基于TRIZ理論的雙螺旋軸阻力加載設計

張新洋

（濟南大學泉城學院 工學院，山東 蓬萊 265600）

基于TRIZ理論的雙螺旋軸阻力加載設計

張新洋

（濟南大學泉城學院 工學院，山東 蓬萊 265600）

本文圍繞阻力加載這一主題，系統地分析了雙螺旋軸阻力加載系統中的技術沖突，然后運用TRIZ理論提供的問題分析與解題工具，創造性地提出電磁阻尼效應加載阻力。本文設計的阻力加載裝置，對于其他領域的阻力加載具有一定的借鑒意義，同時對于運用TRIZ理論解決機械工程實際問題起到一定的參考作用。

TRIZ理論；螺旋軸；阻力加載

螺旋軸是一種常見的傳動部件，廣泛應用在缽苗移栽機的移箱機構和送苗裝置中。其工作時，通常受到來自外載荷的橫向正應力和縱向剪應力以及環向扭矩，它是磨損比較嚴重的部位。研究螺旋軸的受力分布及磨損規律是提高其使用壽命的重要途徑。在試驗階段，為了更真實地模擬螺旋軸的工作情況，需要給其加載一定大小的工作阻力。目前國內對于阻力加載裝置的研究，常規手段是利用慣性飛輪或摩擦產生的阻力矩，利用液壓原理以及電液比例閥加載也有人開始著手研究。另外，由于雙螺旋軸結構的特殊性及運動的雙向性，使用常規阻力加載會使加載裝置結構變得更加復雜。因此，設計一套結構簡單，適合雙螺旋軸工作特點的阻力加載裝置很有實際意義。

1 雙螺旋軸阻力加載現有問題分析

螺旋軸組件受到軸向和徑向應力，磨損比較嚴重。為研究其磨損規律，需建立螺旋軸組件磨損試驗臺；而試驗臺的關鍵技術是如何給軸上滑塊加載一個大小恒定、方向周期性變化的持續軸向阻力，以真實地反映雙螺旋軸實際工作狀態。

圖1 螺旋軸組件受力分析圖

下圖1為螺旋軸組件主要受力分布圖。如圖1所示，左側視圖描述雙螺旋軸在電動機的驅動下一直作逆時針轉動，當螺旋軸驅動軸上的滑塊向右運動時，滑塊位于滑槽中的部位左側受到摩擦力，同時螺旋軸與滑塊接觸的其他部位也受到摩擦力，尤其是滑槽側壁；反之，滑塊向左運動時，滑塊位于滑槽中的部位右側受到摩擦力。滑塊與滑槽側壁間的摩擦力的水平分量與加載在滑塊運動反方向的阻力使滑塊處于平衡狀態。螺旋軸與滑塊在整個運動過程中受到外載阻力的磨損。

2 TRIZ分析工具與常用問題解決工具應用

針對以上阻力加載存在的問題，本文沿著技術系統進化方向，以最終理想解為目標，首先利用TRIZ理論的基本概念將現有問題標準化，然后采用TRIZ提供的豐富分析工具，如：系統分析、資源分析、物－場分析以及矛盾分析等，分析現有阻力加載裝置的可利用資源、可引用資源以及存在的技術沖突等，再針對不同標準問題模型分別采用標準解、科學效應知識庫和發明原理等問題求解工具，得到相應標準解，最后應用該阻力加載的實際解決方案。

2.1 系統分析

TRIZ理論認為，任何系統都是為實現功能而建立，履行功能而存在。技術系統的最低配置，即一個完備的技術系統必須包括動力裝置、傳輸裝置、執行裝置和控制裝置四個部分，缺一不可［1］。這就是TRIZ提供的八大進化法則之一的完備性法則。

根據技術系統的完備性法則分析目前試驗臺裝置可得：以電動機為動力裝置，通過傳動裝置螺旋軸及滑塊，電動機開關為整個系統的控制裝置。如果以滑塊的正壓力來提供整個系統的摩擦阻力顯然達不到阻力加載效果，因此目前阻力加載系統缺少執行裝置。故完善執行裝置是本系統進化的方向，本研究將設計兩種方案給雙螺旋軸加載阻力。

為了進一步地理解系統，分析系統的問題本質，設計者通常要從功能的角度分析系統。功能分析的目的是優化技術系統功能并減少實現功能的消耗，使技術系統以很小的代價獲得更大的價值，從而提高系統的理想度［2］。經分析，該阻力加載系統的基本功能是將旋轉運動轉化為來回往復的直線運動；有用功能為螺旋軸支撐滑塊左右水平運動；系統的問題功能為滑塊的單側變換阻力加載。

