TRIZ理論在金屬彈性敏感元件設計及工藝中的應用

李 洋

（海軍裝備部，太原 030006）

TRIZ理論在金屬彈性敏感元件設計及工藝中的應用

李 洋

（海軍裝備部，太原 030006）

由于金屬彈性敏感元件的特殊性，它在設計及生產過程中，通過現有理論和經驗公式獲得的產品性能質量特性，不足以完全真實地反映產品實際情況，仍需要通過大量的試驗來獲得最終的參數。本文通過引入TRIZ理論，依靠其涵蓋的創新思維方法、問題分析方法及解決問題的流程，高效地獲得解決金屬彈性敏感元件設計生產問題的解決方法或相關產品參數。

金屬彈性敏感元件 TRIZ理論 產品性能

引言

金屬彈性敏感元件包含膜（片）盒、（焊接）波紋管、振動筒等多種彈性元件，廣泛應用于航空、航天、船舶等多個領域。利用其自身的彈性變形功能，它被用作測量元件、執行元件、儲能元件、密封元件、彈性連接元件和隔震減振元件等[1]。

和一般的機械零件不同，大多數金屬彈性敏感元件在制造過程中要經受較大的塑性變形。除了要保證幾何外形尺寸，它還要滿足規定的性能要求。金屬彈性敏感元件的性能質量，不僅受設計因素的影響，而且很大程度上依賴于制造工藝。即使在確定的設計和工藝條件下，金屬彈性敏感元件對原材料的變化依然十分敏感。不同批號、爐號和不同生產廠家的材料，都會引起產品最終性能的變化。因此，在投產前必須調整設計、工藝因素來補償材料引起的變化。

遺憾的是，迄今還沒有包含所有影響參數的完整而實用的設計公式可以遵循[2]。從目前金屬彈性敏感元件的研發和生產狀況來看，無論是設計初期還是投產以后，都需要大量的試驗來保證產品性能的穩定。試驗中，通行的方法是試錯法——屬于傳統的一種創新方法。例如，某項新研產品選用了新的材料、新的成型模具以及新的熱處理規范和穩定處理工藝；在投入首批試驗件后，根據試驗結果可知特性偏離的大小和方向；決定下批投入時，需要更改何種工藝參數及設置更改到什么程度。如此反復，直至產品特性合格。

試錯法簡單易行，但其周期長，耗費大量的人力、物力，且容易使人形成慣性思維，即遇到類似問題時，可能會不假思索地運用過去常用的方法來處理，卻忽略環境的變化，從而造成不必要的損失。

1 TRIZ理論概述及其先進性

1.1 TRIZ理論概述

TRIZ理論是一項“發明問題解決理論”，是前蘇聯發明家阿奇舒勒先生通過研究上萬項發明專利后總結形成的一項理論。任何領域的產品改進、技術變革和創新，與生物系統一樣，都存在產生、生長、成熟、衰老、滅亡，是有規律可尋的。TRIZ理論就是總結出各種技術發展進化遵循的規律模式以及解決各種技術矛盾和物理矛盾的創新原理和法則，建立一個由解決技術、實現創新開發的各種方法和算法組成的綜合理論。

TRIZ理論主要涵蓋創新思維方法與問題分析方法、技術系統進化法則、技術矛盾解決原理、創新問題標準解法、發明問題解決算法、基于物理、化學幾何學等工程學原理而構建的知識庫6個方面。它依托分割原理、拆除原理、局部性質原理、不對稱原理、組合原理等40項基本措施[1]，構成其完整的結構體系。

1.2 TRIZ理論相對傳統創新方法的先進性

相對于傳統的創新方法，如試錯法、頭腦風暴法等，TRIZ理論具有鮮明的特點和優勢，成功揭示了創造發明的內在規律和原理，著力于澄清和強調系統中存在的矛盾[2]，通過發現矛盾所在，找到解決問題的方向。它不逃避矛盾，目標就是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。

以試錯法為例，假如某型產品特性測試結果顯示其位移偏大，則需按圖1所示流程找到問題癥結及解決方案。

圖1 試錯法分析流程

經過對原始問題的層層分解，最終將可能造成位移偏大的原因落實到9個方面。對這9個方面分別驗證分析后，確定問題的癥結所在，然后再通過進一步試驗將技術參數修正，完成對產品特性的糾正。

