基于TRIZ理論的長鋼軌車組檢修用新型車窗防護裝置研究

T11BK型長鋼軌運輸車組是目前國內最新型使用最廣泛的500米長鋼軌運輸車組。該車組具有承擔焊接長鋼軌的裝、運、卸及舊軌回收功能，是鋪設無縫線路的重要設備[-3]。車組由13種車型43輛車組成，其中發電車供全列車作業和生活用電，是列車用電控制中心。如圖1所示，車體參照22B型客車車體設計。作業尾車是用于卸軌和收軌作業以及行車人員的宿營，車體也是參照22B型客車車體設計，如圖2所示。兩種車都有作業人員留守宿營功能，安裝有防滲漏性能更好的B型向上開啟式鋁合金單元式組合活動窗，結構較為簡單，方便檢修，對于提高作業人員的舒適度有著重要的作用[4-5]。

長鋼軌運輸車組具有運輸及收放軌功能屬性，按照廠修工藝規程規定，在拆除車內機組和設備后需要進行車體拋丸除銹工藝處理。拋丸除銹工藝就是通過高速旋轉的拋丸設備將拋丸顆粒投射到工件表面，以去除表面污垢、氧化層、涂層等雜質，同時也可以增加表面粗糙度、撞擊也會表面硬度提高，提高涂層附著力[6-8]。車組中發電車、作業尾車由于車體表面積大，在車體拋丸工藝中對拋丸質量要求非常嚴格，如果涂裝沒能在拋丸工藝有效清除，將會影響后續鋼結構檢修。

因發電車、作業尾車在拋丸工藝過程前車窗部分不能拆卸，故車窗的防護作業尤為重要，車窗防護不到位將會造成車窗及玻璃損壞，鋼砂進入車內清理困難也會造成內飾損壞。由于原有車窗防護較為原始，防護效果較差且耗時，在安裝過程中對車體造成損壞，已經不能滿足生產要求，需要一種全新的工藝進行替代。

TRIZ理論是由前蘇聯發明家Altshuller在20世紀50年代，首創提出的一種發明創造理論[1]，有助于快速打開創新型思維模式[1。他通過對數以百萬計的專利文獻進行研究，提煉出一套解決復雜技術問題的系統方法。TRIZ理論揭示了創造發明的內在規律與原理，是成熟的、實用的創新方法學。本文利用“總-分-總”的邏輯結構進行邏輯分析，運用TRIZ理論設計一種可拆解的防護裝置，并結合現有的檢修工藝，實現可拆解的防護裝置，并對車體無損傷，對現有的檢修工藝發展具有重要意義。

一、當前系統的分析與選擇

通過對現有拋丸除銹工藝流程分析，總結目前防護裝置的主要缺陷為： ① 裝卸復雜，時間過長。 ② 損傷車體、車窗。 ③ 防護效果差，損壞玻璃和內飾，利用率低。 ④ 操作人員數量多。

二、從當前系統出發分析

首先從“總”的角度對當前工藝進行分析，利用九屏圖分析明確拋丸除銹工藝的聚氨酯防護板，拋丸除銹作業、長鋼軌車組檢修工藝及相關的原始除銹工藝與無損除銹工藝。在此基礎上，進行功能分析，確定工藝中可用資以供后續問題解決階段使用。最后通過技術矛盾，建立三維模型，分析各個組件之間的聯系并確定有害關系、不足關系，以此總結出當前工藝中亟須解決的問題。

（一）九屏幕分析

本文采用“王”字形九屏圖的表達方式，該方式主要應用于技術進化類問題的思考，重點表達當前拋丸除銹工藝的過去與未來的進化邏輯，對后續相關的系統的功能分析具有啟發意義。如圖3所示，以現有拋丸除銹工藝為出發點，尋找原始除銹工藝以及無損除銹工藝。從當前現有拋丸除銹工藝向前進化為聚氨酯防護板拋丸除銹作業，其無損除銹作業，即只有在設計車窗防護裝置技術的背景下，車體無損除銹作業才能夠實現。同理，可以從現有拋丸除銹工藝向后推移得到原始除銹工藝以及相關鐵路車輛檢修工藝。

經分析，智能化車輛檢修工藝具有直接的引導意義。因此得出研究方向1：從現有拋丸除銹工藝進化到無損除銹工藝。

（二）組件分析與功能分析

組件分析是進行拋丸除銹工藝功能分析的基礎，從構成當前拋丸工藝的組件人手，建立各組件間相互作用矩陣，以此為基礎構建當前拋丸除銹工藝的功能模型。以有發電車車體為研究背景，對無損拋丸除銹作業的主要組件進行分析，見表1。

