基于 TRIZ 理論的磁懸浮橋梁支座創新設計

韓家山，曾 敏，宋建平，李 靖，梁文偉，鄭朋飛

（1. 洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南洛陽 471000；2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430000）

1 研究背景

由于運行速度快，列車懸浮間隙小（10 mm左右），磁懸浮交通系統對支撐列車運行的橋梁及軌道線型要求較高。當支撐磁懸浮列車的橋梁結構發生沉降或者橫向變位時，磁懸浮列車的軌道平順性將受到影響；軌道平順性超差時，會造成車輛無法懸浮而出現打軌現象[1-4]。作為連接磁懸浮橋梁和橋墩的“關節”，磁懸浮橋梁支座應具備適應梁部溫升位移、傳遞上部結構荷載、調整軌道線型等功能，是保證磁懸浮交通平穩運行的關鍵部件。

目前，我國已經建成運營的磁懸浮交通線主要有上海高速磁懸浮示范線、北京S1磁懸浮線和長沙磁浮快線等[5-7]。上海高速磁懸浮示范線采用的是可調式支座，結構如圖1所示，主要包括上座板、平面摩擦副、傳力座板、中座板、球面摩擦副、內襯板、調高座板、鎖緊螺母、下座板、橫向調位裝置、底座板等部件。支座調高采用的是螺紋調高；橫向調位通過調整楔塊組來實現[8]。

北京S1磁懸浮線和長沙磁浮快線屬于低速磁浮線，采用的支座主體結構為普通球型支座，結構如圖2所示，主要包括下座板、球面摩擦副、中座板、平面摩擦副、上座板以及導向摩擦副等部件。支座調高采用的是墊板調高方式，在支座錨栓孔中增加可偏心軸套以滿足水平調位需求。

現有磁懸浮支座雖然已投入使用，但是在使用過程中已出現調整困難、調整精度低等諸多問題。另外，隨著磁懸浮交通技術的發展，磁懸浮列車速度越來越快，對磁懸浮橋梁支座也提出了更高的要求。本文將基于TRIZ理論對磁懸浮橋梁支座進行創新設計，以滿足橋梁設計、建設的要求。

2 TRIZ 理論及產品創新設計流程

TRIZ理論是俄文中“發明問題解決理論”的縮寫；前蘇聯專家Altshuller及其團隊通過對幾百萬份專利文獻和科學知識進行研究、整理和歸納，抽取了大量發明中運用的規律，最終形成并創建了一套實用的、以解決發明問題為主要目的的理論和方法體系[9]。

TRIZ理論中的工具主要包括問題模型、解決問題的工具以及解決方案模型。問題模型主要包括技術矛盾、物理矛盾、物-場模型以及功能化模型。解決問題的工具包括矛盾矩陣、分離原理、76個標準解以及效應庫等。解決方案模型包括40個發明原理、標準解的物場模型以及具體的效應等。

TRIZ理論發展至今已成為一個創新的平臺。利用它可以解決技術問題，產生創新的解決方案；可以進行專利布局；可以用于新產品規劃布局等。無論出于何種目的而應用，其解決問題的典型過程都主要分為3個步驟：問題識別、問題解決以及概念驗證；基于TRIZ理論的產品創新設計流程如圖3所示[10-11]。

3 磁懸浮橋梁支座創新設計

3.1 產品功能分析和問題分析

磁懸浮橋梁支座作為磁懸浮交通系統的重要部件，除應具有承受豎向荷載、水平荷載及適應梁端變形（位移、轉動）的基本功能外，在梁體架設完畢后，還要具備梁體姿態調整功能。因此，磁懸浮橋梁支座應具備以下功能：豎向承載功能、水平滑移功能、豎向轉動功能、水平承載功能、豎向高度調節功能、橫向位置調節功能。

另外，由于磁懸浮橋梁對懸浮距離的精確度要求較高，支座豎向調高及水平調位精度要達到無級調整的程度。現有磁懸浮橋梁支座的結構形式及功能經過分析，主要存在以下幾方面問題：螺紋調高支座螺紋承載能力差，對接觸部位材料的性能要求高；墊板調高支座調整精度差，不滿足無級調整的精度要求；橫向位置調整不方便；支座結構尺寸偏大，結構不緊湊。

3.2 技術矛盾確定與解決思路

TRIZ理論認為發明問題的核心是解決矛盾；TRIZ中的矛盾被分為技術矛盾和物理矛盾。技術矛盾是指實際工程問題中2個工程參數之間的矛盾，即改善一個技術參數的同時，帶來了另外一個技術參數的惡化。TRIZ理論解決技術矛盾利用的工具是矛盾矩陣和40條發明原理：首先從特定的工程問題中分析出矛盾和沖突，將矛盾用39個工程參數進行表述，通過查詢矛盾矩陣，然后從40條發明原理中找出可借鑒的發明原理通解，最后得出實際的工程問題解決方案。

整個磁懸浮交通系統在引用磁懸浮橋梁支座后，梁部載荷、位移可以自由傳遞到下部墩臺，結構更加穩定可靠；明顯改善的參數是力、穩定性、作用于物體的有害因素以及適應性、通用性。由于現有支座存在有害功能以及不足功能，對于系統來講，惡化的參數有應力、壓強、強度、物體產生的有害因素以及可維修性等，綜合以上分析得出矛盾矩陣表如表1。

