要求提高性能。因此，得到了如下概念方案。

方案14：運(yùn)用空間分離產(chǎn)生新的概念方案，將數(shù)值方程的計算過程分布在多個計算機(jī)中完成。

3.6 "物-場模型及標(biāo)準(zhǔn)解

物-場模型一般用于描述帶有問題的系統(tǒng)，通過建立模型用符號語言描述系統(tǒng)的構(gòu)成要素及其相互聯(lián)系。在系統(tǒng)中，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1個場的模式來描述[15]。因此，得到了如下概念方案。

方案15：運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)解1.1.2，引入偏心故障來模擬實(shí)際工況可能會出現(xiàn)的耦合故障，新的物-場模型如圖5所示。

方案16：運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)解1.1.1，在動力學(xué)系統(tǒng)中加入能夠模擬實(shí)際工況的功能，新的物-場模型如圖6所示。

3.7 "科學(xué)效應(yīng)與知識庫

科學(xué)效應(yīng)是在科學(xué)理論的指導(dǎo)下，實(shí)施科學(xué)現(xiàn)象的技術(shù)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4為提煉欲改變的系統(tǒng)功能。綜合查詢效應(yīng)庫，得到表5的功能庫和表6的屬性庫。因此，得到了如下概念方案。

方案17：查詢“改變轉(zhuǎn)盤重量”，運(yùn)用科學(xué)效應(yīng)“改變對象的尺寸或形狀”產(chǎn)生新的概念方案，即在建立轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)模型時，考慮偏心故障引起的耦合故障。

4 "方案匯總

基于TRIZ理論對盤軸松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性可靠性問題改善研究得出了17個方案。從成本、難易、可靠等多個維度對這17個方案進(jìn)行可行性評估，最終結(jié)果見表7。根據(jù)綜合評價最終采納由“方案6、方案16、方案17”所組成的綜合方案，即盤軸松動-偏心耦合故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)模型。

5 "結(jié)束語

本文結(jié)合TRIZ對盤軸松動轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性可靠性問題進(jìn)行研究，通過對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)重新建模，合理運(yùn)用多種工具將矛盾點(diǎn)層層分析解剖，最終將問題趨于理想解。通過TRIZ的分析，該方案解決了當(dāng)前轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性難以獲取及不準(zhǔn)確的問題，極大地改善了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)建模與實(shí)際工況間誤差較大的不足，豐富了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中配合松動類故障的研究方法，同時對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)松動故障的監(jiān)測及診斷具有重要的理論價值及工程應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何振鵬，仲崇高，王宇博，等.發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩-裂紋-松動耦合故障作用下動力學(xué)特性分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2020，39（7）：1139-1148.

[2] 王名月，繆炳榮，李旭娟，等.基于局部均值分解的螺栓連接振動松動研究[J].工程機(jī)械，2017，48（5）：34-40，123-124.

[3] YANG Y， YANG YIREN， CAO D Q， et al. Response evaluationof imbalance-rub-pedestal looseness coupling fault on a geometrically nonlinear rotorsystem[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2019：118.

[4] WEI S H， LU W X， CHU F. Speed characteristics of disk-shaft systemwith rotating part looseness[J]. Journal of Sound and Vibration，2020：469.

[5] 曹樹謙，黃亞明.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承松動故障非線性參數(shù)識別[J].振動.測試與診斷，2018，38（3）：446-453.

[6] 凌寒，賀利樂，張平.支座松動故障下滑動軸承油膜空穴遷移規(guī)律研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2019（2）：110-113.

[7] 凌旭，劉敏，肖芝，等.基于TRIZ理論的渦輪增壓器降噪方法[J].機(jī)床與液壓，2021，49（14）：75-79.

[8] 魏延，楊春穎，王永芳，等.基于TRIZ理論和LSTM的技術(shù)成熟度評估及預(yù)測方法[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2022（3）：153-158.

[9] 張凱瑞，陳錦豪，穆瑞.基于TRIZ和專利分析的產(chǎn)品方案創(chuàng)新設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計，2022，39（S1）：178-182.

[10] 楊友勝，唐順軍，王曉東，等.基于TRIZ理論的深海水液壓電磁閥[J].機(jī)械工程學(xué)報，2019，55（16）：205-212.

[11] KIM T， LIM H， CHO K. Conceptual robot design for the automated layout of building structures by integrating QFD and TRIZ [J]. Int J AdvManufTechnol， 2022（120）：1793-1804.

[12] QIU C， TAN J R， LIU Z Y， et al. Design theory and method of complex products： A review [J]. Chin. J. Mech. Eng. ，2022（35）：103.

[13] 邱川展，廖思聰，薛志朋.TRIZ創(chuàng)新方法在電線鼓包檢測中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2021，50（7）：220-223，226.

[14] 馮立杰，王金鳳，馬鴻廉，等.專利地圖和TRIZ的融合創(chuàng)新模式及其實(shí)證研究[J].科技管理研究，2014，34（20）：10-13，17.

[15] 陳錦豪，張凱瑞，穆瑞.基于TRIZ理論的進(jìn)氣道調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計，2021，38（S2）：11-14.

[16] 李陽.面向?qū)＠季值臋C(jī)電產(chǎn)品功能設(shè)計方法研究[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2020.