分析上述組件間的相互作用，構建組件之間的相互作用矩陣，為了能夠清晰識別現有拋丸除銹工藝缺陷，僅表達各組件之間直接且明顯相互作用關系。由于拋丸除銹的工藝的主要功能是對車體外側進行除銹處理，防止車體拋丸除銹時車窗被打碎，故在對各組件相互作用關系分析前，應先考慮當前系統所需滿足的基本技術要求：

1.防護框架，判斷車窗是否包含在框架內，車窗及鋁合金邊框無漏出。

2.通過對聚氨酯板的觀察，查看是否有破損，將判斷反饋給操作人員。

3.操作人員根據聚氨酯板的破損，判斷車窗是否被打碎。若車窗被打碎，操作人員需要將聚氨酯板拆下進行更換，破碎的車窗玻璃進行更換，防止下次聚氨酯板失效，造成不可逆的損失。

功能分析是識別各組件之間的相互作用關系并建立功能模型圖的過程[12]，進一步判斷各組件之間的過渡、充分、不足、有害等作用關系如圖4所示。根據基本技術要求結合相互作用矩陣可知，車體在支撐防護框架可能因為安裝有誤差，造成拋丸通過縫隙擊碎車窗，因此，正確的框架也是對車體的作用不足。因為該系統是在拋丸設備的背景下分析，因此需要考慮拋丸設備及拋丸顆粒的影響，其中拋丸顆粒的干擾最為明顯，對車體和裝置均存在有害作用。此外，由于操作人員的操作失誤，會對人員造成傷害。根據功能模型圖可知，安裝過程中棱角部分及聚氨酯裝抬過程中容易傷害到工人。最后，對整個功能模型的缺陷進行匯總，為后續利用TRIZ工具解決問題聚焦方向見表2。

三、功能缺陷的分析與解決

此部分從“分”的角度對功能缺陷進行逐一分析，利用技術矛盾等TRIZ工具求解得出可行方案。

技術矛盾主要用于在解決問題時，優化一個參數的同時會導致另一個參數惡化的場景[13。通過尋找阿奇舒勒矛盾矩陣尋找發明原理，以此打破這種矛盾關系，得出解決方案。

針對功能缺陷02，需減小操作人員對防護裝置的作用力的大小，但是需要增加車輛操作性及車輛的易維修性。對應的改善參數為33.易操作性，改善參數為34.易維修性，根據阿奇舒勒矛盾矩陣（表3），得到發明原理N.01分割原理、N.12等勢原理、N.26復制原理、N.15動態化原理。根據發明原理N.15得到方案提示1：根據動態化原理將車窗防護板設計為可移動的車窗防護板；根據發明原理N.01得到方案提示2：防護裝置在拋丸時鎖定不動，安裝時可解除鎖定便攜拆裝；根據發明原理N.12參數變化原理得到方案提示3：設計懸掛機構，將防護裝置懸掛在車體上，防正砸傷工作人員；根據發明原理N.26得到方案提示4，改防護裝置可以進行大量復制生產，對鐵路客車檢修有所幫助。

四、方案綜合與改進

通過上述的問題分析與解決，得到8種方案與2個研究方向（表4），從成本估計、可行性、完整性等評價指標對其進行分析整合，最終以方向1和方向2為設計導向，綜合方案設計一種長鋼軌車組檢修用新型車窗防護裝置設計研究。進行最終方案進行最后“總”的分析。

本文先從總體角度分析現有系統的功能缺陷，再通過“分”的角度將每一處功能缺陷逐一解決，最后再次利用“總”的方式檢驗方案提示，形成最終方案如圖5所示。

五、結論

（一）運用“總-分-總”的邏輯結合TRIZ理論對無損除銹工藝進行全面設計。從當前系統出發全面識別當前系統的功能缺陷，利用九屏圖法和資源分析法得出系統設計的研究方向，通過組件分析和功能分析的功能缺陷。利用TRIZ工具對識別出的工藝缺陷逐一解決，最后得到完善最終方案。

（二）本文研究重點為TRIZ理論在無損除銹工藝巧妙運用，將理論問題轉換為實際問題，并進行應用。

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責編/馬銘陽