另外，該系統表面上是給軸上的滑塊施加阻力，實質上可衍生出實現控制物體位移的功能。根據TRIZ提供的How To模型與科學效應知識庫分析知，設計者可以考慮采用慣性力或安培力來實現對軸上的滑塊位移的控制。

2.2 理想化目標分析

最終理想解（IFR）指明了系統進化的最終方向。它有助于設計者克服思維障礙，避開慣性思維。要實現問題的最終理想解需要創造者充分挖掘系統資源。經分析，本阻力加載系統的最終理想解——當滑塊水平向右運動時，它到向左的阻力；反之，受到向右的阻力。

2.3 資源分析

善于利用系統中的物質資源是高水平發明家的標志。九屏圖就是一種從時間、空間多維角度分析和查找解決問題所用資源的有效途徑。經分析，該阻力加載系統九屏圖如圖2所示：

圖2 雙螺旋軸阻力加載的九屏圖

經分析，利用子系統的資源可得到的解決方案有：改變滑塊結構，使它變成旋轉可動，利用滑塊可動部分的慣性力改變滑塊的受力方向。

從當前系統未來發展的角度，可得到的解決方案有：利用滑動摩擦力的方向總是與物體相對運動的方向相反的特點，給滑塊施加阻力或利用電磁感應原理產生的電磁阻尼阻礙滑塊與磁場之間的相對運動。相比而言，這類方案較優，為解決滑塊的單側阻力加載提供了新思路。

技術系統問題的解決離不開當前系統的資源。資源包含系統內部資源和外部可引用資源，其中系統內部資源又包括現有資源、派生資源。經分析，該阻力加載系統的資源如下表1所示：

表1 系統資源分布

2.4 物－場分析與標準解的綜合應用

TRIZ理論認為，任何功能的實現都離不開至少2種物質和1種場。其中物質S1為被作用對象，物質S2為“工具”，即作用的施予者；場為維系兩種物質的“能量”、“力”。本文先分析當前阻力加載系統所涉及的物質和場元素，然后判斷現有模型存在的問題，再根據物－場分析的一般解法［3］（見表2）及相應的標準解建立有效作用的物－場模型。

表2 物－場分析的一般解法

其具體解法如下：

2.4.1 識別元件

功能＝單側變換加載；

螺旋軸＝S1，滑塊＝S2，能量＝F。

要實現螺旋軸滑塊組件單側變換加載功能，原有系統中滑塊不足以給螺旋軸加載一定量的阻力，該系統的工具對作用對象作用效應不足。

物－場分析：需要給滑塊施加足夠的阻力，原系統雖然是一個結構完整系統，但功能不完整，滑塊與螺旋軸之間的“場”的作用不足。

2.4.2 構造模型

利用物質－場分析和76個標準解中第2級標準解或表2中提供的一般解法5，引入移動托盤物質S2和機械能場F1或引入金屬框S2和磁場F2可實現螺旋軸滑塊單側變換加載。對于機械場模型，本文引入新物質S3—移動托盤，對于磁場模型，本文引入另一物質S3—導體棒。其原有及兩次改進后的物－場模型表示如下圖3所示：

圖3 應用解法5前后的物－場模型

2.4.3 標準解的具體應用

對于引入的機械場模型，設計阻力加載裝置簡圖如圖4所示，移動托盤與滑塊通過套筒連接和導軌構成摩擦副。通過托盤與導軌的滑動摩擦力來給滑塊加載阻力；為了阻力加載的需要，移動托盤可以增減重物砝碼。

設計的主要技術指標：斜置移動托盤質量m，導軌兩端沖擊力F，螺旋軸轉動頻率f約為2Hz，雙螺旋軸的導程l選為268mm。滑塊水平移動速率v大約為0.04m/s，通過試驗可以測試質量m與沖擊力F之間的關系。沖擊力F過大會引起運動副工作的穩定性。

圖4 機械場阻力加載裝置簡圖

雖然上述方案可以實現螺旋軸－滑塊組件的單側變換加載，然而，摩擦力場并非是一個容易控制的場，且摩擦力帶來物質損耗和能量損失。根據TRIZ理論提供的八大進化法則之一的向微觀級和場應用進化法則的提示。場應用可按以下路徑進化：重力場→機械場→電場或磁場→輻射場。本文考慮更高效、作用力更強和便于控制的磁場來給滑塊加載阻力。

