基于TRIZ理論提高盤軸松動轉子系統的動力學特性

摘 "要：轉子系統在復雜工況下運轉時很容易出現松動故障，為提高對盤軸松動轉子系統動力學特性的研究，基于TRIZ理論對問題進行分析和求解，該文通過對系統進行組件分析、資源分析、功能模型圖和因果分析，找出產生問題的根本原因，再使用最終理想解、九屏幕圖、STC算子、技術矛盾與發明原理、物理矛盾與分離原理、物場模型及科學效應與知識庫等工具對問題進行求解，為解決盤軸松動轉子系統動力學可靠性問題提供創新設計方案。

關鍵詞：轉子系統；TRIZ理論；盤軸松動；動力學特性；創新方法

中圖分類號：TH113.1 文獻標識碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0012-05

Abstract： Loose faults are easy to occur when the rotor system is running under complex working conditions. In order to improve the study of the dynamic characteristics of the rotor system with loose spindles， the problem is analyzed and solved based on TRIZ theory. Through component analysis， resource analysis， functional model diagram and causal analysis of the system， the root cause of the problem is found. Then， the final ideal solution， nine-screen diagram， STC operator， technical contradiction and invention principle， physical contradiction and separation principle， matter field model， scientific effect and knowledge base are used to solve the problem， which provides an innovative design scheme for solving the dynamic reliability problem of disk shaft loose rotor system.

Keywords： rotor system; TRIZ theory; disk shaft loosening; dynamic characteristics; innovative method

旋轉機械在電力、石化和航空航天等領域應用廣泛，如發電機、離心機及航空發動機等，并在這些領域具有非常重要的作用。旋轉機械容易發生裂紋、松動、振動等故障，其中，松動故障是由裝配質量不高和長期振動產生的，也是最容易發生的一種故障，一般發生在支撐部件、轉盤與轉軸等連接件中。然而，現有的旋轉機械松動故障研究主要是對非轉動部件的松動故障進行研究[1-6]，如軸承座松動、支座松動等，卻忽略了轉動部件的松動故障。轉子系統的主要做功部件是轉盤和轉軸，其常在大幅度振動、高溫、高速等復雜工況下工作；在復雜工況下，轉盤與轉軸的裝配界面極易出現松動故障，松動故障會直接對整個轉子系統的運動特性造成影響。盤軸轉子系統松動故障輕則會影響機器的工作效率，重則會造成重大的人員和經濟損失。轉子系統的松動問題應該被人們高度重視，否則，將會給工程應用帶來很大的安全問題。因此，只有先掌握了轉子系統的動力學特性，才能提前做出預警。

目前，發明問題解決理論（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch， TRIZ）是一種常見的創新理論方法，TRIZ在問題分析、解決領域有著全面而獨特的理論體系。因此，本文基于TRIZ理論對提高盤軸松動轉子系統的動力學特性這一問題進行分析，應用TRIZ理論[7-12]的最終理想解、九屏幕圖、STC算子、技術矛盾、物理矛盾、物場模型及科學效應與知識庫等工具提出解決方案，對利用創新理論解決實際問題具有重要的參考價值。

1 "問題描述

盤軸作為轉子系統的主要做功部件，通常在大幅度振動、高溫、高壓和高速等復雜工況下工作，盤軸松動故障發生時，很容易導致其他故障發生，直接獲取轉子系統的動力學特性不僅需要巨大的經濟成本，而且對技術的要求也比較高。因此，對問題進行規范化表述系統實現的功能為“轉子動力學系統（技術系統S）分析（施加動作V）盤軸松動轉子系統（作用對象O）的動力學特性（作用對象的參數P）”。圖1為現有技術系統的工作原理流程圖。然而，現有的關于盤軸松動的研究較少，并且主要是單故障研究，忽略了對耦合故障的研究；盤軸松動轉子系統動力學分析結果與現場采集的數據存在一定的差異。通過上述分析，關于盤軸松動轉子系統動力學的可靠性還有待提高，因此使用TRIZ創新方法對其進行分析改善。

2 "問題分析

2.1 "系統組件分析

在TRIZ中，組件分析是為了明確系統組件間相互作用的功能屬性。通過對盤軸松動轉子系統的分析，系統組件主要為動力學系統，超系統組件為人和外界環境，子組件包括轉盤、轉軸、軸承座、電機、電渦流傳感器和計算機等。

2.2 "系統資源分析

在TRIZ理論中，資源是一切可被人類開發利用的物質、能量和信息的總稱，資源分析則是整理系統中的可用資源，從而使“隱性資源顯性化、顯性資源系統化”。因此，創造性的利用系統可用資源，能夠提高系統的理想度水平。通過對資源進行合理分類，可以分為物質、能量、信息、時間、空間和功能等資源類型，根據常見的資源類型對轉子動力學系統進行分析，見表1。

2.3 "系統功能模型

系統功能分析就是對系統進行分解，確定系統的主要功能，明確各組件的有用功能及其對系統的貢獻，建立并繪制功能模型圖，如圖2所示，其中直線代表充分作用，虛線代表不足作用。功能模型采用規范化的描述來表達組件的相互關系，有助于對系統進行更深入的分析。

2.4 "系統因果分析

因果關系在生活中無處不在，因果分析就是找出事件發生的原因與結果這兩者之間的關系，要循因導果、執果索因，從不同方向用不同的思維方式進行分析。因此，通過分析可以得到如圖3所示的因果分析圖，這4條因果鏈最終都會導致盤軸松動轉子系統動力學特性可靠性不足。

