基于TRIZ理論航空液壓控制閥集成化輕量化關鍵技術分析

羅鵬程

（航空工業飛機起落架有限責任公司，長沙410200）

航空液壓元件及系統的集成化輕量化設計可降低設備自重、減小原動機功率需求，從而有效提高裝備的機動性能、續航能力和人員物資的搭載能力，同時還具有節能減排、綠色制造等優點。據文獻統計[1]，飛機重量每減輕1%，其性能將提高3%～5%，且能耗和運營成本將顯著降低。大型移動高端裝備的集成輕量化設計反映了國家工業技術水平，是大國重器的重要體現。

目前液壓控制閥的集成化輕量化已完成了“少管化”“無管化”及“去（單個元件）閥體化”“去（安裝面用的）油路塊化”的發展歷程，進一步集成技術主要體現在下述方面：

（1）液壓元件結構的進一步融合

在液壓元件或液壓系統設計中，可以將元件或系統中多個零件的結構進行融合，從而減少零件個數來實現結構的緊湊化、集成化。

（2）液壓元件功能的進一步復合

在液壓元件或液壓系統設計中，可以將元件或系統中某一零件的功能與其它零件功能進行復合，從而減少零件個數來實現結構的緊湊化、集成化。

本文結合TRIZ理論就液壓控制閥組的集成化輕量化關鍵技術進行了初步探討，期望為航空液壓元件及系統的集成創新設計提供可行研發路徑。

1 TRIZ的矛盾動力理論和分析方法

TRIZ理論認為矛盾存在于技術系統并為技術系統的發展提供根本動力，技術矛盾的分析、識別和解決就是創新發明的三部曲[2]。技術矛盾是指技術系統中某一參數（或特性）得到改善的同時，將導致另一參數（或特性）發生惡化而產生的矛盾。TRIZ理論將導致技術矛盾的因素歸納為39個通用工程參數，并提供了40條問題解決的發明原理，上述工程參數和發明原理構成了阿奇舒勒矛盾矩陣表，其分析的基本方法步驟為：首先，對實際問題進行分析、整理、轉化成標準問題模型；其次，把存在的技術矛盾用標準工程參數表示，并確定預改善的參數和被惡化的參數；然后根據確定的參數從矛盾矩陣表中查找推薦的發明原理，再經分析、遴選出有益的發明原理，最后，根據發明原理和相關知識確定解決方案。

2 航空液壓控制閥組集成化輕量化技術矛盾分析

目前液壓控制閥已完成了“少管化”“無管化”及“去（單個元件）閥體化”“去（安裝面用的）油路塊化”的發展歷程，液壓控制閥的安裝結構發展出了管式、板式、疊加式、插裝式等多種型式。進一步的緊湊化高集成度和輕量化設計可減小控制閥組體積重量、降低元件聯接的復雜性、改善可維修性、減少泄漏風險、提高可靠性，但同時會帶來元件強度、應力分布、結構穩定性等性能的惡化問題，其構成的矛盾矩陣如表1所示。表1中數字分別對應39個通用工程參數序號和40個發明原理編號。

表1 技術矛盾矩陣分析表

表1中推薦24條發明原理來解決相應的技術矛盾，但并不是所有方法均對問題解決有幫助，經過分析和比較，發現第1條“分割原理”、第5條“組合原理”、第24條“借助中介物原理”和第40條“復合材料”可用于航空液壓控制閥組集成化輕量化設計。

3 航空液壓控制閥組集成化輕量化創新設計路徑

3.1 分割發明原理

分割原理是將一個物體分成相互獨立的部分，提高物體的可分性或易組裝性。該原理可用于液壓控制閥結構融合設計，提高元件的集成緊湊性。

在液壓控制閥結構設計中，可將分割的相互獨立的多個零件重新組裝，實現結構融合，從而減少零件個數來實現結構的緊湊化、集成化。例如傳統一個單向閥和一個阻尼孔構成的單向節流回路中將單向閥的閥座與阻尼孔融合；一個單向閥和一個溢流閥構成安全保護和低壓補油功能的回路中將單向閥的閥體與溢流閥的閥芯融合，可以在實現其各自功能的基礎上將兩個閥在結構上高度融合從而實現緊湊化設計，如圖 1（a）、（b）所示[3，4]。

