基于AD_TRIZ的隨車起重機支腿創新設計

李 偉，肖 超，叢日平

(山西航天清華裝備有限責任公司 技術中心，山西 長治 046000)

0 引言

隨著科學技術的發展及市場競爭格局的日趨激烈，產品更新換代速度加快，企業必須掌握先進的設計方法并在盡可能短的時間內研制出滿足客戶需求的產品，才能占領市場先機。在這一過程中，融合了現代信息技術、計算機技術、管理技術等科學知識的產品創新設計起著決定性作用[1]。

劉曉敏等[2-5]建立了基于發明問題解決理論(Theory of innovation problem solving，TRIZ)和公理設計(Axiomatic design，AD)的概念設計模型，彌補了單個理論運用時的局限性，使設計更具創新價值。張彩麗等[6，7]將質量功能展開法(Quality Function Deployment，QFD)深度融合于TRIZ理論中，有效解決了TRIZ理論對問題來源能力不足及QFD解決問題能力不足的缺陷。Dou等[8]基于TRIZ/AD/QFD集成創新模型，為產品可持續創新設計提供了借鑒。

作為隨車起重機的重要部件，支腿結構的優劣直接影響起重機的車輛穩定性、防側翻等使用性能。目前，國內隨車起重機支腿的設計主要從造型和功能改良入手，缺乏系統的設計方法，且過多依賴于設計者的經驗和知識。為此，本文基于AD與TRIZ的集成設計方法，對隨車起重機支腿進行結構創新設計，有效地解決了其承載能力與伸縮性能的技術矛盾。

1 AD與TRIZ集成創新設計

1.1 公理設計(AD)概述

公理設計(AD)主要通過獨立公理和信息公理來衡量產品設計的優劣，通過設計矩陣評判產品設計功能的獨立性。這一過程常常依賴設計人員的主觀經驗，難以達到產品設計的理想狀態。

1.2 發明問題解決理論(TRIZ)概述

TRIZ理論著力于用39個通用工程參數、40個發明原理、76個標準解、八大技術進化法則、ARIZ(Algorithm for lnventive-problem Solving,發明問題解決算法)算法對一系列沖突問題高效、創新求解，以期得到高質量的創新產品，但無法識別待解決的沖突問題。

1.3 基于AD_TRIZ的創新模型

針對上述理論方法在工程設計中的不足，建立了AD_TRIZ產品概念創新設計模型，如圖1所示。模型創新設計步驟如下：

圖1 AD與TRIZ的集成創新設計

(1) 獲取用戶需求。通過調研、市場考察等獲得用戶需求。

(2) 設計人員將用戶需求逐級轉化為功能特性、設計特性、設計方案。

(3) 沖突判定及分析。通過TRIZ理論判定步驟(2)的轉化過程中是否存在沖突，如有沖突，則利用40個發明原理找到解決沖突的措施。

(4) 建立設計矩陣。應用AD建立功能需求與設計參數的映射矩陣A。

(5) 設計矩陣A耦合性判定。若設計矩陣為準耦合矩陣，且矩陣中功能數量較多，可利用計算機輔助解耦技術，以便快速對其排序調整。

(6) 沖突求解。若設計矩陣A為耦合矩陣，可利用TRIZ工具箱解決沖突問題。

(7) 方案評價。若只生成一個方案，可直接選取；若生成多個方案，則需計算各個方案的信息量，以信息量最少的作為最優方案。

(8) 仿真驗證。用UG軟件建立三維模型。

2 隨車起重機支腿創新設計

2.1 用戶需求分析

根據市場調研、工程實際使用情況等信息可知用戶對隨車起重機支腿有如下需求：

(1) 滿足隨車起重機不同作業工況下車輛穩定性的要求。

(2) 方便快捷的設備操作。

(3) 具有足夠的離地間隙，增強不同底盤的道路適應性。

(4) 支腿跨距不得超過2.5 m。

2.2 初步設計方案

隨車起重機H型手動伸縮式支腿主要由底座、伸縮梁、支腿油缸等組成，其結構如圖2所示。當起重機作業時，通過驅動裝置將伸縮梁伸出并與底座承載結構配合接觸，支腿油缸推動支腿豎直伸出，當支腿在水平和豎直方向完全伸出后即可進行吊載操縱，此時車架受力通過支腿傳至地面。

圖2 支腿結構形式

2.3 沖突判定及分析

隨車起重機支腿在伸縮過程中，由于受其重心位置的變化、焊接變形、安裝誤差等因素的影響，因此為方便支腿安裝，保證其伸縮性良好，需要底座與伸縮梁之間具有足夠大的配合間隙；支腿承載時，為保證其具有良好的受力狀態，伸縮梁與底座之間必須具有足夠的接觸(面—面接觸)，這就要求兩者之間的配合間隙越小越好。因此，支腿承載功能與伸縮功能對伸縮梁與底座配合間隙的要求構成了一對物理沖突。

2.4 TRIZ沖突創新設計

借助TRIZ理論矛盾沖突問題求解方法對負相關功能進行創新設計。

針對支腿承載功能與伸縮功能的物理沖突，利用TRIZ理論中的第1條(分割原理)、第16條(未達或過度的作用原理)原理，提出一種具有不同配合間隙的伸縮梁(如圖3所示)，從而使支腿伸縮功能與承載功能的空間分離。同時，設置有導輪調節裝置，以進一步提升支腿的伸縮平順性。

圖3 具有不同配合間隙的伸縮梁

為了不改變底盤離地間隙，保證整車道路通過性，在支腿油缸上設置翻轉機構，如圖4所示。

圖4 支腿翻轉機構

為提高支腿盤對地面的適應性，改善整車的穩定性，設計了如圖5所示的球形支腳盤結構。

圖5 球形支腳盤結構 圖6 隨車起重機支腿創新 結構

2.5 建立設計矩陣

根據TRIZ創新推理后，得到的隨車起重機支腿的功能需求與設計參數映射關系見表1。

表1 起重機支腿功能需求與設計參數映射關系

根據AD理論，可得：

其中：A為設計矩陣，1表示功能特性與設計參數之間有關聯，0表示功能特性與設計參數之間有無關聯。

2.6 設計矩陣A耦合性判定

分析可知，設計矩陣A為三角矩陣，該設計為非耦合設計，滿足AD獨立性要求。

2.7 概念模型

基于AD與TRIZ理論的隨車起重機支腿創新結構如圖6所示。

3 結論

基于AD_TRIZ的產品概念創新設計模型，提出一種隨車起重機H型伸縮式支腿結構，解決了支腿設計中所遇到的承載功能與伸縮功能技術沖突的難題，有效地改善了支腿受力，方便了支腿的水平調整，增強了支腳盤對地的適應性，為類似產品的設計提供了思路和方法。