而運用TRIZ理論分析同樣的問題則無需如此繁冗，如圖2所示。

圖2 TRIZ理論分析流程

相對于傳統創新方法，TRIZ理論大大簡化了分析過程，減少了試驗頻次。因為TRIZ理論是基于技術的發展演化規律來研究整個設計與開發過程，而不是隨機行為。實踐證明，運用TRIZ理論可以大大加快人們創造發明的進程，而且能得到高質量的創新產品。它能夠幫助人們系統地分析問題，快速發現問題的本質或者矛盾，并準確確定問題的探索方向，突破思維障礙，打破思維定式，以新的視覺分析問題，進行系統思維，根據技術進化規律預測未來發展趨勢，從而促使人們不斷開發富有競爭力的新產品。例如，截止2003年，三星電子采用TRIZ理論指導項目研發而節約的相關成本就有15億美元，同時通過在67個研發項目中運用TRIZ技術，成功申請了52項專利。

2 TRIZ理論在金屬彈性敏感元件設計及工藝中的應用

2.1 應用案例1

2.1 .1 問題描述

某型壓力膜盒設計要求在滿足一定總位移的前提下，起始壓力為總壓力的1%時，起始位移要達到總位移的8%以上。初期設計方案膜片采用三角形波紋，結合膜片型面整體上凸一定角度，以獲得較大的初始位移。但是，實際采用該型面后，起始位移始終無法滿足對總位移的占比要求。經分析是由于受熱處理工藝影響，圓片在成形后產生的殘余應力大小不一，跨越范圍較大，膜片型面錐度無法保持在一個理想的范圍所致。然而，熱處理工藝水平卻不能在短時間內得到提升，因此產品的研制一時陷入僵局。

2.1 .2 分析過程

以九屏幕法為例。九屏幕法以空間為縱軸，考察“當前系統”及其“組成（子系統）”和“系統的環境與歸屬（超系統）”；以時間為橫軸，考察上述三種狀態的“過去”“現在”和“未來”，目的是尋找可利用的資源，分析清楚系統的構成與環境。九屏幕法的圖形有兩類，一類是基于技術系統進化，以當前系統及過去和未來的一種進化關系形成；一類是基于工藝和操作流程，以產品的工藝或操作流程為邏輯關系。

圖3 九屏幕法

從圖3（該圖是基于工藝和操作流程）可以看出，對膜盒的起始位移占比產生影響的只有子系統和當前系統的過去、現在和未來。子系統受目前工藝水平的限制，已經無法進行改進；而當前系統的過去和現在均無法滿足膜盒的特性需求，剩下的只有當前系統的未來——未知型面。這個未知型面既要滿足膜盒起始位移的占比需求，還要不受或減少應力對型面的影響。這里，需要引入一個新的概念——矛盾矩陣。矛盾矩陣是TRIZ理論為了方便更快地發現解決問題的方法，列出的一個由39項影響事物本身的通用工程參數組成地矩陣表，通過查表可以快速找到解決問題的創新原理。

通過查表，得到表1所示的結果。

表1 矛盾矩陣查表結果

分割原理：把一個物體分成相互獨立的部分；將物體分成容易組成和拆卸的部分；提高物體的可分性。這個原理的前提是在一個完整的膜片上實現膜盒的起始位移占比需求，因此無法選用。

變害為利原理：利用有害因素，得到有益結果；將兩個有害因素相結合進而消除它們；增大有害因素的幅度直至有害性消失。利用該原理的前提是可以對有害因素進行有效控制，但受工藝水平的限制，目前并不能將膜片成形時產生的應力控制在允許范圍內，因此該原理同樣無法選用。

物理或化學參數改變原理：改變物態；改變濃度或密度；改變柔度；改變溫度。利用該原理的前提是環境允許物理參數改變或現行工藝可以實現材料化學參數的改變，但這些條件目前均不具備，因此無法選用該原理。

局部質量原理：將物體、環境或外部作用的均勻結構變為不均勻；讓物體的不同部分各具不同功能；讓物體的各部分處于完全各自功能的最佳狀態。該原理的3類方法均可以在一個完整的膜片實現，因此這里選用該原理解決問題。