表1 矛盾矩陣表

根據磁懸浮橋梁支座的特點，在上述發明原理中有5條發明原理可以應用，分別是發明原理7、發明原理9、發明原理13、發明原理14以及發明原理15，原理名稱及解釋見表2。

表2 發明原理及解釋說明

3.3 創新設計

3.3.1 無級調高結構設計

目前支座調高主要采用填充鋼墊板的方式進行，針對不同的調高量需加工特定厚度的鋼板，實際施工中調高精度較低[12-13]。針對磁懸浮橋梁支座調高的功能需求，依據發明原理14曲面化發明原理中的原則2和原則3，使用螺旋結構，改直線運動為旋轉運動。但是，單純地使用螺旋結構，螺旋結構承受豎向荷載，會導致支座承載能力差、疲勞性能不好等問題。針對該問題，采用發明原理9預先反作用中的原則2，在結構中施加1個預先反作用力，分擔螺旋結構承受的豎向荷載。

具體方案是采用高性能的梯形螺紋傳動調高結構實現支座的無級調高功能，然后在調高結構中加入楔塊，通過楔塊的楔緊功能，分擔螺旋結構承受的豎向荷載，結構示意圖如圖4所示。

3.3.2 倒置球面結構設計

為滿足支座的轉動功能，利用發明原理14曲面化發明原理中的原則1，引入球面結構設計；同時利用發明原理13中的原則3，將球面進行倒置，支座上部結構可以一體轉動，螺紋結構受力性能更好，結構示意圖如圖5所示。

如圖5所示倒置球面結構后，支座上部結構可以一體轉動，且傳力均勻，梯形螺紋結構受力性能更好，結構更加可靠。

3.3.3 橫向位置調節結構設計

現有支座的橫向位置調節功能在實際應用中存在位置調整程序復雜、調節不便利等缺點，不利于支座的安裝施工及后期維護。根據磁懸浮橋梁支座的橫向調位需求，依據發明原理7嵌套發明原理的原則2，讓某物體穿過另一物體的空腔；同時利用發明原理15動態特性的原則1，分割物體使其各部位可以改變相對位置，將物體分割成容易拆卸和組裝的部分，增加物體的分割程度。

具體方案是提出一種組合墊片式位置調節結構，如圖6所示。位置調節結構的調位螺栓穿過頂推板側面設置的螺紋，并與上部結構頂推部位相接觸，旋動調位螺栓推動支座上部位置進行移動，達到位置調節的目的。

位置調節結構的底板頂推部位與上部結構之間設置間隙調整墊片組合；墊片組合由多個特定厚度的墊片組成，可根據位置調節量選取不同的墊片組合，通過增加或減少兩側的墊片數量，填充兩側位置調節的間隙。另外，為提高位置調整精度，將其中1組調整墊片做成楔形墊片；位置調整結束后，利用楔形墊片進行楔緊，從而達到橫向無級調整的精度要求。

3.3.4 支座總體結構設計

在對支座進行總體結構設計時，利用發明原理7嵌套發明原理的第1個發明原則，將無級調高結構、倒置球面結構以及橫向位置調節結構進行分步嵌套，同時為滿足支座水平滑移功能，利用發明原理15動態特性的第2個發明原則，增加活動導向板結構。另外，為增加結構的可靠性，在調高楔塊處增加楔塊擋板結構，防止楔塊在交變荷載下出現松動；在活動導向板處增加蓋板結構，對活動導向板等結構進行豎向限位。

支座結構示意如圖7所示，主要包括下座板、平面摩擦副、中座板、球面摩擦副、調高座板、導向摩擦副、活動導向板、調位墊片、調位螺栓、蓋板、楔塊、楔塊擋板、上座板等部件。支座能夠傳遞豎向壓載、水平荷載，可實現水平滑移和轉動功能，同時又可以調節支座的高度和橫向位置。

4 樣品試驗

根據磁懸浮橋梁支座的創新設計方案試制樣品。為驗證支座的整體性能及各項功能是否滿足設計要求，對樣品支座進行了系列試驗；試驗項目主要包括豎向承載力試驗、水平承載力試驗、摩擦系數試驗、轉動試驗、調高試驗及水平調位試驗，樣品支座試驗照片如圖 8、圖9所示，試驗結果見表3。通過表3試驗結果可以看出，樣品支座的整體力學性能及各項功能完全符合設計要求及相關標準的規定。此試驗同時也驗證了基于TRIZ理論所得的磁懸浮橋梁支座創新設計方案的有效性和可行性。

表3 樣品支座試驗結果

5 結論

基于TRIZ理論，對磁懸浮橋梁支座進行了功能分析和問題分析，然后建立了矛盾矩陣，并用典型的發明原理對磁懸浮橋梁支座進行了創新設計。根據創新設計方案，進行了樣品試制，并對樣品支座進行了系列試驗。試驗結果表明支座整體力學性能及各項功能完全符合設計要求及相關標準的規定。運用TRIZ理論進行創新設計的磁懸浮橋梁支座，具有傳力可靠、結構緊湊、高度無級可調、橫向位置無級可調等優點，可以為相關的磁懸浮橋梁工程建設提供參考。