基于TRIZ的3工位作動筒創新設計

金文棟，杜桂賢

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

發明問題解決理論（TRIZ）是前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller，1926～1998） 于 1946年創立的理論。TRIZ是研究人類進行發明創造、解決技術難題過程中所遵循的科學原理和法則，其基本原理是技術系統在消除內部沖突的進化過程中遵循的客觀規律，曾經被稱作前蘇聯的“國術”和“點金術”。TRIZ指出：產品及其技術的發展總是遵循著一定的客觀規律，解決發明問題過程中所尋求的科學原理和法則是客觀存在的，大量發明面臨的基本問題和矛盾（技術矛盾和物理矛盾）也是相同的，同樣的技術創新原理和相應的解決問題方案，會在后來的發明創新中被反復應用，只是所屬的技術領域可能不同，因此，提煉和重組已有的知識，形成1套系統化的理論，可以指導后來的發明創造、創新和開發，從而能動地進行產品設計并預測產品的未來發展趨勢。對于工程設計人員而言，產品的創新設計過程就是不斷解決其存在的基本問題和矛盾的過程，而TRIZ正是工程設計人員在產品創新設計過程中最有用的工具之一。

本文通過應用TRIZ中的部分工具體系，提出了1種具有3工位工作的作動筒結構，并在TRIZ的指導下對方案進行了優化，最終得到1種適用于工程實際的方案結構。

1 3工位作動筒創新設計

TRIZ體系是以辯證法、系統論和認識論為哲學指導，以自然科學、系統科學和思維科學的分析和研究成果為根基和支柱，以技術系統進化法則為理論基礎，以技術系統或技術過程矛盾、資源、理想化為4大基本概念，包括了解決工程矛盾問題和復雜發明問題所需的各種分析方法、解題工具和算法流程。利用ARIZ解決具體問題的思路如圖1所示。首先將1個待解決的具體問題轉化并表達為TRIZ的問題模型，利用TRIZ中的工具獲得解決方案模型；然后針對具體問題，應用專業知識將TRIZ的解決方案模型轉化為具體問題的最終解決方案。這種解決問題的模式比以往靠“經驗法”、“試錯法”、“頭腦風暴法”等傳統創新方法來的更快、效率更高；同時，縮小了解決問題的思路方向與最終理想解的偏差，使創新變得容易，比直接利用專業知識求解的效率更高，而且最終解的質量也更高。下面以3工位作動筒的創新設計為例進行介紹。

圖1 TRIZ解決問題的思路

1.1 現有作動筒存在的問題

傳統的航空發動機可調噴管一般由液壓作動筒控制，當作動筒活塞桿處于兩端機械限位時，對應噴管面積也處于1個機械最大或最小位置。液壓作動筒結構如圖2所示。從圖中可見，在活塞桿完全伸出時處于1個機械限位位置，其收回時處于另外1個機械限位位置，而當噴管需要在中間某一特定位置長時間停留時，則無法實現機械限位，只能通過位移傳感器給出位移信號，然后由控制系統操縱作動筒來實現，這就使得噴管結構、控制及整個技術系統復雜且經濟成本較高。為使作動筒活塞桿可在中間某一特定位置實現機械限位，而不需要其余復雜的位移信號及控制系統，需設計1種具有3工位工作的作動筒結構。

圖2 傳統液壓作動筒結構

1.2 基于TRIZ的問題分析

圖3 利用TRIZ解決問題的流程

TRIZ的解題模式如圖3所示。TRIZ中問題模型的建立與其工具都有1套完整的理論體系。對作動筒進行功能分析發現，該作動筒缺乏無法實現在中間特定位置機械限位的功能。對該非結構化問題，利用TRIZ中的物場模型和標準解法，建立該待解決問題的問題模型，并得到相應的解決方案模型，如圖4所示。在建立的物場模型中，作動筒對于發動機噴管而言存在1個不充分的作用，即不具備在中間特定位置機械限位的功能，通過物場模型的標準解，必須在作動筒系統中引入1個新的組件，以實現該功能。

F1—機械場；S1—噴管；S2—作動筒；S3—新組件； —不充分作用

1.3 應用TRIZ工具得出的創新方案

在TRIZ體系中，ARIZ是解決發明問題的完整算法，是指對1個初始問題進行了一系列變形再定義等非計算性的邏輯過程，集成了TRIZ體系中大多數的觀點和工具，實現對問題的逐步深入分析和轉化，最終解決問題。該算法強調問題矛盾與理想解的標準化，一方面技術系統向理想解的方向進化，另一方面如果1個技術問題存在矛盾需要克服，則該問題就變成1個創新問題。利用ARIZ算法解決創新問題的流程如圖5所示。