2.1 .3 解決方案

利用局部質量原理，這里放棄原有模具的型面錐度設計，將膜片本來完全均勻的三角波紋改為將靠近圓心的兩個三角波紋的角度由45°增大至60°，降低膜片平中心的剛度，提高膜盒的起始位移。同時，這個型面改進不易受到圓片成形時殘余應力的影響，而其他三角波紋角度不變，保證膜盒總位移的需求。通過10個批次產品的連續跟蹤，產品平均合格率達到85%以上，完全可以滿足生產需求。

2.2 應用案例2

2.2 .1 問題描述

某型焊接波紋管（見圖4）要求測量壓縮后的位移。由于前期對工藝細節的考慮不周，并未設計工裝夾具，而是由測量人員直接用手將該焊接波紋管壓并，然后用游標卡尺測量。但是，由于人的力量有限，不能持續工作，時間稍長，手的力量就不能完全將焊接波紋管壓并。因此，無法準確測量到焊接波紋管真實的壓縮位移。

圖4 焊接波紋管組件

為避免人手力量無法長時間持續工作的弊端，后采用手壓床將焊接波紋管壓并，以避開人手力量的限制。但是，由于受設備和場地的限制，需要一只手控制手壓床的手柄，另一只手用游標卡尺測量壓縮位移。這種方案不僅可操作性差，還有可能造成測試的誤差。

2.2 .2 分析過程

從前面的問題描述可以看出，需要一種兼顧省力、方便、準確的測量方法或工裝。此類問題可以歸結為系統在最小程度改變的情況下能夠實現最大程度的自服務，即TRIZ理論中的IFR（Ideal Final Result）方法——最終理想結果。

IFR方法有4個特點：保持原系統的優點；消除原系統的不足；沒有使系統變得更復雜；沒有引入新的缺陷。因為IFR方法要實現的是一種最理想的技術系統，而這種完全理想的結果作為物理實體是不存在的。因此，在實際操作中完全做到以上4點有一定難度，在解決實際問題的過程中，只能盡量向理想結果靠近。

如表2所示，IFR方法法分析過程一般分為4個步驟：1.現有問題描述；2.問題解決的IFR描述；3.分析現有的所有可利用資源；4.得到接近IFR的技術方案。

表2 IFR法分析過程

2.2 .3 解決方案

根據自服務原理：物體通過執行輔助或維護功能為自身服務；利用廢棄的能量與物質。本文利用焊接波紋管的壓縮力（廢棄的能量）以及焊接波紋管的螺孔（執行輔助或維護功能為自身服務），設計了一種夾具（見圖5）。該夾具使用時，是先將焊接波紋管旋至底座上，用有簧百分表測量其自由高度，然后將螺桿插入產品的螺孔內不斷旋轉，直至產品完全壓并，再用有簧百分表測量其壓并后的高度，則兩者之差就是產品的壓縮位移。

圖5 測量夾具使用示意圖

3 結論

經過對TIRZ理論先進性的闡述以及該理論在金屬彈性敏感元件設計及工藝中兩個實際應用案例的分析和說明，充分證明了TIRZ理論可以應用于金屬彈性敏感元件設計及工藝中，且優于常規的試錯法、頭腦風暴法等常規創新方法，可以迅速找準在設計或工藝中的問題癥結，并通過相應的創新原理得到比較合理、可靠的解決方案，從而節省寶貴的人力和物力。

但從目前的應用效果來看，TIRZ理論雖然可以明確指出在金屬彈性敏感元件設計及工藝中遇到的問題需要改進的方向，大幅節約時間和經濟成本，但尚不能給出改進所需的具體技術參數，仍然需要結合金屬彈性敏感元件專業知識，通過進一步的試驗來獲得最終的技術參數。

[1]金慧根.航空制造手冊/彈性元件工藝[M].北京：航空工業出版社，1994：1-2.

[2]趙敏.創新的方法[M].北京：當代中國出版社，2008：10-11，50-52.

The Application of TRIZ Theory in the Design and Technology of Metal Elastic Sensitive Element

LI Yang
(Department of Naval Equipment, Taiyuan 030006)

Due to the particularity of the metallic elastic sensing element, the performance quality characteristic of the product obtained through the existing theory and experience formula in the design and production process is not enough to reflect the actual situation of the product, and still needs a lot of experiments. Obtain the final parameters. In this paper, by introducing TRIZ theory, the method of resolving the design and production problem of metal elastic sensitive components or the related product parameters can be obtained efficiently by relying on the innovative thinking method, problem analysis method and solving process.

metal elastic sensitive element, TRIZ theory, product performance