3.2 組合發明原理

組合原理指在時空上將相近物體或操作加以組合或連續并列進行。

在液壓控制閥結構設計中，可將相互獨立的某一零件的功能與其它零件功能進行復合，從而減少零件個數來實現結構的緊湊化、集成化。例如在液壓閥芯運動阻尼方案設計中，可將閥芯與阻尼器中阻尼頭設計成一個零件，實現功能復合，減少零件個數，同時實現良好工藝性，如圖2所示。

圖1 液壓控制閥結構融合

圖2 液壓元件功能復合

3.3 借助中介物發明原理

傳統設計方法采用的是基于強度理論的集中參數法，安全系數大，設計趨于保守，造成系統體積重量大。現代計算機輔助設計方法為分布式參數法，可得到整個流場的參數分布或彈塑體應力場分布，有利于對結構進行精細化改進和優化，借助CAD輔助設計手段這一中介物可發現新結構、新原理[5，6]。

如圖3所示，借助CFD計算和有限元分析，可得到閥口流場參數和閥體應力的分布狀況，為液壓閥結構的改進和優化提供理論支撐。

圖3 液壓控制閥計算機輔助設計

3.4 復合材料

復合材料原理可理解為新材料新工藝在液壓控制閥集成化輕量化上應用。

（1）先進材料

一般要求在滿足液壓控制閥功能及技術指標要求的前提下，利用輕質高強度材料替代傳統鋼制材料可有效減輕元件和系統的總重量，同時考慮到液壓控制閥環境適應性及目前與之配套的的熱處理和表面處理工藝等要求，如安裝在陸機飛機駕駛艙內部的液壓控制用閥一般采用鋁合金、水陸兩棲飛機等為適應海洋環境一般采用鈦合金或碳纖維增強塑料作為液壓控制閥外殼等，表2為幾種輕質材料物理力學性能對比表。

表2 幾種輕質材料物理力學性能對比

（2）先進制造工藝

采用3D打印增材制造技術用于產品創新及輕量化設計。3D打印技術[7]是一種以三維CAD模型文件為基礎，應用粉狀、絲狀或片狀等材料，通過“分層制造，逐層疊加”的方式來構造三維物體的技術。目前應用比較廣泛的3D打印成型工藝技術有：激光選區燒結（SLS）、直接金屬激光燒結（DMLS）、立體光固化成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、分層物體制造（LOM）等。3D打印可成型材料涵蓋鋁合金、不銹鋼、高強鋼、模具鋼、鈦合金、高溫合金等多個種類，廣泛應用于航空航天、軍工、工業模具、船舶、醫學等領域，特別適合于產品研發試制，加速產品迭代過程。表3為常見兩種輕質材料3D打印成型零件與鍛造、鑄造的力學性能對比表[8]。

表3 輕質材料3D打印成型零件與鍛造、鑄造的力學性能對比

利用3D打印增材制造技術可以實現液壓控制閥流線型復雜內部流道成型，流動能耗損失小，無污染產生，是集成輕量化設計的新工藝。圖4為意大利Aidro液壓公司在2017年3D打印成型的一種液壓控制閥，重量減輕了35%[9]，空客公司于2017年3月30日在A380飛機上使用了首個3D打印液壓件試飛成功，預示3D打印技術在航空工業領域的廣闊應用前景。

圖43 D打印制造的液壓閥

4 結語

移動裝備液壓元件與系統集成輕量化技術是液壓的“卡脖子”技術之一，受到國家工信部、科技部等相關部門高度重視。國家在2018重點研發計劃“制造基礎技術與關鍵部件”重點專項中專門設立了基礎前沿類“液壓元件與系統輕量化設計制造新方法”專項指南以引導鼓勵從事液壓集成輕量化技術的研究。本文基于TRIZ理論，利用矛盾動力分析方法，結合相應發明原理，通過實際案例指出元件結構融合、功能復合、計算機輔助先進設計方法及新材料、新工藝是實現集成輕量化設計的有效路徑。