該方案引入了另一種新物質－導體棒，將導體棒與滑塊上的軸套固定，將導軌的一端連接與導體棒構成一個閉合回路。亥姆霍茲線圈（如圖5）置于導軌平面上下，使導軌平面區域產生均勻近似恒定的磁場。當導體棒切割磁力線運動時，如圖6所示，其內部產生感應電流，與此同時，導體棒受到一個與其運動方向相反的安培阻力，這樣也可實現螺旋軸－滑塊組件的單側變換加載。

圖5 亥姆霍茲線圈模型圖

圖6 導體棒在磁場中運動示意圖

亥姆霍茲線圈是一對密繞、N匝、同軸截流圓繞圈。主要設計參數如下：

線圈內徑r1=40cm，外徑r2=44cm，寬度3cm，兩線圈間距R=20cm，匝數N＝300，施加均勻電流密度20 000A/m2，真空中的磁導率u0＝4π·10-7N/A2，空氣中的磁導率可近似為u0。其中兩線圈中間點處的磁場強度計算公式如下：

經計算，線圈中間部分（x?6～6cm）磁場分布比較均勻，磁場強度在0.18～0.2T之間［4］。

本裝置中導體棒受到的安培阻力計算公式如下：

其中l為導軌寬度，S為導體棒的截面面積，R0為導體棒的電阻，P為導體棒室溫時的電阻率，v為導體棒的移動速率，忽略導軌的電阻，綜合考慮導體棒的材料的力學性能和電阻率，本文選用鋁合金棒，代號6A02，狀態T6，電阻率，S為0.01πm2。

導軌寬度選為0.35m，將數據代入公式（2），經計算，在磁場公布均勻區域得到的安培阻力約為439.6N。

2.5 技術矛盾與發明原理應用

由于螺旋軸轉速越大，克服的慣性力越大，軸受到的阻力也越大，但滑塊的方向轉變也變得困難，產生對軸的沖擊力越大。

本文利用矛盾矩陣和40條發明原理解決運動物體的質量（托盤或導體棒）和沖擊力之間的技術沖突；利用第10條預操作原理和第18條振動發明原理在導軌兩端焊接擋板并加彈簧，解決了移動托盤質量大帶來的慣性力（或安培阻力）和沖擊力的弊端。具體解決方法如下：

定義技術矛盾：為了給滑塊施加一定的阻力，移動托盤質量必須足夠大，而大質量的移動托盤必然帶來大的慣性力，給滑塊在兩端的移動變換帶來麻煩。如果在導軌兩側加擋板，又會給擋板帶來大的沖擊力。于是構成了運動物體的質量和力之間的技術矛盾。如下表3

表3 矛盾矩陣簡表

本文采用發明原理10（預操作）和發明原理18（振動），在導軌兩端焊接擋板并加彈簧。

3 結論

本文的創新點：引入系統外摩擦力和電磁阻尼實現摩擦副的阻力單向變換加載。解決的關鍵技術：克服了試驗臺的螺旋軸阻力加載不足和加載過大產生的副作用以及阻力加載的單向性。

本設計參照TRIZ理論問題解決一般流程，先對當前系統進行系統分析、理想化目標分析和資源分析，得到問題標準模型，然后采用相應的基于知識的問題解決工具，解決了原來系統單側阻力加載及阻力加載不足的弊端。磁場的引入優化了利用摩擦力來提供摩擦阻力導致的新物質損耗。引入新的物質和有競爭力的場增強了原有的物－場模型，但難免會產生一系列新的沖突，形成沖突鏈。利用矛盾矩陣和發明原理進一步解決新的沖突，徹底解決了系統矛盾。

［1］張明勤.TRIZ入門100問-TRIZ創新工具導引［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［2］高常青.TRIZ發明問題解決理論［M］.北京：科學出版社，2011.

［3］孫峰華.TRIZ創新理論與應用原理［M］.北京：科學出版社，2010.

［4］王之魁，樊慶文，等.基于亥姆霍茲線圈的均勻磁場發生器設計分析及應用［J］.醫療衛生裝備，2014（10）：1-3，10.

Double Spiral Shaft Resistance Load Design based on TRIZ

Zhang Xinyang
（SchoolofEngineering,Universityof Jinan Quancheng College，PenglaiShandong265600）

Around with the theme of resistance load，systematic analysis of technology conflictin the double spiral shaft load resistance system was carried out in this paper，and then by using the analysis and problem-solving toolsprovided byTRIZ theory，the loading resistance with electromagnetic damping effect wasput forward creative?ly.The resistance loading device in this paperhas certain reference significance in other areas，andusing TRIZ the?ory to solve practical problems ofmechanical engineering plays a reference role.

TRIZtheory；spiral shaft；resistance load

TH122

A

1003-5168（2015）05-0050-4

2015-4-10

張新洋（1987-），男，碩士，助教。