3 "問題求解

3.1 "最終理想解IFR

隨著系統的改進，期望能夠實現系統中所有有用的功能，卻不占用時間、空間，不消耗資源，也不產生有害功能，這種系統稱為理想系統，這種理想化的狀態稱為最終理想化的結果（Ideal Final Result， IFR），而尋找這種結果的解決方案的過程稱為最終理想解[13]。為了提高盤軸松動轉子系統動力學特性的可靠性，最終理想解是準確獲取故障轉子系統動力學特性，因此，IFR具體分析過程見表2，同時得到如下概念方案。

方案1：優化轉子系統的設計參數，提高其使用性能和使用壽命。

方案2：改善轉子系統的運行環境，提高其使用性能和使用壽命。

方案3：使用高效的仿真軟件分析轉子系統動力學特性。

3.2 "九屏幕圖

九屏幕法是典型的TRIZ“系統思維”方法，即對情境進行整體考慮，不僅考慮目前的情境和探討的問題，還考慮其在層次和時間上的位置和角色。通過分析可以得到如圖4所示的九屏幕圖。因此，得到了如下概念方案。

方案4：運用信息資源產生新的概念方案，使用Comsol軟件代替數學建模。

方案5：運用物質資源產生新的概念方案，用云服務器代替計算機，提高計算能力。

方案6：運用信息資源產生新的概念方案，建立盤軸松動轉子動力學系統。

方案7：運用信息資源產生新的概念方案，在建立盤軸松動轉子動力學系統時考慮偏心故障對系統的影響。

3.3 "STC算子

STC算子對物體的尺寸（size）、時間（time）、成本（cost）這3個因素的極限變化進行分析，以打破常規的對物體的尺寸、時間和成本的認識。系統在3種極限條件下的情況見表3。因此，得到了如下概念方案。

方案8：在成本無窮小的條件下產生新的概念方案，實時監測轉子系統的運動狀態，確保轉子系統一直處于良好狀態。

方案9：在成本無窮大的條件下，產生新的概念方案，頻繁更換轉盤和轉軸。

方案10：在時間無窮大的條件下，產生新的概念方案，人工測量轉子系統的動力學特性。

3.4 "技術矛盾與發明原理

技術矛盾指相互制約的2個系統參數，提高某一參數時，會使另一參數惡化的矛盾[14]。針對現有的盤軸松動轉子系統模型，如果降低轉子系統動力學特性的可靠性，那么將可以快速獲取轉子系統的動力學模型，但是轉子系統的壽命將會減少；如果提高轉子系統動力學特性的可靠性，那么轉子系統的壽命將會提高，但是轉子系統的動力學模型將會變得復雜。因此，得到了如下概念方案。

方案11：利用發明原理2抽出原理，產生新的概念方案，僅對單個部件建模，其他部件的功能以參數的形式體現。

方案12：利用發明原理3局部特性原理，產生新的概念方案，用1/4的轉子代替整個轉子。

方案13：利用發明原理3局部特性原理，產生新的概念方案，用局部轉子系統的動力學特性即可表示整個轉子系統。

3.5 "物理矛盾與分離原理

為了實現某種功能，要求同一對象或同一子系統的某個參數互斥，這稱為物理矛盾。為了快速獲取準確的轉子系統動力學特性，要求降低性能；與此同時，為了提高轉子系統壽命，要求提高性能。因此，得到了如下概念方案。

方案14：運用空間分離產生新的概念方案，將數值方程的計算過程分布在多個計算機中完成。

3.6 "物-場模型及標準解

物-場模型一般用于描述帶有問題的系統，通過建立模型用符號語言描述系統的構成要素及其相互聯系。在系統中，兩物體間的作用可用2個物質（對象物質S1和工具物質S2）和1個場的模式來描述[15]。因此，得到了如下概念方案。

方案15：運用標準解1.1.2，引入偏心故障來模擬實際工況可能會出現的耦合故障，新的物-場模型如圖5所示。

方案16：運用標準解1.1.1，在動力學系統中加入能夠模擬實際工況的功能，新的物-場模型如圖6所示。

3.7 "科學效應與知識庫

科學效應是在科學理論的指導下，實施科學現象的技術結果[16]。效應知識庫大致分為3類：學科效應庫、功能庫、屬性庫。表4為提煉欲改變的系統功能。綜合查詢效應庫，得到表5的功能庫和表6的屬性庫。因此，得到了如下概念方案。

方案17：查詢“改變轉盤重量”，運用科學效應“改變對象的尺寸或形狀”產生新的概念方案，即在建立轉子系統動力學模型時，考慮偏心故障引起的耦合故障。

4 "方案匯總

基于TRIZ理論對盤軸松動轉子系統動力學特性可靠性問題改善研究得出了17個方案。從成本、難易、可靠等多個維度對這17個方案進行可行性評估，最終結果見表7。根據綜合評價最終采納由“方案6、方案16、方案17”所組成的綜合方案，即盤軸松動-偏心耦合故障轉子系統動力學模型。

5 "結束語

本文結合TRIZ對盤軸松動轉子系統動力學特性可靠性問題進行研究，通過對轉子系統重新建模，合理運用多種工具將矛盾點層層分析解剖，最終將問題趨于理想解。通過TRIZ的分析，該方案解決了當前轉子系統動力學特性難以獲取及不準確的問題，極大地改善了轉子系統的動力學建模與實際工況間誤差較大的不足，豐富了轉子系統中配合松動類故障的研究方法，同時對轉子系統松動故障的監測及診斷具有重要的理論價值及工程應用價值。

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