基于TRIZ理論的大規格鋼絲繩索具創新設計

巨力索具股份有限公司 何海濤

通過TRIZ理論分析大規格鋼絲繩索具，設想出相似實例，進一步對實例進行功能分析，建立功能模型，裁剪實例元件;通過物質-場分析解決了創新過程中產生的新問題。本文對鋼絲繩索具進行了創新設計，實際應用表明TRIZ理論的創新效率。

隨著國內工業技術水平的不斷提高，橋梁、電力及石化等行業采用大模塊整體吊裝可以實現高空作業地面機械化，海上作業陸地工廠化，大大縮短施工周期。大型模塊的吊裝具有外形尺寸大、結構復雜、單鉤起吊重量大等特點。在吊裝作業中高強度和高韌性特點的鋼絲繩索具應用最為廣泛，但是僅僅依靠提升鋼絲強度和增大繩徑來完成大規格鋼絲繩索具設計可能為索具的制作、使用、維護等方面帶來不利因素。本文采用TRIZ理論中沖突分析得到相似實例作為初步領域解，對初步領域解進行功能分析，優化改善功能模型，使產品更趨向于理想解。

一、創新設計過程模型

產品設計中的沖突是普遍存在的，TRIZ理論提出了沖突解決的方法，該方法中有40條發明原理及39個通用工程參數。沖突矩陣將工程參數及發明原理有機結合，通過矩陣及標準工程參數，設計者可以找到1～4條發明原理，每條對應多個由世界專利庫中抽象出的不同領域工程實例，這些原理與實例稱為TRIZ解。通過TRIZ解，設計者找到未預見的發現（UXD），領域沖突解決的設想同時產生，這種設想往往是高質量設想。

TRIZ理論中的功能分析就是對系統進行分解，得到標準、不足、過剩和有害功能，以幫助工程師更詳細地理解工程系統中部件之間的相互作用。裁剪是TRIZ中一種改進系統的方法。由功能分析得到的存在與已有產品中的小問題可以通過裁剪來解決。裁剪是一種對工程系統刪除部件的方法，以減少或消除被裁剪部件的缺點。其目的是為了增加工程系統的效率，降低其成本。通過裁剪，將問題功能所對應的元件刪除，改善整個功能模型。

本文通過沖突分析產生創新概念設想，根據設想得出相似實例作為初步領域解，將初步領域解代入基于裁剪的產品創新設計過程模型。圖1所示為本文采用設計過程模型。

圖1 設計過程模型

二、問題描述

在大型模塊的吊裝中，連接吊具與大型模塊、通用吊具與專業吊具時，鋼絲繩索具扮演重要角色。隨著各行業的發展，大型模塊的重量屢創新高。提升鋼絲繩索具承載能力是滿足吊具設計的關鍵。為了滿足大型吊裝，方法一是增加吊點數量，降低單根鋼絲繩索具受力；方法二是選取破斷強度較高的鋼絲繩；方法三是增加單根鋼絲繩直徑。在吊具設計之初，多數情況大型模塊吊點數量已確定。而在選取同等強度鋼絲繩條件下，大規格鋼絲繩索具采用大直徑鋼絲繩是提升鋼絲繩索具承載能力的常規方法。隨著鋼絲繩直徑的增大，其自由彎曲半徑增大，其單位長度重量也會增大，為以后的安裝、使用、維護帶來不便，此為原始問題1。

三、相似實例選取

根據上述描述，確定上述問題為技術沖突，依據TRIZ理論的39個通用工程參數，上述問題為第10力與第33可操作性之間的矛盾。查閱TRIZ理論的矛盾矩陣，找到解決的發明原理，如表1所示。

表1 沖突矩陣簡表

對比矩陣中選取的各發明原理，本文采用第1條發明原理對前面的沖突進行解決。第1條發明原理：分割，（1）將一個物體分成相互獨立的部分。（2）使物體分成容易組裝及拆卸的部分。（3）增加物體相互獨立部分的程度。結合設計經驗分析，由多根細直徑鋼絲繩代替單根粗直徑鋼絲繩，常用機械結構中，滑輪組系統采用單根鋼絲繩纏繞在定滑輪組與動滑輪組間形成多根鋼絲繩受力結構。滑輪組系統兩端固定方式修改后可直接應用于吊裝作業，如圖2所示。采用滑輪組系統作為本文相似實例代替原鋼絲繩索具后，其需求發生了變化，各元件作用特性也隨之發生變化。按同等載荷進行滑輪組系統設計，鋼絲繩直徑的減小提高了系統的可操作性，兩端滑輪組設計較大，導致整體重量未減小反而增大，產生新的問題2。