圖5 ARIZ算法解決創新問題的流程

針對作動筒缺少中間機械限位的初始問題，利用ARIZ解題主要步驟如下。

（1）最小問題選定。通過對該技術系統矛盾的定義與分析，根據現有作動筒結構特點，需引入1個新的組件，使其能夠實現作動筒中間特定位置機械限位的功能；同時，要求對現有結構不做大的改動。

（2）問題模型分析。在作動筒系統中，活塞桿可實現作動筒兩端機械限位的功能，為使作動筒能實現中間特定位置的機械限位，引入1個新的活塞桿，利用其功能，即可實現作動筒中間位置機械限位功能。

（3）最終理想解和物理矛盾。在作動筒系統中引入1個新的活塞桿，可實現作動筒3工位要求，又不會喪失原作動筒功能。為了實現作動筒中間位置機械限位功能，新引入活塞桿限位位置必須位于作動筒中間，而為了使作動筒原兩端機械限位功能不喪失，新引入活塞桿限位位置又不能位于作動筒中間。對此，需要思考如何使新引入的活塞桿限位位置既能位于作動筒中間，又不能使作動筒原兩端機械限位功能喪失。

（4）物理矛盾去除方法。調動和使用物場資源，用“小人法”模擬，并利用物場資源，充分考慮第3步提出所需解決的問題，用作動筒系統中“空間＋物質”的組合資源，初步得到1個技術方案，如圖6所示。在該技術方案結構中，原作動筒活塞桿位置未發生變化，其機械兩端的機械限位方式也保持不變。新引入的活塞桿位于作動筒右側，并相應增加1個容腔，當作動筒需要在中間特定位置限位時，其左端和中間油路同時進油，對每個活塞桿而言，其有桿腔與無桿腔之間始終存在1個壓力差，使得左端活塞桿向右移動，而新引入活塞桿向左移動。當2個活塞桿頂靠在一起時，由于新引入活塞桿有桿腔面積大于原活塞桿的，雖兩端壓力相同，但新引入活塞桿向左的作用力始終大于原活塞桿向右的，此時2個活塞桿同時向左移動，當新引入活塞桿上限位螺母與作動筒中間部分頂靠在一起時，實現機械限位，而新引入活塞桿向左移動的距離即為原活塞桿所需中間機械限位位置。

（5）分析已得到的方案。由第4步所得出的初步技術方案可知，新引入的活塞桿不但實現了作動筒中間機械限位的功能，同時原活塞桿的功能也沒有被破壞，基本上解決了該作動筒技術系統存在的矛盾，實現了初始問題的順利解決。

由上述ARIZ算法主要解題步驟可知，該算法具有優良的操作性、系統性、實用性以及易流程化等特性，成為TRIZ理論的重要支撐，對于解決那些問題情景復雜、矛盾不明顯的非標準發明問題，可行且有效。

圖6 3工位作動筒初步方案

2 應用TRIZ工具進行方案優化

上文描述的初步方案雖然有效，但距工程應用依然有一定距離，主要表現在結構比原作動筒的復雜，不便于維修。為此，必須在該方案的基礎上進行優化設計。應用TRIZ工具優化方案的主要步驟是，首先對該方案用TRIZ術語定義其存在的技術矛盾，然后利用TRIZ工具解決。在TRIZ工具體系中，技術系統中出現的絕大部分技術矛盾可用39個通用技術參數來定義，然后利用矛盾矩陣找出相應的創新原理，對技術矛盾加以解決。

在現方案中，要解決的主要技術矛盾是指作動筒系統的復雜性與可維修性之間的矛盾，優化的目的在于改善系統的復雜性，由此根據矛盾矩陣，可利用40個創新原理中的分割和反向作用原理來優化該方案。在得到的初步方案中，系統過于復雜的原因主要是：為使新引入的活塞桿起到應有作用，而同時原活塞桿功能不喪失，新引入活塞桿的同時引入了相關輔助功能的零件。利用分割原理，若將原活塞桿一分為二，既可實現新引入活塞桿功能，又可保留原活塞桿功能，則不需要引入更多輔助功能的零件，使系統的復雜性得到改善。優化后的方案如圖7所示。在優化后的方案結構中，原作動筒活塞桿左端保留了原活塞桿功能，右端實現了新引入活塞桿功能，其工作原理與初步方案基本相同，惟一變化的是利用分割原理實現了2個活塞桿“共行程”，使整個系統簡單化，達到了預期優化目的，可應用于工程實踐。

圖7 優化后3工位作動筒方案

3 結束語

利用TRIZ創新思想和自身經驗與知識，指導整個產品的設計及優化的全過程，不僅肯定了人們的經驗和知識，同時提高了整個產品的設計效率，快速實現產品的創新設計；但同時要求設計人員必須掌握一定的TRIZ運用技巧和專業知識。將二者很好地結合是解決問題的關鍵。3工位作動筒的設計，打破了常規設計的慣性思維，使作動筒獲得了新功能，在設計及優化過程中較好地應用了TRIZ理論和專業知識，得到了最終問題的理想解。

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