基于TRIZ理論下的節能裝置設計與分析

孫 超，聞全意，魏曉斌，孫佳寶，包尚令

（齊齊哈爾大學機 電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

基于TRIZ理論下的節能裝置設計與分析

孫 超，聞全意，魏曉斌，孫佳寶，包尚令

（齊齊哈爾大學機 電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

將TRIZ(theory of inventive problem solving)技術沖突解決原理應用于一種新型節能裝置的研究，首先對現有的節能裝置作了調查，對其節能率低進行分析，然后針對各節能增力設備的需求，基于TRIZ理論的技術矛盾分析解決理論,分析、選擇、確定了可行的發明原理,給出了重力節能裝置的創新性設計方案，從而顯著提高節能效果。實現能量的高效節省，最后對該節能裝置的應用價值及前景作進一步展望。

曲線靠模板；節能；TRIZ理論

中國是當前世界上第一位能源生產國和消費國。隨著工業和科技的飛速發展，能源供應量持續增長，已難以支撐著社會快速發展。能源消費的快速增長，為世界能源市場創造了廣闊的發展空間。中國已成為世界能源市場不可或缺的組成部分，政府以科學發展觀為指導，加快發展現代能源產業，堅持節約資源和保護環境的基本國策，把建設資源節約型社會放在現代化發展戰略的突出位置，努力增強可持續發展能力，建設創新型國家，繼續為世界經濟發展和繁榮作出更大貢獻。重力節能裝置以其高效的節能率而可普遍應用于各節能增力設備中，具有很好的市場前景。

1 TRIZ理論的核心思想和主要內容

TRIZ的中文含義是發明問題解決理論。是基于知識、面向人的發明問題解決系統化方法學。TRIZ理論是由根奇·阿奇舒勒通過對250多萬份高水平發明專利的研究、分析、歸納總結，揭示出隱藏在專利之中的奧秘，是集百萬計發明家的智慧而創建的卓越成果。其核心思想是：無論是一個簡單產品還是復雜的技術系統，其核心技術的發展都是遵循著客觀規律發展演變的，即具有客觀的進化規律和模式。各種技術難題、沖突和矛盾的不斷解決是推動這種進化過程的動力。技術系統發展的理想狀態是用盡量少的資源實現盡量多的功能。它的主要內容包括：①技術系統進化法則；可以使人明確技術是如何進化的，為技術創新指明了方向。②矛盾解決原理：創新是通過消除矛盾解決問題的，主要研究技術矛盾和物理兩種矛盾的解決方法，利用39×39工程參數的矛盾矩陣和40個發明原理解決技術矛盾等。③物質—場分析法：提供了科學的問題分析及建模方法——物質—場分析法，用符號表達技術系統的建模技術，可以幫助人們快速確認核心問題，發現根本矛盾所在。④發明問題標準解法：在物質—場模型分析及應用過程中，由于所面對的問題具有復雜和廣泛性，存在很多困難，TRIZ理論為物質—場模型提供了76個標準解決方法，用來解決創新設計的開發問題。⑤發明問題解決算法ARIZ：ARIZ是發明問題解決過程中應遵循的理論方法和步驟，是針對非標準問題而提出的基于技術矛盾系統進化法則的一套完整的問題解決程序和算法。

2 創新方案設計

針對當前市場上一些節能裝置的節能方式，綜合應用了多種學科，增加了裝置自身技術難度而減少了使用人群，同時還使得價格昂貴。為了提高節能裝置的節能率和解決裝置自身重量、壽命和價格之間的矛盾，對節能裝置進行創新設計，在不增加其他元器件的情況下提高其節能效率，這是十分重要的。

基于TRIZ理論的技術矛盾沖突解決原理，分析產品存在的矛盾,就可以得到一系列發明原理,應用這些原理，可以找到產品改進及創新的方向,技術矛盾分析如表1所示。

綜合考慮各影響因素的作用及查找到的發明原理給出的設計方向，通過研究重力做功與路徑無關的特性，創新出重力節能裝置，將重塊安裝于杠桿兩端，在接近工作軸邊設置曲線靠模板。此節能裝置能夠在多種環境下工作，具有節能率高、結構簡單、增力效果顯著等優點。

表1 重力節能裝置主要技術矛盾參數表

3 重力節能裝置創新結構

在TRIZ技術沖突分析基礎上，創新設計出的的重力節能裝置，是基于重塊重力做功，使裝置操作簡單，受曲線靠模板影響工作時運動軌跡可靠穩定，便可以實現節能，其總體結構簡圖如圖1所示。

重力節能裝置，是基于重塊運動過程的模仿。原動力裝置通過工作軸將動力傳輸到杠桿執行部分，其結構緊湊，便于控制，如圖2所示。

圖1 作品整體圖

圖2 運動結構簡圖

兩個重塊隨著杠桿作復合運動，為減少磨損，可以在杠桿兩端與重塊接觸的地方增加彈簧，使重塊在越過曲線靠模板的過程中，能夠更加穩健。

重塊在運動過程中的兩個個特殊位置說明如下：

重塊一與重塊二運動軌跡如圖2所示。每次工作重塊到達A點時，原動機開始工作，重塊重心處的軸承開始與曲線靠模板的工作面接觸，由于曲線靠模板的作用，重塊作復合運動。

杠桿繼續轉動，重塊一到達B點時，原動機停止工作，重塊二受力矩大于重塊一所受力矩，其長度也為離工作軸最大距離，杠桿上的重塊會自動旋轉，該裝置可多次重復工作。上述完成一次旋轉，重塊完成兩個工作循環。而通過控制工作軸的轉速大小，來調節重塊轉動的靈活度。

4 結語

運用TRIZ創新理論，本作品的創新點主要體現在以下方面：將原來重塊與靠模板點的小面積接觸改為線大面積接觸，采用軸承接觸，減少了裝置本身的磨損，并對靠模板可以平穩越過。

杠桿兩端與重塊間增加彈簧，大大減小了重塊與中間板的碰撞，讓裝置在運動的過程中更加穩健。通過控制原動機來實現重塊的周期性運動。在靠模板上重塊上升的過程中作負功，在下降的過程中由于力矩的相互作用，實現自動旋轉，從而完成節能。

為進一步增加節能效果，在杠桿的重錘上和曲線靠模板上增設磁鐵，使其斥力與重塊重力大小相等、方向相反，推動杠桿移動，從而減少重塊轉動阻力所做功。

該節能裝置將會廣泛地代替節能增力設備從事各種工作，使人類從繁重的、重復單調的、有害健康和危險的生產作業中解放出來，為生活帶來了很大的方便。

［1］許維翰.一種節能裝置.中國：201620264292.4［P］.

［2］孫志禮，冷興聚，魏嚴剛，等.機械設計［M］.沈陽：東北大學出版社，2000.

［3］大連理工大學工程畫教研室.機械制圖［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［4］孫桓，陳作模.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2000.

2017黑龍江省（齊齊哈爾大學）大學生創新創業訓練計劃項目（201710232027）資助；

孫超，男，大學本科。

通迅作者：聞全意，男，副教授，主要研究方向：機械設計及理論