圖2 滑輪組系統

四、優化改進過程

1.功能分析

對滑輪組系統進行功能分析，建立系統功能模型如圖3所示，功能模型用圖形的方式描述了工程系統中的制品、元件和超系統元件以及它們之間的相互關系，并對這些關系進行了分析。

圖3 功能模型

根據當前工作特性發現其有害作用、不足作用及過剩作用等問題。滑輪組間取消相對運動，鋼絲繩在工作中處于相對靜止狀態，滑輪的轉動對平衡鋼絲繩受力影響降低。軸承成為裁剪元件，與其相關作用成為裁剪的有用作用。鋼絲繩靜止狀態下，可以減小對其彎曲半徑的要求，原直徑尺寸滑輪對鋼絲繩彎曲和磨損的防護顯然成為過剩作用。

根據功能分析改進：（1）取消軸承元件，由滑輪軸直接支撐滑輪；（2）取消滑輪隔套元件，由滑輪架直接限位滑輪；（3）減小滑輪直徑，相應滑輪架和滑輪罩尺寸變小，降低滑輪、滑輪架和滑輪罩重量。

由于滑輪組系統的需求發生變化，才對功能模型中元件進行優化和裁剪，因此不易產生新的問題。

2.物質-場分析

功能分析前產生的新問題2未根本解決，滑輪軸在功能分析中未進行更改，仍需分析優化。功能分析中滑輪對鋼絲繩起支撐作用，滑輪軸對滑輪起支撐作用。滑輪對滑輪軸的作用會導致滑輪軸發生彎曲變形，建立物質-場模型如下圖4所示。滑輪S2作用在滑輪軸S1的力產生有害效應。選取標準解中第9項消除有害效應。第9項定義：在一個系統中有用及有害效應同時存在。S1及S2不必直接接觸，引入S4消除有害效應。在系統中增加套S4加強系統抗彎強度。其次合并滑輪S2和套S4，使其成為一體。性變形。鋼絲繩彎曲變形后確定了各股鋼絲繩長度，從而保證了此種索具應用于吊裝時各股鋼絲繩受力均衡。

圖4滑輪軸承載模型

圖5索具結構簡圖

五、方案實施效果

應用 TRIZ 理論進行分析，最終得出問題的理想解。滑輪組系統隨發生較大變化，先后分析了原始問題1和過程問題2，并進行了6點主要優化改進，最終確定如圖5所示方案。其中原滑輪架、滑輪軸成為超系統元件布置于吊具和被吊物中。根據此產品制作特性可更名為鋼絲繩預制纏繞索具。我公司已獲得鋼絲繩預制纏繞索具相關專利。

六、結語

本文以TRIZ理論為指導，對鋼絲繩索具產品進行了創新設計，提高了發明成功率、縮短發明周期。此產品的實際應用，證明了運用TRIZ技術創新理論確實可以有效地解決鋼絲繩索具產品創新設計領域的工程技術問題。

根據物質-場分析改進：在套的外圓上加工環槽代替滑輪繩槽功能；減小軸直徑，相應滑輪架、滑輪罩和套尺寸變小，進一步降低系統重量。

由于取消了多片滑輪，鋼絲繩受力時，軸套對鋼絲繩的調節受力功能減弱，采用發明原理第10項：預操作解決此問題，改進：鋼絲繩預先纏繞在上、下兩軸套上，并加載一定載荷，鋼絲繩彎曲受力后發生變形，利用鋼絲繩此特點，對纏繞后的鋼絲繩多步施加拉伸載荷，初步拉伸時，檢查各股鋼絲繩受力狀況，并調整鋼絲繩保證其受力均衡。拉伸載荷逐步增大使鋼絲繩與軸套接觸處發生永久性彎曲變形和彈